水的相变对热液成矿作用的控制课件

1、热液金属矿床水相变控矿机理2012-7-7，北京（杜乐天教授80华诞、从事地质工作60年，即2012年7月58日（北京）地球深部流体与巨型成矿带及重大地质灾害学术研讨会）胡宝群（东华理工大学）热烈祝贺杜老师80华诞！1汇报提纲1 为什么要选择热液矿床为研究对象？2 新角度研究热液成矿作用3 热液矿床水相变控矿机理3.1 热液矿床水相变控矿理论要点3.2 理论分析3.3 实验支持水相变时水中矿质溶解度的突变3.4 地质证据3.5 本控矿理论总结：核心及3个关键4 水相变控矿理论的矿体定位预测标志5 岩石圈中水相变的地学意义及相关思考21 为什么要选择热液矿床为研究对象？（1）热液矿床是分布最广的

2、矿床类型，有重要经济意义。既使是沉积矿床等其他类型的矿床，也或多或少存在热液成矿作用的叠加。（2）热液矿床是各种地质作用演化结果，其成矿过程研究可提供区域地质演化的信息。（3）其形成过程中有流体参与，通过热液成矿作用研究可了解岩石圈中流体的物理化学性行为。流体的地质演化史不仅是热液成矿地质作用研究的主线。还是其他地质作用（油气、地震、火山、灾害）过程的灵魂所在！32 新角度研究热液成矿作用热液矿床的控矿因素多，几乎所有的因素都对热液矿床有影响，似乎都不可或缺。哪些是主控因素、主要控矿机理是什么？水是成矿流体的主体，热液成矿作用中水的物理化学行为起主导作用。试图从另一个角度来研究热液成矿作用。4

3、具体思路如下：1）理论分析：水相变引起热容、溶解度等理化性质明显变化，特别是在临界点处还会出现“临界奇异性”，与非相变区理化性质小幅度的渐变有明显区别，这必将影响成矿物质的活化、迁移和沉淀。2）实验支撑：矿物溶解实验。3）地质证据：热液型矿床的基本特征总结。这是建立本理论的基石。4）成矿机理：水相变研究可揭示成矿作用与断裂（及岩浆活动）等之间的内在联系，揭示出构造控矿的的热力学机理。（汇报则是逆向的）在以上工作基础上：指出找矿标志：富大矿二次降压标志，相对应的两套构造体系。探讨水相变在地震、油气形成等方面的意义53 热液矿床水相变控矿机理63.1 热液矿床水相变控矿理论要点综合上述野外地质、理

4、论分析及相关实验，提出热液矿床水相变控矿理论，要点如下：1)水是成矿热液的主体，水的热容值通常是岩石的45倍，渗透性和流动性强，是成矿物质和能量的携带者和传递者。2)当水发生一、二级相变时可引起热容、水中矿质溶解度、压缩系数和膨胀系数等物理化学参数突变；特别是在临界点处二级相变时还出现“临界奇异性”，热容、压缩系数和膨胀系数等部分参数趋于无穷大，与水在非相变区理化性质小幅度渐变区别明显（即便是温压远高于临界常数时其理化性质与标准状态下相近、且随温压的变化幅度小），必将影响成矿物质的活化、迁移和沉淀。73) 而水是否相变及相变种类取决于构造、岩浆活动及地温梯度等；在岩石圈的正常地温梯度范围（地温

5、梯度小于350/km），则直接取决于断裂、皱褶和韧性剪切等降压条件是否存在；即水的物理化学性质发生明显变化的必要条件是降压环境的出现。在热液成矿作用中，降压是必要条件，岩浆活动仅是有利条件而非必要条件。84)一个理想的热液成矿作用过程，大体分为早、晚两期次的降压地质作用，早期降压主要起到活化成矿物质作用，晚期降压地质作用主要起到促使成矿物质沉淀的作用。5)水的相变是连接微观和宏观控矿因素的纽带。水的相变是承接热液成矿作用通用原理和矿床产地特定地质背景的“链接点”。 水相变研究从物理化学角度揭示出成矿作用与断裂等之间内在的物理化学联系，可在热液成矿作用中建立起流体系统与构造系统之间的关联，进而探

6、讨区域大地构造演化。9基础知识简介水的相图、地温线及两者关系，一、二级相变低温低压区高温高压区ABC线为拟相变线3.2 物理化学的理论分析10水的热容在临界点处的奇异性变化临界点两侧较远处的CP相近（1）水的热容等理化性质在相变线上有突变、在临界点处的奇异性变化。非相变线区域，水的物理化学性质仅有小幅度的渐变。11临界点两侧较远处的CP相近12在临界点前后热容随温压的变化图中示出不同压力下的拟临界温度特别关注：既使温度和压力很大时，水的热容值并不大、仅与标准状态下的相近13据以上图示可知:在临界点处:当温度和压力同时达到临界值时，热容值趋于无穷大；随着温度和压力对临界常数的偏离程度加大，临界现

7、象迅速减弱。而当温度和压力明显偏离临界值，既使是温压很高的超临界态水，其热容值仍仅趋于标准状态下的热容值。 在(拟)相变线上当温度和压力处于相变线或拟相变线上,热容有极大值。当温压投点明显偏离相变线，热容的极大值就将迅速下降。14水相变过程中其他物理化学参数的变化尽管只以热容为例，讨论了相变时物理化学参数的变化规律，但仍具有普遍意义。不仅是等压热容Cp在发生相变时有以上变化规律，等容热容、等压膨胀系数、等温压缩系数等的变化与之相同。此外，在相变线上，密度、粘度、导热系数、极性、氢键、离子积、扩散系数、介电常数、偏摩尔体积、溶解度、极性和化学反应性质(反应速率、选择性和转化率)等随着温度和压力的

8、变化十分敏感，都会出现明显变化。1516在气-液相变线（含临界点）及拟相变线上，水的热容、压缩系数、膨胀系数、成矿物质的溶解度等物理化学性质明显增大、甚至出现临界奇异性，明显区别于非相变区小幅度的渐变。17（2）热液成矿作用中两次降压的必要性18降压的必要性：否则无相变、无突变在岩石圈中，若无降压则无相变，水的物理化学性质就无突变 在岩石圈中，水出现物理化学性质突变的关键是：含水体系的温度和压力同时达到相变线（含临界点）上的温度和压力。按正常地温线，因为压力太高而使地温线明显偏离水的气-液相变线（和临界点）。只有出现一些特殊的地质环境才能满足这一条件：局部降压、或局部降压加局部升温时。局部降压

9、现象出现的典型条件是断裂等破碎带。局部升温现象出现的条件主要是岩浆活动，但仅有岩浆活动而无断裂等破碎带存在还是难以同时达到水的温压临界值，除非是地温梯度达350/以上的火山或潜火山环境。若断裂和岩浆活动同时出现时，即局部降压和局部升温同时出现时，更利于达到水的相变线（含临界点）。19按地壳中的地温线，中、上地壳由浅到深，热容值变化不大，且均为渐变而非突变。即便是通过临界温度Tc时，热容亦无突变现象。 20早期降压出现与相变线（及临界点）温压一致的地质环境，且保持一定时间，可促使成矿物质大量活化进入热液。使温压变到水的相变线上及临界点处，水物理化学性质的突然增加，正是以水为主体的热液溶解成矿物质

10、的时刻-即成矿物质的活化阶段，而非直接成矿。因此，含水体系临近相变即“将相变而未相变”状态保持的时间越长，越利于成大矿、富矿。21晚期降压晚期降压活动，则是促使成矿物质沉淀的作用，断裂将切穿含水体系。拐点拐点22一个理想的热液成矿作用过程，包括两次降压阶段。一些推论：推论1：若断裂一次性就直接切穿含水体系，即矿质活化的时间短或无，则难于形成热液矿床。推论2：若第一期降压发生在临界温度附近时，且保持较长时间，即矿质活化的时间长，则可能成富大矿。推论3：若第一期降压发生于气液相变（一级相变）线温度范围，则可形成中低温热液矿床。23本机理强调降压是引起矿质活化及沉淀的决定因素，不同的构造类型、特别是

11、不同断裂类型具有不同的降压效果。这也是为什么我们特别强调“矿田构造研究”重要性的理论基础！（在此不详讲）243.3 实验支持水相变时水中矿质溶解度的突变张荣华等（2009）做了恒压于22MPa下不同温度、流速恒定条件下水-岩作用的实验，显示出在跨越临界态时各元素的溶解反应速率都出现一次最大值。这结果也应说明了临界点对溶解动力学参数的影响。龚庆杰等(2006)做了一系列不同温压条件下NaCl水溶液中白钨矿溶解度实验，显示出不同恒压下随温度由低到高会出现一次溶解度的极大值。这也显示出临界现象对溶解度的控制。荣代潞（1992）用大理岩水体系研究水的临界温度对“多地震”的影响实验显示，临界温度前后pH

12、、电导率、Ca2+、Mg 2+、SiO2都出现一个极大值。当然还可设计一些针对性实验，了解相变线（点）对矿质溶解、沉淀等影响的细节。25恒压34MPa条件下WO3的溶解速率与温度的关系（龚庆杰等，2002）263.4 地质证据在成矿作用过程中曾有热液活动，常留下热液活动的痕迹：多发育与水有关的蚀变硅化、水云母化、绿泥石化等蚀变，并保留有气液包裹体等。断裂构造控矿，表现含矿、导矿等。成矿温度多在100 450之间，并非温度越高越易成矿。综观铀、金、铅、锌、铜、钼、钨等热液矿床的特征，热液蚀变、断裂控矿、矿质充填是热液型矿床的基本特征，特别是对于热液铀矿床而言。下面以华南典型热液铀矿为例加以说明：

13、27 相山矿田地质图及矿床分布28居隆庵地区地质略图 居隆庵铀矿床典型剖面图 矿产地质图，涉及保密，删去29 相山矿田的含矿断裂30邹家山9-1-6(水云母化黄铁矿化含U7%的富矿石)31 邹家山矿床典型矿体剖面（左图为-210-1-10-7-4沿脉中矿体，右图为-170-2-1沿脉中矿体，）32下庄铀矿田地质简图矿产地质图，涉及保密，删去33竹山下矿床地质图矿体主要受断裂控制，大致平行基性脉岩产出、被含矿断裂切穿。矿产地质图，涉及保密，删去34诸广山百顺361铀矿床地质简图在百顺矿田平面上表现矿体产于断裂带与基性岩脉小角度交汇处，在露天矿区矿体旁未见辉绿岩。总体来看，矿体主要是受断裂控制。矿

14、产地质图，涉及保密，删去35诸广201矿硅化富铀矿石36ZG19 （ 视域直径4mm，依次为单偏光、正交偏光、反射光、背散射）37ZG19DZG19GZG19EZG75B38ZG79( 361富矿石,黄铁矿周围沥青铀矿脉LH007-5 ）39ZG19（ ZK4-6-8, 21.1221.17 m）铀石包围黄铁矿与方解石一道充填于石英裂隙中40MH3-3-1A， 充填于石英裂隙和晶隙中的铀石41之所以称热液矿床，就是在其形成过程中曾有热液的参加，而这些热液主要组分是水，水是影响热液成矿作用最主要因素之一。在热液成矿作用中水的物理化学行为起主导作用。研究水在岩石圈的温压范围内物理化学性质变化及地质

15、表现，可从一个侧面透视热液成矿作用过程，并提供一些找矿新思路。423.5 本控矿理论总结：核心及3个关键3个关键（即一差异，二次降压）：1）水在相变区和非相变区物理化学性质的明显差异，使含水系统中成矿物质带入、带出成为可能。2）出现与相变线（及临界点）温压一致的地质环境，促使成矿物质大量活化进入热液。3）后期局部降压使水相变而释放出成矿物质。本控矿理论从物理化学角度研究主控因素之间的关系，探索热液成矿作用中水相变控矿机理，提出矿体定位预测原则。并探索岩石圈中水相变的其他地质意义。43热液矿床水相变控矿机理的核心删繁就简，压缩成一句话：在100450（最大不超过550 ）之间水的相变线（含临界点

16、）和拟相变线，控制着热液成矿作用。更简洁地说：水的相变线和临界点控矿。444 水相变控矿理论的矿体定位预测标志依据本理论，热液矿床矿体定位条件有：（1）含水体系上方二次降压是热液成矿作用的必要条件。（2）一次降压、即便是张性断裂也难于成大、富矿。（3）断裂等构造中的局部张性环境最有可能是矿体所在的位置。总体思路是：结合物、化、遥异常，在有两次降压的有利区，对褶皱及断裂带局部等含矿性进行评价。455 岩石圈中水相变的地学意义及相关思考从热液矿床水相变控矿理论角度出发，思考深源成矿、成矿大爆发、构造动力体制转换成矿、中生代地壳减薄与成矿关系、斑岩矿床、油气藏成因、透岩浆流体、成矿系列、复杂系统成矿

17、、地幔柱及热点成矿、大陆碰撞成矿、岩石圈多阶段伸展拉张成矿、地震、火山等现代地学的热点及难点问题，将会产生一些新思路。46（1）水相变引起水的物理化学性质突变也一种地球化学障。依据地球化学观点，成矿作用的发生是与地球化学障（垒）有关，这种地球化学障可能是物质成分的明显变化，也可以是如相变等物理化学条件的明显变化等。47（2）成矿作用的时间、温度、构造等期次的对应关系在时间上有期次性，而不是整个地质演化历史中都成矿。温度也是分期次的，热液矿床包裹体测温时发现，期次之间常不是连续的，即成矿不是连续的。断裂也是有期次性水相变控矿理论揭示出热液成矿与断裂之间的内在联系。因此，可建立起断裂期次和成矿期次

18、之间的对应关系，而断裂形成大多与大地构造演化相对应，进而可以用于分析区域范围内成矿规律与大地构造演化之间的关联。48（3）可解释热液矿床成矿专属性不明显的现象有的热液成矿作用对岩性选择不明显，或在一大类岩性前提下无更细的岩性专属性，可能是热液成矿受控于水的相变即物理化学性质急剧变化而致成矿，因此受岩性影响小。（4）有一级相变的实例在一些热液矿床研究过程中，显示出曾发生沸腾作用（张德会，1997；倪师军等，1992） 。沸腾作用的本质就是发生气液相分离，应是在成矿过程中曾发生一级相变的证据。49（5）热液矿床的成矿温度多局限于100400之间。这几乎成了一个共识（邓晋福等，1999）。其原因极有

19、可能是这一温度段正是水一、二级相变（含临界点及超临界区拟相变线）、物理化学参数变化明显的温度段，在这一温度段之外的温压变化不会引起热容、溶解度等物理化学参数的明显变化，成矿的可能性不大。50（6）成矿物质超强富集（极富矿石的机制和硅化现象普通的原因）诸广745，201 ，相山邹家山15井51胶东蓬莱黑岚沟石英脉型金矿含金石英脉矿石（极富矿石）没有突变何来超强富集！两照片由朋友GT提供52（6）水相变可触发地震临界点处水的二级相变可能触发大地震。在水的临界点处，一方面超强的溶解能力极大地降低岩石的力学性质；另一方面由于热容等物理化学参数趋于无穷大、还可产生瞬时压力（据Mie-Grneisen 方

20、程，热压系数(P/T)V = CV= P/KT ），两方面共同作用可触发地震！537 多震层、中地壳低速层等成因的一种可能解释由于各地的地温梯度不等，故达到374（水的临界温度）的深度也不相等，考虑到地温通常变化于1535/km之间，按地表温度25计算，相对应的深度为2410km，这与多震层的深度相当(马宗晋等，1990)。548 隐爆角砾岩的成矿机制解释实例：巴泉隐爆角砾岩、武夷山等区域的隐爆角砾岩矿床、小秦岭祁雨沟等几十个隐爆角砾岩金矿床、西藏的羊八井热泉喷发和爆发等。极有可能是水发生相变产生快速高压，发生水热爆炸而成爆破角砾，并从以水为主的热液中释放成矿物质559 深源成矿的思考是否越深

21、越有可能成富大热液矿床呢？不是。只有温压接近水相变点和线条件下才有可能成大矿！现在所见的矿体所在位置，不一定是矿质源所在的位置，即富含矿质的热液来源于现在矿体之下的更深部位。如石英脉型金矿、部分铀矿，其矿体中品位很高，两侧围岩又无明显的蚀变、且品位很低，含矿断裂两侧刀切似的平直、与围岩界线截然，这些矿体的成矿物质显然是来自下部更深的部位。当然到底深到什么程度、是否到地幔？难于定论。据大量的包裹体均一法测温、最大值可达450左右（高于此温度后热容等物理化学性质随压力变化不大、与标准状态时的性质相近），因此保守地推测部分矿质可来源于374的深部。即使通常被认为是中低温条件下形成的热液铀矿床，其中萤石、石英和方解石等脉石矿物都测到过均一温度超过374的数据。5610 中生代地壳减薄与热液成矿的关系在脆性环境中，水的相变控矿是以断裂出现为前提。断裂产生、岩石圈局部的体系性质由封闭变为开放体系，热压存在的条件消失、地压梯度下降。岩石圈破坏，热压消失，矿物岩石的熔点降低，可造成岩石圈减薄的等同效应。断裂产生起到降压的效果，引发相变而与成矿作用相关。依此思路，可探讨热液成矿大爆发与岩石圈减薄及伸展之间的内在联系。5711 斑岩型矿床成矿作用的思考形态上多为下大上小的斑岩岩