地球中的流體

地球中的流體第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

地球按其物理和化學性質(zhì)可分為若干層圈：大氣圈，生物圈，水圈和巖石圈等。固體的地球又可以分為地殼、地幔和地核。不管如何劃分，地球各個層圈中均有流體存在。—個干的地球和一個有流體的地球是不一樣的，例如許多類地行星上沒有H20這個流體因而不存在生物。因此，是流體給地球帶來了生機。本章主要討論地球中的流體，并把重點放在地殼中的流體上。這是因為目前對地球的研究主要是地殼，能開采的礦床也集中在地殼。第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日一、流體的概念◆流體可簡單地定義為能流動的物體（按流動性質(zhì)）。日常生活中的水，是一種流體?！羧绻次矬w的狀態(tài)可分為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和超臨界態(tài)。根據(jù)其流動性，物體的液態(tài)、氣態(tài)和超臨界態(tài)是流體，而固態(tài)則不是。這顯然不全面。因為呈固態(tài)的物體在受力時也可發(fā)生形變，從而產(chǎn)生流動。流體的流動可以是大規(guī)模的，例如大陸范圍內(nèi)的移動；沉積盆地內(nèi)的移動；也可以是極小范圍內(nèi)的，例如粒間流動和擴散。第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

從地質(zhì)上講流體并不是單獨存在的，它們是與礦物、巖石共生，那么，我們所要研究的流體是什么呢？對流體又怎樣下定義？1979年Fyfe提出用流變學的術(shù)語，根據(jù)體系的流變性質(zhì)并考慮實際流體的化學作用，將地球流體定義為：

如果一個體系在應(yīng)力或外加力的作用下能發(fā)生流動或形變，并且與周圍物質(zhì)處于相對平衡下，就把它叫作流體。由定義理解，判斷一個物體是不是流體主要根據(jù)這一物質(zhì)是否具備流變性質(zhì)。也就是說，當應(yīng)力作用到物體上時，若這物體的大小、形狀和組成發(fā)生了改變，則該物體就是流體。實際上，我們研究的流體主要是指以液態(tài)和氣態(tài)存在的物質(zhì)。第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

按照流變學的定義，流體是由應(yīng)力和應(yīng)變率所確定的。對于地球中的物體來說，當一個應(yīng)力作用到該物體時，根據(jù)其應(yīng)變率的不同可以將其分為牛頓流體和非牛頓流體，見圖。為了對比，在圖列出了固體的特征曲線。各種“理想”的液體和固體的應(yīng)力(σ)、強度與應(yīng)變率(E)之關(guān)系(據(jù)Fyfe．1979)第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

研究流體時，流體的下列性質(zhì)十分重要。(1)粘度（絕對粘度和運動粘度）(2)壓力(p，包括流體的孔隙壓力)；(3)熱力學溫度(T)，攝氏溫度(t)，T=t+273.15；(4)密度和比容；(5)體積彈性模量(6)表面張力；(7)成分，c(濃度)，Χ(摩爾分數(shù))或ω(質(zhì)量分數(shù))。上述公式中：

D一流體表面的任一質(zhì)點的直徑；μ—動力粘度；R－常數(shù)；F—合力。第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

在考慮地質(zhì)過程時，時間和空間因素對流體性質(zhì)的影響也十分重要。因為在地殼中的許多巖石是經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用而發(fā)生形變的產(chǎn)物，對于這些巖石來說時間因素對它們的形變是起決定性作用的。如果把統(tǒng)計力學理論應(yīng)用到地質(zhì)上，特別是應(yīng)用到晶體中原子，從它們的晶格位置發(fā)生位移，并遷移到晶體內(nèi)低應(yīng)力或低能量區(qū)時，就可以用數(shù)學方程式來描述結(jié)晶物質(zhì)的流動：

式中：為位移的尺度，t為時間，K是常數(shù)。應(yīng)變率是溫度()和應(yīng)力()的函數(shù)。不管應(yīng)力是多么小，只要參加作用，形變一定會發(fā)生。若從這點出發(fā)，地球上所有的結(jié)晶物質(zhì)，也可按流體來看待。第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

從流體這個定義出發(fā)，地球中哪些可符合定義中的流體呢？地殼中的水、巖漿、各種狀態(tài)的熱液、高密度的氣體和處于塑性狀態(tài)的巖石等。下面我們將討論地球中的流體。第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日二、地球中的流體根據(jù)流體的定義和物理性質(zhì)，地球中的流體可歸納為四種流體。(1)呈氣體狀態(tài)的流體存在于大氣圈、生物圈和礦物、巖石中的各類氣體。如，CO2、CH4、S、N等。(2)呈液體狀態(tài)的流體水圈中的流體(海水、河水、湖水、地下水、雨水、鹵水等)、巖漿、巖漿水以及存在于流體包裹體中的古流水等。第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

(3)超臨界流體由上述兩種流體在超臨界的溫度、壓力下產(chǎn)生的一種特殊性質(zhì)和地球化學行為的流體。(4)處于塑變狀態(tài)的各類巖石和地質(zhì)體如，巖石圈下部的軟流圈，處于蠕變狀態(tài)的各種地質(zhì)體等。德國一口超深鉆，在900米深處巖石處于流變狀態(tài)。

第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

由上可知，①從存在形式看，四種流體存在于地球的不同層圈中。由于地球各層圈物理化學條件的差異，決定了流體的化學組成、存在形式和存在的量也有很大差別。如，◆大氣圈中的流體是以氣體形式存在的；◆水圈中則呈液態(tài)?！羯锶χ械臓顩r比較復雜，有呈液體的，也有呈氣體的?！魩r石圈中的流體以氣體、液體和固體狀態(tài)存在。第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

②從化學成分上說，上述流體中巖漿、水(H2O)、二氧化碳(CO2)甲烷(CH4)最重要。根據(jù)地幔巖包體，南極玄武巖，殼源和幔源中酸性火山巖和殼源酸性火山巖中揮發(fā)分研究。地球深部是以巖漿－CO2(CH4)為主；隨著巖漿源上移，水的相對含量增加，分異出以水為主的巖漿熱液；到達地殼上部或近地表部位，流體則以各種水體為主。③地球各層圈中的流體并不是截然分開的，它們之間進行著各種地質(zhì)作用和循環(huán)。例如，水氣交互作用；巖石和水的相互作用；海水蒸發(fā)進入大氣圈，然后又以雨水降到大地等。第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日三、地殼中的流體

1、地殼中流體的分布過去，地質(zhì)學家對地球中的地質(zhì)過程研究一般著重于固體部分，即礦物和巖石，而對流體的分布及其在地質(zhì)過程中的重要性缺乏應(yīng)有的重視。實際上，如果不考慮流體，對地殼中乃至地球中許多地質(zhì)過程的描述往往會出現(xiàn)偏差，有時甚至得出不正確的結(jié)果。流體對地殼的演化及其地質(zhì)過程起著極其重要的作用，包括熱量的傳遞，組分的遷移，影響圍巖的性質(zhì)，形成熱液蝕變和熱液礦床，造成巖石的形變，構(gòu)造作用，誘發(fā)地震等。

第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

例如，當巖漿侵入到巖石中，熾熱的巖漿就會與周圍的地下水發(fā)生熱和物質(zhì)的交換。這種巖漿熱驅(qū)動加速了在其周圍地層中地下水的對流。這個對流的地下水系統(tǒng)從呈超臨界狀態(tài)的巖漿中把熱和物質(zhì)傳遞出去。因此地下水的流動速率就會對巖漿的冷卻速率起到控制作用。同時這個作用也進行物質(zhì)的傳遞和交換，包括成礦物質(zhì)。因而常常可在巖漿巖(一般在其上部及邊部)及其附近找到熱液蝕變和熱液礦床。

從這個意義上說，地下水的存在和運動對熱液礦床的大小和分布起到控制作用。當然巖漿巖周圍地下水對流的程度以及流體和巖石的相互作用，取決于巖體邊上巖石的滲透率，滲透率越大，對流速度越快。第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

地殼中存在流體是不可質(zhì)凝的，下表列出用各種方法測定的地殼中流體存在的深度。方法流體存在的深度(Km)方法流體存在的深度(Km)地下水面測定0(地表)－2熱液蝕變和熱液礦床形成的范圍可到5深井測定(包括科拉半島深井)0－12變質(zhì)作用>20水庫誘發(fā)地震法0－12地殼中地震波衰減帶7－12地殼低速帶7－12斷層上的低應(yīng)力帶0－10地殼低電導帶10－12火山作用地表到深部氧同位素法可到12流體包裹體研究0－10據(jù)ANurandJ.Walder(1990)補充第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

從表中我們可知從地表到12km深的范圍內(nèi)已證實流體的存在。超過12km深，例如，15km深的地方有沒有流體?最直接的證據(jù)是前蘇聯(lián)科拉半島的深(鉆)井，鉆孔揭示在地表以下12Km的地方存在流體。流體在地殼的淺部(<5km)的分布和所占的體積要比其在地殼的深部多得多。那么，地殼中流體總質(zhì)量有多少呢？第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

目前只是估計：現(xiàn)在的海水質(zhì)量為1.4×1024g。地殼的質(zhì)量是23×1024g。如果假定地殼中的含水量與海水的質(zhì)量相似，那么地殼中的含水量也是1.4×1024g，占地殼總質(zhì)量(1.4×1024／23×1024)的6％左右。有人認為這個估計偏高

。大多數(shù)人的估計是地殼中含流體的量占地殼總質(zhì)量的3％～6％。至于地慢中流體的含量，有人認為約占地幔總質(zhì)量的0.03％，即為1.2×1024g，與地殼中的含水總質(zhì)量相當(地?？傎|(zhì)量為4×1027g)。第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

這樣我們可以得出：①海水、地殼、地幔中的流體的質(zhì)量是十分相近的。這種質(zhì)量相近也許表明其間的平衡和循環(huán)關(guān)系。②現(xiàn)代板塊構(gòu)造研究表明，當板塊俯沖時，把地表水帶到地下數(shù)公里甚至數(shù)十公里的地方，這些水(至少是一部分)又通過循環(huán)回到了地表，其中的一部分可能在地下深處被固定在礦物包裹體中或含水礦物如滑石、金云母、角閃石以及其他相中。從上述討論可知，地殼中存在著相當于地殼總質(zhì)量3％一6％的流體，海水(水圈)、地殼和地幔中的流體處于相對平衡狀態(tài)，并且不斷發(fā)生著相互交換與循環(huán)。第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日2、地殼中流體的種類地殼中存在哪幾種流體呢?這個問題比較復雜，一方面涉及到分類的原則，另一方面涉及到我們對地殼中流體的認識和了解程度。根據(jù)我們對流體的定義并結(jié)合地質(zhì)實際，地殼中的流體應(yīng)包括如下幾種。(1)巖漿

指源于地殼的各種成分的巖漿，它們是一種硅酸鹽熔融體，平均含水量小于5%。(2)以水為主的流體巖漿水、變質(zhì)水、原生水、海水、鹵水、地下水、地熱水等。第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

(3)以碳氫化合物為主的流體

石油、天然氣等。(4)存在于礦物和巖石中的揮發(fā)分

水、二氧化碳、鹵素、硫、氧氣、氫氣、氮氣、惰性氣體等。(5)處于形變和塑變狀態(tài)的各類巖石和地質(zhì)體

如巖石圈下部的軟流圈和目前仍然處于形變和蠕變狀態(tài)的各種地質(zhì)體(包括從晶格變形到大規(guī)模的巖石形變和位移)等。在地殼中的流體中最主要的是以水為主的流體，尤其是巖漿水、變質(zhì)水、鹵水、地熱水等是十分重要的，它們與成礦作用(或成礦流體)密切相關(guān)。第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日四、地殼中流體的形成

前面我們討論了地殼中流體存在的形式，那么，地殼中這些流體是怎樣形成的？就是這節(jié)要討論的問題。我們知道，地殼是由火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖組成。◆沉積巖是由含水沉積物經(jīng)過深埋、壓實、脫水和成巖作用形成的，在這一系列過程中，釋放出大量以水為主的流體；◆火成巖是由巖漿作用形成的，在巖漿后期的巖漿熱液階段會釋放出以巖漿水為主的流體；◆對變質(zhì)巖來說，在大規(guī)模的區(qū)域變質(zhì)和接觸變質(zhì)作用過程中，會釋放出變質(zhì)流體。1第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

這說明地殼中的三大巖類在其形成過程中，均包含著“去流體”作用。因此，地殼中各種地質(zhì)作用中的“去流體”過程是流體的一個很重要的來源。

1．沉積物的“去流體”作用沉積作用是廣泛發(fā)生在地表的一種地質(zhì)作用。陸地上的巖石經(jīng)風化、剝蝕作用，呈碎屑物被水搬運到湖泊、海洋中，經(jīng)物理和化學分異作用后，沉積下來，隨著搬運和沉積作用的繼續(xù)，新的沉積物蓋在老的沉積物之上，然后被埋藏，這樣上覆沉積物對底層沉積物產(chǎn)生一個壓力。當埋深達到一定程度，這個壓力足以使底層或下伏沉積物中的流體排除出來，發(fā)生“去水作用”。第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

下面我們以頁巖為例，討論沉積物在壓實過程中釋放出流體的情況。第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日頁巖的壓實作用和地下的物理化學條件、深度、孔隙度有關(guān)。

①壓力(即上覆沉積物厚度)

頁巖壓實作用過程中存在著兩種壓力：靜巖壓力()和頁巖中流體的壓力()?！羧绻?，這時壓實作用進行得很好；◆如果，則壓實作用處于平衡狀態(tài)；◆如果，則壓實作用就很難進行。第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日②孔隙度孔隙度也是反映壓實作用最有用的因素。在壓實過程中，頁巖的孔隙度與深度成反比。圖表明孔隙度與深度的關(guān)系。從圖中可知，在地表孔隙率為70％的頁巖，下沉到2286米的深度時，其孔隙率只有20％(圖中曲線6)。(據(jù)RiekeandChilingarina，1974)第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日③過渡時間從原始沉積物到具有均勻分布的孔隙地層所需的時間，稱過渡時間。過渡時間與孔隙度的關(guān)系可用下式表示：式中，──過渡時間，μs/m；

──地層水的過渡時間，μs/m；──巖石物質(zhì)的過渡時間，μs/m。上述公式表明，在均勻的巖石中過渡時間隨孔隙度的增加而增加。

第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日例如，對于一個孔隙度為30%的石英砂巖，其則第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日K．Magara（1978）對日本長岡平原泥頁巖第三紀頁巖的孔隙度與過渡時間的關(guān)系作過詳細研究。1、孔隙度越大，過渡時間越長。例如孔隙度為φ=40％，則其過渡時間為475.7μs／m；而當孔隙度為20％時，則其過渡時間為344.5μs／m。第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

當深度從1029.08m增加到3701.49m時(增加了2672.41m)，密度增加了0.42g／cm3，而孔隙度則從39.00％降到14.60％(Δ=24.40％)。從上述可知，在沉積物的壓實成巖作用中要放出很多流體，這是地殼中流體的一個來源。2、埋深越大，巖石的密度增加，孔隙度減少，過渡時間越短。下表為日本長岡平原的泥頁巖GS－1巖心的樣品分析深度(m)密度(g/cm3)孔隙度(%)過渡時間(μs/m)1029.08～1029.232.0039.00475.71609.4～1609.602.1133.15416.71808.63～1808.762.1326.56426.52150.65～2150.852.2724.60357.62296.00～2296.202.2224.26374.02443.46～2443.662.2423.08360.92607.16～2607.332.2621.82334.63062.77～3062.982.2819.60324.83205.36～3205.532.3218.80311.73505.25～3505.462.3515.90341.13701.29～3701.492.4214.60301.8第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

2、變質(zhì)作用所放出的流體

從沉積巖去流體作用中可知，沉積物在成巖作用中雖有相當一部分水被釋放出來，但有部分水保留在巖石孔隙中。它們以孔隙水、薄膜水和吸附水的形式存在。由于變質(zhì)作用是在深部壓力較大的條件下發(fā)生的。在變質(zhì)作用過程中，沉積巖的體積受到壓縮，使巖石中原存的孔隙水和揮發(fā)分進一步被釋放出來。第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日沉積巖在不同的變質(zhì)階段，它們釋放出流體的量也有差別。請看一組數(shù)據(jù)。巖石平均含水量(%)1立方公里體積的沉積巖，經(jīng)過不同變質(zhì)階段釋放的流體量原生沉積巖15～20綠片巖相3～41.2～1.6億噸角閃巖相0.7～1.03000萬噸麻粒巖相0.35700萬噸第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日變質(zhì)作用中流體的另一個來源是礦物晶格中的化合水(包括結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水)，它們一般在溫度大于450℃的條件下，由礦物晶格破壞而逐漸被釋放出來。例如：

Mg(OH)2MgO+H2O水鎂石方鎂石流體

KAl3[Si3O10](OH)2+SiO2KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O水云母石英鉀長石紅柱石流體CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2方解石石英硅灰石流體

在這些變質(zhì)反應(yīng)中，均可放出H2O、C02等流體，稱之為變質(zhì)流體。而這些流體又與巖石礦物起反應(yīng)從而形成新的變質(zhì)礦物。第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

3、巖漿作用中所放出的熱液

據(jù)研究，各類巖漿中都含有H2O、CO2和其它揮發(fā)分。流體量大約在5％～6％。當巖漿上升時，溫度和壓力也隨之下降，它們所含的流體就會釋放出來，形成巖漿熱液。這種熱液可以位于巖漿的頂部，也可以進入構(gòu)造裂隙中，形成各種各樣的脈體。

第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)以花崗巖漿來說明巖漿中水的溶解度與溫度、壓力的關(guān)系。由圖可見，在溫度為900℃，壓力在3000巴的溫壓條件下(相當于距地表10～12Km處)，溶解在巖漿中的H2O量達7.5%；當壓力減小到500巴(相當于距地表2Km處)時，巖漿中H2O含量降到2.75%。由此可見，隨著巖漿侵位上升至距地表2Km處，將有4.25%的流體從花崗巖漿中釋放出來。第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

4．構(gòu)造作用對流體的影響

地殼中的流體并不是處于靜止的狀態(tài)，而是處在構(gòu)造作用環(huán)境中。最近幾年來地質(zhì)學的最大進展是，在大洋深處發(fā)現(xiàn)不少熱泉、熱點、黑煙囪和礦床。這些都是流體作用的地點和結(jié)果。板塊構(gòu)造的理論不但解釋了地殼的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時也為地殼中流體在構(gòu)造作用下產(chǎn)生的遷移、循環(huán)和相互作用提供了理論依據(jù)。

第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

哪些地質(zhì)構(gòu)造對流體的流動、遷移影響最大?除了板塊構(gòu)造外，斷裂和裂隙是很重要的。許多斷裂和裂隙構(gòu)造是流體遷移的通道。例如，◆深大斷裂構(gòu)造?！粼诠爬献冑|(zhì)巖中的剪切裂隙帶是許多變質(zhì)流體流動的通道?！舸送?，沉積巖的層面及沉積巖與火成巖體的接觸帶常是良好的流體流動的通道。第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

綜上所述，◆在地殼中進行的三大地質(zhì)作用—沉積作用、變質(zhì)作用和巖漿作用過程中，均可釋放出流體。其中，沉積巖分布廣，在成巖作用過程中所放出的流體最多?！舻貧ぶ械牧黧w通過去水作用，通過不同的地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生出來。這些流體在成分、物理化學參數(shù)及產(chǎn)狀等方面可有很大的不同。但它們都是地質(zhì)過程的產(chǎn)物。第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日五、地殼中流體的分類

地殼中的流體可按其化學成分、產(chǎn)狀及成因來分類。1．化學成分分類按照流體的化學成分，地殼中的流體主要包括如下幾類：(1)巖漿—硅酸鹽流體；(2)H2O；(3)H2O-NaCl，這里NaCl代表溶于水中的所有鹽類；(4)H2O－NaCl－CO2；(5)有機流體，如，石油和天然氣等。第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

2．產(chǎn)狀和成因分類(1)巖漿熱液；(2)變質(zhì)流體；(3)海水(大洋海水)；(4)熱鹵水(包括原生水和同生水)；(5)地下水(包括大氣降水)；(6)石油和天然氣；(7)硅酸鹽巖漿。下面重點介紹幾種流體。第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日1、海水

海洋是地球上最大的水庫，同時也是—個最大的緩沖庫。地球上每時每刻都在進行的風化作用把大陸的物質(zhì)帶進海洋，而在海洋中又進行著機械和化學沉積作用，這種過程示意右圖。從圖中可見，海水中的物質(zhì)可能有8種來源，其中最大的來源是河水。據(jù)計算，每年從河流搬運到海洋中的水量有3×109g，攜帶的已溶物質(zhì)和懸浮沉積物物質(zhì)總量為2.2×1016g。其中已溶物質(zhì)4×1015g，懸浮沉積物為1.8×1016g。

由于各種營力所造成的進出海洋的物質(zhì)的質(zhì)量圖中質(zhì)量單位為1014g/a，每年海洋凈增的質(zhì)量為250×1014g，其中90%來自河水。第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日(1)化學成分特點從海水所溶物質(zhì)的平均化學成分表可知：海水中陽離子按其濃度或含量的次序為Na+，Mg2+，Ca2+，K+；陰離子按其濃度或含量的次序為Cl-，SO42-，HCO3-和Br-。而最豐富的是Na和Cl，這兩者的含量占海水中所含元素總量的85％以上(除H2O外)。因此，我們把海水視為NaCl—H2O體系。元素或組分質(zhì)量分數(shù)(w)×10-6濃度(c)mmol.L-1元素或組分質(zhì)量分數(shù)(w)×10-6濃度(c)mmol.L-1Na+10500456.2Cl-19000535.2K+3809.7Br-650.8Mg2+130054.2NO3-－－Ca2+40010.0HCO3-1402.3Sr2+80.1CO32-180.3Fe2+－－SO42-265027.6Al3+0.001－有機酸0.5－SiO260.1總計34457第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日(2)同位素組成

現(xiàn)代大洋水的H和O同位素組成相對說是十分均勻的；其δD=+5％～－7％，δ18O=+0.5％～－1.0％。其平均值近似為：δD=0，δ18O=0.0，把δD=0和δ18O=0.0定義為大洋水的標準值，叫做SMOW，這個值只在特殊的情況下才有大的變化。例如，

◆在高緯度冰川地帶，冰熔化流人海洋使近海水的δD和δ18O數(shù)值降低

◆與海洋連通的有限海，由于蒸發(fā)作用而使δD和18O值升高(如，紅海海水)

◆半封閉海，由于大氣降水的流入而使δD和18O值降低(如，黑海、波羅的海的海水)第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日2、大氣降水

⑴大氣降水主要指雨水和雪，即與大氣圈呈平衡的水。大氣降水在降落時溶解了大氣中的CO2，O2，N2和其它氣體。由于CO2溶于水，在水中可形成CO32-和HCO3-，有時也含有微量的NaCl，pH=5～5.5，Eh=+0.4～+0.5mV。

河水主要來源于大氣降水，因此，推測雨水的成分與河水相似，不過溶于水的物質(zhì)總量比河水和湖水中的要小得多。

①河水與海水中所溶物質(zhì)的平均化學成分對比

第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日Na+6.30.270Cl-7.80.22K+2.30.059NO3-1.00.016Mg2+4.10.171HCO3-58.40.958Ca2+15.00.375SO42-11.20.117Fe2+0.670.012有機酸Al3+0.01－SiO213.10.218總計129.5元素或組分質(zhì)量分數(shù)(w)×10-6濃度(c)mmol.L-1元素或組分質(zhì)量分數(shù)(w)×10-6濃度(c)mmol.L-1Na+10500456.2Cl-19000535.2K+3809.7Br-650.8Mg2+130054.2NO3-－－Ca2+40010.0HCO3-1402.3Sr2+80.1CO32-180.3Fe2+－－SO42-265027.6Al3+0.001－有機酸0.5－SiO260.1總計34457海水河水第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

對比兩表可知：◆海水和河水中陰、陽離子的排列次序是不同的，河水中更富含Ca2+和HCO3-。海水和河水中陰、陽離子比較：陽離子陰離子海水Na+Mg2+Ca2+K+；C1-S04-HC03-Br-河水Ca2+Na+Si4+Mg2+；HC03-S042-N03-

第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日◆河水中Ca2+和HCO3-的含量比海水中的含量要低一個數(shù)量級。Ca2+含量(×10-6)HCO3-含量(×10-6)海水400.00140.00河水15.0058.40這說明河水中除水以外的其它組分的含量甚微?！艉Ｋ兴茉氐目偭恳群铀叩枚?。河水海水TDS130×10-63500×10-6可見海水中所溶元素的總量比河水中高出266倍。但是河水對海水的作用是很大的，它是海水中物質(zhì)的主要供應(yīng)者。第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日組分每年由河水排放到海洋中的量(×1014g)海洋中該組分的質(zhì)量(×1020g)河水排放的組分達到海洋中該組分含量所需時間(Ma)由于大氣循環(huán)而對所需時間的校正(Ma)居留時間(Ma)河流輸入沉積作用Na+2.0714469.7108210260K+0.7456.881011Mg2+1.331914.315.42245Ca2+4.8861.231.2418Fe2+0.2230.00001370.000060.000060.00001Al3+0.0030.00001370.00460.00460.004SiO24.260.080.020.020.040.01Cl-2.54261103230HCO3-19.021.90.10.1SO42-3.673710.110.7溶解的有機碳3.20.0070.0002H2O325000135500.042②河水向海水排放的主要組分和量，以及排放的組分達到海水中數(shù)量級所需的時間。第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

現(xiàn)以Na+為例。

每年從河水排入海洋中的量為2.07×1014g，而目前海水中Na+的含量為1.44×1022g，假定海水中的Na全部從河水中來，達到現(xiàn)代海水中Na含量所需的時間為69.7Ma。實際上這個時間可能還要長，因為海洋與大氣圈進行著相互作用與循環(huán)，海洋中的鹽類從海洋進入大氣圈，其次Na也可能進入到海洋生物和海底沉積物中，所以這個時間有人估計為108Ma。第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日③元素在海洋中的居留時間

一些元素從河流進入海洋，然后沉積到海洋沉積物中所需的時間。我們把元素的這個過程定義為元素在海洋中的居留時間。元素的居留時間越長，越難進入沉積物，而容易被保留在流體中，這一點對于成礦流體的研究也是十分重要的。組分每年由河水排放到海洋中的量(×1014g)海洋中該組分的質(zhì)量(×1020g)河水排放的組分達到海洋中該組分含量所需時間(Ma)由于大氣循環(huán)而對所需時間的校正(Ma)居留時間(Ma)河流輸入沉積作用Na+2.0714469.7108210260K+0.7456.881011Mg2+1.331914.315.42245Ca2+4.8861.231.2418Fe2+0.2230.00001370.000060.000060.00001Al3+0.0030.00001370.00460.00460.004SiO24.260.080.020.020.040.01Cl-2.54261103230HCO3-19.021.90.10.1SO42-3.673710.110.7溶解的有機碳3.20.0070.0002H2O325000135500.042第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日④大氣降水中氫氧同位素組成

現(xiàn)代大氣降水中的氫和氧同位素組成呈系統(tǒng)地變化：

δD=8δ18O+10‰大氣降水，如果不發(fā)生蒸發(fā)的話，則其同位素組成值應(yīng)落在大氣降水線上(MWL)或附近(圖紅線)。偏差不超過±1％。對于局部地區(qū)來說是有變化的，這種變化取決于空氣的濕度、年平均氣溫、地區(qū)的緯度和高度，離海岸的距離以及大氣降雨量。大氣降水進入巖石中變成地下水后，它的同位素組成幾乎是不變的。海水,大氣降水,原生巖漿水,長英質(zhì)巖漿水,變質(zhì)水和有機水的氫氧同位素以及與熱液的同位素交換第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日3、地下水地下水——存在于地殼淺部的淡水和含鹽的水。主要分布于地殼的淺部，溶解物質(zhì)的總量比大氣降水要高。Carpenter(1978)曾對各種地下水進行研究，其中所溶物質(zhì)的總量分別為：淡水1000(mg／L)含鹽的水1000～10000(mg／L)鹽水10000～100000(mg／L)鹵水≥100000(mg／L)第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日4、孔隙水或地層水

孔隙水——保留在巖石孔隙或含水層中的水。過去有一個術(shù)語叫同生水，指與地層同時存在的水，即在沉積物深埋、壓實過程中封存于地層中的水，實際上就是古海水?，F(xiàn)在所指的孔隙水或地層水，指包括古海水在內(nèi)的其它來源水的總和(如，大氣降水＋礦物結(jié)晶水＋從基底上來的流體)。這種水實際上是一種鹵水(或熱鹵水)。第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

表列出孔隙水與海水成分的對比表。由表可知：地層水中溶解物質(zhì)的總和(TDS)較海水的高出一個數(shù)量級。(2)地層水中大多數(shù)元素及組分均比海水中高，有的甚至高出幾個數(shù)量級，只有SO42-在海水中的含量要比地層水中高出一個或幾個數(shù)量級。(3)地層水中存在許多成礦元素，如Pb、Zn、Fe、Ba，且其含量均比在海水中高出幾個數(shù)量級。地層鹵水是在中國最早發(fā)現(xiàn)的。四川自貢的鹽井，即是取自地層鹵水，有的鹽井深達600m，還打出了天然氣。第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日5、地熱流體地熱流體是一種由地下熱液直接形成的流體，冒出地表形成熱泉和溫泉。許多證據(jù)表明在一些泉的地下有一個大水庫。目前看到的地熱體系不過是地下水庫露出地表或接近地表的一部分。多數(shù)地熱水主要是由大氣降水演化而來。許多地熱體系中的流體實際上就是成礦流體，并且已見到許多由地熱流體形成的賤金屬礦床。在現(xiàn)代大洋中脊，已發(fā)現(xiàn)許多海底噴出的熱液，并可實際地觀測到這種熱液的性質(zhì)以及成礦過程。第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日6、變質(zhì)水

指與變質(zhì)巖處于平衡狀態(tài)或者在變質(zhì)巖經(jīng)過脫水作用時釋放出來的水，叫做變質(zhì)水。變質(zhì)水的同位素組成，是通過在—定溫度下巖石的同位素組成計算出來的。典型的變質(zhì)沉積巖δD為-40‰～-100‰，δ18O值為+8‰～+26‰。應(yīng)用同位素分餾公式，計算出來的變質(zhì)水的同位素值：δD=0‰～-70‰，δ18O=+3‰～+20‰。變質(zhì)流體的成分主要為CO2，H20和少量NaCl。第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

7、巖漿和巖漿水巖漿是一種高溫熔融體，它來自地球的內(nèi)部并且能夠侵入形成侵入體，噴出而成為火山。巖漿的成分以硅酸鹽為主，當冷卻時，巖漿就結(jié)晶或凝固成火成巖。在巖漿中由于結(jié)晶分異等作用有時會相對集中氧化物或硫化物，當其固結(jié)時就可直接形成巖漿礦床。

巖漿演化以及成礦作用示意圖(據(jù)GuilbertandParkJ．R，1985)Ⅰ-地?；虻貧と廴冢a(chǎn)生基性巖漿；Ⅱ-結(jié)晶并分異出輝長巖巖漿；Ⅲ-硫化物和氧化物分凝作用含有相對集中的氧化物或硫化物的巖漿第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日在巖漿分異作用的后期，其中的揮發(fā)分向上集中。巖漿中的揮發(fā)分以H20為主，Burnham(1995)指出，長英質(zhì)巖漿含有大約6％的H20。巖漿中這種以水為主的揮發(fā)分叫做巖漿水，也叫初生水。也就是說，這是一種新鮮的，無污染而從未到達地表的水。巖漿水的成分主要取決于：巖漿類型，巖漿水與圍巖的相互作用以及與周圍水的狀況(如有其它水存在，則很易與巖漿水相混合)。關(guān)于巖漿水成分的報道不多，可以把火山噴發(fā)出的氣體的成分作為參考，其氣相主要是H2O，其次為C02和H2。其液相部分除了H20之外，還含有Na、K、Si等元素。第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期日

巖漿水的同位素組成是新鮮的火成巖的δD和δ18O的值，應(yīng)用H20和礦物的同位素分餾因子在溫度700－1200℃時計算出來的。對于I型侵入巖，鈣鐵鎂質(zhì)組合的侵人巖或磁鐵礦型的侵入巖，其氫和氧同位素值為：δD(‰)-50～-90δ18O(‰)+5.5～+10