成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤研究綜述

1、第14卷第4期1999年8月地球科學(xué)進展ADVANCEINEARTHSCIENCESVol.14No.4Aug.,1999成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤研究綜述倪師軍,滕彥國,張成江,吳香堯(成都理工學(xué)院,四川成都610059)摘要:成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤是近年來流體地球化學(xué)研究的一個新趨勢。通過流體來源示蹤、運移示蹤和定位示蹤可以追溯流體活動的全過程,對恢復(fù)流體活動歷史、演化歷程具有積極意義。對成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤方法進行了一定的總結(jié),同位素地球化學(xué)示蹤、元素地球化學(xué)示蹤、行了綜述。關(guān)鍵詞:成礦流體;流體地球化學(xué);中圖分類號:P595:2(1999)0420346207、礦物等在地質(zhì)、

2、演化及其最終發(fā)展?fàn)顟B(tài),是揭示地球化學(xué)作用機理和過程的重要途徑和有效手段。成礦流體地球化學(xué)是當(dāng)前國際地學(xué)界研究的前沿和熱點之一,成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤研究已成為一個新的趨勢,通過流體來源示蹤、運移示蹤和定位可以追溯流體活動的全過程,對恢復(fù)流體活動的歷史、演化歷程具有積極意義。成,示蹤礦物形成時的物化條件和演化過程1。用穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)來定量地說明成礦介質(zhì)水和其他物質(zhì)的來源,開始于60年代初期2,作為獨特的示蹤劑和形成條件的指標(biāo),穩(wěn)定同位素組成已廣泛地應(yīng)用于隕石、月巖、地球火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖、大氣、生物、海洋、河流、湖泊、地下水、地?zé)崴案鞣N礦床的研究,成為解決許多重大地質(zhì)地球化學(xué)問題的強大

3、武器3。在應(yīng)用穩(wěn)定同位素研究成礦流體的演化過程(源、運、儲)的同時,人們也不斷地應(yīng)用放射性同位素來定量、半定量地研究地質(zhì)地球化學(xué)作用過程,即應(yīng)用放射性同位素研究地球化學(xué)示蹤和地球化學(xué)作用發(fā)生的年代問題。同位素分析新方法新技術(shù)的不斷發(fā)展,如Re2Os、Lu2Hf、La2Ba2Ce等方法的建立4,使同位素示蹤技術(shù)也得到了豐富和發(fā)展。111氫、氧同位素示蹤利用氫、氧同位素示蹤成礦溶液的來源,是同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中取得的最重要成果之一1。由于不同來源的流體具有不同特征的氫氧同位素組成,因此成礦流體的氫氧同位素組成成為判斷成礦流體來源的重要依據(jù),如盧武長、魏菊英51同位素地球化學(xué)示蹤由于同一元素不

4、同同位素的原子質(zhì)量不同,其熱力學(xué)性質(zhì)有微小的差異。正是這種差異導(dǎo)致同位素組成在物理、化學(xué)作用過程中發(fā)生變化,引起同位素分餾,包括熱力學(xué)平衡分餾和動力學(xué)分餾2種類型1。經(jīng)過長期的分異、分餾、衰變演化,地球不同層圈、不同地質(zhì)單元具有明顯不同的同位素組成特征。因此可以根據(jù)同位素具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)示蹤成巖、成礦物質(zhì)的來源、推斷源區(qū)的地球化學(xué)特征。另外還可以根據(jù)同位素分餾規(guī)律和礦物的同位素組(編號:49873020)、國家自然科學(xué)基金項目“成礦流體定位的地球化學(xué)界面及地學(xué)核技術(shù)追蹤方法研究”國家科技攻關(guān)項目“礦床(體)快(編號:962914203202)和國土資源部百名跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃基金資助

5、。速追蹤的地球化學(xué)新方法、新技術(shù)”第一作者簡介:倪師軍,男,1957年4月出生,教授,主要從事地球化學(xué)的教學(xué)與研究。收稿日期:1998208210;修改稿:1999204213。盧武長1穩(wěn)定同位素地球化學(xué)1成都地質(zhì)學(xué)院內(nèi)部出版,198611161451第4期倪師軍等:成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤研究綜述347等總結(jié)的各種類型天然水中的氫氧同位素組成(表1)。張理剛6按氫、氧同位素組成把成礦介質(zhì)水分為5種類型:大氣降水、海水、再平衡混合巖漿水、變質(zhì)分泌水和復(fù)合水混合水。近年來人們認(rèn)為水巖反應(yīng)是熱液礦床形成的重要機制之一,利用氧同位素可以研究水巖交換過程。李延河將整個水巖同位素交換演化過程分為3個階

6、段:大氣降水沿構(gòu)造裂隙下滲階段;面型蝕變階段;成礦溶液沿裂隙上升成礦階段1。表1天然水中的氫、氧同位素組成Table1CompositionsofHandOisotopesinnaturalwater大氣降水海水地?zé)崴?熱鹵水巖漿水變質(zhì)水DSMOW()18OSMOW()DSMOW()18OSMOW()+50-5000±+10-550±+50-3500±-10-500±因1,11。熱液活動帶來大量的硅質(zhì)和成礦物質(zhì),由于溫度下降,物理化學(xué)條件的變化,部分硅質(zhì)和成礦物質(zhì)首先在噴口附近沉淀下來,形成海底黑煙囪、硅華和熱水沉積成因硅質(zhì)巖。不同成因的硅質(zhì)巖、粘土礦物

7、等具有明顯不同的硅同位素特征,而且這些特征不會在后來的變質(zhì)、改造過程中發(fā)生明顯變化。因此,硅同位素已成為恢復(fù)變質(zhì)原巖、示蹤脈石英硅質(zhì)來源、判別硅質(zhì)巖、粘土礦物等成因的重要手段之12一1。丁悌平在硅同位素地球化學(xué)中討論了一些層狀礦床和石英脈型礦床中硅同位素的組成及特不同地區(qū)、不同的地質(zhì)地球化學(xué)條件差別較大-40-85+5.5+9.5-50-20-65520-+8.55()(1986)征,硅華30Si:-3.40.2,脈石英30Si:0.7-1.5,硅化巖石30Si:1.1-0.5,、成礦物質(zhì)來。11,故在地下水、熱液礦,對氯同位素的研究具有特殊意義13;早在1984年Kaufmann就已經(jīng)指出由

8、于氯是自然界各種水體及鹵水沉積物的大含量組分,又是一個十分活躍的水遷移元素及重要的金屬沉淀劑,因此國內(nèi)外學(xué)者對氯同位素的分析方法及地球化學(xué)行為非常關(guān)注,希望用氯同位素直接探討鹵水的成因、成礦流體及油氣運移路徑、金屬與鹽類礦床及油氣藏成藏機制14。以氯同位素(36Cl和37Cl)作為示蹤劑可以成功地判斷咸水成因,其結(jié)1516果比18O、D資料更可靠。Eastoe等研究發(fā)現(xiàn)Elmwood2Gordonsville礦床熱液作用過程中氯同位素的變化特征對流體運動具有指示作用。115硼同位素示蹤由于硼在自然界中分布較集中,平均豐度低,而且11B和10B之間質(zhì)量差大,分餾效應(yīng)顯著,故硼同位素組成可以作為判

9、定硼來源的有效示蹤劑和指相標(biāo)志17,在自然界中B的同位素組成變化很大(11B=-32+58),但在不同類型地質(zhì)體中卻有較特定的分布范圍。造成自然界B的同位素分餾的主要原因在于流體固體反應(yīng)體系的pH值和水 巖比值變化。B的這些特殊地球化學(xué)性質(zhì)在不同地質(zhì)地球化學(xué)作用示蹤,特別是與流體有關(guān)的地球化學(xué)過程的研究中得到了廣泛應(yīng)用18。據(jù)Takao19等研究日本指宿(Ibusuki)及其附近地區(qū)的熱泉水的地球化學(xué)特征時指出:測試的熱泉水的地球化學(xué)組分與以前的爭論是一致的,即該地區(qū)熱泉水溶解的主要組分是海水與地下熱的巖石反應(yīng)的結(jié)果;熱泉水的11+3914,可以判斷硼同位B值范圍是+2.1112碳同位素示蹤盡

10、管碳同位素用于物源示蹤的準(zhǔn)確性開始被人懷疑7,但至今仍被廣泛用于指示油氣來源、運移演化、熱液礦床的成礦物質(zhì)來源、全球變化等問題。在研究熱液礦床成礦流體來源時,碳同位素常與氧同位素體系綜合作用。不同來源的碳同位素組成范圍具重疊特征。在金礦床研究中發(fā)現(xiàn)8,碳同位素組成不僅位于典型的深源碳的同位素組成范圍內(nèi),而且與沉積巖和變質(zhì)巖碳的組成很難區(qū)分。碳同位素的物源示蹤應(yīng)建立在同位素體系的演化以及具體成礦環(huán)境分析的基礎(chǔ)上,而不應(yīng)是簡單的對比,成礦體系中碳(氧)同位素的演化不僅可以提供成礦物源的信息,而且對成礦過程、成礦方式的研究具有重要意義8。天然氣運移時氣體同位素組成的變化及其對天然氣運移的示蹤具有一定

11、的意義?？梢岳锰烊粴庖彝樘纪凰嘏c烴原巖酸解氣乙烷碳同位素的可比性進行氣源對比,追蹤天然氣的來源9,碳、氧同位素結(jié)合追蹤油氣物源將更為有效10。113硅同位素示蹤硅是地殼中分布最廣的元素之一,石英是最主要的造巖礦物,很多熱液礦床中均發(fā)生硅化,而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量石英脈型熱液礦床,因此,研究硅的來源及其與流體成礦活動的關(guān)系具有重要意義。硅同位素動力學(xué)分餾是引起硅同位素變化的最主要原地球科學(xué)進展第14卷348素有2種來源,一是海水,11B為+39,另一種是火山氣體,11B為+6。116鋰同位素示蹤鋰同位素組成特征是盆地鹵水、海水等流體活動的良好示蹤劑。大量的實驗研究表明鋰在地質(zhì)系統(tǒng)中具有較高的活動性

12、,在地質(zhì)作用過程中反映流體活動的特征2022,許多學(xué)者的研究也證明水巖反應(yīng)期間Li+的濃度會增大并可能追蹤地?zé)崃黧w的加入及確定地下水的來源及駐留時間23,24。鋰同位素組分在熱液蝕變程度不同的巖石中變化較大,是25熱液流體作用的有效指示。Chan等認(rèn)為在新鮮的洋中脊玄武巖中6Li為-314417(L2SVE標(biāo)準(zhǔn)),低溫蝕變洋底巖石鋰同位素組成增加,蝕變最嚴(yán)重、年齡最老的巖石6Li達-14。117鉛同位素示蹤蹤劑33。Re2Os同位素體系示蹤流體作用的地球化學(xué)過程有廣闊的前景,但對Re2試Os的測試技術(shù)、驗研究及地質(zhì)應(yīng)用仍待提高。2元素地球化學(xué)示蹤在近代元素地球化學(xué)中發(fā)展最快、成果最豐富、最具活

13、力的當(dāng)屬微量元素地球化學(xué)。微量元素被廣泛用作成巖成礦等地球化學(xué)作用的示蹤劑34。211稀土元素地球化學(xué)示蹤由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)的相似性,它們在自然界中通常以隱蔽形式共同賦存在某些礦物的晶格中,同時由于電子排布和“鑭系收縮”的原因,各個元,這種35。稀土,較多的是、玄武巖、分異作用、同化作用及碳酸鹽巖熔體與H2O、CO2的反應(yīng),也用來研究不混溶流體的特征等36和成巖成礦作用等地球化學(xué)過程。同時稀土元素對于研究海水中礦物吸附溶解絡(luò)合過程37以及沉積成巖物質(zhì)來源示蹤、沉積環(huán)境和相的恢復(fù)、變質(zhì)巖原巖的恢復(fù)、大地構(gòu)造環(huán)境的判別均具有積極意義。利用REE組成和分布示蹤成礦流體的性質(zhì)和行為始于70年代38,

14、以后人們相繼采用稀土元素示蹤成礦過程。利用REE示蹤成礦過程的一個重要途徑是分析對比原巖和不同成礦蝕變階段產(chǎn)物中REE的組成與分布,從中恢復(fù)成礦流體的性質(zhì)和演化39。稀土元素也是地下水流動反應(yīng)、盆地流體演化的良好示蹤劑。一般認(rèn)為地下水系統(tǒng)中的REE主要來源于地下水流經(jīng)的巖石40,REE對于研究地下水巖石反應(yīng)、地下水的來源及地下水的混合具有特殊作用41。Johannesson等42應(yīng)用稀土元素作為示蹤劑研究內(nèi)華達中南部區(qū)域地下混合特征時指出,根據(jù)地下水中溶解的稀土元素的濃度,以頁巖和La標(biāo)準(zhǔn)可以確定區(qū)域地下水的演化,與使用氫同位素、U同位素等作為示蹤劑得到的結(jié)果相一致,并且使用稀土元素可以確定不

15、同來源地下水的混合比例。212微量元素地球化學(xué)示蹤對沉積巖源區(qū)的判別主要依據(jù)最穩(wěn)定副礦物的微量元素組合,如鋯石中Zr 鈦鐵礦中Cr、Hf、Ni、V、Cu、Mn等均是源區(qū)的靈敏示蹤劑;B、V、Ga、Rb則是區(qū)分海相和淡水相的判別標(biāo)志;Si、Ni、Co、Mn、人們較早采用鉛同位素進行成礦物質(zhì)來源的研究,。斷成礦物質(zhì)的來源素組成特征(206Pb )Zartman鉛構(gòu)造模式示蹤成礦物質(zhì)來源、研究礦床的成因機制、礦床的垂直分帶等方面均具有積極意義。118鍶同位素示蹤8786幔來源的重Sr Sr是判斷成巖成礦物質(zhì)殼、86要指標(biāo),一般87Sr Sr>0.710時被認(rèn)為是殼源,8786Sr Sr<

16、0.705時為幔源,在礦床地質(zhì)研究中常利用其進行成礦元素來源的示蹤。對成礦流體來源的示蹤人們也作了許多研究工作,并已經(jīng)很好地描述了使用鍶同位素示蹤深源流體、巖漿流體的殼幔混染作用。通過測定圍巖、熱液蝕變礦物、流體包裹體中的鍶同位素組成,可以確定成礦流體的來源,人們早已在應(yīng)用初始鍶同位素特征示蹤古流體成礦作用和利用鍶流體巖石反應(yīng)2630,例如Pettke等30研究了阿爾卑斯山西北部Brusson石英脈型金礦床的Sr同位素組成特征,并依此追蹤含礦流體的來源,認(rèn)為流體來源深度超過10km。119錸鋨同位素示蹤由于地殼和地幔在Re Os比值方面差異很大,其中地殼巖石Re 4Os比值較之地幔巖石的高2個

17、數(shù)量級,因而這一同位素體系在探討地幔作用,尤其是地殼地幔相互作用方面,顯示出極大價值31。基于衰變的Re2Os同位素體系,由于二者的Dµ10032及在不混溶含硫化物巖漿中的高度富集,因此是巖漿硫化物礦床形成過程的強有力的示第4期倪師軍等:成礦流體活動的地球化學(xué)示蹤研究綜述34934Ba等是礁相和非礁相火成巖的指標(biāo)元素,Ti Nb比值可以作為陸源碎屑沉積物的指示劑。70年代以前,主要通過礦石礦物中的微量元素來研究成礦物質(zhì)來源。80年代以來,則主要研究礦床中脈石礦物的微量元素組成,如石英、方解石、長石、螢石等礦物的K、Rb、Re元素含量和比值(石英的K 螢石的Tb Rb、REE組成,方解

18、石、La2Tb34Ca、Yb Ca2Yb La等)。陳光遠等43研究了以鉻為示蹤元素探討膠東金礦成礦物質(zhì)來源時指出:以鉻為示蹤元素,以自然歷史為線索,追溯成巖成礦全過程中礦物組成中Cr含量的演化,不僅有利于查明膠東金礦的礦質(zhì)來源,還有助于查明膠東金礦的成礦機理與成礦過程。馬東升44指出應(yīng)用水巖作用過程中活動性較強的微量元素有可能作為地球化學(xué)示蹤劑,用于確定古流體的聚流方向和匯聚部位。在天然水和熱液作用下,Sr和Hg,低溫成礦元素Aus?；瘜W(xué)性狀和物理化學(xué)參數(shù)是進行流體活動過程地球化學(xué)模擬的重要信息,并依此進行成礦流體活動的熱力學(xué)和動力學(xué)模擬。4稀有氣體地球化學(xué)示蹤應(yīng)用惰性氣體同位素研究太陽系的

19、形成和演化、地球的層圈構(gòu)造、地幔的性質(zhì)、流體與巖石的交換作用均有發(fā)展,尤其在研究殼幔作用過程中,惰性氣體同位素是殼幔物質(zhì)混染作用的靈敏示蹤34劑46。He的同位素豐度比He He是判別幔源物質(zhì)的主要標(biāo)志,其他稀有氣體如氬、氖等也是殼幔演化、地球脫氣及其運移等的示蹤劑(表2)47。:油氣。,探索深埋地層的含油氣性問題48,同時由于石油、天然氣中含有的稀有氣體及其同位素組成特征往往可以判斷油氣的來源,尤其對深層石油、天然氣的判識,因此稀有氣體及其同位素的地球化學(xué)示蹤研究就顯得十分重要。天然氣為地球內(nèi)部流體的重要組成部分,天然氣中幔源稀有氣體是源于地球深部的地幔揮發(fā)份。氦的同位素是3He He幔源物

20、質(zhì)的重4-6要判識指標(biāo),天然氣中3He He大于114×10時,表明有相當(dāng)數(shù)量的幔源揮發(fā)份加入到天然氣中,它是地球構(gòu)造活動性強,地幔揮發(fā)份可以沿一定斷裂體系進入沉積殼層的指示49。412成礦流體活動信息的示蹤由于稀有氣體化學(xué)性質(zhì)的惰性,它們成為流體運動和反應(yīng)的理想示蹤劑50。地殼流體的稀有氣體同位素組成對示蹤其中稀有氣體的成因具有明顯的優(yōu)勢,尤其是氦,由于地殼氦和地幔氦的3He He值存在高達1000倍的差異,即使地殼流體中有少量幔源氦的加入,用氦同位素也容易判別51。80年代末90年代初以來,人們才先后運用He同位素研究成礦古流體的活動。如Turner52研究了熱液作用與石英脈和燧

21、石中的氬同位素的組成;Stuart等53,54先后以惰性氣體同位素作為示蹤劑研究了古流體的活動及洋底硫化物熱液礦床的熱液流體的來源及其成礦作用。采用惰性氣體同位素進行成礦流體活動信息的示蹤研究可以說是方興未艾,還有待于進一步發(fā)展和完善。3包裹體地球化學(xué)示蹤通過測試流體包裹體的各個參數(shù),可以獲得成礦流體的來源、流體的物理化學(xué)參數(shù)、流體的成分及流體成礦的熱力學(xué)及動力學(xué)過程,因此流體包裹體研究早已成為人們獲取流體活動過程及流體性質(zhì)演化信息的重要手段。應(yīng)用流體包裹體示蹤成礦流體主要集中在如下方面:根據(jù)流體包裹體氫、氧同位素組成特征判斷流體來源及水巖交換作用過程;根據(jù)流體包裹體壓力測定結(jié)果判定流體來源的

22、深度;根據(jù)流體包裹體溫度測量結(jié)果恢復(fù)古地溫場進而確定流體運移的方向;根據(jù)包裹體中CO222-CH4體系、SO42H2S體系計算古流體的氧逸度和22-Eh值;根據(jù)CO2(H2O)2HCO32CO3計算古流體的pH值等,依據(jù)上述結(jié)果恢復(fù)流體活動軌跡及演化歷程;根據(jù)Na2Cl2Br體系確定含礦鹵水的來源和運移;隨著流體包裹體中金屬元素分析方法和技術(shù)的發(fā)展,直接測定包裹體中金屬元素的含量已取得長足進展,如Norman(1987)采用中子活化分析分析了流體包裹體中38種主元素和痕量元素,吳家弘(1995)用中子活化分析法測定了流體包裹體中Au、As、Ba等30種元素,這為追蹤成礦元素的來源、遷移形式及沉

23、淀等成礦全過程提供了證據(jù)45。另外,根據(jù)流體包裹體研究獲得的流體活動的地球地球科學(xué)進展第14卷350表2地球各圈層的稀有氣體同位素組成特征(據(jù)王先彬,1996)Table2TheisotopiccompositionsoftheraregasineachshpereoftheEarth(WangXB,1996)圈層大氣地殼上地幔下地幔太陽系原始值34He He68854036Ar Ar420He Ne440He Ar3129Xe114×10-10-710-112×10-29516>2951601318n×108>104>1043518×

24、10->20過剩618%(相對隕石)過剩8%(相對空氣)原始129Xe1044001.4×10-2(35)×10-3×10419TakaoOi,Kyutarolkeda,MakikaoNakano,etal.Boroniso2主要參考文獻1李延河1同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中的某些應(yīng)用1地學(xué)J前緣,1998,5(2):27528112張理剛1穩(wěn)定同位素在地質(zhì)科學(xué)中的應(yīng)用1西安:陜西科M技出版社,19851126713丁悌平1穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究新況1地學(xué)前緣,J1(4):1912031topegeochemistryofhotspringwatersinIb

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40、yofrareearthelementsingroundwaterfromtheCammenellisarea,southwestEngland53StuartFM,TurnerG.Theabundanceandisotopiccomposi2.ChemicalGeolo2tionofthenoblegasesinancientfluidsJ109.gy,1992,101:9754StuartFM,TurnerG,DuckworthRC,etal.Heliumisotopesastracersoftrappedhydrothermalfluidsinocean2floorsul2.Geology,1994,22:823826.fidesJ.GeochimicaetCosmchimicaActa,1991,55:27262J779.41Johannesson