地质流体类型及其特征

地质流体类型及其特征 一 地质流体 地质流体（geofluid）是指在一定地质条件下、通过一定地质作用（包括构造活动、岩浆作用、变质作用、沉积作用、成矿作用、地表作用等）而形成的天然流体。从地质流体的概念可以看出，地质流体是在一定的地质环境中地质作用的产物，因此，不同特征的地质流体记录了其形成地质环境条件，并代表了特定的地质作用事件和过程。所以，地质流体在研究地质历史时期地质作用中都起到重要的媒介作用。 实际上，地质流体是地质作用中不可缺少的介质，它几乎参与所有的地质作用。地质流体的成因与来源十分复杂，其运移和聚集与特定的地质构造环境条件和地质构造演化过程有着密切的联系（肖荣阁等，2001；陶于祥等，1994）。通过研究地质流体特征，可以反演地质历史时期地质作用事件及其地质环境特征。 二 地质流体分类及其特征 前人从不同角度对地质流体进行了分类研究，包括根据来源、成因、成分和分布等对地质流体进行分类（J. Parnel，1994；肖荣阁等，2001；陶于祥等，1994）。综合前人对地质流体的各种分类可以看出，主要从两个大的方面进行分析，即依据地质流体来源和天然产出特征分类和地质流体构造分类。 1. 地质流体来源和天然产出特征分类： 一般地，根据流体来源和其天然产出地质特征，将地质流体分为以下几种类型： （1）大气降水：地表水蒸发再降落于地面的水，它直接参与了表层岩石的风化剥蚀、搬运及元素的分散、富集成矿等作用。 （2）海水：咸化度较高的卤水体系，聚集了自然界所有的元素； （3）成岩流体：沉积物在沉积成岩作用过程中产生的流体，包括地层水、沉积岩中有机质热演化形成的石油和天然气等。地层水包括渗入地层的地表水和建造水及其混合水，建造水是在封闭于沉积物中的沉积水并与沉积物发生反应。由于沉积盆地所处地理环境不同，建造水的成分类型有较大的差异。内陆盆地环境建造水是地表大气降水集中封闭于沉积物中并经过一定的水岩反应，滨海盆地环境建造水是封闭在沉积物中的海水。 （4）岩浆流体：来源于地球内部不同部位的岩浆流体以及岩浆上升过程中因分异或结晶释放的流体，前者地质表现形式为各种岩浆岩和火山岩，后者地质表现形式为各种脉岩和脉体等；根据来源深度不同，岩浆流体又可以分为地壳流体和地幔流体等类型。 （5）变质流体：变质过程中脱水-脱挥发份产生的流体。 （6）成矿流体：在成矿作用过程中形成的地质流体，是在特定地质环境中经过特定地质演化形成的具有特殊成分的地质流体，一般富含挥发份、卤索及不相容碱金属、碱上金属元索。 （7）热液流体：来自于特殊构造环境、温度较高的地质流体，热液流体温度一般介于180-400℃，热流体来源有其特殊的构造背景，正常沉积盆地中的成岩热液流体温度一般低于180℃，大洋中脊裂谷构造环境中的热液沉积物温度在200℃以上，陆缘海槽，弧后盆地裂谷环境中的热液沉积物多为中低温组合，温度在200℃以下。 热液流体是近年来成矿作用中非常受重视的一种地质流体，根据不同地质作用中形成的流体溶质成分及温度特征，成矿热液流体分为：高温硅钾卤水（卤水指盐度超过5%的液态流体）、中温碳酸盐型卤水及低温硫酸盐型卤水，不同温度热液流体对应地富有特殊的化学成分特征。 ①高温硅钾卤水：由于中高温型热液交代或热水沉积矿化和硅钾元素的特殊性质，使高温卤水中SiO2和K2O丰度较高。因此热水沉积成矿呈现富硅钾岩建造。 ②中温碳酸盐卤水：以碳酸盐型流体为主，富含Fe2+、Mn2+、Mg2+的碳酸盐化合物为特征，起源于建造水系统、天水淋滤及海源流体系统。因此在中低温或热水沉积中常伴有铁白云石、菱铁矿和石膏。 ③硫酸盐卤水：主要是Ba2+、Sr2+、Ca2+的硫酸盐化合物，在海陆相各环境中广泛存在。主要沉积物是硬石膏、石膏、天青石和重晶石。 2. 地质流体构造分类： 根据地质流体形成和赋存的构造环境，地质流体对应地分为（1）沉积流体和（2）构造流体两大类。 （1）沉积流体 沉积流体是指储存并运移在沉积盆地孔隙空间中的流体，沉积流体又可分为盆地内部流体和外部流体两类，内部流体指源自沉积盆地内部、且经过一定水岩相互作用的流体，主要有沉积水、石油与天然气。外部流体则主要指来源于沉积盆地之外的流体，主要有大气降水和地下深处甚至源于地幔的流体。 （2）构造流体 构造流体是指与构造背景和地质构造演化过程有关的流体，包括与构造运动有关的岩浆流体、变质流体和热液流体等等。构造流体具有特殊的构造背景，流体活动与构造作用具有时空耦合关系。 根据构造地质作用过程及流体活动地质效应，构造流体可以分为以下几种： ①与大陆地壳中-酸性岩浆热事件有关的热液流体：深部炽热岩浆上升形成诸多地热异常区，浅层循环地表水从围岩中淋滤出成矿组分并受热环流，如地表热泉型和浅成热液型矿床。 ②与海底基性火山活动有关的热液喷流流体：在海底扩张中心，由于下渗冷海水的热对流循环，使得具有高热量的洋脊内部热流量分布不均匀，如洋脊扩展翼和扩展中心轴线。 ③与沉积盆地演化有关的盆地流体：盆地流体贯穿于沉积盆地演化过程中，并参与了沉积物的各种成岩-后生变化，主要包括来自盆地内部沉积物压实和相变释放出来的流体以及盆地边缘大陆区补给的大气降水。在沉积盆地演化过程中，沉积物成岩压实和矿物相变都释放出大量的水，并由于离子过滤效应、有机质排烃作用、地热增温、相变等过程过使残留孔隙水的盐度、酸度及温度增高，使其在随后演变的过程中形成成矿流体。 ④与区域变质作用有关的变质流体：区域变质热事件中活跃于变质流体的总和，从浅变质—深变质，变质流体中所含各成份不同，直接影响了变质成岩过程的物理化学条件和最终成岩物质。 ⑤与地幔排气过程有关的深部流体：研究表明，地幔流体主要成分为CO2、H2、CH4、C2H6、H2O、CO、S、N2及碱金属等不互溶物质，它们主要来源于深部地幔的软流层，如无机成因天然气。 ⑥与大型断裂带活动有关的流体：大型断裂构造带常常是地壳高度活动带、能量汇聚带、高渗透区和流体汇集区，从深部到浅部流体成分、来源各异，幔源富CO2流体、深源流体参与下的区域变质流体、花岗质岩浆上侵形成流体，以及以上三种流体与浅层地表、大气降水混合的流体。这些流体对热液蚀变和矿化富集起到极其重要的作用。 对于不同来源的流体在话动、演化过程中的驱动力主要有:①不同部位的应力差、压力差、重力梯度及流体密度差导致成矿流体运移;②地壳热结构的改变或沉积压实作用促使流体循环，}i=造成ICI岩一流体反应;③因造山期间的构造挤压和地热抬升，驱动深部流体大规模的运移;④地质过程中产生出新流体引起的流动作用。地质自然流体在不同驱动力作用卜发生运移，与源岩或ICI岩发生相互作用，使成矿金属元索话化、溶解、组合，形成富含矿质的成矿流体。 三、地质流体活动特征 1. 地质流体驱动力 不同来源的地质流体，在排泄、运移过程中的驱动力各不相同，综合分析认为，地质流体驱动力包括作用于流体的构造应力、流体动力学、流体热力学等三个方面的动力。 从区域上分析，地质流体的驱动力受区域构造应力场、局部构造应力场和流体动力学联合控制，其中不同构造部位的应力差、流体承载的压力差、重力梯度及流体密度差等都可以导致流体排泄和运移。 而区域地质增热作用或沉积盆地中埋藏增温作用促使流体循环，导致流体动力学发生改变，引起流体迁移。地质过程中产生的新流体引起的流动作用，流体-岩石作用以及沉积盆地中有机质生烃增压作用也是导致热力作用的一种类型。如沉积盆地成矿流体。 区域构造挤压和热增压联合驱动深部流体发生大规模的运移，如海底大洋深处热液流体上升，断裂带中大规模流体活动，导致不同构造层次和环境的地质流体在迁移过程中发生物质和能量的 交换，是最主要的成矿流体（谭文娟等，2005）。 2. 前陆构造地质流体活动特征 （1）运移方式 在前陆构造流体的运移方式存在差别，在褶皱冲断带地区，流体以穿层的垂向运移为主；深部的幔源或变质流体在构造挤压的作用力下自下而上运移（Trave et al.,1997a；2000b），而在部分活动的逆冲断层处，由于断裂裂隙大，容易造成大气水自上而下运移。在前渊凹陷和前缘隆起区，地质流体以侧向运移为主，流体主要来自于断裂相关的沉积水、褶皱冲断带深部的流体及地表的大气水。 （2）运移通道 地质流体运移的通道，主要有断裂、不整合面与具有渗透能力的地质体（如砂岩层）。 无论是造山带还是沉积盆地，断裂带系统（包括裂缝）为很好的流体运移通道，这从理论上还是野外都可印证，断裂带常常存在的各种脉体、岩脉、蚀变现象甚至成矿作用等就是流体运移的产物。具有渗透能力的地质体（如砂岩层）赋存油气流体或者地下水等说明它们不但是流体运移通道，而且也是流体储存的主体。不整合面是流体发生大规模侧向运移的重要通道，在西加拿大盆地前渊带岩性油藏、东委内瑞拉盆地的 Amarilis 油藏等渊坳陷带，进积层序顶部的海岸相河流相砂岩和砾岩是主要的储集砂体，而油气运移以多沿砂体输导层或不整合面向前缘隆起运移。库车前陆盆地中断层、不整合面、裂缝、高孔渗砂体都是潜在的流体运移通道。 但是，在不同的构造和沉积环境中，并不一定所有以上三中运移通道都起作用，其中某一种或某两种运移通道发育，对流体的运移显得更重要。 （3）运移动力 根据国内外对前陆构造流体驱动力的分析，目前研究认为主要存在构造作用、重力、沉积物的压实作用及热液作用四种。 ①构造作用 构造作用：如冲断裂作用或构造挤压作用，它们一方面导致构造应力增大，另一方面导致构造变形、孔隙体积缩小、引起了流体势场和流体压力系统的变化、从而驱动地质流体的运动。另外，许多学者根据地球化学、地热、构造地质和异常压力等资料认识到(Trave et al.,2000)，构造应力可以驱动盆地内地质流体的运动，特别是在构造活动强烈的前陆盆地显得尤为突出，但是对于构造作用驱动地质流体的运动机制，还存在许多讨论。 ②重力 区域地下水重力：当大气降水进入沉积盆地周围地形较高的山区时，由于山区和沉积盆地的地势高差，导致地下水产生较大的重力作用，从而驱动盆地中的地质流体运动。重力作用驱动下的地质流体运动特征主要体现在地形起伏较大的前陆盆地中 (Muchez et al.,1999；Toth,1978；杨绪允,1993; 曾溅辉等，1996；Sherkati et al. ,2004)。 ③压实作用 压实作用可使沉积物的体积密度不断增加、孔隙度不断减少、孔隙流体不断排出，可以引起地质流体的垂向和侧向运动。压实作用驱动下的地质流体运动主要位于埋藏深度大的前陆坳陷中。压实作用驱动下前陆盆地中地质流体的运动表现为离心流的特点,流动方向由前陆坳陷沉降中心的较深部位流向盆地的边缘和浅部。地质流体主要为沉积水及烃类，地质流体的势差大、势差来源于不均衡压实、流体势的分布具有坳陷中心和深部大于盆地边缘和浅部的特征 (E.B.bekele，2000；Toth,1978；杨绪允,1993; 曾溅辉等，1996；Sherkati et al. ,2004 ；Bachu,1995)。 ④盆地中的热流：当热流体进入沉积盆地后，由于温差的作用，导致盆地中的流体发生热对流，从而驱动地质流体的运动。