岩石圈中的减压机制及效应.pptx

1岩石圈中的降压：成矿（藏）的必要条件岩石圈中的降压：成矿（藏）的必要条件胡宝群胡宝群东华理工大学东华理工大学2014-12-132014-12-13，厦门，厦门(年底事太多由学生代讲年底事太多由学生代讲)2断裂等构造，作为矿质运移和沉淀重要场所的意断裂等构造，作为矿质运移和沉淀重要场所的意义受到更多的关注。义受到更多的关注。然而本文强调，然而本文强调，岩石圈中的断裂等构造所产生的岩石圈中的断裂等构造所产生的局部降压，才是导致矿床和油气藏形成的关键因局部降压，才是导致矿床和油气藏形成的关键因素，是成矿（藏）的必要条件。素，是成矿（藏）的必要条件。3汇汇 报报 提提 纲纲1 1 构造控矿构造控矿热液矿床基本特征之一热液矿床基本特征之一2 2 构造控矿的本质是构造降压而控矿构造控矿的本质是构造降压而控矿3 3 岩石圈中降压行为岩石圈中降压行为3.1 3.1 降压的效应降压的效应3.2 3.2 降压的可能机制降压的可能机制3.3 3.3 降压过程的一些性质降压过程的一些性质3.4 3.4 降压的一些标志降压的一些标志4 4 岩石圈中降压的成矿意义岩石圈中降压的成矿意义41 1 构造控矿构造控矿热液矿床基本特征之一热液矿床基本特征之一构造控矿是矿床的基本特征之一：构造控矿是矿床的基本特征之一：热液矿床中主要表现为断裂控矿，特别是铀、金热液矿床中主要表现为断裂控矿，特别是铀、金矿床矿床5如热液矿床多是断裂控矿如热液矿床多是断裂控矿67诸广山百顺361铀矿床地质简图在百顺矿田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。旁未见辉绿岩。总体来看，矿体主要是受断裂控制。8910ZG19DZG19GZG19EZG75B111213玲珑金矿田地质简图（据吕古贤，1993，修编）1-第四系；2-碎裂蚀变花岗岩；3-滦家河型中粗粒花岗岩；4-郭家岭型花岗闪长岩；5-玲珑型片麻状黑云母花岗岩；6-太古宇-元古宇；7-中基性脉岩；8-矿田一级、二级和推测断层；9-残留体、片麻理和蚀变叶理产状；10-大型、中小型矿床及矿点标志；11-矿脉及其产状14大开头矿区矿体分布图及第89勘探线地质剖面图151617181213-11912-q20对于其他类型矿床对于其他类型矿床对于油气，对于油气，构造控矿（藏）也是基本特征之一。构造控矿（藏）也是基本特征之一。212 2 构造控矿的本质是构造降压而控矿构造控矿的本质是构造降压而控矿构造控矿表现和多被关注的有：构造控矿表现和多被关注的有：提供提供赋矿场所，运移通道，活化的动力等。赋矿场所，运移通道，活化的动力等。本文提出：本文提出：构造控矿的本质是构造降压而构造控矿的本质是构造降压而控矿。控矿。22还有驱动热液运移、改变化学方向和还有驱动热液运移、改变化学方向和速度等作用。速度等作用。233 3 岩石圈中降压行为岩石圈中降压行为研究地质作用，就是研究地质作用过程中以下参研究地质作用，就是研究地质作用过程中以下参数及其变化：数及其变化：（1）P，T，组成，相态，体系性质，组成，相态，体系性质，Eh，pH，等及其变化（数量和过程）。等及其变化（数量和过程）。（2）这些参数之间的关系。）这些参数之间的关系。243.1 岩石圈中降压的效应岩石圈中降压的效应（1 1）降压可能影响岩石圈中一些物质相变行为）降压可能影响岩石圈中一些物质相变行为可导致一、二级相变。可导致一、二级相变。岩石圈中的水可能出现一、二级相变。岩石圈中的水可能出现一、二级相变。而而CO2等一些临界温度低的气体只在近地表才能发等一些临界温度低的气体只在近地表才能发生一、二级相变，在岩石圈中高于其临界温度时只生一、二级相变，在岩石圈中高于其临界温度时只以超临界流体形式存在。以超临界流体形式存在。25例如沸点时的液-气平衡，一级相变26二级相变二级相变272829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：特别关注：既使温度和压力很大时，既使温度和压力很大时，水的热容值并不大、仅与水的热容值并不大、仅与标准状态下的相近标准状态下的相近30降压会影响固相熔融相变线。固态熔融是降压会影响固相熔融相变线。固态熔融是一级相变。对于大多固相，熔融线的斜率一级相变。对于大多固相，熔融线的斜率为正，即随压力升高熔点也随之升高、随为正，即随压力升高熔点也随之升高、随压力的降低熔点也随之降低。简言之，压压力的降低熔点也随之降低。简言之，压力降低，熔点也会降低。力降低，熔点也会降低。31压力不断变高的情况下，二元体系的相图变化压力不断变高的情况下，二元体系的相图变化32增强塑性变形的能力。降压导致熔点下降，增强塑性变形的能力。降压导致熔点下降，因此在温度不变的前提下降压会增加固相因此在温度不变的前提下降压会增加固相的塑性变形能力。即相同温度条件下，低的塑性变形能力。即相同温度条件下，低压更利于塑性变形（孙天泽，压更利于塑性变形（孙天泽，1996）。）。33材料抗压能力与围压大多呈正相关系。因此，在岩石圈中当围材料抗压能力与围压大多呈正相关系。因此，在岩石圈中当围压下降后，岩石和矿物的抗压能力下降，就有可能产生各种压下降后，岩石和矿物的抗压能力下降，就有可能产生各种变形，如矿物中的解理、断口、裂纹等。变形，如矿物中的解理、断口、裂纹等。C=C0+3n (张流等，张流等，1985)岩性C0(kb)n石英岩3.278.240.6花岗岩2.337.140.51花岗闪长岩1.364.590.63辉长岩2.525.170.06玄武岩3.495.500.5134引发重新认识侵入岩的分带问题引发重新认识侵入岩的分带问题一些侵入岩分带，可能是由于地压梯度变化所至，一些侵入岩分带，可能是由于地压梯度变化所至，不一定是不同期次侵入所造成。不一定是不同期次侵入所造成。35（2 2）影响化学平衡。）影响化学平衡。反应前后体积变化较大的各类化学反应，受压力降低的影响反应前后体积变化较大的各类化学反应，受压力降低的影响较大，特别是有流体参与的化学反应。需要重点关注的是，较大，特别是有流体参与的化学反应。需要重点关注的是，降压会降低矿物和岩石的脱水温度。一般情况下，降压有利降压会降低矿物和岩石的脱水温度。一般情况下，降压有利于各种矿物的脱水反应向体积增大方向进行。即恒温时，脱于各种矿物的脱水反应向体积增大方向进行。即恒温时，脱水温度随压力降低而降低，这与盆地的地质演化及成矿（藏）水温度随压力降低而降低，这与盆地的地质演化及成矿（藏）等关系密切，在研究与盆地有关联的矿床（藏）床成因应加等关系密切，在研究与盆地有关联的矿床（藏）床成因应加予考虑。予考虑。微量元素温压计微量元素温压计36复相化学反应复相化学反应称为 的解离压力。例如，有下述反应，并设气体为理想气体：只考虑凝聚相是纯态的情况，纯态的化学势就是它的标准态化学势，所以复相反应的热力学平衡常数只与气态物质的压力有关。37（3 3）成为流体和熔体（即广义流体）运动）成为流体和熔体（即广义流体）运动的驱动力。的驱动力。局部降压可形成压力差，从而成为流体和局部降压可形成压力差，从而成为流体和熔体运动（既是物质流也是能量流）的驱熔体运动（既是物质流也是能量流）的驱动力，这些降压的空间同时也可以是运移动力，这些降压的空间同时也可以是运移通道。通道。383.2 岩石圈中降压的可能机制（1 1）变形所造成的降压，即变形降压。）变形所造成的降压，即变形降压。塑性变形造成的封闭体系破坏而降压。强烈的塑塑性变形造成的封闭体系破坏而降压。强烈的塑性变形，总体上变形后仍是连续的固相体系，地性变形，总体上变形后仍是连续的固相体系，地压梯度可由封闭体系状态的压梯度可由封闭体系状态的2-4倍静岩地压梯度降倍静岩地压梯度降至至1倍静岩地压梯度（胡宝群等，倍静岩地压梯度（胡宝群等，2003）。如高）。如高温强烈塑性变形，皱褶转折部位，韧性剪切等。温强烈塑性变形，皱褶转折部位，韧性剪切等。39热压和重力叠加后岩石圈和地壳的平均压力梯度估算CV/J g-1 k-1（dT/dh）V/Kkm-1=1+g-1CV(dT/dh)V温度范围/K岩石圈1.30.78(假设不受温度影响)10(岩石圈平均值)2.042981573地壳假设地壳全由石英组成0.7封闭体系中CV CP=0.782+5.71810-4T-1.883104 T-219(地壳平均值)2.002.6830(上地壳的平均值)2.593.6617.5(上地壳的地盾区)1.942.5840(上地壳构造活动区)2.824.5440脆性变形造成的封闭体系破坏而降压。脆性破裂，形成张脆性变形造成的封闭体系破坏而降压。脆性破裂，形成张性空间，即由连续固态体系变为由破裂而空间隔离的不连性空间，即由连续固态体系变为由破裂而空间隔离的不连续固相体系。续固相体系。降压的下限可以是静岩压力（固相开放体系），也可能是降压的下限可以是静岩压力（固相开放体系），也可能是静水压力（液相连通体系），甚至降压为大气压力（与大静水压力（液相连通体系），甚至降压为大气压力（与大气连通的体系），主要取决于变化后的体系性质。气连通的体系），主要取决于变化后的体系性质。如不同规模的断裂；层间破碎、滑动带；两期次或多期次如不同规模的断裂；层间破碎、滑动带；两期次或多期次的断裂相交汇之处；早期封闭断裂再次复活、滑动而形成的断裂相交汇之处；早期封闭断裂再次复活、滑动而形成局部张性空间；走滑断裂体系，先剪切后沿一枝发生走滑局部张性空间；走滑断裂体系，先剪切后沿一枝发生走滑的而形成的局部张性空间等。的而形成的局部张性空间等。41液体状态方程液体状态方程选用适用范围更广的液态水P-V-T状态方程：=1/1.0014+0.00034(T-273.15)+8.610-7(T-273.15)2-(P/22400)+3.410-5Pexp(-3400/P)，其中Pinbar，TinK，ing/cm3。气体状态方程气体状态方程（2）体系温度降低而降压，即降温降压。）体系温度降低而降压，即降温降压。体系不发生脆性和韧性变形时，仅由温度下降也会降压。42固体状态方程石英的状态方程*为V(P,T)=A/(P+B)+CP2+DP+E，其中A=a1T+a2，B=a3T2+a4T+a5，C=a6，D=a7T2+a8T+a9，E=a10T2+a11T+a12RazUrs,GirspergerS,ThompsonAB.Thermalexpansion,compressibilityandvolumetricchangesofquartzobtainedbysinglecrystaldilatometryto700Cand3.5kilobars(0.35GPa).From:ETHE-Collection.2002.43（3）岩石圈的局部抬升、剥蚀运动，即剥蚀降压。）岩石圈的局部抬升、剥蚀运动，即剥蚀降压。抬升过程通常按地温线降温和降压。（4）几种降压机制的混合，即混合降压。）几种降压机制的混合，即混合降压。事实上，岩石圈中压力状态变化，既有上述的减压过程，也有与之相反的增压过程。岩石圈中的压力增减，都有一定的地质过程或事件与之对应。443.3 岩石圈中降压过程的一些性质岩石圈中降压过程的一些性质岩石圈中的降压，（1）降压速率：）降压速率：有慢速和快速之分；有连续的，也有分期次性的；有渐变，也有突变。降压速率大小不同，相应的地质效应也不同。快速或突变降压所引发的现象有地震、火山喷发、水的相变等；缓慢降压如塑性变形；恒温前提下的降压，熔体缓慢降压则可以形成结晶质，而快速降压则形成玻璃质；岩石圈中一些物质在临界点和三相点处及其邻区的行为具有极为重要的意义。在岩石圈中，与相对缓慢的温度变化比较，压力、相态、体系性质的变化速率可以是很快的。45（2）据物质组成是否连续，降压过程大致可分为两类）据物质组成是否连续，降压过程大致可分为两类封闭体系变到开放体系物质连续的地压梯度由2-4倍静岩地压梯度变为一个静岩地压梯度。如韧性变形，超高压变质向正常变质岩的转变。物质不连续的变为大气压力或静水压力。对含水的流体系统有着很大的影响，影响热液成矿、油气等。46（3）形态：）形态：可以分为点状、线状和面状的降压过程。这些不同形态的降压（从更广意义上讲应为压力变化）过程，会影响着岩石圈中的许多地质作用过程。47（4）范围：）范围：可分为不同规模的降压运动和构造，可以是地幔柱、热柱、区域深大断裂、矿田构造及野外露头中的断裂等，甚至可以是矿物裂缝、解理、晶格缺陷等。483.4 3.4 岩石圈中的降压标志岩石圈中的降压标志岩石圈中的降压标志有：两次脆性断裂交汇，压性断裂后扭动，先期X节理后滑动，层间滑动带，先韧性变形降压后脆性断裂叠加，褶皱的转折端、破劈理等负压区，岩体侵入体外接触带或内接触带及其围岩顶部张裂隙、或滑动带，隐爆角砾岩体，交代作用去主量组份后造成的孔隙度增大及降压空间等。从更大范围或从构造体系来说，降压标志有脆-韧性转折部位、多期断裂交汇部位、成矿界面，等间距性、构造转折端等。494 4 岩石圈中降压的成矿意义岩石圈中降压的成矿意义（1）影响矿产形成及分布的认识。如热液成矿作用的热液来源重新认识，且不是所有的超临界流体都能成矿，应是一、二级相变后才能成热液矿产。简言之，为“构造降压-水相变耦合成矿”新模式。此外，对油气的分布、岩浆矿床形成等广义流体参与的地质过程皆有影响。是大规模成矿的理论基础。50热液矿床的成矿温度多局限于热液矿床的成矿温度多局限于100400之间。之间。这几乎成了一个共识（邓晋福等，1999）。其原因极有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。51（2）影响岩浆演化过程的认识。体系性质、温度、压力的变化及其变化速率，将影响岩浆演化和方式。不同的降压方式和形态，将影响岩浆的分布、板内岩浆的形成、岩石圈局部溃变等。（3）超富矿体的成矿机制的认识。据此“构造降压-水相变耦合成矿”新模式，可以较好地解释矿体的超强富集。52胶东蓬莱黑岚沟石英脉型金矿含金石英脉矿石（极富矿石,FromGuo）没有突变何来超强富集！没有突变何来超强富集！53岩石圈的降压除了对成矿有影响，还有其他方面的意义。（4）影响变质变形作用的认识。超高压榴辉岩和正常麻粒岩的温压关系中所隐含的两种2-4倍差异的地压梯度，分别对应的是封闭体系和（连续固相的）开放体系的地压梯度。在计算高压和超高压变质岩的深度时，应根据体系封闭程度不同而选用不同的地压梯度，相应的深度会变小。塑性变形大小和速率，受体系性质和降压速率的控制。（5）影响地震、火山、地质流体等运动方式的认识。如地震的触发机制。这些现象的背后与不同深度的低速高导层存在相关性。54（6）影响区域大地构造演化的认识。即对岩石圈中的影响不只是局限于某一个方面，而是对整个岩石圈演化产生深刻影响。如为岩石圈破坏与减薄认识的一些补充，可以被认为是由原来近似封闭状态变为近似开放体系之后，面状地压梯度明显降低、造成厚度计算值减少，线状或点状降压可破坏原克拉通形成相对应的矿产和地灾分布；为地幔柱认识的补充，可以被认为是岩石圈中大型点状降压区，由于降压产生区域压力差驱动着地幔深部的流体或熔体移运，而与岩浆活动和矿产及灾害等联系起来。55参考文献参考文献杜乐天.地球排气作用的重大意义及研究进展J.地质论评,2005,51(2):174-180.胡宝群,王方正,孙占学,等.岩石圈中的地压梯度J.地学前缘,2003,10(3):129-134.胡宝群,王方正.岩石圈中4个与水有关的重要温度J.地学前缘,2001,8(3):110.胡瑞忠,毕献武,彭建堂,刘,钟宏,赵军红,蒋国豪.华南地区中生代以来岩石圈伸展及其与铀成矿关系研究的若干问题J.矿床地质,2007,26(2):139-152.孙天泽.高围压条件下岩石力学性质的温度效应J.地球物理进展,1996,11(4):63-70.华仁民,陈培荣,张文兰,等.论华南地区中生代3次大规模成矿作用J.矿床地质,2005,24(2):99-107.WeatherleyDKandHenleyRW.FlashvaporizationduringearthquakesevidencedbygolddepositsJ.NatureGeoscience,2013,6:294-298.毛景文,谢桂青,李晓峰,张长青,梅燕雄.华南地区中生代大规模成矿作用与岩石圈多阶段伸展J.地学前缘,2004,11(1):45-55.汪卫华.非晶态物质的本质和特性J.物理学进展,2013,33(5):177-351.张景廉,于均民.论中地壳及其地质意义J.新疆石油地质,2004,25(1):90-94.张流,王绳祖,施良骥.我国六种岩石在高围压下的强度特性J.岩石力学与工程学报,1985,4(1):10-19.