流体包裹体及应用.ppt

流体包裹体及应用Edwin Roedder(1919-2006)1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用什么是流体包裹体气相 H2O,CO2,CH4,N2,H2S液相-H2O,CO2,石油固相 石盐(NaCl),钾盐(KCl)赤铁矿,硬石膏,云母,黄铜矿,黄铁矿,磁铁矿,碳酸盐,硅酸盐玻璃 或 重结晶熔体成岩成矿流体(含气液的流体或硅酸盐熔融体)在矿物结晶生长过程中，被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝中的、至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着相的界限的那一部分物质。LSVSS流体包裹体分类有机包裹体根据相态熔融(岩浆)包裹体液体包裹体气体包裹体含子矿物包裹体液相占整个包裹体体积50%以上，均一到液相气相占整个包裹体体积至少大于50%以上，均一到气相除液相或气相外，含有各种子矿物如NaCl,KCl,赤铁矿,方解石等在低于CO2临界温度时可见气体CO2、液体CO2、和水含CO2包裹体 溶液三相含有机质，如甲烷、沥青、高分子碳氢化合物等由玻璃质+气泡流体组成，有时见少量结晶质石油-水包裹体气相石油紫外荧光显微镜紫外荧光显微镜下含石油包裹体的观察紫外荧光显微镜单偏光显微镜1.2.3.4.5.6.捕获在包裹体内的物质为均匀相均一体系;包裹体的体积未发生变化等容体系;捕获后未发生物质的渗漏或逃逸封闭体系;压力对流体的效应已知或可以忽略;包裹体的形成原因可以确定;包裹体的均一温度可以精确的测定。地质温度计和地质压力计的基础流体包裹体基本假设流体包裹体被捕获的机理枝蔓状快速生长层状包裹体群晶体部分溶(熔)解产生蚀坑，晶体再生后被捕获包裹体在生长螺旋之间或生长螺旋中心被捕获晶体结构单元亚平行生长，捕获的包裹体晶面裂纹、晶体不良生长形成包裹体固体碎屑落在晶体生长晶面上被捕获1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用野外 对最终结果解释影响极大采集岩石(矿石)样品室内挑选磨制两面光薄片(0.1-0.3mm)显微镜下观察矿物共生组合及流体包裹体期次划分测试Thtot,ThCO2,Tm,等流体包裹体研究的步骤采样素描测试最常含有流体包裹体的10种矿物石英石盐方解石萤石磷灰石石榴石闪锌矿重晶石黄玉锡石流体包裹体大小mm:博物馆藏品325m:典型显微测温范围1.5 m:H2O或CO2 包裹体测试最小尺寸5 m:H2O+CO2 包裹体测试最小尺寸9mm20 m原生(P):与主矿物同时形成，包裹的流体可代表主矿物形成的流体和物理化学条件。常为孤立状或束状分布，有时呈平行生成带分布；次生(S):主矿物形成之后沿矿物裂隙进入的热液在重结晶过程中被捕获，常沿愈合的裂隙分布。假次生(PS):矿物生产过程中，由于某种原因，晶体发生破裂或形成蚀坑，成矿母液进入其中，经封存愈合形成的包裹体。由于晶体的继续生长，这种包裹体分布在晶体内部。沿愈合的裂隙分布但不切穿整个晶体。流体包裹体成因分类原生和次生流体包裹体形成动画效果原生和次生流体包裹体形成动画效果PS原生和次生流体包裹体形成动画效果P和S包裹体具有不同相比例降温后气泡出现包裹体世代关系复杂世代的流体包裹体早晚包裹体世代判别原生包裹体和次生包裹体保存了两种的形成主矿物的流体。原生包裹体因捕获的是形成该主矿物的母液，因此它的成分和热力学参数，反映了矿物形成的化学环境和物理化学条件的特点。而次生包裹体是在主矿物形成之后，捕获了与形成主矿物流体无关的后期流体。因此，它只能反映主矿物形成之后，经历过的化学环境和物理化学条件。因为它们具有不同的成因意义，如何正确区分它们，在包裹题研究工作中是非常重要的。判别原生和次生包裹体要格外小心相比例估计体的总称。合成 NaNO3 晶体裂隙化后的再愈合过程包裹体捕获后变化 “卡脖子”Necking down“卡脖子”包裹体群是指已形成的包裹体，在后来的重结晶作用影响下，被分离成二个以上包裹捕获后变化 卡脖子-1若一群次生包裹体的“卡脖子”发生在和 L-V 曲线相交之前:均一温度正确盐度正确降温 至 和 L-V 曲线相交捕获后变化 卡脖子-2若一群次生包裹体的“卡脖子”恰好发生在 和 L-V 曲线相交之时:均一温度不正确盐度正确“卡脖子”温度降低捕获后变化 卡脖子-3若一群饱和溶液包裹体的“卡脖子”发生在和 L-V 曲线相交之时:均一温度不正确盐度不正确温度降低“卡脖子”1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用简单 H2O 体系相图T气相液相冰简单水溶液体系温度密度关系图不同压力但都在540下捕获的4类包裹体(A,B,C,D)，具有不同的均一方式。两类均一至液相，一类均一至气相，一类临界均一。ABCDH2O-NaCl体系温度组分图解4类代表性NaCl-H2O包裹体(1,2,3,4)由于其含盐度不同(10,23.5,25 and 27 wt%NaCl)在冷冻过程中显示的相变有显著差别。CO2 体系P-T相图液-气相线液相临界点等容线(g/cc)气相CO2 体系CO2-H2O体系相图通过获得CO2-H2O包裹体部分、完全均一温度及均一方式，可以获得体系的摩尔体积及CO2摩尔分数。CO2-CH4体系相图CO2-CH4包裹体内CH4总摩尔分数与 CO2冰熔化温度及CO2-CH4相充填度有关。CO2冰熔化温度1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用从包裹体显微测试中所能获得的参数、获得方法及意义包裹体显微测试中常用符号Thtot 完全均一温度ThCO2 L-V,等.部分均一温度，常用于含CO2包裹体.(表明均一至何种状态ThCO2 L-V(L)Tm 熔化温度Te 初熔温度Td 爆裂温度Tt 捕获温度流体包裹体测温包裹体测温无疑是现在最流行和最广泛应用的非破坏性分析方法，也是包裹体地球化学学科中研究最早和发展最快的一部分，是包裹体地球化学中一个主要的研究内容。测温分析的原理比较简单，只要在光学显微镜上附加一种测温设备，就能在地质上有意义的各种透明（或半透明）矿物中得到广泛地应用。该方法是在详细观察和辨认包裹体中含流体的各种物相（固相、气相、液相）基础上，通过升温或冷却测量各种瞬间相变化的温度。流体包裹体测试仪器冷热台Linkam THMS 600冷热台(英国)USGS冷热台(美国)均一法的基本原理包裹体所捕获的流体呈均匀的单一相充满着整个包裹体空间。随着温度下降，流体(气体或液体)的收缩系数大于固体(主矿物)的收缩系数，包裹体流体将沿着等容线演化，一直到两相界面的位置，如果原来捕获的是大于临界密度的流体，则分离出一个气相，气体很快逸出，由于表面张力在有利位置形成球形的气泡；如果原来捕获的是小于临界密度的富气体流体，则气体在流体中将凝聚出一个液相，形成具有一个大气泡的两相包裹体。将具有气液包裹体的光薄片放在热台上升温，于是可以相继看到一些可逆的相变化的现象。首先看到的是随温度的升高气、液相的比例发生变化，而当升到一定温度时，就发生了相的转变，即从两相(或多相)转变成一个相，也即达到了相的均一，这时的温度，即为均一温度(也叫充填温度)。Th Lc.pTh VH2O 体系相图压力 KBar0.950.800.60温度 oC流体包裹体地质温度计原理纯水体系PVT相图1.0050150350等容线L=V曲线(g/cc)临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC假设包裹体是在一定的温度(Tt)和压力条件(Pt)下被捕获1.0050150350TtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC温度下降时,包裹体将沿一等容线前进直至和 L=V 曲线相交，包裹体状态不改变1.0050150350TtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC再继续降温包裹体将沿 L=V 曲线前进包裹体内有气泡成核1.0050150350TtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC再持续降温，包裹体内流体将发生进一步收缩气泡将加大1.0050150350TtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC升温时，包裹体沿 V/L 曲线前进,液相体积增大、气泡缩小1.0050150350TtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC达到均一温度(Th)时，包裹体中气泡消失1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.95等容线0.800.60温度 oCTh 所在的等容线即为包裹体原先降温时所经过的等容线1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC继续升温包裹体沿原先的等容线前进1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC如果捕获压力Pt已知或能估计获得,就可以获得包裹体的捕获温度(Tt)1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oCTh和Tt间差值即为压力校正值1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相压力 KBar0.950.800.60温度 oC降温后，包裹体内气泡重新出现，Th可以为重复测定1.0050150350ThTtPt等容线(g/cc)L=V曲线临界点0.5液相气相加热实验含CO2包裹体部分均一完全均一CO2气相CO2液相 对含CO2包裹体来说，气部分均一温度不会31.1；部分均一至液相还是至气相，取决于其密度。350oC-100oC25oC0oC加热实验动画效果350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC均一温度(Th):330oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC加热实验子矿物熔化黄铜矿石盐 包裹体中出现石盐子矿物表明气盐度很高(26wt.%)，应根据石盐熔化温度估算包裹体的盐度。包裹体中的金属子矿物(如黄铜矿等)，可以是真正的子矿物，也可以是偶然捕获的矿物，但通常不透明子矿物即使是真正的子矿物，加温后也不熔化。冷冻法测定包裹体盐度的基本原理冷冻法是研究包裹体流体体系成分和盐度的基本方法之一。它是将包裹体样品放置在冷台上通过改变温度，观察包裹体中发生的相变，再与已知流体体系的实验相图进行对比，来确定包裹体流体所属体系及流体成分。对低盐度NaCl-H2O包裹体，则可以根据拉乌尔定律，即稀溶液的冰点下降与溶质的摩尔浓度成正比的原理来测定流体的含盐度。H2O-NaCl 体系Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VIce+NaCl.2H2O+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VWeight%NaCl-25-5003020100NaCl-H2O体系相图，显示石盐、水石盐、冰、液相和气相的稳定域25Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VIce+NaCl.2H2O+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VWeight%NaCl-25-5003020100含有 10 wt.%水溶液包裹体冷冻至 0oC 之下，由于亚稳态并不结冰25Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VIce+NaCl.2H2O+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VWeight%NaCl-25-5003020100通常要经过迅速冷冻低于低共结温度(Te)之后包裹体才能被完全冷冻25Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VTfmWeight%NaCl-25Ice+NaCl.2H2O+V-5003020100回温后，包裹体在-20.8oC(Te)发生初熔(Tfm)，镜下显示为包裹体中气泡被“解锁”25Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VTfmWeight%NaCl-25Ice+NaCl.2H2O+V-500Tm(ice)3020100继续回温，在-6oC 发生最后一块冰晶熔化消失，即为测得的冰点25Temperature oC0.1oC-20.8oCIce+L+VL+VNaCl+L+VNaCl.2H2O+L+VTfmWeight%NaCl-25Ice+NaCl.2H2O+V-500Tm(ice)3020100继续回温，在-6oC 发生最后一块冰晶熔化消失，即为测得的冰点25冷冻实验冰点(盐度)最后一块冰熔化350oC25oC0oC-100oC冷冻实验测冰点(盐度)动画效果350oC25oC0oC-100oC过冷却后包裹体冷冻350oC25oC0oC-100oC初熔温度-Tfm350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC350oC25oC0oC-100oC最后一块冰熔化冰点 Tm(ice)冷冻实验水合物熔化温度(盐度)流体包裹体冷冻法冰点与盐度关系表盐度的测试未饱和体系(23.2 wt%NaCl)盐度(wt%NaCl eq)=0.00+1.78T 0.0442T2+0.000557T3T=最后一块冰消失温度(-21.2 T23.2,26.3 wt%NaCl)盐度(wt%NaCl eq)=26.242+0.4928T+1.42T2 0.223T3+0.04129T4+0.006295T5 0.001967T6+0.0001112T7T=NaCl 晶体熔化温度 H2O-NaCl体系NaClKClCaCl2MgCl2NaCl-KClNaCl-CaCl2NaCl-MgCl2-21.2-10.7-49.8-33.6-22.9-52.0-35.0 盐度的测定 其 它 含 盐 溶 液 冰 点 的 降 低相变与NaCl-H2O体系类似；回温后也有水合盐的生成；需用初熔温度确定体系性质；盐度用 NaCl wt表示。初熔温度 Te笼合物形成水结冰CO2冷冻固结加温:CO2冰熔化H2O冰熔化笼合物熔化CO2部分均一-30 to-40-40 to-60-90 to-110-60 to-56.6 由含盐度而变-10 to+10 由密度决定433水溶液相和非水溶液相间的反应盐度的测试H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻:H2O-NaCl-CO2体系气相-饱和液相富水部分不变点的特征与相组合盐度的测试H2O-CO2-NaCl包裹体盐度(NaCl)15.520221.02342t0.05286t2t 为笼合物熔化温度H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC25oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC20oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-28oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-40oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-92oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-82oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-57.7oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC0oC-57.0oC-120oCCO2冰熔化Tm,CO2H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC-6.5oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC5.0oC0oC-120oCH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC5.1oC0oC-120oC笼合物熔化Tm,calthH2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC25.1oC0oC-120oCCO2部分均一Th,CO2H2O-CO2-NaCl(9%)包裹体冷冻测试时的相变包裹体爆裂流体包裹体是一个被主矿物圈闭在晶体缺陷内的封闭体系。当温度升高包裹体达到均一后，若再继续升温，包裹体的内压急剧上升，当内压大于包裹体腔壁所能承受的压力时，包裹体发生破裂，同时发生噼啪的响声。可将发出大量响声时的温度记录下来，这个温度称之为爆裂温度。流体包裹体数据处理与解释表格频率分布直方图流体包裹体数据处理与解释流体包裹体数据处理与解释双变量图解参数图解流体包裹体数据处理与解释计算机数据处理软件流体包裹体数据类型与处理1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用流体包裹体分析方法气液相成分分析1.2.气相成分四极杆质谱：气相成分（H2O、CO2、CH4、C2H6、N2、O2、H2S、He、Ar）及包裹体水含量离子成分液相色谱和电感耦合等离子（ICP）质谱仪：Na,K,Ca,Mg,F,Cl,SO42-,REE.中科院地质地球物理所日本产RG202四极杆质谱仪+ve0激光拉曼光谱仪拉曼效应Laser(single frequency)+SampleSpectrum(range of frequency)-1Frequency(cm )Rayleigh ScatteringStokesSpectrumAnti-StokesSpectrumMolecularVibrations-ve-1Frequency(cm )拉曼效应分子振动:键矿物CO2,N2,CH4,H2OSO42-,CO32-无：Na+,Ca2+,Cl-激光拉曼光谱仪单个包裹体非破环性方法中科院地质地球物理所英国产Renishaw R2000 激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪流体包裹体中气相拉曼光谱气相分析:CO2,CH4,N2H2S,C2H6,C3H8SO2,CO,H2,O2,NH3等Intensity(石 英)10001500200025003000CO251 mol%N237 mol%CH412 mol%激光拉曼光谱仪Frequency(cm-1)流体包裹体中气相05001000150020002500300035004000frequency(cm-1)流体包裹体中液相激光拉曼光谱仪SO42-,CO32-,HSO4-,HCO3-,HS-.1050HSO4-H2O983SO42-流体包裹体中固相子矿物:碳酸盐方解石,文石,白云石硫酸盐硬石膏,石膏,重晶石磷酸盐氯化物偶然捕获相:赤铁矿,金红石,石墨,含碳物质激光拉曼光谱仪确定结晶质矿物玻璃相成分组成H2O 含量激光拉曼光谱仪熔融包裹体研究Frequency(cm )2004006008001000-130mQB石英(Q)M寄主矿物:绿柱石(B)云母(M)熔融包裹体中成分的鉴定玻璃质(G)G扫描电镜与能谱仪固相鉴定激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)分析单个包裹体破环性方法1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用“不混溶”的定义流体不混溶 两个性质成分不同的流体分离常温下油水分离-过程:减压 和/或 降温沸腾 液态状的水转化成气相-过程:减压 和/或 加温退变质沸腾 液态状的水转化成气相-过程:减压 和/或 降温不混溶包裹体群的显微镜下特征成分不同相比例相差悬殊，有时可观察到连续变化产出于同一时期矿物或同一矿物颗粒之中，分布于相邻范围内。下一步:显微测温A.B.照相并素描组合关系测试获得显微测温数据:首先冷冻!1.盐度2.密度3.XCO2最后进行加温实验4.Thtot若同一世代两个端元如富H2O-NaCl溶液包裹体与富CO2的包裹体两个端元，这两个端元的包裹体它们具有大致相同的均一温度，而且富气的端元均一到气相、富液的端元均一到液相，则可判断它们为不混溶或沸腾包裹体群。与侵入体有关的金矿床中的流体不混溶作用1.2.3.4.5.6.7.流体包裹体定义流体包裹体岩相学流体包裹体相体系流体包裹体显微测温流体包裹体分析流体不混溶流体包裹体在地质学中应用典型矿床均一温度盐度范围矿床学研究中的流体包裹体斑岩型Cu-Mo(-Au)矿均一温度200700;高盐度，0-70wt%NaCl一个甚至多个子矿物，除石盐和钾盐外，可能会有黄铜矿等子矿物；常有流体沸腾现象火山热液块状硫化物矿床两相水溶液包裹体；低盐度，1-8.4wt%NaCl；均一温度80340；常缺乏沸腾包裹体；脉状中温热液金矿床H2O-CO2-NaClCH4包裹体；均一温度200350；低盐度(8wt%NaCl);晚期有大气水的混入。密西西比河谷型Pb-Zn矿床两相水溶液包裹体和含有机质或石油的包裹体，同时也可以见到一些纯液体的包裹体；均一温度低，主要变化范围为80150；含有很高的盐度，测定的冰点温度达-15-25（19wt%NaCl当量），但极少含有子矿物，见不到流体沸腾的证据。沥青岩浆岩岩石学研究中的流体包裹体可由熔体包裹体研究获得的数据成矿岩浆和其它岩浆中的溶解性挥发分(H2O、CO2、Cl、S、F、B、Li)及成矿金属浓度；结晶作用的最小压力；结晶时的近似温度；斑晶结晶时出溶流体的证据；共存的出溶流体的近似(和部分)组分；岩浆混合的证据；花岗岩中熔体相组成；岩浆/火山作用地质年代表。不能由熔体包裹体研究获得的数据全岩浆组成(即熔体斑晶出溶流体)；最大捕获压力(深度)；流体从岩浆中出溶的结果及其出溶机制；岩浆在浅成低温热液矿床中的作用(从硅酸盐熔融中几乎得不到的直接信息)。岩浆岩石学研究中的流体包裹体地幔捕掳体地幔捕掳体中的包裹体通常以CO2占主导变质岩石学研究中的流体包裹体应用：确定变质作用的压力、温度和流体组成；混合岩-麻粒岩相岩石成因；高压超高压变质带(蓝闪-榴辉岩相岩石)作用和演化；接触(热)变质带流体演化；退变质作用和流体-岩石相互作用；退变质P-T轨迹和变质岩区隆起史。沉积岩和油气盆地研究中的流体包裹体沉积盆地热-流体演化史对油气藏的迁移和成熟度的指示FIP流体包裹体面不同的FIP中的流体包裹体代表了捕获于特定阶段中的流体，从而获得不同构造变形阶段流体信息特征。构造地质研究中的流体包裹体古环境重建研究中的流体包裹体地球外物质研究中的流体/熔融包裹体卢焕章,范宏瑞,倪培,等.2004.流体包裹体.科学出版社,487pp刘斌,沈昆.1999.流体包裹体热力学.地质出版社,290ppSamson 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