地球中的流体和穿越层圈构造

卢焕章

doi:10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.083

地球中的流体和穿越层圈构造

卢焕章

University of Quebec at Chicoutimi, Chicoutimi, QC, G7H 2B1, Canada

基金项目:
矿床地球化学国家重点实验室基金（2018001）

详细信息

作者简介: 卢焕章(1940-), 男, 博士, 加拿大魁北克大学教授。主要从事地球化学, 地球中流体和流体包裹体教学和研究。E-mail:hzlu@uqac.ca

中图分类号: P542.5

收稿日期: 2019-07-16

修回日期: 2019-09-27

刊出日期: 2019-12-31

GEOFLUIDS AND ACROSS EARTH SPHERE STRUCTURES

LU Huanzhang

University of Quebec at Chicoutimi, Chicoutimi, QC, G7H 2B1, Canada

Received Date: 16 July 2019

Revised Date: 27 September 2019

Publish Date: 31 December 2019

摘要

摘要:
地球中的流体是当前科学研究的重点。从地球科学的角度来说，流体应包括气体、液体（水和石油）、熔体和地球中受应力作用而移动的物体。在半经为6378 km的固体地球中可分为7个层圈。目前对地球内部流体的了解很少，为探索流体在各层圈中的成分，物理化学性质和分布，以现阶段对地球层圈和流体研究程度来看，其重点应放在地球中穿越层圈的构造部分和地壳。地球中穿越层圈的构造主要有三个：板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造，向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带；大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造，使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移；地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造，使地幔的熔流体从下向上迁移。通过对三个穿越层圈构造和地壳中流体的研究，可以得出地壳、岩石圈、上地幔、过渡带、下地幔和核幔边界层流体的种类和成分、流动和演化。这是至今为至能鉴定到地球中深部流体的方法。这四个方面的研究是当前地球中流体科学研究的重点，并对开展深部找矿有实际意义。
- 地球中的流体 /
- 穿越层圈构造 /
- 地壳 /
- 俯冲带 /
- 大洋中脊 /
- 地幔柱
Abstract:
Geofluids are the focus of current geosciences research, which should include gas, liquid (water and petroleum), magmatic melt and moving matter moved under geostress. There are seven spheres inside the earth within the radius of 6378 km. The fluids in interior earth were less understood, since it is too deep too see. To understand the fluids in earth's interior, it is necessary through the across sphere structures which include:subduction zone which fluids from ocean crust through up the lithosphere and asthenosphere to mantle; deep fluids through mid-ocean ridge to the crust; mantle plume bringing melt and fluid to the crust. Through the study of the fluids in three across sphere structures, the composition, distribution of the fluids in crust, lithosphere, asthenosphere, upper and lower mantle have been learned. This is the important way to know the fluids in deep earth, as well as the crust.
- geofluids /
- across earth sphere structure /
- crust /
- subduction zone /
- mid-ocean ridge /
- mantle plume

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1. 流体及层圈构造

地球中的流体是当前科学研究的重点。涂光炽认为地球科学中的流体大致包括气体、液体(主要是水)、熔体(主要是硅酸盐熔体)，它们在地表和地下可以流动^[1]。简单地说, 流体是能流动的物体, 这是按其流动的性质而言；从地球科学的角度来说, 流体应包括气体、液体(水和石油)、熔体和地球中受应力作用而移动的物体。

固体的地球按目前的层圈模式从外到内可分为: A地壳; B上地幔; C过渡带; D下地幔；D″下地幔中的波速异常区; 外核(液体)和内核；一共7个层圈。这7个层圈中均含有不同程度的气体，液体和熔体。地球与其他已知星球显著不同，是一个有丰富流体的天体。因为有了流体，整个地球就有了生命和生机。地球上的流体，特别是地壳中的流体，不仅涉及人类和动植物的生存、环境保护和健康，而且也关系到地球的演化。

在地表还可见到大气圈，水圈，生物圈以及深部的岩石圈(由深部地壳和上地幔组成), 它们均含有流体。在地壳中，水的分布如下：海洋含水1350×10¹⁵ m³, 占地壳总水量的97.3%;冰川和极地冰含水29×10¹⁵ m³, 占2.1%;地下水含水8.4×10¹⁵ m³, 占0.6%;湖泊和河流含水0.2×10¹⁵ m³占0.01%;大气圈含水0.013×10¹⁵ m³, 占0.001%;生物圈含水0.0006×10¹⁵ m³, 占4×10^-5%。地壳下面的地幔含水的总量与地壳总水量相似，地幔柱中的含水量为300~1000 μg/g^[2]。

固体地球的这7个层圈半径^[3-10]: A地壳、洋壳，7 km; 陆壳，40 km(平均)；B上地幔，40~400 km；C过渡带，400~670 km；D下地幔，670~2680 km；D″下地幔中的波速异常区，2680~2880 km；核幔边界层，2891 km；外核(液体)，2891~5149 km；内核，5149~6378 km。(图 1、图 2)。

图 1. 地球的层圈构造(from depositphoto.com)

从左到右:薄层地壳; 地幔; 外核; 内核

Figure 1. Earth sphere structure(from depositphoto.com)

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图 2. 地球的层圈构造剖面图(from tex.edu.glogster.com)

从地表到核:地壳; 岩石圈; 软流圈; 上地幔; 下地幔; 外核和内核

Figure 2. Section of earth sphere structure(from tex.edu.glogster.com)

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因为深不可达, 目前对地球内部流体的了解是很少的, 而大部分资料来自地壳。由于地球深部是由层圈组成，为探索流体在各层圈中的成分、物理化学性质和分布，根据现有对地球层圈和流体研究的了解, 其重点应放在地球中穿越层圈的构造部分和地壳。

2. 地球中穿越层圈构造

地球中穿越层圈的构造主要有三个(图 3)。①板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造；向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带。②大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造；使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移。③地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造；使地幔的熔流体从下向上迁移。下面重点介绍这三个穿越层圈的构造以及深部层圈的流体^[8]。

图 3. 地球的穿越层圈构造示意图

1—板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造，向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带；2—大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造，使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移；3—地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造

Figure 3. Three across earth sphere structures

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2.1 板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造

向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带(图 4)。俯冲作用把洋壳和陆壳的岩石和流体往下带到地幔, 并且形成含碳流体。深俯冲可以把大洋岩石圈的岩石物质和流体带到下地幔，甚至到达核幔边界。在板块俯冲中形成许多超高压变质带, 金属矿床及油气资源。这里的流体可用：H₂O-“气体(gas)”-“盐”-熔体来表示。气体=CO₂+CH₄+S₂+N₂；盐=NaCl+CaCl₂；但K盐, Mg盐和Fe盐也应包括在盐内^[11-12]。俯冲带除俯冲板片脱水形成的富大离子亲石元素流体、交代地幔楔形成的岛弧钙碱性玄武岩+安山岩+英安岩+流纹岩组合外, 还有由俯冲板片熔融形成的埃达克质熔体交代地幔楔形成的埃达克岩+富铌玄武岩+富镁安山岩组合, 从而构成了俯冲带的流体交代与熔体交代两大类壳幔相互作用体系及相应的岩石组合。熔体交代作用的显著特点是Mg、高场强元素Nb、Ti、P等含量增加, Nd、Sr值增高, 而Si、K、Na及La、Yb降低。高场强元素Nb、Ta、Ti通常认为是流体不易运移的元素，是用来计算和判别构造环境及热液变质过程中元素迁移量的参考元素，高温高压实验也证明TiO₂在富水流体中溶解度极低，从而支持富水流体难以迁移Nb-Ta-Ti元素的观点。

图 4. 板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造(from tex.edu.glogster.com)

Figure 4. Subduction of plate tectonics, showing fluid move from top to bottom(from tex.edu.glogster.com)

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然而在俯冲折返的榴辉岩中发现大量含金红石的石英脉，表明在特殊条件下Nb-Ta-Ti是可以运移的。俯冲板片变质脱水形成的流体不只是简单的富水流体，因为随着温度压力的升高，水在熔体中的溶解度升高，同时熔体在水中的溶解度也升高，所以在高温高压条件下二者可以完全混溶形成富含硅酸盐成分的超临界流体，这种流体可能具有超强的元素迁移能力。榴辉岩中的石英脉通常认为是从超临界流体中沉淀出来的。超临界流体可以搬运高场强元素并且导致Nb/Ta分异，推测超临界流体具有低Nb/Ta比值特征，这种低Nb/Ta的超临界流体从板片抽取后可以使残留榴辉岩具有高Nb/Ta值。俯冲板块主要由洋中脊处形成的大洋岩石圈组成。其厚度、构造和演化取决于扩张速率、火山作用、热液冷却、洋脊分段和断裂作用。幔源熔体通过萃取在洋中脊形成新的洋壳，之后板块的地幔组分将逐渐贫化。板块的铁镁质部分随厚度和构造特征而变化，从厚约7 km的层状层系(扩张速率大于5 cm/a)，到橄榄岩、辉长岩组合和上覆玄武岩(扩张速率小于2 cm/a)。板块的铁镁质部分常经历转换作用、水合作用和矿化作用^[10]。由于大洋板块随时间冷却，岩石圈在向俯冲带运移的过程中发生增厚现象。热液循环改变着上部板块的化学性质，从洋中脊处的高温热液循环，到深海盆底与较冷流体的相互作用，再到板块俯冲前因板片弯曲破裂会导致更多的流体的相互作用。Mao et al^[13]认为俯冲作用可以使大量的水进入地幔, 甚至可到达幔核边界层。Zheng et al^[12]认为俯冲是把水从地表转到地球深部的主要机制和方法，所以俯冲带是由上到下的穿越层圈构造。

2.2 大洋中脊的扩张引起的穿越层圈构造

地幔的热对流在大洋中脊上升，岩浆上升后涌出成为玄武岩。海底热液区一般分布在洋中脊和弧后盆地等有岩浆活动的区域。流体从地壳岩石裂缝渗入地下，遇到熔体被加热，溶解了周围岩层中的化学元素后又从地下喷溢出^[14-15](图 5、图 6)。这些化学元素形成的产物沉积到附近海底，形成黑烟囱和白烟囱并堆积起来。海底热液区中的硫化物富含金、银、铜、锌、铅等金属，具有很高的经济价值，是日益受到国际社会关注的一种海底矿藏。同时也提供了研究成矿流体的样品。卢焕章等^[16]曾对来自北纬21°的太平洋洋脊中现代大洋海底的Zn、Cu型硫化物烟囱的矿物共生组合进行研究，发现其矿物组合相当简单，分为硫化物和脉石矿物两类。硫化物中以其含量多少排列为闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿。脉石矿物以硬石膏为主，见少量重晶石和方解石。在烟囱中这些硫化物和脉石矿物的分布有分带性，从外到内为硬石膏带、黄铁矿带、闪锌矿带。闪锌矿带向里可见到少量黄铜矿、磁黄铁矿及硬石膏，但它们尚未构成一个带。烟囱的中心常常是空的，这是它原来的热液通道(图 7、图 8)。在烟囱中发现两类流体包裹体：一类为水溶液包裹体；另一类为CH₄的包裹体。最外面的硬石膏带，流体包裹体均一温度为180~245 ℃(平均212 ℃)；黄铁矿带均一温度为185~260 ℃(平均218 ℃)；闪锌矿带均一温度为190~265 ℃(平均229 ℃)。从平均的流体包裹体均一温度看，从烟囱边到中心，温度由212 ℃—218 ℃—229 ℃呈逐渐上升趋势，中间的温度较高，边上的较低。成矿流体的盐度与海水相差不大，但略大于海水，成矿流体的成分主要是H₂O，含量为79~97 mole%。而CH₄+C₂H₆的含量为0.03~7.39 mole%。含CH₄+C₂H₆的包裹体中的CH₄+C₂H₆平均含量为4.8 mole%。在成矿流体中H₂S的含量也很高，为0.04~1.20 mole%。所以能沉淀出像闪锌矿、黄铁矿和黄铜矿那样的硫化物。热液的pH值为5.1~6.1^[15]。上升的热流进入海水后与海水(平均温度9 ℃)相混，首先形成外部的硬石膏带，使烟囱处于一个相对封闭的状态，然后热液继续在烟囱中与海水进行混合，温度下降，分别沉淀出黄铁矿和闪锌矿带。黑烟囱是在这两种流体相混的过程中形成的。同时地幔的热对流在大洋中脊上升，岩浆上升后涌出成为玄武岩，构成大洋中脊的岩浆作用。海水与海底出露的超基性岩石发生化学反应，形成蛇纹石^[14-16]。该反应所释放的流体与传统意义上的热液不完全相同，具有高pH值、富氢和CH₄、高温复杂有机分子等特点。这些流体的化学和热通量对全球大洋的组分有重要影响。海底热液也与生物及微生物群落息息相关。由海底热液系统形成的矿床富含铜、锌、金等有色金属。海底和海底以下热液系统的研究主要集中在洋中脊活动热液喷口上，这种活动热液喷口的羽状流在几公里范围内均便于探测。活动热液喷口存在着丰富而独特的化学合成生态系统。活动热液喷口为直接测量成矿流体的流量、组分、pH和温度提供了良好的条件。目前对沿新生洋底火山分布的活动热液喷口数量和海底热液硫化物总量的估算仍主要基于活动热液系统。越来越多的证据表明，非活动/死亡的热液喷口点的数量及其硫化物的总量可能远远超过在活动热液喷口点发现和估计的量。而对热液系统停止后海底硫化物的变化仍缺乏认识，只要有合适的热源和洋中脊构造，热液活动在任何地方都有可能发生。扩张中脊形成的洋壳是不均一的，在与海洋相互作用中不断演化，并受到板内火山作用的改造，因此影响到汇聚边缘，进而影响到岛弧及弧后盆地内新洋壳的组成。关于大洋中脊的成因，大多采用海底扩张说和板块构造说来解释。认为洋中脊轴部是海底扩张的中心，也有热地幔物质沿脊轴不断上升形成新洋壳，故洋中脊顶部的热流值很高，火山活动频繁。中脊的隆起地形实际上是洋脊下物质热膨胀的结果^[14-16]。在热对流带动下，新洋壳自脊轴向两侧扩张推移。在扩张和冷却的过程中，软流圈顶部物质逐渐冷凝，转化为岩石圈，致使岩石圈随远离脊顶而增厚。整个洋中脊的活动使流体向上迁移。

图 5. 大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造和板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造^{[3, 6, 9]}

Figure 5. Ocean ridge from bottom to top, across earth sphere structure and subduction from top to bottom across earth sphere structure^{[3, 6, 9]}

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图 6. 大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造剖面图^{[5-6, 9]}

Figure 6. Bottom-up setion of Earth sphere structure caused by the expansion of mid-oceanic ridge^{[5-6, 9]}

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图 7. 大洋中脊的烟囱和溢出的热液(from depositphoto.com)

Figure 7. Mid-oceanic ridge and hydrothermal fluid (from depositphoto.com)

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图 8. 黑烟囱的剖面和横切面图^[16]

Figure 8. Longitudinal and cross sections of chimney^[16]

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2.3 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造

通过对穿越层圈构造中流体的研究，可了解各层圈(特别是下部层圈)中流体的种类和成分，流动和演化。在加拿大地学界，许多人认为地幔柱是“Tails it’s komatiites，Heads it’s basalts”，译成中文是“地幔柱的头是玄武岩，尾巴是科马提岩”，它是一个由下而上的穿越层圈构造^[17]。

很多人做过地幔流体的研究^[17-28]。而代表地幔流体的样品只存在于来自地幔岩的流体包裹体中，因此研究这些流体包裹体是得出地幔流体特征的重要手段。地幔熔流体不仅含有水，富CO₂同时含有CH₄、CO和大量的硅酸盐和碳酸盐熔体。地幔柱的形状为一个大头和一个长尾巴所组成。地幔柱上升到地壳其大头会形成大火成岩省，如峨眉山大火成岩省，西伯利亚暗色岩系大火成岩省和南非的Bushveld层状大火山岩省等。而其长尾巴会形成火山岛弧链, 如夏威夷火山岛弧链。地幔柱上升时会携带金属上升形成矿床。与地幔柱相关的壳—幔相互作用不仅为大陆地壳的垂向生长带来了新物质，而且导致成矿元素的迁移和富集。南非Bushveld层状侵入体是世界上最大的铂族金属产地并富集铜镍硫化物^[18]。与峨眉山大火成岩省相关的四川攀枝花层状岩体是全球最大的钒钛磁铁矿床聚集区。地幔岩石中的流体包裹体代表了地幔流体的样品。地幔流体包裹体见于从地幔来的金刚石，地幔捕虏体和岩浆碳酸岩这三类地幔岩石中。研究这些岩石和矿物中的流体包裹体可以得出其所代表的地幔流体的温度、压力、成分和同位素。地幔流体包裹体可在这三类地幔岩石中的橄榄石、辉石、金刚石、方解石和磷灰石中见到。这些包裹体可以粗略地分为两类：CO₂包裹体和硅酸盐熔体包裹体。这种包裹体在金刚石、地幔岩捕虏体和岩浆碳酸盐岩中见到，它可进一步细分为四类：①结晶质熔体包裹体和玻璃包裹体；②CO₂包裹体(这种包裹体大多见于地幔捕虏体中，在金刚石和岩浆碳酸岩中也可见到)；③硫化物的包裹体，这种包裹体见于地幔捕虏体中，与纯CO₂包裹体和含CO₂的熔体包裹体共存；④高密度的流体包裹体，这种包裹体见于金刚石中，是一种高盐度、高密度的含K、Cl和H₂O的流体包裹体。其又可分为高卤水包裹体和含卤水的富硅的碳酸盐岩浆包裹体。

从对金刚石、地幔捕虏体和岩浆碳酸盐岩中流体包裹体的研究表明，地幔流体存在不均匀性和不混溶性。地幔流体(mantle fluids)是指来自地幔的富含挥发成份的熔融体。地幔流体来自莫霍面以下的地幔(40 km之下)，其密度、粘度、温度和压力均比地壳中的流体来得高，其组成与地壳中的流体大多并不一样, 但有相似之处。有关地幔流体的机理模式见图 9和图 10。图中说明密度、粘度和温度很高的地幔流体向上升，其顶部的温度最高，向两边流去，而尾部的温度相对较低。

图 9. 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造^[17]

Figure 9. Bottom-up across earth sphere structure caused by mantle plume^[17]

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图 10. 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造(from depositphoto.com)

显示地幔柱在由下而上的流体的穿越作用，超级地幔柱在D″层形成, 穿过下地幔(lower mantle)和过渡层(2ndLVZ)到达上地幔(upper mantle)

Figure 10. Bottom-up across sphere structure caused by mantle plume (from depositphoto.com)

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地幔柱上升时会携带金属上升形成矿床。南非Bushveld层状侵入体是世界上最大的铂族金属产地并富集铜镍硫化物。与峨眉山大火成岩省相关的四川攀枝花层状岩体是全球最大的钒钛磁铁矿床聚集区。造山型金矿的形成也与地幔柱密切相关(图 12、图 13)。

图 12. 地幔柱在形成南非Bushveld层状侵入体和世界上最大的铂族金属产地并富集铜镍硫化物上的作用^{[19, 26]}

a—地幔柱上升, 溢出熔岩形成层状火成岩; b-d—Pt, Cr, Ni, Cu成矿作用

Figure 12. Mantle plume and formation of Bushveld layer complex and ΣPt and Cu, Ni sulfides^{[19, 26]}

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图 13. 地幔柱与金矿成因^[29](造山型金矿的形成与地幔流体有关)

Figure 13. The relationship between mantle plume and orogenic gold deposit^[29] (The formation of orogenic gold deposits is related to mantle fluids)

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卢焕章^[20]曾研究过地幔岩石中的熔体和流体包裹体，下面来看一下在金刚石和金伯利岩中的流体和熔体包裹体及其成份。金刚石认为是来自地幔，存在着地幔流体的信息，其主要产于金伯利岩和钾镁煌斑岩中，这些岩石可能来自地幔的岩石圈和软流圈。金刚石中流体的成份代表地幔流体的成份。Klein等^[27]研究了加拿大Diavik矿的金刚石中的流体包裹体，产于纤维状的金刚石之中。他们对7个金刚石中的128个流体包裹体做了研究，其中的流体包裹体成份用K+Na-Ca+Mg+Fe-Si+Al三角相图来表示(图 11)。在这些分析中发现了H₂O、H₂、CO₂、碳酸盐和硅酸盐，并且发现其流体是一种高密度相的流体(HDFs: High density fluids)。Diavik矿金刚石中的流体包裹体可分为三种：①含水的硅酸盐包裹体；②富含Mg、Ca、Fe和K的碳酸盐包裹体；③富含氯化物的水溶液包裹体。运用电子显微镜(TEM)、远红外和EPMSA来分析这些包裹体，发现它们之间的K与Cl呈正比关系，并且发现了高密度流体(HDFs)。这种HDFs的成份介于碳酸岩岩浆和卤水两个端元之间，其流体中的氯化物的含量为47%，硅酸盐为8%，碳酸盐(Mg, Ca, Fe碳酸盐)为31%，H₂O为14%。计算出HDFs的分子式为：

图 11. 地幔金刚石中的流体成份^[27](富Mg、Fe、Ca、Na和K)

符号代表不同金刚石中流体包裹体的成份

Figure 11. Composition of mantle diamond^[27] (rich in Mg, Fe, Ca, Na and K)

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$\begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;{{\rm{K}}_{24}}, \;{\rm{N}}{{\rm{a}}_{16}}, \;{\rm{C}}{{\rm{a}}_{4.4}}, \;{\rm{M}}{{\rm{g}}_{4.2}}, \;{\rm{F}}{{\rm{e}}_{3.7}}, \;{\rm{B}}{{\rm{a}}_{3.9}}, \;{\rm{S}}{{\rm{i}}_{2.9}}\\ {\rm{A}}{{\rm{l}}_{0.9}}{{\rm{O}}_{10}}{\rm{C}}{{\rm{l}}_{38}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_{15}}{\left( {{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}} \right)_{48}} \end{array}$

(1)

Diavik金刚石中流体包裹体的平均组份为：

$\begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;{{\rm{K}}_{26}}{\rm{N}}{{\rm{a}}_{5.5}}{\rm{C}}{{\rm{a}}_{13.8}}{\rm{M}}{{\rm{g}}_{8.3}}{\rm{F}}{{\rm{e}}_{9.6}}{\rm{B}}{{\rm{a}}_{0.9}}{{\rm{P}}_{2.5}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{25}}{\rm{T}}{{\rm{i}}_{1.6}}{\rm{A}}{{\rm{l}}_{3.8}}\\ {\rm{C}}{{\rm{l}}_{2.5}}{{\rm{O}}_{81}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_{29}}{\left( {{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}} \right)_{78}} \end{array}$

(2)

卤水端元的成份为：

$\begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;{{\rm{K}}_{38}}{\rm{N}}{{\rm{a}}_{7.7}}{\rm{M}}{{\rm{g}}_{1.6}}{\rm{F}}{{\rm{e}}_{1.5}}{\rm{B}}{{\rm{a}}_{1.9}}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{3.1}}{\rm{C}}{{\rm{l}}_{46}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_{5.5}}\\ {\left( {{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}} \right)_{56}} \end{array}$

(3)

碳酸盐岩浆端元的成份为：

$\begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;{{\rm{K}}_{15}}{\rm{N}}{{\rm{a}}_{21}}{\rm{C}}{{\rm{a}}_{6.7}}{\rm{M}}{{\rm{g}}_1}{\rm{F}}{{\rm{e}}_{6.2}}{\rm{B}}{{\rm{a}}_{5.7}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{4.8}}{\rm{T}}{{\rm{i}}_{1.4}}{\rm{A}}{{\rm{l}}_{1.9}}{{\rm{O}}_{17}}{\rm{C}}{{\rm{l}}_{29}}\\ {\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_{29}}{\left( {{{\rm{H}}_{{\rm{DA}}}}{\rm{O}}} \right)_{29}} \end{array}$

(4)

金刚石流体包裹体的成份说明存在两个端元即碳酸盐高密度流体和盐水高密度流体。如果把Diavik矿金刚石中172个碳酸盐高密度包裹体的分析数据都投在Si+Al-K-Mg+Fe+Ca+Na(碳酸盐端元组份)三角图上，可见到其数据集中在Mg+Fe+Ca+Na这一端，其次为K这一端，也就是说靠近Mg+Fe+Ca+Na和K这条直线，而把卤水高密度流体的成份投在K-Cl-Mg+Fe+Ca+Na的三角图上(图 11)，则其成份靠近Mg+Fe+Ca+Na和Cl连线这一端。金刚石中的流体包裹体的均一温度测定也取得了进展，落在1000~1300 ℃的温度范围内，相当于压力为4~6 Gpar。

在同一矿物中，例如金刚石、橄榄石中的包裹体在不同地点、不同岩石中的成份和特征是不一样的。这也许反映了地幔流体的不均匀性。另一方面，地幔流体经过漫长的道路(< 100 km)到达近地表，在这一过程中可能与许多流体及岩石发生了相互作用，或者地幔流体本身会发生自交代与分异作用。因此地幔流体的成份可能发生了变化。变成不均匀，这种情况也许能显示出地幔流体的演化历史。地幔岩的流体包裹体证明在地幔流体中存在不混溶性, 在金刚石的高密度流体包裹体存在一个不混溶过程。原始的流体是碳酸盐的高密度流体(CA)，这时碳酸盐/碳酸盐+水的比值大约为0.1，并且估计在碳酸盐硅酸盐岩浆中水的含量为14%左右。这种高密度流体只沉淀出碳酸盐(Carb)，磷灰石(Ap)以及钛酸盐，在这个基础上一个不混溶的流体(IM)形成。实际上这种混溶物是碳酸盐硅酸盐岩浆(SI)与卤水高密度流体(SA)之间的不混溶物。也就是说，碳酸盐硅酸盐岩浆、富硅的高密度流体和富卤化物的高密度流体这三种流体存在于金刚石的流体包裹体中。这种不混溶作用发生在降温过程和地幔流体的自交代作用过程中。综上所述，地幔流体是一个富含CO₂的流体和含碳酸盐的硅酸盐熔体。既有流体又有熔体，前者主要为C-O-H流体(CO₂)，其次为“高密度的卤水”；后者为含水的硅酸盐熔体，碳酸盐熔体和硫化物熔体。

3. 地壳中的流体

地壳是目前看得见摸得着流体的地方。许多人作过地壳流体的研究^{[1, 29-34]}。陆壳和洋壳并非均匀一致。随着扩张速率减缓，地壳组成变得更加复杂。近年来不少深钻完成，对地壳深部的流体有了较多的了解。深层流体(水)是地壳中的流体研究至关重要的对象。目前可通过探水地球卫星，深钻(石油深钻和中国东海深钻)，流体包裹体研究等来探明地壳中流体的成份、物理化学性质和分布。地壳中流体的成分也属于H₂O-“气体(gas)”-“盐(salt)”-熔体(melt)体系。地壳中流体的大规模流动是当前研究的另一个重点, 涉及到流体流动的尺度、速度，流体体系的持续时间，不同地质构造单元和环境中流体的流动等方面。另一个热点是岩浆热液和成矿作用, 涉及到研究岩浆热液的成分与Cu、Mo和Au等矿床成矿作用的关系以及成矿流体等.。

通过对穿越层圈构造中流体的研究，可以了解各层圈(特别是下部层圈)中流体的种类和成分、流动和演化。可以得出从地壳到地幔到核幔边界的流体特征，包括地壳、岩石圈、上地幔、过渡带、下地幔和核幔边界层流体的种类和成分、流动和演化。这是至今为至能鉴定到地球中深部流体的方法。这四个方面的研究是当前地球中流体科学研究的重点，对开展深部找矿有实际意义。

4. 结论

(1) 地球是由层圈组成，各个层圈中均含存不同的流体，探索深部层圈内流体的渠道是通过穿越层圈构造。

(2) 目前已知有三个穿越层圈的构造:①板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造，向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带；②大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造，使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移；③地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造。

(3) 板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造。向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带。这里的流体可用：H₂O-“气体(gas)”-“盐”-熔体来表示。气体=CO₂+CH₄+S₂+N₂；盐=NaCl+CaCl₂，同时也应该包括K盐, Mg盐和Fe盐。

(4) 大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造，使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移。地幔的热对流在大洋中脊上升，岩浆上升后涌出成为玄武岩；海底热液区一般分布在洋中脊和弧后盆地等有岩浆活动的区域，溶解了周围岩层中的化学元素后又从地下喷溢出。

(5) 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造。地幔熔流体不仅含有水，富CO₂同时含有CH₄, CO和大量的硫化物、硅酸盐和碳酸盐熔体；这种流体可以从核幔边界一直到地壳, 并且具有不均一和不混溶性。

(6) 地壳中的流体也是目前研究的重点之一。地壳中流体的成份也属于H₂O-“气体(gas)”-“盐(salt)”-熔体(melt)体系，是研究成矿流体的关键领域。

致谢

本文拙写过程中得到欧光习教授的支持和帮助。尚林波研究员评审了全文，池国祥教授，沈昆研究员，刘斌教授评审了详细摘要，使文章增色不少。陈晨博士帮助绘图。特致谢意。

责任编辑：吴芳

图 1 地球的层圈构造(from depositphoto.com)

Figure 1.

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图 2 地球的层圈构造剖面图(from tex.edu.glogster.com)

Figure 2.

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图 3 地球的穿越层圈构造示意图

Figure 3.

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图 4 板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造(from tex.edu.glogster.com)

Figure 4.

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图 5 大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造和板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造^{[3, 6, 9]}

Figure 5.

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图 6 大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造剖面图^{[5-6, 9]}

Figure 6.

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图 7 大洋中脊的烟囱和溢出的热液(from depositphoto.com)

Figure 7.

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图 8 黑烟囱的剖面和横切面图^[16]

Figure 8.

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图 9 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造^[17]

Figure 9.

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图 10 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造(from depositphoto.com)

Figure 10.

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图 12 地幔柱在形成南非Bushveld层状侵入体和世界上最大的铂族金属产地并富集铜镍硫化物上的作用^{[19, 26]}

Figure 12.

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图 13 地幔柱与金矿成因^[29](造山型金矿的形成与地幔流体有关)

Figure 13.

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图 11 地幔金刚石中的流体成份^[27](富Mg、Fe、Ca、Na和K)

Figure 11.

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1. 流体及层圈构造
2. 地球中穿越层圈构造
2.1 板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造
2.2 大洋中脊的扩张引起的穿越层圈构造
2.3 地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造
3. 地壳中的流体
4. 结论
致谢

地球中的流体和穿越层圈构造

University of Quebec at Chicoutimi, Chicoutimi, QC, G7H 2B1, Canada

作者简介: 卢焕章(1940-), 男, 博士, 加拿大魁北克大学教授。主要从事地球化学, 地球中流体和流体包裹体教学和研究。E-mail:hzlu@uqac.ca