变质流体作用的同位素地球化学研究

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摘 要：变质流体作用是流体与变质岩之间的重要地质过程，可利用同位素地球化学来记录流体运移过程。同位素地球化学方法研究的主要问题是流体流动规律、流体-岩石间反应和流体来源。通过对变质流体的同位素组成特征研究和国内外变质流体作用的同位素地球化学应用进展分析，得出氢氧同位素对示踪变质流体作用具有重要意义，它可以揭示脉体的生长机制，也可以确定变质流体性质及来源，有助于理解区域变质作用的演化过程与热和流体之间的关系。

关键词：变质流体作用 流体来源 研究进展 氢氧同位素 地球化学

中图分类号：P618.13 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-258-02

变质流体作用是指区域变质作用过程中，在300-600℃的变质温度范围内，活跃于变质体系内，流体与变质岩发生同位素交换的重要地质过程。由于变质流体存在多种来源，可以源于大气降水、海水、同生水或卤水，也可以经岩浆水演化而成，其流体成分相对复杂，常伴有互不混溶的流体水、CO2以及有机物等（尹观等，2009）。这些变质流体通过构造运动或岩浆活动等作用力的驱动，将成矿或生油物质运移聚集起来，形成流体相，使得不同矿物相达到化学和同位素平衡，从而形成金属或非金属矿床以及油气藏。基于此，笔者通过变质流体的同位素组成特点，对国内外的研究应用实例进行剖析，进而揭示变质作用过程中氢和氧同位素交换与变质流体流动的关系。

1 变质流体的同位素组成特征

变质水的同位素组成主要受变质原岩、原始流体的同位素组成，温度，变质岩的化学成分和矿物组成及变质过程中物理化学条件所制约。变质程度愈高，变质水愈相对富重同位素。

变质水同位素组成的主要特征是：

（1）由于同位素分馏系数与温度相关，因为矿物比流体（H2O）贫D富18O，所以低温变质水通常 D值高， 18O值低，而较高温度的变质水具有较低的 D值，较高的 18O值。

（2）受变质源岩的同位素组成的影响大。变质源岩对变质水的 D值的影响不明显，但对 18O影响大；例如变质沉积岩中，变质水的 18O要高于变质火成岩，而在富18O的大理岩中，变质水的 18O值更高。

（3）变质水的 18O值还受来源水的同位素组成影响，通常来源于降水的变质水的 18O值，要比来源于岩浆水的变质水 18O值要低些。

变质流体在渗流的过程中必然存在流体沟道化活动的表现形式，即脉体的产生（郑永飞和陈江峰，2000），也就是所谓的流体包裹体存在的储存场所（卢焕章等，1990，2004）。因此脉体的结构和同位素地球化学特征记录了成脉流体动力学特征，流体的来源及脉体生长过程中的温度间隔等信息，同时对单个脉体的的氢氧同位素不均一性开展一系列的研究，可以揭示脉体的生长机制和流体来源。

2 氢氧同位素在确定变质流体来源中的应用

在变质过程中，特别是区域变质过程，通过借助一些蚀变矿物的氢氧同位素研究来判断变质流体的来源是比较有效的。通过直接测定不含氢、氧组分的矿物中的包体水或由矿物-水的同位素平衡分馏方程计算得到，再根据各种水体的同位素标记特征去厘定变质流体来源（张连昌等，2001）。下面笔者通过国内外应用研究进展来证实在从变质的浅部带到深部带或不同的变质区（带）中，氢氧同位素值之间的差异性，是判断变质流体的来源和性质的最直接最有价值的技术手段。

2.1 国外研究进展

随着稳定同位素激光探针测试技术以及拉光拉曼光谱分析手段的出现，使得变质流体，特别是对脉体中包裹体的同位素测试分析可以在亚毫米级或微米级尺度上完成，这对进一步研究变质流体来源及性质意义重大。比如，Nesbitt and Muehlenbachs （1989）对加拿大科迪勒拉中-新生代变质带内石英脉的稳定同位素进行研究，说明了地壳流体的来源和流动路径特点。Kirschner等（1993）应用激光探针“原位”分析技术对澳大利亚一推覆体中的石英脉进行了氧同位素分析，揭示了脉体的流体性质和来源。

他们的研究结果表明，同位素组成与石英脉的位置有三个重要的关系：（1） 18O值在石英残碎斑晶附近朝中心方向系统减少；（2）缺少次生包裹体的自形石英在脉体中具有最低的 18O值；（3）脉体边缘同位素变化与其邻近围岩具有函数关系，如邻近石英残碎斑晶的脉体边缘 18O值通常大于7‰，而邻近小颗粒基质边缘的 18O值一般小于6‰，这说明了氧同位素的研究结果与石英的破碎-封闭生长基质保持一致，其混合同位素比值与两种石英在分析点所占比例直接相关。因此，邻近破碎斑晶的同位素变化主要是由于主晶石英与新结晶的、有大气降水参与石英不同程度混合的结果。由于氢与氧均属于轻同位素，同位素分馏效应相似，包裹体中氢同位素也存在类似的变化过程，同样还可以指示脉体的温度变化，为确定脉体的流体性质及来源奠定了基础。

2.2 国内研究现状

目前高压-超高压变质作用及其热力学研究已成为确定碰撞造山带形成过程和大地构造体系的重要内容（徐学纯，1996），其研究意义在于阐明流体的流动机制、元素迁移规律、水岩相互作用和流体来源。国内专家学者研究较为广泛的是位于苏鲁超哥压变质带南部的东海地区的中国大陆科学钻探工程（CCSD）主孔。该钻孔0～2050m井段钻遇的岩石主要是榴辉岩、正片麻岩、副片麻岩和石榴石橄榄岩。张泽明等（2004）对钻孔岩心矿物进行了激光原位氧同位素研究表明，变质矿物的 18O值具有显著的不均一性，从-6.8‰变化至+7.5‰。空间上看，从近地表至1000m深处 18O值逐渐降低，向更深处又逐渐升高。位于钻孔1100～1600m深度间的正片麻岩，原岩是新元古代花岗岩体，该岩体的侵人为表壳岩与低氧同位素大气降水之间的水一岩交换作用提供了热源，并导致岩体附近的围岩发生了强烈的水一岩蚀变，因会有有很低的氧同位素值。研究还显示，在厘米尺度内，大多数超高压变质矿物之间具有平衡的氧同位素组成，所获得的超高压峰期变质温度与矿物之间的主元素交换温度计获得的结果基本相同，而超高压变形与变质分异、高压退变质作用及其伴生的局部流体活动可能会造成超高压变质矿物氧同位素不平衡。最后得到超高压变质岩原岩有异常低氧同位素组成特征，并且在大陆板块的俯冲与折返过程中得以较好保存，在超高压变质前期、同期和后期均没有发生大规模的透入性流体活动；与围岩呈构造接触关系的石榴石橄榄岩具有正常地幔岩的氧同位素成分，它很可能是构造侵位到俯冲带之间的地幔楔状体，并不具有与表壳岩相同的前超高压变质历史。

随着对CCSD研究的深入和测试技术的发展，人们开始对变质岩中存在的石英脉体，特别是单个矿物或者流体包裹体产生浓厚的兴趣，也弥补了在确定变质流体来源中对石英脉中流体包裹体的研究不足。徐莉等（2006）选取CCSD主孔100～4200m HP-UHP变质岩中具有代表性的14个石英脉样品和东海出露地表的若干样品，通过激光拉曼光谱和MAT251来分析其存在的包裹体类型及氢氧同位素组成特征。据流体包裹体 D- 18O同位素测定结果证实，CCSD中石英脉具有较稳定的氢同位素和相对较低且变化较大的氧同位素组成，说明石英脉继承了来源于不同变质岩的 18O组成。而CCSD变质源岩在俯冲前与大气降水间的水岩作用受到局部侵入岩所带来的高温和构造空间的制约，在纵向分布上存在若干极低的 18O值，但石英脉的 18O变化特点与变质岩或围岩变质矿物的 18O组成变化保持一致，说明石英脉与其他变质矿物一样经历了类似的变质作用过程。同时CCSD中石英脉与东海地表石英脉的 D- 18O同位素值不均一性的分布规律，说明了HP-UHP变质岩在板块折返和后退变质过程中释放出的流体流动范围有限，未经历大规模的运移，成因基本相同，主要形成于晚三叠世。

3 结论

（1）在形成流体相的过程中，起主导作用的是水，通过对变质岩中的含水矿物的氢氧同位素研究，必然可以判断出变质流体的来源，因为不同来源流体有不同的氢氧同位素组成特征，在渗流过程中对变质岩的同位素组成影响也不同，同时脉体中流体包裹体的氢氧同位素存在明显的不均一性，可以揭示脉体的生长机制和流体来源。

（2）目前国外研究重点在于对变质带石英脉的包裹体中氢氧同位素组成特征分析，据脉体同位素组成与围岩之间建立函数关系，可以推测石英脉的生长温度以及流体来源，进而得到变质源岩与流体间存在的相关性；而国内主要集中于对俯冲带高压-超高压变质流体的流动机制、元素迁移规律、水岩相互作用和流体来源等研究，通过脉体中矿物与流体包裹体以及围岩的氢氧同位素对比，来说明石英脉与变质矿物均经历了类似的变质过程，石英脉继承了不同来源的变质流体的同位素组成特点，石英脉的 D- 18O同位素值是否具有均一性，将对研究变质作用过程中流体流动的范围和规模以及成因等具有非常重要地意义。

（基金项目：受国家自然科学基金项目（批准号：41103025 ）的资助）

参考文献：

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