1、流体包裹体及应用,资料来源：,中国科学院地质与地球物理研究所,范宏瑞研究员讲义,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
2、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。,L,S,VS,S,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,
3、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.
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
5、尺寸,9mm,20 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,P,S,原生和次生流体包裹体形成动画效果,P和
6、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
7、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.
8、,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。,A,B,C,D,H2O-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
9、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
10、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 T
11、HMS 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
12、、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 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,流体包裹体地质温度计原理纯水体系PVT相图1.0,0,50,150,350,等容线,L=V,曲线,(g/cc)临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,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1.0,0,50,150,350,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V
13、,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,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1.0,0,50,150,350,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,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1.0,0,50,150,350,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,再持续降温，包裹体内流
14、体将发生进一步收缩气泡将加大1.0,0,50,150,350,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,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1.0,0,50,150,350,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,达到均一温度 (Th)时，包裹体中气泡消失1.0,0,50,150,350,Th,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar
15、,0. 95,等容,线,0.80,0. 6,0,温度 oC,Th 所在的等容线即为包裹体原先降温时所经过的等容线1.0,0,50,150,350,Th,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,继续升温包裹体沿原先的等容线前进1.0,0,50,150,350,Th,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,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)1.0,0,50,150,3
16、50,Th,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,Th和Tt间差值即为压力校正值1.0,0,50,150,350,Th,Tt,Pt,等容线 (g/cc),L=V,曲线,临界点0.5,液相,气相,压力 KBar,0. 95,0.80,0. 6,0,温度 oC,降温后，包裹体内气泡重新出现，Th可以为重复测定1.0,0,50,150,350,Th,Tt,Pt,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
17、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,-100oC,25oC0oC,加热实验动画效果,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC25oC0oC-100oC,均一温度 (Th):,330oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,加热实验
18、,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
19、流体 的含盐度。,H2O-NaCl 体系,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ VIce + NaCl.2H2O + V,L+V,NaCl +L+V,NaCl.2H2O +L+ V,Weight % NaCl,-25-50,0,30,20,10,0,NaCl-H2O体系相图，显示石盐、水石盐、冰、液相和气相的稳定域25,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ VIce + NaCl.2H2O + V,L+V,NaCl +L+V,NaCl.2H2O +L+ V,Weight % NaCl,-25-50,0,30,20,10
20、,0,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25,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ VIce + NaCl.2H2O + V,L+V,NaCl +L+V,NaCl.2H2O +L+ V,Weight % NaCl,-25-50,0,30,20,10,0,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25,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ V,L+V,NaCl +L+V,NaCl.2H2O +L+ V,Tfm,Weight % NaCl,-25Ice + Na
21、Cl.2H2O + V-50,0,30,20,10,0,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”25,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ V,L+V,NaCl +L+V,NaCl.2H2O +L+ V,Tfm,Weight % NaCl,-25Ice + NaCl.2H2O + V-50,0Tm(ice),30,20,10,0,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,Temperature oC,0.1oC,-20.8oC,Ice + L+ V,L+V,NaCl +L+V
22、,NaCl.2H2O +L+ V,Tfm,Weight % NaCl,-25Ice + NaCl.2H2O + V-50,0Tm(ice),30,20,10,0,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,350oC,25oC0oC,-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,350oC,25oC0oC,-100oC,初熔温度 - Tfm,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350
23、oC,25oC0oC,-100oC,350oC,25oC0oC,-100oC,350oC25oC0oC,-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 + 0.000557T3,T = 最后一块冰消失温度 (-21.2 T0 ),低共结点到包晶点温度 (23.2 , 26.3 wt% NaCl),根据水石盐的最终熔化温度，在相应图解曲线上求出NaCl的浓度,过饱和体系(26.3 wt%
24、NaCl),盐度 (wt% NaCl eq) = 26.242 + 0.4928T + 1.42T2 0.223T3 +,0.04129T4 + 0.006295T5 0.001967T6 + 0.0001112T7,T = NaCl 晶体熔化温度 ,H2O-NaCl体系,NaClKClCaCl2 MgCl2 NaCl-KClNaCl-CaCl2 NaCl-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
25、 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,4,3,3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)15.520221.02342t0.05286t2 t 为笼合物熔化温度,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实
26、际过程,30oC 25oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC20oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-28oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-40oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-92oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-82oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-57.7oC,0oC,-120oC
27、,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC0oC-57.0oC,-120oC,CO2冰熔化Tm,CO2,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,-6.5oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程,30oC,5.0oC 0oC,-120oC,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC5.1oC0oC,-120oC,笼合物熔化Tm,calth,H2O-CO2-NaCl包裹体冷冻实验实际过程30oC25.1oC0oC,-120oC,CO2部分均一
28、Th,CO2,H2O-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
29、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,+ve,0,激光拉曼光谱仪,拉曼效应,Laser (single frequency),+ Sample,Spectrum (range of frequency
30、),-1 Frequency (cm ),Rayleigh ScatteringStokesSpectrumAnti-StokesSpectrumMolecular Vibrations,-ve-1Frequency (cm ),拉曼效应,分子振动: 键,矿物,CO2, N2, CH4, H2O SO42-, 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, N2,H2S, C2H6, C3H8,SO2, CO,
31、H2, O2, NH3,等,Intensity,( 石 英 ),1000,1500,2000,2500,3000,CO2 51 mol%,N2 37 mol%,CH4 12 mol%,激光拉曼光谱仪,Frequency(cm-1)流体包裹体中气相,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,3500,4000,frequency (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
32、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 ),200,400,600,800,1000,-1,30m,Q,B,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,
