[科普中国]-溶解成岩作用

溶解与交代作用

在变质作用过程中。除H2O和CO2等活动组分的含量经常发生变化外，随着作用的加强，原岩中一般造岩组分的含量也可以有不同程度的变化。长期研究已证明原岩化学成份这种变化，主要不是简单的由于某些组份从外部加入，而是一种复杂的物质置换，称为交代作用，这是一种分部很广的而且重要的成岩和成矿作用。交代作用（Metasomatism）这一名词是诺曼（C.Naumann）在十八世纪中叶首次提出来的用以指“一种能使固体岩石总化学成分改变的作用”而将该变后的岩石称为交代岩。后来的哥尔德斯密特、林格伦、柯尔仁斯基给予交代作用各种定义，综合这些学者观点，对交代作用的概念的一般理解是：

（1）交代作用是一种机理复杂的成岩和成矿作用，它在自然界分布很广，可以在多种地质环境中和不同地质作用相联系。

（2）交代作用过程中，必需有一定数量的组分从外部代入岩石中，并在其中富集，另一些组分则被带出，结果使岩石总化学成分发生不同程度改变。

（3）交代作用过程中，岩石中原有矿物的分解消失和新矿物的形成和增长基本同时，是一中物质逐渐置换的过程，而不是注入填充过程。

（4）交代作用过程中，岩石基本保持固态（刚性或），但少量流体相得存在石十分必要的。实验表明在干的环境中，交代作用很难大规模进行。

（5）交代作用过程中，岩石总体体基本不变，即交代作用反应的过程即遵守质量守恒规律，有必需体体守恒。因此，反应过程机理十分复杂。但特殊条件下。交代过程中的体积也不是完全不变的。1

组分的迁移交代作用的发展很大程度上决定组分的迁移速度，只有加入组分不断供应，而代出组分又能及时离开岩石—溶液系统，交代作用才能不断的以一定速度进行，所以组分迁移的方式和速度是决定交代作用的强度和特点的主要因素之一。一般认为在发生交代作用的情况下，引起交代作用的各种活动组分是“浸润”整个被交代的岩石，但另一方面后者又仍是连续的固态结晶质集合体。活动组分穿越它们进行迁移的方式主要有两种①渗透作用，②扩散作用。一般认为前者更为重要，能引起较大规模的交代现象。但一般情况下，这两种作用常以不同方式互相联系，仅有主次之分。

（一）渗透作用

当固体岩石中存在毛细管状态的粒间孔隙和裂隙，且它们彼此连通时，溶液就对岩石具有渗透性。即以水为主的流体溶液能以宏观状态在这些毛细管道中整体的自由流动。即它们形成弥漫岩石的渗透流。各种组分在其中成真溶液或胶体状态同时被搬运。地下水及其所含组分在胶体和压缩不很紧密的岩层中流通就是这种方式的典型实例。

这种流体溶液的整体流动必需存在一定的压力差作为他们的驱动力，如占据岩石裂隙的流体溶液在各出和各方向上所受压力完全相同，则它们处于静止状态，不会有任何流动。只有各出所受压力不同时，它们在压力差驱使下，才能由压力高处向压力低处流动，当其它条件相同时，两点间压力差愈大，渗透流的速度就愈大。由于溶解其中的组分随着渗透流的运动而同时被搬运，不受本身在溶液中的浓度控制，所以他们可以使某些组分由低浓度处向高浓度的方向迁移，这对于形成一些特征的交代现象极关重要。

其次渗透流的速度还和流体溶液本身的密度、粘度及通道的宽度和形态等因素有关，当这些通道较宽，形态较规则，流体溶液粘度又小时，则总的阻力就小，溶液流动速度较大，反之如阻力极大时，则虽两处存在一定压力差，也不会有明显的渗透流出现。一般来说水溶液的密度和粘度都较小，特别是当高温情况下更是如此，它们具有较高的渗透能力，所以能较远距离大量搬运组分，引起大规模交代作用。

对于许多矿体的成因，气成-热液蚀变及较浅部的区域变质作用来说，水溶液渗透流的重要意义已毋庸置疑，但在地壳深部，已重结晶岩层中，基本上不存在连通的裂隙，它们对于以水为主的渗透流可能是“绝缘的”，水在其中含量很少，除被封闭在矿物中成包体之外，只能以单个H2O分子形成吸附在矿体颗粒表面成薄膜水，不能自由移动。在这样的岩石中也存在广泛的交代作用。这过程中组分的搬运是否仍以渗透流方式为主，还存在争论，但总的来说多数学者仍把渗透作用视为组分迁移的主要方式。

（二）扩散作用

这中迁移方式的特点是岩石向一种半渗透膜，各种组分以单个原子、离子或分子状态能在其中通过，但溶液本身不能在其中流动，这时引起组分迁移的驱动力是他们在不同部位的浓度差，即由浓度大的部位向浓度小的部为移动，但在相同的外部条件下，岩石中不同组分的浓度在空间上变化可以不同，所以他们各自扩散的方向和速度也可不同，如一定条件下钾离子向某一方向扩散，钠离子也可向反方向扩散，而钙或其它组分也可以向另一方向扩散，实验证明在均匀理想的溶液中，某一组分在量部位之间浓度差愈大时则但位时间内通过扩散方式迁移的物质也愈多，即扩散作用愈强烈，随着浓度差的减小，扩散速度逐渐降低，当两部位的浓度差趋近于相同时，则扩散作用完全停止。一般岩石的变质作用是在非均匀系统中进行的，所以影响扩散作用的因素也相当的复杂。实验证明在完全不含挥发份的干系统中，任何组分的扩散速度都极慢，距离也极有限，一般认为在长达几千万年的变质作用过程中，这种物质迁移方式也只能引起宽度不超过几米的交代带，所以没有实际意义。因为成离子或分子状态的质点在干介质中要穿透矿物晶格或沿颗粒界面进行迁移时，遇到的阻力很大，所以通过很缓慢，而且只有离子半径小，电价低的元素才稍易通过，而当矿物颗粒之间存在少量溶液时，就大大有利于质点迁移。。从而增加扩散作用的速度和距离。其次扩散作用还和温度有密切的关系，其它条件相同时，温度愈高扩散效应越明显，这是因为文度升高，供应热量，单位时间内进入活化状态的质点数量相对增加，所以扩散作用的速度随着成倍增大，压力对扩散作用也有一定影响，在深部岩层中静压力增加一般来说是有利于扩散作用进行的。扩散作用在自然界较常见，但一般人为这种方式只能形成小规模的交代岩，或在渗透交代作用过程中起次要辅助作用，有些学者认为扩散作用是交代作用过程中组分迁移的主要方式，特别是大规模的深部区域性混合岩化作用和花岗质岩石成因都以这种方式为主。

矿物成分变化当流体溶液由于压力差驱使在岩石中渗透时，随着物化环境和介质条件的改变必然和岩石中原有矿物起某些化学反应，将其中某些组分部分或全不溶解并带离原地，同时另一些组分则从运动着的溶液带入并沉淀，结果使原有矿物的化学成分改变或形成新矿物。如含有Na+的溶液在一定条件下和岩石中的钾长石发生作用，可将其中的K+部分或全部溶解并带出，而Na+则从溶液中沉淀取代K+的位置和其余组分结合成钠长石，这中反应关系可定性的表示如下：

Na+ + KAlSi3O8→ NaAlSi3O8 + K+

(带入) 钾长石 钠长石 （带出）

这就出现钠长石化作用，还有些情况下岩石中某些矿物的全部组分被溶解带出，它们的空间完全被另一些从溶液中沉淀出来的组分置换，从而形成新的矿物，如某些石灰岩矿化时，方解石全不被硫化物置换等等。

在交代反应过程中，哪些组分能被溶解，从各种矿物中转入溶液中，哪些组分相反会从溶液中沉淀出来进入新矿物中，主要决定他们各自当时在溶液中的饱和程度，不饱和的组分从原有矿物被溶解，相反过饱和的从溶液中沉淀出来转入新矿物中。如上述实例中，钠长石化的必要条件是当溶液中Na+的浓度为过饱和状态，而K+的浓度必需小于一定数值，程不饱和状态，符合这种特点时，钠对钾的交代作用变会开始发生，但若溶液中钠的浓度愈大，则达到平衡时成碱性长石中Na+∕K+比值也愈高。当Na+数值高到另一种临界数值时，则形成另一种完全不含钾的长石—钠长石。这说明对于多数有类质同象的组分矿物来说，当溶液中这种组分之一的浓度增大到一定程度时，离子之间变开始发生交代置换，，如溶液中这种组分浓度增大，则和溶液成平衡的新矿物中这种组分的相对含量也增大，这种相应的变化是连续的，但并不出现新的矿物，只有当这种组分在溶液中的浓度超过某一新的临界数值时，才引起另一种新矿物相得出现。

被交代岩石中新矿物的形成一般也经过结晶中心的形成及晶体逐渐增长的过程，即交代结晶作用。这和一般变质结晶作用很相似，都一粒间溶液为媒介。在化学反应过程中原有矿物逐渐消失，同时新矿物不断增长。所不同的只是交代作用过程中有组分带入和带出。使岩石的总化学成分也发生变化。经过这样交代结晶作用 后，原岩结构不能完全保持不变，如由变粒岩变成混合花岗岩时，不仅矿物和化学成分发生变化，同时还将原来的细均粒变晶结构改造成较粗粒花岗状结构。另一种情况下，交代反应是通过原有矿物中某些组分的质点逐一被置换而进行，最后可形成原有矿物的假象，如绿泥石成黑云母假象，绢云母集合体成红柱石假象及成矿作用过程中硫化物构成石灰岩中鲕状结构假象等等。这种情况下，原岩结构的到充分保存。引起这种差别的原因还不十分清楚。1

影响因素砂岩中矿物的溶解和沉淀主要与孔隙水中有机酸和碳酸的浓度及CO2浓度有关。同时也受地温和其他物理化学因素控制。

在成岩环境中，碎屑岩储层中的无机成岩作用与烃源岩的有机成岩作用有密切关系，二者相互促进，影响许多成岩作用的发展及成岩阶段的演化。研究表明，沉积物中的有机质在埋藏成岩阶段能产生大量有机酸，温度低于80℃，有机酸含量低；温度高于80℃，油田水中有机酸的含量呈指数增加；温度高于120℃时，有机酸将发生脱羧或部分脱羧作用。有机酸脱羧产生CO2控制了水溶液的pH值，使之有利于溶蚀作用进行，如果产生羧酸的高峰期略早于液态烃的生成时间，那么流经烃源岩临近砂层的羧酸可引起碳酸盐、铝硅酸盐的溶蚀，促使次生孔隙发育，提高储层的孔隙度和渗透率。1