氢的地球化学<br/>——幔汁氢化迁移律

氢的地球化学
——幔汁氢化迁移律

2014-08-07杜乐天

铀矿地质 2014年2期

关键词：氢化乐天铀矿

杜乐天

(核工业北京地质研究院，北京100029)

氢的地球化学
——幔汁氢化迁移律

杜乐天

(核工业北京地质研究院，北京100029)

氢乃是自然界中最小、最轻、迁移最快、反应能最强的气相元素。笔者(1989)曾经提出，氢主要储存于外地核液态铁之中[1]，其在巨大的压力梯度、温度梯度、质量梯度及黏度梯度中自发向上、强力喷射，构成了最伟大的地球内动因。本文系统探讨了氢的种种地球化学特性，特别是氢流对地球深部物质成分氢化迁移的特殊功能。

氢地球化学；氢型幔汁(H-HACONS)；幔汁氢化迁移

众所周知，地壳由岩石组成，岩石由矿物组成(矿石也是岩石，只不过其中的某些成分达到工业利用的要求)；矿物则由元素及化合物组成。中外学界几百年来着重研究的是岩石、矿物这两个层次，对元素这一层次虽然也有触及，但深度远远不够，存在很多理论空白。特别是过去对氢的研究几乎无人问津，殊不知氢的地球化学乃是今后整个地球科学发展中最重要、最有可能取得重大发现的一个学术前缘！过去学界认为：①岩浆只能来源于岩浆房；②热液只能由岩浆分异所产生。笔者的研究证明，这两个基本原理是有问题的。岩浆和热液二者都是来自幔汁(HACONS超临界态流体)与岩石的反应，而幔汁则来自外地核极其强大的氢流(H+、H、H2)，这是当代地球科学面临的根本性概念更新。地壳和地幔实质上可视为地球上固化的氧圈(Goldschmidt,1954；杜乐天，1984)，此中的氧含量比大气圈中的氧多得多，其氧原子数占全岩的61%；氧离子半径又特别大(1.33Å)，故可占全岩体积的90%以上，可以说，到处有氧。地壳主要是铝硅酸盐类；上地幔是硅酸盐类(橄榄石类为主)；中下地幔是氧化物类[方镁石(MgO)、方铁矿(FeO)]。尽管岩石和矿物多达千百种，彼此可以有无数的变异、转化、重组，但却有一个基本不变的规律——氧不用动原理(待另文详述)(部分O2-被S2-、F-、Cl-取代或发生氧同位素变动将另行讨论)。本文意在强调，地球深部物质成分在既非岩浆、又非热液的环境中全是呈氢化物气体形式迁移的。

1 问题的提出

(1)岩石化学为何普遍用元素的氧化物形式表示？而且重量之和必须是100%？此种习惯有很多值得再思考之处：

① 岩石中辉石、长石、云母以及黏土矿物等全是铝硅酸盐，并不是氧化物；

② 岩石中普遍存在单体元素，如C、Fe、Si、Ni等，它们不是氧化物；

③ 矿物中的OH-和H2O不宜混同，OH-不是水，然而岩石化学分析结果却全以H2O+表示；

④ 沉积岩和火成岩中有单体C或者石墨的存在，分析结果却以CO2形式给出；

⑤ 更值得深追的是岩石化学习惯于把氧化物形式作为迁移活动的基本单元，好像这些元素都是以氧化物形式迁移(带出、带入)。例如，碳酸盐类岩石的硅化往往以下列反应式表达：

其实，硅化反应根本不需要氧(O)的带出带入，只要把Si4+带入和C4+带出即可。

总的来看，无论是岩石还是矿石、矿物，其物质成分的固定形式并不等于其迁移形式。可以认为，这是一条很重要的定理。

(2)热液成矿中，铀(U)究竟是如何迁移带入的？

多年来，铀矿物总是用氧化物表示，如晶质铀矿(UO2)、沥青铀矿(nUO2·mUO3或U3O8)，这只是其固定形式，肯定不是其迁移形式。其迁移形式往往牵强地用UF6、[UO2(CO3)2]2-来解释[2]，但这种认识是有问题的。1961年，笔者在下庄铀矿田的大帽峰矿床坑口见到宽达20～30cm的沥青铀矿矿块，其中并不见萤石或方解石存在，黄铁矿也很少(用黄铁矿、H2S还原成矿解释不通)；矿体旁也不见赤铁矿(红化)，反而是强高岭土化(白色)。此矿块中U含量可以高到50%～60%，富集度高达一二十万倍！铀元素这么富集到底是怎么集结的？

(3)含铀碳硅泥岩系中为何总是有几十种非逻辑共生元素呈现几倍到几万倍的特殊富集？

在地学界早已熟知，世界上碳硅泥岩系(以前称为黑色页岩系或黑色碳质岩系)从新太古-元古界-古生界一直到近代地层中总是富集几十种微量元素，如U、Ni、Co、Cr、V、Zn、Pb、Cu、Fe、Pt、REE、Tl、Hg、As、Sb、Ti、Au、Ag、Cd、W、Mo、Re、P、Se、Te等[3-6]。如此众多的元素群集，其地球化学性质彼此相当悬殊，亲硫者不会亲氧，反之亦然；有的是酸性岩成分，有的是超基性岩成分，居然同时迁移而且是几十到几万倍的特殊富集，这在成因上极难解释。如果说是生物富集，又和沉积环境是强还原和缺氧相矛盾，水体中存在很多剧毒成分，如F、Pb、Tl、As、Hg等。对于上述这种非常奇特的几十种金属、非金属元素组合，笔者称之为非逻辑组合、非逻辑共生和非逻辑共迁移。多年来，大量文献只好用海底喷流、Sedex、海底热烟囱等进行解释，但并未回答这几十种元素在喷流中是如何共同迁移的。

(4)石油中为何也同样高达几到几万倍地富集几十种非逻辑组合元素？

多年来被认为是生物成因的石油中，奇怪地普遍富含许多种金属元素。郭占谦(2000)曾就此专门分析了石油中的微量元素[7]。辽河油田重油发电后油灰中的Ni含量为7%(朱建华，1992)；库页岛重油油灰中Ni含量高达14%；胜利油田重油中含Au高达(1～2)×10-6(林清，1990)。地学界多数人认为，超大型金属矿床都是热液矿床。实际上，油藏富集的金属量要大很多倍，例如1Gt石油中就可能同时有105t铀、103t金、3×106t镍、5×104t硒、200t铼……。当然，这是极而言之，具体油藏有具体的情况。

2002年，笔者在研究鄂尔多斯可地浸砂岩型铀矿时就怀疑其铀源不是来自外围岩体的风化，铀成矿主要是地层(原油层)对铀等元素的原始预富集。因此，选择北方一些油田对其石油中的58种微量元素含量进行分析，发现其中一大批非逻辑共迁移元素的富集(杜乐天等，2003)[8]。欧光习(2003)专门分析了同一石油样品中油和水的元素含量，发现非逻辑共迁移元素主要富集在油中而不在共存的水之中[9]。这表明非逻辑共生元素并不是在水溶液中迁移。值得指出的是，石油中特殊富集非逻辑共生元素和碳硅泥岩的元素富集情况完全相同，表明二者在形成上有继承性，碳硅泥岩实为油藏的母岩。在石油形成时，还会有深部流体带入众多元素群。石油中富集很多元素在俄罗斯、美国也有测定结果报道。笔者通过地球排气作用的多年探索发现，地球排气同时向上还喷盐、喷碱、喷硝、喷膏(杜乐天，2002)[10]。世界各地油气田全是盐碱地，还有大量热卤水。各大洋海底黑白烟囱喷出大量盐类和石膏。

(5)多年来，已知中亚、美国和中国的可地浸砂岩型铀矿总是奇怪地出现U-Se-Re-Mo-V-P-Ti等非逻辑共生元素组合富集，至今尚未有合理的解释。过去曾有火山灰、盆外陆源风化供给之说，但均未被证实。现在看来，砂岩型铀矿实际上是来自含铀母岩(油气岩系)的遗传。对此笔者有以下两点不同于过去的理论解释：

① 地层中成矿的铀源实际上是来自古油藏石油中预富集的铀，而不是主要来自于盆地外围高山岩体的风化铀(杜乐天等，2002、2007)[8,9]。鄂尔多斯盆地孙家梁、皂火壕砂岩型铀矿床的直罗组砂岩普遍有油气荧光显示，其中有地沥青斑点和细脉(实为油珠、油脉的风化残留物)。直罗组未受氧化的地层岩石中，铀含量高达(1～100)×10-6。

② 使铀富集的主要不是地层岩石中的植物残体、草莓状黄铁矿、白铁矿和黏土吸附，或者地层压实作用挤出的卤水等，而是沿断裂上升的还原性气体(原红层变为灰色褪色层)。这种还原性气体过去认为是CH4和H2S。然而，这些气体(无论是油气还是煤层气)的还原能力都不强。鉴于成矿(矿物)几乎全是还原彻底的四价铀(铀石)，而非既有四价铀也有大量六价铀的沥青铀矿，因此更重要的还原剂应是来自深部的氢流(H+、H、H2)和一氧化碳(CO)。反应后前者变成H2O而消失，后者变成碳酸盐沉淀。鄂尔多斯盆地从北到南，从东到西砂岩中的胶结物几乎全是碳酸盐，这表明深部大规模向上排放H2、CO、CH4。石油界早已确认，鄂尔多斯盆地是全盆地向上排气。

值得特别指出，美国砂岩型铀矿分布区和油气区居然大部分重叠(图1)(杜乐天，2006)[11]。中亚地区的砂岩型铀矿分布区也是油气区，该区地层岩石中广泛发育地沥青，并与铀紧密共生。总之，在自然界存在一个前后继承的演化序列：碳硅泥岩系→油气层→砂岩型铀矿。此三者都很规律地富集铀，并且富集几十种元素。

图1 美国砂岩型铀矿主要产地(编号)及陆地油气区分布示意图[11]Fig.1 Distribution of sandstone host uranium mineralization cluster and oil-gas field in Americ

东胜砂岩型铀矿床之西，近年又发现了大营铀矿床。虽然铀矿产于煤矿区，但此区仍然是区域性鄂尔多斯大油气区的组成部分，成矿类型仍然属于可地浸砂岩型铀矿。目前的研究表明，煤层气在铀富集中的作用究竟有多大尚须再加斟酌(煤层气的量和其还原强度与深部强大的氢流相比较，可以说是微不足道)。事实上，不只是煤层上方有铀矿，油田地层之上也同样发育有铀矿。

另外，现在美国大力宣传所谓的页岩气、页岩油革命，其实在成矿理论上没有新意。实质上，它和煤层气、煤层油都属于同一成因类型。无论是油气、煤气、页岩气都是氢型幔汁的氢化成因(杜乐天，2007)。氢气(H+、H、H2)是自然界极其强力夺碳而气化的能手，它可以轻而易举地从任何含碳化合物，不论是生物遗体还是复杂的有机质(如腐植酸、干酪根等)夺碳变成CH4及其他烃类而大规模迁移。过去地学界一直搞不清楚氢究竟从何而来，现在有了氢型幔汁的概念，可以较好地回答这个疑难问题(氢型幔汁就是来自地核的巨大氢流)。氢原子、分子极小而轻(更不用说H+的等离子气流)，其扩散速度比大分子CH4、H2S快得多，故总是处于气流的最前锋，其压力又极大，为数千数万大气压；存在量也比CH4、H2S多得不可比拟，从2900km的外地核只要几小时即可喷涌到地表浅处(杜乐天，2009)[12]。

(6)众所周知，花岗伟晶岩中同样也经常有Li、Rb、Cs、K、Na、Be、REE、U、Th、Zr、Nb、Ta等元素高度富集。陕南的陈家庄、光石沟，以及非洲纳米比亚等地均有详细研究。地学界早已证明，伟晶岩形成温度在500～600℃，它既不可能是热液形成的，又因温度达不到岩浆的温度，因此排除了岩浆迁移的可能性，所以至今将其归为气成成因。这也表明了上述元素群是气迁移的。伟晶岩的前身应是富铀碳硅泥岩系的幔汁等势碱交代产物。

(7)金伯利岩中除了产出金刚石(深部无机碳)，还有其他自然元素单质和其金属互化物矿物(表1)[13]。这些单质和互化物从何而来？也是中外学界长期未能解决的问题。

表1 华北金伯利岩自然元素和互化物(%)(据赵磊，1993)Table 1 Native elements and interhalogen compounds in the Kimberlite,North China

(8)地幔橄榄岩中早已发现地壳中从来不见的奇特矿物，例如：Scherbakovite(Na，K(Ba)Ti2Si4O14)、Freudenfergite(Na2Fe2Ti6O16)和Mathiasite(AM21O38)(A为大阳离子，如K+、Ba2+等；M为小阳离子，如Ti、Fe、Mn、V、Cr、Nb、Zr等)(Haggerty，1987)。

这些所谓的矿物，严格地说不算矿物，顶多是似矿物。一个矿物晶胞中的大阴离子(O2-)数居然多达14～38，阳离子也有一二十个，其结晶格架如何有序排列仍是一个复杂的问题。笔者认为，此等元素群应是以气相迁移和无序的机械堆垒，然后与氧结合而成的复杂氧化物。

在研究浙江西垄玄武岩地幔捕虏体二辉橄榄岩时发现，其中的石榴石混浊晶体中有不少自然铁合金的球形微粒(2～9μm)，分析结果见表2[14]。

表2 浙江西垄地幔岩石榴石中的自然铁合金颗粒成分(%)Table 2 Grain composition of native ferroalloys in thegarnet from mantle rock in Xilong , Zhejiang, China

表2中每个颗粒都是一批零价元素Fe、Ni、Cr、Si、Ca、Al的合金。此中既无岩浆，又无热液，推测这些金属元素只能是以气化物形式迁移，或就地从石榴石矿物中还原解键而生。

近些年来，国内、外对地幔岩捕虏体中的熔体玻璃有广泛的研究，发现其中有大量Na、K、Si、Al的带入。例如在浙江西垄二辉橄榄岩斜方辉石不一致熔融产生的浆胞玻璃中，探针测得K2O含量高达16%，Al2O3、SiO2也分别高达19%和65%，气体成分也占5%以上[31]。这是极不寻常的现象，因为正常情况下斜方辉石属于无碱矿物，应该不含K、Na，而Al2O3、SiO2含量也应低得多(分别为6%和53%)。这么多的元素带入，既非借助热液又非岩浆(此熔体玻璃产生于大约60km深部，而且是在玄武岩浆之前)，它们究竟呈何种形式带入至今是一个悬案。

(9)在地幔捕虏岩研究中，多年前就已发现所谓的“亏损地幔”和“富化地幔”。前者是一大批不相容元素向外排出；后者是一大批不相容元素带入。究竟这几十种微量、常量元素是怎样带出、带入迁移的，多年来也是一个悬案。

(10)以往地学界对热液矿床矿石中的自然元素(单质)存在不够重视，其实是很普遍的现象。Новгарадова(1983)详细研究了金属矿石中零价态的Mg、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Zn、Cr、Cd等[15]，并指出是深部氢气迁移的结果。Петровская(1977)指出，Au微粒中有微米和毫米级空洞，其中气体压力达(5198～8336)×104Pa。

(11)近代地球化学深穿透(Deep Penetrating)研究也早已证明，气流可以从地球深部向上带出自然金属超微颗粒。例如，王学求等(2011)发现以下自然金属纳米级微球粒：Al、Ca、P、Cu、Fe、Au、Cr、Mn等[16]。这些微粒不可能是以水溶液方式迁移的。А.Е.Лукин(2008)报道，油气中富集几十种自然金属、碳化物、硅化物微粒，它们可以视为超深流体上喷的示踪剂[17]。另外，还有学者在矿体地表上发现许多纳米级Fe、Ti自然金属合金微粒(具陨硫铁结构，其形成温度约2000～3000℃)。尹金双(1990)通过地球化学分量测定，也证明矿质微粒可以随气流向上迁移[18]。

综上所述，在元素迁移问题上，目前还存在很多疑点。

2 地球排氢作用——新命题的提出及认识过程

地球排气作用是当代地球化学最重要的研究前沿。事实上，早在1959年，苏联的维诺格拉多夫(A.П.Виноградов)院士在其所作的“地球化学演化”报告中就体现了这一学术思想。上世纪60年代，笔者在下庄铀矿田工作时，对硅化带进行了深入研究，思考硅元素的氢化迁移问题，并结合铀矿地质实际，把地球排气理论进一步深化提高，终于在1987年发展成为幔汁(HACONS)理论。1995年又撰写了“地球排氢作用”一文[19]，提出了以下新命题：

(1)氢是幔汁最重要的组份，越向地球深部作用越大。地壳中和大气圈的气体主要成分是N2、O2、CO2，而上地幔的气体主要是烃类；中下地幔和地核则主要是H+、H、H2和氢化物。

(2)自然界有很多本来不易迁移的元素，一旦形成氢化物，则可高度挥发，例如Si呈硅烷(SiH4)、C呈碳烷(CH4)、Ge呈锗烷(GeH4)。在云南发现的特大型锗矿(与铀伴生)可能就是锗烷形成的。

(3)地球深部许多金属、非金属均以氢化物形式迁移，例如碱金属氢化物NaH、KH、LiH等。这类化合物都有人工合成制品，它们遇水(H2O)就会发生爆炸。

(4)原子氢(H)、分子氢(H2)，特别是氢的正离子(H+，即质子)具有极强的打断其他化合物化学键的功能。由此可以解释地幔、地壳中到处存在的种种零价自然元素(单质及金属互化物)(MH→M+H↑)。

(5)重大的自然灾害，如地震、火山、森林大火、厄尔尼诺现象等的发生和出现，都和地球排气(排氢)作用有密切关系。大地震是深部强大的H气流(H+、H、H2)通过气裂、气劈、气胀、顶拱作用而使上覆岩块断开，从而引发地震。

迄今为止，国内外已发表了大批有关氢的地球化学问题的文献[20-25]，特别是关于地幔岩金刚石中发现氢谱[24]，以及众多地幔岩矿物晶格中OH-的发现[21]，证明地幔氢的存在。

上述反应中，SiH4的H-和H2O中的H+化合成中性分子H2，在化学中称之为归中反应(中是指中性)。

3 氢元素的重要性

氢(H)——这一最不起眼、最不引人注意的化学元素，竟然具有诸多难以想象、巨大的特殊地球化学和地球物理功能，在地球动力学中起着举足轻重的作用。下面将详细地从16个方面来解释：

(1)小小的氢离子(H+)、原子(H)、分子(H2)能把无限的氧(O)化合成为地球上无限的水(H2O)，形成现在的海洋、极冰、江、湖、地下水等整个地球的水圈。氢来自地核巨量外排的强大氢流，其压力几百万巴，温度高达4000℃，46亿年来一直在不断地向外排放。学界早已熟知，地球两极的极光就是大量氢等离子体流喷射的结果。

(2)地核中的H+、H、H2向上形成氢型幔汁，通过极其强大的热能、化学反应能产生了地球上的岩浆、热液、大地构造运动和地壳[12]。岩浆和热液均为幔汁通过氢化而成浆、成液。地壳主要成分是Si、Al(所以称为硅铝壳)，而硅、铝正是被强大的氢型幔汁所携带(呈SiH4、AlH3，二者都呈气态)向上排放，最终成为组成地壳的铝硅酸盐矿物和岩石。

英国Menzies(1987)等编撰的Mantle Metasomatism一书中指出，岩浆来自地幔的交代作用，而交代剂是地幔流体[26]。这在当时是很重要的理论创新。该理论彻底推翻了岩浆是由单纯的热流或者放射性元素衰变热流加热形成的错误观点。不过，当时提出的地幔流体成分还比较笼统，尚须进一步深入研究。笔者认为，其中的主成分是氢和钠、钾。

(3)没有氢，哪里来的天然气(CH4及其他烃类)和石油？其中的氢原子数比碳(C)原子数还多(石油中氢和碳的原子数比值是1.8)。氢有极强的夺碳气化功能，在工业上借氢流可以使金属部件去碳杂质加以纯化。许多油气田的钻井气流中都存在大量的H2，可惜不被注意。现在看来，地球上的煤、石油、天然气以及岩石和地层中的碳质，基本上都是氢型幔汁中的H+、H、H2流对深部碳加以气化而带上来的。可以这么说，以往的生物成因说只是表面看问题，应该加以彻底怀疑。

近些年的研究进展(例如费托反应以及一系列高压实验新成果)证明：生物遗体降解只能形成CH4(C1)，不可能形成高碳烷(C2、C3、C4、C5等)。后者只有在地球深部高压、高温条件下生成。多年来，地学界总认为天然气只能从生物、石油、煤、油页岩等生成，故称之为油气、煤成(层)气、页岩气。现在看来，这是一种误解。恰恰相反，石油、煤、页岩中的气主要来自深部，就连油层、煤层、页岩层本身的碳也是深部氢气流带上来的。它们在自然界存在以下垂直分带(图2)：

图2 地球中氢流的演化及垂直迁移和分带Fig.2 Vertical migration and zonation of hydrogen flow in the Earth

天然气储和油储完全不同。气藏的形成期都很新(几千年甚至几百年)，油井、气井枯竭几十年后又会重新焕发生机。古气藏中的天然气在历史上的多次大地震中全部逸散了。气藏不必要顾忌盖层或地层圈闭。气藏可用公式2=5-3表示，假定3为逸失量，只要深部的供给量能达到5就可有2的保存量。总之，找气和找油应有完全不同的思路，找气钻探应对准地震剖面中的模糊带，后者是排气通道。

多年来中外学者对水合甲烷(可燃冰)已有很多精深研究，但对其成因总是在生物成因、热解成因上争议，并未能深入到其更本质的来源上。早在2002年，笔者提出了“盆地矿套”的概念，即盆地具有以下属性：①破盆；②气盆；③水盆；④热盆；⑤油盆；⑥煤(泥炭)盆；⑦盐盆；⑧碱盆；⑨酸盆；⑩铀盆；沙漠盆[10]。盆地基底断裂纵横，向上强烈排气。此强大气流的原生形式是H+(质子)、H(氢原子)、H2(氢分子)。至于CH4及其它烃类，实际上是氢流到达上地幔和地壳夺碳后的浅部形式。上述氢流具有强力夺碳(C)的地球化学性能：H+C→H-C(系列)。从深部上喷到盆地中就会产生超高压气流、泥火山、泥底辟、麻坑、水合甲烷、冷泉以及地震剖面模糊带(体)等。如果盆地中沉积物厚，其中的碳质(不论生物成因还是其它成因)即被氢化为烃；如果在大洋底，沉积层很薄，生物碳很少，则以深成烃为主。这种氢化夺碳机制可以解除究竟是生物源还是热解源之争。至于δ13C的高低变化，不是可信标准，因为碳完全可以有5、6种来源，其δ13C变动谱系非常宽。另外，水合甲烷不只是存在于可燃冰的赋存层位，其深处的游离CH4流更为可观，不可忽视。

特别值得强调，所有油-煤-气-铀-盐、碱、膏-稀有金属有规律地共生于盆地之中，这是全球现象。例如，中国的鄂尔多斯盆地、伊犂盆地、松辽盆地；中亚的锡尔达林、楚萨雷苏、阿姆达林、费尔干纳；俄罗斯西西伯利亚、外贝加尔；法国的劳代夫；加拿大的马丁湖、阿萨巴斯卡、奥梯斯；尼日尔的阿嘎第斯；加蓬的福朗维尔；南非Transvaal；美国的怀俄明、德克萨斯、圣胡安；澳洲北部的Sherana康保吉等。

总之，地下能源的确取之不尽、用之不竭。这不是科幻的乐观，而是有确凿的科学依据，关键是必须打破现有的油气生物成因理论桎梏，此等早已过时的理论对扩大能源思路已经构成可怕的障碍！

(4)热液碱交代成矿作用过程中必须具备的大量Na、K，也是被超临界态400～500℃的碱型幔汁氢化成为氢化物(NaH、KH)气体带上来的。这方面笔者已有多年的阐发，而且获得了越来越多研究新进展所证实。另外，对盐、碱、硝等矿床的成因，现在都可以用Na、K的氢化迁移给予合理地解释[31]。

在热液成矿(包括铀矿)中极为关键的绢英岩化，是由前期无水干交代长石化以及加氢的后继蚀变形成的。钾长石化是K2CO3为介质，到绢英岩化加入一个H+交代走一个K+(低度酸化)，是KHCO3介质；再后K+全部被H+顶走并变为新的碳酸盐(MgCO3、CaCO3)介质。

(5)氢有很大的运载功能。通过氢化作用，1g氢可以分别运载13g碳、14g氮、19g氟、31g磷、32g硫、35g氯和28g Si等。地壳中N、O、F、Cl等相对于氢气都是少量、被动的气体。其中以氢最多，含量占绝对优势。CH4及烃系列、H2O、NH3、PH3、HF、HCl、H2S等的形成都离不开氢的化合作用。在此应特别强调，煤和泥炭多年来一直被认为是植物堆积的生物成因，现在如用氢化迁移的观点去理解它，就会变得很简单：CH4的不完全氧化即可成煤。另外，还可以通过深源CO的歧化反应生成C：2CO→C+CO2。碳硅泥岩中的石煤(SiO2和C)的成因反应式可以表示为：SiH4+4CO→SiO2+4C+2H2O。

(6)在地球内部大体100km深度以下已经不再有岩浆，更不可能存在热液，物质的迁移只能靠气相。上地幔尖晶石相橄榄岩向深部过渡为石榴石相橄榄岩的成因，过去认为是地深压力变大的矿物相变。如果从地球化学上来看，尖晶石变为石榴石关键是大规模硅化。此硅只能以SiH4(气相)来提供。中外学界在地幔岩研究中经常会提及一二十种不相容元素的亏损和富集，然而其究竟呈何种迁移形式一直是个理论空白。实际上，它们全是呈气相氢化物形式进行迁移。遍布全球各地的地幔岩捕虏体中的熔体玻璃为什么会有大量Na、K、Si、Al以及挥发份存在？现在可以用氢化迁移给予解释，诸如NaH、KH、SiH4、AlH3、HF、HCl、CH4等的带入。另外，地幔岩石中所有不相容元素如：Ti、Zr、Nb、Ta、Ca、U、Th、REE、Pb、Ba、W、Sn、Mo、Bi、Au、Ag等也全都可以呈氢化物气相形式迁移。

(7)氢能够产生极大的反应热：H+H→H2(432.9kJ/mol)，H++e→H(1306kJ/mol)。过去文献中所谓的地内热流，不完全是放射性衰变热，更多的是由高热能氢流反应生成的。除了气体之外，所有的金属、非金属的氢化物遇水(H2O)和自由氧都会激烈爆炸，它们是地球内部猛烈的爆炸剂。岩浆形成的熔融热也来自氢流供热的作用；固体岩石熔融产生岩浆不是单纯的加热过程，其必有大量氢化的Na、K及挥发份加入。

(8)地球上各种重大自然灾害如地震、干旱、森林大火、洪水、厄尔尼诺、不少矿难以及霾雾等等，归根结底是发自地核的强大氢型幔汁所为[27,28]。简言之，重级地震是在地应力存在的前提下，由H+、H、H2的气裂、气胀、气顶作用造成岩块闭锁部位发生断裂造成的；极端气候实乃地核强大氢流上喷对大气圈的搅动，使其能量分布突然变得极度不均匀。地球内部的热能来自于氢流的作用，氢流实为地内最大的能量流。

(9)地球化学找矿的深穿透探测结果也表明，是氢流把上升途径的岩石、矿石中的一些元素加以氢化(气化)并带了上来，当然也不排除还有直接来自地幔深部的氢化物。

(10)前已述及，碳硅泥岩系中含有相当奇特的几十种非逻辑迁移元素，且往往特殊富集。笔者将此岩系(过去称之为黑色页岩)中的几十种非逻辑迁移元素划分为A、B、C 3大族(杜乐天，1989)[29]：

A族：亲酸性岩特征元素群，主要有Si、U、Th、W、La、Y、REE、Nb、Ta、Zr、Hf、Ge、Ba、Pb、Bi、Rb、Cs等；

B族：亲基性岩特征元素群，包括Fe、Ti、Mn、Pt、Ru、Pd、Os、Ir、Rh、Au、Ag、Cr、Co、Ni、Cu、V、Zn、Tl、Mo、Re等；

C族：气态及部分非金属元素，如H、C、S、F、Cl、B、Br、I、Hg、As、Se、Te等。

在沉积岩中居然同时富集上述3大类几十种元素，甚至达到几十至几万倍的特殊富集，这是极其难以理解的。无论在沉积岩石学界还是地球化学界一直都没有合理的解释，只是泛泛的称之为海底喷流成因，甚至有的并无深刻论证而归为生物成因。有碳质存在就认为是生物成因，但为何同时又有十几种对生物有害有毒的元素富集？这是用生物吸收原理根本无法证实的臆托。实际上，上述各族元素一旦被来自地核的巨大氢流加以氢化，则完全可以沿盆地底部深大断裂集体呈气体形式向上迁移，并于盆地水体之中沉积富集。过去中外文献也曾多次提及存在金属有机化合物的问题，现在看来，其实质就是各种元素的氢化气相迁移。

碳硅泥岩系(或黑色页岩系)中C的来源是深部烃类气流不完全氧化的结果，呈无机碳喷流形式沉积，其反应式：CH4+O2=C+2H2O；高碳烷(以丁烷为例)生成的C更多，反应式：C4H10+2.5O2=4C+5H2O；如果是石油大分子不完全燃烧，黑烟更浓，生成的碳量更大。此反应生成的C堆积物多孔隙，比表面大，剩余电荷多，故吸附微量元素能力极大，这是富C的碳硅泥岩中特别富集众多非逻辑共生元素的重要原因。除上述机制外，还存在另一种产出C的反应：2CO→C+CO2。卫星监测图像已经证实，地球存在排放CO和CH4的排气作用。

(11)在我国广大地区，碳硅泥岩系特别发育，而且富集众多微量元素，其找矿前景极大(郑大瑜，2012)，应给予重视。

(12)在天文学方面，发现M、S、C星存在FeH、CaH、MgH、AlH(Hirai M.等，1992)。元素的氢化迁移形式(部分以羰基形式迁移)在分析化学中已有多年的实验根据，只不过在地质学专业未曾给予注意。同一种元素的化合物，其形式一旦改变，地球化学性质会有惊人的差异。以最为常见的SiO2(石英、玉髓、燧石等，热液硅化)为例，SiO2的沸点极高(2230℃)，单体Si沸点为2355℃。这表明在自然界硅元素不可能呈SiO2或单体Si形式迁移。然而一旦变成SiH4，其沸点骤降为-111.8℃，实际上是气体(比水的沸点低得多)。部分元素的单质、氧化物和氢化物的沸点对比如下(表3)：

表3 部分元素的单质、氧化物和氢化物沸点或熔点对比(℃)Table 3 Boilling point and melting point(℃) of elementary substance for some elements,oxides and hydrides

注：表中数据引自郑大中(2004)[31]。

(13)在地幔岩捕虏体二辉岩(吉林、伊通)辉石气相包裹体内腔壁上发现许多Ti-Fe-Cr-Ni-Mn-Mg-Ca-Al-Si等自然元素杂乱堆积的虫状体(无晶形)，经电子探针分析，其成分彼此变动很大，不可能是一种矿物。推测这些虫状体可能是氢化物气体带入并在包裹体空腔内无序杂乱沉淀形成的(杜乐天，1996)[30]。

(14)鉴于氢具有使各种元素气化迁移的特殊功能，有必要对过去的成岩、成矿理论进行重新认识，那些复杂的内生岩石学、矿床学可能要重写。如果从氢化迁移的新观点来看，则成岩、成矿的过程相当简单，例如：

生成橄榄石的反应式为：

生成辉石的反应式为：

生成石英的反应式为：

生成黄铁矿的反应式为：

生成方铅矿的反应式为：

由此可见，地球上的内生成岩、成矿机制顿然变得史无前例的简单！这些岩石或矿石不论是在热液中生成，还是在岩浆中生成，其在成液、成浆之前都是幔汁的气相反应产物。

内生成岩作用可以分为：①岩浆成岩；②交代成岩。关于岩浆-交代成因之争一直持续了一个多世纪，现在用“氢化迁移”也会变得相当简单。以岩浆万能论为主导、把所有内生岩石归属于岩浆成因的观点亟须彻底重新认识。

岩浆成因理论的根据主要是两大来源：①火山岩浆考察；②实验岩石学。现在看来，这两方面研究尽管相当精深，但只是展示了地壳的浅部特征，并没有揭示岩浆室(形成深度约100km)及以下更深处的元素迁移规律。现在用氢化迁移的观点重新考察发现，无论岩浆成岩还是流体交代成岩，其实都是气体成因(形象地说，岩浆是气成的)。从外地核向上喷涌的强大氢流可以把所有内生岩石中的各种成分呈氢化物(如SiH4、AlH3、CaH2、MgH2、FeH2、KH、NaH等)气体向上运载，进入各类先在的地层、岩体重新共同生浆。上述气相流体可以通过夺O2的方式来形成铝硅酸盐(无论在地幔还是在地壳中，氧随处都有)。强大的氢流本身又是高温热流(至少在1000℃以上)，超过铝硅酸盐熔点，完全有能力形成上地幔的超基性岩浆、中下地壳的中性岩浆，以及上地壳的酸性岩浆。当氢流到达浅部，其温度大大降低(500～600℃)，达不到岩石的熔点，便形成混合岩、伟晶岩、矽卡岩、花岗岩体的自变质岩以及顶盖相小岩体和火山岩中的次火山岩体(现在看来，次火山岩的命名不妥。它们不是岩浆岩，与火山作用无关，而是幔汁的近液相线高温碱交代岩)；如温度再降低到<400℃，则形成热液碱交代岩。总之，热液作用和岩浆作用过去的截然分类实质上并不存在，二者都是幔汁反应的产物。

深部幔汁从软流溃变体出发上涌进入地壳大体有4种通道：①对先在的岩体或地层就地再熔化、呈岩浆柱中透岩浆流体，形成二云母小补体、斑岩爆破角砾岩筒；②沿已冷凝固结岩体的接触带，形成矽卡岩；③沿基性暗色岩墙上涌；④沿深断裂带、地块缝合带上涌。

特别值得强调，对产生热液铀矿(其它金属矿亦然)非常重要的二云母花岗岩小补体而言，它们是上涌幔汁对先在的任何地层、岩体的高温交代和就地再结晶体。大体自140Ma(由侏罗纪向白垩纪换纪的大变动期)开始，华南地区由挤压向拉张转换，大规模岩浆作用早已结束，花岗岩刚性壳体已经形成，深大断裂开始发育，幔汁上涌强度、范围、规模大大萎缩，这时才能形成热液矿床。

(15)多年来，地学界对玄武岩浆、安山岩浆和花岗岩浆的深部起源执迷地归结于板块俯冲，好像撇开俯冲带再也找不到其它原因。只靠同位素分析和微量元素奇怪的比值(La/Yb、Lu/Hf等等)加以勉强解释，实在经不起认真推敲。笔者认为，此中存在以下4大理论错误：

① 在俯冲带，板块的下插深度有限，只不过几百千米的浅部(地幔却深达2900km)。只研究局限的俯冲带没有资格说成是地球动力学。俯冲带分布也很不普遍。

② 大陆玄武岩的形成深度为什么武断地定在150km的想像俯冲带之上？研究已经证明，大陆玄武岩浆的形成深度只有60～80km；花岗岩浆形成深度更浅，不过20～30km，与俯冲带毫无关系。

③ 为了证明俯冲带下插生浆，盲从西方过时的研究路线，国内很多论文采用了大量的O、Sr、Nd、Zr、Hf、Os、Pb等同位素组成以及奇特的微量元素(La、Lu、Y、Yb等)比值分析。试问上述这些元素可以形成铝硅酸盐岩浆吗？为什么不直接研究岩浆成因而非要用此等间接且多解、自找麻烦的办法？多年研究的结果使认识越来越混乱。

④ 俯冲带本身是否最终被证实也是个大问题，不少学者对此有深刻的怀疑。研究证明，它更可能是陆壳的仰冲。

Mg6Si4O10(OH)8

(16)笔者突出强调氢化迁移，不是否认元素氧化物存在的客观事实。氧化物(以及硫化物)只是元素的固定形式。现在看来，即使公认的热液中的氧化物、硫化物的迁移形式的论点也需要再考虑，这是因为：

② 地壳和上地幔中到处都有氧存在，元素用不着带氧迁移。须知，地球内部越深自由氧越少。笔者对幔汁的垂深分带早已指出，地壳中是氧型幔汁，上地幔是碱型幔汁，再向下到中下地幔则为氢型幔汁。地壳中的Si、Al、K、Na当初全是氢型幔汁的氢流带上来的。

最后尚须再次强调，本文探讨的氢化迁移律是着重阐明地幔流体(幔汁)的种种特性，揭示在岩浆、热液形成之前地球深部流体的状态和活动机制。至于一旦形成岩浆、热液之后，岩浆作用、热液作用原有的规律便不能全用氢化迁移律来进行解释。岩浆介质、热液介质分别都有自己的特性，不应漠视。

总之，本文从多方面阐述了氢的地球化学，目的在于强调今后的地球科学必须告别百多年来一直沿用的固体地球动力观[12，27，28，32-37]，进行气体地球动力观基本概念更新，否则将在重大自然灾害成因、预测、预防，地下新能源(深气、深热)、矿产资源探深以及整体地球科学体系建立等方面找不到大方向，会继续走很多弯路。看来，当代的地球科学(包括气象学、海洋学等)理论将面临远比当初板块构造深刻得多的重大改造!另外尚须指明，氢化气相迁移律还具有巨大的实践价值：①可以用强力的高压、高温H、H2气流从碳硅泥岩系地层中同时萃取几十种有价值的微量元素，成为新类型巨量矿产资源；②利用高能氢流的断链效应使岩石酥化、穿山打洞和向地深打10～20km深钻，以获取地下深气、深热能源和消减大地震、大旱灾、森林大火、矿难、浓霾等重大自然灾害。

致谢：本文曾蒙王文广、欧光习、仉宝聚等同志审阅并提出许多宝贵意见，在此表示感谢。

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HydrogenGeochemistry：HydrideMigrationLawofHACONS

DU Le-tian

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China)

Hydrogen is the smallest and lightest element which has the most migration,reaction and gasification abilty.The author(1987)revealed that hydrogen was mainly strored in the liquid iron of the outer earth core and could strongly ejected automatically under huge gradient of pressure,tempreture,mass and viscosity,which is the greatest inner geodynamic factor.In this paper,the various geochemical features of hydrogen(especially the hydride migration)will discussed systematically.

hydrogen geochemistry；H-HACONS；hydride migration of HACONS