矿床学3-成矿作用

第三章成矿作用总论例如：根据计算结果，目前世界上保有的探明金属储量只相当于大陆地壳中金属总量的百万分之几至十亿分之几。因此，只有在特定地质和物理化学条件下，成矿元素才得以集中成矿。上地幔和地壳中的有用物质和成矿元素地质作用矿床岩石概率极低查明有用矿物集中的条件、成因、方式和过程是矿床学研究的中心课题之一。一、影响矿床形成的主要因素l.元素在地壳及上地幔中的分布量首先，元素分布量会影响各类元素成矿几率的高低。一般情况是含量高的元素容易形成矿床其次，元素分布量会影响到工业品位要求的高低，含量越高的元素，通常其最低工业品位要求也较高。再次，元素分布量还影响到矿床规模划分的标准，元素的含量越高，往往构成大型矿床时对其储量的要求也较高。元素分布量还影响到形成矿床的过程，如含量高的Al、Mn、Fe、P等元素通过沉积作用即可成矿，而含量低的Au、W、Be、Sn、U、B等元素通常需要长期反复的地质过程，在更特殊的条件下才能形成矿床。如金在地壳中的含量相当低，仅为4×10-9，但其有较强的聚集能力，因而在地球中有大型金矿床产出；2．元素本身的地球化学性质元素富集成矿的可能性并不完全取决于元素在地壳(或岩石圈)中的含量，而主要是决定于元素的地球化学性质。Rb在地壳中的丰度远高于Pb和Cu，但Pb和Cu矿床探明储量远大于Rb，这是由于Rb的地球化学性质接近K，使其容易分散于含K的岩石中构成类质同象置换。又如一些稀有和分散元素，它们的克拉克值在相当程度上超过了一些常见的金属，但它们却很少聚集形成矿床，甚至不能形成独立矿床。元素克拉克值镓0.0018％Pb0.0012％Sb0.00006％Pb和Sb均能形成独立的规模巨大的矿床，而镓是典型的分散元素，则极少能形成独立矿床。这是影响成矿过程中元素迁移富集行为的外在因素，如温度、压力、各种组分的浓度(或活度)、pH值、Eh值以及生物和生物化学作用等。由于成矿过程总是发生在一定的地质环境中，因此地质环境必定会对成矿过程产生重大影响。这种影响往往是通过成矿体系物理化学特征的改变显示出来的。3．成矿体系的物理化学条件二、元素在地壳及上地幔中的分布及其成矿意义成矿物质主要来自地壳和上地幔。因此了解元素在地壳及上地幔中的分布量，对研究矿床的成因和分布规律，具有重要意义。元素在地壳中的丰度值也称克拉克值。F.W.Clarke,1908,《地球化学资料》硫、镍、钙、铝、钠、铬、锰、磷等8种元素占8.09％铁(32.0％)氧(29.0％)镁(16.0％)硅(13.0％)90％地球中元素的丰度值1)各种元素在地壳和上地幔中的分布量，相差极为悬殊。地壳中：氧：46％，氦：1.6×10-9％。2)地壳和上地幔中分布量最多的7种元素O、Si、A1、Fe、Ca、Na，Mg合计约为地壳总成分的99．4％，上地幔总成分的99．11％。元素在地壳和上地幔中分布的几点规律：3）不同元素在地壳和上地幔中的分布有明显区别。４）同种成矿元素在不同类型岩石中的丰度差异很大。三、元素的共生规律及地球化学分类元素间常呈有规律的共生关系——部分元素的地球化学性质相似。研究地质作用中元素共生的基本规律和元素的地球化学分类，对于了解各类元素组合的迁移和成矿具有重要意义。元素的地球化学分类；方案很多，其中最常用的是V.M.戈尔德施密特和A.H.查瓦里茨基的分类。1.V.M.戈尔德施密特分类是以门捷列夫周期系为基础，考虑了离子的电子层结构和原子容积的特性，将元素分为五类：1)亲铁元素具有最小的原子容积，离子的结构比较复杂，内层有未填满的电子层。这些元素常与铁一起集中，因而最富集于地球的内核。在地球的化学演化中，这些元素与基性和超基性岩有十分密切的联系。这类元素在地质体中还经常以自然元素矿物形式出现。2)亲硫元素具有不大的原子容积，介于典型的亲铁元素和亲石元素之间。离子结构比较复杂，与硫的亲和力较大。这些元素集中于地球的中间带。在地球化学演化中，这些元素多与各种岩浆岩之间存在比较密切的联系，但最主要的是与中性和中酸性岩浆岩有关。在地质体中经常形成硫化物和复硫化物。3)亲石元素具有大的原子容积。离子结构比较简单，与氧有较大的亲和力，因而这类元素比较富集于地球表层—岩石圈和水圈。在地球化学演化中，这些元素比较集中于酸性岩和碱性岩中。在地质体中主要以含氧盐和氧化物出现。4)亲气元素具有比较大的原子容积。这些元素在自然界大多为化学性质不活泼、呈原子或分子状态的气体，主要集中在气圈以及某些天然气矿床中。5)亲生物元素它们是生物体内的主要元素。这类元素的集中与生物有机体的生命活动有关。2．查瓦里茨基元素地球化学分类根据元素的地球化学相似性(包括元素的晶体化学特征、离子半径以及元素在自然体系中的组合)，查瓦里茨基将元素分为12类：①氢族；②造岩元素，即Li、Be，Na、Mg，A1，Si，K，Ca，Rb，Cs和Ba；③惰性气体族，即He，Ne，Ar，Kr，Xe和Rn；④挥发分元素族，即B，C，N，O，F，P，S，C1；⑤铁族，包括过渡族元素中的Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe和Co；⑥稀有元素和稀土元素族：主要包括Nb，Ta，Zr，Hf，Y和REE，但实际上通用的稀有金属元素还包括Li，Be，U，Th，Cs；⑦放射性元素族：即锕系元素；⑧钨钼族，仅包括W和Mo两个元素；（9）铂族：有Ru，Rh，Pd，Os，Ir和Pt；（10）硫化物矿床成矿元素族：包括Cu，Zn，Ag，Au，Hg，Cd，In，Ga，Ge，Sn和Pb等；（11）半金属和重矿化剂族：包括As，Te，Se等；（12）重卤素族：即Br，I等。四、元素的富集和成矿元素在地壳和上地幔中的含量总是处在不断地运动状态中。运动的结果，或是导致元素的分散，或是导致元素的集中。元素的这种运动转移现象或过程，称为元素的迁移。维尔纳茨基提出“浓度克拉克值”的概念，即某元素的“浓度克拉克值”为其在某一地质体(矿床、岩体或矿物等)中的平均含量与克拉克值的比值。它表示某种元素在一定的矿床、岩体或矿物内浓集的程度。当浓度克拉克值大于1时，即意味着该元素在某地质体中比在地壳中相对集中，小于1时，则意味着分散。因而浓度克拉克值在研究元素的集散或在找矿实践中都是有意义的。例如：元素浓度系数铁5铜80金200钼461汞10000铋1250000元素在地壳中集中到能成为矿床的程度，可用浓度系数来表示。所谓浓度系数即是工业品位与该元素的克拉克值之比。结晶作用化学作用交代作用离子交换作用类质同象置换作用。元素形成矿石矿物的方式有哪些？（一）结晶作用1．岩浆结晶作用当岩浆冷凝到一定程度时，达到了其中某一矿物的饱和点，矿物就会从岩浆中结晶出来。如：磷灰石、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿、金刚石等，就是从岩浆中结晶形成的。2．凝华作用岩浆的热能使一些易挥发的物质气化，并沿着裂隙逸散，它们在火山口、喷气孔或者浅成侵入体周围，直接结晶形成凝华物。如：火山口附近的自然硫等。3．蒸发作用在天然盐池中，当海水或湖水受蒸发而逐渐浓缩，盐在溶液中的浓度达到饱和而结晶出来。如：盐湖中的石膏、芒硝、岩盐以及硼砂等矿床，都是由蒸发作用形成的。（二）化学作用如火山喷气含有许多有用元素和化合物，在与大气混合的过程中，可发生化学反应，促使一些矿物的生成。2H2S+O=2S+2H2O2FeCI3+3H2O=Fe2O3+6HCI1．化合作用各种气体、液体和固体之间，发生化学反应而形成矿物。气体与液体的反应，在高温和低温下都可发生。许多气体，如CO2、H2S等能溶解在水溶液中，且与溶解在其中的物质发生作用。如含Fe2+和Cu2+的水溶液遇到含H2S的气体，即发生反应形成黄铁矿和铜蓝。气体与固体间反应，在表生和内生条件下都较普遍。大气中的氧能使许多矿物氧化，如使菱铁矿变为赤铁矿等。在内生条件下，岩浆中散发出来富含B、F和H2O的高温气体，可与铝硅酸盐发生强烈的反应而形成黄玉、电气石和白云母等矿物。液体之间的化学反应，在成矿作用中也极为重要。内生作用中，深处上升的热水溶液与地面下降水或其它溶液相遇时，就可能使溶解物质之间发生化学反应而沉淀出矿物。如表生作用形成的硫酸铜溶液，遇到含碳酸根的溶液时，便可能形成孔雀石和蓝铜矿等。（二）化学作用1．化合作用各种气体、液体和固体之间，发生化学反应而形成矿物。胶体溶液（10-9～10-6m）是地质作用中广泛存在的分散体系，它可以通过机械作用或化学作用产生。例如葡萄状、肾状、豆状、结核状的铝土矿、褐铁矿、赤铁矿等，都是胶体凝聚形成的。细分散体系因具有较高的能量，因而它们可以通过吸附作用或离子交换作用，把某些有用元素固定下来。如高岭土吸附溶液中的铜，形成硅孔雀石。二氧化硅的凝胶，可以吸附铁和铀。2．胶体化学作用当分散质点，由于某种原因失去电荷而变为电性中和时，质点失去了相互的排斥力，开始发生凝聚作用，结合成较大微粒，并在重力作用下陆续沉淀下来。（二）化学作用1．化合作用各种气体、液体和固体之间，发生化学反应而形成矿物。2．胶体化学作用当分散质点，由于某种原因失去电荷而变为电性中和时，质点失去了相互的排斥力，开始发生凝聚作用，结合成较大微粒，并在重力作用下陆续沉淀下来。如煤和石油的原始物质是生物遗骸；硅藻土是由硅藻死亡后堆积而成；某些磷块岩，特别是鸟粪磷矿，是由生物排泄物或遗体堆积而成。近年来，对生物在某些金属矿床成矿作用中所起的作用，受到了广泛的重视。在沉积铁矿、锰矿以及某些层状硫化物矿床中，一些微生物的生命活动具有决定性的意义。3．生物化学作用有生物和生物有机质参与下形成矿床的作用。（三）交代作用这种作用是岩石与渗滤在孔隙中的溶液发生化学反应，溶解作用和沉淀作用同时进行，致使原有矿物逐渐被溶失，而代之以一种或几种新的矿物。在整个反应过程中，岩石基本上保持固态，并且交代前后的岩石总体积基本不变。新形成的岩石或交代矿体中常保存着原有矿物或岩石的残留体、构造和结构以及出现矿物假象等，这些都是交代作用的明显标志。所谓交代作用，即是溶液与岩石在接触过程中，发生了一些组份的带入和另一些组份带出的地球化学作用，因此也称为置换作用。类质同象置换作用：矿物中的离子可被一种化学结构相近（离子半径、电价等）的离子代替，但原有矿物晶体构造类型几乎不发生变化。(四)离子交换及类质同象置换作用离子交换：由一种离子代替矿物中的某种离子而形成新矿物的作用。这种成矿方式，在内生和外生作用中都广泛存在，尤其在许多稀有、分散元素矿床形成过程中占重要地位。如岩浆中铌铁矿或钽铁矿的生成：2Na(Nb、Ta)O8+Fe2+硅酸盐→Fe(Nb，Ta)2O6。+2Na+硅酸盐。如：黄铁矿中的Fe2+可被Ni2+和Co2+代替。五、成矿作用成矿作用：在地球的演化过程中，使分散在地壳和上地幔中的化学元素，在一定的地质环境中相对富集而形成矿床的作用。按作用的性质和能量来源，可划分内生成矿作用、外生成矿作用和变质成矿作用三大类，相应地形成内生矿床，外生矿床和变质矿床。(一)内生成矿作用主要是由地球内部热能的影响导致形成矿床的各种地质作用。内生矿床多数是在较高温度和较大压力深处形成的。这种作用人们不能直接观察到，只有根据作用的结果，即对矿床地质特征的研究以及高温高压下的模拟实验，来追溯成矿作用的过程。内生成矿作用按其物理化学条件不同，可分为岩浆成矿作用、伟晶成矿作用、接触交代成矿作用和热液成矿作用。(二)外生成矿作用在太阳能的影响下，在岩石圈上部、水圈，气圈和生物圈的相互作用过程中，导致在地壳表层形成矿床的各种地质作用。外生成矿作用基本上是在温度、压力比较低的条件下进行的。外生矿床的成矿物质主要来源于地表的矿物、岩石和矿床、生物有机体、火山喷发物。外生成矿作用可分为风化成矿作用和沉积成矿作用两大类。(三)变质成矿作用变质成矿作用是主要是指由于地球内力影响，使固态的岩石或矿石不经过熔融阶段而直接发生矿物成分和构造结构改变的各种作用。变质成矿作用，按其产生的地质环境不同，可分为接触变质成矿作用，区域变质成矿作用和混合岩化成矿作用三类。(四)叠生成矿作用这是一种复合的成矿作用，在自然界也是经常发生的。即在先期