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矿床学中南大学地质工程专业A方向第二章成矿作用总论2.1元素的分布与迁移富集•1.地球圈层构造与成矿作用的关系•根据地球物理（人工地震）方法研究，地球内部具有圈层构造。地球从外到里可分为地壳、地幔和地核。其中地核又分为内核和外核，地幔又分为上地幔和下地幔。上地幔上部有一个软流圈，该圈以上部分称地幔岩层，主要有纯橄榄岩组成，故又称纯橄榄岩层，或称硅镁铁层。地壳在大陆和大洋是有差异的。大陆地壳由上而下分为沉积层、硅铝层（花岗岩层）和硅镁层（玄武岩层或硅铁镁层）；大洋地壳则缺少硅铝层。上地幔软流圈以上部分与地壳合称岩石圈。•从经济学的角度考虑，矿床主要指的是地壳浅层的经济地质体，所以所谓的成矿作用也主要针对浅部。地球深部圈层（地核、下地幔）对于成矿作用在物质上很难起重要的作用，但可以通过深部构造和热力作用影响浅层。成矿物质主要来源于地壳和上地幔，尤其是地壳。•地壳内部的成矿作用表现为内生成矿作用：如与岩浆活动有关的成矿作用或与变质作用有关的成矿作用等。•地壳表层的成矿作用则表现为外生成矿作用：如沉积成矿作用、风化成矿作用等。•2.元素的分布•元素在地壳中的丰度值（abundance）称克拉克值。由于元素的地球化学性质的不同，它们在地壳和地幔间的分布特征也有差异，具体表现如下：•1)各种元素的分布量相差极为悬殊，O,Si,Al,Fe,Ca,Na,Mg等7元素分别占地壳和上地幔总成分的99.4％和99.11％。这些元素是地壳中各类岩石的基本成分，故称造岩元素。其它85种元素分布量总计不到1％。•2)地壳与上地幔之间的分布不平衡，有一定的规律。上地幔富集（n～10+n倍）铁族元素（Fe,Cr,Co,Ni）和铂族元素（Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt）和Mg；•3)地壳中富集(n～10+n倍)稀有元素Li,Be,Nb,Ta等、稀土元素以及放射性元素U,Th,Ra等。挥发份元素S,P,F,Cl,B等元素在地壳中的分布量比地幔中高2～4倍。•3.元素的迁移与富集•1)元素在地壳和上地幔中的含量不是固定不变的，其运动的结果，导致元素的分散或集中，这种现象或过程称为元素的迁移。•2)В.И.维尔纳茨基提出“浓度克拉克值”的概念，指某元素在某一地质体（矿床、岩体或矿物等）中的平均含量与克拉克值的比值。•3)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。相关链接•铁的克拉克值为5.8％，工业品位为30％，则浓度系数为5，说明地壳中的铁必须富集5倍以上时，才能成为矿床。•铜的克拉克值为0.006％，工业品位为0.5％，必须富集80倍才能成为矿床。•稀有金属和贵金属，要达到工业要求，必须比其克拉克值富集几百倍至几千倍。如钼需461倍，汞需10000倍，铋需1250000倍。元素克拉克值（％）工业品位（％）浓度系数元素克拉克值（％）工业品位（％）浓度系数Al8.325～3Pb1.2×10-31833Fe5.830～5Be1.3×10-40.43076Ti0.6410～16As2.2×10-429090Mn0.1320154B7.6×10-456578Cr0.01110909Mo1.3×10-40.06461V0.0140.536Sb6×10-51.525000Cu0.00630.579Bi4×10-70.51250000Ni0.00890.334Ag8×10-60.022500Li0.00210.5238Hg8×10-60.0810000Zn0.00942213Au4×10-70.0012500Sn1.7×10-40.21176Pt5×10-60.0001530Co0.00250.03122.2成矿作用•成矿作用即是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。•它是地质作用的一部分。所以成矿作用与地质作用一样，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。•1)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。•内生成矿作用除了能到达地表的火山和温泉外，都是在地壳不同深度、不同压力、不同温度和不同地质构造条件下进行的。总的来说，内生矿床多数是在较高温度和较大压力下，在地壳深处形成的。•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。•2)外生成矿作用•主要是指在太阳能的影响下，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，部分可来自星际物质（陨石）。•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。根据成矿地质条件又再分为若干亚类。•3)变质成矿作用•原已存在的岩石或矿床，由于地质环境的改变，特别是经过深埋或其它热动力事件，它们的矿物成分、化学成分、物理性质以及构造结构等发生改变，使原来的矿床经受强烈的改造，甚至产生某种有用矿物的富集而形成新矿床，或者成为具有另一种工艺性质的矿床，这些都称为变质矿床。•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。•4)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。即在先期形成的矿床或含矿建造的基础上，又有后期成矿作用的叠加。这样，不但对原来矿床或含矿建造有所改造，并有新的成矿物质的加入。•“层控矿床”，也认识为是叠生成矿作用的产物。一般认为是在层状含矿建造（矿源层）之上，有后期内生作用的影响，使成矿物质发生活化转移，并在附近的适宜构造条件下富集成为矿床。2.3成矿作用的基本条件•1.影响矿床形成的主要因素•1)元素的分布量•元素在地壳（或岩石圈）的平均含量，与矿床的形成有一定的内在联系。它影响元素的成矿几率；工业品位的高低；元素的浓度系数矿床规模划分的标准世界保有的探明金属储量与陆壳金属总量的比值金属成矿元素CuMoFePbZn探明储量占陆壳金属总量比值7×10-73×10-78.8×10-64.8×10-71.28×10-7金属成矿元素AuAgTiAlW探明储量占陆壳金属总量比值4.2×10-71.57×10-71.2×10-98.2×10-91.33×10-9元素分布量与矿床品位、储量、规模要求的关系元素克拉克值最低工业品位浓度系数世界探明储量(百万吨)大型矿床储量要求Fe5.63%25%4.4480000010亿吨Al8.23%Al2O340%2.4100001000万吨Ti0.57%8%14200010万吨Cr0.01%Cr2O332%16003000100万吨Cu0.0055%0.4%72.780050万吨W0.00015%0.16%1066.73.0(WO3)4万吨Ag7×10-840g/t571.60.22000吨Au3×10-93g/t10000.03520万吨•2)元素本身的地球化学性质•原子或离子的电子壳层构型、离子半径、电价、电负性等，是影响元素分散与集中的内因。•在一定的地质－物理化学条件下，不同类型的元素可以出现不同的地球化学行为，而地球化学行为性质相近的元素，可以呈现相似的地球化学行为，并在同一矿床中出现。•(1)电子壳层构型：•按电子壳层结构分为：惰性气体型离子（外层电子数为8和2）——具有亲氧性质，比较集中于地球表层，在酸性岩和碱性岩中富集；铜型离子（外层电子数为18）——具亲硫性质，与硫亲和力大，集中与地球中间带，在中性－中酸性岩中富集，可形成独立硫化物矿物，或为典型的分散元素；过渡型离子（外层电子数8～18）——具亲铁性质，介于前两类之间，有时以混入物的形式进入基性超基性岩的硅酸盐矿物中，有时以氧化物形式富集成矿。•(2)离子电位：•离子电位是衡量电场强度大学、表示吸引或排斥电荷能量的参量。•离子电位＝W/Ri，其中W为离子电价，Ri为离子半径。•离子电位大小可以衡量元素的酸碱性以及极化效应，可以表明形成络阴离子能量的高低。元素Ti4+Be2+Al3+Zr4+Th4+Sc3+Y3+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+离子电位6.255.885.264.603.643.612.832.561.891.571.40元素Li+Na+K+Rb+Cs+Cu+Ag+Zn2+Mo6+W6+离子电位1.281.020.750.670.611.020.891.643.113.05•(3)电负性：•指原子在分子中吸引电子的能力，是元素电离能（IA）和电子亲合势（EA）的平均值，即电负性XM=(EA+TA)/2。•两个相互作用的原子，电负性相差越大，则键的离子性百分率越大，越容易形成离子键；反之越容易形成共价键。•3)成矿体系的物理化学条件•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、各种组份的浓度（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，因此地质环境必然对成矿作用产生中段影响。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。•2。成矿作用发生的基本条件•成矿作用的基本条件归结起来为三个方面：源、移、储•1)源•即物质来源，也可引申至能量来源。•①成矿物质来源：•参与成矿的元素、离子、化合物等的来源。如硫化铜矿（黄铜矿CuFeS2、斑铜矿Cu5FeS4、辉铜矿Cu2S）的成矿物质主要包括Cu、S的来源。•②成矿所需的介质（常为水介质）来源。•成矿介质包括水和其它挥发组份，对于岩浆矿床则为岩浆。•③能量即成矿物质及介质运移的动力来源，主要为热力、压力和重力等。•2)移（或称“运”）•即物质迁移所需的条件，包括通道、动力•①通道：成矿物质、介质（热液）流动迁移的通道，一般为裂隙、孔隙、溶洞等。•②动力：含矿介质（包括热液、岩浆等）迁移的动力。•3)储•即成矿物质聚集、定位形成矿体的条件，包括空间、环境条件等•①空间：有利的构造条件（圈闭构造）、容矿空间（孔隙、裂隙等）。•②环境条件：有利的岩性条件（地层条件）、物理化学条件等。2.4成矿作用方式•在成矿过程中，成矿元素绝大部分是呈固体矿物出现的，但也有一些成矿物质呈气体和液体产出。•在自然界中，元素聚合成矿石矿物的方式是多种多样的，主要有结晶作用、化学作用、交代作用、离子交换及类质同象置换作用。•1.结晶作用•1)岩浆结晶作用•岩浆是一种以硅酸盐为主的熔融体。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。•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，盐在溶液中的浓度不断增加，最后达到饱和而结晶出来。•2.化学作用•有些矿石矿物不是由结晶作用，而是由化学反应生成的。•1)化合作用•各种气体、液体和固体相互之间，发生化学反应而形成矿物。如火山喷气，含有许多有用元素和化合物，在与大气相混合的过程中，可发生化学反应，促使一些矿物的生成，如：•2H2S十O2＝2S+2H2O•(气)(气)(固)•2FeCl3十3H2O＝Fe2O3十6HCl•(气)(水蒸气)(固)•2)胶体化学作用•胶体质点带有一定的正或负的电荷。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。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。•使胶体凝聚的条件可以是：电解质的加入、物理化学条件的改变等。•3)生物化学作用•生物对某些成矿物质的聚集具有重要意义，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；生物灰岩由生物残骸堆积而成；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。•3.交代作用•所谓交代作用，即是溶