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1、矿 床 学中南大学地质工程专业A1第二章成矿作用总论22.1 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。 345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
2、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。 62. 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
3、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。72)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(n10+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(n10+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24倍。83. 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
4、集中,这种现象或过程称为元素的迁移。2) .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。 9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10亿吨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
5、W0.00015%0.16%1066.73.0(WO3)4万吨Ag710-840g/t571.60.22000吨Au310-93g/t10000.03520万吨192) 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。20(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
6、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818)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。21(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。2223(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
7、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。243) 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。252。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。26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Cu
8、5FeS4、辉铜矿Cu2S)的成矿物质主要包括Cu、S 的来源。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。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。272) 移(或称“运”)即物质迁移所需的条件,包括通道、动力通道: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。动力:含矿介质(包括热液、岩浆等)迁移的动力。 283) 储即成矿物质聚集、定位形成矿体的条件,包括空间、环境条件等空间:有利的构造条件(圈闭构造)、容矿空间(孔隙、裂隙等)。环境条件:有利的岩性条件(地层条件)、物理化学条件等。292.4 成矿作用方式在
9、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。301. 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
10、结晶出来。312. 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O22S + 2H2O (气) (气) (固) 2FeCl3十3H2OFe2O3十6HCl (气) (水蒸气) (固) 32 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、
11、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。33 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。343. 交代作用所谓交代作用,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。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。通过交代作用,可以形成新的交代岩石或交代矿体,其中常保存着原有矿
12、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。354. 离子交换及类质同象置换作用 离子交换这种成矿方式,在内生和外生作用中都广泛存在。如岩浆中铌铁矿或钽铁矿的生成:2Na(Nb, Ta)O8+Fe2+硅酸盐,通过离子交换形成Fe(Nb, Ta)2O8+2Na+硅酸盐。36 特例:类质同象置换作用可通过原子、分子、离子以及络阴离子的交换而生成,但不改变晶体构造类型,仍保持离子正负电荷平衡现象。这种作用在成矿中也有一定的意义。如黄铁矿:Fe2+Co2+,Ni2+; 闪锌矿:Zn2+Cd2+等等。372.5 矿床的成因分类矿床的成因分类反映人类对矿床成因和成矿过程的认识程度,也是人类对矿床研究成果的高度概括。 在分类中,一级划分是与三大类地质作用相对应的。二级划分是按照在一定地质环境下的主要成矿作用系列来划分的。三级划分根据各类矿床的主要特征和标志,或按成矿方式、或按含矿建造、或按成矿环境来加以区分,有一定灵活性。如岩浆分结矿床、岩浆熔离矿床、岩浆爆发矿床,等等。四级划分一般均按矿石建造。 38I.内生矿床 一、岩浆矿床 1.岩浆分结矿床 2.岩浆熔离矿床 3.岩浆爆发矿
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