矿床学 第八章 风化矿床

第八章风化矿床第八章风化矿床风化矿床的概念、工业意义风化成矿作用风化矿床的形成条件风化矿床的分类矿床的表生变化与次生富集风化矿床的概念地壳最表层的岩石和矿石在太阳能,大气,水和生物等地质外营力的作用下，发生物理的,化学的以及生物化学的变化，并使有用物质原地聚集起来形成矿床的地质作用叫风化成矿作用，由这种作用形成的矿床叫风化矿床。广东大宝山铁铜矿采场（风化矿床）风化矿床的工业意义多种矿产资源的来源指示原生矿体镍储量的80%以上来自风化成矿作用形成的红土型镍矿全球有70%的富铁矿石是风化成矿作用形成找矿标志世界大型风化矿床前苏联库尔斯克磁异常区：铁矿石储量556亿吨（Fe32%～62%），其中富铁矿石261亿吨（Fe54%～62%），是目前世界上已知最大的铁矿区，产于前寒武纪含铁石英岩型铁矿区，其中的富铁矿石产在前寒武纪含铁石英岩的古老风化壳中，是含铁石英岩古代红土型风化壳的残积产物。前苏联克里沃罗格铁矿区：铁矿石储量201亿吨，其中富铁矿石（Fe75%）14亿吨，其成因类型与上述库尔斯克铁矿区一致。巴西卡腊贾斯铁矿区：铁矿石储量178.8亿吨，平均品位Fe66.1%，含Fe35%～45%者有45亿吨。含矿建造为前寒武纪下元古界含铁石英岩，富铁矿石为新生代风化淋滤去硅作用形成。风化矿床中常见矿物高岭石kaoliniteAl4Si4O10(OH)8

伊利石illiteKAl2(Al,Si)4O10(H2O)(OH)2蒙脱石montmorillonite(smectite)Al2[Si4O10](OH)2.nH20叶腊石pyrophylliteAl2Si4O10(OH)2滑

石talcMg3Si4O10(OH)2硅酸镍矿nepouiteNi3Si2O5(OH)4水铝矿gibbsiteAl(OH)3一水铝矿boehmiteAl2O3.H2O针铁矿goethiteFeOOH

钒钾铀矿carnotiteK2(UO2)2(V2O8).3H2O辉铜矿chalcociteCu2S蓝铜矿azuriteCu3(OH)2(CO3)2孔雀石malachiteCu2(OH)2CO3铜蓝covelliteCuS

赤铜矿cupriteCu2O疏松多孔状褐铁矿矿石皮壳状褐铁矿矿石Népouite:(Ni,Mg)3(Si2O5)(OH)4针铁矿辉铜矿水铝矿孔雀石蓝铜矿铜蓝赤铜矿滑石滑石叶腊石高岭石高岭石伊利石蒙脱石蒙脱石钒钾铀矿钒钾铀矿风化矿床风化矿床的概念、工业意义风化成矿作用风化矿床的形成条件风化矿床的分类矿床的表生变化与次生富集风化作用1.溶解在溶液中的物质(硅酸镍,盐类)→可被搬运较远(沉积物的来源)2.原岩中化学性质较稳定的矿物(重砂矿物,如砂金,砂锡,铌钽砂矿)3.风化作用过程中形成的新矿物(粘土等)地壳表层的岩石和矿石在大气,水,生物等营力的影响下，发生物理的，化学的和生物化学的变化作用。风化作用产物风化作用类型物理风化冰楔植物根系冰川侵蚀化学风化溶解作用水合作用水解或酸解作用氧化作用阳离子交换作用生物风化生物微生物溶解作用水合作用CaSO4(anhydrite)→CaSO4.2H2O（gypsum）Al4Si4O10(OH)8(kaolinite)→Al4Si4O10(OH)8.nH2Ohydration作用致使H2O进入到粘土矿物的晶间结构之中，导致晶间结构膨胀，有利于矿物物理、化学分解。水解或酸解作用硅酸盐矿物水解，Si4＋以H4SiO4的形式在表层水溶液中迁移。Si4＋4H2O＝H4SiO4+4H+(1)Fe3+、Al3+溶液水解导致铁铝氢氧化物沉淀；Al3+3H2O＝Al(OH)3+3H+(2)氧化作用表生条件下，白云母远比黑云母稳定，原因在于：K+[(Al2)(Si3Al)O10(OH)2]-（muscovite）K+[(Mg2+,Fe2+)3(Si3Al)O10(OH)2]-(biotite)与白云母相比黑云母中有Fe2+（ferrousiron）,在氧化条件下，Fe2+→Fe3+

，导致黑云母矿物中电荷不平衡，使其不再稳定生物风化作用铁细菌：Fe2＋→Fe3＋硫细菌：S2-→SO42-还原硫酸盐细菌：SO42-→S2-元素迁移能力最易迁移(Kx=n·10～n·102)：Cl,Br,I,S；易迁移(Kx=1～n·10)：Ca,Mg,Na,F,Sr,K,Zn；迁移(Kx=n·10-1～n):Cu,Ni,Co,Mo,V,Mn,SiO2(硅酸盐中)，P；微弱迁移(Kx＜n·10-1：Fe,Al,Ti,Sc,Y,TR…几乎不迁移(Kx≈n×10-∞):SiO2(石英)风化壳水云母型风化壳粘土型风化壳红土型风化壳残留在原地基岩之上的疏松表层（或残积物层）称为风化壳。风化壳剖面是根据原岩硅酸盐矿物的分解程度来确定的，这种分解程度依据二氧化硅被淋滤的强度(风化壳中氧化硅和氧化铝的比值)来确定。据此可划分出三种类型：风化壳的分类特点风化壳特征标型矿物相关矿产水云母型风化壳原岩在水化和水解改造过程中，硅酸盐基本无很大迁移，硅铝饱和水云母、水绿泥石、以及少量蒙脱石、贝得石在这类风化壳中一般无重要矿产粘土型风化壳二氧化硅不足，它们相当多的被迁出风化壳，硅铝不饱和高岭石、多水高岭石、绿脱石、石英等与粘土及高岭土矿床有关红土型风化壳氧化硅从风化壳中大量迁出，风化壳中铝硅酸盐完全分解，氧化铝和氧化硅的联系完全破坏铝的氢氧化物(三水铝矿)，铁的氧化物和氢氧化物与风化壳中所有重要的残余矿床共生粘土型剖面红土型剖面风化壳的发育过程风化壳的演化与分带土壤层铁结核层结核状铁帽风化矿床风化矿床的概念、工业意义风化成矿作用风化矿床的形成条件风化矿床的分类矿床的表生变化与次生富集气候条件原岩条件1.决定风化壳的发育程度（速度）2.决定风化壳的成分地貌条件地貌条件对于风化作用能否彻底进行以及风化产物能否很好地堆积下来，是十分重要的外界条件。地形起伏不仅控制物质的侵蚀和堆积，还直接影响着地表水及地下水的运动状态，甚至还直接影响着降雨量的大小及气温的变化(例如在温暖或炎热地区的高山上仍终年积雪)，以及植被发育，土壤的覆盖厚度等。在不同的地貌条件下，其风化作用的速度、强度以及风化壳的地球化学特征均有差别。水文地质条件地质构造条件地貌景观最主要是由地质构造条件决定的。一般来说，在强烈褶皱区，地形高峻，不利于大规模风化矿床形成；只有当造山区经长期侵蚀达到较平缓的地貌或准平原环境时，才能形成大规模的风化壳矿床。在构造运动相对稳定的地台区，由于经受较长期的风化剥蚀作用，有利于大规模风化壳矿床的形成。古风化壳矿床往往产在长期沉积间断的不整合面上。如我国华北地台的奥陶系风化侵蚀面上的铁、铝等风化壳矿床。地质构造条件裂隙、裂隙带、破碎带等构造影响矿体的形态产状。如果裂隙带、破碎带发育，将增大风化作用的表面积和风化深度，因此这些构造带控制了“线型风化矿床”的位置和规模。在断块构造的下降盘，有利于风化矿床的保存。矿风化矿床风化矿床的概念、工业意义风化成矿作用风化矿床的形成条件风化矿床的分类矿床的表生变化与次生富集风化矿床的分类残积矿床残余矿床淋积矿床残积及坡积砂矿床岩石或矿石在风化过程中稳定矿物在原地风化壳中或在重力作用下在基岩露头下方富集而形成的矿床。矿体分布于风化壳及其坡积物中，有用矿物为原岩(矿石)中的稳定矿物，如自然金、锡石、黑钨矿、铌（钽）铁矿、水晶、重晶石等。形成条件a、基岩或原矿石中含化学性质稳定的有用矿物；b、化学风化作用强烈。砂金矿床砂金矿床-找矿标志砂金矿来自附近的原生金矿床或含金岩石，可以通过砂金追索、发现原生金矿。美国加利福尼亚地区（18-19世纪的淘金热）发现大量脉金矿体。美国内华达地区，19世纪开始是著名的砂金矿区，后发现了大量与第三纪火山岩有关的脉金，在六十年代又在老矿区周围发现了微细脉浸染型金矿-卡林金矿。我国黑龙江团结沟大型原生金矿、澳大利亚的维多利亚地区和扎伊尔的基洛-莫托区等金矿的发现也是通过砂金追索找到的。巴布亚新几内亚的两个世界级金矿床的发现也是通过追索、寻找砂金而于1982年先后找到的。残余矿床在风化过程中基岩中的稳定组分在风化壳内残留富集而形成的矿床。矿体分布于母（基）岩风化壳中、上部特定的带中；有用组分均属风化条件下的惰性元素（Fe、Al、REE等）；有用矿物是风化作用形成的稳定矿物（氧化物、氢氧化物及硅酸岩）星子残余高岭土矿床剖面图1.前震旦纪片岩2.花岗岩3.风化花岗岩4.由花岗岩风化而成的高岭土5.伟晶岩6.风化伟晶岩7.由伟晶岩风化成的高岭土巴西米纳斯吉拉富铁矿风化剖面淋积矿床镍呈离子状态进入溶液被风化层中的粘土矿物及针铁矿所吸附，或从胶体中直接沉淀，或者以镍离子取代蛇纹石晶格中的镁等方式，形成锰的氧化物，如：暗镍蛇纹石Ni4(Si4O10)(OH)4·4H2O；镍铝绿泥石(Ni、Fe、Al)6［(Si、Al)4O10］(OH)8；镍镁绿泥石(Ni,Mg)6(Si4O10(OH)8；含镍绿高岭石［(Ni、Fe)2(OH)2(Si4O10)·nH2O］沉淀，于是形成镍的富集，矿石中镍的含量达到1.8%～3.0%。风化矿床风化矿床的概念、工业意义风化成矿作用风化矿床的形成条件风化矿床的分类矿床的表生变化与次生富集

自上而下为：

-氧化带：位于潜水面以上，相当于渗透带。带内又可分出以下亚带（自上而下）：（1）完全氧化亚带—铁帽；（2）淋滤亚带；（3）次生氧化物富集亚带。

-次生硫化物富集带位于潜水面以下、停滞水面以上。相当于流动带。

-原生硫化物带位于停滞水面以下。相当于停滞水带。铜硫化物矿床的垂直表示分带示意图金属硫化物矿床的表生分带矿床在氧化带中的氧化、溶解和矿质沉淀作用在氧化带，矿床中的硫化物常发生强烈的化学变化。在氧化作用初期，硫化物分解，硫首先被氧化为硫酸（硫为“强烈迁移型”元素），使矿物转变为硫酸盐。例如ZnS（闪锌矿）+2O2→ZnSO4CuFeS2（黄铜矿）+4O2→CuSO4+FeSO4PbS（方铅矿）+2O2→PbSO4以上反应对于氧化带中各种金属元素的迁移，有着非常重要的意义，因为各种金属的硫化物基本上是不溶解的，但当它们被氧化成为硫酸盐后，大多数变得很易溶解，易被地下水、地表水搬运。在氧化带中，铅的硫酸盐溶解度特别小，而硫酸锌的溶解度特别大，因而在内生条件下密切共生的铅锌矿床，在表生条件下产生了强烈的分离。铁的硫化物，在氧化带的变化过程：铁的硫化物→硫酸亚铁→硫酸铁(水解)→氢氧化铁矿床在氧化带中的氧化、溶解和矿质沉淀作用硫酸亚铁转变为硫酸铁：2FeSO4+H2SO4+O→Fe2(SO4)3+H2O硫酸铁水解转变为氢氧化铁和褐铁矿：6FeSO4+3H2O+3O→2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3+2H2SO4Fe(OH)3→Fe2O3·nH2O（褐铁矿）铁的硫化物转变为硫酸亚铁：FeS2(黄铁矿)+7O+H2O→FeSO4+H2SO42Fe7S8（白铁矿）+31O2+2H2O→14FeSO4+2H2SO4铁帽含铁的硫化物矿床在氧化带中经多种作用，最后形成铁帽，其成分最常见的主要是褐铁矿。褐铁矿石是一种含有多种矿物的复杂混合物，主要组成有针铁矿、四方钎铁矿、水针铁矿、水赤铁矿等。在多数情况下，氧化物和含氧盐在氧化带中的变化程度不如硫化物强烈。但铁、锰碳酸盐矿床在氧化带也可发生强烈变化，形成类似与硫化矿床的铁帽。铁帽能形成铁帽的矿床都是在氧化带中不太稳定，容易发生化学分解，特别是各种金属硫化物矿床在氧化带中发育的铁帽最为普遍和注目。因此习惯上将原生矿床在地表氧化带经化学风化作用形成的次生变化和残留部分称为铁帽（有的称为矿帽）。铁帽是寻找原生矿床的重要标志。铁帽由于原生矿物遭受破坏和淋失，因而铁帽常是疏松的和多孔的，其孔洞形状有的与原生矿物相似：方形的孔洞，原来矿物为黄铁矿；方形具阶梯状的孔洞为方铅矿；板状的孔洞为辉钼矿；菱形的孔洞多为菱锰矿等等。铁帽构造具多样化，有多角状、放射状、蜂窝状、格状和海绵状等。因此，可利用孔洞形状和次生矿物的类型来推断原生矿石。a-规则花纹构造；b-多角状构造；c-放射状构造；（原生矿石为铅矿石），d-粗细胞构造（1-石英细脉；2-铁质蛋白石胞壁；3-褐铁矿空隙）；e-多孔海绵状构造（原生矿石为锌矿石），f-海绵格状构造；g-格状构造；h-一般构造（原生矿石为铜矿石）铅矿石锌矿石铜矿石不同硫化物矿石形成的不同构造的铁帽特征铁帽型金矿床，近些年引起了广泛重视。在长江中下游沿江地区发育的500多处铁帽中，目前已发现有约50个铁帽型金矿，金品位一般（5-20）×10-6，局部（200-600）×10-6；银品位一般（50-150）×10-6，局部2000×10-6。铁帽型金矿床氧化剖面自上而下一般分为四个亚带（1）上部贫金铁帽亚带（金淋失亚带）；（2）中下部富金铁帽亚带（金次生富集亚带）；（3）氧化—硫化物过渡亚带（含近代次生硫化物富集亚带）；（4）原生硫化物。铁帽型金富集部位，在剖面保存完整的情况下，聚集在中、下部，主要矿物有褐铁矿（针铁矿、水针铁矿、水赤铁矿）、石英（包括玉髓等硅质）、粘土类矿物。含金、银矿物主要呈充填晶隙、裂隙、空洞或包体以及被吸附的形式产出。自然界中也存在着“假”铁帽，是由某些含铁的岩石经风化作用形成的褐铁矿堆积而成或由外地迁移而来，其下面没有原生矿体。铁帽硫化物的次生富集作用从硫化物矿床氧化带淋滤出来的某些金属硫酸盐溶液渗透到潜水面以下，在还原环境中，以交代原生硫化物的方式生成次生硫化物，使矿石中某种金属的含量（品位）增加，从而提高矿石的工业价值，这一作用过程称为次生硫化物富集作用，发生这种作用的地带称为次生富集带。在次生硫化物富集带中，矿石的金属含量可比原生矿石高出几倍，甚至十几倍，使富矿石变得更富，使贫矿石或无工业价值的矿化岩石变得具有工业价值。次生硫化物富集示意图1.氧化带（a）完全氧化亚带：褐铁矿、石英、粘土（铁帽）（b）淋滤亚带：疏松多孔，褐铁矿、石英、石膏（CuPbZn的碳酸盐）（c）次生氧化物富集亚带：赤铜矿、黑铜矿、自然铜2.次生硫化物富集带：辉铜矿、铜蓝、黄铜矿及其他原生硫化物3.原生带硫化物的次生富集作用当硫酸铜溶液交代原生矿石中的硫化物时，便可产生辉铜矿、铜蓝等次生矿物，其反应式大体如下：硫化物的次生富集作用14CuSO4+12H2O+5FeS2（黄铁矿）→7Cu2S（辉铜矿）+5Fe