矿床学02成矿作用总论（中南大学+地质工程专业A方向）39.ppt

1、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

2、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

3、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（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。,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

4、的分散或集中，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。,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。,2.2

5、 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、

6、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

7、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

8、 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,元素分布量与矿床品位、储量、规模要求的关系,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，

9、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。,(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。,(3) 电负性： 指原子在分子中吸引电子的能力，是元素电离能（I

10、A）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。,成矿物质来

11、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。 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。,2) 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。,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 空间：有利的构造条件（圈闭构造）、容矿空间（

12、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。,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。

13、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O22S + 2H2O (气) (气) (固) 2FeCl3十3H2OFe2O3十6HCl (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

14、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

15、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。,4. 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。,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。,2.5 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