礦床學04氣水熱液礦床中南大學+地質(zhì)工程專業(yè)A方向76

1、礦 床 學中南大學地質(zhì)工程專業(yè)A1第四章氣水熱液礦床概論24.0 簡介地質(zhì)作用會產(chǎn)生熱的水質(zhì)流體,它們的溫度變化大,可以從650到50。水的臨界溫度為374,天然的熱水溶液因含有溶質(zhì),臨界溫度估計可以到400。34如果流體的溫度在臨界溫度以上，則不論壓力多么高，礦質(zhì)的搬運和沉淀都是在氣相中發(fā)生的，這種流體應該叫氣態(tài)溶液，或者氣化溶液，形成的礦床叫氣成礦床。如果溫度在臨界溫度以下，則沉淀礦質(zhì)的溶液很可能是液態(tài)溶液，因為在地殼里壓力一般都比臨界壓力大得多；這種流體可以叫液態(tài)溶液，形成的礦床叫熱液礦床。5通常把熱的水質(zhì)流體籠統(tǒng)地叫熱水溶液,簡稱熱液。含礦質(zhì)的叫含礦熱水溶液或礦液,所形成的礦床叫熱液礦

2、床。熱液礦床是由沿著地殼中的通道流動的含礦熱水溶液,把不溶解的礦質(zhì)在一個有限的地方堆積起來形成的。64.1 氣水熱液的來源4.1.1 現(xiàn)代與古代熱水溶液熱水溶液存在的證據(jù) 我們找到了熱液礦床,沉淀礦床的熱液早已流逝。熱液的痕跡有時可在礦物中微小的包裹體中找到,例如對石英、閃鋅礦、方解石、螢石等礦物中微小流體包裹體的研究就獲得了許多關(guān)于熱液性質(zhì)的信息。流體包裹體的分析使我們知道盡管熱液在濃度和成分方面變化很大,但它們都是鹽水。71979年，美國的“阿爾文”號載人深潛器在2610米至1650米的東太平洋海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)數(shù)十個冒著黑色和白色煙霧的“煙囪”，附近出現(xiàn)大規(guī)模的硫化物堆積丘體。從直徑為15

3、厘米的煙囪中，約350C的含礦熱液以每秒幾米的速度噴出。礦液剛噴出時為澄清溶液，與周圍海水混合后，很快產(chǎn)生沉淀，變成“黑煙”，沉淀物主要是磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦及其它銅鐵硫化物。這些堆積柱體被形象地稱為“黑煙囪”。8近年來在探測地熱資源的過程中發(fā)現(xiàn)了許多天然熱液，如美國加利福尼亞州的SaltonSea，蘇聯(lián)里海旁邊的Cheleken，我國臺灣東部一些地區(qū)等等；在紅海海底還發(fā)現(xiàn)了熱的鹽水池，它們的溫度常常很高，鹽分和礦質(zhì)的濃度也很大。9目前全球已發(fā)現(xiàn)100多個“黑煙囪”分布區(qū)，大多分布在10004000米的海底深處。1011121314分析對比這些來自完全不同方面的資料，我們意外地發(fā)現(xiàn)，包裹體

4、中所保存的成礦流體與今天在地熱系中見到的流體，在化學上有很多相似之處。這可能反映了它們在成因上的某些相似性，也啟示我們，要想對成礦流體有更多更詳細的認識，研究和類比近代地熱系，也是一種重要的途徑。154.1.2 熱水溶液的成因類型熱水溶液可按成因分成三類:(1)巖漿水(原生水)；(2)變質(zhì)成因水；(3)天水或滲流水、深部循環(huán)水。16(1)巖漿起源的熱水溶液巖漿含水的依據(jù):(1)火山噴汽和其它噴流現(xiàn)象；(2)快速噴溢和冷凝的熔巖中的含水量；(3)巖漿巖中的含水礦物的廣泛存在；(4)高溫條件下水與硅酸鹽混熔的實驗；(5)水和其它流體的存在降低源巖重熔溫度。17巖漿中揮發(fā)性物質(zhì)以水為主，此外還有H2

5、S、HF、HCl、CO2、CO和重金屬的鹵化物，大約占105%。在地下深處，即在受到相當大的壓力時，揮發(fā)性組份溶解在非揮發(fā)性物質(zhì)的熔漿中。18巖漿中水和其它揮發(fā)份的含量受以下因素的控制:(1)巖漿成分，熔體內(nèi)水的溶解度與鹼的含量有直接關(guān)系。(2)壓力，水的溶解度隨水蒸氣壓力的增高而增大，在高壓下，硅酸鹽熔體內(nèi)水的溶解度相當大。(3)溫度，水的溶解度隨溫度的增高而減小。19根據(jù)肯尼迪等人對在高溫、高壓條件下，水在SiO2熔融體中溶解度的實驗研究表明:在壓力為9.7l08Pa(9.7千巴)，溫度為1080時，出現(xiàn)上臨界點。此時，水在SiO2熔融體中的溶解度達25%(重量)。如果超過此臨界點，則水與

6、SiO2熔融體可發(fā)生完全混熔，即出現(xiàn)一個統(tǒng)一的巖漿熔融體。在上臨界點之下，含水的硅酸鹽熔融體，才可分熔為一個富水相和一個富硅酸鹽相，而這兩個相各自沿著冷卻結(jié)晶曲線演化，最終都可分出熱液。2021(2)變質(zhì)起源的熱水溶液變質(zhì)水是巖石在深部受增溫、增壓作用發(fā)生變質(zhì)時形成的。在未變質(zhì)和變質(zhì)輕微的沉積巖中，存在著孔洞水、薄膜水、毛細管水、礦物間隙水和礦物內(nèi)的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。以粘土礦物高嶺石為例，它的化學式為A12Si2O5(OH)4，用實驗式表示為A12O52SiO22H2O，含水14%。所有這些形式的水，數(shù)量上可以達到巖石總重量的30%，甚至更多一些。22巖石受到變質(zhì)，這些水就被排除，最初巖石中的游

7、離水很快的減少，變質(zhì)加深溫度超過300時，所有其余形式的水也會排出。在變質(zhì)很深的巖石中，保存下來的各種形式的水含量很少超過12%。23據(jù)計算，假如泥質(zhì)沉積巖的密度為2.5，水含量為5%，變質(zhì)時失去大部分水，變?yōu)楹?%的變質(zhì)巖，則1立方公里的泥質(zhì)沉積巖可以放出一億噸水。顯然，巖石在變質(zhì)過程中能產(chǎn)生大量的水，足以形成水溶液。變質(zhì)水的分離和運移大多發(fā)生在深度小于5公里的地方，在更深的地方由于壓力大，溫度高，全部水會從變質(zhì)巖中被趕出。所以在5公里以下的地方往往只有巖漿水存在。24(3)天水、滲流水、海水、深部循環(huán)水起源的熱水溶液自由循環(huán)的天水可以在適當?shù)乃牡刭|(zhì)條件下滲入地殼深部，既可由于地球內(nèi)部的

8、熱也可由于深部巖漿的熱，使它們成為熱水溶液。在一些近代火山活動地區(qū)，?？煽吹奖粠r漿或火山氣體所加熱的在深部循環(huán)的滲流水。2526274.1.3 熱水溶液起源的判斷熱水溶液的起源極難判斷。有人致力于同位素化學方面來解決這個問題。組成水的兩種元素氫和氧都有一種以上的穩(wěn)定同位素。不論什么時候水的狀態(tài)發(fā)生變化，例如水的蒸發(fā)，或者發(fā)生了化學反應，同位素組成就要發(fā)生變化，水里的H/D和18O的比值也就改變。由于交換和分餾，三種水都有特征性的同位素成分。不同類型水的同位素成分是不同的。28294.2 熱水溶液的運移4.2.1 熱水溶液流動的通道熱水溶液沿著巖石中的互相連通的空隙流動。巖石中的空隙主要包括：裂

9、隙和孔隙。301。裂隙包括構(gòu)造裂隙和非構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙指地殼運動所產(chǎn)生的斷裂和裂隙：如斷層、節(jié)理、劈理、片理等；非構(gòu)造裂隙如風化裂隙、崩塌角礫裂隙、礦物結(jié)晶形成的裂隙、溶解空隙等。構(gòu)造裂隙對熱液運移和礦質(zhì)的沉淀有著最重要的意義。312。孔隙巖石中的孔隙有好多種：同生孔隙，如造巖礦物的粒間孔隙、層面孔隙、火成巖的晶洞和氣孔等；后生孔隙，如溶解孔隙、溶洞、層間和層內(nèi)剝離孔隙、巖石的構(gòu)造裂隙和斷裂等。巖石的孔隙度是全部孔隙的體積與巖石體積之比，用百分比表示?？紫抖鹊淖兓秶艽?，常見巖石的平均空隙度為:花崗巖0.5%(體積%)，片麻巖1%，石英巖1%，灰?guī)r5%，砂巖15%，砂20%。32對于熱水溶液

10、在巖石中的流動來說，有意義的不是孔隙度而是有效孔隙度。有效孔隙度是液體能在其中流動的相連通的孔隙體積與巖石體積之比。熱液流經(jīng)的巖石的有效孔隙度會發(fā)生變化。在成礦前，常常由于溶解和蝕變而增大，例如花崗巖鈉長石化后，有效孔隙度由0.5%增加到6%，石灰?guī)r矽卡巖化后，由0.40.9%增加到2.55%；在成礦階段，因礦石礦物和脈石礦物充填，有效孔隙度又重新減小。33滲透性指巖石能讓液體或氣體從其中通過的性能。滲透性由連接起來的孔隙的大小和形狀決定。所以滲透性與孔隙度是不一致的。孔隙度高的粘土巖滲透性并不好；而孔隙度較低的砂巖滲透性良好。很多熱液礦床很大，礦石儲量可達數(shù)千萬噸，形成這些礦床的成礦溶液的體

11、積顯然也是巨大的，這就需要有良好的通道。344.2.2 熱水溶液流動的原因大多數(shù)熱液礦床是由上升熱液形成的。熱液上升的原因如下:1.壓力差(水頭)。2.密度差。3.溫度差。354.3 熱水溶液的組份及其來源4.3.1 組分水：氣水熱液的主要組分是水；揮發(fā)份：揮發(fā)份還包括鹵素、S、B、P、CO2等，也可能存在有機揮發(fā)物質(zhì)；36基本組分：基本組分是Na，K，Ca，Mg，Sr，Ba，Al，Si及Cl-，F(xiàn)-，SO42-等成礦元素：金屬成礦元素主要有銅、鉛、鋅、金、銀、錫、銻、鉍、汞等，過渡性元素鐵、鈷、鎳等，以及鎢、鉬、鈹、稀土、鈾、銦、錸等。374.3.2 成礦物質(zhì)來源熱液中成礦元素的來源是多方面

12、的，但可以歸結(jié)為兩類：一種是來源于形成熱液的源巖，如形成巖漿熱液的巖漿體系、形成變質(zhì)熱液的巖石；另一種是來源于熱液流經(jīng)的圍巖。381。巖漿中含有少量的硫和Cu、Pb、Zn、Mo、Ag等成礦元素，它們在巖漿的結(jié)晶過程中，較難進入造巖礦物的晶格，所以會在剩余的巖漿中逐步富集。巖漿發(fā)生水過飽和時分出獨立的水相，這些礦質(zhì)也要遵循分配定律，一部分留在剩余巖漿中，一部分進入分出的水相，形成含礦的水溶液。越到巖漿演化的后期，剩余巖漿中水質(zhì)和礦質(zhì)也越多，也就更容易形成含礦的熱水溶液。392。熱水溶液也能從其流過的巖石中收集造礦重金屬元素。成礦元素（如鉛、鋅、鉬和銀等）在地殼中的豐度低于0.01%，屬微量元素，

13、它們在巖石中通常很少形成獨立礦物，而是有三種賦存狀態(tài)：類質(zhì)同象替換礦物晶格中的某些元素；礦物表面及裂隙中的微細顆粒；被礦物吸附裹在礦物晶體的外面 。40熱液與其流過巖石時，可以發(fā)生許多種反應，如在主礦物溶解和再結(jié)晶的時候，靠簡單的離子交換反應就能放出其中所含的成礦元素。 成礦物質(zhì)的來源問題是一個復雜的問題，有一種方法是利用穩(wěn)定同位素進行研究。如S、Pb同位素。414.4 熱水溶液搬運礦質(zhì)的方式大多數(shù)熱液礦床的礦石礦物是硫化物，它們的共性之一就是在水溶液中的溶解度非常低。根據(jù)一些實驗資料，硫化物的溶解度一般在n10-5到n10-8之間。由于金屬硫化物的溶解度異常低，要形成硫化物礦體，需要多得不可

14、估量的水，據(jù)估算要想沉淀幾噸硫化銅礦石，就需要整個地中海那么多的水，這當然是不可能的。42為了回答這個疑難，有人提出了礦質(zhì)是以礦物膠體溶液的方式搬運的假說。但巖漿房中能否生成膠體溶液，礦物膠體溶液在由巖漿房到巖石沉淀地方長途搬運能否避免聚沉，都是很值得懷疑的。人們很久就想解釋熱液如何能同時搬運大量的金屬和硫而又不發(fā)生沉淀。43一個世紀前，有些人提出假說，礦質(zhì)的搬運營力是“礦化劑”。礦化劑是一種組成不固定的物質(zhì)，它能增加硫化物的溶解度，能搬運硫化物，但不參于形成硫化物礦石，硫化物的礦化劑到底是種什么物質(zhì)，它的作用和機理如何，也多限于設(shè)想和推測。44大約在30年前，人們開始重視礦質(zhì)是否能以絡合物質(zhì)

15、的方式被搬運?在熱水溶液中可能有兩類絡合物質(zhì)最為重要：第一類是硫化物、硫氫化物的，第二類是氯化物的。45如果熱液中含硫很多，就能形成諸如Co(HS)+、HgS(H2S)2、Zn(HS)3-等等硫氫化物絡合物質(zhì)以及(HgS2)2-、SbS43-、MoS42-等等硫化物絡合物質(zhì)。在富氯的溶液中，能夠形成氯化物絡合物質(zhì)，如象(CuC13)2-、(SnC16)2-、(SbC16)-、ZnC12、FeC13、(AgC14)3-等等。溶液中硫離子的濃度很低時，可以這種方式搬運大量金屬。464.5 熱水溶液中礦質(zhì)的沉淀4.5.1 礦質(zhì)沉淀的可能途徑 礦質(zhì)集中沉淀才能形成礦床。至少有四種變化能引起熱液中礦質(zhì)的

16、沉淀:溫度變化；壓力變化；熱液與通道巖石之間化學反應引起的熱液化分上的變化；不同成分的熱液互相混合引起的變化。47(1)溫度變化引起沉淀熱水溶液的溫度變化會影響礦物的溶度積，影響搬運礦質(zhì)的絡離子的穩(wěn)定度和影響配位體的離解常數(shù)，從而導致沉淀。在大多數(shù)情況下，溫度的下降會引起物質(zhì)溶解度的降低，使礦液過飽和，沉淀出礦石礦物。48(2)壓力變化引起沉淀壓力變化會影響礦物的溶解度，但壓力變化的效應也不大，象1000巴那樣大的壓力變化才能導致重要的沉淀。如果有獨立的蒸氣相從熱液中分出，沸騰會增加溶液的濃度，但更重要的是使揮發(fā)性組份從溶液中除去，HF、HCl、H2O等的減少，使剩余溶液的堿度增大，搬運金屬的

17、能力降低。49(3)熱液與巖石反應引起沉淀熱液必然會和它穿過的巖石發(fā)生化學反應，這是引起沉淀的一個重要原因，證據(jù)是礦產(chǎn)與特定的蝕變巖石伴生。有三類化學反應格外重要。 50第一類是熱液中的H+與圍巖中的礦物發(fā)生交換反應。熱液多半是弱酸性的，氫離子交代圍巖的結(jié)果，會降低氯化物絡合物的穩(wěn)定度，導致硫化物的沉淀。最普通的消耗氫離子的反應是碳酸鹽的溶解，長石的水解和鎂鐵質(zhì)礦物轉(zhuǎn)變成云母或粘土礦物。第二類是使圍巖組份進入溶液的圍巖蝕變反應。一個明顯的例子是還原硫的加入，例如黑色頁巖中的H2S或來自黃鐵礦的S2-，S2-的加入，會引起硫化物立刻沉淀。51第三種化學反應會改變?nèi)芤旱难趸€原狀態(tài)，使某些元素如C

18、u、U和V發(fā)生電價的變化，或使某些絡離子的穩(wěn)定性發(fā)生變化。有兩類作用會影響氧化還原狀態(tài)，一類是蛇紋石化引起的氧化作用，另一類是碳質(zhì)加入產(chǎn)生的還原作用。碳質(zhì)不僅會影響溶液中的金屬的氧化狀態(tài)，還會使溶液中的(SO4)2-還原為H2S。這與從外界加入還原硫所產(chǎn)生的效果是一致的。52(4)不同成分熱液混合引起沉淀熱液與另一種成分的溶液相混合，是形成礦床的一種普遍原因?；旌虾鬅嵋旱臏囟龋瑹嵋旱幕瘜W成分都發(fā)生了重大的改變，終于導致了礦質(zhì)的大量沉淀。534.5.2 礦質(zhì)沉淀的方式一種是充填，另一種是交代。1.充填充填作用是在已有的空洞中發(fā)生的礦物沉淀過程。其特點是：54礦體形態(tài)決定于原有孔隙的形態(tài)，一般呈脈

19、狀、與圍巖界限清楚。礦體中礦物沉淀的順序通常從兩壁向中心生長，其發(fā)育的晶面指向熱液的供應方向。充填作用形成的礦石，可具有梳狀、晶簇狀、對稱帶狀、角礫狀及同心圓狀等構(gòu)造，為識別標志。55562.交代實質(zhì)上是一種同時進行的溶解和沉淀過程，新礦物用這種方式替換原先存在的礦物，新礦體集合體替換了以前存在的巖石。 A.特點:57礦體外形不規(guī)則，礦體和圍巖界線不清楚，呈過渡關(guān)系；礦體中常含有未被交代的圍巖殘余；礦體中往往可以保存原來巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造；某些交代礦物晶體不受生長空間的限制，可長成完整的晶體；可以產(chǎn)生假象礦物。5859B.類型:擴散交代作用：分子或離子通過濃度差移動；滲濾交代作用：組分通過壓力差進

20、行遷移。604.6 圍巖蝕變4.6.1 研究圍巖蝕變意義巖石在氣水熱液作用下，發(fā)生一系列舊礦物為新的更穩(wěn)定的礦物所代替的交代作用，稱為圍巖蝕變。理論意義：研究蝕變圍巖能了解成礦時的物理化學條件，成礦熱液的性質(zhì)及其變化，礦物沉淀的原因，分布的規(guī)律，從而解決礦床的成因，豐富并發(fā)展成礦理論。61實際意義：圍巖蝕變是一種重要的找礦標志，雖然蝕變巖石并不都伴生礦床，但是所有的氣成熱液礦床都有明顯的圍巖蝕變現(xiàn)象。在沒有發(fā)生圍巖蝕變的地方，一般是不會有熱液礦床存在的。蝕變圍巖圈定了可能發(fā)生礦化的總界線，在這條線以外，很難發(fā)現(xiàn)熱液礦床。624.6.2 蝕變圍巖的命名蝕變圍巖有好幾種命名的方法。1.根據(jù)蝕變巖石

21、的主要礦物來命名，如絹云母化、綠泥石化、鈉長石化，這是最早采用的命名方法。2.以常見的蝕變礦物共生組合來命名，如云英巖化、矽卡巖化、青(綠)盤巖化，這與根據(jù)常見造巖礦物共生組合給巖石命名的辦法一樣。3.用蝕變過程中從熱液加入的元素來命名，如硅化、鈉化、鉀化、鎂質(zhì)交代，石英化、蛋白石化、玉髓化都是硅化；鉀化反映在礦物上可以是形成黑云母、鉀長石或(和)其它含鉀礦物。634.6.3 圍巖蝕變的主要類型圍巖蝕變的種類很多，蛇紋巖石、滑石碳酸鹽化、青盤巖化(變安山巖化)、綠泥石化、黑云母化、云英巖化、電氣石化、鈉長石化、絹云母化、黃鐵絹英巖化、鉀長石化、次生石英巖化、硅化(蛋白石化、石英化)、碳酸鹽化(

22、方解石化、白云石化)、重晶石化、明礬石化、葉蠟石化和高嶺石化(粘土化)都是常見的蝕變類型。644.7 氣水熱液礦床的礦化期、礦化階段和礦物生成順序熱液礦床的形成常常是在一個相當長的時間內(nèi)，由含礦熱液多次反復作用形成的。它與持續(xù)的、階段性的構(gòu)造活動，以及與物理化學條件不斷變化過程有關(guān)。因此在熱液成礦作用中常表現(xiàn)為多期性和多階段性。一般可劃分為若干礦化期(或成礦期)和礦化階段(或成礦階段)。654.7.1 礦化期礦化期代表一個較長的成礦作用過程，它是根據(jù)顯著的物理化學條件變化來確定的。例如有的礦床在氣化一高溫熱液條件下，形成一系列的硅酸鹽和氧化物礦物，這樣可劃分出硅酸鹽期和氧化物期兩個礦化期。但并

23、非每一個熱液礦床都能劃分出礦化期，只有那些成礦時間長，發(fā)育完全的礦床才能分出，每一礦化期中又可包括若干個礦化階段。664.7.2 礦化階段1概念：礦化階段代表一個較短的成礦作用過程，表示一組或一組以上的礦物在相同或相似的地質(zhì)和物理化學條件下形成的過程。礦化階段是與構(gòu)造裂隙的階段性發(fā)育及與此有關(guān)的含礦熱液的間歇性活動有關(guān)。每一個礦化階段代表一次熱液的活動，也是代表較小的時間間隔內(nèi)，物理化學條件變化不大的一次成礦作用。67由于構(gòu)造作用和物理化學條件的變化，因此早階段的礦物往往被后階段生成的礦物穿插交代。在任何一個熱液礦床中，礦化階段?？杀粍澐殖鰜?。這是因為每一個礦化階段之間有一定的時間間隔和物理化學條件稍有變化的緣故。682劃分不同礦化階段的標志有:1)早階段被晚階段礦脈交截，被截部分常有位移現(xiàn)象，2)早階段礦石經(jīng)破碎并角礫巖化，被后階段礦物所膠結(jié)，有時有不同程度的交代現(xiàn)象!3)具明顯的交代蝕變作用，早階段形成的礦物被交代蝕變成另一種礦物，如陽起石或透輝石蝕變成綠泥石及碳酸鹽。694.7.3 礦物的生成順序1概念在同一礦化階段中不同礦物結(jié)晶的先后順序叫做礦物的生成順序。在熱液礦床中礦物沉淀的先后順序從屬于地球化學的規(guī)律性。在一般情況下，生成順序符合