第四章矿物的形成

第1页共10页第1页共10页第四章矿物的成因一、形成矿物的地质作用二、矿物的演化三、矿物标型一、形成矿物的地质作用与矿物组合的概念这里有两个概念必须明确。（一）矿物形成作用类型矿物是自然作用的产物，其形成有着一定的物理化学条件。地质作用是形成矿物的最重要作用，按性质及能量来源的不同，一般将其划分为内生作用、外生作用和变质作用。1、内生作用：岩浆作用、伟晶作用、热液作用2、外生作用：风化作用、沉积作用3、变质作用：接触变质作用、区域变质及作用上述几种作用间经常存在着一些过渡性质的作用类型，如火山作用与沉积作用之间的火山沉积作用等。（二）矿物组合的概念不同或相同的自然作用在一定空间中可形成几种矿物，将这些矿物之间的关系称为组合关系，而将处于一定空间中的几种矿物的集合称为“矿物组合”。显然，矿物组合本身不具任何成因意义，它只表示矿物的空间联系。在一定的时空范围内和一定的物理化学条件下，由一定的自然作用所形成的几种矿物的集合，称为“矿物共生组合”。显然，共生在第2页共10页第2页共10页一起的矿物不仅满足“同空间”这个一般矿物组合的要求，其形成过程还应基本满足“同时间”、“同介质”、、和“同条件”这三个条件，即是在同一时空域发生的同一自然作用。如果处在一定空间范围内的几种矿物分别是在不同时间、或相同时间的不同介质在不同物理化学条件下形成的，这样的矿物组合称为“矿物伴生组合”。在近地表有时见到黄铁矿被褐铁矿包裹，褐铁矿是黄铁矿形成后的氧化产物，它们只不过是在近地表这个特定空间的伴生矿物而已。还应指出，有的矿物彼此间从不共生，或者说是“禁止”共生。如橄榄石绝不与石英共生，因为橄榄石属硅酸不饱和矿物，当有游离SiO2存在时，它必然要与橄榄石反应形成辉石族矿物，而不可能析离出来形成石英；同理，似长石、霓石也不能与石英共生。矿物共生组合的研究在探讨矿物岩石成因及指导找矿勘探方面具有重要意义，也有助于野外较简单地质体中矿物的鉴定。1.岩浆作用及其矿物组合岩浆作用是地下深处高温（700℃~1250℃）高压（n×10³Pa~3Gpa）下形成的岩浆熔融体在上侵运移过程中与周围环境不断交换能量及成分并逐渐冷却形成岩浆岩的地质作用。已知岩浆岩主要为硅酸盐质，极少数为碳酸盐质。它们主要来源于上地幔物质的部分熔或地壳物质的局部熔融。由于来源及成分不同，硅酸盐岩浆可分为：第3页共10页第3页共10页地质大学南京大学吉林大学超基性SiO245%基性SiO245~5345~52中性SiO253~6652~6552~63酸性SiO2666563碱性SiO2不足，Na2O,K2O高在各类岩浆岩中，最主要的造岩矿物有橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、普通角闪石、碱性长石、斜长石、黑云母、白云母、石英、霞石、白榴石等，常见的副矿物有榍石、磷灰石、锆石、磁铁矿、尖晶石、独居石等。岩浆岩成分不同，所形成的矿物种类、组合和含量则有明显差异。如超基性岩的主要矿物有橄榄石、辉石，副矿物有铬铁矿、自然铂、金刚石等，不含石英；基性岩的主要矿物有辉石和基性斜长石，副矿物为磷灰石、磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿等；中性岩的主要矿物有中性斜长石和角闪石，副矿物有磁铁矿、磷灰石、榍石和锆石等；酸性岩的主要矿物有石英、碱性长石、酸性斜长石及黑云母，副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿、电气石、绿帘石、独居石等。当岩浆喷发或溢流到地表时，温度、压力骤降，迅速冷凝固结，第4页共10页第4页共10页以致形成的火山岩中矿物颗粒细小，呈隐晶质甚至玻璃质，斑状结构，可见透长石、β-石英、鳞石英等高温的特征矿物。由火山喷气凝华形成的矿物有自然硫、雄黄、石盐等。根据大量研究和人工实验，鲍温（1922）提出玄武岩浆冷却过程中矿物结晶的两个系列（图23-2）。高温橄榄石钙长石斜方辉石培长石单斜辉石拉长石中长石角闪石奥长石黑云母钠长石低温碱性长石＋白云母＋石英图23-2鲍文反应原理示意图（据Klein&Hurlbut,1993）位于反应系列上部的矿物早结晶，结晶温度较高；位于反应系列下部的矿物晚结晶，结晶温度较低。两个系列中温度相近的矿物可以共生。这一原理称为“鲍文反应原理”。尽管岩浆结晶的实际情况要复杂得多，但鲍文反应原理基本上能够反映正常条件下硅酸盐岩浆中矿物结晶的实际情况和共生组合的总趋势。2.伟晶作用及其矿物共生组合第5页共10页第5页共10页伟晶作用是在地表下约3~8km的高温（约400~700℃）、高压（围岩压力大于内部压力）富含挥发分和稀有、放射性元素的残余岩浆体系中，形成伟晶岩及有关矿物的地质作用。伟晶岩的主要矿物与有关深成岩相似，如常见的花岗伟晶岩主要由钾长石、钠长石、云母、石英等矿物组成。常富含稀有元素和挥发性组分矿物，如绿柱石、电气石、天河石、黄玉、绿辉石、锂辉石、铌钽铁矿、褐帘石等矿物。伟晶岩体呈脉状或不规则状，常具有带状构造。矿物晶粒粗大或巨大，其云母可达数平方米，微斜长石单晶体可达百吨。由钾长石和石英共结交生常形成文象结构，在晶洞中可发育完好的晶簇，其中富集的稀有、稀土和放射性元素可以构成重要矿产。3.热液作用及其矿物组合热液作用是指在地下数千米到地表范围内来自不同源区、温度在500~50℃的汽水或热水溶液逐渐冷却或与围岩相互作用过程中形成矿物的地质作用。按来源不同可将热也划分成岩浆期后热液、火山热液、变质热液和地下水热液等主要类型。按温度不同将热液作用大致可划分成高温、中温、低温3种类型。1）高温热液作用的温度区间约在500~300℃，其中高于374℃时称气化作用，所形成的矿物组合以W,Sn,Mo,Bi,Be,Fe为特征。金属矿物主要有：第6页共10页第6页共10页黑钨矿、锡石、辉钼矿、辉铋矿、白钨矿、磁铁矿、磁黄铁矿、毒砂等，非金属矿物主要有：石英、云母、黄玉、电气石、绿柱石等。2）中温热液作用的温度区间在300~200℃，主要形成Cu，Pb,Zn的矿物组合和相应的矿床。金属矿物有：黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、自然金等，非金属矿物有：石英、玉髓、方解石、白云石、菱镁矿、重晶石、绢云母、绿泥石等。3)低温热液作用形成于200~50℃之间，主要形成以As,Sb,Hg,Ag为特征的矿物组合及相应的矿床。金属矿物有：雄黄、雌黄、辉锑矿、辰砂、自然银等，非金属矿物有：石英、玉髓、方解石、蛋白石、重晶石、高岭石、明矾石、蒙脱石、伊利石、沸石、绢云母等。4.风化作用及其矿物组合风化作用是指在地表或近地表的常温常压条件下，矿物和岩石受太阳能、大气、水及有机物的影响而发生机械破碎和化学分解，部分易溶组分（K,Al,Fe,Mn等）残留在原地或搬运到不远处堆积第7页共10页第7页共10页形成风化壳中新矿物和岩石的过程。在地表风化作用下，硫化物和碳酸盐最不稳定，硅酸盐、氧化物和自然元素最稳定。因此，风化壳中残留的矿物主要有：自然金、自然铂、金刚石、磁铁矿、石英、刚玉、金红石、锆石、石榴子石等；新生的表生矿物主要有：玉髓、蛋白石、褐铁矿、铝土矿、硬锰矿、水锰矿、高岭石、蒙脱石、孔雀石、蓝铜矿等。新生的矿物集合体常具有多孔状、皮壳状、钟乳状和土状等形态。在硫化物矿床氧化带中，孔雀石、褐铁矿等对化学风化新生矿物的形成颇具典型意义。一般，硫化物中的黄铜矿CuFeS2在风化过程中首先分解为CuSO4和FeSO4溶液，当CuSO4与富碳酸的水溶液或碳酸盐岩发生反应时，形成孔雀石Cu2[CO3](OH)2;而FeSO4极易氧化为Fe2[SO4]3,后者又易水解为氢氧化铁Fe(OH)3胶体，其凝聚后即形成了褐铁矿Fe2O3·nH2O。5.沉积作用及其矿物组合地表风化作用产物及火山喷发物被流水、风、冰川和生物等搬运至适合环境沉积下来，形成新的矿物或矿物组合的地质作用。它包括机械作用、化学沉积、胶体沉积和生物化学沉积等类型。1）机械沉积机械沉积指风化壳或火山喷发物中的矿物岩石碎屑被各第8页共10页第8页共10页种外营力搬运过程中，由于搬运介质的速度降低，矿物按颗粒大小、密度高低先后沉淀的作用。机械沉积常形成大量石英、长石及少量高密度稳定矿物的堆积，但一般不形成新矿物，而只构成新的矿物组合。自然金、金刚石、金红石、锡石、黑钨矿、锆石、硬玉、独居石等在机械沉积物中可富集成砂矿。2）化学沉积指溶解有大量化学元素的地表水或地下水溶液在运动过程，由于水分蒸发、浓度增高、易溶盐类达到过饱和时发生发生的矿物结晶作用。化学沉积主要发生在内陆湖泊或封闭海湾中，形成磷酸盐、硫酸盐、硼酸盐、硝酸盐及卤化物等易容盐类矿物，主要有石膏、芒硝、石盐、钾盐、光卤石、硼砂等。盐类矿物通常依溶解度由小到大依次晶出。3)胶体沉积含有大量1~100nm晶质或非晶质微粒的地表水或地下水（胶体溶液）在运动过程中，因电解质中和而发生的凝聚沉淀形成胶体矿物的作用。海盆地、湖泊和沼泽是主要的胶体沉积场所。常见的胶体矿物有赤铁矿、铝土矿、软锰矿、硬锰矿等氧化物和氢氧化物。4)生物化学沉积第9页共10页第9页共10页指在生物新陈代谢作用下，通过复杂生物化学反应形成生物成因矿物或生物骨骼堆积形成生物矿物的作用。磷块岩中的磷灰石、部分沉积赤铁矿的形成多与生物化学作用，特别与细菌作用有关。硅藻土中的蛋白石、贝壳灰岩中的方解石则是生物遗体沉积。6.接触变质作用及其矿物共生组合指岩浆侵入围岩后与其发生物质或能量的交换而使接触带岩石的矿物组成和结构发生变化的地质作用。按侵入体与围岩间有无元素交换，又分为接触热变质和接触交代变质两种作用。1）接触热变质作用指岩浆与围岩接触时，围岩受岩浆高温烘烤而使其原有矿物重结晶（如石灰岩变为大理岩，颗粒变粗）或生成一些与围岩成分相关的新矿物（如泥质岩中的红柱石和堇青石）的作用。该作用发生在围岩部分，即外接触带。2）接触交代作用指岩浆侵入围岩时，侵入体与围岩交换某些组分并发生化学反应而形成新矿物的地质作用。该作用发生在侵入体内外接触带。常见中酸性侵入体与碳酸盐接触时，侵入体富含SiO2和Al2O3及挥发性组分的气体和溶液进入碳酸盐岩，而碳酸盐岩中部分CaO和MgO组分被带出而进入侵入体，发生双交代作用，形成矽卡岩（skarn）。当碳酸盐岩富镁时，如为白云岩或白云质灰岩，形成由镁橄榄石、尖晶石、透辉石、镁铝榴石及后期热液蚀变的硅镁石、第10页共10页第10页共10页斜硅镁石、蛇纹石、金云母等组成的镁质矽卡岩；当围岩为富钙的灰岩时，则出现由钙铝榴石、钙铁榴石、透辉石、钙铁辉石、硅灰石、方柱石、符山石后期热液蚀变的透闪石、阳起石、绿帘石、绿泥石等组成的钙质矽卡岩。接触交代作用可形成磁铁矿、黄铜矿、白钨矿、辉钼矿、方铅矿、闪锌矿等矿物的富集，构成相应的矽卡岩矿床。矽卡岩形成温度一般为600~400℃，深度一般不超过地下4.5km。7.区域变质作用及其矿物组合指伴随区域构造变动而出现的高温（200~900℃）高压（3-12KPa~0.1-1.0GPa）及以H2O和CO2为主要活动组分的流体使原有岩石的结构构造和矿物组成发生大规模变化的作用。区域变质作用的温度和压力变化范围很大。按温压条件的不同可分为高、中、低3级区域变质作用。变质矿物的种属由原岩化学成分及变质程度所决定。低级区域变质作用主要形成白云母、绿帘石、绿泥石、阳起石、蛇纹石、滑石、黑云母等含（OH）¯的硅酸盐矿物；中级区域变质主要形成角闪石、斜长石、石英、石榴子石、透辉石、云母、绿帘石等；高级区域变质主要形成高温高压下稳定的不含（OH）¯的矿物，如正长石、斜长石、辉石、橄榄石、石榴子石、刚玉、尖晶石、矽线石、堇青石等。