表生环境中的风化-沉积矿床

第七章表生环境中的风化-沉积矿床第一节风化(壳)矿床和原生矿床的表生变化一、概述地壳昀表层的岩石或矿石，在大气、水、生物等营力长时期的作用下，遭受破坏并引起矿物成分和化学成分变化，即发生风化作用。风化作用的结果，使岩石或矿石被分解为3种主要组分：①溶解在地表水体等溶液中的物质；②原岩中化学性质较稳定的矿物；③形成新矿物。这3种主要组分，即风化产物，可以在原地或附近富集形成风化壳，也可被水介质等地表营力搬运较远距离而发生沉积作用。风化（壳）矿床指地表在风化作用下形成的，质和量都能满足工业要求的有用矿物堆积的地质体。换言之，由风化壳中的风化产物所形成的矿床称为风化矿床。按风化作用的性质不同，一般可将风化矿床分为机械风化矿床和化学风化矿床。机械风化矿床包括残积及坡积矿床，是裸露于地表的岩石或矿石主要遭受物理风化作用，形成单矿物和含矿岩石的碎屑物，其中可溶物质和较轻的物质被地表水、地下水或风力带走，而大量较重的难溶物质、岩块或矿块则残留下来，当其中有用物质的含量和规模达到工业利用价值时，便成为残积矿床。当那些残积的有用物质由于剥蚀作用和重力作用沿山麓斜坡向下移动并在山坡上积聚起来时，便形成坡积矿床。在多数情况下，残积矿床和坡积矿床之间逐渐过渡，因此，又可统称为残坡积砂矿床。这类矿床的组分主要是原岩分解后留下来的化学性质稳定的有用矿物和岩石碎屑，多呈棱角状，无分选或分选很差；矿石呈松散状，无明显层理，且品位多较高。主要的残积和坡积矿床有砂金、砂锡、铌钽砂、金刚石砂、独居石砂、钛铁矿砂矿床等，工业价值较高，其中残积铌钽砂矿床是目前铌、钽的重要来源。此外，残积、坡积砂矿床还是寻找原生矿床的有用标志。化学风化矿床包括残余矿床和淋积矿床。出露地表的岩石和矿床经受化学风化作用或生物风化作用后，易溶组分被地表水或地下水带走，难溶组分在原地彼此相互作用，或者单独地从溶液中沉淀出来，形成一些表生难溶的矿物残留在原地表部，其中有用组分达到工业要求时，即为残余矿床；如果风化壳中某些易溶物质被带到风化壳下部的潜水面附近沉淀下来，或通过地下水与岩石或矿石的相互作用形成的矿床称为淋积矿床。残余矿床主要有残余型粘土（高岭土、蒙脱土）矿床、残余型（红土型）铝土矿床、残余型（红土型）铁矿床、残余型锰矿床、残余型稀土矿床和红土型金矿床等；淋积型镍矿床和淋积型铀矿床等具有重要意义。残余型和淋积型风化矿床具有重要的工业意义。例如，随着红土型镍矿床的发现和利用，镍金属储量迅速增长了4倍多。目前，这类巨型的风化镍矿床占全部镍储量的50%以上。再如，红土型铁矿不但规模大，矿石品位高，埋藏浅，而且矿床中还第七章表生环境中的风化-沉积矿床187含有铬、锰、镍、钴和钒，成为冶炼优质合金钢的“天然合金矿石”。又如，闻名于世界的我国陶瓷工业主要原料的高岭土，也是来自风化矿床。此外，残余型铝土矿床、稀土矿床和金矿床，均有重要的经济价值。风化矿床大部分都是近代形成的，因此，它们经常出露于地表，埋藏浅，便于开采；矿床分布范围与原生岩石或矿体出露的范围一致或相距不远，往往是沿现代丘陵地形呈覆盖层状分布，多为面型矿体，底部界限不规则，有的情况下矿体沿裂隙风化带、岩溶漏斗分布，则呈线型或脉状、巢状、漏斗状等不规则形态；矿体常直接位于长期风化的侵蚀面上，向深处逐渐与母岩过渡，不少矿床具有垂直分带剖面。风化矿床的矿石矿物大多为氧化物、含水氧化物等，还有碳酸盐、硅酸盐、磷酸岩及其他含氧盐和自然元素（如自然金等），它们都是在表生条件下比较稳定的矿物。这些矿物有的是原岩中残留下来的，有的则是残余组分相互作用新形成的。矿石的化学成分往往比较复杂，如残余型铁矿除Fe外，Cr、Mn、Co、V也可利用；残余型镍矿除Ni外，常含较高的Co、Mn、Fe。大多数风化矿床的规模不大，个别也有大型和特大型，如新喀里多尼亚岛上的面型风化壳钴镍矿床，分布面积达7000~8000km2；我国西南地区的风化壳型镍矿床，断续延伸达100km以上。二、重要矿床类型1.残余型高岭土矿床江西星子高岭土矿床产在花岗岩、花岗伟晶岩的风化壳中，矿床的底部界限不规则，矿体呈透镜状或漏斗状，向深处逐渐与母岩过渡（自上而下依次为由花岗岩风化形成的高岭土－风化花岗岩－花岗岩）。矿石成分以高岭石为主，含少量水云母，其他粘土矿物较少，一般Fe2O3不超过0.7%~1%。矿石质纯者颜色洁白，若受氧化铁污染则呈黄色或粉红色。一般矿石需经洗选后方可利用。我国高岭土矿床分布甚为广泛。在东南各省的花岗岩风化壳中有丰富的高岭土，闻名世界的中国瓷器就是以它们作为原料的。2、残余型铝土矿矿床福建漳浦铝土矿矿床属于这类矿床。矿区附近昀古老的岩石为片麻状花岗岩，玄武岩覆于其上。铝土矿即由玄武岩风化而成，其风化壳剖面自上而下（图7-1）为：富含铝土矿的红土层（1~2m）、贫铝土矿的红土层、风化玄武岩（1m至数米）、新鲜的玄武岩图7-1福建漳浦玄武岩风化残留红土型铝土矿示意剖面图1—红土型风化壳矿体，2—富含三水铝石的红土型铝土矿，3—含三水铝石的贫铝土矿，并夹有玄武岩2—残留体的红土，4—风化玄武岩基础矿床学188含矿层按产状大致分为二种：一种呈毯状直接覆于玄武岩之上，与玄武岩风化面形状有关；另一种呈坡积层，位于山坡上或低地中。矿石在红土中呈碎块或结核状，颜色为棕红、黄褐色，质地比较疏松，暴露在空气中会变得坚硬。矿物成分主要是三水铝石，伴生矿物有褐铁矿、赤铁矿、钛铁矿、高岭石等粘土矿物。矿石质量好，含Al2O344%~56%，Al2O3/SiO2为4~10。化学成分较复杂，除Fe、Al外，还含有Ti、Ga、Nb、Ta等。矿石结构和构造较复杂，常见多孔状、鲕状、豆状、钟乳状、肾状、结核状等构造。空洞的形状多不规则，孔径一般为1~3cm。3.淋积型镍矿床我国云南南部地区淋积型镍矿床非常典型。风化作用发生在基性—超基性岩浆岩出露区，风化成矿作用表现出明显垂向分带，自上而下依次为：①红色砂质粘土（厚3~5m，含Ni0.2%~0.5%）、②褐色赭石带（由赭石、水赤铁矿、针铁矿及粘土类矿物组成，底部有绿高岭石、蛇纹石、绿泥石等矿物，也可见铬尖晶石、磁铁矿等未分解的原生矿物，厚0.5~3m，含Ni0.5%~1%）、③含镍绿高岭石带（由含镍的绿高岭石、含镍蛇纹石、蛇纹石等组成，为工业矿层，一般厚2~10m,含Ni0.5%~1.5%,有时达2.2%）、④淋滤蛇纹岩带（本带中蛇纹岩已部分分解，质地较软，具网格状构造，厚一般2~3m,含Ni0.5%~1%,其上部亦为工业矿层，下部为碳酸盐化蛇纹岩，裂隙中常有菱镁矿、白云石等碳酸盐细脉充填，这些碳酸盐是从上面淋滤下来的）、⑤新鲜蛇蚊岩带（含Ni0.1%~0.3%）。三、风化（壳）矿床的成矿作用和条件1.成矿作用风化作用：是产生风化矿床成矿物质的重要作用，可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。物理风化作用是一种以崩解方式，机械地把岩石和矿物破碎成细块和碎屑的作用。引起物理风化的主要因素有温度、冰冻、植物根系的楔插、暴风沙的冲击作用及冰川的侵蚀作用等。上述诸因素中以温度因素昀为重要。因此，昀有利于物理风化的地区是气候干燥、温度变化剧烈的沙漠、极地和永久积雪的高山等地区。化学风化作用原岩由于化学作用，使组成岩石的矿物发生分解，产生许多可溶的、不溶的或难溶的物质。其中可溶性风化产物不断地被淋走，并向地下深处或地表洼地迁移。因此，化学风化作用对岩石、矿石的改造要比物理风化作用强烈得多。在化学风化作用过程中，水、大气和生物是昀主要的因素。天然水中常含有一定数量的氧、二氧化碳、有机酸、无机酸和各种盐类，能使许多物质溶解于水中，使岩石或矿石发生氧化作用、水化作用、阳离子带出作用、去硅作用和使某些残余组分之间发生相互反应。而大气中的氧是一种强氧化剂，它直接影响许多元素在风化壳中迁移的状况，例如铬、钒、硫、砷等元素，在氧化作用下形成易溶的络合物在水中进行迁移，但有些元素如铁、锰等氧化后则不易迁移。大气中的二氧化碳，很易溶解于水并形成碳酸，它对矿物的分解和元素的迁移起着重要的作用，促使化学风化作用加速进行。生物风化作用实质上是由生物生命活动和死亡过程中引起的化学风化作用。生物有机体在自然界分布极广，在岩石圈的上部、大气圈的下部和水圈的全部，几乎到处都有生物第七章表生环境中的风化-沉积矿床189的存在。生物通过各种途径和作用促使岩石和矿物发生分解，对风化壳的形成极为重要。生物活动直接影响天然水的化学类型，影响水的酸碱度和氧化还原环境，从而直接影响风化作用的进程，如硝化细菌使氨氧化为硝酸，硫细菌能把硫和硫化物氧化成硫酸，这些酸类物质加速了岩石的风化。而铁细菌则将铁的低氧盐氧化为三价铁氧化物，促使铁在风化壳中富集。生物作用可以改变大气的成分，例如大气圈中的氧含量达21%，几乎全部都是植物光合作用的产物。此外，微生物的生命活动和有机体的分解，还能生成大量的CO2、H2S和有机酸等，这些生物活动产物是岩石发生化学风化的重要催化剂。更为重要的是，有些生物可直接造成岩石的分解，如细菌、真菌、藻类以及地衣等低级生物所组成的生物群覆盖在岩石表面上，它们呼吸时排出CO2，在新陈代谢中排出有机酸，死亡后又分解出各种有机酸，这些排出或分解出的物质即可将岩石分解。由于风化作用使原来岩石或矿石发生了分解，才使其中有用矿物或组分在地表富集成矿成为可能。风化矿床的形成，是某些元素在风化壳中迁移和集中的结果。原岩风化分解出的某些元素迁移流失，而另一些元素由于难以迁移则富集成矿。化学元素在风化壳中迁移能力的大小，主要取决于元素本身的性质和它们所组成的矿物种类以及所处的地表环境。波雷诺夫根据从火成岩地区排出的河水的干残物质的平均化学成分进行对比和计算，得出了风化壳中元素迁移的序列（表7-1）。风化壳中元素的迁移能力可以相差数千倍，如火成岩在风化过程中，昀先迁移走的是Cl和S等，以后盐基大部分从风化壳中游离出来，而且Ca、Na比Mg、K流失得要快些，再后风化壳中又丧失大部分的SiO2（硅酸盐），昀后主要只剩下氧化物，特别是Fe2O3和SiO2（石英）。必须指出，同一种元素的迁移能力在不同的环境中是不一样的。在还原条件下，铁呈Fe2+可以强烈地迁移；在湿热地区，SiO2（硅酸盐）的迁移能力可以和Ca相同。表7-1风化壳中元素的迁移序列元素迁移序列迁移序列中的元素或组分迁移等级指标1强烈迁移的元素Cl、(Br、I)、S2n×1012容易迁移的元素Ca、Na、Mg、K2n×1003可迁移的元素SiO2（硅酸盐的）、P、Mn、Cu、Nin×10-14稍可迁移的元素Fe、Al、Tin×10-15实际不迁移的元素（组分）SiO2(石英)n×10-∞由于风化过程中元素发生了迁移，一部分元素及其化合物流失了，而另一部分则集中了并且相互发生作用（组成新矿物），由此而可能形成矿床。例如残余型粘土矿床，是风化壳中难迁移的SiO2、Al2O3、Fe2O3等组分集中并相互作用而形成的；在温暖潮湿的气候条件下，富铝的硅酸盐岩石在H2O、CO2和生物的作用下，可分解出碱金属和碱土金属，它们以各种碳酸盐的形式溶于水中被带走；与此同时，从岩石中分解出来的SiO2、Al2O3、Fe2O3等在水中容易变成胶体物质，而溶胶SiO2·nH2O带负电荷，溶胶Al2O3·mH2O和Fe2O3·pH2O带正电荷，此外还生成一种由SiO2和Al2O3混合组成的溶胶-胶体粘土，也带负电荷；基础矿床学190正负电荷胶体相互作用而发生电性中和，引起凝聚，结果便产生SiO2、Al2O3和Fe2O3的凝胶混合物；由于沉淀的凝胶SiO2和Al2O3的比例变动范围很大，因此便形成各种不同的含水硅酸盐矿物，如高岭石、多水高岭石、微晶高岭石、绢云母等，它们与一些铁的氢氧化物和未分解的矿物（石英、锆英石、金红石、电气石等）以及母岩残块相混合而形成粘土矿床。形成这类粘土矿床的作用通常称为粘土化作用。残余（红土）型铝土矿床是富铝的硅酸盐岩石红土化作用过程中一部分元素迁移，而另一部分元素集中并相互作用形成的。在热带和亚热带的气候下，雨季与旱季相互交替，全年天气炎热，