第十五章 矿物的成因

第十五章矿物的成因制作人：11级地质×××2012年5月11日矿物是自然作用的产物，其形成、稳定和变化都无不受热力学条件所制约，同时环境的物理化学条件的差异又往往导致矿物在成分、结构、形态及物理性质上的细微变化。因此，矿物成因的研究一直是矿物学中的一个非常重要的课题，并已发展成为现代矿物学中的一个独立的分支学科——成因矿物学。内容索引一、形成矿物的地质作用二、矿物的形成与体系化学组分的活动性三、矿物的时空关系四、矿物的标型性五、矿物中的包裹体六、矿物的变化内容索引内容索引矿物的成因通常是按地质作用来分类的。根据作用的性质和能量来源，一般讲形成矿物的地质作用分为内生作用、外生作用和变质作用。一、形成矿物的地质作用内容索引概念：主要指由地球内部热能所导致矿物形成的各种地质作用，包括岩浆作用、火山作用、伟晶作用和热液作用等各种复杂的过程。分类：（1）岩浆作用(magmatism)：指由岩浆冷却结晶而形成矿物的作用。1.内生作用(endogenicprocess)内容索引（2）火山作用(volcanism)：实际上是岩浆作用的一种形式，为地下深处的岩浆沿地壳脆弱带上侵至地面或直接喷出地表，迅速冷凝的全过程。内容索引（3）伟晶作用(pegmatitization)：指地表以下较深部位（3̴8km）的高温（400̴700℃）高压（1×108̴3×108Pa）条件下进行的形成伟晶岩及其有关矿物的作用。（4）热液作用(hydrothermalism)：指从气水溶液到热水溶液过程中形成矿物的作用。热液按其来源主要分岩浆期后热液、火山热液、变质热液和地下水热液。通常所说的热液系指富含各种金属元素的以𝐻2O为主的挥发组分的岩浆期后热液（postmagmatichydrothermalsolution）。热液活动的深度范围从5̴8km直至近地表，作用的温度在300̴500℃。热液作用按温度大致分为高温、中温、低温3种类型。内容索引a.高温热液作用(hign-temperaturehydrothermalism)：温度约在300̴500℃。b.中温热液作用(medium-temperaturehydrothermalism)：温度一般在200̴300℃。c.低温热液作用(low-temperaturehydrothermalism)：温度约在50̴200℃。内容索引概念：指在地表或近地表较低的温度和压力下，由于太阳能、水、大气和生物等因素的参与而形成矿物的各种地质作用，包括风化作用和沉积作用。分类：（1）风化作用(weathering)：在地表或近地表环境中，由于温度变化及大气、水、生物等作用，使矿物、岩石在原地遭受机械破碎，同时也可发生化学分解而使其组分转入溶液被带走或改造为新的矿物和岩石，这一过程称为分化作用。分化作用按作用的方式可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用3种类型，它们彼此并存，密切关联，相互促进。2.外生作用(exogenicprocess)内容索引（2）沉积作用(sedimentation)：指地表风化产物及火山喷发物等被流水、风、冰川和生物等介质挟带，搬运至适宜的环境中沉积下来，形成新的矿物或矿物组合的作用。沉积作用主要发生在河流、湖泊及海洋中。沉积物通常以难溶的矿物碎屑和岩屑、真溶液方式或胶体溶液方式被介质搬运，相应的沉积方式有机械沉积(碎屑和岩屑沉积)、化学沉积(真溶液或胶体溶液因蒸发、浓缩、化学反应、电性中和等沉积)和生物化学沉积(生物作用有关的沉积)。内容索引概念：指在地表以下较深部位，已形成的岩石，由于地壳构造变动、岩浆活动及地热流变化的影响，其所处的地质及物理化学条件发生改变，致使岩石在基本保持固态的情况下发生成分、结构上的变化，而生成一系列变质矿物，形成新的岩石的作用。分类：根据发生的原因和物理化学条件的不同，变质作用可分为接触变质作用和区域变质作用。3.变质作用(metamorphism)内容索引(1)接触变质作用(contactmetamorphism)：指由岩浆活动引起的发生于地下较浅深度(2～3km)之岩浆侵入体与围岩的接触带上的一种变质作用。内容索引接触变质作用的规模不大。根据变质因素和特征的不同，又分为热变质作用和接触交代作用两种类型。①热变质作用(thermometamorphism)：是指岩浆侵入围岩，由于受岩浆的热力及挥发分的影响，主要使围岩矿物发生重结晶、颗粒增大(如石灰岩变质成大理岩)，或发生变质结晶、组分重新组合形成新的矿物组合的作用。②接触交代作用(contactmetasomatism)：是指岩浆侵入、与围岩接触时，岩浆结晶作用的晚期析出的挥发分及热液使接触带附近的围岩和侵入体发生明显的交代而形成新的岩石的作用。与热变质作用不同，围岩与侵入体之间的成分交换是此过程中岩石发生变质的主要原因。接触交代作用最易发生在中酸性侵入体与碳酸盐岩的接触带附近，此时侵入体中的组分FeO、Al2O3、SiO2等向围岩中扩散，而围岩中的CO2、CaO、MgO等组分被带进侵入体中，形成夕卡岩(skarn)。内容索引(2)区域变质作用(regionalmetamorphism)：是指由于区域构造运动而引起大面积范围内发生的变质作用。原岩的矿物成分和结构构造发生改变是温度、压力、应力，及以H2O、CO2为主的化学活动性流体等主要物理化学因素变化之综合作用的结果。区域变质作用形成的变质矿物及其组合主要取决于原岩的成分和变质程度。内容索引现代矿物学注重矿物的形成及其形成后的一些性质与自由能之间的关系，强调矿物的形成与富集受体系中化学组分的活动性的制约，组分的化学位(chemicalpetential)(μi)是表征体系中组分活动性的一个十分重要的物理化学参数，其定义为体系的自由能随化学组分i之摩尔数的改变的变化率，即每增加1mol组分i所引起的体系自由能的增加或减少量。μi值大，表示化学组分i在体系中的活动性大；反之则表示其化学活动性小。近二十年来，国内外学者研究了矿床中活性组分的化学位与矿化及其矿物共生组合的找矿标志之间的内在关系，并成功地用于指导找矿。二、矿物的形成与体系化学组分的活动性内容索引研究矿物在时间和空间上的分布规律，是现代矿物学的重要课题之一。1、矿物的生成顺序和矿物的世代自然界地质体中的各种矿物，可以是同时生成，而更常常是在形成时间上有先后关系，称为矿物顺序(mineralsequence)。矿物通常是按晶格的生成能降低的顺序而次第析出的，共生的矿物，其晶格能大体相近。三、矿物的时空关系内容索引确定矿物生成顺序的标志主要有：图15-1晶洞中矿物生成顺序图15-2普通辉石被普通角闪石和黑云母包围内容索引(1)矿物的空间位置关系：一般地，位于地质体中心部位的矿物比其外围的矿物晚形成(图15-1)。当一矿物穿插或包围或充填其他矿物时，被穿插或被包围或被充填的矿物生成较早(图15-2)。(2)矿物的自形程度：相互接触的矿物晶体，自形程度(晶形的完整程度)高者一般生成较早(图15-3)，但应注意矿物的结晶能力的影响。斑状结构中斑晶较基质先形成，然而变质岩中的变斑晶却往往可能比其周围的矿物晚生成，其晶形完整是由于这些矿物的结晶能力强。图15-3自形程度不同的矿物晶体生成顺序内容索引(3)矿物的交代关系：矿物的交代作用首先沿颗粒的边缘或裂隙进行，被交代的矿物形成较早。矿物的世代(mineralgeneration)是指在一个矿床中，同种矿物在形成时间上的先后关系。它与一定的成矿阶段相对应。一个矿床往往是经历了多个成矿阶段而形成的。由于各成矿阶段间均有一定的时间间隔，其成矿介质和物理化学条件会有所不同，反映在其所形成的同种矿物的形态、物性及成分等方面也将表现出某些差异。因此，应按形成时间的先后顺序，将这些矿物区分为第一世代、第二世代，等等。显然，研究矿物的世代，将有助于了解矿物形成及成矿内容索引2、矿物的共生和伴生同一成因、同一成矿期(或成矿阶段)所形成的不同矿物共存于同一空间的现象称为矿物的共生(paragensis)，彼此共生的矿物称为共生矿物(parageneticminerals)，它们可能是同时形成的，或者是从同一来源的成矿溶液中依次析出的。各共生矿物构成的组合称为矿物的共生组合(parageneticassociation)。不同成因或者不同成矿阶段的各种矿物共同出现在同一空间范围内的现象称为矿物的伴生(associate)。例如在含铜硫化物矿床的氧化带中，常见黄铜矿与孔雀石、蓝铜矿在一起，由于黄铜矿通常系热液作用形成，而孔雀石和蓝铜矿则为表生成因，故它们为伴生关系。内容索引20世纪矿物学发展的重要成就之一，就是系统总结了能够反映矿物或地质体的一定成因特征的矿物学标志，即矿物的标型性(typomorphism)。它主要包括标型矿物、标型矿物共生组合和矿物标型特征三方面的内容，是现代矿物学研究中的重要课题之一。四、矿物的标型性内容索引1、标型矿物和标型矿物共生组合所谓标型矿物(typomorphicmineral)和标型矿物共生组合(typomorphicmineralassemblage)，分别指只在某种特定的地质作用中形成和稳定的矿物和特定性矿物组合。它们强调矿物和矿物组合的单成因性。例如，斯石英专属于高压冲击变质成因，产于陨石冲击坑；辰砂、辉锑矿则为低温热液矿床的典型矿物；含金刚石的金伯利岩的原生矿物组合为镁橄榄石、金云母、铬镁铝榴石、铬透辉石、顽火辉石、镁钛铁矿、铬尖晶石、金刚石、金红石及含铌、钽的锐钛矿等。内容索引2、矿物的标型特征由于矿物的空间分布、多成因性及多世代性，决定了同种矿物在晶体形态、物理性质、化学成分、晶体结构等方面存在着明显的差异。内容索引这种能反映矿物的形成和稳定条件的矿物学特征称为矿物的标型特征(typomorphicfeatures)，通常简称为矿物标型，具体地可分为化学标型、结构标型、形态标型和物理性质标型等。例如：等轴晶系矿物(如金刚石、黄铁矿、萤石等)的晶体形态具标型意义：立方体｛100｝指示形成于低温条件下，八面体｛111｝则为高温条件下形成；电气石黑色者指示形成温度高于300°C，绿色者系在约290°C条件下结晶而成的，而红色者的结晶温度约在150°C；黄铁矿(理想化学式为FeS2)的Fe/(S+As)非化学计量具标型意义：若Fe/(S+As)值明显大于0.5，指示其属浅部形成，而当Fe/(S+As)值小于或略大于0.5时，则反映它是深部产物；变质白云母的晶胞参数b0值随压力的升高而增大，等等。内容索引矿物地质温度计(geothermometer)、地质压力计(geobarometer)和地质温压计(geothermobarometer)即是利用矿物学特征定量或半定量地测量矿物平衡温度和压力的地质数学模型。内容索引矿物中的包裹体(inclusion)是矿物生长过程中或形成之后被捕获包裹于矿物晶体缺陷(如晶格空位、位错、空洞和裂隙等)中的、至今尚完好封存在主矿物中并与主矿物有着相界线的那一部分物质。五、矿物中的包裹体内容索引P.原生包裹体；S.次生包裹体；PS.假次生包裹体图15-4水晶中的包裹体内容索引矿物中包裹体形状各异、成分复杂，可以是气态、液态或固态，其中尤以气相和液相组成的气液包裹体常见，常用来研究矿物形成时的物理化学条件。包裹体的大小不一，气液包裹体大多小于10μm，因此，需在显微镜和电子显微镜下才能清晰地观察研究。内容索引原生包裹体(primaryinclusion)是矿物结晶过程中被捕获封存的成岩成矿介质(含气液的流体或硅酸盐熔融体)，它与主矿物同时形成，常沿主矿物的某些特定结晶方向，特别是沿主矿物的晶面成群或成条带状、环带状分布(图15-4中的P)次生包裹体(secondaryinclusion)是矿物形成以后，后期热液沿矿物的微裂隙贯入，引起矿物局部溶解并发生重结晶，之后又为主矿物所圈闭而形成的定向排列的包裹体，它常沿切穿矿物颗粒的裂隙分布(图15-8中的S)。假次生包裹体(pseudo