矿床学04气液矿床总论76

矿床学中南大学地质工程专业A方向第四章气水热液矿床概论4.0简介•地质作用会产生热的水质流体,它们的温度变化大,可以从650℃到50℃。水的临界温度为374℃,天然的热水溶液因含有溶质,临界温度估计可以到400℃。•如果流体的温度在临界温度以上，则不论压力多么高，矿质的搬运和沉淀都是在气相中发生的，这种流体应该叫气态溶液，或者气化溶液，形成的矿床叫气成矿床。•如果温度在临界温度以下，则沉淀矿质的溶液很可能是液态溶液，因为在地壳里压力一般都比临界压力大得多；这种流体可以叫液态溶液，形成的矿床叫热液矿床。•通常把热的水质流体笼统地叫热水溶液,简称热液。含矿质的叫含矿热水溶液或矿液,所形成的矿床叫热液矿床。•热液矿床是由沿着地壳中的通道流动的含矿热水溶液,把不溶解的矿质在一个有限的地方堆积起来形成的。4.1气水热液的来源•4.1.1现代与古代热水溶液－热水溶液存在的证据•我们找到了热液矿床,沉淀矿床的热液早已流逝。热液的痕迹有时可在矿物中微小的包裹体中找到,例如对石英、闪锌矿、方解石、萤石等矿物中微小流体包裹体的研究就获得了许多关于热液性质的信息。流体包裹体的分析使我们知道尽管热液在浓度和成分方面变化很大,但它们都是盐水。•1979年，美国的“阿尔文”号载人深潜器在2610米至1650米的东太平洋海底熔岩上，发现数十个冒着黑色和白色烟雾的“烟囱”，附近出现大规模的硫化物堆积丘体。•从直径为15厘米的烟囱中，约350ºC的含矿热液以每秒几米的速度喷出。•矿液刚喷出时为澄清溶液，与周围海水混合后，很快产生沉淀，变成“黑烟”，沉淀物主要是磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿及其它铜铁硫化物。这些堆积柱体被形象地称为“黑烟囱”。•近年来在探测地热资源的过程中发现了许多天然热液，如美国加利福尼亚州的SaltonSea，苏联里海旁边的Cheleken，我国台湾东部一些地区等等；在红海海底还发现了热的盐水池，它们的温度常常很高，盐分和矿质的浓度也很大。•目前全球已发现100多个“黑烟囱”分布区，大多分布在1000～4000米的海底深处。•分析对比这些来自完全不同方面的资料，我们意外地发现，包裹体中所保存的成矿流体与今天在地热系中见到的流体，在化学上有很多相似之处。这可能反映了它们在成因上的某些相似性，也启示我们，要想对成矿流体有更多更详细的认识，研究和类比近代地热系，也是一种重要的途径。•4.1.2热水溶液的成因类型•热水溶液可按成因分成三类:•(1)岩浆水(原生水)；•(2)变质成因水；•(3)天水或渗流水、深部循环水。•(1)岩浆起源的热水溶液•岩浆含水的依据:–(1)火山喷汽和其它喷流现象；–(2)快速喷溢和冷凝的熔岩中的含水量；–(3)岩浆岩中的含水矿物的广泛存在；–(4)高温条件下水与硅酸盐混熔的实验；–(5)水和其它流体的存在降低源岩重熔温度。•岩浆中挥发性物质以水为主，此外还有H2S、HF、HCl、CO2、CO和重金属的卤化物，大约占10～5%。在地下深处，即在受到相当大的压力时，挥发性组份溶解在非挥发性物质的熔浆中。•岩浆中水和其它挥发份的含量受以下因素的控制:–(1)岩浆成分，熔体内水的溶解度与硷的含量有直接关系。–(2)压力，水的溶解度随水蒸气压力的增高而增大，在高压下，硅酸盐熔体内水的溶解度相当大。–(3)温度，水的溶解度随温度的增高而减小。•根据肯尼迪等人对在高温、高压条件下，水在SiO2熔融体中溶解度的实验研究表明:在压力为9.7×l08Pa(9.7千巴)，温度为1080℃时，出现上临界点。此时，水在SiO2熔融体中的溶解度达25%(重量)。如果超过此临界点，则水与SiO2熔融体可发生完全混熔，即出现一个统一的岩浆熔融体。在上临界点之下，含水的硅酸盐熔融体，才可分熔为一个富水相和一个富硅酸盐相，而这两个相各自沿着冷却结晶曲线演化，最终都可分出热液。•(2)变质起源的热水溶液•变质水是岩石在深部受增温、增压作用发生变质时形成的。•在未变质和变质轻微的沉积岩中，存在着孔洞水、薄膜水、毛细管水、矿物间隙水和矿物内的结晶水和结构水。•以粘土矿物高岭石为例，它的化学式为A12Si2O5(OH)4，用实验式表示为A12O5·2SiO2·2H2O，含水14%。•所有这些形式的水，数量上可以达到岩石总重量的30%，甚至更多一些。•岩石受到变质，这些水就被排除，最初岩石中的游离水很快的减少，变质加深温度超过300℃时，所有其余形式的水也会排出。在变质很深的岩石中，保存下来的各种形式的水含量很少超过1~2%。•据计算，假如泥质沉积岩的密度为2.5，水含量为5%，变质时失去大部分水，变为含水1%的变质岩，则1立方公里的泥质沉积岩可以放出一亿吨水。显然，岩石在变质过程中能产生大量的水，足以形成水溶液。•变质水的分离和运移大多发生在深度小于5公里的地方，在更深的地方由于压力大，温度高，全部水会从变质岩中被赶出。所以在5公里以下的地方往往只有岩浆水存在。•(3)天水、渗流水、海水、深部循环水起源的热水溶液•自由循环的天水可以在适当的水文地质条件下渗入地壳深部，既可由于地球内部的热也可由于深部岩浆的热，使它们成为热水溶液。在一些近代火山活动地区，常可看到被岩浆或火山气体所加热的在深部循环的渗流水。•4.1.3热水溶液起源的判断•热水溶液的起源极难判断。有人致力于同位素化学方面来解决这个问题。•组成水的两种元素氢和氧都有一种以上的稳定同位素。不论什么时候水的状态发生变化，例如水的蒸发，或者发生了化学反应，同位素组成就要发生变化，水里的H/D和δ18O的比值也就改变。由于交换和分馏，三种水都有特征性的同位素成分。不同类型水的同位素成分是不同的。4.2热水溶液的运移•4.2.1热水溶液流动的通道•热水溶液沿着岩石中的互相连通的空隙流动。•岩石中的空隙主要包括：裂隙和孔隙。•1。裂隙•包括构造裂隙和非构造裂隙•构造裂隙——指地壳运动所产生的断裂和裂隙：如断层、节理、劈理、片理等；•非构造裂隙——如风化裂隙、崩塌角砾裂隙、矿物结晶形成的裂隙、溶解空隙等。•构造裂隙对热液运移和矿质的沉淀有着最重要的意义。•2。孔隙•岩石中的孔隙有好多种：•同生孔隙，如造岩矿物的粒间孔隙、层面孔隙、火成岩的晶洞和气孔等；•后生孔隙，如溶解孔隙、溶洞、层间和层内剥离孔隙、岩石的构造裂隙和断裂等。•岩石的孔隙度是全部孔隙的体积与岩石体积之比，用百分比表示。孔隙度的变化范围很大，常见岩石的平均空隙度为:花岗岩0.5%(体积%)，片麻岩1%，石英岩1%，灰岩5%，砂岩15%，砂20%。•对于热水溶液在岩石中的流动来说，有意义的不是孔隙度而是有效孔隙度。有效孔隙度是液体能在其中流动的相连通的孔隙体积与岩石体积之比。•热液流经的岩石的有效孔隙度会发生变化。在成矿前，常常由于溶解和蚀变而增大，例如花岗岩钠长石化后，有效孔隙度由0.5%增加到6%，石灰岩矽卡岩化后，由0.4－0.9%增加到2.5－5%；在成矿阶段，因矿石矿物和脉石矿物充填，有效孔隙度又重新减小。•渗透性指岩石能让液体或气体从其中通过的性能。渗透性由连接起来的孔隙的大小和形状决定。所以渗透性与孔隙度是不一致的。孔隙度高的粘土岩渗透性并不好；而孔隙度较低的砂岩渗透性良好。•很多热液矿床很大，矿石储量可达数千万吨，形成这些矿床的成矿溶液的体积显然也是巨大的，这就需要有良好的通道。•4.2.2热水溶液流动的原因•大多数热液矿床是由上升热液形成的。热液上升的原因如下:•1.压力差(水头)。•2.密度差。•3.温度差。4.3热水溶液的组份及其来源•4.3.1组分•①水：气水热液的主要组分是水；•②挥发份：挥发份还包括卤素、S、B、P、CO2等，也可能存在有机挥发物质；•③基本组分：基本组分是Na，K，Ca，Mg，Sr，Ba，Al，Si及Cl-，F-，SO42-等•④成矿元素：金属成矿元素主要有铜、铅、锌、金、银、锡、锑、铋、汞等，过渡性元素铁、钴、镍等，以及钨、钼、铍、稀土、铀、铟、铼等。•4.3.2成矿物质来源•热液中成矿元素的来源是多方面的，但可以归结为两类：一种是来源于形成热液的源岩，如形成岩浆热液的岩浆体系、形成变质热液的岩石；另一种是来源于热液流经的围岩。•1。岩浆中含有少量的硫和Cu、Pb、Zn、Mo、Ag等成矿元素，它们在岩浆的结晶过程中，较难进入造岩矿物的晶格，所以会在剩余的岩浆中逐步富集。岩浆发生水过饱和时分出独立的水相，这些矿质也要遵循分配定律，一部分留在剩余岩浆中，一部分进入分出的水相，形成含矿的水溶液。越到岩浆演化的后期，剩余岩浆中水质和矿质也越多，也就更容易形成含矿的热水溶液。•2。热水溶液也能从其流过的岩石中收集造矿重金属元素。•成矿元素（如铅、锌、钼和银等）在地壳中的丰度低于0.01%，属微量元素，它们在岩石中通常很少形成独立矿物，而是有三种赋存状态：类质同象替换矿物晶格中的某些元素；矿物表面及裂隙中的微细颗粒；被矿物吸附裹在矿物晶体的外面。•热液与其流过岩石时，可以发生许多种反应，如在主矿物溶解和再结晶的时候，靠简单的离子交换反应就能放出其中所含的成矿元素。•成矿物质的来源问题是一个复杂的问题，有一种方法是利用稳定同位素进行研究。如S、Pb同位素。4.4热水溶液搬运矿质的方式•①大多数热液矿床的矿石矿物是硫化物，它们的共性之一就是在水溶液中的溶解度非常低。根据一些实验资料，硫化物的溶解度一般在n×10-5到n×10-8之间。•由于金属硫化物的溶解度异常低，要形成硫化物矿体，需要多得不可估量的水，据估算要想沉淀几吨硫化铜矿石，就需要整个地中海那么多的水，这当然是不可能的。•②为了回答这个疑难，有人提出了矿质是以矿物胶体溶液的方式搬运的假说。但岩浆房中能否生成胶体溶液，矿物胶体溶液在由岩浆房到岩石沉淀地方长途搬运能否避免聚沉，都是很值得怀疑的。人们很久就想解释热液如何能同时搬运大量的金属和硫而又不发生沉淀。•③一个世纪前，有些人提出假说，矿质的搬运营力是“矿化剂”。•矿化剂是一种组成不固定的物质，它能增加硫化物的溶解度，能搬运硫化物，但不参于形成硫化物矿石，硫化物的矿化剂到底是种什么物质，它的作用和机理如何，也多限于设想和推测。•④大约在30年前，人们开始重视矿质是否能以络合物质的方式被搬运?•在热水溶液中可能有两类络合物质最为重要：第一类是硫化物、硫氢化物的，第二类是氯化物的。•如果热液中含硫很多，就能形成诸如[Co(HS)]+、HgS(H2S)2、[Zn(HS)3]-等等硫氢化物络合物质以及(HgS2)2-、[SbS4]3-、[MoS4]2-等等硫化物络合物质。•在富氯的溶液中，能够形成氯化物络合物质，如象(CuC13)2-、(SnC16)2-、(SbC16)-、ZnC12、FeC13、(AgC14)3-等等。溶液中硫离子的浓度很低时，可以这种方式搬运大量金属。4.5热水溶液中矿质的沉淀•4.5.1矿质沉淀的可能途径•矿质集中沉淀才能形成矿床。至少有四种变化能引起热液中矿质的沉淀:–①温度变化；–②压力变化；–③热液与通道岩石之间化学反应引起的热液化分上的变化；–④不同成分的热液互相混合引起的变化。•(1)温度变化引起沉淀•热水溶液的温度变化会影响矿物的溶度积，影响搬运矿质的络离子的稳定度和影响配位体的离解常数，从而导致沉淀。在大多数情况下，温度的下降会引起物质溶解度的降低，使矿液过饱和，沉淀出矿石矿物。•(2)压力变化引起沉淀•压力变化会影响矿物的溶解度，但压力变化的效应也不大，象1000巴那样大的压力变化才能导致重要的沉淀。如果有独立的蒸气相从热液中分出，沸腾会增加溶液的浓度，但更重要的是使挥发性组份从溶液中除去，HF、HCl、H2O等的减少，使剩余溶液的碱度增大，搬运金属的能力降低。•(3)热液与岩石反应引起沉淀•热液必然会和它穿过的岩石发生化学反应，这是引起沉淀的一个重要原因，证据是矿产与特定的蚀变岩石伴生。有三类化学反应格外重要。•第一类是热液中的H+与围岩中的矿物发生交换反应。热液多半是弱酸性的，氢离子交代围岩的结果，会降低氯化物络合物的稳定度，导致硫化物的沉淀。最普通的消耗氢离子的反