矿床学09风化矿床42

矿床学中南大学地质工程专业A方向第九章风化矿床9.1概念、特点及工业意义•9.1.1概念•风化矿床(风化壳矿床)系指陆地表层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。•风化作用是指地壳最表层的岩石和矿石在大气、水、生物等营力的影响下,发生物理的、化学的和生物化学的变化作用。风化作用的结果,使硅酸盐类矿物、可溶盐类(碳酸盐等)、以及金属硫化物等等,被分解为三种主要组份:•溶解在溶液中的物质;•原岩中化学性质较稳定的矿物;•风化作用过程中形成的新矿物。•这三种主要组份,可以在原地或附近得到充分富集形成风化矿床;也可被搬运较远距离而沉积在水盆地中。•9.1.2风化矿床的特点•1)大部分风化矿床是第三纪和第四纪的产物。因此,它们埋藏浅,便于露天开采。•2)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。•3)矿体的深度决定于自由氧渗透到地下的深度,一般几米－几十米,有的达一、二百米;个别情况下沿裂隙带风化深度可达1500m以上,则呈线型矿体。•4)组成风化矿床的物质是在风化条件下比较稳定的元素和矿物。有自然金,被粘上矿物吸附的稀土元素,铁、锰、铝的氢氧化物和氧化物,高岭土,磷酸盐和含镍硅酸盐矿物等。•5)矿石结构一般疏松多孔,多为土状、多孔状或网格状构造。•6)矿床规模以中、小型为主,个别也有大型和特大型。•9.1.3风化矿床的工业意义•红土型镍矿床－大洋洲新喀里多尼亚，云南墨江•红土型铁矿床(含Cr、Ni、Co、V、Mn)－古巴•红土型金矿－湖北嘉鱼蛇屋山金矿•红土型铝土矿－美国阿肯色、福建漳浦、海南•风化壳型稀土元素矿床－赣南•风化壳型天青石矿•风化壳型粘土矿(瓷土，高岭土)•其它：Ta、Nb、U、Sn、Zr、Ti、稀土……9.2风化矿床的形成条件•9.2.1气候条件•气候环境乃是岩石风化并形成风化矿床最重要的条件之一。因为风化作用主要是通过水和生物活动进行的,而水和生物的多寡与气候带有密切关系。•在极地冻土地带,由于化学风化作用很弱,一般不形成风化壳,有时由机械碎屑物质形成残积砂矿。•在温带内陆沙漠和热带沙漠气候地区,蒸发量远远大于降水量,水的作用很弱,生物很少,以物理风化作用为主,风化壳主要由机械碎屑物组成。•在热带和亚热带的湿润炎热地区,气温高,雨量充足,生物活动力强,岩石往往发生强烈的化学风化作用，容易形成残余型和残积型矿床。•9.2.2原岩条件•风化壳的物质成分是以原岩成分为根据的,原岩是成矿物质的来源。–超基性岩－红土型铁矿床和镍矿床–霞石正长岩和玄武岩－红土型铝矿床–花岗岩类－高岭土矿床–碳酸岩－风化型磷矿床–含锰高的沉积岩、变质岩－残余锰矿床–富稀土酸性岩－离子吸附型稀土元素矿床–富重砂矿物(锡石、锆英石、铌钽矿物等)的花岗岩－风化残积砂矿床•9.2.3地貌条件•地貌条件不仅控制侵蚀和堆积作用的进行,同时还可决定地下水的动态和风化壳的地球化学特征。•高差不大的山区、丘陵地形对风化矿床的形成最为有利。由于坡度平缓,地下水位高,植物繁茂,化学风化和生物风化作用强烈,并且风化产物能大量残留原地,有可能使矿物彻底分解,形成大量粘土矿物乃至生成某些残余矿床。•9.2.4水文地质条件•风化矿床的形成,与地表水和地下水的运动情况,以及水的化学类型有关。它们在决定风化矿床的规模和深度方面起着很大作用。•大气水是风化壳内水的主要来源。根据水循环的条件,可将地下水分为三个带。渗透带流动带停滞水带总结•1.渗透带•此带也称“充气带”或“饱气带”。位于地表以下至地下水面(潜水面)以上。渗透带中的水来自雨水,富含O2及CO2等,生物作用(特别是细菌作用)非常活跃,因而溶解和氧化的能力很强。此带的水自上而下快速流动,对岩石有强烈的破坏作用。因此,这个带又称“分解带”或“氧化带”。•2.流动带•在渗透带以下的岩石空隙中充满着水,即为潜水。潜水面大致与地形起伏一致,随着雨季和旱季的季节变化而升降。在潜水面和停滞水面之间为“流动带”。此带的潜水缓慢地作侧向流动。潜水含氧(O2)较少(越深越少),含盐较多。根据地区不同,或呈弱酸性,或呈弱硷性,故对岩石的分解和氧化能力比较弱。流动带的主要作用是将上部分解带里淋滤下来的各种成矿物质集中,并沉淀下来。因而此带又称为“胶结带”。•3.停滞水带•此带位于停滞水面以下,也称“滞流带”。此带内潜水几乎不含游离氧,流动极其缓慢,或基本停滞不动。因之,潜水与原生矿物之间几乎保持平衡状态,原生矿物基本上不发生变化,或变化非常缓慢。•对化学风化最有利的条件是岩石具有适当的孔隙率和裂隙度,以保证易于吸收地表水,并使稳定而缓慢地往下渗透。•风化残余矿床是由地表往下发展的,直到潜水面附近。若潜水面缓慢下降,则造成化学分解界面也相应下降,因而能够形成富厚的风化壳。相反,若潜水面上升,则风化壳停止发展。•9.2.5地质构造条件•地台区有利于大规模的风化矿床形成。如华北O风化侵蚀面上的铁、铝矿床；西南寒武系和二叠系古侵蚀面上的铝土矿矿床•构造强烈的地区不利于风化矿床形成。•近年来的研究表明，风化矿床形成的时间间隔可以很小，因此地洼阶段的构造间歇期也可以形成风化矿床，如我国漳浦铝土矿。9.3成矿作用及矿床类型•9.3.1风化作用中元素的迁移和富集•不同的矿物和岩石在不同条件下,化学风化有难易、快慢的差别,表现为某些元素的淋滤失散和另一些元素的残积富集两个对立面。元素在特定的风化条件下迁移能力的不同,引起了它们的彼此分异——风化分异。•元素迁移顺序在某种程度上控制了风化壳内元素富集的可能性。事实上，在风化较彻底的风化壳中很难有C1、S存在，Ca、Na、Mg、K只微量存在，SiO2、P、Mn、Fe、A1、Ti比较大量地残留原地。•9.3.2风化矿床的分类•根据风化矿床的形成作用和地质特点分为以下三类。•1.残积及坡积砂矿床•原生矿床或岩石遭受风化作用，其中未被分解的重砂矿物或岩石碎屑，残留在原地或沿斜坡堆积起来形成的矿床。如砂金矿床、红土型金矿、残积锡砂矿等。•红土型金矿床是指由富金岩石或各种原生金矿化在遭受红土化作用改造时所形成的一种表生金矿床。•世界上第一个大型红土型金矿床是1980年发现并于1987年投产的西澳大利亚的布丁顿(Boddington)金矿。该矿可采储量近100t,目前是澳大利亚第三大金矿。•其后陆续发现的有巴西的马托格罗索、巴依尔矿、泰国的NongDoan矿、印度的Salaikena矿以及越南、马里、几内亚、尼日利亚、加纳、新喀里多尼亚、斐济、美国等地的一系列金矿床。•我国于90年代初发现国内第一个大型红土型金矿床——湖北嘉鱼蛇屋山金矿,并很快投入了生产。•目前在湖南郴州一带及广东、云南、贵州、广西、海南等地陆续报道有一系列的红土型金矿点或金矿化发现,并相应地进行了试采或民采工作。•红土型金矿床以其埋藏浅、易采、易选、具较高的投资回报率等特点已引起我国南方红土分布区地勘部门的重视。•2.残余矿床•原生矿床或岩石经化学风化作用和生物风化作用后,形成的一些难溶的表生矿物,残留在原地表部,其中有用组份达到工业要求时,即为残余矿床。如粘土矿、残余红土型铝土矿等。•3.淋积矿床•原岩或贫矿体经化学风化作用，某些易溶物质被水带到风化壳下部的潜水面附近沉淀下来，所形成的矿床,称淋积矿床。9.4矿床的表生变化及次生富集作用•矿床的近地表部分在风化作用下要发生变化。其中金属硫化物矿床的表生变化比较强烈,而金属氧化物矿床则较弱。•由于硫化物易于氧化、溶解和淋失,因此,多金属硫化物矿床的氧化露头中金属含量会降低。这些金属元素往往被水溶液淋滤进入胶结带,经再沉积作用发生次生富集,从而大大提高矿床的工业价值。•9.4.1.金属硫化物矿床的表生分带•金属硫化物矿床的近地表部分,长期经受氧、二氧化碳、水、生物有机质等风化作用,可产生表生分带现象。•(1)氧化带:相当子地下水渗透带•……………地下水面…………•(2)次生硫化物富集带:相当于地下水流动带•……………停滞水面…………•(3)原生硫化物矿石带:相当于停滞水带•9.4.2.金属硫化物矿床的氧化带•分布在地表至潜水面之间的部位,大致相当于渗透带。氧化带的厚度决定于风化作用的强度、地下水面的深度、围岩的透水性以及裂隙发育的程度。一般厚几米至几十米,个别也可达几百米。氧化带又可分为如下几个亚带:•1)完全氧化亚带(铁帽),典型的反应式为：•2FeS2+15/2O2+4H2O＝Fe2O3+4SO42-+8H+•2CuFeS2+17/2O2+2H2O＝Fe2O3+2Cu2++4SO42-+4H2O•完全氧化亚带中硫化物完全淋失，氧化形成氧化铁，通常具有蜂窝状、多孔状构造，故称铁帽。•铁帽是硫化物矿床的氧化产物，通常指示下部存在硫化矿床，是重要的找矿标志。•2)淋滤亚带:•CuFeS2+4Fe3++2H2O+3O2＝Cu2++5Fe2++2SO42-+4H+•3)次生氧化物富集亚带:•2Cu2S+8Fe3++12SO42-+6H2O+3/2O2＝2Cu+Cu2O+8Fe2++12H++14SO42-•9.4.3硫化物矿床的次生硫化物富集带•从硫化物矿床氧化带淋滤出来的某些金属硫酸盐溶液渗透到潜水面以下，在还原环境中，以交代原生硫化物的方式生成次生硫化物。于是增加了原生矿石中某种金属的含量，提高了矿石的工业价值，故称之为次生硫化物富集作用。发生这种作用的地带称为次生硫化物富集带。•次生硫化物是由硫酸盐交代原生硫化物而形成的，其交代顺序是按修曼序列的次序进行的，即按元素亲硫性减小的次序排列：•Hg－Ag－Cu－Bi－Cd－Pb－Zn－Ni－Co－Fe－Mn•在这个序列前面的元素（硫酸盐溶液中的金属离子）置换后面的元素（硫化物的金属离子），产生位于前面元素的金属硫化物（即次生硫化物）沉淀，同时使位于后面的金属形成硫酸盐而进入溶液。•典型的反应式如：•5CuFeS2(黄铜矿)+11CuSO4+8H2O＝8Cu2S(辉铜矿)+5FeSO4+8H2SO4黄铜矿含铜量34.6%，辉铜矿含铜量79.8%•5FeS2+14CuSO4+12H2O＝7Cu2S(辉铜矿)+5FeSO4+12H2SO4•PbS+CuSO4＝CuS(铜蓝)+PbSO4•铜的次生硫化物富集带形成以后，当潜水面进一步下降，则次生硫化物又被氧化，形成金属含量更高的次生氧化物（赤铜矿、黑铜矿）和自然铜，构成次生氧化物富集亚带。•9.4.4金属氧化物矿床的表生变化•原生金属氧化物矿床的地表露头，在风化作用下，使其中无用甚至有害组份被大气水淋滤掉，有用组份残留下来，形成富矿石。例如，含铁石英岩的去硅作用；菱铁矿床的去碳酸作用；以及锰矿床和铝土矿床的去硅作用等。