1、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
2、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
3、体。 从直径为15厘米的烟囱中，约350C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10004000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
4、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
5、，此外还有H2S、HF、HCl、CO2、CO和重金属的卤化物，大约占105%。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9.7l08Pa(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
6、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A12O52SiO22H2O，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
7、，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12%。,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
8、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18O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
9、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%
10、。,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0.40.9%增加到2.55%；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
11、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 水：气水热液的主要组分是水； 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；,基本组分：基本组分是Na，K，Ca，Mg，Sr，Ba，Al，Si及Cl-，F-，SO42-等 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
12、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
13、.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,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n10-5到n10-8之间。 由于金属硫化物的溶解度异常低，要
14、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。,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。,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。,大约在30年前，人们开始
15、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-、SbS43-、MoS42-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
16、四种变化能引起热液中矿质的沉淀: 温度变化； 压力变化； 热液与通道岩石之间化学反应引起的热液化分上的变化； 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
17、，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应是碳酸盐的溶解，长石的水解和镁铁质矿物转变成云母或粘土矿物。 第二类是使围岩组份进入溶液的围岩蚀变反应。一个明显的例子是还原硫的加入，例如黑色页岩中的H2S或来自黄铁矿的S2-，S2-的加入，会引起硫化物立刻沉淀。,第三种化学反应会改变溶液的
18、氧化还原状态，使某些元素如Cu、U和V发生电价的变化，或使某些络离子的稳定性发生变化。 有两类作用会影响氧化还原状态，一类是蛇纹石化引起的氧化作用，另一类是碳质加入产生的还原作用。碳质不仅会影响溶液中的金属的氧化状态，还会使溶液中的(SO4)2-还原为H2S。这与从外界加入还原硫所产生的效果是一致的。,(4)不同成分热液混合引起沉淀 热液与另一种成分的溶液相混合，是形成矿床的一种普遍原因。混合后热液的温度，热液的化学成分都发生了重大的改变，终于导致了矿质的大量沉淀。,4.5.2 矿质沉淀的方式一种是充填，另一种是交代。1.充填 充填作用是在已有的空洞中发生的矿物沉淀过程。其特点是：,矿体形态决
19、定于原有孔隙的形态，一般呈脉状、与围岩界限清楚。 矿体中矿物沉淀的顺序通常从两壁向中心生长，其发育的晶面指向热液的供应方向。 充填作用形成的矿石，可具有梳状、晶簇状、对称带状、角砾状及同心圆状等构造，为识别标志。,2.交代 实质上是一种同时进行的溶解和沉淀过程，新矿物用这种方式替换原先存在的矿物，新矿体集合体替换了以前存在的岩石。A.特点:,矿体外形不规则，矿体和围岩界线不清楚，呈过渡关系； 矿体中常含有未被交代的围岩残余； 矿体中往往可以保存原来岩石的结构构造； 某些交代矿物晶体不受生长空间的限制，可长成完整的晶体； 可以产生假象矿物。,B.类型:扩散交代作用：分子或离子通过浓度差移动； 渗
20、滤交代作用：组分通过压力差进行迁移。,4.6 围岩蚀变,4.6.1 研究围岩蚀变意义 岩石在气水热液作用下，发生一系列旧矿物为新的更稳定的矿物所代替的交代作用，称为围岩蚀变。 理论意义： 研究蚀变围岩能了解成矿时的物理化学条件，成矿热液的性质及其变化，矿物沉淀的原因，分布的规律，从而解决矿床的成因，丰富并发展成矿理论。,实际意义： 围岩蚀变是一种重要的找矿标志，虽然蚀变岩石并不都伴生矿床，但是所有的气成热液矿床都有明显的围岩蚀变现象。在没有发生围岩蚀变的地方，一般是不会有热液矿床存在的。蚀变围岩圈定了可能发生矿化的总界线，在这条线以外，很难发现热液矿床。,4.6.2 蚀变围岩的命名 蚀变围岩有
21、好几种命名的方法。 1.根据蚀变岩石的主要矿物来命名，如绢云母化、绿泥石化、钠长石化，这是最早采用的命名方法。 2.以常见的蚀变矿物共生组合来命名，如云英岩化、矽卡岩化、青(绿)盘岩化，这与根据常见造岩矿物共生组合给岩石命名的办法一样。 3.用蚀变过程中从热液加入的元素来命名，如硅化、钠化、钾化、镁质交代，石英化、蛋白石化、玉髓化都是硅化；钾化反映在矿物上可以是形成黑云母、钾长石或(和)其它含钾矿物。,4.6.3 围岩蚀变的主要类型 围岩蚀变的种类很多，蛇纹岩石、滑石碳酸盐化、青盘岩化(变安山岩化)、绿泥石化、黑云母化、云英岩化、电气石化、钠长石化、绢云母化、黄铁绢英岩化、钾长石化、次生石英岩
22、化、硅化(蛋白石化、石英化)、碳酸盐化(方解石化、白云石化)、重晶石化、明矾石化、叶蜡石化和高岭石化(粘土化)都是常见的蚀变类型。,4.7 气水热液矿床的矿化期、矿化阶段和矿物生成顺序,热液矿床的形成常常是在一个相当长的时间内，由含矿热液多次反复作用形成的。它与持续的、阶段性的构造活动，以及与物理化学条件不断变化过程有关。因此在热液成矿作用中常表现为多期性和多阶段性。一般可划分为若干矿化期(或成矿期)和矿化阶段(或成矿阶段)。,4.7.1 矿化期 矿化期代表一个较长的成矿作用过程，它是根据显著的物理化学条件变化来确定的。例如有的矿床在气化一高温热液条件下，形成一系列的硅酸盐和氧化物矿物，这样可
23、划分出硅酸盐期和氧化物期两个矿化期。但并非每一个热液矿床都能划分出矿化期，只有那些成矿时间长，发育完全的矿床才能分出，每一矿化期中又可包括若干个矿化阶段。,4.7.2 矿化阶段 1概念： 矿化阶段代表一个较短的成矿作用过程，表示一组或一组以上的矿物在相同或相似的地质和物理化学条件下形成的过程。矿化阶段是与构造裂隙的阶段性发育及与此有关的含矿热液的间歇性活动有关。每一个矿化阶段代表一次热液的活动，也是代表较小的时间间隔内，物理化学条件变化不大的一次成矿作用。,由于构造作用和物理化学条件的变化，因此早阶段的矿物往往被后阶段生成的矿物穿插交代。在任何一个热液矿床中，矿化阶段常可被划分出来。这是因为每
24、一个矿化阶段之间有一定的时间间隔和物理化学条件稍有变化的缘故。,2划分不同矿化阶段的标志有: 1)早阶段被晚阶段矿脉交截，被截部分常有位移现象， 2)早阶段矿石经破碎并角砾岩化，被后阶段矿物所胶结，有时有不同程度的交代现象! 3)具明显的交代蚀变作用，早阶段形成的矿物被交代蚀变成另一种矿物，如阳起石或透辉石蚀变成绿泥石及碳酸盐。,4.7.3 矿物的生成顺序 1概念 在同一矿化阶段中不同矿物结晶的先后顺序叫做矿物的生成顺序。在热液矿床中矿物沉淀的先后顺序从属于地球化学的规律性。在一般情况下，生成顺序符合于能量降低的顺序。但此顺序也可被其它因素如浓度、pH值。氧化还原电位所影响。,脉石矿物的结晶顺
25、序，一般首先是硅酸盐，然后是石英，最后是碳酸盐和硫酸盐类矿物(如方解石、天青石和硬石膏等)。 矿石矿物形成的次序也有规律，一般情况下首先形成高价离子的氧化物和含氧盐。如黑钨矿、锡石、独居石、黄绿石、磁铁矿等。其次是铁、镍、钴、铜、铅、锌等二价元素的硫化物和砷化物，如磁黄铁矿、毒砂、黄铁矿、针镍矿、砷镍矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等。再次为砷、锑的硫化物以及金、银的硒化物和碲化物。,2确定矿物生成顺序的主要标志有: 1)穿插:一矿物穿插另一矿物或矿物组合，被穿插者生成较早； 2)交代，先成的矿物被后成的矿物所交代，常显交代残余结构； 3)包围:先成矿物的全部或一部分被后成矿物所包围， 4)粒间位置
26、:后成矿物生成于先成矿物的颗粒之间；,5)假象:先成矿物被后成矿物交代后，尚保留其原来晶形。如磁铁矿变成假象赤铁矿后仍保留其等轴晶系的晶形； 6)构造:在对称带状构造中，外层矿物早于内层矿物:晶洞构造中的矿物一般晚于洞壁的矿物。 研究矿物的生成顺序时，要全面、综合考虑以上标志，并根据具体情况加以确定，因矿物生成顺序不是固定不变的，可出现反常现象。,4.7.4 矿物生成顺序表1反映的内容： 成矿期、成矿阶段 矿物及其生成的时间顺序 矿物相对含量 2构成形式： 表格形式，例新疆祖鲁洪钨铜矿床矿物生成顺序表:,3原则 (1)线条长度代表时间，同一阶段中不同矿物的线条必须搭接，前、后、中间不留空； (2)线条宽度代表相对含量，每一种矿物在每一个阶段都是由少到多再到少的过程，因此可表示为一个横透镜体状。少量的矿物用细线或细虚线表示； (3)每个阶段同一矿物可以有不同世代，因此线条可以有间断； 不同阶段之间有一个矿物形成的间断，因此在分界处矿物含量均为零； 矿物排列的顺序大体应与形成时间先后一致，使图表美观。,
