第十三章现代矿床学研究中的某些问题.pdf

第十三章第十三章 现代矿床学研究中的某些问题现代矿床学研究中的某些问题 第一节第一节 成矿流体成矿流体 地球中的流体分布在大气圈 水圈 生物圈和岩石圈各圈层 这里的流体限定在岩石 圈 包括上地幔和地壳 中活动的岩浆 CO2和H2O等液态和气态物质 捕获在矿物晶格 缺陷中的包裹体是古流体的保真样品 岩石圈内外部流体活动的过程实际上是矿物 岩石 矿石 矿床及矿床系列形成的过程 能够形成矿床的天然流体叫做成矿流体 它引起矿床 学家和地球化学家的广泛重视 20 世纪 80 年代出版的 地壳中的流体 总结了地壳中流 体的成分 性质以及流体中金属物质的迁移方式 80 年代以后 对成矿流体的研究内容涉 及构造作用 变质作用中的流体动力学 造山带中的流体作用 流 岩反应等 90 年代以 来 以成矿流体为主的流体地质学已成为世界上地球科学的前缘研究领域 在成矿流体的 热力学 成矿流体作用动力学 成矿流体地球化学界面 海底热液成矿和大陆热泉以及俯 冲带和剪切带中的流体作用等方面的研究取得了许多重要成果 目前 关于地壳中大规模 流体的运移与大规模成矿作用 流体的广域穿层效应 成矿流体反应动力学 成矿流体 有压涌流动力学 地幔流体与成矿 成矿流体运移路径与成矿预测等是地质学家的主要研 究方向 这些研究不仅使流体地质研究更加深化 而且将成矿流体与成矿系统的研究结合 起来 大大地促进了矿床学理论的发展 对矿产勘查和预测将发挥重大作用 对矿床中矿物流体包裹体和现代海底热液成矿的研究表明 参与成矿的流体主要有盆 地卤水 地热流体 岩浆和岩浆热液及变质流体等 盆地卤水是一种有多种来源的地层水 在其形成 运动过程中 溶滤了沉积岩层中的盐类和金属组分 在地热或岩浆加热下而形 成含矿热卤水 许多层控矿床 如MVT矿床 即由盆地卤水作用形成 地层水包括孔隙水 油田水 地下水 深部水 孔隙水也叫同生水 是指与沉积岩同时生成且封闭于地层孔隙 或层间的水 由于流 岩石反应及其他流体的混合 其成分变化较大 油田水是地层水的 一种特殊类型 主要形成于油田及其附近的沉积层中 与油气相伴 许多情况上部为天然 气 中部为石油 下部为水 或上部天然气下部石油和水的混合物 油田水中的卤素元素 和金属含量均较高 地下水是位于浅部的地层水 由大气降水向下渗透而成 深部水指从 沉积盆地的深部或基底中沿构造裂隙流出的流体 可能来自岩浆或变质流体 地热流体是 地下热液直接形成的流体 溢出地表形成热泉 多数地热流体主要是由大气降水演化而来 其成分与盆地卤水不完全相同 盐类含量变化较大 SiO2含量较高 现代洋底热液是沿同 生断裂喷 溢到海底的地热流体 其成分主要为碱金属 碱土金属 SiO2 CO2 N2 S 金属元素和卤素元素等 以温度高 盐度变化大 富SiO2而贫MgO为主要特征 岩浆和岩 浆热液是人们最早确定和研究的成矿流体 岩浆作用是地幔或地壳物质的重熔和运动过 程 可分为幔源型 壳幔型和壳源型 岩浆是多组分的硅酸盐体系 它对氧化物具有很高 的溶解能力 除了主要造岩组分 Al2O3 SiO2 K2O Na2O MgO FeO CaO共占岩浆 第十三章 现代矿床学研究中的某些问题 288 质量的 90 以上 外 还含有数十种其他微量和稀有元素 含量较高的有Ti P Mn Ba Sr Rb Cs Li Zr W Sn Nb Ta Ce La V Pt Cr Ni Co Cu Zn Pb Ga等 岩浆中还含有挥发组分 主要是H2O 1 10 其他为Cl2 HCl HF SO2 NH3 CO2 CH4 CO S2 N2 H2 H2S等 当岩浆中含有较高的成矿组分时 经过冷凝 结晶分异可直接形成岩浆矿床 岩浆热液是岩浆分异过程中派生出来的以气态 液态流体 成分主要是H2O 其次是CO2 SO2 H2S Cl等 变质流体是在变质作用中因矿物脱水而 产生的流体 主要成分是H2O和CO2 前者是含水硅酸盐矿物在变质期间脱水反应的产物 后者是碳酸盐矿物脱碳反应的产物 变质流体的成分变化很大 在低变质相中产生的流体 富含H2O 而在高变质相中产生的流体则以CO2或H2O CO2为主 成矿流体与一般流体的根本区别是其中含有大量成矿组分和伴生其他微量元素 如 Au Ag Cu Pb Zn Cr Ni Pt Fe Hg Sb 等 这是流体 岩石反应的结果 因此 流体 岩石相互作用是成矿流体形成非常重要的条件 流体 岩石相互作用是在一定的温 度 压力条件下发生的化学反应 在反应过程中 岩石的原来矿物组合转变为在新条件下 更加稳定的矿物组合 而同时流体成分也随之改变 原岩中的一些组分进入流体 例如 海水 玄武岩间相互作用使新鲜玄武岩变成 4 种新岩石 角闪岩 绿片岩 沸石岩和褐砂 岩 正长石 钙十字石 沸石等组成 玄武岩从海水中汲取 Mg K 等 而 Ca 及 Fe Mn Cu Ni Zn Co Cr K Si B Li 等则从玄武岩中淋滤出来 部分进入海水 部 分就地沉淀变成新的矿物 成矿流体在地壳中多处于流动状态 当迁移到适当环境中才能聚集成矿 驱使成矿流 体迁移的动力有热动力 构造动力和压实作用 重力作用等 此外流体的密度 浓度 粘 度等也是重要因素 在沉积盆地中 流体的流动是从高的热动力学和化学位的地区向低的 地区流动 可以是沿一定的方向流动 也可以是对流循环 如大气降水在重力作用下向地 壳深部渗透 其被加热后又受热动力驱动向地壳浅处运移 流体流动的通道可以是连通性 孔隙 渗透性好的岩层 也可以是裂隙带或断层 深部的流体多是沿切过基底的断裂向上 运移的 成矿流体在流动过程中 不断从所流经的岩石中萃取出成矿元素和其他组分 导 致成矿流体的成分不断地发生演变 并且 成矿流体在迁移中发生的一系列复杂的化学反 应 还会对流体的运移方式等产生重要影响 成矿流体中有用物质的沉淀聚集需要合适的 地质环境和物理化学条件 地质要素的多因转换和不同流体的混合过程等是流体中矿质大 规模聚集的有利要素 地壳中流体普遍存在 并且大规模长距离运动 科拉半岛超深钻孔 12 km处地壳内存 在有大量的自由水为主的流体 德国KTB超深钻在深达 9101 m深部存在惊人的大量游离流 体 充满游离流体的破碎带或含流体层达 20 多层 近年对火山喷气以及古老片麻岩中流 体包裹体中发现大量CO2流体的存在 引起人们对地幔流体的关注 上地幔包裹体样品中 发现含大量以H2O CO2为主的C H2 O2 N S等流体 越来越多的成矿事实表明大型 超大型 巨型矿床的形成与岩石圈内流体的大规模长距离运动有关 美洲中部密西西比河 流域矿床的形成可能与盆地流体上千千米的运动有关 当前和未来一段时间内 流体大规 模运动 地幔流体与成矿 成矿流体热力学 成矿流体输运动力学和反应动力学 成矿流 体运移路径和卸载界面与成矿预测 超临界流体与成矿等是主要研究趋势 此外 成矿流 体研究的方法技术将会有突出进步 基础矿床学 289 第二节第二节 矿床成矿系列和成矿系统矿床成矿系列和成矿系统 单个矿床研究是矿床学的重要基础 针对一些代表性矿床建立成矿模式也是十分必要 的 但要在较大区域中全面认识构造作用 沉积发展 岩浆活动 变质作用和成矿作用的 内在联系 演化关系和整体规律就显得很不够 我国矿床学家先后提出 矿床成矿系列 和 成矿系统 等概念 矿床成矿系列是指一定地质构造单元和一定地质构造运动阶段内 与一定地质作用有 关形成的在成因上有联系各矿种 各成因类型及产在不同地质位置矿床的组合 陈毓川等 1998 成矿系列概念强调矿化和矿床是地质环境中的一个组成部分 成矿作用与各地区 各地质历史发展阶段的地质构造环境相关 也是形成地质环境的地质作用中的一个组成部 分 在一个矿床成矿系列中 成矿作用具有一定的时间 空间演化规律和分布规律 形成 的各类不同成因类型的矿床在时空分布上相互有不同程度的制约 在成因上有内在的联 系 成矿系列概念强调在包括时间维在内的四维空间内认识和研究区域中矿床的形成的整 体性 宏观性规律 成矿系列也应是岩石圈某个区域一定阶段成矿地质过程的一种客观反 映 不仅有助于指导区域矿产资源勘查和矿床评价工作 同时将对揭示地球演化历史和规 律 发展地球科学具有重要意义 成矿系统是指在一定的地质时空域中控制矿床形成和保存的所有地质要素 成矿作用 的全部过程以及所形成的矿床系列和相关异常构成的整体 是具有成矿功能的一个自然系 统 翟裕生等 1999 成矿系统的研究应该是在一般矿床学研究基础上 着重从宏观上 和整体上探讨区域成矿尺度上时间 空间 物质运动的关系及其发展过程 并力求深入到 成矿动力学机制上来探索和掌握矿床的形成和分布规律 成矿系统研究在研究思路和方法 上有一些重要特点 首先 认为成矿系统是由相互依存的几个层面组合成的 包括 控 制成矿的地质 地球物理 地球化学作用和条件 成矿物质 流体和能量及其来源 成矿作用的发生 发展到终结的过程以及成矿后矿床的保存 成矿作用的产物即矿床系 列及相关的异常 要把它们作为一个整体来看待 还有 成矿系统总是产在一定的地质构 造环境中 系统与所在环境间也进行着成岩 成矿中各种物质和能量的交换 即系统具开 放性 成矿系统本身还具有自发地排除成矿作用过程中出现的干扰因素的能力 使成矿作 用能持续进行 实现其成矿功能 成矿系统都具有四维属性 它是动态的 随时间变化的 此外 成矿系统应是地史演化的自然产物 成矿系统在时间和空间上的分布是不均匀的 成矿系统的演化具有总体上不可逆的特点 第三节第三节 矿床多成因问题矿床多成因问题 在矿床成因研究中提出这个问题已有三四十年 有些观点已成为多数矿床工作者的共 识 有些问题则继续受到关注 矿床多成因论的中心思想是矿床的成矿物质来源 成矿作 用和成矿过程等方面都不是单一的而是复杂或多样的 长期以来 人们对矿床按照其主导 的形成作用分类 例如 说这个矿床是岩浆矿床 那个矿床是热液矿床或沉积矿床等 从 20 世纪六 七十年代以来对层控矿床包括一些原来曾认为是岩浆热液矿床的研究中 通过 详细的岩相学 矿相学研究 并借助各种近代测试方法取得了大量资料 认识到这些矿床 的成矿作用往往经历过长期的演化 存在早期成矿受到后期相同或不同成矿作用叠加或改 第十三章 现代矿床学研究中的某些问题 290 造的历史 确定了矿床中的成矿金属和硫化物的硫等不只有一个来源 成矿的流体也可以 属不同的来源和性质 由此而提出了一些矿床是沉积 热液叠加或沉积 变质改造等复合成 因的类型 这种成因概念的提出显然是对矿床成因研究深入的结果 还有一种矿床多成因的认识是指对某些成因已有定论的矿床类型在随后的研究工作 中发现了新情况 获得了新资料 提出了与传统认识不同的新的成因看法 例如矽卡岩矿 床经典的成因概念是花岗岩类侵入碳酸盐岩石的接触带范围内由岩浆热液通过交代作用 形成的 后来发现区域变质环境中 在原岩为碳酸盐岩层及火山岩岩层和混合岩化岩石接 触带也有矽卡岩矿床形成 对层控矿床研究中又确定了由热水喷出沉积物经成岩和变质作 用生成的层状矽卡岩和角岩中的铜 铅锌矿床 即使象岩浆型铜镍硫化物矿床这类公认的 是由基性 超基性岩浆经熔离作用富集而形成的矿床 在后来的研究中对原有的成因模式 也提出了修正或置疑 例如 俄罗斯诺里尔斯克铜镍矿床硫化物 34S值为大的正值 表明 矿床中的硫主要是来自围岩三叠系中蒸发岩层而不是主要来自岩浆 又如加拿大萨德伯里 矿床基性岩的稀土配分模式不同于地幔岩石 再加上该地区岩石中发现大量冲击锥和冲击 角砾岩 说明不能排除陨石冲击诱发岩浆熔融和分异的可能 另外 在美国和加拿大的一 些含铜镍铂族基性岩中发现矿化受破碎带交汇部位控制 具充填交代结构 金属矿物形成 温度低于 335 围岩蚀变为绿泥石化 绢云母化 铂 钯主要成碲铋化物 Pd Pt为 18 1 所有这些都表明这里的铜镍矿可能是中温热液条件下形成的 第四节第四节 改造成矿作用改造成矿作用 改造成矿是 20 世纪 70 年代后出现在矿床学文献中的一个新概念 是在矿床成因多样 性 成矿物质多来源和成矿过程多阶段长期性不断被认识中形成 不同的研究者在这一概 念的运用上给予不同的含义 多数文献中 改造成矿 一般为泛指性的含义 因而也可用 再造 这一名词 它包括了同生 原生 成矿作用之后的各种成矿作用 如变质热液的 成矿作用 变形中的流体成矿作用 岩浆侵入中的各种叠加成矿作用等 它们发生在同生 原生 成矿期以后的各个成矿时期 阶段 如成岩 早期变质阶段 变质期 混合岩化 期 岩浆侵入期 表生期等 其物质来源包括了同生 原生 成矿以外的其它物质来源 如原生矿体 各种矿化体 含矿地层中富集的成矿元素以及由各种成矿流体带来的其它来 源的各种成矿物质 由此可见 泛指性的 改造成矿 概念十分不确定 应认真分析文 献作者的本意 才能理解其确切的含义 涂光炽给予 改造成矿 一个确切的定义 改造专指矿床或矿化地层于形成后在另 一次或多次地质作用中处于不到绿片岩相变质程度的温度压力范围 温度 300 400 压 力 1000 atm 不均一围压和宏观破裂中的各种改变 改造是对同生富集体 矿化体 工业矿体等的一种改变 可以形成新的矿床 或者发生新的富集作用 这里的同生矿床包 括沉积 热水沉积及火山沉积等矿床 改造发生在沉积 成岩期之后 变质期之前的环境中 有人称为埋藏变质阶段或极低级变质阶段 改造成矿主要是在不均匀围压下发生的 大量 宏观裂隙的生成提供了通道和空间 它们表现为破碎带 断裂 层间破碎和剥离 裂隙带 角砾岩带等 成矿发生在宏观裂隙形成或稍后 部分或全部成矿物质发生重结晶 溶解 重新沉淀和富集成矿 与改造成矿可对比的成矿有变质成矿 叠加成矿 混合岩化成矿 它们与岩浆成矿 岩浆期后气液成矿 沉积成岩成矿 表生成矿等 共同概括了主要的成 基础矿床学 291 矿类型 改造矿床是我国重要的固体矿产资源类型之一 大部分汞 雄黄 雌黄 水晶 相当 多的锑 铅锌 铜 铀 金 银等 还有部分钨 萤石等矿床 属于改造矿床 代表矿床 有秦岭泥盆系中的汞 锑 铅锌 铜 铀 金 银 菱铁矿床 扬子地台南缘的钨 锑 金矿床 我国南方的一些水晶 重晶石 萤石 黄铁矿矿床等 第五节第五节 元素的超常富集元素的超常富集 超常富集是近年出现在文献中的一个新概念 地壳中元素分布量的不均匀性是元素地 球化学的基本特征 一般把一个地段或地质体元素含量高于某一背景值的现象成为元素富 集 低于背景值为贫化或亏损 矿床学所指的 富集 一般包括 相对于克拉克值或区域 背景值 局部浓度升高 金属总量或储量等 聚集量增大以及空间分布上的高度集中等 元素富集的程度可分为地球化学富集 矿化富集 工业富集等 地球化学富集是指局 部地段富集程度超过了背景值或异常下限 它们可以通过统计分析获得 这一地段被称为 地球化学异常区 矿化富集是指地质体的富集程度整体接近了边界品位 矿化体 局部 达到了工业品位 矿体 但富集总量未达到工业要求的矿床储量标准 它们的直接标志 是出现了大量的矿石矿物堆积 工业富集是指当一些地质体整体达到了边界品位之上 大 部分达到了工业品位 有一个以上矿体 富集总量 储量 达到了小型矿床标准 矿体集 中分布的地段 称为矿床或矿区 超常富集是区别于一般富集的最高富集程度 它区别于 一般富集的主要有更高的浓度 矿石多为高品位矿石 更大的富集规模 储量常为大型 矿床标准的数倍 高度的聚集性 矿床或矿区面积较小 等 超常富集一般形成超常富 集矿床 超常富集矿床也称超大型矿床 特大型矿床 世界级矿床 巨型矿床等 关于超大型 矿床的定义 虽已无大的争议 但在具体划分标准上存在不同 早期的一些学者以元素的 富集倍数为划分标准 即成矿元素总量与其克拉克值的比值超过 1011者为巨型矿床 超过 1012者为超巨型矿床 这一划分对非金属矿床和铁 铝矿床不适合 近年 一些研究者提 出以超过大型矿床规定储量 5 倍作为划分标准 这一标准使大多数中外矿床学者的标准趋 于一致 如铜 铅 锌的大型矿床规模为 50 万吨金属量 而超大型标准为 250 万吨 钼 镍 锑大型矿床金属量 10 万吨 则超大型 50 万吨 大型金矿床 20 吨 超大型 100 吨 钨 铋大型 5 万吨 超大型 25 万吨等 同时 对于非金属矿床也适用 如 大型萤石矿为CaF2 100 万吨 超大型 500 万吨 重晶石大型BaSO4 1000 万吨 超大 型 5000 万吨 至于富集浓度和集中程度的标准 目前还没有一致的意见 超常富集体或超大型矿床不仅是一个矿床学名词 而且有重要的社会与经济学含义 即超大型矿床在国民经济中占有重要的地位 一个超大型矿床所占有的资源份额要多于众 多的中小型矿床 因而决定了一个国家的经济安全 超大型矿床常为一个地区或国家经济 发展的依托 为其提供主要支撑 对超大型矿床的利用 能缓解资源利用中的环境压力 保护人类的生存环境 研究超大型矿床是矿床学和资源学的一个重要的新课题 对于超常富集形成的地质背 景 有认为超常富集与一般的工业富集没有本质的区别 只是富集和保存条件更为有利 也有认为超常富集是一种特殊的成矿作用或成矿性 成矿背景和成矿条件与中小矿床和人 第十三章 现代矿床学研究中的某些问题 292 们所知的成矿作用有所不同 事实上 确实存在两种性质不同的超常富集 一种为常规超 大型矿床 在分布规律 物质组成 形成机制等方面 与同类型之其他超大型矿床和大 中 小型矿床之间并不存在本质上的区别 而且它们常共存于一个成矿带内产出 如超大 型斑岩铜矿床 Sedex 型矿床 VMS 矿床 砂岩型铜矿床等 另一种叫做非常规超大型矿 床 它们在成矿背景 控矿因素 元素组合 及形成机制等方面十分特殊 难以找到同一 类型其他超大型及大中小型矿床 既在大范围内 甚至在全球范围内都未曾发现或很少存 在与之类似的矿床 即 独一无二 涂光炽等 2000 典型非常规超大型矿床如我国白 云鄂博稀土 铁矿床 湖南柿竹园钨铋矿床 滇西金顶铅锌矿床等 美国的 Sterling Hill 锌矿床 澳大利亚的 Olympic Dam 铜 金 铀矿床等 实际上也还存在两种之间的过渡类型 此外 近年来又发现了一些分散元素的超常富集 它们可形成独立的矿床 而非伴生矿床 这一方面也应引起注意 第六节第六节 成矿作用动力学成矿作用动力学 成矿作用动力学是近年来提出的有关矿床成因研究的一个新方向和新领域 长期以 来 矿床成因研究主要是地质学的研究 后来扩展了部分物理化学研究 成矿作用动力学 研究可以说是再进一个层次 即要探讨在广义力 包括温度梯度 浓度梯度 速度梯度和 化学反应亲和力等 的驱动下成矿作用的发生及进行的速率 机制和过程 成矿作用动力 学研究被强调为矿床成因研究的基本问题和核心问题 对矿床和成矿区带进行此种研究能 更好认识成矿作用空间展布 时间演化的动态发展 并使研究具有从定性到定量的性质 可以预期 这种研究可以带来成矿理论的深化和新突破 成矿作用动力学研究之所以成为可能 是因为可以借助多种相关的现代科学 包括如 水岩相互作用的化学动力学 物理化学流体动力学 构造物理流体动力学 非平衡系统的 自组织 分形几何学与混沌动力学等的理论和方法 从 20 世纪 90 年代开始 於崇文等开 创性地对我国三个不同类型岩浆期后矿床进行了成矿作用动力学的研究 在不同程度上揭 示了相关成矿作用的驱动力和矿床形成的动力学机制问题 例如 在安徽铜官山铜矿研究 中应用了多孔介质中输运与流体岩石相互耦合过程动力学理论研究了层状矽卡岩型铜矿 床成矿作用动力学机制 在江西德兴铜矿研究中应用运输 反应耦合过程和流体动力分形 弥散两种动力学研究阐明了铜厂斑岩型铜矿成矿成矿作用动力学机制和过程 对江西银山 多金属矿床成岩成矿作用 温度场和流速场时空演化 的动力学研究提出矿床形成与深部 隐伏岩体和浅部次火山岩的热能和矿质来源有关并解释了其成矿的分带方向和多中心特 点 在总结了至今为止有关研究工作的基础上 他们也已系统阐述了 成矿作用动力学的 理论体系和方法论 於崇文 1998 为进一步开展这一领域的研究创造了条件 在近期地质文献中另外还有有关成矿作用与地球动力学的一类研究课题 这主要是对 大陆岩石圈 造山带 盆地等的结构 形成和演化的动力学研究 而这些大构造动力学的 机制和过程对区域成矿作用来说可能是重要的背景 有一定的控制意义 基础矿床学 293 第七节第七节 非传统矿产问题非传统矿产问题 随着世界工业化 现代化进程的加快 矿产资源的消耗量呈几何级数增长 近百年人 类消耗的矿产资源是前几千年消耗的数十倍 而矿产资源又是不可再生性自然资源 任何 一类矿产都有它枯竭之日 因此矿产资源问题已成为人类迫切需要解决的重大问题之一 我国矿产资源形势更严峻 虽矿产资源丰富 但人均占有量较少 大大低于世界平均水平 仅为世界平均水平的 58 加之我国的资源利用率和综合利用水平低 浪费十分严重 因此矿产资源总量并不能满足今后经济快速发展的需求 我国矿产种类齐全 但这主要指 传统矿产 而且这些矿产在储量 质量和空间上的分布不均匀 禀属性差 供需矛