第五章气水热液矿床.ppt

第五章气水热液矿床 矿床学 2 第五章气水热液矿床概论 第一节概述第二节气水热液第三节成矿作用第四节围岩蚀变 3 第一节概述 一 概念二 矿床特征三 研究意义 4 一 概念 1 气水热液指形成于地壳一定深度的 具有一定的温度 压力的气液两相体系 称为气水热液 简称热液气水热液是富含挥发组份 H2O F Cl B S P等 的热水 500 50 溶液 5 2 含矿气水热液含矿气水热液是指含有用组分的气水热液 简称含矿热液 3 气水 气化热液矿床在地壳岩石中由各种来源的含矿气水热液通过交代 充填等作用而形成的矿床 称为气水热液矿床 又称气化热液矿床 6 二 矿床特征 1 矿床产于已固化的岩石中 即成矿晚于围岩 属于后生矿床 2 矿体主要呈透镜状 囊状 不规则状 有时也呈似层状 3 矿石组构 具充填和交代形成的结构构造 如脉状 网脉状 浸染状 块状构造 侵蚀 残余 骸晶结构等 4 矿石组份 构成矿床的金属矿物以金属硫化物 Cu Mo Pb Zn Hg Sb Ag 为主 另外有部分金属氧化物和含氧盐 W Sn U 5 具有明显的围岩蚀变 8 三 研究意义 1 工业意义矿产类型繁多主要金属矿种如Fe Mn Cu Pb Zn W Sn Mo Sb Hg Au Ag Li Be Nb Ta U Th 非金属矿产如云母 石棉 萤石 水晶 明矾石 叶腊石 蛇纹岩 硫铁矿 重晶石 天青石 滑石 菱镁矿等 2 理论意义如成因 如现代地热系统 矿床分类目前尚存在诸多问题 有待进一步探讨 9 第二节气水热液 一 气水热液的成分二 气水热液来源三 气水热液的运移四 热液中矿质的搬运五 热液中矿质的沉淀 10 一 气水热液的成分 1 一般组份情况1 最主要的组份 H2O2 基本组份 Na K Ca Mg Sr Ba Al Si及Cl F SO42 等3 溶解气体 H2S CO2 O2 HCl等4 成矿元素及微量元素类 11 重要组份 水 硫 氧 二氧化碳 12 1 水 H2O是热液中最主要的成分 其主要作用在于 1 作为搬运成矿物质的介质 374 22Pa 水的临界点 2 由于H2O就部分电离为H 和OH 有助于热液中的化学作用和影响溶液的酸碱度 从而影响成矿物质的搬运与沉淀 13 2 硫 S主要以H2S形式存在 但硫的状态随温度不同而发生改变 1 超高温 T 400 时 H2S发生分解 T 1500 时 则全部分解为气体分子H2S 2H2 S2随着温度下降 H2和S2结合成H2S 2 高温热液阶段 T 300 400 未分解的H2S以中性分子存在 很少形成硫化物 或只形成低硫的硫化物如磁黄铁矿 FeS 毒砂 FeAsS 辉钼矿 MoS 等 14 3 中温热液阶段 T 300 200 H2S在弱碱 碱性环境易分解成离子状态H2S HS H HS S2 H 可形成高硫的硫化物如黄铁矿 胶黄铁矿等 4 低温热液阶段 T 200 SO42 可形成硫酸盐矿物如石膏 重晶石等 随着温度下降 H2S在水中的溶解度逐渐增大 故在低温 中温阶段易于形成大量的硫化物堆积沉淀 15 3 氧 O2主要是氧化作用 氧的状态随空间不同而发生改变 1 在深部 气水热液中含氧较少 有利于形成硫化物和元素低价离子的化合物 2 在浅部 气水热液中游离氧浓度增加 形成高价元素离子的氧化物和硫酸盐矿物 有些元素具有显著亲氧性 如铀和钨等 在自然条件下并不形成硫化物 直到热液中足够的氧离子浓度才沉淀 有些元素如金 银 铋等在热液中又不能形成氧化物 在还原条件下可形成自然元素沉淀 16 4 二氧化碳 CO2CO2可溶于水 形成H2CO3 并离解成HCO3 CO32 1 在溶液中CO32 的含量与CO2溶解量成正比 且与pH值的变化有关 pH值减小 CO32 的浓度减小 pH值增大 CO32 的浓度增加 2 由于CO2溶解度与温度成反比 因此高温阶段 在溶液中成中性分子 中温及低温阶段 则可形成大量的碳酸盐矿物和碳酸盐化围岩蚀变 17 二 气水热液来源 热液来源 岩浆热液 地下水热液 变质热液 海水热液 热液成因类型 1 岩浆热液指与岩浆处于平衡或从岩浆中分出的气水溶液 据A 卡迪克等计算 基性岩浆含水不少于1 有的可达5 6 酸性岩浆含水不少于2 有的可达10 水从岩浆中分出的主要因素是由于温度和压力的降低 如岩浆上升到浅部 因压力较低而使岩浆分馏 水可呈蒸气状态逸出 然后再聚集成热水溶液 若深度较大 压力较高 则岩浆分馏作用可形成超临界溶液 冷却时直接转变成热水溶液 19 2 变质热液通过变质作用从受变质的围岩中析出后汇集而成的热水溶液 据A 萨乌科夫计算 密度为2 5 103 kg m3 的泥质沉积岩 变质时将失水5 1 若以4 计 则1km3的沉积物中将释放出1亿t水 矿质来源 从变质原岩中 从变质水流经的岩石中萃取的和深部的物质 20 3 地下水热液天水沿裂隙下渗形成的地下水由于向下渗到数公里甚至10km以上时因深部环流作用升温而形成的的热水溶液 称为地下水热液或地下热水 T 含盐 矿物质 地下热卤水 液 一般认为 循环的地下水形成含矿热液 必定与深部热源 地热梯度 岩浆烘烤 放射性元素的蜕变及与火成热液的混合等 有关 21 4 海水热液海水沿着深大断裂向下渗透因地下热能所形成的热水溶液 如与海底岩浆作用有关的块状硫化物矿床 有人也将其归入地下水热液 只不过是其水来自海洋 黑矿型矿床简要横剖面图表示海水对流循环和可能具有地下水和 或岩浆水参加的混合作用模式 22 三 气水热液的运移 1 热液运移原因2 热液运移通道 23 三 气水热液的运移 1 运移原因1 挥发份作用 美国学者万德基认为含矿溶液是自己打开道路上升的 即当溶液活动时 由于含大量挥发分使内部具很大压力而冲破围岩打开道路 美 塔伯认为由于结晶作用 结晶体的长大 伸长使围岩破裂而打开了气水溶液上升的道路 挥发份作用使得热液具很大的内压 24 2 压力差1 高水源的存在引起压力差 形成水的动力 促使渗流 2 深层静岩压力大 因挤压而使热液沿裂隙流动 气水热液在地下深处于上覆岩石的压力之下 当地壳运动产生断裂和裂隙时 溶液就会因压力差而流向裂隙 3 在封闭裂隙形成的瞬间将产生真空状态 将热液引入裂隙中 热液运动的原因主要是由于压力差引起的 25 3 深部热源 热水循环对流当水溶液沿破碎带下渗到地壳深处 由于受到深部热源 如岩浆热能 变质热能 地热梯度等 提供热能 从而引起对流循环 26 2 热液运移通道 以上三种孔隙中 构造孔隙对热液运移和矿质沉淀成矿更具重要意义 构造孔隙和热液产生的孔隙为次生孔隙 热液运移通道 热液产生的孔隙 构造孔隙 原生孔隙 岩石中原有的晶间及粒间孔隙 原生节理 层间孔隙 构造作用产生的断裂 节理 劈理和片理等 热液的压裂 隐爆 溶蚀和交代等作用产生的孔隙 27 1 原生孔隙 指岩石生成时就存在的孔洞 裂隙 岩浆岩颗粒间的孔隙 火山岩中的气孔 沉积岩的层间裂隙 花岗岩孔隙度0 37 0 5 沉积岩孔隙度5 30 对含矿热液的运移来说有效孔隙度才有意义 也就是相互连通的孔隙越多 对热液的流动越有利 2 次生孔隙是指在成岩以后产生的各种断裂裂隙 如因岩石体积胀缩 矿物重结晶等造成的裂隙 构造运动所产生的裂隙 对成矿作用来说重要的是构造运动所产生的系列裂隙及断层 28 根据热液活动与构造的关系 29 导矿构造 导矿构造通常是一些深大断裂 陡倾斜的渗透性岩层 控制矿田及成矿带的分布 是将深部含矿热液引入矿田及矿带的构造 即深部热液流通的通道 故成矿溶液基本上是形成于地壳深处 30 配矿构造配矿构造与导矿构造连通的分支断裂 将来自导矿构造中的热液引向有利成矿部位 这些配矿的断裂通常位于导矿构造的上盘 导矿和配矿统称运矿构造 在但实际工作中二者不易区分 31 容矿构造 容矿构造是使矿体定位的构造 是热液矿质沉淀场所的构造 容矿构造一般是与配矿构造相通的次级断裂 裂隙 层间剥离构造 渗透性好的岩层 控制矿体形态 产状 大小及分布的构造 如褶皱的核部 断层 裂隙 层间裂隙等 32 四 热液中矿质的搬运 成矿物质在热液中的搬运形式是一个很重要的成矿理论问题 据目前的资料 搬运形式与热液和矿质的来源 性质及成矿元素的地球化学特性成矿时的物理化学条件有关 人们对这一问题的认识也是随着研究程度的提高而发展的 由于热液矿床中的成矿物质多呈硫化物状态存在 因此提出以硫化物真溶液形式搬运 1 硫化物形式搬运2 胶体形式搬运3 卤化物形式搬运4 络合物形式搬运 33 1 硫化物形式搬运Naumov 1974 认为 热液中的矿质以硫化物真溶液形式搬运 后来人们发现 实际上绝大多数金属硫化物在水溶液中的溶解度非常低 即使在酸性溶液中溶解度也是微不足道的 当人们弄清了这个问题 这一假说已不为多数人所重视了 34 2 胶体形式搬运人们发现许多金属硫化物在胶体溶液中的含量 比真溶液中至少大一百万倍 胶体特性 胶体质点具有特别大的表面积 具巨大的表面能和吸附力 胶体质点带有一定的电荷 同一胶体中由于相同电荷的排斥保持胶体的稳定性 胶体溶液能在任何物理化学条件下产生 且在低温条件下特别稳定 目前研究表明 在地表条件下 胶体溶液搬运成矿物质是非常重要的搬运方式 例如 铁 锰 锡等金属在地表条件下多呈胶体溶液进行迁移 并最终形成规模巨大的胶体化学沉积矿床 在低温矿床中发现大量胶状构造 问题 后来发现 胶体在高温时是不稳定的 另外 由于胶体的粘度较大而难于长距离搬运 因此多数热液矿床靠胶体搬运成矿物质形成 看来也是难以想象的 由于胶体搬运的不可能性 提出了卤化物形式搬运 36 3 卤化物形式搬运主要是Cl F 化物 卤化物的特点是在高温下稳定 易于搬运 低温特别是在有H2O存在时将发生沉淀 FeCl2 H2S FeS HCl从现有资料研究来看 卤族元素对成矿物质的搬运可能起到相当大的作用 但主要是在高温气化热液阶段 一些高温矿物 W Sn矿物 主要是以卤化物形式进行搬运的 WF6 WOF4 WO2F2 亲硫元素的卤化物在有H2S存在时将不稳定 因此在中低温条件下 对一般金属难于搬运 37 依据 重金属卤化物在真溶液中的溶解度非常大 如Cu2 在18 水中溶解度为43 1g 100g溶液 Zn2 达78 6g 100g 火山喷发物有很多重金属的氟化物 氯化物 各热液矿床中常见Cl F化合物 PbCl3 CaF2 黄玉 对包裹体成分测定 含盐度高主要是氯化物 NaCl KCl 认为这些成分是成矿时的溶液 38 高温条件下可能 1 卤化物气态形式 一些卤化物 如FeCl3 AuCl3 SnF4 高温下具有挥发性质 可以气态形式迁移 但是 温度降低会发生水解 如SnF4 2H2O SnO2 4HF 2 卤化物溶液形式 多数元素的卤化物都具有较大的溶解度 使之具有溶解迁移的可行性 但是 随H2S和H2CO3解离 则与成矿元素离子结合形成难溶的硫化物 碳酸盐而沉淀 使以卤化物溶液形式迁移的可能性减小 39 4 络合物形式搬运自然界中绝大多数金属离子都可构成络阴离子中的中心离子 络合物的种类多种多样 目前认为最重要的络合物是硫氢络合物 Zn HS 3 Fe HS 3 和氯络合物 ZnCl3 2 CuCl3 2 矿质存在于络阴离子中 络合物溶解度大 稳定性好 在高温 低温下均较稳定 因此易于长距离搬运 不同的络合物稳定的条件不同 40 五 热液中矿质的沉淀 使成矿物质从含矿溶液中沉淀出来的原因很多 归纳起来有以下五个因素 导致热液中矿质沉淀因素 温度降低 压力降低 pH值变化 Eh值变化 热液混合 41 1 温度降低温度降低可导致成矿物质溶解度减小 可导致挥发性物质状态变化 可导致水解反应和H2S H2CO3等电离产生S2 CO32 以上变化都可能导致成矿元素沉淀成矿 2 压力下降压力降低导致作为络合物配位体的挥发组分因挥发而在溶液中浓度降低 引起络合物分解和矿质沉淀 可导致热液沸腾从而引起液相中成矿物质达到过饱和 42 3 pH值变化如前所述 pH值影响H2S H2CO3的电离和热液中S2 CO32 的浓度 pH值也影响络合物的溶解度 见图 因此 pH值变化可能导致有用组分沉淀成矿 43 4 Eh值的变化1 Eh值对变价元素 如S U V 有重要影响 如Eh值升高可引起H2S在热液中浓度降低 导致硫氢络合物分解沉淀成矿 2 氧化作用使一些低价离子变为高价离子 Fe2 Fe3 Fe OH 3或Fe2O3 导致铁沉淀成矿 3 Eh值降低可使易溶的高价U V还原为低价的难溶的U V 如SO42 S2 形成硫化物沉淀U 6 U 4 UO2 非晶铀矿 导致其沉淀成矿 4 此外 Eh值也影响络合物的溶解度 44 5 热液混合不同热液具有不同的温度 压力 pH和Eh值 不同热液混合后其温度 压力 pH和Eh值相对于混合前任何一种热液都发生了重要变化 因而可导致有用组分沉淀成矿 45 第三节成矿作用 一 充填作用二 交代作用三 矿床类型 热液矿床形成方式 充填作用 交代作用 交代矿床 充填矿床 46 一 充填作用 1 概念1 充填作用含矿的热液在化学性质稳定的围岩中运移时 主要因温度 压力的变化 使矿质在容矿构造 如空洞或裂隙 中发生沉淀的过程 硅铝质岩石化学性质稳定 与围岩之间无明显的化学反应和物质交换 矿质从热液中直接沉淀于裂隙内的过程 2 充填矿床 由充填作用方式形成的矿床 47 2 识别标志 矿床特征1 矿体形态决定于容矿构造裂隙的形态 往往呈脉状 界线清晰 2 矿石往往具有特殊构造 对称条带构造 梳状构造 晶簇 洞 构造 角砾状构造 3 矿脉中矿物晶体的生长具单向发育的特点 由脉壁向中心生长 4 充填作用形成的矿脉无明显的围岩蚀变 48 二 交代作用 1 概念1 交代作用含矿气水热液在运移时与围岩发生化学反应 使成矿物质发生交换的过程 即指热液 流体 与围岩发生物质交换的过程 特点 1 原矿物的溶解与新矿物的沉淀同时进行 2 在交代过程中岩石始终处于固体状态 3 交代前后岩石体积基本不变 2 交代矿床 指以交代作用方式形成的矿床 49 2 交代作用类型1 渗滤交代作用 流动着的含矿气水热液依靠压力差直接与围岩发生的交代作用 2 扩散交代作用 含矿气水热液通过围岩中的粒间溶液 离子或分子间 依靠浓度差发生的交代作用 扩散作用总是从高浓度向低浓度方向进行 一般效应半径为数十米 选择性交代 岩石化学性质 孔隙度 深透性 环境 1 裂隙发育 2 压力差 浓度差 50 3 识别标志 矿床特征1 矿体形态不规则 外形锯齿状 与围岩界线不清楚 通常呈渐变接触 常有呈岛状 悬挂状未被交代的围岩残留体 常见交代残余的围岩2 矿石交代结构 交代残余结构构造普遍 矿石往往保存原岩矿石的结构构造 3 某些交代形成的矿物具完整的晶体 新矿物往往呈现被交代矿物的假象 4 通常具明显的围岩蚀变 50 1 接触交代矿床2 热液矿床1 岩浆热液矿床2 非岩浆热液矿床3 火山成因矿床1 火山 次火山气液矿床2 火山沉积矿床 三 矿床类型 52 第四节围岩蚀变 一 概念二 意义三 常见类型 53 一 概念 1 围岩蚀变围岩蚀变是指矿体周围的岩石在气水热液作用下发生一系列旧矿物被新矿物替代的交代作用 使围岩的结构构造和矿物成分发生变化的现象 影响围岩蚀变的主要因素是热液的性质 成分 温度 压力 围岩的性质和成分等 气液流体使围岩发生各种变化的地质作用 2 围岩蚀变的命名原则1 以蚀变形成的矿物命名 如钾长石化 钠长石化 绢云母化 绿泥石化 电气石化 黄铁矿化等 2 由蚀变形成的岩石命名 如矽卡岩化 青盘岩化 云英岩化 次生石英岩化 白云岩化等 3 以蚀变岩石增加的组分命名 如钾化 钠化 硅化等 4 以蚀变岩的颜色变化命名 如退色化 红化等 55 二 研究意义 1 理论意义可推断矿床形成时的物理化学条件 1 判断成矿温度 如矽卡岩化 钾长石化 云英岩化等为高温产物 绢英岩化 绿泥石化 青盘岩化等属中低温热液产物 2 推断成矿环境 如泥化 云英岩化 次生石英岩化多形成于酸性环境 黄铁矿化 碳酸盐化 蒙托石化多形成碱性环境 红化 重晶石化 明矾石化等表明氧化环境 黄铁矿化 退色化表明还原环境 2 工业意义重要的找矿标志 预测矿产类型及位置 由于围岩蚀变和矿化都是热液作用的产物 围岩蚀变类型往往和矿化种类有密切关系 不仅围岩蚀变的范围往往大于矿化范围 而且不同蚀变类型及矿化常具有特定的空间分带规律 如斑岩型铜 钼 矿床 从矿化中心向上 外 依次分布的是 钾化及石英 绢云母化 泥化带 青盘岩化带因此 围岩蚀变可作为有效的找矿标志 57 三 常见类型 1 矽卡岩化主要发生于中酸性侵入岩与碳酸盐类岩石的接触带和附近 属高温蚀变 蚀变产物主要为矽卡岩矿物如石榴石 钙铝榴石 钙铁榴石系列 辉石 透辉石 钙铁辉石 及其它钙 铁 镁的硅酸盐等矿物 与之有关的矿产主要有铁 铜 钨 锡 钼 铅 锌等 2 云英岩化主要是花岗岩类岩石在高温热液 在酸性气水热液 作用下形成