第八章2气水热液讲稿.doc

一、气水热液概念、性质以及意义（一）气水热液的概念：气水热液：存在于地下一定深度、处于较高温度（50）和压力的气态液态以及超临界状态的稀薄流体。（二）气水热液的性性质1、化学组成载体成分（主要成份）：H2O（盐度一般为几%几十%）基本成分： 阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+、Al3+、Si4+ 阴离子：Cl-、F-、SO42-、CO32-成矿组分：主要金属元素：K、Na、Ca、Mg常见成矿金属元素： 黑色金属元素：Fe、Mn， 有色金属元素：Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Sb、Hg， 贵金属元素：Au、Ag， 稀有金属元素：Li、Be、Nb、Ta， 放射性元素：U、Th气体成分：HCl、HF、H2S、CO2、B、（As）其他：Li、Rb、Cs、Br、I、Se、Te2、几种组分的重要性质H2O：弱电解质 H2O=H+OH-1）、水解：水对化合物的分解作用2）、H+置换金属阳离子3）、水合：将H2O或OH-结合到矿物的晶格中 CaSO4+2H2O+CaSO42H2OSa、氧化态为SO42-，与Cl-性状相似，影响热液的ph值和有助于大部分金属元素的迁移，也可形成难溶硫酸盐而沉淀成矿，如重晶石（BaSO4）。b、还原态为H2S，是弱电解质和重要的矿化剂，性状如下：（a）温度400C时，H2S为中性分子，不电离，或分解为 S和H2。H2S=H2+S(b)温度400C，H2S开始电离，H2S=H+HS- HS-= H+ S2- S2-+Me=sulfideHS-常可与多种金属元素结合形成易溶络合物，有助于元素在热液中迁移。S2-常与金属阳离子结合形成难溶的硫化物而沉淀成矿。H2S的溶解度又与压力呈正相关，与温度呈负相关；pH值低溶液中HS-高，有利于矿质的迁移，pH值高溶液中S2-高，有利于硫化物的沉淀）故气液矿床中，大量硫化物沉淀于中低温阶段，当溶液为碱性时，H+溶度降低，有利于形成金属硫化物。O O在地壳表层呈O2，溶于水则称O2-，一般来说，距地表越深，O越少。所以，深部形成硫化物，浅部常形成氧化物。当然，这还与氧化还原剂有关。也与元素本身性质有关，如亲硫与亲氧元素有关。如铁：可以形成黄铁矿、白铁矿、磁铁矿、赤铁矿铜可形成黄铜矿、赤铜矿、黑铜矿等。CO2 高温条件下为中性分子，温度降低水合为H2CO3并解离，H2CO3=H+HCO3-(利于矿质迁移)，HCO3-=H+CO32-（有利于形成难溶碳酸盐沉淀成矿）与H2S性状相似，HCO3-和CO32-与热液的温度、压力和pH值有关，温度降低和pH值升高有利于成矿元素以碳酸盐沉淀。卤族元素热液中主要卤族元素是F和Cl。a、卤族元素的化合物（尤其是氯化物）是强电解质，电解后强烈影响热液的pH值；b、大部分金属元素的卤化物都有较大的溶解度，很多金属元素均可与卤族元素形成易溶络合物，还有部分卤化物高温时具有挥发性质。卤族元素的这些重要性质有助于热液中有用组分的迁移。3、气水热液的物理性质a、状态：气态（高温低压条件）、液态（高压中低温条件）、超临界状态（高温高压条件）b、温度变化范围：50800C，一般成矿温度：100 600C二）气水热液的意义1、有关矿床的成因类型：a、热液矿床 W-Sn-Mo-Bi ， Cu-Pb-Zn， Hg-Sb-Au-Ag-As，b、接触交代矿床2、有关矿种：a、主要金属矿种：Fe、Mn，Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Sb、Hg，Au、Ag，Li、Be、Nb、Ta，U、Thb、非金属矿产：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、菱镁矿等二、成矿流体与成矿物质来源（一）、成矿流体来源 成矿流体（气水热液）的来源是这类矿床的一个重要问题。由于其来源十分复杂，因此人们曾提出过多种看法，争议较大。这个问题，也是人们目前大力研究的一个课题。 资料表明，成矿的热水溶液是多组分体系，其来源是多途径，类型是多种多样的，而且不同来源和成因的溶液常常是相互掺杂混合，它们的形成常常有一个漫长的发展过程。 总括起来成矿成矿流体的来源主要有以下6种类型：1、岩浆水：1）、成因：岩浆热液是岩浆中所含的H2O及其他挥发组分在岩浆上侵和冷凝结晶过程中，由于温度、压力和成分的变化与其所溶解的化学成分一起被析出形成的。 这种气液是岩浆结晶期后作用的产物。它一方面可能形成伟晶岩和伟晶岩矿床，另一方面，也可以形成气水热液矿床。 2）、特征：人们不可能直接得到岩浆水，但通过氢-氧同位素的计算可以确定岩浆水的参与：D=40 80（矿床地球化学P481.1997）（或D= 50 80，流体包裹体地质学P206），18OH2O=5.59.5（或18OH2O=+6+8）。H-O同位素与初生水相似，CO2、Na+、K+、Si4+、Al3+、SO42-、Cl-有所增加。 2、地下水 1）、成因：地下水热液是大陆地区向下渗透的地下水及沉积物中的封存水因地热梯度的影响和（或）受深部岩浆的烘烤，温度升高、化学活动性增强进而从所经岩石中溶解了成矿物质而形成的。2）、特征：地下水热液H2O的氢氧同位素接近大气降水线，温度多属中、低温，多富Ca2、Na。3、海水 海水热液是向下渗透的海水受深部岩浆的烘烤和地热梯度的影响，温度升高、化学活动性增强进而从所经岩石中溶解了成矿物质而形成的。此种热液多形成于洋中脊及岛湖环境，热液H2O的氢氧同位素接近海水的标准值。4、变质水：1）、成因：变质热液是岩石在变质过程中随变质温度和压力不断增加依次释放出来的粒间水、矿物的结晶水和结构水溶解了成矿物质形成的。如沉积岩（含水2030%）绿片岩相（一般含水6%）角闪岩相（含水1 2%）麻粒岩相（含水0.5%），可见变质过程中可产生大量的变质热液。2）、特征：变质热液H2O的18O=5 25，D=20 65，多富CO2。5、建造水(封存水、地层水) 与沉积物同时保存的盆地水、颗粒间隙中的孔隙水。6、油田水 为一种建造水，富含有机质流体，一般具溶解成矿物质的能力，从而变成含矿流体。（二）成矿物质来源（1）上地幔源 （或“硅镁质岩浆源”）：这主要是指由硅镁质岩浆源自上地幔携带而来的成矿元素所形成的矿床，其中最主要的有：与镁铁质、超镁铁质岩和部分碱性岩有关的岩浆结晶分异、熔离分异矿床与镁铁质火山作用有关的矿床：块状硫化物矿床MSD （Massive Sulphide Deposits） 金伯利岩中的金刚石矿床、碳酸岩中的稀有元素矿床、安山岩中的磁铁矿矿床 (2)地壳深部来源（花岗岩类来源，或“硅铝质岩浆重熔混浆源”）：这主要是指在地壳的深部（一般大于15公里，温度600-700以上，压力大于200MaPa），发生硅铝质地壳的改造、变质和重熔，产生花岗岩。 （3）地壳表层来源 ：指来源于含矿建造（或矿源层）、与岩浆或混浆作用无关的、由地下水或上升的非岩浆热液溶解萃取的物质. 4）地面来源：即指暴露于地球表面的原岩或原生矿床，经过表生风化等外生作用，其中的成矿元素形成了风化矿床和沉积矿床。（5）宇宙来源 ：指从宇宙空间直接降落到地球表面的陨石、宇宙尘埃等物质，形成矿床，如现在有争议的加拿大肖德贝里铜-镍硫化物矿床。需要说明的是：对于一个具体矿床的成矿物质来源往往也不是单一的，可以同时来自集中途径，是多来源的。 （三）判断成矿物质来源的方法三、成矿物质运移、沉淀 （一）、气水热液运移的原因1、压力差： 内压力： 溶液依靠自身的力量，打开通道而发生上升运移，即处入地下较深处的矿液由于其本身的内压力推动，热液沿着各种大小裂隙、破碎带运动。 外压力 当构造运动发生时则可产出大量断层，勾通了地壳深处岩浆活动的地区或地下深处汇集在一起的热液区，促使深处的热液在地表不同部位压力差的驱使下向减压方向运移。虹吸作用 当 构造形成大量裂隙时，尤其是那些隐伏于地下并未与地表勾通的裂隙，开始形成张口，此时裂隙中处于真空状态，产生负压力，从而能吸取周围的含矿热液（虹吸作用），并产生沉淀。这实质上也是压力差所产生的运移，大多数育矿脉，如阿尔卑斯型Pb,Zn矿脉，被认为是这样形成的。2、密度差 原始成因的多种溶液，若它的密度不同，产生密度差引起物质的对流。另外，局部热源，如地壳深部的岩浆热能或变质热能，地幔梯度等能造成含矿热液的密度差，引起对流循环，从而使密度小的上升。(二)、气水热液中成矿物质的搬运方式 气水热液中成矿元素的搬运形式是现代矿床学和地球化学的重要研究课题之一，它对于研究热液矿床的成矿条件，元素和矿物的共生关系，矿床的分带以及成矿专属性等等都有直接的联系。关于气水热液中成矿元素（主要是金属元素）的搬迁运移形式主要有以下几种假说 成络合物的形式 以卤化物的形式以胶体的形式 呈真溶液的形式因此，人们更多地认为热液矿床中的矿物大多数是各种化学反应过程中所形成的不易溶解的化合物沉淀的结果，也即矿石的形成是热液搬运的后期或最后的现象，而不是它们呈真溶液在热液中的最初形式，或说明它们就是呈真溶液形式搬运的。(三)、气水热液运移的通道 气水热液的运移通道主要是岩石中的区域性大断层、区域性大裂隙，以及巨大的渗水层。1、非构造孔隙2、构造裂隙 a、导矿构造：把深部含矿热液引入矿田及矿带的构造，控制矿田及成矿带的分布。 b、配矿构造：把热液从导矿构造引入成矿地段的构造，控制矿床的分布。c、容矿构造：热液矿质沉淀成矿时所在的构造（沉淀成矿的场所），控制矿体形状和分布。（四）、气水热液中成矿物质沉淀的原因成矿物质在气水热液中经过一定距离搬迁之后，如果环境的物理-化学条件发生变化，气水热液体系的化学平衡就会被破坏，因而其中被携带的成矿物质就会呈各种形式沉淀集中，形成各种金属硫化物及氧化物等1、由于简单离子交换反应，破坏了络合物而形成沉淀如当钨的易溶络合物与灰岩相遇，常发生离子交换形成白钨矿： R2WO4+CaCO3CaWO4（白钨矿）+R2CO32、 由于水解作用 一些高价阳离子Fe3+、Sn4+、Ti4+、Zr4+、Hf4+、Ta5+、等的络合物，当其分解后常发生水解，形成氧化物或硫化物： 2Na3FeCl6+3H2OFe2O3+6NaCl+6HCl3、由于温度、压力及组分浓度的变化，破坏了体系的化学平衡Pb(OH)2+H2SPbS+2H2O（降温向右，升温向左）Zn(OH)2+H2SZnS+2H2O（降温向右，升温向左）4、 由于氧化还原反应u氧化：Na2HgS2+H2O+OHgS+2NaOH+(S) Fe2+Fe3+(磁铁矿、黄铁矿褐铁矿，赤铁矿)u还原：U6+U4+O2（变成UO2非晶质铀矿），氧化还原反应尤其对金属硫化物矿床的形成具有很大意义：硫酸盐S6+O42-H2S2-或HS-，而H2S2-和HS-都是对金属硫化物的形成沉淀不可缺少的物质5、 由于含矿溶液PH值的变化许多易溶的络合物或其它化合物，只是溶液在一定的pH值范围内才处于稳定状态，而当pH值超出这个范围时，就可能使溶液体系失去平衡 ，产生化合物的分解或沉淀6、由于不同成因的溶液的互相混合，或者溶液与岩石发生化学反应由于不同成因的溶液的互相混合，或者溶液与岩石发生化学反应都会改变溶液的成分，破坏溶液的化学平衡。 例如，含有金属阳离子的热液，与含H2S的热液汇合就会发生反应生成金属的硫化物沉淀。7、由于胶体的凝聚（胶体的破坏） a.胶体遇到电解质（在溶液胶中加入电解质，这就增加了胶体中离子的总浓度，而给带电荷的胶体微粒创造了吸引相反电荷离子的有利条件，从而减少或中和原来胶粒所带电荷，使它们失去了保持稳定的因素。这时由于粒子的布朗运动，在相互碰撞时，就可以聚集起来，迅速沉降。 如由豆浆做豆腐时，在一定温度下，加入 （或其他电解质溶液），豆浆中的胶体微粒带的电荷被中和，其中的微粒很快聚集而形成胶冻状的豆腐（称为凝胶）。 一般说来，在加入电解质时，高价离子比低价离子使胶体凝聚的效率大。） b. 加热。（能量升高胶粒运动加剧，它们之间碰撞机会增多，而使胶核对离子的吸附作用减弱，即减弱胶体的稳定因素，导致胶体凝聚。 如：长时间加热时， 胶体就发生凝聚而出现红褐色沉淀。） c. 遇到带有相反电荷的另一种胶体（以适当的数量相混合时，也可以起到和加入电解质同样的作用，使胶体相互聚沉。 d. 胶体过饱和；如把 胶体加入硅酸胶体中，两种胶体均会发生凝聚。） e.胶体的浓度加大。四、热液矿床的成矿方式气水热液矿床成矿方式可以分为两种，即充填作用和交代作用 1、充填作用和充填矿床 定义 含矿气水热液在化学性质不活泼的围岩中流动时，由于气液的物化条件的改变，使其中的成矿物质直接沉淀于各种裂隙，空隙中而与围岩之间没有明显化学反应和物质交换，这种成矿作用称为充填作用，由充填作用形成的矿床叫充填矿床。 特点a.充填矿床是典型的后生矿床，因为矿体比围岩形成时间要晚得多（注意与岩浆矿床中的“贯入式”区别） b.矿体形状：决定于原来裂隙的形状，多呈脉状，如我国南岭地区的含W石英脉、含Cu石英脉、萤石脉、方解石脉、铅锌矿脉。而脉体的大小、规模、形态、组合特主要取决于各种裂隙、节理、破碎带、角砾岩体、多孔性岩层、层面、不整合面等的产状，因此种类很多：微脉、细脉、小-中-大脉以及单脉、复脉、平行脉、网状脉、穿层脉等。c.接触关系：矿体与围岩接触关系明显，规则，二者界线截然。d.矿石组构：具有充填作用的特殊组构，其中有：梳状构造-晶体垂直脉壁生长，又称对带状。晶洞构造：晶簇构造；角砾状构造。e.在宏观上，交代作用的标志不明显或不存在，或者说交代作用不重要。脉体中常有围岩的残留体，碎块。它们还保留原岩的特征，如层理，化石，而并不显示被交代的迹象。2、交代作用和交代矿床 概念 交代作用即置换作用。指含矿 气水热液与化学性质活泼的围岩发生化学反应，生成新矿物的作用叫交代作用。由交代作用形成的矿床叫做交代矿床。特点 a. 同时性：旧矿物的消失或解体和新矿物的形成几乎是同时形成的。 b. 固态性：交代作用是成矿溶液与固体岩石直接发生作用，被交代的岩石始终保持固体状态，因此有时可以保存原岩的组构，矿物的假象，甚至生物遗迹等。例如硅化木的年轮。 c. 等体积性：交代过程中一般不发生体积的改变，即交代作用是受等体积定律支配的，交代作用前后岩石的体积相等。d.特殊的组构：交代作用形成的矿石，矿物组合都有一定的特征。所形成的矿体外形不规则，与围岩多呈逐变过渡关系。由于交代作用强弱程度不同，有些地方还可见到未交代的残余围岩。交代作用可形成完好的变斑晶，它们可以切割围岩的原生构造生长。交代作用形成的矿体中常保存原岩的结构构造，如层理、交错层、片理、化石交代作用的方式 交代作用分为“渗滤交代的作用”和“扩散交代作用”两种。 a.渗滤交代作用：在岩石较大的孔隙中或裂隙中，由于压力差而发生流动的气水热液，与岩石之间发生组分交换的交代作用，叫渗滤交代作用。 这也就是说，气水热液由于压力差的驱使，在岩石中发生流动，而在流动过程中与周围的岩石发生化学反应。在交代过程中，岩石与热液之间组分的带入带出，主要是靠流经岩石中的溶液完成的。这种交代作用的范围往往很大，可达几百公里。b.扩散交代作用： 气水热液由于浓度差引起组分扩散而与围岩发生物质交换，这种交代作用称为扩散交代作用。 这也就是说，这种交代作用是通过组分在岩石的粒间溶液的扩散作用来实现的，并不是靠溶液的流动来实现的。这时的溶液基本上处于静止状态，而由于两部分岩石之间的组分存在着浓度梯度，于是引起了物质的扩散。在浓度梯度的作用下，某种组分总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散的。相比较之下，扩散交代作用范围较小，作用的规模也小。影响、决定交代作用进行的因素a.气水热液中各种组分的活动性及其浓度化学性质越活泼，浓度越大，交代作用就越强烈b.温度和压力： 含矿的气水热液在高温条件下具有很大的扩散能力和化学活动性，因此容易与围岩发生强烈的交代作用。在高压条件下，几乎所有的岩石都可以与热液发生交代反应。因此，温度和压力是影响交代作用进行的重要外部因素。当然，有些类型的反应如那些其生成物中有气体产生的交代作用，压力太大反而不利于气体生成物的逸出，因而不利于反应的进行。c.围岩的性质和构造 由于围岩的化学活泼性有很大的差别，因此成矿气液对不同化学成分和性质的围岩所发生的交代作用常有很大的差别。例如化学性质活泼的灰岩远比页岩和砂岩更易遭受交代。同样，碳酸盐质胶结的砂岩（钙质砂岩），远比硅质胶结的砂岩易于交代。所以成矿气液在流经各种围岩时，会发生十分明显的选择性交代。 另外，围岩裂隙的发育程度和破碎对于交代作用的进行也有很大影响，裂隙越发育，破碎越厉害，越有利于气液的流动和集中，反应作用的表面积就越大，岩石与热液之间的反应机会就越多，交代作用也越彻底。五、气水热液矿床的围岩蚀变1、定义 在气水热液矿床的形成过程中，由于交代作用，使矿体的围岩发生物理-化学以及矿物成分上的种种变化叫做围岩蚀变。发生蚀变作用的岩石叫做蚀变围岩。2、围岩蚀变的命名围岩蚀变有多种命名方法： 根据蚀变岩石所生成的重要矿物（云母化、绿泥石化、钠长石化、钾长石化） 根据形成的蚀变围岩云英岩化、矽卡岩化、青盘岩化 以蚀变过程中从热液中转入的元素如硅化、钾化、钠化 用蚀变岩石的颜色或颜色的变化(the colour)红色蚀变、深色蚀变、浅色、褐色3、各种气水热液矿床的蚀变类型 矽卡岩型矿床： 矽卡岩化、方柱石化、阳起石化、 绿帘石化、黝帘石化、石榴石化、闪石化。 气成高温热液矿床： 云英岩化、电气石化、黄玉化、黑云母化、 钠长石化、钾长石化、萤石化、钠闪石、霞石化、霓石化。 中-低温热液矿床： 绢云母化、绿泥石化、硅化（玉髓化、蛋白石化）、黄铁矿化、白云石化、青盘石化、高岭石化、明矾石化、重晶石化、蛇纹石化、叶腊石化、碳酸盐化（方解石化、白云石化、铁白云石化、含铁白云石化）。4、研究围岩蚀变的重要意义1）、重要的找矿标志A、围岩的蚀变作用与成矿作用在成因上有密切联系，它们在空间上 又共生在一起，并且蚀变的范围往往要比矿化范围大得多。B、某种类型的成矿作用与一定类型的蚀变作用有一定的对应关系C、有时蚀变围岩本身就是一种可供开采利用的矿床，如重晶石化（重晶石矿床）、滑石化（滑石矿床）、明矾石化（明矾石矿床）、沸石化（沸石矿床）2）、推断矿床成因A、推断当时成矿流体的成分：蚀变增加的组分是热液富有的组分B、判断流体的性质：叶腊石化、明矾石化、高岭石化，为酸性条件下的产物；绢云母化、碳酸盐化是碱