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第六章 气水热液矿床概论 主要内容 一 气水热液及其在内生矿床中的意义二 热液的成因 类型 三 热液中主要挥发组分的性状及其影响四 成矿元素在热液中的迁移与沉淀五 热液的运移六 气水热液矿床的形成方式七 围岩蚀变八 气水热液矿床成矿温度和压力 深度 的测定九 气水热液矿床的矿化期 矿化阶段和矿物生成顺序十 思考题 6 1气水热液及其在内生矿床中的意义 一 气水热液的概念 1 气水热液 地下形成的含多种挥发组分和成矿元素的气态或液态水溶液 简称热液 2 热液的成份 a 主要成份 H2O 盐度一般为几 几十 b 其他挥发组分 HCl HF H2S CO2 B As c 主要金属元素 K Na Ca Mg d 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 T 3 温度及物理状态 a 温度变化范围 50 800 C 一般成矿温度 100 600 Cb 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 二 意义 1 有关矿床的成因类型 a 热液矿床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 6 2热液的成因 类型 一 岩浆热液 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 2 特征 岩浆热液H2O的氢氧同位素值一般变化范围是 18 H2O 6 9 D 48 80 此外多有高盐度 富K 的特征 见图6 1 图6 1不同成因水的同位素组成简图 据 M F Sheppard 1997 由于水 岩石的相互作用和交换表示了海水和A B组分的地下水 18O移位的趋势 二 地下水热液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 图6 2大气水热液及其成矿模式 斯米尔诺夫 2 特征 地下水热液H2O的氢氧同位素接近大气降水线 见图6 2 温度多属中 低温 多富Ca2 Na 三 海水热液 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 此种热液多形成与洋中脊及岛弧环境 热液H2O的氢氧同位素接近海水的标准值 见图6 3 图6 3黑矿型矿床简要横剖面图 四 变质热液 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20 30 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 6 3热液中主要挥发组分的性状及其影响 1 卤族元素 热液中主要卤族元素是F和Cla 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 2 硫 a 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 400 C时 H2S为中性分子 不电离 或分解为S和H2 b 温度 400 C H2S开始电离 H2S H HS k1 H HS H2S 8 4 10 8 HS k1 H2S H HS 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 HS H S2 k2 H S2 HS 1 2 10 15 S2 k2 HS H k1k2 H2S H 2S2 常与金属阳离子结合形成难溶的硫化物而沉淀成矿 上式可见 影响H2S解离的因素是热液中H2S的浓度和pH值 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 3 CO2 高温条件下为中性分子 温度降低水和为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 6 4成矿元素在热液中的迁移与沉淀 一 成矿元素的迁移方式 1 卤化物形式 高温条件下可能a 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 4HFb 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 2 胶体溶液形式 因高温下不稳定并且不断会有来自围岩的电解质 因此仅在低温 局部可行 3 易溶络合物的形式 为最重要的迁移形式 络合物在水溶液中解离的形式为 An BXm nA BXm n 其中A为碱金属 B为形成体 成矿元素 X为配位体 酸根及氢氧根等 例 AuCl2 AuCl4 Au HS 2 因不存在游离的成矿元素离子 因此其溶解迁移能力不受热液中S2 和CO32 的影响 影响因素是络合物的不稳定常数和配位体的浓度及热液的pH值等 二 导致成矿元素沉淀的因素 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 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14 因此 pH值变化可能导致有用组分沉淀成矿 4 Eh值的变化首先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 可引起易溶的二价铁氧化为难溶的三价铁 导致铁沉淀成矿 Eh值降低可使易溶的高价U V还原为低价的难溶的U V 导致它们沉淀成矿 此外 Eh值也影响络合物的溶解度 见图6 4 图6 4300 时 AuCl2 和 Au HS2 形式的金溶解度等值线图 5 不同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 6 5热液的运移 一 运移原因和方向 热液运移的原因是环境中存在压力差 在压力梯度的作用下热液总是从高压向低压方向运移 二 运移的通道 热液运移的通道是岩石中的裂隙和孔隙 按成因可分为如下三类 以上三种孔隙中 构造裂隙对热液运移和矿质沉淀成矿更具重要意义 依据对热液成矿的控制作用将相关构造分为 导矿构造 配矿构造和容矿构造 见图6 5 图6 5导矿 配矿容矿 构造关系图 a 导矿构造 是把深部含矿热液引入矿田及矿带的构造 一般为深断裂 陡倾斜的渗透性岩层 控制矿田及成矿带的分布 b 配矿构造 是把热液从导矿构造引入成矿地段的构造 通常是与导矿构造相通的断裂 裂隙带 渗透性好的岩层 控制矿床的分布 c 容矿构造 是热液矿质沉淀成矿时所在的构造 即沉淀成矿的场所 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 控制矿体形状和分布 图6 6东准噶尔地区金矿点分布与构造关系图 1 第四系 2 侵入岩体环形构造 3 火山 沉积岩相带环形构造 4 火山机构环形构造 5 遥感解译的深大断裂 6 遥感解译的韧性强应变构造带 7 金矿床 金 化 点 a 导矿构造 是把深部含矿热液引入矿田及矿带的构造 一般为深断裂 陡倾斜的渗透性岩层 控制矿田及成矿带的分布 b 配矿构造 是把热液从导矿构造引入成矿地段的构造 通常是与导矿构造相通的断裂 裂隙带 渗透性好的岩层 控制矿床的分布 c 容矿构造 是热液矿质沉淀成矿时所在的构造 即沉淀成矿的场所 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 控制矿体形状和分布 图6 6东准噶尔地区金矿点分布与构造关系图 1 第四系 2 侵入岩体环形构造 3 火山 沉积岩相带环形构造 4 火山机构环形构造 5 遥感解译的深大断裂 6 遥感解译的韧性强应变构造带 7 金矿床 金 化 点 如东准噶尔地区 见图6 6 卡拉麦里 见图6 7 及库普深断裂和韧性剪切带是金的导矿构造 控制了金矿带的分布 与之相交的北西向断裂是配矿构造 控制了矿点 床 群的分布 韧性剪切带中的次级断裂 节理是容矿构造 控制了金矿脉的分布和产状 图6 7南明水49号金矿的容矿构造与卡拉麦里韧性剪切带的关系 6 6气水热液矿床的形成方式 一 充填作用及充填矿床1 概念 a 充填作用 矿质从热液中直接沉淀于裂隙内的作用 b 充填矿床 由充填作用方式形成的矿床 2 充填矿床的特征 a 矿体多呈脉状受裂隙控制 与围岩呈突变接触 图6 8状构造和对称状构造1 脉壁 2 石英晶体 3 闪锌矿4 紫水晶 5 晶洞 b 矿体内部多具对称带状构造 栉状构造 见图6 8 晶洞构造 矿石可见角砾状 环状构造 二 交代作用及交代矿床1 概念 a 交代作用 是指热液 流体 与围岩发生物质交换的作用 交代作用一般具有如下特点 a 原矿物的溶解与新矿物的沉淀同时进行 b 在交代过程中岩石始终处于固体状态 c 交代前后岩石体积基本不变 一些交代作用可能会导致体积的变化 b 交代作用的类型 a 扩散交代作用 交代作用发生时组分的带入和带出靠停滞的粒间溶液中离子扩散进行的交代作用 见图6 9 即交代作用的动力是热液中存在的物质的浓度梯度 此种交代作用的特点是较缓慢 交代范围一般较小 b 渗透交代作用 组分的带入和带出靠粒间及裂隙中渗透流动的水溶液进行的交代作用 即交代作用的动力是热液中存在的压力梯度 此种交代作用的特点是进行的速度较快 因此交代的范围一般较大 c 交代矿床 指以交代作用方式形成的矿床 2 影响交代作用的因素 a 热液组分的活动性和浓度 热液成分化学活动性和浓度影响交代作用进行和由交代作用产生的矿物组合 b 温度和压力 一般热液温度越高 压力越大越有利于交代作用的进行 c 围岩的岩性围岩的化学性质和渗透性对交代作用有重要影响 一般渗透性好 化学性质活泼的围岩 如碳酸盐岩 凝灰岩 有利于交代作用 渗透性差 化学性质不活泼的围岩 如硅质岩 石英 砂 岩 泥 页 岩 不利于交代成矿 因此 当热液流经不同性质的围岩时常会产生交代程度的明显差异 此种现象是选择性交代的结果 图6 9切穿硅质泥质岩的大理石英 锡石 电气石脉 交代作用沿泥质薄层发育 d 渗滤效应当渗透性好 化学性质活泼的岩石之上有渗透性差的 盖层 时 渗滤效应导致 盖层 下的岩石交代作用及矿化强烈集中发育 见图6 10 图6 10万山汞矿区整合型矿体素描图1 页岩 2 泥质灰岩 3 白云岩 4 辰砂矿体 5 表示汞矿热液来源 3 交代矿床的特征 a 矿体形态多不规则 与围岩呈渐变接触 b 矿体中常见交代残余的围岩 注意 残余围岩的岩性及纹理产状与矿体围岩一致 c 矿石交代结构 交代残余结构构造普遍 d 交代矿物常有较好的晶形 6 8气水热液矿床成矿温度和压力 深度 的测定 一 成矿温度的测定成矿温度的测定方法有矿物测温法 矿物包裹体测温法和同位素测温法 其中应用最广和最有效的方法是矿物包裹体测温法 1 矿物包裹体测温法是目前应用最广的主要测温方法 其中均一法用于透明矿物二相及多相包裹体 测定的最终均一温度经压力校正后为成矿温度的下限值 爆裂法用于不透明矿物 测定的包裹体爆裂温度应是成矿温度的上限值 2 稳定同位素测温法是应用某一元素的同位素在热液共结晶的一对矿物中的测定结果 依据两矿物间的该元素的同位素分馏平衡常数与温度的函数关系测定矿物的形成温度 温度测定结果无需压力校正 较可靠 3 矿物测温法是依据某些已知矿物的物理性质 熔点 颜色 热发光效应 晶体习性及晶型转变温度 不同矿物间的矿物组合及固溶体分解温度等推定成矿温度的上限或下限值 二 成矿压力 深度 的测定成矿压力和成矿深度的测定方法有地质推断法和矿物包裹体测压法 地质推断法通常是依据矿床自身特征 与成矿相关侵入体的特征 成矿时期矿体上覆地层厚度等概略的推断成矿深度 定性的推断矿床属浅成还是中 深成因 矿物包裹体测压法是通过测定包裹体均一温度和包裹体的密度 盐度确定成矿的压力 再依据静岩压力换算成矿深度 此法是目前定量测定成矿压力 深度 的最通用的方法 6 9气水热液矿床的矿化期 矿化阶段和矿物生成顺序 1 矿化期 代表一个物理化学条件未发生明显变化的较长的成矿过程 一个气水热液矿床可有一个或