十五矿物的成因PPT课件

.,1,第十五章矿物的成因,制作人：11级地质2012年5月11日,.,2,矿物是自然作用的产物，其形成、稳定和变化都无不受热力学条件所制约，同时环境的物理化学条件的差异又往往导致矿物在成分、结构、形态及物理性质上的细微变化。因此，矿物成因的研究一直是矿物学中的一个非常重要的课题，并已发展成为现代矿物学中的一个独立的分支学科成因矿物学。,内容索引,.,3,一、形成矿物的地质作用二、矿物的形成与体系化学组分的活动性三、矿物的时空关系四、矿物的标型性五、矿物中的包裹体六、矿物的变化,内容索引,内容索引,.,4,矿物的成因通常是按地质作用来分类的。根据作用的性质和能量来源，一般讲形成矿物的地质作用分为内生作用、外生作用和变质作用。,一、形成矿物的地质作用,内容索引,.,5,概念：主要指由地球内部热能所导致矿物形成的各种地质作用，包括岩浆作用、火山作用、伟晶作用和热液作用等各种复杂的过程。分类：（1）岩浆作用(magmatism)：指由岩浆冷却结晶而形成矿物的作用。,1.内生作用(endogenicprocess),内容索引,.,6,（2）火山作用(volcanism)：实际上是岩浆作用的一种形式，为地下深处的岩浆沿地壳脆弱带上侵至地面或直接喷出地表，迅速冷凝的全过程。,内容索引,.,7,内容索引,.,8,a.高温热液作用(hign-temperaturehydrothermalism)：温度约在300500。b.中温热液作用(medium-temperaturehydrothermalism)：温度一般在200300。c.低温热液作用(low-temperaturehydrothermalism)：温度约在50200。,内容索引,.,9,概念：指在地表或近地表较低的温度和压力下，由于太阳能、水、大气和生物等因素的参与而形成矿物的各种地质作用，包括风化作用和沉积作用。分类：（1）风化作用(weathering)：在地表或近地表环境中，由于温度变化及大气、水、生物等作用，使矿物、岩石在原地遭受机械破碎，同时也可发生化学分解而使其组分转入溶液被带走或改造为新的矿物和岩石，这一过程称为分化作用。分化作用按作用的方式可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用3种类型，它们彼此并存，密切关联，相互促进。,2.外生作用(exogenicprocess),内容索引,.,10,（2）沉积作用(sedimentation)：指地表风化产物及火山喷发物等被流水、风、冰川和生物等介质挟带，搬运至适宜的环境中沉积下来，形成新的矿物或矿物组合的作用。沉积作用主要发生在河流、湖泊及海洋中。沉积物通常以难溶的矿物碎屑和岩屑、真溶液方式或胶体溶液方式被介质搬运，相应的沉积方式有机械沉积(碎屑和岩屑沉积)、化学沉积(真溶液或胶体溶液因蒸发、浓缩、化学反应、电性中和等沉积)和生物化学沉积(生物作用有关的沉积)。,内容索引,.,11,概念：指在地表以下较深部位，已形成的岩石，由于地壳构造变动、岩浆活动及地热流变化的影响，其所处的地质及物理化学条件发生改变，致使岩石在基本保持固态的情况下发生成分、结构上的变化，而生成一系列变质矿物，形成新的岩石的作用。分类：根据发生的原因和物理化学条件的不同，变质作用可分为接触变质作用和区域变质作用。,3.变质作用(metamorphism),内容索引,.,12,接触变质作用(contactmetamorphism)：指由岩浆活动引起的发生于地下较浅深度(23km)之岩浆侵入体与围岩的接触带上的一种变质作用。,内容索引,接触变质作用的规模不大。根据变质因素和特征的不同，又分为热变质作用和接触交代作用两种类型。,.,13,热变质作用(thermometamorphism)：是指岩浆侵入围岩，由于受岩浆的热力及挥发分的影响，主要使围岩矿物发生重结晶、颗粒增大(如石灰岩变质成大理岩)，或发生变质结晶、组分重新组合形成新的矿物组合的作用。接触交代作用(contactmetasomatism)：是指岩浆侵入、与围岩接触时，岩浆结晶作用的晚期析出的挥发分及热液使接触带附近的围岩和侵入体发生明显的交代而形成新的岩石的作用。与热变质作用不同，围岩与侵入体之间的成分交换是此过程中岩石发生变质的主要原因。接触交代作用最易发生在中酸性侵入体与碳酸盐岩的接触带附近，此时侵入体中的组分FeO、Al2O3、SiO2等向围岩中扩散，而围岩中的CO2、CaO、MgO等组分被带进侵入体中，形成夕卡岩(skarn)。,内容索引,.,14,(2)区域变质作用(regionalmetamorphism)：是指由于区域构造运动而引起大面积范围内发生的变质作用。原岩的矿物成分和结构构造发生改变是温度、压力、应力，及以H2O、CO2为主的化学活动性流体等主要物理化学因素变化之综合作用的结果。区域变质作用形成的变质矿物及其组合主要取决于原岩的成分和变质程度。,内容索引,.,15,现代矿物学注重矿物的形成及其形成后的一些性质与自由能之间的关系，强调矿物的形成与富集受体系中化学组分的活动性的制约，组分的化学位(chemicalpetential)(i)是表征体系中组分活动性的一个十分重要的物理化学参数，其定义为体系的自由能随化学组分i之摩尔数的改变的变化率，即每增加1mol组分i所引起的体系自由能的增加或减少量。i值大，表示化学组分i在体系中的活动性大；反之则表示其化学活动性小。近二十年来，国内外学者研究了矿床中活性组分的化学位与矿化及其矿物共生组合的找矿标志之间的内在关系，并成功地用于指导找矿。,二、矿物的形成与体系化学组分的活动性,内容索引,.,16,研究矿物在时间和空间上的分布规律，是现代矿物学的重要课题之一。1、矿物的生成顺序和矿物的世代自然界地质体中的各种矿物，可以是同时生成，而更常常是在形成时间上有先后关系，称为矿物顺序(mineralsequence)。矿物通常是按晶格的生成能降低的顺序而次第析出的，共生的矿物，其晶格能大体相近。,三、矿物的时空关系,内容索引,.,17,确定矿物生成顺序的标志主要有：,图15-1晶洞中矿物生成顺序,图15-2普通辉石被普通角闪石和黑云母包围,内容索引,(1)矿物的空间位置关系：一般地，位于地质体中心部位的矿物比其外围的矿物晚形成(图15-1)。当一矿物穿插或包围或充填其他矿物时，被穿插或被包围或被充填的矿物生成较早(图15-2)。,.,18,(2)矿物的自形程度：相互接触的矿物晶体，自形程度(晶形的完整程度)高者一般生成较早(图15-3)，但应注意矿物的结晶能力的影响。斑状结构中斑晶较基质先形成，然而变质岩中的变斑晶却往往可能比其周围的矿物晚生成，其晶形完整是由于这些矿物的结晶能力强。,图15-3自形程度不同的矿物晶体生成顺序,内容索引,.,19,(3)矿物的交代关系：矿物的交代作用首先沿颗粒的边缘或裂隙进行，被交代的矿物形成较早。矿物的世代(mineralgeneration)是指在一个矿床中，同种矿物在形成时间上的先后关系。它与一定的成矿阶段相对应。一个矿床往往是经历了多个成矿阶段而形成的。由于各成矿阶段间均有一定的时间间隔，其成矿介质和物理化学条件会有所不同，反映在其所形成的同种矿物的形态、物性及成分等方面也将表现出某些差异。因此，应按形成时间的先后顺序，将这些矿物区分为第一世代、第二世代，等等。显然，研究矿物的世代，将有助于了解矿物形成及成矿的阶段性。,内容索引,.,20,2、矿物的共生和伴生同一成因、同一成矿期(或成矿阶段)所形成的不同矿物共存于同一空间的现象称为矿物的共生(paragensis)，彼此共生的矿物称为共生矿物(parageneticminerals)，它们可能是同时形成的，或者是从同一来源的成矿溶液中依次析出的。各共生矿物构成的组合称为矿物的共生组合(parageneticassociation)。不同成因或者不同成矿阶段的各种矿物共同出现在同一空间范围内的现象称为矿物的伴生(associate)。例如在含铜硫化物矿床的氧化带中，常见黄铜矿与孔雀石、蓝铜矿在一起，由于黄铜矿通常系热液作用形成，而孔雀石和蓝铜矿则为表生成因，故它们为伴生关系。,内容索引,.,21,20世纪矿物学发展的重要成就之一，就是系统总结了能够反映矿物或地质体的一定成因特征的矿物学标志，即矿物的标型性(typomorphism)。它主要包括标型矿物、标型矿物共生组合和矿物标型特征三方面的内容，是现代矿物学研究中的重要课题之一。,四、矿物的标型性,内容索引,.,22,1、标型矿物和标型矿物共生组合所谓标型矿物(typomorphicmineral)和标型矿物共生组合(typomorphicmineralassemblage)，分别指只在某种特定的地质作用中形成和稳定的矿物和特定性矿物组合。它们强调矿物和矿物组合的单成因性。例如，斯石英专属于高压冲击变质成因，产于陨石冲击坑；辰砂、辉锑矿则为低温热液矿床的典型矿物；含金刚石的金伯利岩的原生矿物组合为镁橄榄石、金云母、铬镁铝榴石、铬透辉石、顽火辉石、镁钛铁矿、铬尖晶石、金刚石、金红石及含铌、钽的锐钛矿等。,内容索引,.,23,2、矿物的标型特征由于矿物的空间分布、多成因性及多世代性，决定了同种矿物在晶体形态、物理性质、化学成分、晶体结构等方面存在着明显的差异。,内容索引,.,24,这种能反映矿物的形成和稳定条件的矿物学特征称为矿物的标型特征(typomorphicfeatures)，通常简称为矿物标型，具体地可分为化学标型、结构标型、形态标型和物理性质标型等。例如：等轴晶系矿物(如金刚石、黄铁矿、萤石等)的晶体形态具标型意义：立方体100指示形成于低温条件下，八面体111则为高温条件下形成；电气石黑色者指示形成温度高于300C，绿色者系在约290C条件下结晶而成的，而红色者的结晶温度约在150C；黄铁矿(理想化学式为FeS2)的Fe/(S+As)非化学计量具标型意义：若Fe/(S+As)值明显大于0.5，指示其属浅部形成，而当Fe/(S+As)值小于或略大于0.5时，则反映它是深部产物；变质白云母的晶胞参数b0值随压力的升高而增大，等等。,内容索引,.,25,矿物地质温度计(geothermometer)、地质压力计(geobarometer)和地质温压计(geothermobarometer)即是利用矿物学特征定量或半定量地测量矿物平衡温度和压力的地质数学模型。,内容索引,.,26,矿物中的包裹体(inclusion)是矿物生长过程中或形成之后被捕获包裹于矿物晶体缺陷(如晶格空位、位错、空洞和裂隙等)中的、至今尚完好封存在主矿物中并与主矿物有着相界线的那一部分物质。,五、矿物中的包裹体,内容索引,.,27,P.原生包裹体；S.次生包裹体；PS.假次生包裹体,图15-4水晶中的包裹体,内容索引,.,28,矿物中包裹体形状各异、成分复杂，可以是气态、液态或固态，其中尤以气相和液相组成的气液包裹体常见，常用来研究矿物形成时的物理化学条件。包裹体的大小不一，气液包裹体大多小于10m，因此，需在显微镜和电子显微镜下才能清晰地观察研究。,内容索引,.,29,原生包裹体(primaryinclusion)是矿物结晶过程中被捕获封存的成岩成矿介质(含气液的流体或硅酸盐熔融体)，它与主矿物同时形成，常沿主矿物的某些特定结晶方向，特别是沿主矿物的晶面成群或成条带状、环带状分布(图15-4中的P)。次生包裹体(secondaryinclusion)是矿物形成以后，后期热液沿矿物的微裂隙贯入，引起矿物局部溶解并发生重结晶，之后又为主矿物所圈闭而形成的定向排列的包裹体，它常沿切穿矿物颗粒的裂隙分布(图15-8中的S)。假次生包裹体(pseudo-secondaryinclusion)是矿物生长过程中，由于构造应力作用，使矿物晶体产生局部破裂或蚀坑，成矿流体进入其中，并使这些部位发生重结晶而被继续生长的晶体封存所形成的包裹体。假次生包裹体沿愈合裂隙分布，显示出与次生包裹体相似的空间分布特征，但这种裂隙只局限于主矿物内部，并不切穿矿物晶体颗粒(图15-4中的PS)。,包裹体按成因可分为原生、次生和假次生三种类型。,内容索引,.,30,原生包裹体和假次生包裹体是代表形成主矿物的原始成岩成矿流体的样品，其成分和热力学参数(温度、压力、pH值，Eh值和盐度等)反映了主矿物形成时的化学环境和物理化学条件，是矿物最重要的标型特征之一，可作为译解成矿作用，特别是内生成矿作用的密码；而次生包裹体则反映成矿期后热液活动的物理化学作用的温度、压力、介质成分和性质。包裹体的研究方法很多，常用的主要有均一法、爆裂法、淬火法、冷冻法及其他一些测定包裹体成分的方法，具体地可参阅有关著作。,内容索引,.,31,(一)吉布斯自由能与矿物的稳定性自然界的矿物及其共生组合，是天然的物理化学体系的产物，它们的存在、变化及特点，必然受自然界物理化学规律的制约。吉布斯自由能(Gibbsfreeenergy)是温度、压力的函数。当温度、压力改变时，其自由能必然会发生变化，组分的化学位也随之而变，体系中相的组成也必将向着使总自由能最小的方向变化，从而达到新的平衡态。例如，自然界中文石会自发地变为方解石，其重要原因之一即是方解石的吉布斯自由能比文石的自由能小。顺便再提一下，作为翡翠主要成分的硬玉矿物，化学成分很纯的硬玉与混有少量透辉石固溶体成分的不纯硬玉相比，前者的吉布斯自由能要比后者大一些，此即自然界最常见鲜绿色的透辉石翡翠，而白色的纯硬玉翡翠则少见的主要原因之所在。,六、矿物的变化,内容索引,.,32,内容索引,(二)兰多理论相变的兰多理论(Landautheory)系统计物理学的内容，它是最近一二十年才被引入矿物学等物质科学中的，是用矿物的有序参数Q和过剩热力学函数：Ge(过剩自由能)、Se(过剩熵)和He(过剩焓)，讨论矿物因温度的变化所发生的相变规律。兰多理论的核心是矿物的有序参数Q这个广义的统计物理学概念，它指的是矿物相变过程中，矿物某些宏观性质的变化程度；定义高温变体的有序参数Q为0，低温变体的有序参数Q为1。相变中间阶段的变体之有序参数则为介于0和1之间的数值，是一个小数。这里，矿物的宏观性质，可以是光学性质，也可以是某些原子或离子(如Al/Si,Fe2+/Mg等)的占位性质；同样也可以是其他的物理性质和化学性质。例如，高温黑云母的颜色是棕黑色，低温黑云母的颜色为绿色。前者的有序参数Q=0，后者Q=1。颜色介于棕黑色与绿色之间者，它们的Q为介于0和1之间的数值。又如，高温堇青石属六方晶系，其xy面上的双折率为0，低温堇青石为斜方晶系，xy面上的双折率(Ng-Nm)为0.004。前者的Q=0，后者的Q=1。xy面上的双折率(Ng-Nm)值介于0与0.004之间的堇青石，其有序参数Q为介于01之间的数值。,.,33,(三)矿物的变化矿物及矿物组合的稳定性是由其相对自由能决定的，在一定的温度、压力下，具有最低自由能值的矿物及其组合是最稳定的。矿物形成以后，当其所处的物理化学条件改变至超出矿物的稳定范围时，矿物即会发生变化而形成新的矿物。,内容索引,.,34,1化学成分的变化自然界的化学作用决定于环境。在开放体系，体系与环境存在着物质的交换，活性组分总是向着其化学位低的方向迁移，组分重新组合，形成新的矿物，从而使体系的总自由能最低。(1)交代作用(metasomatism)：是指在地质作用过程中，已形成的矿物与熔体、溶液或气液的相互作用而发生组分上的交换，使原矿物转变为其他矿物的作用。交代作用是矿物化学上变化最常见的一种，它首先沿矿物的边缘或裂隙进行。例如，在热液作用下，橄榄石易被蛇纹石所交代：当交代强烈时，原矿物可全部为新形成的矿物所替代，但仍保持原矿物的晶形，这种晶形称为假像(pseudomorph)。如褐铁矿呈现黄铁矿假像，称假像褐铁矿。(2)水化作用(hydration)：是指无水矿物因一定比例的水加入到矿物晶格中而变成含结晶水的矿物的作用。例如，硬石膏(CaSO4)在近地表处，因外部压力的降低，受地面水的作用而转变为石膏(CaSO4.2H2O)。(3)脱水作用(dehydration)：是指含水矿物因失去其所含结晶水而变成另一种矿物的作用。如芒硝(Na2SO4.10H2O)在干燥气候下失去水分而转变为无水芒硝(Na2SO4)。,内容索引,.,35,2晶体结构的变化在封闭体系中，体系与环境之间只有