2-现代矿床地球化学基本理论

1、第二章 现代矿床地球化学的基本理论（5学时）,第一节 概 述,矿床地球化学研究是为矿床成矿理论和找矿服务，但严格地讲我们还不知道如何去研究矿床，我们之所以能研究矿床是因为至少有研究过的地质、地球化学资料来进行讨论，这就是我们所要讲的内容和关键所在。 通过大量、有效的元素、同位素等项的数据反演： 1热液系统的溶解或溶解度是多少？ 2在自然界中，热液的含水层以及热动力促使流体流动方式？ 3熔体的聚集与分散的选择性？ 4. 产生溶解到沉积成矿原因？ 即：研究岩浆、变质、热液、沉积过程物理化学条件对成矿的制约或贡献。,1）成矿理论 矿床地球化学的基本理论是建立在对矿床的元素、同位素系统研究的基础上，反

2、过来为矿床成因、指导找矿服务。目前，矿床学界的区域成矿理论主流学派有： A、板块成矿论派，测向原理论-Sillitoe,1974; W.G.,Wilson,J.T.,1984; B、地幔柱（热点）成矿论派、垂向源理论；Morgan, W.G.,Wilson,J.T.,1963，1973，等 C、碰撞造山理论派，测向原理论; Howell, D.G.,1983 这些说可以说均是建立在有机和无机地球化学研究基础上得出的，如“侧向源”理论是建立在板块俯冲、地体拼贴元素发生侧向迁移的基础上，“垂向源”理论是建立在地幔热柱、元素发生垂向运移基础上产生。生物成矿理论是建立在有机作用基础上形成的。 此外,在

3、成矿理论上，涌现出许多新概念。如同生成矿理论、沸腾一酸化金属成矿理论、建造成矿理论，“三源”热流成矿理论、生物成矿理论、软硬酸碱成矿理论、边缘成矿理论和纬度分带成矿学说等。,地学界地球化学理论体系的发展与更新，既给地质学、矿床学带来新的机遇，又为矿床地球化学发展注入新的活力，至少在下述几方面为矿床学发展带来深远影响： （1）流体成矿系统与成矿作用 金属成矿过程均与金属从源岩的活化，渗滤、运移和淀积事件密切相关，流体参与成矿全过程，是联结矿源岩一成矿地质环境一矿体定位场所三者的纽带。因此，矿床研究的关键，在于识别金属和流体的来源，追溯流体将金属从多源区输运到最终定位场所所经历的路径，查明金属和流

4、体运移路径发生的物理、化学和时间上、空间上的各种变化及地质一地球化学过程，即研究由矿源岩一矿质传输迁移路径一矿床定位空间构成的流体成矿系统，以流体成矿系统为基本指导思想，从大区域尺度开展区域流体研究，研究流体来源、驱动与控制因素、追踪流体运移途径及流体系统各变量的方向性、相关性和指示性，势必将为研究矿床形成过程和成矿规律，进行大比例尺矿床定量评价与成矿预测，带来质的飞跃。,（2）地球层圈物质一能量交换与流体成矿作用 地球层圈物质一能量交换是地球演化的主要体规，作为物质一能量传输的主要载体，流体广泛分布于各个层圈，直接参与和控制着各层圈，特别是壳幔相互作用中的地质一地球化学过程，因此从根本上制约

5、着金属矿床和油气的四维空间分布与形成演化过程。 1) 在伸张构造体制，伴随地幔岩浆上升，他幔流体向地壳运移渗透，在挤压构造体制，特别是板块俯冲作用，洋壳楔入地幔，其地壳脱水流体亦携入，并交代楔形地幔。伴随造弧岩浆作用，循环的流体再度向上运移与汇聚而返回地壳。 2)在壳幔剧烈作用地区，地壳深部岩石因流体和软流圈流体构成深部流体系统，成为成矿物质在深部循环、运移的作用剂和传输深部物质至地壳浅部的媒介。 3)地壳浅部大气水、建造水、循环海水或岩浆脱气流体构成浅部流体系统，成为油气和矿质搬运、迁移和沉积的重要载体。 因此，从层圈相互作用和壳幔反应角度重新研究成矿过程，势必将开启新的成矿理论宝库。,（3

6、）金属一CO2一烃类相互作用与成矿作用 超深钻结果表明，地壳深部存在大量CO2一烃一盐水流体； MVT型PhZn矿床存在大量烃类包裹体，成矿流体由烃类（石油）和盐水流体构成。滇黔桂卡林型金矿的成矿流体中亦存在许多烃类； 在一些油田，Au达工业品位，Hg储量达超大型规模；例如：-. 在现代海底活动热水区，海底喷流与硫化物矿床附近伴有大量石油产出；在岛弧弧后扩张盆地，喷流流体与大量CO2和烃类流体共生。 (5)同位素体系与成矿作用 活动论和成矿物质、载体（岩浆和流体）的多元论或混合成因观成为主流.,1 元素地球化学态、共生规律和分类 元素在自然界分布有多种形式。就赋存状态而言，有的一单元素形式存在

7、、有的一化合物形式存在、还有一类质同象的形式存在；而就物理状态而言有的是气体形式、有的固体形式、还有的是液体形式等。不同的相态中元素的赋存状态有明显的差别，这就是元素态的具体表现。 （1） 元素在地球系统的分布规律,第二节 元素地球化学态、共生规律、分类及研究意义,地球物质组成与成矿关系 七种常见元素构成了地球质量的97% 。,纵波和横波随深度变化的情况（Kearey and Vine，1990）,1） 地壳（Crust）： 大洋地壳与成矿关系 厚度: 10 km 组成：= 蛇绿岩套（ophiolite suite）: 沉积物（Sediments）+块状硫化物，石油+天然气 枕状玄武岩（pil

8、low basalt） 席状岩墙（sheeted dikes） 块状辉长岩（ massive gabbro） 超镁铁质岩石 ultramafic (mantle) +铬铁矿,The Earths Interior,大陆地壳与成矿关系,厚度: 20-90 km，平均厚度: 35 km 成分: 变化大，平均成分为花岗闪长质 （granodiorite） 与花岗岩浆作用有关的成矿作用（Au、Cu、Fe、W、Sn、Sb、Mo、非金属等） 与有机质作用有关的成矿作用（石油+天然气等）,The Earths Interior,2） 地幔（Mantle） 橄榄岩（Peridotite (ultramafic

9、)）,上地幔（Upper ）to 410 km 橄榄石 尖晶石 低速层（Low Velocity Layer） 60-220 km,下地幔（Lower Mantle） 地震波的波速逐渐增加,过渡带（Transition Zone ） 410-660km 波速迅速增加 （spinel perovskite- type SiIV SiVI,与之有关的成矿作用（Cr、PGE、Ti、V、Co等）,概 括： 矿床成矿物质主要来自地壳和上地幔。各种元素的分布相差极大。地球元素丰度值中：铁（32.0%）、氧（29.0%）、镁（16.0%）、硅（13.0%）四元素占居地球总量的90%；其它相对较大的S、Ni、

10、Ca、Al、Na、Cr、Mn、P八种占8.09%；其余元素只有1.91 %（黎彤，1976）具体表现： a） 地壳、上地幔分布量最高的是氧（46%、43%）最少为氦（1.6ppb、1.9ppb）、两者相差11-12数量级； b） 地壳、上地幔分布量最高的O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg七元素合计约为地壳总成分的99.4%、上地幔总成分的99.11%，是地壳中各类岩石的基本成分；其余85种不到1%。 c）成矿元素中： 上地幔：铁族、铂族元素和镁比较集中，分布量大于地壳几倍 几 十倍； 地 壳：稀有（Li、Ba、Nb、Ta）、稀土、及放射性元素比上地幔高分布 量大于地壳几倍几十倍；挥发份比上

11、地幔高2-4倍。,自然界元素在不同的物态相内的共生规律是不同的，一般在岩石中的分配规律是： a） 丰度高的元素中，O、Si、Al、Ca元素是各类岩石的重要组成部分，Na、K在中酸性、酸性、碱性岩中含量较高，Mg、Fe在基性、超基性岩中较高， b） Fe、Cr、Co、Ni、Pt在超基性岩中丰度值最大，向酸性岩急剧降低；U、Th、Li、Be、Nb、Ta、W、Sn、Mo、Pb等元素在酸性岩中丰度值最高，向超基性岩降低；V、Ti、Cu、Zn、Sb、Mo在基性岩中含量最高；B、Cl、P等挥发份元素从超基性岩到酸性岩丰度值逐渐增高。 c） 沉积岩中S、B、C、Hg、Sn、Mo、Pb、W、Cu、Zn等的含量

12、很高，其它元素介于基性与酸性岩之间。,（3）表示法： 1）元素丰度值：元素在地壳及上地幔和地球中的平均分布量。 2）克拉克值：元素在地壳的丰度值。 3）浓度克拉克值：地质体中的元素平均含量与克拉克值的比值。 4）浓度系数：元素在地壳中集中到能成为矿床的程度，工业品位与该元素的克拉克值之比。,2 元素的共生规律和地球化学分类 （1) 元素自然分类（常见的V.M.戈尔德斯密特和A.H. 查瓦里斯基） 1) V.M.戈尔德斯密特分类 主要依据是外电子层结构、元素磁性(逆顺）、对不同元素的 化学亲合力，划分了1）亲气元素（大气圈元素）; 2）亲石元素（s2p6); 3）亲铜元素 （s2p6d10);

13、4）亲铁元素（过渡性最外层电子数8-18）。 对了解地球的原始分异作用圈层构造的形成、元素的地球化学性质及其组合特征具有重 要意义。,亲气元素,亲石元素（s2p6),亲铜元素（s2p6d10),亲铁元素,2) A.H. 查瓦里斯基的分类 该分类主要依据结晶化学特征、电子层结构、离子半径、元素的地球化学性质以及元素在自然界中的组合情况，利用扩大周期表为基础进行分类： 1）氢族; 2）惰性气体族; 3）造岩元素族; 4）岩浆射气元素族；5）铁族元素; 6）稀有、稀土元素; 7）放射性元素; 8）亲硫元素；9）铂族元素; 10）半金属和金属矿化剂元素; 11）重卤素元素 这些元素反映了地壳中由于地质

14、作用的不同，而产生不同的共生组合，并能从原子结构这一最本质的原因去理解元素的一相互组合的内在原因，其元素的分布规律对于找矿勘探和矿床成因研究具有重要的指导意义。,1）氢族; 2）惰性气体族; 3）造岩元素族; 4）岩浆射气元素族；5）铁族元素; 6）稀有、稀土元素; 7）放射性元素; 8）亲硫元素；9）铂族元素; 10）半金属和金属矿化剂元素; 11）重卤素元素,这些元素反映了地壳中由于地质作用的不同，而产生不同的共生组合，并能从原子结构这一最本质的原因去理解元素的一相互组合的内在原因，其元素的分布规律对于找矿勘探和矿床成因研究具有重要的指导意义。,(3) 岩石学上的元素分类,1）过渡元素：T

15、E 周期表第一过渡度族 Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 2）稀土元素：REE 镧系+Y 3）亲石元素 大离子亲石元素（LIL）： 离子半径大，包括K、Rb、Cs、Sr、Ba、Tl 放射性生热元素（RHE）： 衰变生热，包括K、U、Th 活动性元素（ME）：z/r3, Nb 、Ta、Zr、Hf、P、Y 不相容元素（ICE）: HREE、Zr、Hf 亲岩浆元素（M）: Di1,5） 不相容元素（ICE）:按进入熔体的能力可分： 弱不相容元素：如Y、Tb、Ti、 中等不相容元素: 如La、Ce、Sr、Nb、P、Zr、Hf、Sm等 强不相容元素: 如Cs、Rb、Ba、Th、U、K等

16、 6） 同位素 分稳定同位素和放射性同位素,（4）矿床元素地球化学分类,矿产的主要类型是金属、非金属。 金属包括： 1） 黑色金属：Fe、Mn、Cr、V、Ti、Ni、Co、W、Mo等 2） 有色：Cu、Pb、Zn、Sn、Bi、Sb、Hg、Al、Mg等 3） 贵金属：Au、PGE 4） 放射性：U、Th、Ra等 5） 稀有和REE、分散元素 A） 稀有：Ta、Nb、Be、Li、Zr、Cs、Rb、Sr等 B） REE：LREE、HREE C） 分散：如锗、镓、铟、铊、铪、铼、镉、Sc、硒、碲等 非金属包括：矿物或集合体以及可燃有机物等。,根据成矿元素的地球化学在成矿过程的亲合性，可将划分：岩浆、热液、沉积、风化、可燃有机等五类。 1） 岩浆成矿元素：镁铁-超镁铁质岩、中酸性岩、伟晶岩类； 镁铁-超镁铁质岩有关的成矿元素 超基性岩有关的成矿元素 中酸性岩有关的成矿元素 伟晶岩类有关的成矿元素 2） 热液成矿元素：岩浆热液（幔、壳幔、下地壳、上地壳）、非岩浆热液