现代矿床学-成矿物质

成矿物质
一、概述：
成矿物质包括成矿元素及搬运它的介质--成矿流体。

在进行矿床学研究的时候，成矿物质的来源是一个基本的问题。

200多年来地学界的水--火之争反映在矿床学上，实际上就是矿质来源之争。

50年代以前，主要依据与成矿有关的构造运动、岩浆运动、沉积作用、变质作用及矿床所处的大地构造环境，对矿质的来源作出某些判断。

这是矿质来源的宏观地质理论探讨时期。

当时流行的几种有关矿床分类方案：内生-外生矿床、同生--后生矿床、岩浆-沉积-变质矿床，反映了成矿物质的相应来源。

这一时期的特点是比较强调矿质的单一来源，研究对象也多局限于地球本身（浅部、表部或陆地），研究手段也十分落后。

板块运动与矿质
地球是由金属、陨硫铁和硅酸盐的冷凝体所组成的，其总体成分接近于球粒陨石，因而可以用后者的成分代表地球的原始成分。

地球的形成年龄约为46亿年，在地球数亿年的过程中，地球具有由地壳、地幔和地核组成的层圈构造。

地球的形成和演化大致经历了四个阶段：
第一阶段：地球的初始阶段到广泛的熔化（岩浆海洋）；
第二阶段（46-40亿年）：发生第一次分异，形成全球性地壳，分异出安山岩、钙质斜长岩，玄武岩；40亿年前后发生大规模陨石冲击，故使原始地壳2/3以上受破坏，导致地幔上升，不断形成基性岩，并发生海底快速扩张；
第三阶段（40-25亿年）：发生第二次分异，玄武岩浆多次喷溢，出现板块运动，形成众多小板块；
第四阶段（25亿年至今）：地壳分异并逐渐稳定，现代板块运动发展，大陆壳经多次分异形成垂直分带——花岗岩在上，麻粒岩在下。

地球的圈层结构与矿质的来源：
从上分析可知：在地球形成的初始阶段，地球是一个均匀体，还未发生明显的分异作用，因而也不能提供矿质来源形成矿床。

只有在第二阶段以后地球才开始分异，提供了元素迁移、聚集的可能性。

地核距地表近3000公里，其物质不具备到达地表的任何条件，故不可能是地球表部矿床的成矿物质来源；
大于948公里深处的下地幔与地核一样；
上地幔上部有一个软流圈，是影响全球构造的一个重要因素。

在特定条件下，上地幔表部的物质可以到达地壳并形成矿床，理论上讲它可以是成矿物质的一个重要来源；
地壳的任何组成部分都可以提供成矿物质来源。

因此，总的说来，地球的地壳和上地幔的顶层才可以是成矿物质的来源。

成矿物质的来源：
因此，从理论上讲，成矿物质的可能来源有：
1，硅镁质岩浆源：上地幔顶部的某些物质在地壳最薄地段（洋壳）沿大
洋中脊涌至洋壳表面形成大洋玄武岩及有关矿床，构成矿源。

尤其在现代板块形成之前的早前寒武纪，地壳很厚，或地壳还未大面积形成，上地幔物质曾大面积侵入地表，例如产于18亿年以上古地盾中的大型镁铁质、超镁铁质岩体及其中的铬镍矿床（占全球储量的70%--80%）；其次是超壳断裂中的上地幔物质在地壳浅部形成的大规模的安山岩--玄武岩火山链和金伯利岩。

地幔物质是一系列的超镁铁质岩石，在地壳浅处主要形成：
（1）岩浆结晶分异和熔离分异形成的铂、镍矿床及铜、镍（铂）矿床；
（2）金伯利岩中的金刚石矿床；
（3）碳酸岩中的稀有元素矿床
（4）安山—玄武岩中的磁铁矿矿床；
（5）水下火山喷发形成的块状硫化物矿床。

2，硅铝质重熔混浆源：
现在，人们普遍认为，大量的花岗岩不是由硅镁质岩浆演化而成的（即原先有原始岩浆演化成一份玄武岩浆和三份花岗岩浆之说），酸性岩浆与硅铝壳有关，即地壳型岩浆主要是深埋的早期沉积物在一定温度（600--700℃）、压力（大于200MPa）和挥发份参与下，经过重熔而产生的花岗岩浆。

其中的成矿元素主要是亲氧元素如W、Sn、Nb、Ta、Be等。

花岗岩及其有关的矿床多集中于寒武纪以后的较年轻的地槽中，尤其在地槽发育的晚期。

老的花岗岩多含有金矿，新者则多为钨、锡、铌、钽等。

硅铝壳的含矿性极为不均，因而花岗岩的含矿性在不同地区差别极大，形成了成矿区域，矿床的种类，性质和丰常因地而异。

3，地壳表层源：
与岩浆或混浆作用无关的古地壳上层的不同部位中，由地下水或上升热液（非岩浆的）溶取的矿质。

当它随热液运移到适当的
构造或其它物化环境中时，会重新的沉淀，形成矿床。

这些矿质可能是广大围岩中的分散元素，也可能是从耄仫某种初步聚集的矿源层，或已形成的矿床中得来的。

4，地面来源：
指出露于地表的岩石或矿床提供的成矿物质，经外生作用形成风化矿床和同生沉积矿床（包括地台区和地槽区的海相和陆相沉积矿床）。

5，宇宙来源：
指在地球发生了壳状分异后，从宇宙空间直接降落到地球表面的陨石，宇宙尘埃等物质。

地球每年要接受500块陨石，从地球形成到现在地球表面已经接受至少4600块陨石/km2 表面。

每日约有3000块陨石雨和宇宙尘落到地面，由它们再分异或堆积形成“宇宙源矿床”。

如加拿大肖德贝里Cu-N；硫化物矿床。

6，多来源：
60年代一元成矿论走向衰落，多源成矿说代而兴起。

即多来源、多成因、多阶段成矿论点。

三，成矿流体的来源：
流体与成矿：众所周知，许多矿床的形成是与流体的作用分不开的，原来成分的单一的流体与岩石相互作用获取了矿质和能量，迁移到一定的部位。

由于地质和物化条件的改变，导致矿质沉淀而形成矿床。

流体可以提供成矿物质，也可以溶解、搬运成矿物质。

同时，成矿作用也是在有流体存在的情况下发生的。

可以说，没有流体，就没有矿床。

下面将形成矿床的流体成为“成矿流体”。

流体：
流体能带来能量，也能带来成矿物质。

在地壳甚至整个地球中存在着种类繁多的大量流体分布在各种地质环境中。

那么，什么叫流体？流体即是：在应力或外力作用下发生流动或发生形变、并与周围介质处于相对平衡条件下的物质（Fyfe, 1978）。

从这个定义出发，地壳中的水、岩浆、各种状态的热液、高密
度的气体、甚至处在塑性状态的岩石等均可看作流体。

在成矿作用过程中，地热水、海底洋中脊或构造缝喷出的超临界流体和热液、卤水、岩浆、海水、雨水和地下水等流体是最为重要的。

萃取:
并非所有的流体都可形成矿床，除非它们能形成流体。

由普通流体形成成矿流体，最重要的过程是流体与岩石的相互作用。

这种相互作用使流体和岩石的成分（原始和同位素成分）发生很大变化，导致流体中富含某种或某一类成矿元素而形成成矿流体。

流体与岩石相互作用的程度、成矿元素在特定温度压力条件下活动的流体中的溶解度、流体中的挥发分如Cl、F、B、S、C等以及碱金属、碱土金属和可溶性硅与可溶性有机质的含量、存在形式和所起的作用等，是最重要的研究内容。

迁移：
成矿流体形成之后，大多数情况下要迁移到合适的沉淀场所。

流体迁移需要“力”的作用。

因此在研究成矿流体的迁移时不仅要讨论导致流体迁移的因素、迁移形式、迁移过程的时间和空间、迁移的通道等，也必须研究成矿流体迁移的能量、质量、动量守恒以及不同流体的混合作用等。

由于构造作用通常是导致流体迁移的一个重要因素，迁移的通道也常与构造作用、岩石的性质及环境有关。

因此，建立和恢复构造—热液体系也是成矿流体迁移中的一个重要方面。

沉淀:
要使成矿流体形成矿床，除了来源和迁移这两大因素外，合适的成矿条件和环境是必须重视的第三个问题，其内容包括影响矿质沉淀的物理、化学条件（温度、压力、组分变化、Ph值等）、空间和时间因素与构造因素。

要强调成矿时间的概念及在成矿部位流体量的问题。

例如，对于一条宽1m、长100m的石英脉而言，由于硅在热液中的溶解度是很有限的，因而沉淀出这条石英脉所需流体量的体积累计起来是该石英脉的几万倍到几十万倍。

根据现有资料并考虑到地壳岩石（包括岩层、构造裂隙等）中流体的平均迁移速率，累积这么多的流体量将需要几万年乃至几百万年的时间。

在成矿流体研究中，主要应用化学热力学和动力学、量子化学、物理化学、流体力学的基本原理，应用流体包裹体、成矿成岩实验、构造地球化学、微量元素地球化学、稳定同位素地球化学和矿床学的研究方法、计算机模拟、建立流体地球化学成矿模式，解决矿床地球化学问题。

（一）地球中的流体：
根据上述成矿流体的定义，当应力作用到物体上去时，若这个物体的大小、形状和组成发生了改变，则该物体就是流体，最近，在德国打了一个超深钻，已证实在9000m深度岩石处于流变状态。

当我们研究流体时，流体的黏度、压力、温度、密度、比溶、体积弹性模量、表面张力和成分，都是十分重要的性质。

在考虑地质过程时，时间空间因素对于流体性质的影响也是很重要的。

其中
由于地壳中的许多岩石是经历了漫长的地质作用而发生形变的产物，因此对于这些岩石来说，时间因素对它们的形变起了决定性的作用。

如果把统计力学的理论应用到地质上特别是应用到晶体中原子的位移（即从它们的晶格发生位移、并迁移到晶体内低应力或低能量区）研究时，可以建立数学方程式来阐述结晶物质的流动。

因此，从这点出发，地球上所有结晶的物质都可以看成是流体。

根据上述定义及流体的物理性质，地球中的流体可以分为以下几种类型：（1）呈气体状态的流体：包括大气圈及存在于矿物、岩石中以及生物圈中的各类气体；
（2）呈液体状态的流体：水圈中的流体（海水、湖水、河水、地下水、雨水、原生水、地层卤水等）、岩浆水、存在于流体包裹体中的古流体等。

（3）超临界流体：上述两类流体在超临界的温度、压力下产生的一种有着特殊性质和地球化学行为的流体。

地球内部存在着许多超临界的温度—压力场，其中的气、液态形式存在的各类流体，均转变为超临界流体。

（4）处于塑变状态的各类岩石和地质体：如岩石圈下部的软流圈和目前仍处于蠕变状态的各种地质体等，
这些流体存在于地球的各个圈层中，只是随着地球不同圈层的物理、化学条件的不同，其中流体的化学组成、存在形式和存在的量有着很大的不同（如在地壳的上部、下部、上下地幔、内外地核）。

2，地壳中的流体（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）现代海洋的质量为1.4×1024 g，地壳的质量是23×1024 g，地壳中的含水量亦为1.4×1024 g，约占地壳总质量的6%（或占3%～6%，即0.69×1024 g～1.4×1024 g）；地幔中的流体为1.2×1024 g，占地幔总质量的0.03%。

因此，海水、地壳流体、地幔流体三者的质量是十分相近的。

存在于地壳中的流体，与地壳的四大圈层关系十分密切，它们大致可分为以下5类：
①岩浆：指源于地壳的各种成分的岩浆，它们是一种硅酸盐熔融体，平均含水量＜5%。

②以水为主的流体：包括岩浆水、变质水、原生水、海水、卤水、地表水、地热水等
③以碳氢化合物为主的流体：如石油、天然气等。

④存在于矿物和岩石中的挥发份：包括H2O、CO2、S、O2、H2、N2和惰性气体等。

⑤处于形变和塑变状态的各种岩石和地质体：如岩石圈下部的软流圈和目前仍处于蠕变状态的各种地质体等（包括从晶格变形到大规模的岩石形变和位移
等）。

（二）流体的形成：
地壳主要由三大类岩石组成，其中沉积岩由含水的沉积物经过埋藏、压实、脱水和成岩作用形成的，其中释放出以水为主体的大量流体。

在火成岩的形成过程中，尤其在岩浆后期释放出以岩浆水为主的岩浆热液流体。

在变质过程中，在大规模的区域变质和接触变质作用发生时，也会释放出流体。

因此在地壳三大类岩石形成过程中均存在“去流体”或“去水”作用。

这种作用是流体的一个很重要的来源。

1，沉积物的“去流体”作用：
这是一种在地表发生的地质作用。

在沉积物发生脱水作用时：
①沉积岩的脱水作用在盆地的任何一部分均可发生；
②脱水过程中，如果存在一系列的沉积岩（从粗的砂岩到细的泥岩、页岩），则水的移动方式是从泥岩页岩到砂岩；
③从盆地本身考虑，脱水作用发生时水的移动方向是从盆地的中心向边缘，或从较深的部位向较浅的部位；
④迁出的水量与沉积物的量成一点的比例，并且常与地质事件相关联；
⑤脱水作用与压力有关，即与上覆的负荷压力和流体静压力有关，当负荷压力大于静压力时，脱水作用才能有效发生；⑥与构造作用有关，当有裂隙存在时，水很快沿着裂隙排出。

2，变质作用所放出的流体：
在变质作用中，原先固定在岩石中的挥发份因变质作用而释放出来，如：Mg（OH）2 =MgO+H2 O；
KAl2（AlSi3O10）（OH）2=KAlSi3O8+Al2 O3+H2 O ；
CaCO 3+SiO2 =CaSiO 3+CO2 ,
在这些变质反映中均可放出H2 O, CO2等流体。

3，岩浆作用中放出的热液：
岩浆中最多含有5－6%的H2 O,CO2和其它挥发份。

当岩浆上升时，P 和T也随之下降，这时它们含的流体也会释放出来，形成“岩浆热液”。

它们可以在岩浆的顶部，或进入附近的构造裂隙中，形成各种各样的脉。

4，天水和地下水：
即水圈中的水是地壳流体的重要来源，地壳中的水还与大气圈，水圈及生物圈处于相对平衡状态中。

构造作用对流体的影响十分重要，如大洋深处的热泉，热点，黑烟囱和矿床除板块构造外，断裂和裂隙层间裂隙，水流均为流体迁移的通道。

（三）地壳中流体的分类：
可按其化学成分，产状及成因分类。

1，按化学成分：
①岩浆－硅酸盐流体；②H2 O；③H2 O-NaCe；④H2 O-NaCe-CO2；
⑤有机流体。

2，产壮与成因：
①岩浆热液；②变质流体；③海水；④热卤水（原生水和同生水）；
⑤地下水（包括大气降水）；⑥石油和天然气；⑦硅酸盐岩浆。

3，几种与成矿有关的流体：
①大洋水；②大气降水；③原生水和同升水；④地层水；⑤变质水；⑥初始水（地球形成时的水或来自地幔、地核的水）；⑦热液水；
⑧外来水（所存体系或环境之外的任何水）
（四）流体和岩石的相互作用－水岩反应
这种相互作用是形成成矿流体的一个重要条件，这种反应是在一定的温度、压力条件下流体与岩石中的矿物起反应，使原来的矿物组合转变为在新的条件下更加稳定的矿物组合。

在这个过程中，流体的成分也随之发生了变化，成为与这组新矿物相平衡的流体。

对于流体与矿物、岩石的相互作用的研究是最近10到20年间才开展起来的，并召开过5次国际性学术会议。

下仅举几例：
1，太古宙绿岩带成矿流体与岩石的相互作用：
在加拿大的Abitibi太古宙绿岩带产出许多金矿形成金矿的成矿流体沿着剪切带上升，与其两侧的岩石发生了反应，形成了典型的蚀变带，其类型有铁白云石化、钠长石化、绿云母化（含Cr或V）或黄铁矿化。

如果剪切带的围岩为铁镁质火山岩和侵入岩，流体（H2O—NaCl—CO2）与之反应会使其中的斜长石、辉石和钠长石分解。

蚀变开始时形成铁白云石、方解石和绿泥石。

继续反应会形成铁白云石、绿泥石和绢云母，最后只形成绿云母。

2，海水与玄武岩的作用：
从海底喷出的玄武岩或其熔岩，从一开始喷出就与海水接触，发生反应。

这是与形成成矿流体关系最为密切的相互作用。

现代海底沉积物的硫化物矿床、黑矿以及塞浦路斯型黄铁矿矿床均与次有关。

在海水—玄武岩的反应过程中，岩石失去Si、Ca、Ba、Li、Fe、Mn、Cu、Ni、Zn，得到Mg、K、B、Rb、H2O、Cs和U。

这种反应的时空范围很广，反应温度范围大，从冷海水（远离热源的海底）～400℃（海底扩张中心），但在100-400℃最重要，整个反应过程可能要持续若干百万年才能达到平衡。

反应的结果，玄武岩蚀变为角闪岩相、绿片岩相、葡萄石—绿纤狮相、沸石相。

同时海水和玄武岩的成分也发生了相应的变化。

3，花岗岩与地下水的相互作用：在花岗岩浆或花岗岩化过程中，围
岩中被加热的地下水及其本身所携带的热液就会与围岩及与花岗岩发生广泛的水-岩反应。

与花岗岩有关的许多矿床的成矿流体就是在这类水-岩反应过程中形成的，但比玄武岩复杂。

四，成矿物质来源的判别标志及其研究方法：
1，成矿的地质背景—大地构造、岩浆岩、沉积岩及变质建造：是控制矿质来源的根本因而是首要宏观判别标志。

根据板块学说：整个岩石圈（即地壳）可分为几大板块，板块又可以分为板块内部和板块交界处。

板块内部比较稳定，岩浆活动不发育，但其中也分布着许多与岩浆有关的矿床，可能与大陆裂谷或缓冲板块边界缝有关。

板块边缘地带为明显的活动带，与许多矿床的形成有关。

板块构造活动带指两大板块的接触带，由于它具有不同性质，故不同类型活动带控制了不同类型的矿床及物质来源。

例如在板块的消亡带和扩张带，来源各不相同。

2岩浆岩成矿专属性专属性：镁铁质、超镁铁质和酸性岩的成矿专属性均表现比较明显，即一定的岩浆岩与一定的矿床类型及成矿物质来源有关。

S型花岗岩（相当于壳源）为Sn、Nb、Ta、W矿床，I型花岗岩（为壳幔源）为斑岩Cu、Mo矿床及矽卡岩Fe、Cu矿床的来源。

3层岩性：在特定情况下，一定岩性地层的成矿元素高的本底是层控矿床的重要矿质来源，即所谓矿源层。

5导矿构造；
5，标型矿物；
7，4蚀变；
矿物包裹体；
8，成矿元素丰度；
9，微量元素；
10，稀土元素；
11，同位素组成；
12，数学地质研究。