第四讲矿物变化

第四讲
矿物的形成与变化
矿物标型特征(typomorphic features)主要有： 1）形态标型特征：包括晶体形状、习性、大小、双晶、集合 体特点等。 2）成分标型特征：矿物中微量元素、类质同象混合物，不同 种类的水的含量等； 3）物理性质标型特征：矿物的光学性质、力学性质及其它性 质； 4）结构标型特征：多型、有序度、阳离子配位、键长、晶胞 参数等； 5）稳定同位素标型特征：包括矿物中的O、S、C、Pb等同位 素特征。
第四讲
矿物的形成与变化
1.化学成分的变化 矿 物 的 变 化
2.晶体结构的变化
3.非晶化与晶化
第四讲
1.化学成分的变化
矿物的形成与变化
1）交代作用：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。 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)：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。 如硬石膏(Ca［SO4］)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(Ca［SO4］.2H2O)。 (3) 脱水作用(dehydration)：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(Na2［SO4］.10H2O)在干燥气候下失去水分而转变为无
矿物岩石学
• 主讲人：唐民安 • 华北水利水电大学 • 地质工程教研室
思考题
1.矿物的世代的概念及确定矿物生成顺序的标志？
2.包裹体的分类及研究意义？ 3.类质同像的概念、影响因素及其研究意义？ 4.标型矿物和标型矿物共生组合的概念？ 5.矿物的标型特征及其分类？ 6.同质多像的概念及其影响因素？主要典型例子？ 7.化学成分的变化的几种方式？ 8.非晶化与晶化的概念？
第四讲
矿物的形成与变化
三、矿物中的包裹体 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。
矿物中包裹体形状各异、成分复杂，可以是气态、液态或固态，以气 相和液相居多，常用来研究矿物形成时的物理化学条件。
黄铜矿孔雀石化
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矿物的形成与变化
二、矿物的标型性
矿物的标型性(typomorphism)：指能反映一定成因信息的
矿物学标志。主要包括标型矿物，矿物的标型特征等内容。 1 ．标型矿物 (typomorphic mineral)：只生成于某种特定的 成矿、成岩作用中的矿物。一旦在岩石中见到这种矿物，就知 道它的成因。
如：铬铁矿只生成于超基性岩中， 金刚石只生成于金伯利岩中，
辰砂、辉锑矿只生成于低温热液矿床中，它们都是标型矿物。
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矿物的形成与变化
2．矿物学温度计：有些矿物只能在一定狭窄的温度范
围内形成，这种矿物可以反映生成温度，称为矿物学温度计。
3．矿物的标型特征：同一矿物的成分、形态、物理性
质、结构等常因生成条件不同而异，这些能反映生成条件的特 征称为矿物的标型特征。
水晶中的假次生包裹体
第四讲
件。
矿物的形成与变化
原生包裹体和假次生包裹体：代表形成主矿物的原始成岩 成矿流体的样品，反映了主矿物形成时的化学环境和物理化学条 次生包裹体：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。 研究包裹体的意义：包裹体，特别是原生包裹体，对于研究 矿物形成时的物理化学条件具有极为重要的价值。因为原生气液 包裹体是作为形成主矿物时的成矿溶液被保留在主矿物中的，通
过对包裹体的物理性质和成分的测定，能为主矿物的形成条件
（T、P、pH值）提供依据。
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矿物的形成与变化
四、矿物的变化
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。 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。
原生包裹体
水晶中的原生包裹体
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矿物的形成与变化
2.次生包裹体(secondary inclusion)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。
次生包裹体
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矿物的形成与变化
假次生包裹体
生成较早。
后期的方解石脉充填
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矿物的形成与变化
(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，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，但变质岩中的变斑 晶却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。
早期形成的斜长石， 晶形较完整
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二）类质同像的类型
矿物的形成与变化
完全类质同像 类 质 同 像 的 类 型
1.按不同组分间在晶格中 所能进行代替的限度
不完全类质同象 等价类质同象 异价类质同像
2.按晶格中相互替代 的离子电价是否相等
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矿物的形成与变化
1.按不同组分间在晶格中所能进行代替的限度
（A）完全类质同像：在晶体结构中，某种质点可以无限地被另一种质 点代替，而不引起晶体结构改变的现象。其产物称完全固溶体。 例：Mg2[SiO4]→(Mg, Fe)2[SiO4]→(Fe, Mg)2[SiO4]→Fe2[SiO4]
2.矿物的共生和伴生
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矿物的形成与变化
一）矿物的生成顺序和(mineral sequence) ：自然界地质体中的各种 矿物在形成时间上有先后关系。 矿物通常是按晶格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。
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矿物的形成与变化
确定矿物生成顺序的标志： (1) 矿物的空间位置关系：位于地质体中心部位 的矿物比其外围的矿物晚形成。当一矿物穿插、包围 或充填其他矿物时，被穿插、被包围或被充填的矿物
镁橄榄石 铁橄榄石 Mg2+ 可以无限地被 Fe2+ 代替，由镁橄榄石变为铁橄榄石，但晶体结构始
终不变，只是晶格常数和物理性质变化。
（B）不完全类质同像：在晶体中某种质点被另一种质点的代替不能超过某一 限度（否则会引起晶体结构的改变，其产物称有限固溶体。。 例：闪锌矿（Zn，Fe）S中，Fe代替Zn最多只能达到阳离子数的 43%，不能 超过这一限度，否则会引起晶体结构的改变。
3.假次生包裹体(pseudosecondary inclusion)：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。
各共生矿物构成的组合称为矿物的共生组合(paragenetic
association)。
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2.矿物的伴生
矿物的形成与变化
矿物的伴生(associate)：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。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，由于黄铜矿为热液作用形 成，而孔雀石和蓝铜矿则为表生成因，故它们为伴生关系。
研究矿物的世代，了解矿物形成及成矿的阶段性。
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二）矿物的共生和伴生
1.矿物的共生(paragensis)：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。彼此共生的
矿物称为共生矿物 (paragenetic minerals)，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。
辉石边缘的角闪石 反应边
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2. 矿物的世代
矿物的形成与变化
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。
(Na2［SO4］)。
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2.晶体结构的变化
矿物的形成与变化
在封闭体系中，体系与环境之间只有能量的交换，而无物质上 的交换，物理化学条件的改变促使矿物发生晶体结构的转变而 化学成分保持不变。
矿物发生同质多像相变时，其晶体结构及物理性质均发生明显 的变化，但原变体的晶形却被新变体继承下来，此种晶体称为 副像(paramorph。例如α-石英呈现β-石英的六方双锥晶形。 矿物晶体相变的研究，对探讨矿物的成因，了解矿物及其所在 地质体的形成条件和演化历史，指导找矿，以及人工合成晶体 材料等方面，均具有重要意义。
位于地质体中心部位的矿物比其外围的矿物晚形成
晶洞中矿物生成顺序
当一矿物穿插、包围或充填其他矿物时，被穿插、被包 围或被充填的矿物生成较早。
普通辉石被普通角闪石和黑云母所包围
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。
自形程度不同的矿物晶体生成顺序
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矿物的形成与变化
(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。
包裹体的大小不一，气液包裹体大多小于10 μ m，因此，需在显微镜
和电子显微镜下才能清晰地观察研究。
包裹体按成因可分为原生、次生和假次生三种类型。
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矿物的形成与变化
1.原生包裹体(primary inclusion)： 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。
第四讲 矿物的形成与变化
一、矿物的时空关系 二、矿物的标型性 三、矿物中的包裹体 四、矿物的变化 五、类质同像
六、同质多像
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矿物的形成与变化
一、矿物的时空关系 矿物形成的时空关系：即某一地质体（岩体、矿 体）中，矿物在形成时间上的先后顺序和空间上的共
存关系。
包括：1.矿物的生成顺序和矿物的世代
物。
如：蛋白石逐渐脱水转变为玉髓和石英。晶化作用是自发的，是不需要外 能的。
五、类质同像
一）类质同像的概念
晶体结构中的某种质点（原子、分子、离子）为它种类似 的质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，但晶体结构不 发生改变。
闪锌矿（ZnS）
ZnS
Fe取代部分Zn
（Zn,Fe）S）
灰色、浅红 半透明
深色—黑色 不透明
固溶体
刚玉(Al2O3)
Al2O3
Al3+取代部分Cr3+
（Al,Cr）2O3
无色
红色 （红宝石）
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矿物的形成与变化
理解：类质同像就好比夜晚砌砖墙 1）青砖与红砖都是“砖”，二者相类似。不能以木砖去代替 红砖； 2）“青砖”并不是乱砌的，它代替的是“红砖”的位置，与 红砖一样起相同的结构单元的作用（晶体中代替者与被代替者占 据相同的晶格位置），但是具体代替哪些红砖都是随机的（黑夜 中摸到哪块是哪块），青红砖的数量比是不确定的； 3）代替是在砌墙时（晶体生长时）进行的，一经砌成之后， 红砖墙与杂有青砖的红砖墙结构是一样的（晶体结构不变）。
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矿物的形成与变化
类质同像混合物是一种主要的固溶体。 固溶体的概念:在固态条件下，一种组分内“溶解”了其它
的组分，组成单一结晶相的均匀晶体的固溶体。
固溶体是由两种或两种以上的组分组成的均匀晶体，其中 含量高的组分可看作是固体的溶剂，含量低的组分可看作是固体 的溶质。如闪锌矿中的 ZnS 是溶剂， FeS 是溶质，二者形成的固 态溶液（Zn，Fe）S就是固溶体。
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矿物的形成与变化
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3.非晶化与晶化
矿物的形成与变化
非晶化(non-crystallizing):含铀、钍等放射性元素的晶质矿物，在放射
性元素蜕变时放出的 α-射线的作用下，其晶格遭受破坏，转变为非晶质矿
物的过程 。 例如：含放射性元素的锆石非晶质化变为水锆石。
晶化 (crystallizing) ：非晶质矿物，随着时间的推移，会逐渐变为结晶质矿