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金属矿床成因思想发展简史Ⅲ-英雄岁月

 老夫不请自来也 2021-05-29

来源:科学网-博客

作者:宋建潮

18世纪后半叶,水成论与火成论之间的争论成为当时地质学领域的主旋律,双方唇枪舌剑,互不相让,好似绝情谷夫妻对垒,充满爱恨情仇,由此推动了地质学实践与理论迅猛发展,最终脱离矿物学的桎梏,在19世纪上半叶傲然独立成为一门自然科学。岩浆活动再也不是近期、局部、偶然事件,而是贯穿于整个地球演化始末,并由此开启了一条充满希望的康庄大道。作为地球广域时空微小节点的矿床学在经历前期阶段的幻想与迷茫后,各种与现代一衣带水的成因观点开始如雨后春笋,拔地而起,可以毫不夸张地说,现代大部分矿床成因思想都起源于那个年代。19世纪是地质学的崛起时分,华山论剑,英雄辈出,江湖纷争,新论横空。水火之争、均灾之争等重大观点之论都发生在那个年代,是地质学史上名副其实的英雄时期,夹缝生存的矿床学借磅礴之势,明月之光也发生了翻天覆地的变化,呈众芳摇坠姿态。本文所述“英雄岁月”大抵是指“水火之争”至19世纪七八十年代发生在欧洲大陆上的这段激动人心的峥嵘岁月。

       image.pngimage.png                      James Hutton(1726-1797)        Abraham Gottlob Werner(1749-1817)

维尔纳(Werner)这位“水成论”的集大成者自年轻时就身体状况不佳,不能远足,因此活动范围多限于萨克森矿石山一带,但却具有超常的分析综合能力,能够挽大厦于不倒,脱混沌于清晰。他有一颗喜欢说教的心,具有十足的个人魅力,能把自己的观点结合人文地理浅显易懂、生动有趣地灌输给来自欧洲各地的学生,来时一脸青涩,去时一团火焰。在他担任采矿与矿物学教授40余年间,弗莱堡矿业学校一直是欧洲地质学研究的中心,在地质学史上,几乎没有一位学者能够在其个人影响力和同时代知名度方面与之比肩。他认为地球最初为一片原始海洋,物质悬浮、溶解于海水中,后来条件改变,发生沉淀,形成了今天形形色色的各种岩石,无论是带有层理的泥岩与砂岩还是没有层理的花岗岩与玄武岩,岩石中的裂隙为干裂收缩而成,矿脉为充填于这些裂隙的沉淀物。但若明了矿石山一带分布着大量层状及少量脉状铜矿体,对于这种极端思想也就会抱以同情与理解,今天我们仍然认为维尔纳是一代宗师,哪怕如欧阳锋带有一点儿负面色彩。

与之观点截然相反的是“火成论”的集大成者赫顿(hutton),他认为火山不仅仅只是一座燃烧着的山峰,使迷信的人吓得突然虔诚起来或毁城市于一旦的一种近期、随机、偶然事件,而是一种普遍现象,在地球的形成演化过程中一直扮演着重要角色。显然水成论的地球历史观点更符合当时流行的以圣经为基础的世界起源观,而火成论则使人诚惶诚恐,局促不安,它将把世界带入一片黑暗,变得混乱不堪,因此早期火成论被广泛抵制。相比维尔纳长期与矿石打交道,赫顿的矿床学知识要贫乏的多,他认为地球上的岩石组成主要为两种物质,硅质与硫质,由于二氧化硅与硅酸盐都不溶于水,只能以熔融状态侵入,与之相似,金属硫化物也不溶于水,也就只能以熔融状态侵入形成的裂隙中。显然,赫顿是一名早期矿浆主义者,这种理论后来受到许多地质学家的青睐,虽然没有形成一股洪流,但一直为人乐道,时至今日也不乏支持者。

“水火之争”最初的焦点是玄武岩的成因,随着对火山地区的野外接触增多,维尔纳的学生纷纷倒戈,转换门庭,亲手扼杀了“水成论”的曾经繁荣景象,但这并不代表“水成论”完全退出了历史舞台,它以另一种风貌随风潜夜,以较为隐蔽的方式重新掀起了花岗岩是有水还是无水岩浆成因的争论,由此也影响了许多地质学家对金属矿床成因的认识。意大利地质学家Breislak耗费多年时光研究维苏威与埃特纳火山,自然而然站在了“火成论”一侧,并对金属矿床成因有着自己的独到见解。他认为当岩石处于熔融状态时,金属在重力或某些物理化学条件的影响下,会在熔融体中分离出来,以脉状形式充填于随后完全冷凝固结的围岩中。这是岩浆分异理论(theory of magmatic segregation,1811)历史上首次得到粗略阐释,德国采矿官员Brunner与之持有相似观点,今天这种理论被广泛用于解释正岩浆矿床的成因。

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                                Vesuvius火山爆发 (2020年8月24日)

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1838年德国地质学家Von Herder将当时矿脉成因理论分为四类:(1)同生成因理论,(2)侧分泌理论,(3)下降理论,(4)上升理论。首次使用了“ascension”(上升)、“descension”(下降)、“lateral secretion”(侧分泌)等日后久负盛名的矿床学术语,并深刻认识到:没有一种理论能完美解释各种矿脉成因。

法国大革命的爆发以及拿破仑帝国的建立将法国科学推到了时代前沿,至本世纪中叶法国地质学家在矿床成因理论方面建树丰硕,首要人物当属巴黎矿业学校的Elie de Beaumont,他执掌地质系近50年。Elie de Beaumont 1847年发表了“Volcanic and metalliferous emanations”一文,被认为是那个时代最经典的有关矿床的文献,他将充填于裂隙中的矿脉归于火山作用。通过观察现代火山,他把火山产物分为熔岩与气化物,并注意到水蒸气是火山活动的重要特征之一。火山蒸汽与热泉的区别在于前者形成硫和一系列金属氯化物,后者当化学活动性较弱时,形成铁与钙质沉淀物,当化学活动性较强时,形成二氧化硅与硫、砷、硼、氟化合物。含有这些“矿化剂”的溶液由未喷发的侵入岩分异而来,沿断裂、裂隙上升,随物理化学条件的改变最终在适当位置沉淀,形成有些具皮壳构造(crustification)的金属矿脉。虽然金属沉淀物通常以矿脉形式存在,但也有一些来自岩浆分异,例如基性岩中的磁铁矿、铬铁矿、铂族矿物等。还有一些来自接触变质作用,如磁铁矿、黄铁矿等。此外,他还推断形成于沉积岩中的铜硫化物、铁锰氧化物、碳酸盐、硫酸盐等为化学沉淀物,成矿溶液不是像维尔纳认为的来自海水,而是来自岩浆热液,以喷气孔或热泉形式到达地球表面沉淀于海底。Elie de Beaumont的观点很大程度上来自他对英国康沃尔地区的观察认识,标志着成矿理论研究进入一个新阶段,它也可以被认为是英国与法国开启的有组织野外地质调查的第一个重大成果。

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        Elie de Beaumont(1798-1874)             皮壳构造(也称梳状构造)

实验研究紧跟野外调查步伐接踵而来,苏格兰地质学家James Hall是这一领域的开拓者,但是法国人将之随后发扬光大,A.Daubrée就是其中的佼佼者。Daubrée开展了大量实验岩石学研究,其中一些与成矿作用紧密相连。他认为硫化物是含硫质溶液活动的产物,并举例说深埋于泥土中的罗马铜币在含硫质溶液的作用下,会形成黄铜矿以及其它一些含铜硫化物。有机物分解以及硫化氢作用于铁上会形成黄铁矿。他观察到含氟硼矿物与锡石、黑钨矿、辉钼矿经常同时出现,推断锡、钨、钼矿石矿物从含氟硼蒸汽中沉淀而来。这些蒸汽来自深部,穿断裂、裂隙到达地球表面,金属物质部分以脉状形式沉淀于裂隙中,部分浸漫于围岩中。他更为广为人知的研究是锡在水蒸汽与HCl气体中以[SnCl4]形式迁移,从而奠定了“气化作用”(pneumatolysis)在成矿理论中的地位。Daubrée还特别看重水在变质与成矿中的重要角色,这些水大部分来自大气降水,少量为初始岩浆水,在深部加热后成为变质热液,广泛作用于各种岩石,矿脉形成简化为与变质作用有关热液活动的一个特定事件。

虽然维尔纳的“水成论”观点逐渐被人抛弃,但改头换面后又经常以新的姿态出现于世人面前。德国地质学家Bischof清醒地认识到低温水溶液作用与岩石、矿床形成的内在联系,为此他花费了大量心血研究了与天水或其它低温作用有关的矿物变化,认为“火成论”者低估了这种表生作用。此外他还支持广为人知的侧分泌理论,是第一个清晰、全面阐述这种理论的地质学家,在他的鼓励建议下,Sandberger将之发扬光大。Sandberger认为现行形理论不能充分解释矿脉的许多现象,决定对矿脉围岩做详细分析。为此他花费了9年时间,发现几乎所有的在矿脉中存在的金属和稀有元素在围岩中都有显示。进一步调查发现,金属主要存在于辉石、云母、角闪石等黑色基性硅酸盐中;长石则提供了脉石矿物,显然他的调查结果强烈支持侧分泌理论,围岩能提供矿脉所需任何成矿物质。有支持者就有反对者,弗莱堡矿业学院的Stelzner就是强烈反对者之一,他认为围岩中的金属及其它元素也可以由深部与岩浆有关热液通过裂隙带入围岩,并通过矿石山某矿床实例反驳了这一观点。不管人们对侧分泌理论持何种意见,就其本身而言,它无疑促进了成矿理论的发展。

Von Cotta是Stelzner的前任,是19世纪中期最为权威的矿床地质学家之一,他也坚持岩浆-水溶液成矿理论,做了大量实地工作后得出结论,运用单一成矿理论解释矿床形成几乎是不可能的,矿脉以不同形式充填于裂隙,要根据具体环境具体分析。他还认识到矿床随深度分带现象,来源于深部岩浆作用的热液,必然由于温度、压力的变化出现不同的成矿阶段,因此在不同的深度上会出现不同的金属分带,例如某矿区最上部为金,向下过渡为铅,再向下则为铜。矿床常常受到强烈的剥蚀作用,使表生矿床被剥蚀殆尽,原本埋藏于深部的矿脉出露于地表,只有近期形成的表生矿床才有可能保留下来。

如果说16-18世纪撒下了地质的种子,19世纪则鲜花盛开,仿若地球进入了寒武纪,迎来了生命大爆发。若想完美解释地质现象,需要物理化学等理论作为基础,因此地质成为一门科学晚于物理,几乎与化学同步,地质直到18世纪末才有了自己的名字,就像石猴被称之为孙悟空,才有机会遁天入地,大闹天空。矿床学脱胎于矿物学与岩石学,早期单独研究矿床的地质名家少之又少,“水火之争”使得大量地质人员投身于岩石学研究,矿石作为一种特殊岩石,受到特别垂青,进而不断发展壮大。矿床发展至此,大多数现代成矿理论业已出现,接下来有关矿床的大部分工作将涉及对这些早期假说的阐释或更明确的定义,迎来以实地检查为手段的验证时期。

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