地球矿产资源及其形成作用（24）
胡经国
第八章成矿作用
一、成矿作用的基本概念
㈠、成矿作用的定义
成矿作用（Mineralization），即矿产资源的形成作用，是指在地球演化过程中，使分散在地壳和上地幔中的化学元素，在一定地质环境中相对富集而形成矿床的作用过程。成矿作用是地质作用的一部分。因此，成矿作用和其它地质作用一样，按作用的性质和能量来源可以分为内生成矿作用、外生成矿作用和变质成矿作用，相应地形成内生矿床、外生矿床和变质矿床。
㈡、成矿流体的定义
成矿流体是指成矿物质的载体。它既能汲取、溶解、包含各类成矿物质，又能将其运移、输导到有利的构造－岩石空间而富集成矿。
㈢、矿床形成的基本因素
矿床的形成必须具备三个基本因素，即成矿物质来源、成矿环境和成矿作用。因此，在一个比较完整的矿床分类中，应该包括这三个基本因素。在这三个基本因素中，成矿作用是划分矿床成因类型的首位因素。因为，不管成矿物质来源如何，它们总是要通过一定的成矿作用才能形成千差万别的矿床的。成矿环境是基本因素，影响着矿床的产生和分布。成矿物质来源是重要因素，是矿床形成的必要条件。
二、元素富集成矿的条件和方式
㈠、元素富集成矿条件
元素能否富集成矿主要取决于以下三个方面的条件：
1、元素丰度
化学元素在一定自然体系（通常为地壳）中的相对平均含量，称为元素丰度。按照不同自然体系计算出来的元素丰度有地壳元素丰度、地球元素丰度、太阳系元素丰度和宇宙元素丰度等。研究地球及其各圈层的元素丰度，是地球化学的一个重要领域。
国际地质学会将地壳元素丰度命名为克拉克值。克拉克值（ClarkeValue）是指各种元素在地壳中的平均含量的百分数。具体表示时，可以用质量克拉克值，也可以用原子克拉克值。
一般说来，丰度值高的元素在地壳中比较容易富集成矿，并且能够形成数量众多、分布广泛、规模巨大的矿床。例如，铁矿、铝土矿、石灰岩和盐类矿床等，其中的成矿元素只要富集几十倍就可以形成大型高品位矿床。
2、元素的聚集能力
元素富集成矿的可能性，并不完全取决于元素克拉克值的高低，还决定于元素的地球化学性质。聚集能力强的元素易于成矿；反之就不易成矿。例如，金的克拉克值相当低，为0.004ppm（百万分之0.004），但是由于它具有较强的聚集能力，因而在地壳中常有大型金矿产出。
3、成矿地质条件
矿床不是偶然地产在地壳内的，而是在有利地质环境、一定阶段的特定物理－化学条件下的产物。因此，元素能否富集成矿与成矿地质条件密切相关。
㈡、元素成矿方式
在成矿作用过程中，成矿元素绝大部分是呈固体矿物出现的，但是也有一些成矿元素呈气体、液体产出。在自然界中，元素聚集形成矿石矿物的方式多种多样。其中，主要有：结晶作用、化学作用、交代作用、离子交换作用及类质同象置换作用等。
1、结晶作用
结晶作用包括：熔融状态的岩浆因温度、压力的变化，使矿物从中结晶出来；气体物质因条件改变而结晶为固体的凝华；含矿溶液因蒸发作用而结晶出矿物等多种形式。
2、化学作用
一些矿物由化学反应生成。根据不同化合物的化学反应，又可以分为化合作用、胶体化学作用、生物化学作用三种形式。
3、交代作用
交代作用实质上也是一种化学作用，在各种地质条件下都可以发生，是一种特殊的地质作用。所谓交代作用是指溶液与岩石在接触过程中，发生了一些组分带入和另一些组分带出的地球化学作用．因此又称为置换作用。
4、离子交换及类质同象置换作用
离子交换成矿方式，在内生作用和外生作用中都广泛存在，尤其在许多稀有元素矿床和分散元素矿床形成过程中占有重要地位。例如。岩浆中铌铁矿（或铬铁矿）的生成过程：2Na(Nb,Ta)O8+Fe硅酸盐通过离子交换形成Fe(Nb,Ta)2O8+2Na硅酸盐。
三、成矿流体
㈠、成矿流体来源
在现代地质环境中，能够获得或集中最大量水体的环境是大气降水环境、沉积盆地及海洋环境。这些不同环境来源的水也都不同程度地参与了成矿作用。岩浆作用和变质作用也会带来丰富的热水流体；而且岩浆和变质作用带来的热能对成矿作用的发生具有更重要的意义。
1、大气降水
大气降水是地表水蒸发再降落于地面的水。在地表，大气降水的活动能量很强。它直接参与表层岩石的风化、侵蚀、迁移、分散或富集成矿。在大气降水渗入地下之后，将与渗透路径上岩石发生一系列水岩反应，或与其他流体混合，而逐渐演化为不同成分、不同物理化学性质的流体溶液。
2、海水
海洋面积约为3.6亿平方公里，占地球表面积的71%以上；海水体积更为可观，约为1.35～1.37亿立方公里。矿床学研究表明，有许多成矿作用是在海洋中发生的，现代海底地热区仍然是重要的成矿区。因此，海水作为一种成矿流体来源具有十分重要的意义。
3、建造水
建造水是指沉积物沉积时含在沉积物中的水，因此又叫做封存水。这种水最初来自地表，与沉积物一起沉积。并且，它与矿物颗粒密切接触，长期埋藏于地下，与其周围的矿物发生广泛的水岩反应。因此，它能明显改变原有地表水的性质，在不同的赋存环境下表现出各自的特征，并且在氢氧同位素组成方面也与地表水不同。
4、岩浆热水
广义的岩浆热水是指所有与岩浆作用有关的热液，包括由岩浆液态不混溶作用分离出来的热液，和岩浆在结晶分异过程中形成的热液，也包括一些与岩浆达到同位素平衡的围岩中的热流体。岩浆热液是一种以水为主体，富含多种挥发分和成矿元素的热流体。
㈡、成矿流体主要成分
成矿流体的主要成分有：
水是最主要的组分；
Na、K、Ca、Mg、Sr、Ba、AI、Si等及Cl、F、SO4等；
溶解的气体有H2S、CO2及HCI等；
成矿元素主要为亲铜元素Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sn、Sb、Bi、Hg等，其次为过渡性元素Fe、Co、Ni等，以及W、Mo、Be、U、In、Re等元素；
其他微量元素有Li、Rb、Cs、Br、I、Se、Te等；
在气成热液成矿作用过程中，水、氧、硫、氯和二氧化碳的性状，特别是硫和氧的性状，对成矿作用的影响是相当重要的。
㈢、成矿流体化学性质
根据对气水热液矿床中主要矿物成分、围岩蚀变、矿物包裹体的研究，以及大量现代地热系统的实验成果，普遍认为，在气水热液成矿作用过程中，气水热液的化学性质是变化的。它随着温度、压力的降低，流经围岩性质的不同以及气水热液与围岩相互间的作用，气水热液与其他溶液的混合等因素的影响而发生变化。
气相中含有许多酸性组分（如HCI、HF、SO2等）。当酸性气体离开岩浆源向上移动时温度降低，并且使气水热液变为酸性液体；若与围岩反应（向热液中带入更多的碱金属组分），则可以变为碱性溶液，例如高温热液蚀变云英岩化。
柯尔仁斯基研究了岩浆期后阶段产生的矿物组合，划分出气水热液的早期碱性阶段及以后的酸性阶段和晚期的碱性阶段。
尽管气水热液的pH值在成矿作用过程中是有变化的，但是大多数化学反应是在中性、弱碱性和弱酸性环境中进行的。
关于气水热液的氧化－还原状态，根据矿床中主要矿物成分的分析，可发现Fe常比Fe（？）占优势，硫化物要比硫酸盐多得多，而As、Sb等也多以低价的As、Sb状态出现。因此，可以推论，在气水热液成矿作用中．多数情况是还原环境。
㈣、成矿流体运移、元素迁移与沉淀
1、成矿流体运移
成矿流体在地下运移的空间，主要有岩石在成岩过程中及成岩后由地质作用所形成的孔隙、孔洞、裂隙等。
2、成矿元素迁移形式
成矿元素在热液中的迁移形式主要有：卤化物、硫化物、易溶络合物、胶体等。
3、成矿元素的沉淀
含矿热液是一个非常复杂的多组分的天然系统。在通过岩石的孔隙、裂隙经过一定距离的迁移以后，环境的物理、化学条件（如温度、压力、pH值、氧化还原电位等）发生变化，或含矿热液与流经的各种不同成分围岩相互作用，或不同成分和性质的水溶液相互混合等，这些不仅使热液本身的性质和成分发生变化，而且会引起一系列化学反应，促使成矿元素发生沉淀。
㈤、成矿期、成矿阶段及矿物生成顺序
1、成矿期
⑴、成矿期的定义
成矿期是指在一个具有相同成岩成矿动力学背景和物理化学条件的较长时间地质作用中，形成矿床的成矿作用过程。
⑵、成矿期的划分
从宏观来看，根据成矿作用、成矿物理化学条件的不同，成矿期可以划分为岩浆成矿期、伟晶岩成矿期、气成热液成矿期、热水喷流－沉积成矿期、风化成矿期、沉积成矿期以及变质成矿期等。
⑶、多成矿期矿床
矿床的形成可以经历一个或多个成矿期。不同成矿期形成的矿物成分及其组合、结构构造、围岩蚀变，甚至矿体形态与产状等，都可能会有明显差别。早期形成的矿床、矿体可以被晚期的成矿作用叠加、改造、破坏和再富集。
2、成矿阶段
成矿阶段是指在一个成矿期内的一个较短的成矿作用过程，表示一组或一组以上矿物在相同或相似地质和物理化学条件下形成的过程。
在同一个成矿期内可以有一个或者多个成矿阶段。它们有一定的先后顺序。由于构造作用和物理化学条件的变化，因而早阶段的生成的矿物往往被后阶段生成的矿物穿插和交代。
3、矿物生成顺序
⑴、矿物生成顺序的定义
在同一成矿阶段中，不同矿物结晶的先后顺序，称为矿物的生成顺序。
⑵、一般情况下的矿物生成顺序
在一般情况下，矿物生成顺序符合能量降低的顺序，但是此顺序也可能受到其他因素如浓度、pH值、氧化还原电位的影响。
⑶、正常情况下的矿物结晶顺序
①、脉石矿物的结晶顺序
在正常情况下，脉石矿物的结晶顺序：首先是硅酸盐，然后是石英，最后是碳酸盐（如方解石）和硫酸盐类矿物（如天青石和硬石膏等）。
②、矿石矿物的形成顺序规律
矿石矿物的形成顺序也有规律，一般情况下：
首先形成高价离子的氧化物和含氧盐，如首先是黑钨矿、锡石、独居石、黄绿石、磁铁矿等结晶析出；
其次是铁、镍、钴、铜、铅、锌等二价元素的硫化物和砷化物形成，如磁黄铁矿、毒砂、黄铁矿、针镍矿、砷镍矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等；
再次为砷、锑的硫化物以及金、银的硒化物和硫化物。
四、成矿作用分类
㈠、成矿作用分类方案
1、一级分类
在成矿作用具体分类中，一级分类是和三大类地质作用对应的，即分为内生成矿作用（内生矿床）、外生成矿作用（外生矿床）、变质成矿作用（变质矿床）三大类。
2、二级分类
二级划分是按照在一定地质环境条件下的主要成矿作用系列来分类的，即分为以下10类：
岩浆成矿作用（岩浆矿床）
伟晶成矿作用（伟晶岩矿床）
接触交代成矿作用（接触交代矿床）
热液成矿作用（热液矿床）
火山成矿作用（火山成因矿床）
风化成矿作用（风化矿床）
沉积成矿作用（沉积矿床）
接触变质矿床
区域变质矿床
混合岩化矿床
3、三级分类
而三级分类则由于各类矿床形成环境的复杂性和成矿方式的多样性，很难采用一种统一的标准，因而根据各类矿床中的主要特征标志，或按成矿方式、或按含矿建造、或按成矿环境来加以区分，具有一定的灵活性。
㈡、内生成矿作用
1、内生成矿作用的定义
内生成矿作用主要是指由于地球内部热能的影响而导致形成矿床的各种地质作用。
2、内生成矿作用的热能来源
内生成矿作用热能的来源主要是放射性元素蜕变能、地幔及岩浆的热能、在地球重力场中物质调整过程中所释放出来的位能，以及表生物质及上部物质转入地壳内部在高压下发生变化（如脱水、矿物变化和矿物相变）过程中所释放的能量等。
3、内生成矿作用进行条件
内生成矿作用除了能到达地表的火山和温泉以外，都是在地壳内部不同深度、不同压力、不同温度和不同地质构造条件下进行的。
4、内生成矿作用的成矿流体
内生成矿作用有来自上地幔部分熔融产生的玄武岩浆和超基性岩浆、地壳硅铝层重熔产生的中酸性岩浆．以及大洋板块插人大陆板块下的地幔中熔融而产生的安山质岩浆。在它们上升冷凝过程中会发生相应的的成矿作用。
此外，还包括在地壳上部沉积盖层中，由于大气降水在地下深部环流过程中受热，溶解盖层中分散的有用元素，在有利地质环境中发生的成矿作用。
5、内生成矿作用分类
按物理化学条件的不同，内生成矿作用可分为：
⑴、岩浆成矿作用
在岩浆的分异和结晶过程中，有用组分聚集成矿，形成岩浆矿床。
⑵、伟晶成矿作用
富含挥发组分的岩浆，经过结晶分异和气液交代，使有用组分聚集形成伟晶岩矿床。
⑶、接触交代成矿作用
在岩浆岩体与围岩接触带上，由于气液的交代作用而形成接触交代矿床。
⑷、热液成矿作用
在含矿热液活动过程中，使有用组分在一定的构造、岩石环境中富集，形成热液矿床。
㈢、外生成矿作用
1、外生成矿作用的定义
外生成矿作用主要是指在太阳能的影响下，在岩石圈上部、水圈、大气圈和生物圈的相互作用过程中，导致在地壳表层形成矿床的各种地质作用。
2、外生成矿作用的能源
外生成矿作用的能源，主要是太阳辐射能；也有部分生物能和化学能；在有火山活动的地区，还有与之有关的深源热能的参与。
3、外生成矿作用进行条件
外生成矿作用基本上是在温度、压力比较低（常温、常压）的条件下进行的。
4、外生矿床成矿物质主要来源
外生矿床的成矿物质主要来源于地表的矿物、岩石和矿床、生物有机体、火山喷发物；部分可来自星际物质（陨石）。
⑴、地表岩石
地表岩石主要成分是铝硅酸盐（如长石、云母等），经风化分解可形成粘土矿物和盐类矿物。含铁硅酸盐（辉石、角闪石等）经风化分解出来的铁，是外生铁矿床的主要物质来源。
⑵、海底火山喷出物
除了大部分沉积矿床的物质来源主要来自大陆风化壳以外，少数矿床的物质来源可能是海底火山喷出物。例如，有些铁锰矿床，特别是前寒武纪的铁锰矿床，它们就与海底火山喷发活动有明显的关系。
⑶、生物有机体
此外，自元古代，特别是古生代以来，生物大量繁殖。它们吸收了土壤、水和空气中的各种无机盐类、CO2和H2O等，并且把它们转化为生物有机体内的碳氢化合物；在生物的骨骼、鳞甲及排泄物中也富集了某些元素。生物在死亡以后，其遗体大量聚集，在一定的条件下，即可分解成为各种矿产，如煤、石油、磷块岩、生物灰岩等。
5、外生成矿作用分类
外生成矿作用可分为：风化成矿作用、沉积成矿作用和生物化学能源成矿作用三大类。
根据成矿地质条件，可以再分为若干亚类，如：风化、机械沉积、蒸发沉积、化学沉积、胶体沉积与生物化学沉积等各种亚类（矿床类型）。
㈣、变质成矿作用
1、变质矿床的定义
在内生作用或外生作用过程中形成的岩石或矿床，由于地质环境的改变，特别是经过深埋或其他热动力事件，它们的矿物成分、化学成分、物理性质以及结构构造等都会发生改变（甚至使原来的矿床消失，如盐类矿床）。这种改变的结果，一种情况是可以产生某种有用矿物的富集而形成新矿床；而另一种情况则是使原矿床经过强烈的改造，成为具有另一种工艺性质的矿床。这些矿床都称为变质矿床。
2、变质成矿作用的定义
从本质上看，变质成矿作用是内生成矿作用的一种，但是这里所指的变质成矿作用不包括岩浆岩的自变质作用和岩浆气水溶液的交代作用，也不包括沉积物在成岩阶段或表生阶段的各种后生变化，而主要是指由于地球内力影响，使固态的岩石或矿石不经过熔融阶段而直接发生矿物成分和结构构造改变的各种作用。
3、变质成矿作用分类
按产生的地质环境不同，变质成矿作用可划分为：接触变质成矿作用、区域变质成矿作用和混合岩化成矿作用。
㈤、叠加成矿作用
1、叠加成矿作用的概念
叠加成矿作用是在一个地区内的不同地质历史演化阶段，由于不同的成矿作用在同一空间上叠加复合而产生的。事实证明，很多矿床尤其是大型矿床都不是在单一地质作用下形成的；而是由内生作用、外生作用与变质作用共同作用的结果。因此，叠加成矿作用实质上是一种复合的成矿作用，即在先期形成的矿床或含矿建造的基础上，又有后期成矿作用的叠加。
2、改造与新成矿物质的加入
叠加成矿作用不但对原来矿床或含矿建造进行了一定的改造．而且还有新的成矿物质的加入。例如，内蒙古白云鄂博超大型稀土－铁－铌矿床，就是在中元古宙裂谷环境形成热水沉积型含稀土的贫铁矿床的基础之上，又叠加了与加里东晚期岩浆热液有关的稀土－铌矿化，是一种叠加复合型矿床。
3、内生成矿作用对外生成矿作用的叠加
2020年3月27日编写于重庆
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