形成矿物的地质作用

形成矿物的地质作用_结晶矿物学

一、形成矿物的地质作用

矿物的形成必然受到一定地质作用过程中所处物理化学条件的制约，所以形成矿物的作用是根据地质作用的性质和能量来划分的，一般按作用特点分为三种，即内生作用、外生作用、变质作用。

（一）内生作用

内生作用一般指与地壳深部岩浆活动有关的作用过程。形成矿物的物质和能量均来源于地球内部。物质来自于地幔和地壳，能量来源于放射性元素的衰变能、地球的重力能、地幔及岩浆的热能等。内生作用包括有岩浆作用、伟晶作用、气化－热液作用、火山作用等。

1.岩浆作用

岩浆是成分比较复杂的硅酸盐熔体，主要由O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K等元素组成。此外，还含有少量的挥发分和一些金属元素，其中O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K占90％左右；挥发分占8％～9％，其中主要为H₂O，次要为CO₂、H₂S、Cl、F、B等；其他部分占1％～2％，主要为一些重金属，包括Cr、Ti、V、Ni、Pt、Pd、W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Hg、Sb等，这些元素在一定的条件下会富集形成工业矿床。

岩浆作用为在地壳深处高温（600～1000℃）和高压（5～20）×10⁸Pa下的结晶作用。在岩浆作用中，元素的结晶顺序主要受质量作用定律和能量状态支配，一般按Mg－Fe－Ca－Na－K的顺序析出。形成的矿物顺序为早期生成镁铁的硅酸盐矿物，如橄榄石、斜方辉石；中期生成含钙的硅酸盐矿物，如基性斜长石、单斜辉石、普通角闪石等；晚期主要生成钾和钠的硅酸盐矿物，如酸性斜长石、钾长石、黑云母、白云母等；最后可形成石英。这些矿物都是岩浆岩的主要组成矿物，所以又称它们为造岩矿物。

岩浆由于来源的差异，导致成分差别较大。岩浆岩按其中SiO₂的含量可分为超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩和碱性岩，各岩石SiO₂的含量、矿物组成及有关工业矿物组成见表10－1。

2.伟晶作用

在地质作用中形成伟晶岩及其有关矿物的作用被称为伟晶作用。伟晶作用的形成条件为温度400～700℃，压力（1～3）×10⁸Pa，形成深度为地表下3～8km之间。

表10－1　各类岩浆岩的矿物组成特点

伟晶作用过程中，形成的矿物特点是晶体颗粒粗大；矿物成分中富含挥发组分；稀有元素明显富集，可形成稀有元素、放射性元素矿床；白云母结晶巨大。

伟晶作用形成的岩石被称为伟晶岩，一般分为岩浆伟晶岩和变质伟晶岩。

岩浆伟晶岩是在岩浆结晶晚期，熔体中剩余的SiO₂、K₂O、Na₂O及富含的挥发组分、稀有元素组分、放射性元素组分在外压大于内压的封闭条件下缓慢地结晶，在已形成的岩浆岩的顶部生长成由粗大矿物晶体构成的脉状岩体，矿物常具有文象结构（钾长石和石英形成的规则连生体）和带状结构。几乎所有侵入岩都有自己相对应的伟晶岩类型，如花岗伟晶岩、碱性伟晶岩、基性伟晶岩等，其中工业价值最大最有重要意义的为花岗伟晶岩和碱性伟晶岩。

这两类伟晶岩中富集大量挥发组分和稀有、放射性元素组分，主要的组成矿物除长石、石英、白云母外，还含有锂辉石、锆石、铌铁矿、褐钇铌矿、磷铈镧矿等稀有、放射性元素矿物和许多宝石矿物，如绿柱石、电气石、黄玉、水晶等。

变质伟晶岩是混合岩化晚期阶段伟晶岩化作用的产物，属于变质岩范畴。

3.气化－热液作用

从气水溶液到热水溶液的过程中发生矿物结晶的作用被称为气化－热液作用。

自然界的气化－热液主要包括有岩浆期后热液、火山热液、变质热液、地下水热液等。但意义最大最重要的是岩浆期后热液。该热液是岩浆结晶过程中，剩余的以H₂O为主的含有多种金属元素及大量挥发组分，随着温度的下降，从气水溶液变成热水溶液。热水溶液在向周围渗透和运移的过程中常与围岩发生化学反应，在一定的环境与条件下，其所携带的金属元素会结晶而沉淀下来。

气化－热液中携带的金属元素主要有Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Fe、Co、Ni等；非金属元素主要有B、F、Cl、O、S等。形成的矿物主要是硫化物、氧化物矿物，次要为含氧盐矿物。

气化－热液作用按形成温度可分为三个阶段：

（1）气化－高温热液阶段。该阶段形成温度在500～300℃之间，其中温度高于374℃被称为气化作用，形成压力变化比较大。这个阶段中主要形成的由高电价、小半径的阳离子组成的氧化物、硫化物和含氧盐矿物，主要形成由W－Sn－Mo－Bi－Be－Fe元素组成的矿物组合，形成的金属矿物主要有黑钨矿、锡石、辉钼矿、辉铋矿、磁黄铁矿、毒砂等；非金属矿物主要有石英、云母、黄玉、电气石、绿柱石、萤石等，相应的围岩蚀变主要是云英岩化。

（2）中温热液阶段。该阶段形成温度在300～200℃之间，形成压力不大。这个阶段由于H₂S的溶解度增大，溶液中硫离子浓度增加，形成硫化物的比例增加。主要形成由Cu－Pb－Zn－Fe的元素组成的矿物组合，形成的金属矿物主要有黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、自然金等，一些分散元素如Ga、In、Tl、Ge、Se、Te等主要进入上述硫化物中；非金属矿物主要有石英、萤石，次要有方解石、白云石、菱镁矿、重晶石、萤石等。相应的围岩蚀变主要是绢云母化、绿泥石化、硅化等。

（3）低温热液阶段。该阶段形成温度在200～50℃之间，形成压力比较小。其热液来源比较复杂，地下水热液和变质水热液占了主体。主要形成由As－Sb－Hg－Ag的元素组成的矿物组合，形成的金属矿物主要有雌黄、雄黄、辉锑矿、辰砂、自然银等；非金属矿物主要有石英，次要有方解石、蛋白石、重晶石等。相应的围岩蚀变主要是高岭土化、绢云母化、绿泥石化、硅化、明矾石化、蒙脱石化、伊利石化、沸石化等。

4.火山作用

当地壳深部的岩浆沿地壳脆弱带上升到近地表或直接溢出地面或喷向空气中的作用被称为火山作用，这个作用是一种特殊的岩浆作用，所形成的岩石被称为火山岩。包括有火山熔岩和火山碎屑岩。

火山岩的形成环境与条件为高温、低压、高氧，以缺少挥发组分为特征。形成的矿物组合主要包括高温相的β－石英、透长石、正长石、白榴石、赤铁矿等，这些矿物多数呈斑晶出现。而基质主要是隐晶质矿物及火山玻璃。岩石常发育有气孔和流纹构造。

当火山热液充填或交代火山岩的气孔可形成杏仁状构造。形成的充填矿物有沸石、蛋白石、方解石、自然铜等。火山口周围由喷气凝华作用常形成自然硫、雄黄、石盐等矿物。

当岩浆侵入近地表（深度1～2km）则结晶形成次火山岩，如玢岩类。可形成铜铁多金属矿床，如我国长江中下游的铜铁矿床则与次火山岩有关。

（二）外生作用

发生在地表的地质作用被称为外生作用。它主要发生在常温、常压下，由太阳能、水、大气和生物等作用下形成的地质作用。主要包括有：

1.风化作用

原生矿物、岩石暴露在地表或近地表，在太阳能、水、大气和生物等作用下发生了化学分解和机械破碎，在新的条件下形成稳定的矿物岩石的过程被称为风化作用。按风化的特点不同可分为物理风化、化学风化和生物风化。

矿物抵抗风化的能力是各不相同的，主要取决于矿物的化学组成、化学键和晶体结构。一般具有层状结构、含水及变价元素的矿物比较容易风化；硫化物、碳酸盐矿物较容易风化；硅酸盐、氧化物矿物比较稳定；自然元素矿物最稳定。

在风化作用下，一般被风化的矿物元素组分中，易溶的组分K、Na、Ca等进入溶液进行迁移，而难溶的组分如Si、Al、Fe、Mn等则残留在地表，形成氧化物、氢氧化物矿物，如褐铁矿、硬锰矿、铝土矿、高岭石等，这些矿物在地表大面积分布时则形成“帽”，如铁帽、锰帽等。

金属硫化物矿床的矿物最容易遭受风化作用，它们在风化条件下可形成垂直带状分布特征，从地表向地下依次分为氧化带、次生硫化物富集带和原生硫化物带。各带特征如下：

氧化带主要分布于地表，硫化物矿物在水和氧化作用下形成可溶性的硫酸盐被淋滤，而铁、锰硫化物容易被氧化形成氧化物或氢氧化物矿物残留地表而构成铁、锰帽。

次生富集带是硫化物矿物遭受氧化及淋滤所形成的可溶性金属硫酸盐渗透在地下水面上，在还原条件下与原生硫化物及围岩发生化学反应，形成次生硫化物带，这个作用可以增加一些金属的总量。

原生硫化物带分布在地下，没有被氧化改造的硫化物矿物带。

现以硫化物矿床的黄铜矿为例，说明这一风化过程：

（1）CuFeS₂（黄铜矿）+O₂→Cu［SO₄］+Fe［SO₄］

（2）2Cu［SO₄］+CO₂+H₂O→Cu₂［CO₃］（OH）₂（孔雀石）+2H₂［SO₄］

（3）Fe［SO₄］+2H₂［SO₄］+O₂→2Fe₂［SO₄］₃+2H₂O

（4）Fe₂［SO₄］₃+4H₂O→2FeO（OH）（针铁矿）+2H₂［SO₄］

（5）2Cu［SO₄］+Ca［CO₃］+H₂O→Cu₂［CO₃］（OH）₂（孔雀石）+2Ca［SO₄］（硬石膏）+CO₂

（6）3Cu［SO₄］+2CO₂+4H₂O→Cu₃［CO₃］₂（OH）₂（蓝铜矿）+3H₂［SO₄］

（7）14Cu［SO₄］+5FeS₂（黄铁矿）+12H₂O→7Cu₂S（辉铜矿）+5Fe［SO₄］+12H₂［SO₄］

（8）Cu［SO₄］+ZnS（闪锌矿）→CuS（铜蓝）+Zn［SO₄］

在自然界，物理风化、化学风化和生物风化三种作用是相互联系、相互促进、相互影响的。一般物理风化使矿物发生机械破碎而变成碎屑，但这个过程可以促使化学风化、生物风化的进行，也可促使新矿物的形成。

2.沉积作用

矿物岩石在遭受风化作用后所形成的产物，除了少部分残留在原地外，大部分被搬运并在新的地方沉积下来，形成另一种矿物或矿物组合，这个作用被称为沉积作用。沉积作用主要发生在河流、湖泊、海洋中。依据沉积方式可分为：

（1）机械沉积。在风化条件下，物理和化学性质稳定的矿物被流水、风等营力搬运时，当水流速度或风速的降低则导致矿物按颗粒大小、密度高低等发生分选而沉积形成砂岩或砾岩。一些矿物在适当环境下可促使其富集而形成砂矿，如砂金、金刚石等砂矿。机械沉积作用一般不形成新矿物，主要是矿物的分选与再沉积。

（2）化学沉积。在风化作用中被分解的矿物成分溶于水中形成溶液被运移到内陆湖泊、封闭或半封闭的泻湖或海湾等地方，如遇气候干旱炎热，水分不停蒸发，溶液浓度增加到过饱和程度时，则发生结晶作用，形成了卤化物、硫酸盐、硝酸盐、硼酸盐、碳酸盐等一系列易溶的盐类矿物，如在盐湖中结晶的矿物有石膏、硬石膏、石盐、钾盐、光卤石等。

（3）胶体沉积。一些溶解度低的化合物如金属氧化物或氢氧化物则形成胶体溶液被运移到内陆湖泊、封闭或半封闭的泻湖或海湾等地方时遇到电解质的作用而发生沉积，形成铁、锰、铝、硅等胶体氧化物或氢氧化物隐晶质矿物，如赤铁矿、铝土矿、软锰矿、硬锰矿等。这些矿物常呈胶体矿物形态。

（4）生物沉积。为生物作用的结果，常为生物的骨骼和遗骸堆积而成。因为生物在其生活和活动的过程中，从周围介质中吸收有关元素和物质，当这些生物死亡后，其遗体堆积可形成有关矿物，如硅藻土、方解石等。由于生物的生理活动产生了大量的CO₂、H₂S、NH₃等气体，影响了环境和介质的酸碱度、氧化还原条件，加速了对有机体的作用，形成了一些特殊矿物，如琥泊、磷灰石、铀矿等。另外，这个过程也形成了大量的能源矿物资源，如煤、石油、天然气等资源。

（三）变质作用

由于外部条件发生了变化，对地壳中已形成的矿物岩石进行重新改造或改变的地质作用被称为变质作用。这种作用是在固态条件下发生的，按发生的原因和形成的物理化学条件可分为接触变质作用和区域变质作用。

1.接触变质作用

接触变质作用是一种热改造作用，常发生在岩浆侵入体与围岩的接触带上。按侵入体与围岩之间有无化学成分交换可分为热接触变质作用和接触交代变质作用。

（1）热接触变质作用，简称热变质。为岩浆侵入体与围岩接触时，围岩受高温的作用引起矿物发生重结晶的作用，如灰岩重结晶颗粒变粗形成大理岩；或生成与围岩成分有关的新矿物。由于化学成分和温度的高低不同，形成的矿物种类与组合也不同，如泥岩低温时形成红柱石；中温时形成堇青石、石榴石、白云母组合；高温时形成夕线石、正长石、刚玉、石墨等组合。

（2）接触交代变质，又称夕卡岩化作用。为岩浆侵入体与围岩，主要是碳酸盐接触时，岩浆侵入体成分与围岩组分之间发生一系列交换作用，形成一系列Mg、Ca、Fe硅酸盐新矿物。其形成温度在600～400℃之间，形成的岩石被称为夕卡岩。同时在交代的晚期出现有热液交代作用，其形成温度在400～200℃之间，形成Fe、Cu、W、Mo、Zn、Pb、B等其他金属矿物，并构成夕卡岩型矿床。

按围岩的组分不同可分为镁质夕卡岩和钙质夕卡岩，其特点如下：

①镁质夕卡岩。为岩浆在深成条件下与白云岩或白云质灰岩接触所发生的夕卡岩化作用。早期形成镁橄榄石、尖晶石、透辉石、镁铝石榴石、磁铁矿等矿物组合；晚期可形成硅镁石、斜硅镁石、蛇纹石、金云母等矿物组合。

②钙质夕卡岩。为岩浆在浅成条件下与灰岩接触所发生的夕卡岩化作用。早期形成的主要有钙铁石榴石、钙铁辉石、透辉石、钙铝石榴石、硅灰石、方柱石、符山石等矿物组合；晚期可形成透闪石、阳起石、绿帘石、绿泥石、方解石等矿物组合。

有时这两种夕卡岩可叠加在一起，造成的矿化作用也特别强烈，常形成规模不等夕卡岩型金属矿床。

2.区域变质作用

伴随着大规模区域构造运动导致已形成的矿物岩石发生改组而形成新矿物的地质作用被称为区域变质作用。区域变质作用形成新矿物的条件为高温、高压及以H₂O、CO₂为主要活动组分的流体参与。

按温压条件的不同可分为高、中、低三级区域变质作用，矿物的组合特征取决于原岩的化学成分和变质的条件：

低级变质作用的形成条件为低温低压。形成的矿物组合主要为白云母、绿帘石、阳起石、蛇纹石、滑石、绿泥石和黑云母等含（OH）的硅酸盐，形成的岩石主要为绿片岩类。

中级变质作用形成条件为中温中压。形成的矿物组合主要为角闪石、斜长石、石英、石榴石、透辉石、绿帘石和黑云母等硅酸盐，形成的岩石主要为斜长角闪岩类。

高级变质作用形成条件为高温高压。形成的矿物组合主要为正长石、斜长石、堇青石、夕线石、辉石、橄榄石、刚玉和尖晶石等不含（OH）的硅酸盐，形成的岩石主要为变粒岩类。

区域变质作用形成的矿物一般随变质作用增强，一方面向减少或不含（OH）的方向发展；另一方面向体积小，密度大的矿物转化。在定向压力下，柱状和片状矿物呈定向排列，使岩石具有片状或片麻状构造。

总之，地质作用是地壳发展变化过程中各种因素条件的综合体现，上述的这些作用并不是孤立或断然分开的，往往是一起共同作用在矿物上。