矿物形成条件与形成标志

二、矿物形成条件与形成标志

矿物是地壳中化学元素存在的唯一形式，也是地壳中地质作用的结果。不同的地质作用的物理化学环境与条件是不相同的，所形成的矿物种类则有明显的区别。即不同的地质条件则形成不同种的矿物，而不同种矿物的出现与存在则反映其经历的不同环境与条件。即使同一种矿物当形成于不同的地质环境时也会留下不同的特征，这些特征则构成了人们识别、分析、研究其形成历史的证据。

（一）矿物形成条件

从上述矿物形成的地质作用中可知，影响和决定矿物形成的主要物理化学条件有温度、压力、组分浓度、介质的酸碱度和氧化还原电位等。其特点如下：

1.温度

温度是影响和决定矿物形成的主要因素之一，它决定着质点动能的大小。只有质点的动能适应某种矿物的晶体结构时才能导致矿物晶体的形成与生长，即每种矿物都有自己确定的结晶温度，并且在一定的温度、压力范围内稳定存在。如常压下，SiO₂当温度低于573℃以下则形成α－石英晶体；当温度高于573℃以上则形成β－石英晶体，并且在573～870℃范围内可稳定存在。

2.压力

压力也是影响和决定矿物形成的主要因素之一，地壳中的压力是随深度而增加的。高压下形成的矿物往往出现在地下深处。形成的矿物特点是质点堆积密度大，配位数高，密度值较大。如金刚石形成于10GPa压力下。另外，压力对温度起到一定制约作用，如常压下α－石英晶体，在573℃以上可转变为β－石英晶体；在3GPa压力下，α－石英晶体只有在644℃以上才能转变为β－石英晶体。此外，在定向压力下则有利于片状或柱状矿物的形成与生长。如变质岩中压力可使角闪石和云母晶体呈定向生长与排列。

3.组分浓度

矿物的形成只有在溶液浓度达到过饱和时才能结晶生长。自然界大部分的矿物晶体是在溶液或熔体中形成的。一种矿物的形成必须要求溶液或熔体中的组分浓度要达到结晶需求，否则该矿物无法生成或导致消失。例如，在基性岩浆结晶的晚期，岩浆熔体中CaO的浓度越来越低；而K₂O的浓度则不断增加，导致岩石中角闪石的数量越来越少，甚至消失；而黑云母则数量会越来越多，最终占了暗色矿物的主体。

4.介质的酸碱度（pH值）

在沉积地质作用中，介质的酸碱度对矿物种类的形成与稳定存在起着决定性的作用。例如赤铁矿形成介质条件的pH值为6.6～7.8；白云石形成的介质条件pH值为8～9。如ZnS在碱性热液中形成闪锌矿；在酸性热液中形成纤锌矿等。

5.氧化还原电位（Eh值）

当溶液中出现有大量的过渡型元素的离子时，这些离子的电价会因环境的氧化还原电位（Eh值）而改变，因而会影响含有这些离子矿物的形成与稳定。如Mn元素在强氧化环境下呈Mn⁴⁺，形成矿物软锰矿（MnO₂）；在还原环境下呈Mn²⁺，形成矿物硫锰矿（MnS）。同样Fe元素在强氧化环境下呈Fe³⁺，形成矿物赤铁矿（Fe₂O₃）；在还原环境下呈Fe²⁺，形成矿物黄铁矿（FeS₂）。

一般在强氧化表生条件下，过渡型元素的离子呈高电价在溶液中出现，常形成氧化物、氢氧化物、硫酸盐等矿物；在内生或变质条件下，过渡型元素的离子呈低电价在溶液中出现，常形成硫化物、硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐等矿物。

在地质作用中，矿物的形成及稳定存在常是各种外界物理化学因素综合作用的结果。只不过在不同的地质作用中，这些物理化学条件对矿物的形成与影响有主次之别。如在第一节中所述，内生作用中主要是组分浓度与温度对矿物的形成起主导决定作用；外生作用中主要是氧化还原电位（Eh值）与介质的酸碱度（pH值）对矿物的形成起主导作用；区域变质作用中主要是压力与温度对矿物的形成起主导作用。

（二）反映矿物形成条件的标志

矿物是在地质作用中的一定物理化学条件下形成与稳定存在的，因此在矿物身上则体现了形成环境的制约与影响。虽然形成矿物的地质作用大部分都是过去发生的，人们无法直接观察到形成环境与条件，但人们可以利用矿物身上特定的特征去研究分析其形成环境。而矿物这些特定的特征则构成形成条件的标志。能反映矿物形成环境的标志比较多，其主要如下：

1.标型矿物

只是在特定的地质环境中形成的矿物或具有单一独特成因的矿物被称为标型矿物。因此，标型矿物本身则构成成因上标志。如霞石、白榴石则为碱性火山岩的特有矿物；蓝闪石为低温高压变质作用，即板块构造缝合带的特有矿物；辰砂、雄黄、雌黄为低温热液矿床的标志矿物。这些矿物因具有特殊的成因则构成标型矿物。

2.标型特征

形成于不同地质时期和不同地质作用条件下，形成在不同地质体中的同一种矿物，在其成分、精细结构、晶形和物理性质等方面存在有一定程度的差异，这种差异具有明显的特征可作为成因上的标志者，被称为矿物标型特征。矿物标型特征主要包括：

（1）成分标型。主要反映在矿物化学成分中的主、微量元素量比上的差异，类质同象替换差异，矿物中不同水的性质及含量等随形成环境条件不同而呈现出的差异等等。例如黄铜矿，当形成温度大于200℃，成分中主量元素（Cu+Fe）/S＞1，反映出形成温度高时，成分中硫不足；当形成温度小于200℃，成分中（Cu+Fe）/S=1，反映出形成温度低时，成分中硫满足矿物组成要求。再如锡石，不同成因的微量元素Nb/In比值差异较大：产于伟晶岩中的锡石，形成温度在600℃左右，其Nb/In比值10000；产于高温热液石英脉中的锡石，形成温度在500～350℃左右，其Nb/In比值300；产于锡石－硫化物矿床中的锡石，形成温度在350～125℃左右，其Nb/In比值5，反映出随形成温度的降低，微量元素Nb急剧降低。

（2）结构标型。主要反映在微观结构方面，包括晶胞参数、离子配位、多型性、离子有序度等随形成环境条件不同而呈现的差异。如产于金伯利岩中与金刚石共生的镁铝榴石的a₀值要比产于其他成因的镁铝榴石的a₀值要大。在离子配位方面，如普通角闪石晶体结构中呈四次配位和六次配位的Al在不同条件下有不同的分布规律：在压力不变的条件下，四次配位的Al随结晶温度的升高而增加；在温度不变的条件下，六次配位的Al随压力的升高而增加。在变质岩中，可利用普通角闪石晶体结构中呈四次配位和六次配位的Al这个规律来确定岩石的变质程度，划分变质相。另外，离子的有序度是温度和结晶速度的函数，一般高温结晶或快速结晶的晶体有序度低；低温结晶或缓慢结晶的晶体有序度高。如堇青石晶体结构中，晶体有序度高者为区域变质成因；晶体有序度低者为热接触变质成因。

（3）形态标型。主要反映在同一种矿物的晶体形态、结晶习性、晶体的大小、双晶类型、接合面及集合体的结合规律等方面随形成条件不同而呈现的差异。从矿物的形态一节可知，矿物的形态是内部化学成分、晶体结构与外界环境条件共同作用的体现。形态上则体现着形成环境的影响。如锆石晶体，当产于碱性岩或偏碱性花岗岩中，其晶体上｛111｝单形特发育，而｛110｝或｛100｝不发育，整个晶体呈双锥状；当产于酸性花岗岩中，其晶体上｛111｝与｛110｝或｛100｝均发育，整个晶体呈锥柱状；当产于基性岩、中性岩或偏基性花岗岩中，其晶体上｛110｝或｛100｝单形特发育，而｛111｝不发育，整个晶体呈柱状。再如刚玉晶体，当产于贫Si的正长岩、斜长岩中时，呈长柱状和近三向等长发育的晶形；当产于富Si的花岗质片麻岩中时呈板状。

（4）物性标型。主要反映在矿物的颜色、条痕、光泽、硬度、相对密度、发光性、磁化率等物理性质方面随形成环境条件不同而呈现出的差异。如产于变质岩中的普通角闪石，沿c轴方向的颜色随结晶温度的升高，由蓝绿色变为绿色，再变为褐色。

总之，矿物的标型特征对于实际应用具有重要意义，例如人们利用镁铝榴石的颜色可以判断金伯利岩的含金刚石特征。一般镁铝榴石呈紫色的金伯利岩含金刚石矿多；镁铝榴石呈橙色的金伯利岩含金刚石矿少。

3.矿物包裹体

矿物在生长的过程中所捕获的被包裹在晶体内部的外来物质被称为包裹体。包裹体在矿物中的大小、形状不一。按形态可分为固态、液态或气态。按形成时间可分为原生包裹体和次生包裹体。其中原生气液包裹体对研究矿物形成时的物理化学条件最为重要。因为原生气液包裹体与主矿物是在同一环境下形成的，测定这些包裹体的均一化温度、压力、含盐度、成分、pH值、Eh值等可以确定主矿物的形成物理化学条件。

4.矿物的生成顺序和世代

（1）矿物的生成顺序。自然界各个地质体中的矿物既可以同时期生成，也可以不同时期生成。矿物在生成时间上的先后次序被称为矿物的生成顺序。确定矿物生成顺序的标志有：

①穿插关系。一矿物穿过一个或几个矿物，被穿插者生成早。

②包围关系。一种矿物被另一种矿物部分或全部包围，被包围者生成早。

③交代关系。一种矿物被另一种矿物所交代，被交代者生成早。

④自形程度。一般晶体自形程度高的矿物生成早，晶体自形程度差的矿物生成晚。

⑤空间位置。一般在地质体边缘的矿物生成早，位于地质体中心部分的矿物生成晚。例如晶洞、皮壳状构造中，都是外部矿物生成早，位于中心部分矿物生成晚。

（2）矿物世代。同种矿物在生成时间上的先后关系被称为矿物的世代。不同世代的同种矿物由于具有时间间隔，而在形成环境与条件上发生了变化，导致其化学组成中的微量元素、混入物、晶体的形态与物理性质等方面均有差异。例如我国某地热液矿床中的萤石出现有三个世代，其特征见表10－2。

表10－2　某地不同世代萤石特征对比（据潘兆橹，1993）

5.矿物的共生组合

在自然界，一个地质体的发育要经历很长的时期，也可在这个时期内发育几个阶段。在空间上能够共同存在的同种或不同种矿物，不论生成的时间关系，这些矿物则被称为矿物组合。

同一成因、同一成矿期或成矿阶段所形成的矿物被称为矿物共生。彼此共生的矿物被称为共生矿物。共生矿物可以同时生成或由同一成矿溶液依次结晶而成。反映一定成因的共生矿物组合被称为矿物共生组合。如含金刚石的金伯利岩中，金刚石、橄榄石、金云母、铬透辉石、镁铝榴石的矿物组合关系为矿物共生组合关系。

矿物的共生组合关系不是偶然的，它是由组成矿物化学元素的性质和地质作用过程中的物理化学条件所决定的。因此，在所有地质作用的过程中都可形成特定的矿物共生组合关系。如铬铁矿与橄榄石、斜方辉石则构成超基性岩特有的矿物共生组合关系；黄铜矿、方铅矿、闪锌矿与石英则组成中温热液成矿阶段特有的矿物共生组合关系等。矿物的共生组合关系不仅提供了人们研究地质体发育历史的证据，在研究其成因方面具有重要意义。而且可以利用其关系，认识、鉴定矿物及在开展寻找与研究有关矿床等方面的工作中具有重要的指导作用。

不是同一成因、不是同一成矿期或成矿阶段所形成的矿物被称为矿物伴生。彼此伴生的矿物被称为伴生矿物。如在含铜硫化物矿床氧化带中常见有黄铜矿与孔雀石、蓝铜矿呈伴生出现，因为它们不是同一成矿作用下的产物。

矿物的伴生可以出现化学成分上的继承关系，也可以无此关系。