成因矿物学的核心矿物标型学说
成因矿物学的核心 —矿物标型学说
主要内容
1.成因矿物学研究内容与发展现状 研究内容 学科体系 发展现状 2.矿物标型学 矿物标型的概念 矿物组合标型的概念 标型矿物的概念 3.矿物标型特征 形态标型 成分标型 结构标型 物理性质标型 4.矿物标型的应用
在矿物岩石及矿床成因方面的应用 在找矿勘探方面的应用 在宝玉石鉴定方面的应用 在生态环境监测方面的应用 在人工晶体制备方面的应用 在人体健康方面的应用 在其他方面的应用
李 胜 荣
1.成因矿物学研究内容与发展现状
(1)研究内容
矿物与矿物组合的时空分布;
矿物形态、成分、结构、性质、成因产状间的内在联系; 矿物发芽、生长、形成与变化的条件和过程;
矿物与其介质间的相互依存和相互作用及相应的宏观标志与微观信息; 矿物的成因分类、学科的发展史、方法学和应用。
(2)学科体系 矿物发生史 矿物标型学 矿物温压计
矿物共生组合与共生分析 矿物成因分类 矿物成因信息应用
(3)发展现状 国外
1890—1911年,А. И. 维尔纳茨基提出从成因角度研究矿物; 1912年,А. Е. 费尔斯曼明确提出成因矿物学方向; 1920年,Н. М. 费多罗夫斯基出版《成因矿物学》专著; 1950年,1963年,Е. К. 拉扎连科出版《成因矿物学原理》。 1970年以来,在地质找矿方面广泛应用。 国内
1950-60年代,概念的引入与创新; 1970年代,开设《成因矿物学》课程; 1980年代,成立学术组织,开展相关研究; 1990年代,扩大研究领域,推广研究成果。
代表性人物:陈光远、王嘉荫、孙岱生、薛君治、靳是琴、李鸿超、白学让、王奎仁。
代表性论著:
陈光远等《成因矿物学与找矿矿物学》1987、1988; 王奎仁《地球与宇宙成因矿物学》1989; 王嘉荫、靳是琴、薛君治等《成因矿物学》、《应力矿物学》教材; 陈光远等《胶东金矿成因矿物学与找矿》、 《胶东郭家岭花岗闪长岩成因矿物学与金矿化》、《ATLAS OF MINERALOGICAL MAPPING IN JIAODONG GOLD PROVINCE》;
邵洁涟《金矿找矿矿物学》;
薛君治等《内蒙古白乃庙金矿矿物学找矿标志》; 李胜荣等《胶东乳山金矿田成因矿物学》; 鲁安怀等《铬铝云母亚族成因矿物学》。
2.矿物标型学
(1)矿物标型的概念:
能够指示一定形成条件的矿物学现象。包括标型组合,标型种属和标型特征。
(2)标型组合的概念:
指在特定地质地球化学条件下形成的专属性矿物组合。
例:金伯利岩的标型组合:
镁橄榄石(假象) 、金云母、铬镁铝榴石、铬透辉石、铬尖晶石、镁钛铁矿、钙钛矿、锐钛矿、金红石、磷灰石、碳硅石、金刚石。
例:碱性-超基性岩建造碳酸盐岩(carbonatite)的标型组合: ——锆矿物-稀土矿物-铌钽矿物组合。
锆矿物:钙锆钛矿、钙锆钍矿、斜锆石(baddeleyite, ZrO2) 、锆石;
稀土矿物:碳铈钠石(carbocernaite, (Ca,Ce,Na,Sr)CO3) 、碳锶铈矿(ancylite, SrCe(CO3) 2(OH).H2O) 、氟碳铈矿(bastnaesite, (Ce,La)(CO3)F) 、氟碳钙铈矿(parisite, (Ce, La)2Ca(CO3) 3F 2) 、黄碳锶钠石(burbankite, (Na, Ca, Sr, Ba, Ce)6(CO3) 5) 、水碳镧铈石(calkinsite, (Ce,La)2(CO3) 3·4H2O) 、独居石(monazite, (Ce, La, Nd, Th)PO4) 、磷铈铝石(florencite, CeAl3(PO4) 2(OH)6) ;
铌钽矿物:烧绿石(pyrochlore,(Ca, Na)2Nb 2O 6(OH,F)、钙钛矿(perovskite, CaTiO 3) 、铌钙钛矿(dysanalite, Ca2(Fe, Nb, Ti)2O 6) 、斜方钠铌石(lueshite, NaNbO3) 、铌铁矿(columbite,FeNb2O 6) 等。
(3)标型矿物的概念:
指在特定地质地球化学条件下形成的专属性矿物。 例:
陨钠镁大隅石——上地幔榴辉岩(eclogite) ;
斜锆石——碱性-超基性岩建造碳酸盐岩(carbonatite)和铁磷橄榄岩(camaforite);
硼镁铁矿(ludwigite, (Mg,Fe)2(Fe3+,Al)[BO3]O2) 和遂硼镁石(suanite, Mg 2[B2O 5])——镁夕卡岩;
辉钨矿(tungstenite, WS2)——浅成热液矿床,与白钨矿、金红石、自然铋和辉铋矿共生;
辉铼铜矿(dzhekazganite, CuReS4)——含铜砂岩, 呈机械混入物产于斑铜矿和蓝辉铜矿中;
碳钠铝石(dawsonite, NaAl[CO3](OH)2)——泥质灰岩和黑色页岩及沉积型铝矿床;
黄钾铁矾(jarosite, KFe(SO4) 2(OH)6)——干燥地区硫化铁矿床氧化带; 硅镁镍矿(garnierite, (Mg,Ni)6[Si4O 10](OH)8)——超基性岩风化壳。
3.矿物标型特征Typomorphism of Mineral
概念: 指同种矿物,在一定地质地球化学条件下形成一定的特征。主要包括形态、成分、结构、物性和谱学标型。
(1)形态标型
形态标型-集合体形态:
岩浆成因矿物——粒状集合体; 伟晶成因矿物——文象状集合体;
火山喷气成因矿物——霜状和细粒状集合体; 热液成因矿物——粒状、块状和晶簇状集合体; 风化成因矿物——土状、树枝状、皮壳状等集合体; 沉积成因矿物——鲕状、结核状等集合体。 接触变质成因矿物——粒状和放射状集合体, 区域变质成因矿物——片状集合体。
例:钴结壳
例:海底活火山岛生物成因Fe-Mn 氧化物叠层状沉积(Tazaki,
2000)
形态标型-单体形态:
火山成因石英——六方双锥状; 高温热液成因石英——短柱状; 低温热液成因石英——长柱状;
介质中活性组分对单体形态的影响
活性组分:挥发性组分及碱金属离子。
在活性介质(酸性或碱性) 中,由一种元素(阳离子或阴离子) 组成的面网起主要作用,在中性介质中,两种元素组成的面网具平衡意义。
萤石主要面网离子、密度及优势条件
hkl 离子种类 每a2离子数
111 100 110
Ca / F Ca / F Ca + 2F
2.3Ca / 2.3F 2Ca / 4F 1.4Ca + 2.8F
优势条件
酸性 碱性
中性
杂质对单体形态的影响
对一种矿物来说,其他共生矿物都是杂质。在下图中: 矿物1结晶力》矿物3,则矿物1自形;
矿物1>矿物3, 则矿物3附着矿物1生长,矿物1中有3的包体; 矿物1≈矿物3,则矿物1、矿物3均为他形。
矿物的结晶力就是排开杂质的能力。结晶力取决于键性与成分,键性越强,成分越简单,结晶力越大,自形程度越好。
晶形在时间上的动态演化
从两个角度进行研究:个体发育过程的演化(环带结构) 和不同世代的演化。 例:俄罗斯KOLA PENESULAR的VIBORG 发育RAPAKIVITE ,有大、中、小3种RAPAKIVI 和基质长石,大者有3个世代,小的仅1个世代,如图。
世代1为正长石,三斜度ρ=0;2为中微斜长石,ρ=0.4;3为最大微斜长石,ρ=0.7,基质钾长石ρ≥0.7。从1到4,形成深度变浅,温度降低,演化时间缩短,有序度升高,Sr 减少Rb 增加。
(2)成分标型
成分标型-主要组成元素:
矿物的化学成分与变形条件: 在封闭条件(区域变质) 下,应力作用使环境还原,故出现钛铁矿Fe II 2TiO 4, 磁铁矿Fe II Fe III 2O 4而无赤铁矿Fe 2O 3。
成分标型-矿物的化学成分与变形条件:
在开放条件(早期热液) 下,由相对封闭的韧性剪切到断裂破碎,矿物比表面增大,能量增大而趋于不稳定。如黑云母和角闪石绿泥石化,伴随赤铁矿和金红石形成。金红石在应力作用下的开放体系中特别稳定。
角闪石的绿泥石化过程:
(Ca,Na,K)2(Mg,Fe)4(Al,Fe,Ti)[(Si,Al)4O 11]2(OH)2 →(Mg,Fe)5(Al,Fe)[Si3AlO 10](OH)8
(K,Na,Ca流失、(OH)增加)
在开放氧化条件下发生红化,K ,Na ,Mg,Ca 流失Fe, Al,Ti ,Si 残留形成赤铁矿、粘土、金红石和石英隐晶集合体。断裂带常有铁染,一方面铁较普遍,强烈时也是红化进一步氧化的结果。故红化是构造带的标志,是元素活动的标志,是含矿元素运移的标志,也是找矿标志。
应力作用下造成矿物位错和填隙,有利于吸引其他元素和类质同象代换。
成分标型-微量元素:
研究较多的微量元素:Li,Rb,Cs,Ba,Re,Cr,Co,Ni,Zr,Hf, U, Nb,Ta,Ga,Ge,In,TR,F等。
例:含Au 硫化物中的黄铁矿和毒砂微量元素(前苏联168个矿床) : As ,Sb :As 普遍出现,由浅而深含量减少;Sb 出现频度向下减小。 Pb ,Zn ,Cu :普遍出现,Cu 由浅而深含量减少, Pb,Zn 中部最高。 Co ,Ni :Co/Ni由浅而深减小,浅部Ni 明显减少, Co/Ni》1。
Au ,Ag :Au 多于Ag ,由浅而深含量减少,浅部Au/Ag=1,中部达39.9,深部5-3。
多元回归(95%信度) :
黄铁矿:Au=23.95 + 0.84Ag - 7.255Zn + 6.445Co - 2.228Ni + 0.632Sb 毒 砂:Au=91.036 - 35.723Mo + 0.613Ti - 3.714Zn + 0.361Sb
一般,矿物中呈负相关的元素可能为类质同象成分,呈正相关的元素可能为超显微矿物包体所致。
成分标型-元素对比值
天河石:Rb/K 斜长石:Ca/Al 闪锌矿:Fe/Zn 黄铁矿:Co/Ni 辉钼矿:Re/Mo
——比值大,温度高;天河石Rb/K大,反映酸性岩浆分异强,大于100时发生Nb ,Ta 矿化。
矿物中Zr/Hf,Th/U,Nb/Ta,Y/Ce
——比值大,趋于基性和碱性,反之趋于酸性。
变价元素Fe 3+/Fe2+,Mn 3+/Mn2+,Ti 4+/Ti2+ ——比值大,氧化环境;反之还原环境。
例:黄铁矿 Fe/S:
铜镍硫化物0.878; 岩浆热液0.887; 斑岩0.910; VMS0.960;
金矿床大于理论比 0.871。 Co/Ni:
同生沉积小于1; 沉积改造近于1; 沉积-变质1.47-5.75;(变质过程中磁黄铁矿增多,Ni 趋于在其中富集,Co 在两矿物中分配系数为1。) 火山成因1.93-89.35;(火山喷气12-22,火山热液5-10,火山沉积小于1。) 热液成因1-5;
岩浆成因0.09;(Co ,Ni 很高,贯入式钛磁铁矿中黄铁矿Ni 显著高于Co 。) 融离型铜镍矿床1200;(含大量磁黄铁矿,Co 显著高于Ni )
例:黄铁矿(王奎仁,1989) S/Se:
同生沉积总大于30000; 沉积改造1900-8000; 层控176000-334000;
火山成因(Se很高) 小于10000(3000-8000);
岩浆热液成因10000-28000。(一般,热液由高温到低温,Se 减少,比值增大。) 岩浆矿床,4000-21400。
(黄铁矿Se/Te,Cu/Zn,Ag/Zn,Pb/Zn等)
成分标型-稳定同位素
例:豫西南铅锌矿
铅同位素比值-构造环境图
斑岩钼矿
铅锌矿
铅同位素模式年龄:已有9个数据集中在400—900Ma范围,多数集中在600±Ma ;在比值图上,34个数据呈明显的线性分布,指示模式年龄变化范围不太大;
铅源分析
本次12个地幔-造山带,与斑岩型钼矿相似;34个分散,原因:
多源区—深部相集中,浅部相分散;
多期次,如刘国印的燕山期改造。
硫同位素
硫同位素分布直方图(刘国印,2003)
斑岩钼矿δ34S 值一般为2‰—4‰,平均3.02‰,
铅锌矿则一般为3‰—6‰,平均4.85‰,
而围岩值较大12‰—18‰,平均15.53‰。
VMS 矿床硫同位素δ34S 特点:
1850Ma 前,0±2‰ ;
显生宙:-10—20 ‰;
日本Shakanai 矿床,由下而上,+8— -6 ‰;
矿区分组,矿床单一(加拿大New Brunswick南部+16 ‰,北部+7 ‰ )。 华南黑色岩系黄铁矿(无数据)
碳同位素
一般,深源/岩浆源-7± ‰;
海相碳酸岩0± ‰;
沉积有机碳
斑岩矿床:多宝山Cu 矿(10个) -2.48 ‰;
团结沟Au 矿(5个) -1.1 ‰;
冷水Pb-Zn 矿(4个)-3.82 ‰;
小秦岭-熊耳山Au 矿(100)-7.726— 0.03 ‰;
本区冷水北沟方解石-0.7 ‰——晚期共性。
氢氧同位素
一般,δD(V-SMOW):
岩浆水 -40— -80,
变质水-20— 45,
海水-10‰
一般,δ18O(V-SMOW):
岩浆水6— 9;
变质水4— 20;
海 水 -1‰;
本 区,δD -80— -90;
δ18O 6.2—14.9 ‰
——混合水
成分标型-流体包裹体
岩浆热液成因:高温500-200OC ,高压,低盐度,富挥发分;
地下水热液成因:低温200-100OC ,低压,高盐度,富Na ,K ,Ca ,Cl ,K +>Na+;Ca 2+>Mg2+;
包裹体中CO 2随深度加大而降低。
金刚石包裹体气相:
金伯利岩中含N(N>0.001%);
宇宙无N(N
地幔源:缺CO 2,富N ,CO ,CH 4,H 2。
(3)结构标型
结构标型-晶胞参数
石英:晶胞参数随变质程度加深而减小。
例:美国佐治亚洲变质硬砂岩18颗石英显示,绿泥石带V0113.050,黑云母带113.029,十字石带112.993A 。
透辉石、钙铁辉石:随平衡温度升高,呈6次和8次配位的阳离子(M)和硅氧四面体中氧原子的间距规律增大。a0,b0,c0,V 增大。
压力增大,T ,M1,M2三种配位体减小, a0,b0,c0,
V 减小。
白云母:随变质压力增大b0增大,多硅白云母形成。一般,低压带小于8.995,中压带9.010-9.025,高压带9.035-9.055A 。
结构标型-离子占位
钙质和碱性角闪石:随平衡温度升高,Fe 2+由M1和M3位转到M2; Mg 2+和Al 3+由M2向M1和M3位转移。压力的效应与之相反。
研究方法:红外光谱,穆斯堡尔谱,X 射线衍射分析。
结构标型-有序度
透长石——正长石——最大微斜长石:Al-Si 有序排列。
新老长石:由老而新有序度降低。
机理:内能及生成条件。
研究方法:红外光谱,穆斯堡尔谱,X 射线衍射分析。
结构标型-多型POLYTYPE
白云母:花岗岩1M ;伟晶岩2M1;喷出岩1M ;热液1Md ,1M , 2M1(绢云母) ;沉积岩1Md ,1M ;变质岩1M ,3T , 2M1。
黑云母:岩浆岩2M1,1M ;喷出岩1M ;沉积岩1M ,1Md ;接触变质岩2M1;区域变质1M ,3T ;伟晶岩各种多型。
辉钼矿:2H600-1300℃,3R350-900℃;3R 杂质(Re,Sn ,Ti ,Bi ,W 。) 研究方法:X 射线衍射分析。
(4)物理性质标型
物理性质标型-颜色
闪锌矿:随S 活度增大,由黑-褐-黄。
电气石:高温热液到较低温,黑(未交代伟晶岩)- 绿(Sn,Ti ,Nb 矿化伟晶岩)-粉红(Li伟晶岩) 。
普通角闪石:温度升高,薄片中c 轴蓝绿-绿-棕褐(Ti增加) 。
翠榴石:含铬钙铁榴石,超镁铁质岩中与紫色绿泥石共生——铬矿。 铬云母:金矿。
蓝晶石:均匀淡蓝色——稳定T 、P 、C 环境;非均匀深蓝色——非稳定环境。
物理性质标型-相对密度
镁铝榴石:
富金刚石金伯利岩中紫色者大于3.75,反之多小于3.75;而非金伯利岩的超基性岩-基性岩中小于3.75。
物理性质标型-发光性
麻粒岩相——角闪岩相——侵入花岗岩——交代花岗岩:
X 射线发光强度(相对单位)28000——5000——1000——300
萤石:
中酸性岩浆岩天然热发光曲线出现150,250,300度三个峰;
火山岩,同上,但300度以上峰出现几率和峰强小;
沉积碳酸岩,无300度以上峰。
物理性质标型-热电性
辉钼矿:
气化高温钨锡矿热电系数+280—+590(UV/0C),p 型;
中温斑岩铜矿-480—-740,n 型。
黄铁矿:高温n 型,低温p 型,中温混合型。
黄铜矿:含铜砂岩-200—-320,岩浆铜镍矿-380—-450,夕卡岩-580—-600,其他-600—-750。
4.矿物标型的应用
A 在矿物岩石及矿床成因方面的应用
根据矿物标型研究,可以查明矿物岩石和矿床中有关物质的来源,矿物岩石和矿床的形成温度和压力条件,氧化还原条件,酸碱度条件,各种逸度和其他动力学条件,查明矿物岩石和矿床的形成年代,通过矿物标型的定位研究,还可查明形成矿物岩石和矿床的有关流体的性质和运移途径。含矿和无矿地段的判别等。
B 在找矿勘探方面的应用
矿床成因研究是确定找矿勘探方法的基础之一。此外,通过矿物标型的定位研究,还可查明控矿构造、矿床的规模、剥蚀程度、外围和深部远景、进一步找矿方向。
C 在宝玉石鉴定方面的应用
宝玉石鉴定涉及其产地产状、品质优劣、真假辨识等诸多方面。矿物标型在这些方面有独特的指示意义,如不同产地的宝玉石有不同的微量元素或不同的物性特征,天然宝玉石与人工宝玉石有不同的包裹体和微形貌特征等。
D 在生态环境监测方面的应用
生态环境的质量在相当大程度上取决于地质环境中有益和有害元素的多寡、赋存状态和地球化学行为。矿物是元素的载体,矿物的环境标型特征是生态环境监测的重要方面。
E 在人工晶体制备方面的应用
人工晶体是为满足一定需要而制备的。有的晶体需有一定的形态,有的需有一定的颜色,有的需有一定的工艺性能。根据矿物标型的研究,提供一定的介质条件,便能制备出所需的人工晶体。
F 在人体健康方面的应用
根据人体矿物的标型研究,为有益矿物的形成提供适当的条件,消除有害矿物的形成条件,能促进人体的健康长寿。
G 在其他方面的应用
矿物标型还可应用于地球层圈物质研究,地壳隆升机理研究,全球变化研究,灾变事件研究等。