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1、深部礦床成礦作用和金屬分帶性 張榮華，胡書敏，張雪彤，王勇 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京市百萬莊 26 號(hào)， 100037 摘要： 大多數(shù)熱液金屬氧化物礦石形成于中地殼。 地殼深部水巖相互作用及其成礦流體性質(zhì)決 定了礦石的性質(zhì)。 大區(qū)域地球化學(xué)和成礦規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)： 礦床成因類型和金屬礦石具有大區(qū) 域分帶性和不同尺度的分帶性及分布規(guī)律的自相似性。水巖相互作用的流動(dòng)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 有時(shí)物質(zhì)遷移出現(xiàn)周期振蕩和空間的周期性分布。 巨大規(guī)模的區(qū)域金屬分帶說明了它是由深 部的地幔流體物質(zhì)的活動(dòng)引起的。 現(xiàn)代的地面發(fā)現(xiàn)的巨大地球化學(xué)塊體和跨越若干地質(zhì)單元 的金屬異常， 也說

2、明了現(xiàn)代的地幔流體物質(zhì)的活動(dòng)。 從地面的金屬異常性質(zhì)和金屬分帶性分 布規(guī)律可以判斷深部埋藏的金屬礦石分布。 多次巖漿活動(dòng)帶來大規(guī)模流體活動(dòng)和多次水巖相 互作用， 隨后的多次成礦作用， 會(huì)出現(xiàn)水熱蝕變和金屬礦化的疊加。 需要認(rèn)識(shí)多次分帶性的 疊加過程。 關(guān)鍵詞：中地殼，金屬分帶性，周期性分布，自相似性。 一、序 各種不同類型礦床的形成深度和溫度壓力條件是可以根據(jù)礦物的填充流體包體性質(zhì)來 確定的。同時(shí)， 實(shí)驗(yàn)研究也可以幫我們判斷礦石形成深度。現(xiàn)在， 提出深部礦床成礦理論和 找礦問題，其原因之一是為了找尋深埋的金屬礦石的問題。深部成礦作用主要有三個(gè)問題： 金屬深部來源，金屬在深部的遷移和堆積過

3、程。 一個(gè)成礦的熱液系統(tǒng)， 在流動(dòng)過程中不斷與圍巖反應(yīng)， 一面沉淀金屬礦物， 一面改變流 體的性質(zhì)，可以形成空間的金屬分帶性（ Barnes, 1979；。判斷更深的地段有沒有礦石始終 是一個(gè)大問題。 長(zhǎng)時(shí)間以來的國(guó)內(nèi)外的許多科學(xué)家關(guān)于金屬成礦省， 成礦時(shí)代和金屬空間分 帶性的研究的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。 目前, 我國(guó)有大范圍地質(zhì)和地球化學(xué)填圖, 提供了深部礦床作用的研究背景。 水巖相互 作用的實(shí)驗(yàn)和流體動(dòng)力學(xué)研究的新結(jié)果, 也提供了我們洞察深部礦床成因的新窗口。 本文從 化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度敘述深部成礦和找礦的理論和實(shí)際問題,提成一些概括性意見。 二、重要熱液礦石形成于中地殼 熱液礦床的礦物

4、流體包體研究提供了豐富的成礦流體性質(zhì)數(shù)據(jù), 如溫度、 壓力、鹽度和 溶解的多種化學(xué)組分,如圖 1。這些數(shù)據(jù)可以用于推測(cè)礦床形成的深度與礦石共生的熱液性 質(zhì)。如我國(guó)斑巖銅礦（玉龍） ,長(zhǎng)江中下游火山巖區(qū)鐵銅礦,長(zhǎng)江中下游矽卡巖銅礦和南嶺 的鎢錫鉬鉍和稀土稀有金屬礦床, 基本是在 350-450oC 和中等鹽度的流體里沉淀的。 根據(jù)與 礦石共存的流體 --NaCl 濃度－溫度關(guān)系圖, 可以看出： 實(shí)際觀測(cè)大多數(shù)熱液礦床, 都是在跨 越 NaCl 溶液臨界線,在水的臨界點(diǎn)附近時(shí)才形成礦石的沉淀。于是,可以引出一個(gè)結(jié)論, 大部分熱液礦床形成于中地殼的溫度壓力下。 各種不同類型硫化物礦石形成于上中地殼

5、至地 表的熱泉的各種不同環(huán)境。深部地殼和上地幔可能發(fā)生與中 -基性巖漿巖石有關(guān)的礦石。 礦物在水中溶解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了上中地殼的水 /巖相互作用。深部巖石圈上升的 熱液,在通過中 -深地殼時(shí)會(huì)遷到一個(gè)機(jī)會(huì) -跨越水的臨界態(tài)。這時(shí),水性質(zhì)的變化會(huì)強(qiáng)烈影 響礦物溶解作用，會(huì)出現(xiàn)礦物與水反應(yīng)速率的漲落（ Zha ng et al.2000;張榮華胡書敏 2002） 1'rnpE riit urcP V 硅酸鹽礦物（鈉長(zhǎng)石、輝石、陽起石 圖1含礦溶液的溫度—鹽度圖解（Zhang et al, 2000; 張榮華 胡書敏，2001） I. 羅德西亞銅礦帶，2.與U ±Ni ± Co有關(guān)的

6、不整合界面類 型；3.阿森耐型脈狀 Ni、Co、Ag多金屬礦床；4.密西西 比鉛鋅礦；5.日本黑礦礦床；6?塞普路斯型礦床；7?我國(guó) 斑巖銅礦（玉龍）；8.長(zhǎng)江中下游火山巖區(qū)鐵銅礦（羅河 鐵礦）；9.長(zhǎng)江中下游矽卡巖銅礦；10.滇東北細(xì)脈型銅礦； II. 蝕變類型金礦；12.黔西南金礦。另外，有 Co Fe Cu Ni 四條曲線（三實(shí)一虛）表示二價(jià)離子的八面配合體（與 Cl-化合），四面體配合物的轉(zhuǎn)變線，左側(cè)八面體配合物， 右側(cè)四面體配合物（按 Pr, D. Crerar, 1987年資料，作者 增加內(nèi)容并改動(dòng)） ）在水中溶解在多數(shù)溫度條件下是不一致溶解過程。 鈉長(zhǎng)石（或透輝石、陽

7、起石）的不一致溶解表現(xiàn)為在 25?300 C范圍Na和Al（或Ca、Mg、Fe、 Al）比Si溶解更快，更容易進(jìn)入溶液。硅的溶解速率低于其它金屬元素 Na、Mg、Ca、Al 等。在溫度上升在 300?400C范圍，硅比其它元素容易進(jìn)入溶液。但是，在 22MPa 300C 時(shí)，變?yōu)橐恢氯芙膺^程。礦物的最大溶解速率 （硅的釋放速率）發(fā)生在22MPa 300 C條件下， 這時(shí)候，硅酸鹽礦物骨架會(huì)崩塌。 繼續(xù)升溫，300?400 C的升溫會(huì)導(dǎo)致硅酸鹽礦物溶解反應(yīng)速率逐步降低。 同時(shí)，會(huì)更有 利金屬礦物沉淀。從 300C至400C，水性質(zhì)變化導(dǎo)致硅酸鹽溶解速率的變化。根據(jù)熱力學(xué) 實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)

8、測(cè)：在 50 MPa-100 MPa條件，硅酸鹽礦物與水反應(yīng)的最大溶解度的溫度出現(xiàn) 在300?400Co在300?500C范圍內(nèi)，繼續(xù)升溫促使石英溶解度下降（降級(jí)溶解） 。進(jìn)入臨 界態(tài)，各種金屬礦物的溶解速率也下降， 會(huì)使大量金屬氧化物礦石沉淀。 這是在中地殼出現(xiàn) 的蝕變或變質(zhì)性質(zhì)轉(zhuǎn)變的原因，也是礦石出現(xiàn)在中深地殼的原因。中地殼水 /巖相互作用會(huì) 有一個(gè)大變化。從這一個(gè)意義看，礦床的出現(xiàn)在中深地殼主要是選擇了物理化學(xué)條件。 中深 地殼條件下，礦床應(yīng)該是廣泛分布的。 三、金屬的分帶性 1 ?金屬分帶性 成礦帶和礦床都存在金屬礦床類型和礦石的帶狀分布。 許多人總結(jié)出“幾層樓”或者各

9、 種模式。例如，最簡(jiǎn)單的表達(dá)方式：內(nèi)帶為 W-Sn-Mo-Bi-Mo-REE- （ BeNbTa ）；中帶為 Cu-Zn-Pb-Ag ;外帶As-Au-Sb-Hg和W。每一個(gè)帶還可以仔細(xì)劃分。各地的地質(zhì)情況不同： 主要是物質(zhì)來源，流體運(yùn)動(dòng)形式不同，因此哪些金屬礦石出現(xiàn)并不一樣。金屬礦物的性質(zhì)， 前人有很豐富的經(jīng)典總結(jié)：在同一溫度壓力下，各種金屬的溶解度，或溶解（或沉淀）的速 率不同。在一個(gè)含金屬流體，從高溫、高于水的臨界態(tài)的流體中沉淀金屬礦物時(shí)， 首先沉淀 金屬氧化物。在減低溫度過程中依次為金屬硫化物， 碳酸鹽礦物。另一種影響因素是元素的 豐度（化學(xué)上，有時(shí)稱質(zhì)量作用定律） 。從圖1也可

10、看出：降溫時(shí)，礦床類型的改變。這也 是金屬分帶性。 從溶解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來說， 低溫時(shí)，離子鍵化合物容易溶解，升溫以后， 變?yōu)闃O性鍵化合 物容易溶解。反過來，從高溫條件下降溫，首先沉淀是離子鍵氧化物， 再降溫才沉淀極性鍵 的硫化物。同時(shí)金屬氧化物的金屬 -氧之間的鍵性不同，決定它們的不同沉淀次序。在南嶺 地區(qū)容易發(fā)現(xiàn)；一個(gè)金屬礦床的內(nèi)帶（常是巖體的接觸帶） 是磁鐵礦/鐵鎢/Sn礦石。在外帶, 在離開一定距離上出現(xiàn)脈狀硫化物（ Pb/Zn/Ag ）。在很遠(yuǎn)的地方有 Au、As、Sb等。在長(zhǎng)江 中下游，內(nèi)到外：磁鐵礦 -磁黃鐵礦 -黃鐵礦礦石分帶，外帶有金礦化及 Pb/Zn 礦石。金屬的

11、 性質(zhì)可以簡(jiǎn)化地表達(dá)為：金屬的電負(fù)性，或者 Z/r （電價(jià)/半徑比）。Z/r從~10t <2,依次為 Si, Mo W Al , Sn, （Fe）, Cu, Zn, Fe, Mg Mn, Pb, Ca, Sr, Ba, Na。這是一種金屬與 氧（或其它陰離子）之間的鍵性的次序，可以用于理解金屬分帶性，或理解金屬原生暈（共 價(jià)鍵的半徑數(shù)據(jù)有爭(zhēng)議） 。 2．不同尺度的金屬分帶的自相似性 在南嶺、 長(zhǎng)江中下游、 華北地臺(tái)的中生代的金屬成礦帶和秦嶺古生代成礦帶, 我們常發(fā) 現(xiàn)金屬分帶在不同尺度上出現(xiàn)自相似性。 例如, 我們?cè)陲@微鏡下或手標(biāo)本上看到： 一個(gè)金屬 氧化物（磁體礦/黑鎢礦）細(xì)脈的兩

12、側(cè)是硫化物（ Pb/Zn或黃鐵礦），這時(shí)候尺度為 2cm。在 2 米、 10 米到百米礦體里,氧化物（磁體礦 /黑鎢礦）脈體的外測(cè)有是硫化物（ Pb/Zn 或黃鐵 礦）脈。在 2-3 公里范圍內(nèi),氧化物（磁體礦 /黑鎢礦）礦體和硫化物（ Pb/Zn 或黃鐵礦）礦 體分開出現(xiàn)。如單一鐵礦種，會(huì)出現(xiàn)磁鐵礦 t磁黃鐵礦t黃鐵礦連續(xù)分布。 在礦田的十幾或 近百公里范圍,如一個(gè)火山盆地（廬樅,寧蕪） ,盆地中心是鐵礦,邊緣是 Pb/Zn 或黃鐵礦 床。在長(zhǎng)江中下游四省范圍的 800 公里的成礦帶內(nèi),西有鐵銅,中有金,東有 Pb-Zn-Ag 礦 及螢石礦。 南嶺的七省區(qū)域的金屬也是不同尺度具自相似性。

13、由東到西, 綿延幾千公里的金 屬分帶,東部是金屬氧化物礦石的大礦床；西部,金屬氧化物礦床伴隨 Pb-Zn-Ag 礦石；然 后是大面積低溫礦床。南嶺南北兩側(cè)的 Pb/Zn/Ag 或黃鐵礦礦帶。更外側(cè)的 Sb/Au/Hg 礦帶。 金屬分帶和不同尺度的自相似性表明： 控制幾百到千公里的金屬分布是來自地球的深部物質(zhì) 運(yùn)動(dòng),流體的活動(dòng),至少是百公里深部的物質(zhì)活動(dòng)。 大區(qū)域的地球化學(xué)探測(cè),也發(fā)現(xiàn)不同尺度的金屬分布（異常形式）的自相似性。 金屬分帶性是我們?cè)谏畈空业V的依據(jù)。實(shí)際上,礦石、礦床、礦田、礦帶在幾個(gè)不同尺 度上具有自相似的金屬分帶性。 大區(qū)域的自相似的金屬分帶性說明了成礦作用深部來源和深 部物

14、質(zhì)遷移過程。大規(guī)模的區(qū)域金屬分帶說明了它是由深部的地幔流體物質(zhì)的活動(dòng)引起的。 現(xiàn)代的地面的巨大地球化學(xué)塊體和跨越若干地質(zhì)單元的金屬異常, 也說明了現(xiàn)代的地幔流體 物質(zhì)的活動(dòng)。從地面的金屬異常性質(zhì)和金屬分帶性分布規(guī)律可以判斷深部金屬礦石分布。 四、金屬周期性遷移 1 ．多期成礦作用 中國(guó)大陸內(nèi)的成礦過程與大規(guī)模巖漿活動(dòng)有關(guān)。 同時(shí), 多期巖漿活動(dòng)又對(duì)應(yīng)多次成礦過 程。最近幾年, 成礦年齡的測(cè)試表明了多期成礦作用。受地殼活動(dòng)影響,在不同期的成礦過 程不一定發(fā)生于同一位置, 可以存在于不同的地區(qū)或不同深度。 上世紀(jì), 美國(guó)人發(fā)現(xiàn)在克來 梅克斯斑巖礦床有多次鉬礦化的疊加, 后期礦化的深度越來越

15、大。 從一次上升的巨大巖漿房 的冷卻過程看,后期活動(dòng)的巖漿的深度要大。它伴隨后期的礦化地段,要深。這種情況下, 深部可能發(fā)生有晚期的礦體。研究后期構(gòu)造和巖漿活動(dòng),也可以引導(dǎo)我們找另一期礦化。 2．水巖反應(yīng)的周期振蕩 同一次流體遷移與巖石反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)水巖反應(yīng)的周期振蕩, 及隨后的金屬周期性遷移。 國(guó) 際地學(xué)界已經(jīng)研究過許多不同尺度的地質(zhì)作用的周期性振蕩現(xiàn)象。 我們實(shí)驗(yàn)研究了開放流動(dòng) 體系的固液反應(yīng)過程。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了在疊層反應(yīng)器里螢石 -水溶液反應(yīng)的化學(xué)振蕩,和不 同尺度不同層次的非線性動(dòng)力學(xué)分布。 實(shí)驗(yàn)表明： 如外界誘導(dǎo)的一次水巖相互作用, 它的反 應(yīng)產(chǎn)物會(huì)以化學(xué)振蕩方式,或復(fù)雜周期振蕩

16、方式向外傳播。圖 2。 從 89 年開始到 93 年,連續(xù)發(fā)現(xiàn)在開放－流動(dòng)體系內(nèi)礦物－流體相間反應(yīng)（螢石－ HCl-H 2O 系統(tǒng)） 非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。對(duì)這樣一個(gè)非均相固／液體系, 在穩(wěn)定外部條件時(shí), 長(zhǎng) 時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)：輸出溶液電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)記錄顯示溶液化學(xué)成分波動(dòng),自發(fā)地波動(dòng)（漲落） , 暫時(shí)混沌,多重態(tài),孤立波,自發(fā)躍遷,激發(fā)等現(xiàn)象。輸入溶液成分變化的擾動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)非 線性響應(yīng)（或其它外界擾動(dòng)也出現(xiàn)非線性響應(yīng)） 圖2，螢石-HCI-H2O體系，自發(fā)出現(xiàn)的復(fù)雜振蕩。用全部計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄的電導(dǎo)率變化。 對(duì)應(yīng)的化學(xué)分析確定是自發(fā)性的漲落。并，對(duì)外界誘導(dǎo)的變化而出現(xiàn)非線性響應(yīng)。 根據(jù)這

17、一實(shí)驗(yàn)可以對(duì)推論：水巖相互作用可能發(fā)生一種反應(yīng)產(chǎn)物向外傳輸?shù)闹芷跐q落。 于是，可以預(yù)測(cè)一些含金屬的熱液活動(dòng)可能一周期振蕩方式傳輸。 金屬礦石的形成是周期性 向外傳輸?；仡櫳鲜兰o(jì)，一些科學(xué)家曾提出過成礦的“脈動(dòng)”學(xué)說。在地質(zhì)觀測(cè)中，我們發(fā) 現(xiàn)過礦石或礦體多次重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象。根據(jù)這個(gè)道理，我們可以尋找深部的多層次成礦帶。 五、金屬的深部來源 深部的成礦作用問題之一是金屬來源。 大量的同位素研究提供了礦石里的許多流體物質(zhì) 來自深源，如C，H，He,等。許多金屬也來自地幔。 我們從地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù)。 玄武巖與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)使用疊層反應(yīng)器流動(dòng)體系：水流速 0.5?2.5ml/min，壓力

18、22MPa , 溫度25?400 C。實(shí)驗(yàn)是按一個(gè)恒壓的升溫過程進(jìn)行操作。選用 20?40目巖石樣品進(jìn)行反 應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)造巖元素、成礦元素和痕跡元素，在由低溫至水臨界態(tài)的升溫過程中 溶解在水中的濃度不斷變化，或者說，溶解速率不斷變化。大致情況是：在 400C有最大溶 解濃度是鉻；在374 C有最大溶解濃度是銀、銅等；在 350 C有最大溶解濃度是鈉、鋁、鎳、 鋇、鉛等；在300 C有最大溶解濃度是硅、鉀、鐵、錳、鈦、釩、鉬、鋅、硼等。其中，反 應(yīng)后輸出的濃度： 硅最大濃度為 247ppm,鉀28ppm，鈉22ppm，鋁17.3ppm,鈣為9.55ppm , 釩 0.22ppm，

19、鈦 0.05ppm，鉻 0.32ppm，鎳 26ppm,鉬為 0.8ppm，銅為 0.473ppm，鋅為 0.49ppm , 銀0.029ppm，鉛0.009ppm。實(shí)驗(yàn)證明地球深部的玄武巖與水反應(yīng)能夠提供金屬來源。 結(jié)束語：深部成礦作用對(duì)于金屬來源、遷移和礦石堆積起了關(guān)鍵作用（張榮華等2006）。大規(guī) 模的流體活動(dòng)導(dǎo)致了金屬分帶規(guī)律性。金屬分帶的規(guī)律性可用于找尋深部另一種類型礦石， 或者另一次成礦作用的同類型礦石。 不同尺度金屬分帶的自相似性反映了地球深部流體活動(dòng) 的自組織過程。若對(duì)巖石的元素地球化學(xué)分帶性深入研究（空間 /時(shí)間分布特征比較，用數(shù) 學(xué)模型研究），能夠預(yù)測(cè)深部礦石礦體，解

20、析 /反演地面元素異常和深部地球化學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。 致謝： 本文得到國(guó)土資源部項(xiàng)目 20010302,科技部項(xiàng)目 2001DEA20023, 2001DEA30041 , 2003DEA2C021, G1999043212 及自然科學(xué)基金項(xiàng)目 4003011 , 49473196, 20373064 的資助。 文獻(xiàn)： Barnes H.L., 1979, ed: Geochemistry of hydrothermal ore deposits, A Wiley-lnterscience Publication, John Wiley & Sons Brimhail G.H., and

21、DA.Crerar （1987）"Ore Fluids:magmatic to supergene".ln Reviews in Mineralogy, I.S.E Carmichael and H.P.Eugster,Eds.,Vol-17. Mineralogical Society of America. 張榮華 胡書敏，2001，地球深部流體演化與礦石成因，地學(xué)前緣， v.8, no. 4, p297-310 。 Zhang. R. Hu, S.， and Zhang X., 2000. Kinetics of hydrothermal reactions of minerals in near-critical and supercritical water. Acta Geologica Sinica 74（2）: 400-405. 張榮華、胡書敏、蘇艷豐，張雪彤， 2006,重要金屬礦來源遷移堆積過程和化學(xué)動(dòng)力學(xué)，科學(xué)岀版社，北 5