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日志

 
 
关于我

笔名探矿者—一个立志执着于探索自然和学术的“打工者”。1962年5月生,福建人,1982年毕业于成都地质学院找矿系,地质调查专业 工学学士 高级工程师。长期从事地质调查、矿产勘查以及矿床学和矿床地球化学研究。在该职业生涯中,积累了三十多年来的地质勘查和找矿经验,脚踏实地一步一个脚印一路走来,具有丰富的工作经验,认识了矿产资源在地壳中的成矿机理,掌握了构造控矿因素与成矿地质规律对找矿预测的意义。本人的专长是既懂理论研究、也精通矿产勘查,善于将两者紧密结合,因而有关成果受到各地政府的关注及业内专家的高度肯定。

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解析矿物共生的顺序和组合  

2017-12-13 17:44:59|  分类: 矿石矿物 |  标签: |举报 |字号 订阅

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解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

蓝铜矿,孔雀石

前言

       众所周知,矿床是由矿石建造构成的。每一矿石建造有其一定的物质成分,并由一定的地质作用所形成。在矿石建造形成的过程中,一些矿物按一定先后顺序生成,一些矿物则成组地同时生成。这些按顺序生成和同时生成的矿物积聚的总和称为矿石建造。毎一矿床可由单一的或一种以上的矿石建造组成。在毎一矿石建造的内部,又可根据形成过程中所经历的地质构造运动的影响、含矿溶液的改变、物理-化学条件的更迭以及物质成分的变化,划分出不同的成矿阶段。成矿阶段有先后之分,每一成矿阶段在化学成分、矿物组合和结构构造上,又往往都有其各自的特点。

       所谓矿物的共生顺序,是指矿石建造中同一成矿阶段矿物生成的先后顺序。凡不属同一成矿阶段的矿物,因其生成的阶段性已很明了,就不须再讨论它们的先后关系。所谓矿物的共生组合,是指矿石让造中各个成矿阶段某些特定的矿物组分,在同一地质成矿作用和物理-化学条件下,在相同空间和时间内形成的一套矿物共生组合。矿物共生顺序和矿物共生组合二者合称矿物共生关系,其外文即为Paragenesis—词。

       矿物共生顺序和矿物共生组合,是探索和解释矿石建造在成矿作用中所富集起来的元素,如何在不同成矿阶段的不同物理-化学条件下,从熔体或溶液中结晶或沉淀的演变历程。它不仅能提供这一物质的演变历程,也能为矿石生成的一些成矿条件和物理一化学条件,提供重要的信息或科学依据,其重要性是可想而知的。

       矿物共生顺序和矿物共生组合是矿床、矿相工作者研究矿石的主要内容之一。它们是凭野外产状和手标本的观察,特别是凭显微镜下的深入研究后,再经过与人工模拟试验的结果进行对比来解决这一问题的。虽然矿物的共生顺序和组合具有重要的意义,但是自本世纪的30年代直到目前为止,对于某些术语的含义,并没有取得一致的看法,例如什么叫共生?什么叫共生组合?大家的意见很不一致。

       至于对某些结构构造和某些物理-化学反映结果也常见,作出不同的解释,从而导致不同的结论。这对我们今后的工作很为不利。现特参阅国内外有关学者的意见,就个人理解所及,提出一些粗浅的看法,以供广大矿床、矿相工作者参考。希望通过广泛的探讨和推敲得出一致的看法,使我们今后的工作有着共同的基础。


一、矿物的共生顺序

       矿物的共生顺序不外乎三种情况:

       一是矿物依次连续结晶;

        二是矿物依次超覆结晶,它的真实性很值得怀疑;

       三是矿物同时结晶。

解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

角闪石,磁铁矿

(一)矿物依次连续结晶

       矿物依次连续结晶是指一种矿物结晶结束之后,另一种随着开始结晶,待第二种结晶结束之后,第三种又随着开始结晶,等等。

       矿物依次连续结晶的现象,在岩浆岩中很普遍。中基性岩中橄揽石、辉石、角闪石、 黑云母等就是依次连续结晶的。它们经常出现的包晶结构,相平衡实验中出现的不一致融熔,便是很好的证据。在基性-超基性层状分异的岩体中,造岩矿物和造矿矿物依次连续结晶的现象也很明显。凡是最早结晶的矿物,往往可以发育成完整的自形晶。这是由于熔浆对晶体生长不具阻力的缘故。倘熔浆的粘度较小,这些晶体还可以游聚在一起(synnesusis),形成浸染状的聚晶,或者进而在岩体底部堆积起来,形成块状集合体。不论它们是浸染晶粒、聚晶或块状集合体,晶粒都是自形晶,即便相互接触也是自形镶嵌,少量自形晶间隙则被晚期结晶的矿物充填。这样当上述第一种矿物结晶后第二种矿物结晶时,独立结晶时仍形成完全的自形晶,堆在第一种矿物层之上,从而形成自下而上自老而新的层状岩体或矿层。倘熔浆的粘度较大,也可以一开始就结成聚晶或块状集合体,但只在它们的外表保留自形晶轮廓,内部则为直边、半自形或它形镶嵌。这是因为它们虽是最早晶出, 应当成自形晶,但晶粒都在一处同时结晶,生长过程有相互抵触作用(impingement)的缘故。上述现象对结晶后不发生次生扩大的矿物,例如对铬铁矿来说是很典型的,对常常发生次生扩大的矿物,尤其是硅酸盐就不怎么典型了。

       这里应当说明,将早结晶的自形晶,分别按其镶嵌关系区分出自形镶嵌,以及半自形、他形、直边镶嵌结构是必要的。因为只有这样,才能反映出较完全的成因意义,即自形镶嵌表明矿石不仅由早结晶的矿物构成,而且还经过游聚作用,或沉降和堆积的分晶作用(fractional crystallization)。

       至于半自形、他形、直边镶嵌结构,对单矿物集合体来说,实际上都是同时、同地抵触结晶的结果,只不过由于不同矿物具有不同抵触形态特点而巳。直边镶嵌一词是作者新建议的名词,目的试图用来代替岩石学中将某些单矿物岩,例如纯橄榄岩晶粒所称的自形晶或自形晶结构,因为它们并不代表真正的自形,而很可能是一种抵触结构。将抵触结构称为自形晶或自形晶结构,显然是不合理的。同时,对于说明成因意义也是不利的。

       矿物依次连续结晶的现象,在由充填作用生成的浅温热液矿脉和晶洞中也是很常见的。首先结晶的矿物总是先沿脉壁和洞壁生长,晶粒与晶粒间形成抵触结构,生长面形成自形结构。当第二种矿物结晶时,植基于第一种矿物的自形生长面,显示他形结构,而生长面则仍成自形结构。如此继续进行,最后在矿脉中形成不同矿物层的对称带状构造,和在晶洞中形成不同矿物层的环带状构造。它们每层矿物都有这样的特点,即基部为他形结构,顶部为自形结构。同样,倘上述依次连续结晶系围绕岩石或矿物碎块进行,也可形成环带状构造,只不过每层基部的他形结构和顶部的自形结构方向相反而已。上述几种情况明显表示出依次连续结晶的特点。

       除了由堆积作用生成的层状矿石和由充填作用生成的对称带状和环带状矿石外,更常见的是由交代作用生成的矿石。这种矿石中矿物的生成顺序,一般凭成对矿物间有无出现溶蚀结构和各种各样的交代结构鉴定。矿石中早结晶的矿物自形晶受熔桨或热液的溶蚀作 用,以及受晚结晶矿物的交代作用,只要现象确实可靠,其结晶先后的次序自可判定。矿物间的交代现象已由巴斯廷和肖顿二人作过总结,共分成二十种不同类型,详见派克所著的《矿床学》一书,可用来判断交代作用,并作为鉴别矿物生成顺序的准则。

解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

榍石、磷灰石、长石、角闪石

       应当指出一点,以往很多人常凭两矿物间晶体的自形程度和牙痕结构来判别其生成顺序,即认为自形程度髙的结晶在前,半自形以至他形的结晶在后;牙痕结构中具凹形品面的结晶在前,具凸形晶面的结晶在后。须知单凭这一方法往往是靠不住的,必须依靠其它相伴的佐证,例如自形晶受到明显溶蚀,被后成矿物的明显交代或脉状穿插等,才能作出正确的判断。这是因为矿物的自形程度主要决定于矿物的结晶力而不完全决定于生成的先后。当然,在熔浆或热液中能自由生长的早结晶的任何矿物,总是能结成自形晶,但结晶力强的矿物例如黄铁矿、毒砂、辉钴矿、锡石等,即便与其它矿物同时结晶甚至较晚结晶,也可以形成自形晶,这在矿石中和实验矿石中是屡见不鲜的。至于牙痕结构,往往与互边结构很难区别,有时实际上也可能是相反的情况。所以,我们在以这两种结构判别生成先后的时候,总得另找补充证据予以验证为妥。

(二)矿物依次超复结晶

       矿物依次超复结晶是指一种矿物结束结晶之前,第二种矿物随若开始结晶,在第二种矿物结束结晶之前,第三种矿物随着开始结晶,等等。它们在结晶时间上和邻矿物之间都有同时结晶和分别先后结晶的现象。矿物依次起复结晶在文献上常见报道,但其真实性很值得怀疑。从现代观点来看,鉴别矿物超复结晶的结构并不是可靠的,同时在埋论上也往往是讲不通的。超复结晶是否存在,很值得重新探讨。

       最早研究矿物超复沉淀的是巴斯廷、格拉顿、林格伦、施瓦茨等。他们在为“国家矿物共生研究委员会”所写的论文中指出,两种矿物的不同晶粒,既有同时结晶的证据而又有先后结晶的证据,就属于超复结晶。又按照常理,矿物既可以出现先后依次结晶和同时结晶,当然也可以出现超复结晶。因此,以往矿相工作者经常化费很多时间,在镜下寻找超复结晶的证据。更有人认为超复结晶是极普通的现象,凡是不具明显先后结晶和间时结晶的矿物,都一概作为超复结晶看待。他们作为超复结晶的证据,也不外乎矿物间的自形程度和相互突入的程度等。

       如前所述,单纯凭矿物的自形程度来判断矿物的生成顺序往往是不可靠的,必须依靠其他相伴的佐证,才能作出正确的判断。对于凭矿物晶粒间相互突入的程度来说,怙况也是如此。以往矿相工作者常将二矿物晶粒间相互突入的作为同时结晶,而将被突入较多的矿物作为较早结晶,被突入较少的矿物作为较晚结晶,从而构成一对超复结晶的矿物。实际上这些矿物晶粒间相互突入现象很可能是互边结构、牙痕结构以及两面角的误解,不一定代表超复结晶。

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铁铝榴石,黑云母

       在巴斯廷、格拉顿、林格伦、施瓦茨等人当时具有权威性的论文中,曾对依次超复结晶作过论述。他们做过一种溶解有多种化合物的熔体试验。随着温度的下降,熔体中的化合物,根据它们各自在熔体中的溶解度,按一定顺序结晶。它们是依次超复结晶而不是依次先后结晶或同时结晶。倘温度冷却很快,结晶很细,也不显示超复结构。他们还认为很多岩浆结晶就与此相似。现在姑且不论其沉淀是否超复沉淀,倘将岩浆结晶作用作为超复结晶看待,显然是不合理的。因为象橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等铁镁矿物的结晶作用,是属于不连续反应系列而不是超复结晶。如将这些系列中经常出现的包晶结构作为超复结晶的依据,就很不妥当。又如玄武岩类中的包长结构,一般也认为是超复结晶,而实际上是同时结晶,因为长石与辉石晶粒之间,经常显示相互干涉的现象,这一点早经鲍文作过精辟的解释了。

       类如上述熔体试验的情况,也可以现代盐湖沉积的情况予以阐明。盐湖水中含有大量氯化钠,此外还含有K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Br-, CO32-等离子。按照巴斯廷、格 拉顿、林格伦等人的观点,由这些离子构成的各种盐类矿物,应当按照它们分别在水溶液中的溶解度依次超复沉淀出来。也就是一种矿物先开始结晶,在这种矿物还没有结束结晶之前,第二种矿物随着开始结晶,又在第二种矿物结束结晶之前,第三种矿物随着开始结晶,如此等等。但是,实际情况并非这样。这些矿物事实上都是按照一定相平衡图的规律依次结晶的。往往由于各种离子在水溶液中浓度的不同,随着温度的下降或水份的蒸发, 一种化合物首先结晶,接着第二种化合物结晶,或者由第二种第三种化合物同时结晶,或者由第二、三、四种化合物同时结晶等等。但是不会出现像超复结晶这样的情况。

       由此可知,所谓超复结晶得可能在理论上也是站不住脚的。

       近来仍有不少人仍认为超复结晶是一种普通和常见的现象,但决不能看作像以往那样的重要。须知超复结晶主要是凭结构特征识别的,而这种结构特征往往缺乏典型性,实际上可能是由其他成因形成的结构误解造成的。例如液态混溶而固态完全不混溶的二元体系, 往往A矿物或B矿物先结晶,然后A和B同时共结结晶。这就容易在结构上形成一种超复结构的印象(某些近结结晶的结构也是如此)。实际上先结晶的A或B,与A和B的共结体,在成因和结构上是不同的,不能作为连续的超复结晶看待。又例如某两种矿物本来是同时共结结晶,但由于一种矿物含量少,另一种矿物含量多,看起来就好像后一种矿物结束结晶较前一种为晚。除此以外,将同时结晶和先后结晶的结构,容易误解为超复结晶的产物,还可以由体系没有达到真正平衡的状态,以及光片上二度空间的结抅,不足以反映三度空间的真实结构等原因造成。

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磁铁矿、角闪石

       此外也有人从不同观点来解释超复结晶。派克认为:矿物结晶的次序,基本上决定于矿物的稳定范围。这些不同矿物各自的稳定范围,不论它是岩浆的、气成的、热液的、表生的或变质的成因,也不论它生成的温度或深度如何,总是相当恒定的。但由于含矿溶液在它运动的过程中难免在性质上发生逐渐变化,不同矿物将在溶液通道的不同部位生成? 当一种矿物在某一部位或某一深度的条件下结晶,另一矿物可在另一部位或深部在不同的条件下结晶。因此,一种矿物的沉淀,在不同空间和时间上一般可以超复其他矿物。又含矿溶液的温度、压力或化学成分的微小变化,也可以导致矿物结晶正常顺序的改变,甚至引起顺序的倒置或沉淀的间断。此外,在一多阶段成因的建造中,每一阶段常有它自己的矿物生成顺序,从而使任何两阶段中矿物生成的次序难以严格相同。……所以,鉴定矿物生成顺序不是简单的事。真正的矿物共生顺序,不可能只用少数的几个标本,而必须在矿床的不同部位采集标本,并磨制很多光片和薄片,经过认真细致地观察后才能确定下来[14]。 从上述派克的论述可知,他显然是将全矿床不同阶段、不同部位的矿物生成顺序综合考虑的。这里必须指出,这种综合的分析法对深入研究矿物共生关系是不利的。现在一般已将不同阶段的矿物分别论述其共生关系,今后对同一阶段不同部位和深度出现的不同情况, 也应分别予以注意,以便进而査清其各部位物理-化学条件改变的实况。

       矿床中不同成矿阶段的成矿溶液,一般认为是相当均匀的。它们都可以作为一个大体系看待,其中包含各种金属阳离子和各种阴离子与阴离子团。这些组分在溶液成分和温度、压力等条件逐渐改变的过程中,各种矿物遵循相平衡原理依次结晶出来。但是,由于脉石矿物,例如石英、方解石、高岭石、绢云母、长石、电气石、辉石、石榴石等,与金属矿物在化学成分上很少联系,因此与脉石矿物有关的组分可以看作是另一体系,金属矿物体系和脉石矿物体系互相平行进行而不相干扰。所以,就这两大类矿物来说,相互间先后结晶、超复结晶以及同时结晶的情况总是可以存在的。

       至于脉状和网脉状矿物生成在后是显然的它们还可能属于不同成矿阶段或成矿期的产物

(三)矿物同时结晶

       矿物同时结晶是指两种或两种以上的矿物,在同时和同地开始结晶和结束结晶。那些在同时而不在同地开始结晶和结束结晶的情况,由于晶粒间并非相互接触生长,不容易确定它们是否真正同时,这一情况须另作专文讨论。本文中所说的同时结晶的矿物,是指相互接触生长的同地结晶矿物

       如所周知,由固溶体分解作用形成的不混溶(出溶)矿物对,是同时生成的矿物。其中含量较少的矿物常呈星状、乳胶状、板状、格状晶,沿主矿物的晶格分布于主矿物中, 或者析出于主矿物晶粒的外围,形成链状或网环状的细粒聚晶(结状结构)。又由共结作用形成的共结体矿物对,也是同时生成的矿物。典型的共结结构为蠕虫状、微文象状、后成合晶状,不典型的也可形成粒状集合体。此外,那些由胶体重结晶作用生成的矿物集合体和由变质作用生成的变晶矿物集合体,也都是同时生成的矿物。

       除上述典型的同时生成矿物外,更重要的是常见的粒状矿物集合体。这种粒状矿物集合体可由两种或两种以上矿物在合适的条件下从同一均匀的熔体或溶液中结晶而成,也可由上述不混溶作用和共结作用在缓慢结晶或退火的条件下生成。对这种常见的粒状矿物集合体来说,确定它们是同时结晶还是依次连续结晶的集合体是重要的,而利用镜下的结构特点来判别它们是一种较好的方法。

       但是,应用结构分析来判断矿物是否同时结晶有时往往发生困难。这是因为很多矿石在生成后的相当长的地质年代中,难免遭受或多或少的区域变质作用,从而使原始的晶粒形态发生改变,失去了本来面目,另一方面也由于我们所观察的光片或薄片,只代表二度空间的晶粒面貌,对真正的三度空间就不一定有代表性。闪锌矿就是一个例子。以往它包含的乳浊状黄铜矿,一般认为是出溶或固熔体分解矿物。现在将闪锌矿的光片改成两面光的薄片观察,已发现乳浊状的黄铜矿实际上呈苔藓状,并交代闪锌矿⑴。

       矿相工作者一般认为矿物同时生成的最可靠证据是晶粒间的互边结构或互为边界结构。这一结构常见于黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、石英或方解石粒状集合体构成的脉状矿石中,它的特点是晶粒间界线呈平滑的波状,相互突入的程度几乎相等,看不出谁先谁后结晶的现象(图1)。这一证据是可信的,因为有些变质岩中的单矿物集合体,经常显示这种互边结构,石英岩、大理岩就是很好例子。但是,我们鉴定互边结构时仍须注意,因为它与牙痕结构和其它某些结构是容易混淆的。

       前已言之,以往一向认为矿物的自形程度是鉴定矿物生成顺序的很好证据。不仅认为自形程度髙的结晶在先,自形程度低的结晶在后,而且还认为自形而具有凸边的结晶在先,自形而具有凹边的结晶在后。现在看来,这一证据并不是可靠的。因为矿物结晶的自形程度,常与其结晶力有关。同时结晶的矿物,结晶力强的也可发育成为自形或较为自形,结晶力弱的则较为他形。这从人工合成试验可以得到证明。林格伦等人在为“国家矿物共生研究委员会”所写的论文中指出,在含有多种金属离子的水溶液中,一旦加入沉淀剂,可以同时沉淀出几种化合物,包括氯化物和硫化物等。沉淀物在干燥硬化后为结晶质,形成他形集合体。倘若化合物的结晶有强弱之分,则较强的趋向于形成斑晶。又如变质岩中的那些变晶矿物,谁都知道是同时生成的,但明显地表现出有变晶系列的现象。

       现在看来,单纯的自形往往不能作为结晶在先的证据,而作为与周围矿物同时结晶却是很可能的。自形晶必须伴随其他证据,例如溶蚀、交代等现象,才能作为早结晶的矿 物。如果自形真是早结晶的矿物,其生成温度一般当髙出周围矿物,因此将矿物用煤裂法分别测温也是一个很好的方法。

解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

绿柱石,黑云母

       总结上述,我们可以认为:

       一、两种或两种以上矿物的晶粒,如果互相密切接触,并显示互边或互为边界结构,则该结构是最好的同时生成的证据。这是因为同时同地生长的晶粒,在生长过程中互相抵触,不可能发育各自特有晶形的缘故。

       二、两种或两种以上互相密切接触生长的矿物晶粒,虽然晶粒的形态各不相同,自形的程度也有差别,但是如果它们之间不存在一种矿物明显较早结晶的特征结构,例如熔蚀自形、交代、包晶、反应边、假象等等,也表明是同时结晶的矿物。


二、矿物的共生姐合

       矿物共生组合是重要而复杂的问题。因为它牵涉到某一成矿作用中矿石的元素成分、 矿物成分和其变化范围,以及能否应用这方面的特点,参考有关现成的各种相平衡图,或者通过热力学计算,来解释生成这一矿物组合和有关物质组分、温度、压力、硫逸度、氧逸度、 酸碱度、氧化电位等物理-化学条件的问题。可是,到目前为止,矿物共生组合的含义仍较紊乱,各有各的讲法,从而也就影响其使用范围。下面先对矿物共生组合的含义作一些解释。

       矿物共生组合的外文,除paragenesis—词以外,也有人称为mineral paragenesis,近来美国学者也欢喜用assemblage—词。这一名词已应用了一百年以上。根据史奈德洪的解 释,所谓矿物的共生组合是指岩石和矿床中由同一成矿作用生成的一切共生的矿物,由此人们也就联想到它们之间应具有生成的顺序。又根据霍姆斯的解释⑶,这一名词是指与它们的成因有联系为特征的一套共生矿物。它也表示可由此推导它们的生成作用,和矿物间生成和蚀变的顺序。

       由上所述,可见矿物共生组合一词的原始含义,并不是很严格的。它只指明是一套同一成因的多种矿物集合体。既然可由此辨别矿物的生成顺序和蚀变顺序,说明它们既包括同一矿化阶段的矿物,也包栝不同矿化阶段的矿物。目前,矿相工作者已普遍认为不同成因类型的矿物集合体,不可称为矿物共生组合而应称为矿物伴生组合,但仍有不少人认为同一成因类型的矿物集合体是可以称为共生组合的,从而也就可以区别出矿物的生成顺序。我个人认为,既然大家还有这样的看法,仍可保留这一名词的这种含义。但是应说明它是广义的矿物共生组合,而不是下面即将讲到的更具重要意义的狭义的矿物共生组合。

       所谓狭义的矿物共生组合,是指在同一成因和物理-化学条件下,在同一的时间和空 间中,由一套元素共生组合生成的一套矿物共生组合。从这一定义中不难理解:既是同时生成,就不应当可以区分出矿物的生成顺序;既是同地生成,就不应当可以看出分別成堆生成。所以,狭义的矿物共生组合,应当是一套同时生成而晶粒间又相互密切接触生长的矿物集合体。

       上述定义是首先由实验岩石学者提出的。早在的年代前后,柯尔仁斯基就提出这样的建议,并应用于他的工作中(12〕。后来,1966年国际矿床成因协会(IAGOD)在西德弗莱堡开会的时候,曾举行过一次“矿物、地球化学、岩石与矿床的矿物共生组合专题讨论会”。会上通过矿物共生组合的新定义如下〔15〕:

       由不同成矿作用(processes)生成的矿物集合体(mineral assemblage),偶然地组合在一起,称为矿物组合(mineral association)。

       在时间上、空间上有一些限制,并特别被物理-化学定律控制而由一定成矿作用生成的矿物组合(mineral association),称为矿物共生组合(mineral paragenesis〉。后来温克勒在其1976年出版的《变质岩的成因》—书中,也提出与上述相同的意见,并着重指出同一矿物共生组合的矿物,是应当相互密切接触生长的。又巴顿等在1963, 1970年发表的论文中,还强调了矿物共生组合应处于平衡状态的重要性。因此,他又称矿物共生组合为平衡矿物组合(equilibrium mineral assemblage)。现在这一名称在国外巳用得较为普遍。

       上述定义第一条的所谓矿物组合,应与我国惯用的矿物伴生组合相符。上述定义第二条的所谓矿物共生组合,概括地说,就是认为只有那些同时同地并符合相平衡原理和相律生成的矿物组合,才能称为矿物共生组合。至于温克勒和巴顿等人的意见,只不过对怎样符合相平衡原理的条件,作了些具体的补充说明而已,他们总的想法,仍然认为只有那些同时同地并符合相平衡原理和相律生成的矿物组合,才能称为矿物共生组合。

       上述定义和各家之所以强调矿物共生组合,必需同时同地生成,并符合相平衡原理和相律作为根本条件的用意在于,倘几种矿物组合能证明它是属于同一矿物共生组合,也就可以应用相平衡原理和有关相平衡图与各种曲线,找出有关矿石生成的物理-化学信息,用来解释矿石的成因及其形成的物理-化学条件。这在一般的矿物组合是不可能的。

       那么怎样的一套矿物,能证明符合上述的条件,是属于同时、同地并处在平衡状态下生长的共生组合矿物呢?这是一个带根本性的而同时又是相当复杂的问题。总的来说,它可以凭镜下矿物结构的观察分析和应用相平衡原理,予以解决。

       矿物同时结晶的依据在前面已经详细阐述,不必再为重复。

       矿物同地结晶的问題前面也已述及。所谓同地结晶是指矿物是从同地的同一均匀的熔体、溶液或同一矿物集合体,经结晶或重结晶而成的矿物集合体。因此这些矿物必然互相接触生长。假使矿物为a、b、a三种,即a必须与b,c接触,c必须与a,b接触,才能算作共生组合。否则,如只有a,c 互相接触生长和a,b 互相接触生长, 而没有c,b 互相接触生长,那就说明它们原来不是一种均匀的熔体、溶液或矿物集合体, 而是由两种成分不同的上述物质构成,从而使新生成的矿物,形成a+b 和a+c两套矿物共生组合(图2)。

解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

       就同处于平衡状态来说,它是指矿石: 1.不存在例如放射纤维状、球颗状、环带状以及可明显分出结晶先后等等的不稳定矿物;2.矿石中的矿物数量应当与哥氏矿物相律不矛盾。矿物相律即:

解析矿物共生的顺序和组合 - 探矿者           - .

P (矿物数)≤C (组分数)

       倘矿物的数量超过组分数,表明体系处在不平衡或亚平衡状态,最后必将经过扩散作用,消灭超过的矿物数以达平衡。以此二元系的矿物数不能超过二、三元系的矿物数不能超过 三,以此类推。3.倘不出现上述的不稳定的现象,就可以作为已处在平衡状态。因为矿石生成后一般已经过很长的地质年代,既然能保持不变,本身也就是平衡的一个正面依据。

       综上所述,我们可将一套狭义矿物共生组合或平衡矿物组合所特有的各种依据总结如下:

1.结构上的依据:

        矿物晶粒间界线为互边接触界线。矿物的自形程度虽有差别,但不存在包晶、溶蚀、交代、穿脉等结构,以及单一晶粒内出现环带结构、放射状结构等反应不平衡的现象。不同矿物必须互相紧密接触生长。

2.反应平衡的依据:

       共生旷物的种类不多,符合相律中组分数、相数与自由度数的 关系。组合中不出现不应共存的矿物。在三组分三角形相图不出现连线相交的现象。不出 现上述反应不平衡的现象。在相同的温度压力条件下,相似的元素组合常生成相同矿物组 合。又在合成试验中,如果短时间内即达平衡,说明自然界长时间内更易达到平衡状态。

       凡是符合上迷结构上和平衡状态上准则的矿物组合,都可以称为同时结晶又达到平衡的矿物共生组合或平衡矿物组合。也可以概括地说:凡是矿物晶粒分布均匀,互相接触, 晶粒间突入的程度相似,不存在某一矿物晶粒真正首先结晶的特征,不出现溶蚀、交代、 包晶、穿脉、环带、放射纤维等不平衡现象的矿物组合,都可称为矿物共生组合或平衡矿物组合72

       在矿物共生组合或平衡组合建立之后,就可以应用相平衡原理和相律,为探讨和解释矿石的成矿作用和生成的物理-化学条件服务。相平衡图和相平衡曲线可帮助我们:1.预测和识别物相;2.认识矿石化学的趋向,即有关成矿溶液的性质及其在空间、时间上的变化;3.认识化学反应的特点和结构特点;4.了解可以共生和不能共生的矿物;5.识别矿物的平衡组合和不平衡组合;6.解释成矿溶液的性质和成矿作用的机理;7.估计成矿作用和其后变质作用中的温度、压力和硫、氧逸度等条件的范围。

       现以Fe-S,Cu-S两二元系和Fe-Cu-S三元系的相平衡图为例说明(图3、4与图 5、6、7)。三套图中出现的矿物有:陨硫铁(tr>、六方磁黄铁矿(分髙温hpo1,中温 hpo2和普通hpo>、单斜磁黄铁矿(mpo)、史密斯矿(Fe3S4),黄铁旷(py)、辉铜矿 (cc),蓝辉铜矿(dg)、蓝辉铜矿-辉铜矿固溶体(dg-cc)、铜蓝(cv〉、留色铜蓝(bcv)、 斜方蓝辉铜矿(al)、低辉铜矿(dj)、六方辉铜矿(hex, cc)、铜(co)、斑铜矿(bn)、斑铜矿固溶体、中间固溶体(iss)、伊达斯(id)、黄铜矿(cp)、硫铁铜矿(tal)、莫依霍克矿(mh)、哈硫铁铜矿(hc)、方黄铜矿(cb)、福库契利矿(fk)等。出现的两相组合广泛地分布于图5中,数量可达50种上下。为了避免烦琐,这里不再一一列出,请读者在图中査阅即可。出现的三相组合只局限于图5、6、7三图。现先以图7为例说明。图中右侧自上方的富硫方向向下方的贫硫方向由本文作者加入一条虚线,它表示体系中含铜量

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       约为5-10%(重量)的粗略位置。现为了配合后述的图8、9 二图便于探讨起见,只将虚线穿过的三相组合自上而下依次列出,它们是:cv + fk + py,cv + id + pg, id + dy + py, bn + cp + py, cp + mpo + py, cp + cb + mpo, cb + mpo + hpo, cb + hpo + tr, cb + tr + mh,tr + mh + hc,自此与铜铁合金有关的组合以及其它未通过虚线的组合一概从略。图 5和6中,id与s的连线根据巴顿与司各脱(1974)一文应予取消,而代以cv+py连线。因此图6中按上述虚线穿过的二相组合自上而下依次为:cv + py + s,cv + id + py,

       bn + id + py, bn + cp + py, cp + po + py, cp + cb + po (fss + po), iss + bn + po 等; 图 5中按上述虚线穿过的三相组合自上而下依次为:cv + py + s,cv + id + py, bn + id + py, bn + cp + py, cv + iss + py, (iss + py), iss + po + py, (iss + po), bn + iss + po 等。 应当指出,到目前为止,关于硫化物与硫盐矿物的相图并不是研究得很透彻的。很多相图以往已作了多次修改,一部分至今仍认为是由推想画出的,需要今后加以修正和确定。以本文所列的图3、4、5、6、7而论:图3本来就是粗略而带示意性的,现在已有较精确的图,但其中普通低温的六方磁黄铁矿(hpo)的实际情况仍未确定;图4问题较少,而其中低温蓝辉铜矿(dg)的行为仍有疑点;

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       图5、6中仅在1974年前不久作出,而在1974年就被巴顿和司各脱删去id+s线而代以cv+py线。现知很多相图出现问題,其关键在于与各人试验的配样方式、测试方法不尽相同,以及某些矿物不易淬火,常呈亚稳定状态出现等等因素有关。一般地说,髙温实验时反应较快,较易得到良好结果,倘在200℃以下,以至常温的实验,则往往由于反应迟缓,有的矿物不易晶出或一直呈亚稳定状态存在而不能达到平衡,而另外一些矿物作者则认为是平衡矿物,以致作出的图产生一些差异,不易被一致公认。所以,当我们应用相平衡图时必须注意,倘目的在于用来解释研究工作中的实际问题时,应当寻找最新图幅及其文字说明;倘目的在于用来作为例子说明一般作图方法上的问题时,则利用常见的图亦无不可用来作为例子说明一般作图方法上的问题时,则利用常见的图亦无不可。

       倘若我们在实际工作中见到某几个矿物的共生组合,就可以在相应的相图中査对是否也有这一组合存在,如有这一组合存在,就可以利用这一相图的资料及其文字说明,査明这一组合的稳定或平衡的物理化学条件,例如温度、压力、组分等。

       在多种相平衡图中, 较长用的图代表在地质上较常见环境中压力影响较小、温度影响较大的体系^在此,压力作为常压,只表示组分与温度的关系,这种相平衡图通称凝聚体系相平衡图。从这种图上就可以査出各共生组合或平衡组合矿物在温度上的稳定范围,例如tr+hpo组合在150℃以下稳定,hpo+mpo组合在310℃以下稳定,mpo+py在310℃以下稳定,cv+id+py在440℃以下稳定,如bn+id+py在500℃以下稳定,如+。bn+cp+py在550℃以下稳定,cp+mpo+py在310℃以下稳定等等。有的组合在图上未标出,可査其他资料。相平衡图中如有固溶体分解情况,同时已作出确实的固溶线,则可利用出溶矿物的定量比或其化学分析结果,根据固溶线找出矿石生成的最低可能温度,例如图3左方tr+hpo组合两旁的两条固溶线就可如此应用。

       矿物共生组合相平衡关系中最基本的因素当然是组分。其次是温度和硫、氧逸度,再其次为压力。温度对于相变化的影响是很灵敏的。因此在相图中表示温度-组分的相平衡图是很重要的(例如图3_8)。我们可将天然产出的矿物共生组合,利用这种相平衡图,查出这套共生组合生成温度的上限,也就是作为地质温度计应用。除温度以外,对硫化物、 氧化物矿物共生组合来说,硫、氧逸度或分压也是很灵敏的。试观图3—8,每一套共生组合的矿物,都是由硫含量的改变生成的,它们都可以用有硫蒸气参加的化学反应式表示, 例如:

       上列反应式又称为硫化作用反应式。当每一共生组合存在时,其相应的化学反应式必需为平衡反应式。

        这里就可以采用热力学的计算方法,先在热力学手册中找出平衡反应式中各化合物的标准生成热、标准熵、标准生成自由能、定压克分子热容以及热容与温度关系方程的系数,再根据各种公式,算出不同温度中平衡反应式的反应自由能及其与化学反应平衡常数(K)中硫逸度或分压(logfS2)的关系,从而找出不同硫逸度在这平衡化学反应中与温度的关系,作成二者属于单变量的关系曲线。

       因此,倘若代表这一平衡化学反应的矿物共生组合的生成温度已知,就可以找出其硫逸度的数值。现在绝大多数硫化物体系不同矿物共生组合的这一硫逸度-温度(logfs2-T)曲线都已作出,我们可以直接利用,而不必再去计算。图9是一个例子,详细的可查阅巴尔纳斯著作中的7.21—23三图。由于在这种图中可以圈出各种硫化物共生组合在图中的存在范围,因此又称为logfs2-T成矿格子。

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       现以希罗缪凯耶马等所作的Cu—Fe—S三元系实验相图以及巴顿与陶尔明二人所作的与其有关的logfs2-T图为例说明〔8]。希氏等的相图中,矿物是以所含的元素重量作计算,并且只画出贫铜部分,本文中虽没有引用,但与图5、6、7是很容易对比的。希氏等的相图共分525℃、350℃, 300℃三个等温面图。在三图中大致以含铜量10% (重量)为准(约与图7中的虚线相当),从富硫方向向贫硫方向自上而下沿其穿过的三相组合,作出温度组分的剖面图(T-x图),如图8所示。

       这样就可以清楚看出,自525℃左右下降到300℃ 以下,以至常温的每一个三相共生组合的共生矿物是哪一些及其上下变化的关系。由此从图上可知,在400℃左右的一段中,出现的三相共生组合和出现次序,与经过巴顿和司各脱修正后的图5是完全相符的,即依次为cv+py+s,cv + id + py, bn + id + py, bn + cp + py, cp + iss + py, iss + py, iss + po + py, iss+po等8个 (其中两个为二相)。低温的一段与图7相比,则只有第一的cv+py+fk第二的cv+id+py,第四的bn+cp+py, 第五的cp+mpo+py等四个组合相同,其它都难以对比,说明实验结果在低温条件下差别较大,不容易一致起来。巴顿和陶尔明则选择一些重要的具有前述硫化作用反应的三相 组合和个别二相组合作出logfs2-T图(如图9所示),使人们得以了解矿物共生组合的硫逸度与温度之间的关系,用来找出其生成温度或硫逸度的数值。

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       矿物共生组合的温度与压力的关系多不象上述两种关系明显,往往压力相差很大,而温度的改变很小。地壳中常见一共生组合在深度相差数千米仍能出现就说明了这一情况。但这一关系在研究变质作用和深部地质方面很有用处,对一般的成矿作用则意义不大。矿物共生组合的这一温度与压力的关系,必要时可用实验室方法测定,也可用热力学方法计算得出。

       用上述类似的方法,还可作出其它的相关曲线,以解释矿物平衡组合的生成条件,氧化电位与只值的相关曲线等。

       以上所谈的是关于矿物共生组合的重要性、鉴别的准则和在用来解释成矿作用方面的用途。其中也谈到矿物共生组合与矿物同时生成和化学反应处在平衡状态不可分割的关系,矿物同时生成除了在熔体和溶液中结晶以外,也还出现在矿石冷却过程和退火过程中,由固溶体矿物的出溶作用中,胶体矿物的重结晶作用中,以及变质岩的变质作用中。凡是出溶作用生成的矿物对、由重结晶作用生成的矿物,以及由变质作用生成的矿物,只要反应已达平衡,也都是矿物共生组合或平衡组合,同样可以利用相平衡原理和相图来解释矿物共生的机理和生成的条件。只不过它们的机理和条件,不是指原始结晶时而是指其后的电溶、重结晶和变质时的机理和条件而已。

本文来源于百度文库,作者:陈 正,系中国地质科学院矿床地质研究所所刊刊登文章。版权归原作者所有,致谢!   

2013年08月31日 - 探矿者           - The Prospector blog
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