元素迁移的影响因素

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元素发生迁移的根本原因是元素按照自身的发展规律不断地演化。元素演化的结果打破了原来的平衡，而各种元素在新的物理化学条件下又力求保持相对平衡。这种矛盾的发展，就是迁移的动力来源。由此可见，影响元素迁移因素有外因和内因，也就是元素本身的状态、组成和存在形式以及元素所存在的环境。

1.元素迁移的内因

◎存在形式：它影响着其活化转移的能力，显然呈气态的元素的活泼性要强于呈液态和固态的元素，呈吸附离子态的元素迁移能力要强于参与矿物晶格的元素。尤其是元素空间位置的明显变化，一般都要借助于气态或液态介质的搬运才能实现，甚至在固体状态发生的交代和变质作用，也有孔隙溶液的参加。

◎地球化学亲和性：它反映了元素在地质作用中的化学行为和存在形式，也决定了元素迁移的目标源。

◎原子的重力性质：它是原子量大小的具体体现，主要决定了元素的位置，是在上还是在下、能否分离、分离状况如何等问题。在表生作用中，物质的搬运、沉积（沉积分异）以及在内生作用中，岩浆熔融体的结晶分异等都是由于元素重力性质不同造成的。

◎浓度：它是影响元素迁移的物理化学因素之一，也是扩散作用产生的主导因素并将导致元素的富集与分散。

◎氧化还原电位：它是衡量元素氧化还原能力的标准，它决定了元素离子价态的迁移能力。例如，一些变价元素（如Fe，Mn，Co，Ni等）的高价化合物易于水解，故这些元素的低价离子态较高价离子态更易于迁移。

2.元素迁移的外因

◎化合物和矿物的性质：化合物和矿物的硬度、熔点、沸点和溶解度都将对元素的迁移产生较大的影响。例如，溶解度决定了元素进入溶液的难易程度，从而影响了元素的迁移能力。

◎化合物和晶体的能量性质：化合物越稳定元素迁移能力越弱，晶格能不仅可以衡量晶体内元素的稳定性，而且可以判断化学反应进行的方向和矿物从熔融体或溶液中晶出的顺序。

◎温度和压力：温度决定元素及其化合物的物理状态，即呈气态、液态还是固态，元素构成的化合物溶解度的大小等；这些反过来又直接影响元素的迁移能力，而压力的变化是引起气态和液态物质流动和渗透的直接原因。

◎酸碱度：溶液酸碱度的变化不仅影响氧化还原电位，而且也影响着化合物的溶解度，也可影响元素的迁移能力。

正是内外因的影响，才导致了元素迁移的复杂性和多样性，同时也造成了元素的富集与分散，从而决定了矿床的存在与否。

改造作用中元素的迁移

形成金矿床的决定因素是金以何种方式从岩石中被活化、萃取出来，被热液搬运，并随后在适当地方沉淀富集。

太古宙变质岩系的叠加作用和变质作用，以及新元古代玲珑超单元的形成，对于胶东地区金从岩石中活化转移到变质热液、深熔岩浆热液中起了重大作用。这些热液从深处向地表运移时，在有利地段可形成金矿点。中生代时，郭家岭超单元形成，区域上由于太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压和幔源岩浆侵位，在区内产生高热流体，加上断裂作用释放的巨大能量转换为热量，引起深部岩石的重熔（包括玲珑超单元的花岗岩的受热改造和与之有关的伟晶岩、煌斑岩脉的生成）。这时岩体就像一个热泵，引起周围和深部热液沿其裂隙对流循环，继续从岩体和围岩中淋滤、富集金等成矿元素。随着本区地壳不断隆起和剥蚀，在近地表的胶东岩群变质岩系和玲珑超单元的花岗岩中，产生压力降，溶解有金等成矿元素的热液流向地表，并与沿裂隙循环的雨水和地下水发生混合，最后在有利的构造部位金沉淀富集成矿。

研究表明，在氧化电位很低的条件下，如果温度低于350℃，金主要呈硫化氢络合物搬运，这种络合物的稳定性在很大程度上取决于pH值，在中温中深热液金矿的近中性、中碱性NaCl-H2O-CO2流体中，主要络合物为[Au（HS2）]－，在温度高达300～350℃、pH值近中性时，[AuHS]°类可以变得更为重要。在300～350℃的高FO2流体中可以发生氯化物络合作用，在较低的温度下，氯化物络合作用似乎不能使Au有很大的活动性。由此可知，在早期的高温（350℃）条件下，硫主要呈H2S气体形式存在，Au呈硫络合物形式迁移的可能性极小，主要呈氯的络合物，如[AuCl2][AuCl4]－等形式存在，随着热液的迁移，温度降低（<350℃）,Au转为以[Au S2]－和[AuS2]3－、[Au（HS）2]－,[Au（HS）2S]2－等形式搬运为主，它们与热液中的碱质，主要是钾和钠组成各种络合物进行迁移。在热液向低能扩容带迁移过程中，由于发生钾化，而消耗了大量的钾，热液由弱碱性变为中性－弱酸性。金络合物由于温度的降低和p H值的改变而变得不稳定，发生离解：

胶东金矿地质

其中释放出的S2-离子与围岩和热液中的Fe、Cu、Pb、Zn等结合形成黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿等硫化物，从而形成了目前所见的多金属硫化物中的粒间金和包体金。裂隙金的形成是由于含金热液的多期次活动造成的，裂隙金的形成晚于多金属硫化物，是在另一个物理化学环境下沉淀的。

元素迁移的化学模型

（1）改造作用中元素迁移的可能形式

当成矿元素从矿源岩中活化析出后，如果不经过一定的汇集，仍可能就像科拉半岛深部分散于岩石中的含金流体一样，形不成成矿热液；德国发现的高温高矿化度流体已经在4000m地下埋藏200～300Ma，仍未沉淀；美国内华达Lvanhoe地区的Hollister Mine金矿由钻孔中直接喷出含金热液，热液形成时代为13.6Ma，含矿热液分散于40Ma左右的玄武岩-花岗闪长岩中（Hollister等，1992）。由此可见，迁移是改造成矿中必不可少的。

有关改造作用中元素迁移的形式，论著很多，归纳起来，主要有以下一些重要观点：①以无机和有机络合物形式迁移，如金和银在含硫溶液中，均可与二硫化物离子结合成 和 络合物在溶液中稳定迁移（Woodeta1.，1987），在高盐度的贫硫溶液中贱金属主要以氯络合物形式迁移，据资料，产于沉积岩中的改造型矿床的成矿元素，都有可能以有机络合物、螯合物的形式迁移，王声远（1991）对国内外有机质搬运金属的研究成果作了系统总结；②金属的气相迁移，高温流体在迁移过程中，往往气、液相共存，除CO2和H2S等挥发性矿化剂组分外，某些挥发性强的金属或其络合物也必然有不同程度向气相转化的趋势，这种方式也可能是改造作用中金属迁移的一种形式，但目前这方面的研究较少，以这种方式迁移的金属能否形成矿床尚未可知；③SiO2的作用，几乎所有的改造型矿床都有广泛而强烈的硅化存在，有些形成石英脉型矿体。已有的研究表明，SiO2的存在对金、银、铅、锌等元素的溶解活化是有利的（涂光炽等，1988；王秀璋等，1992），实验表明，在有SiO2存在的溶液中溶解进入溶液的金属元素含量比无SiO2存在的情形下以数量级增长。王声远等（1993）的实验研究证实，在具地质意义的物理化学条件下，金硅络合物（ ）的含量远高于金氯络合物（ ）的含量，说明与硅络合对金的活化迁移比氯更重要；在含硫和硅的体系中，随着SiO2的增高，AuH3SiO4的作用将比 更重要。

（2）改造作用中元素迁移的驱动力

引起元素迁移的原因是相当复杂的，温度压力的不均衡、氧逸度的变化、挥发作用、压实作用及断裂构造的产生等都可能起着不同程度的作用。根据改造型矿床成矿特点分析，元素迁移最主要的动力为构造应力。封存于岩石中的建造水及沿断裂构造下渗的大气降水，虽然可以溶解活化矿源岩中的成矿元素，然而不经迁移富集，就会像科拉半岛的含金流体那样分散于岩石中。当构造挤压使岩石产生构造薄弱带——断裂构造时，分散于岩石中的含矿流体就会从高应力区向低应力区迁移而进入断裂构造中并沉淀成矿。由于构造挤压与引张的阶段性和波动性，往往造成常见的矿化多期次性和分带现象。

（3）改造作用中元素迁移的距离

这个问题是改造成矿作用研究中长期未能解决且研究较少的问题。具体到一个矿床，的确很难说清成矿物质迁移了多长距离，因为目前还没有能够用来确定迁移距离的地质和地球化学参数。以下几点或许可以提供一些线索：①改造型矿床的形成深度一般不超过3000m，多数在2000m以内，有些仅数百米，并且多数矿床大范围内的围岩无蚀变、无元素明显迁出的证据，这意味着成矿元素可能并非就矿体附近而来；②目前发现的成矿流体（尚未沉淀的含矿流体）都存在于地下3000m以下，多数在4000m以下，那些喷出地表的含矿流体其来源也是地下较深部位，据此推测，改造成矿作用中，成矿元素系自下而上迁移，迁移距离至少在1000m以上；③对于部分改造前已有工业富集的沉积改造矿床，诸多证据表明以就地改造为主，有些矿床也存在远距离矿液对其叠加改造的可能。

由上述实例可见,元素的迁移过程常常包含几个环节、几种作用机制,它们之间是互相制约的,每一个环节的作用机制都可以用代表性化学反应来表述。

实例1 中锡矿床形成中Sn的活化机制是花岗岩中黑云母的白云母化,其反应方程为

含Sn黑云母+K+→白云母+Sn4++ (Mg,Fe)2+

Sn4+在含矿溶液中络合迁移及水解沉淀可用下式表示

地球化学

两个反应方程概略地说明了Sn从活化到迁移沉淀的基本化学过程及其所反映的地质因素。

实例2 中潜水面附近二价铁被氧化形成含铁表土中针铁矿的过程:

地球化学

地球化学

上述两个实例的化学反应体系可以称为元素迁移的化学模型。虽然只是定性 (或半定量)地说明迁移的性质,但却是最基本的作用机制,是进一步深入进行研究的必要前提。

元素迁移化学模型的研究方法可以归纳如下:

(1)观察元素迁移的方法

确定元素发生迁移 首先应测定元素在空间、时间和不同成因介质中含量的变化,如图4-2a中Sn在深部围岩中的负异常说明Sn被活化带出;还可以计算一定体积内元素带出带入的总量。对常量元素可以采用岩石化学计算法或矿物含量计算法估计元素的带出和带入量。

观察元素赋存状态的变化 包括岩石和矿石中矿物组合的变化:如例1花岗岩中长石的钠长石化、黑云母的白云母化,云英岩带中的石英、白云母、萤石、黄玉组合及矿脉下部的石英、钠长石组合的更替,说明是元素迁移作用的结果。花岗岩黑云母中的类质同象形式的Sn和白云母化以后其中微粒锡石的赋存形式都证明Sn经过了重新组合。

作用物理化学条件的测算 在一些地球化学作用中有可能直接观察或推算,如流体包裹体测温、测压、盐度及成分的测定;在空间上条件的变化可以从构造裂隙的分布、各种地质地球化学界面的对比,如岩体的内外接触带、海水-沉积物界面、氧化还原界面、地层中不同岩性间的界面等都是物理化学条件变化地段。

(2)根据观察资料建立化学反应方程

根据地质事实列出反映作用化学机制的反应方程式,包括广泛的元素物理化学状态的变化,如矿物的多形转变、同位素的交换反应等。在地质作用产物中,当时存在的作用剂或流体相经常是不被保留的 (除一部分包裹体外),现在能观察到的只是固相形成物,如果还保留部分未变化前的地质体,如交代残留体,则可以首先列出反应前后的固相化合物构成的方程式,然后加入流体相 (作用剂)配平方程可以得到完整的化学式。在观察不到残留体的情况下,可以根据矿物产出的一般成因和本研究区的地质环境建立化学反应方程。对于一个地质体如一条矿脉几种矿物构成一个组合或有几个化学反应同时发生,则应选择主要的有代表性或有控制意义的反应进行研究。

图4-5 为美国蒙大拿州Butte 斑岩铜矿床中细晶花岗斑岩的显微照片,可见斜长石已经被绢云母和石英完全交代,形成典型的黄铁绢英岩化蚀变。这种蚀变现象在斑岩铜矿床中具有代表性,根据交代关系建立反应方程如下:

地球化学

图4-5 美国蒙大拿州 Butte 斑岩铜矿中强烈绢英岩化的细晶花岗斑岩

(据Seedorff et al.,2005)

长石 (白色)已经被完全交代为石英 (深灰色)和绢云母 (浅灰色)

式 (4-11)表示中长石蚀变为绢云母,为实现这样的转变所必需的流体相和产物流体相通过配平方程式求得。由式 (4-11)可见,绢云母化作用是一种水解反应,反应中需要 H+和K+的带入并结合到绢云母中去,释放出Na+和Ca2+,被残余热液带出,同时析出SiO2 (石英)。从反应方程还可以看出长石绢云母化是在较酸性环境中发生的;提高体系的 [H+]使反应向右进行。而反应结果体系酸度降低,溶液向偏酸性转化。

据赵伦山等 (1988),内蒙古甲生盘层状铅锌矿床细微颗粒黄铁矿与黏土质沉积物呈纹层状构造,其中的黑色条带为有机碳富集层。从对照矿区地质环境可以分析出黄铁矿具有沉积成因。根据地球化学资料,含矿层中黄铁矿和铅锌硫化物的品位与有机碳呈正相关关系。因此,由物理化学形成条件推断,沉淀黄铁矿所需要的 S2-为有机质还原海水 的产物,根据贝尔纳等(1980)反应方程

地球化学

H2 S与Fe2+及Zn2+、Pb2+等离子化合形成黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿和方铅矿,而 活度的增高导致在含矿层中普遍发育的碳酸盐沉积。

(3)根据理论相图分析作用的物理化学控制因素和地质条件

目前,地球化学对大量的自然化学反应已经进行了较多的理论和实验研究,积累了一批实验或计算的相图、曲线及参数。引证这些成果与研究区对比,对反应发生的条件、反应前后体系性质的变化方向以及共生反应的相互关系进行定性或半定量的分析。

以长石绢云母化反应为例,赫姆利 (Hemley,1964)和Montoya & Hemley (1975)已对包括反应式 (4-11)的体系进行了实验研究,并编制了T-lg [(aK+)/(aH+)]相图(图4-6)。分析相图可以了解到400℃时长石变为绢云母反应要求aK+/aH+≈103 ,绢云母在该比值范围内稳定,而在低温 (200℃)时,绢云母稳定范围的 (aK+)/(aH+)为103～105。因此长石的绢云母化受体系的T、aK+和aH+三个因素的控制。如果已经测知成矿温度,可以由相图估计aK+/aH+比值。如由包裹体成分研究得到成矿溶液的[K+],则可根据相图估计 [H+]。此外,根据长石的不一致溶解理论可以推测,绢云母化反应证明成矿作用发生在中低温 (T<400℃)和低压条件下,因为在高温 (>550～600℃)和高压 (>800×105～1000×105 Pa)条件下,H2 O 活度降低,富 K+的流体与斜长石将发生钾长石化而不是绢云母化。

图4-6 硅酸盐矿物稳定相图

(据Misra,2000)

1MPa总压力和 100℃以上饱和水蒸气压力条件下,根据K2O-Al2O3-SiO2-H2O-HCl体系实验确定的作为温度和lg[(aK+)/(aH+)]函数的硅酸盐矿物稳定相图

根据理论相图还可以从研究对象的矿物组合中存在和不存在的矿物,半定量地估计作用的T、P、 和 等条件。

总之,元素迁移的化学模型虽然只给出了定量或半定量的信息,但这些信息都直接依据于地质产物中观察到的事实,因此能够反映作用的总体特征,也是深入定量计算的基础。

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