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岩浆熔融体中元素的存在形式

(岩浆岩成矿系列之一)

转自:刘先生的地质新浪博客

【按】岩浆岩成矿专属性,其本质是岩浆作用地球化学对成矿的控制。

关于岩浆岩成矿的专属性,典型的是基性、超基性岩相关的矿床,及稀有、稀土金属矿床。关于稀有、稀土金属矿床前面已写过部分文章,如《稀有、稀土金属矿床工业类型》、《稀有、稀土金属元素地球化学》、《稀有、稀土金属矿床地球化学》等。接下来想再写一些岩浆岩成矿专属性文章,从更深层次剖析岩浆岩成矿的专属性。

这一组文章筹划已久,也早已动手了,近期又经过一些补充与完善,后续陆续贴出来,供地质找矿工作者参考与讨论。

 

一、岩浆的起源问题

岩浆是地球物质部分熔融的产物。在部分熔融过程中,新产生的液相优先富集不相容元素,在残余固相中则相对富集相容元素。地壳上分布最广的花岗岩、玄武岩和安山岩。

图1(来源:“桔灯勘探”微信号,版权归原作者所有)

1、大量实验证明,花岗岩类岩浆主要是陆壳岩石部分熔融的产物(原地重熔),它们不能直接来源于上地幔。

2、玄武岩岩浆是上地幔物质局部熔融的产物,玄武岩的87Sr/86Sr 值均在0.7047~0.7101 之间,都是从深部带入地壳的上地幔物质。

3、安山岩主要产于俯冲带上,大陆内部也有安山岩分布。一般来说,分布于大陆边缘和岛弧的安山岩为钙碱质的(CaO>Na2O+K2O),而分布于大陆内部的安山岩则为碱钙质的(CaO〈Na2O+K2O)。安山岩岩浆可能包含了多种作用过程包括各种源区、分离结晶、岩浆混合和同化混染等的相互叠置。

4、金伯利岩上地幔成因岩石,金伯利岩中含有上地幔的高温、高压矿物和深源捕虏体。

二、岩浆岩的相带

一些岩浆岩,有完整的相带(边缘相、过渡相、内部相),控制着矿床的分布。不同相带所具备的一般特征如下:

边缘相:结构构造方面结晶程度较差矿物颗粒小斑状构造较多,脉岩相当发育,具有很大的捕虏体及析离体且排列方向很好,流动构造(特别是流面) 较发育,矿物成份不够均匀。

过渡相:结构构造方面结晶程度一般不等粒结构较多,脉岩一般较少,捕虏体、析离体较小且排列零乱,流动构造主要表现为流线,矿物成份比较均匀。

内部相:结构构造方面结晶程度好矿物颗粒大等粒至中粒结构,脉岩比较罕见,少见捕虏体和析离体,流动构造不明显,矿物成份很均匀。

如北山地区小狐狸山钼多金属矿床。

图2 小狐狸山钼多金属-稀有金属矿地质略图(王继春等,2011)

矿区内深成侵入岩主要为早三叠世酸性-超酸性铝过饱和花岗岩;也是本区的含矿岩体,面积约4.05km2(图2),岩体呈岩株状产出(王继春等,2011)。小狐狸山矿区含矿花岗岩岩体内部分异明显,将花岗岩按其蚀变特征可进一步划分为三个相带(内蒙古自治区地质矿产勘查院,2008),即边缘相、过渡相和中心相。

(1)边缘相:岩性为灰白色云英岩化细粒似斑状花岗岩,细粒含斑花岗结构,齿状镶嵌粒状变晶结构,块状构造。其矿物成份石英约含50%~75%,黄玉约含10%~20%,长石(交代残留体)含10%~20%,其它矿物有:白云母、锂云母、萤石、方解石等少量,金属矿物有黄铁矿、锡石、辉钼矿。分布在矿区南端顶部以及与围岩的接触带内,呈新月形分布。

(2)过渡相:岩性为灰白色钠长石化中细粒似斑状花岗岩,分布于中心相岩体四周。岩体呈灰白-粉红色,中细粒似斑状结构,基质齿状镶嵌变晶结构,块状构造。矿物成份:变余斑晶正长石1~3.5mm半自形晶约,含20%;石英1~4mm半自形柱状-粒状约,含15%;基质由大量的0.05~0.15mm板条状-粒状交代形成的钠长石约,含50%;不规则粒状石英,约含15%。

(3)中心相:岩性为浅肉红色钾长石化中粗粒似斑状花岗岩,分布于岩体中心部分。该带岩石具似斑状结构,基质为中粗粒似斑状结构,块状构造。岩石斑晶主要由条纹长石、反条纹长石、石英组成。斑晶粒度大小变化在2~10mm间,部分形成聚片状。

区内钼矿床类型可分为云英岩型和斑岩型两类,以斑岩型为主体。钼矿体主要产于岩体过渡相和边缘相的钠长石化带和云英岩化带中。

三、硅酸盐的结构

鲍温反应系列左一支矿物结晶顺序具有明显的规律:最初析出的是橄榄石(岛状硅酸盐),接着是辉石(链状硅酸盐),然后是角闪石(带状硅酸盐),再后是云母(层状硅酸盐),最后是石英和长石(架状硅酸盐)。

其总的顺序为:[SiO4]4→[SiO3]2→ [Si4O11]6→ [Si2O5]2→ [SiO2]。

硅酸盐的结构特征与硅的离子化程度有关。

在岛状构造硅酸盐中,O↓-的键价电子与Si↓↓↓↓的键价电子成共价键结合,氧的电价电子(负电荷)则与Fe2+、Mg2+等阳离子成离子键结合。

环状与链状构造的硅酸盐中,O↓-与Si↓↓↓+形成三个共价键和一个离子键,硅氧骨干的两个有效负电荷则与骨干外的阳离子成离子键结合。

架状构造Si↓↓++与O↓-以两个共价键和两个离子键结合成SiO2,当Al↓↓+置换Si↓↓++时,则硅氧骨干的一个有效负电荷与骨架外的阳离子(碱及碱土金属低价阳离子)形成离子键,带状和层状硅酸盐的构造具有过渡性质,带状构造中1/3 的硅呈Si↓↓++状态与架状相似。其余部分则呈Si↓↓↓+状态与链状相似。层状中Si↓↓++及Si↓↓↓+各占1/2。

(注:“↓”——共价键,“+”——离子键正,“—”——离子键负)

表1  硅酸盐的结构特征与硅氧离子关系表

 

 

四、岩浆熔融体中元素的存在形式

硅酸盐岩浆熔体中有所谓“群聚态组”存在,群聚态组就是熔体内具有有序结构的局部区域,是由硅氧四面体聚合而成的巨大而复杂的络阴离子。[SiO4]4的四面体中O的有效静电荷等于1,彼此以角顶相联,形成[SiO4]4三度空间相连接的网格状结构。

在岩浆阶段,[SiO4]4网格处于迁移活动之中,这种网格中Si—O的结合是不稳定的。O2不断与[SiO4]4网格一面结合,一面分离,发生一系列动态平衡,瞬间形成各种[SixOy]群聚态组,它们能否固定下来,要看阳离子的性质。也要看Si/O的相对含量。随着岩浆逐渐结晶,岩浆中的Si/O由1/4增加到1/2,其聚合程度也逐渐增高,结晶格架由岛状演变到架状。

这些硅氧四面体的网格构成了硅酸盐熔体的骨架。金属离子与Si在争夺O方面力量相当的可以进入网格而代替Si。

首先,金属离子代替Si以Al为主。当熔体中Na、K含量丰富时,Al3呈四次配位[AlO4]5代替硅氧四面体中的部分硅,形成Al—O—Si骨架;当Na、K含量不足时,Al3则在Al—O—Si络合物骨架之外,呈Al—O独立群聚态组(呈六次配位)。因为Al3的电价较Si4低,而半径较大,故Al—O键比Si—O键弱,在晶格中代换的量,Al/Si<1时才能稳定,多余的Al仍倾向于在网格外成自由离子。Zr4+、Ti4+、B3+、Be2+等在一定条件下也可以代替Si4+成[TiSi4O12]4、[BAl2Si2O10]3、[BeSi2O6]2、[ZrSi4O12]4等网格。由于上述类型的硅氧四面体所聚合而成的硅氧络阴离子是硅酸盐熔体中“群聚态组”的主要类型。

其次,离子围绕金属阳离子而成的氧化物多面体,是硅酸盐熔体中群聚态组的另一重要类型。这种氧化物多面体中的阳离子包括Mg2+、Fe2+、Fe3+等。它们只有当Si、Al极少时才能代替Si,一般多在网格之外呈自由离子;当K、Na等碱金属富时,又能同争夺O2,并与O2形成独立的群聚态组,在熔体中达到一定饱和程度时就形成磁铁矿,赤铁矿和其他金属氧化物。K+、Na+、Rb+、Cs+、Ba2+等在争夺氧方面根本不能与Si 相比,因此只能排除在[SiO4]4网格之外呈典型的自由离子,有时也起电荷补偿作用进入晶格。

围绕着这些阳离子,部分氧与它们也可以一面结合,一面分离,瞬间形成各种配位多面体式群聚态组。如:

Men++x O2====[MeOx] 2xn

式中,Me代表金属元素样在岩浆中既存在着[SixOy]群聚态组又存在着MeO群聚态组的动态平衡,致使岩浆在各个部分都具有微小的差异和不均匀性,这种差异性随着温度、压力和岩浆成分的变化而在不断变化着。随着岩浆结晶,两种群聚的平衡态逐渐稳定统一起来,成为主要造岩矿物晶出。

第三,在以离子液体为主体的硅酸盐熔体中,除上述两种重要群聚态组类型外,也还存在有被溶解的金属原子(如Pt)和金属硫化物(如FeS)分子的电子液体。

总之,岩浆熔体是一种复杂的,显微多相的,主要是离子的液体。这种离子液体以硅氧四面体的群聚态组为主体,同时含有相当数量的金属阳离子的氧化物多面体。此外,在硅酸盐熔体中也存在有被溶解的金属原子和金属硫化物分子的电子液体。根据现有的资料,岩浆熔体中造岩元素和成矿元素如果还有其他的存在形式,看来也是次要的。

 

参考文献:

王继春.北山地区小狐狸山钼多金属矿床成矿类型及找矿方向[J].地质与勘探,2014,50(5):921-931

戴塔根,龚铃兰等.应用地球化学 .中南大学出版社,2005年。

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