Question

水-岩反应过程中的岩石化学变化

Answer 1

1.蚀变岩化学变化判断

为定量估计呷村矿区热水蚀变过程中岩石化学的变化，我们在前人分析的200件样品基础上，选择了另外30件强烈蚀变和轻微蚀变岩石在日本地调所进行了补充分析。表3-9列出了分析精度大于5%的部分代表性样品的分析结果。

据Na₂O+K₂O含量、K₂O/（K₂O+Na₂O）比值和烧失量，将区内岩石分为三类：轻微蚀变岩石、蚀变岩石和强烈蚀变岩石。轻微蚀变岩石保留原岩结构和原生矿物组合，具最小的Na₂O、CaO损失和烧失量，最低的K₂O/（K₂O+Na₂O）比值。强烈蚀变岩石则与之相反。

强烈蚀变作用对岩石化学成分的影响可根据在蚀变过程中的不活泼元素，如高场强元素进行估计。这些不活泼元素主要包括Zr、Hf、Ti、Al、Y等。对于成分相同、蚀变程度各异的一系列岩石，由于化学分析结果均是以百分比的形式给出，因此，尽管Zr、Hf、Ti、Al等元素在蚀变过程保持稳定，但是岩石蚀变引起的物质带出带入，必然影响这些不活泼元素的分析值。很明显，物质加入岩石，导致岩石物质总量增加，Zr、Ti、Al等含量降低；物质带出岩石，造成岩石物质总量减小，Zr、Ti、Al分析值相应增大。因此，在Zr-Al₂O₃（图3-18）、Zr-TiO₂（略去）图中，成分相同但蚀变程度各异的一系列岩石均应处在一条通过原点的直线（蚀变线）上，强烈蚀变岩石因发生物质大量带出带入，而应位于蚀变线的端部，轻微蚀变岩石则应位于上述端部之中间（图3-18a）。在呷村矿区，同成分的蚀变岩石大多构成一条通过源岩的直线（图3-18b），证实Zr/Al比值在岩石蚀变中保持稳定，强蚀变（硅化）岩石位于直线靠近原点的一端，而部分绿泥石-绿帘石化岩石则位于直线远离原点的另一端，表明硅化作用导致一些物质加入原岩之中，绿泥石-绿帘石化造成一些物质从岩石中被带出。

图3-18　呷村矿区长英质岩系Zr-Al₂O₃图

依据上述判别标志，可鉴别出三套轻微蚀变岩石：下部长英质岩石，SiO₂为（72±1）%,Zr为（170±4）×10^-6；上部长英质岩石，SiO₂为（73.4±0.5）%,Zr为（190±10）×10^-6；白色流纹岩穹丘，SiO₂为（84±2）%,Zr变化于（317～517）×10^-6之间。三者的REE配分型式均为LREE富集型（别风雷，2001），证明三者间存在明显的成因联系。自下部旋回英安流纹岩到最终就位的高硅流纹岩穹丘，SiO₂含量增加，而Al₂O₃、K₂O、Na₂O含量降低，符合正常的岩浆结晶分异趋势。它们构成的结晶分异线，显示典型的钙碱性岩浆分异演化轨迹。

2.岩石蚀变过程中的物质变化

由于Zr、Al、Ti等在岩石蚀变过程中的相对稳定性，因此，在不活泼元素点图（如Zr-Al,Zr-Ti）中，同成分的不同蚀变岩石构成的蚀变线与轻微蚀变岩石构成的岩浆分异线的交点，可确切地代表蚀变的原岩成分。

岩石蚀变引起的物质变化，实际上是蚀变岩石与其原岩间的组分含量差异。如果蚀变前原岩成分一定，那么，蚀变岩的不活泼元素（如Zr）变化就可以根据原岩中的不活泼元素（Zr）丰度来限定。利用Zr_原岩/Zr_蚀变岩因子重新调整活泼元素含量，可得到实际的蚀变岩石成分，其与原岩成分差异便为蚀变过程中的物质变化，即：

物质变化＝原岩成分-蚀变岩成分×（Zr_原岩/Zr_蚀变岩）

在呷村矿区，上下两旋回的蚀变火山岩分别构成两条近于平行的蚀变线（图3-18b），它们与分异线的交点给出这两大旋回的原岩Zr含量，分别为190×10^-6和175×10^-6，与最轻微蚀变岩石的Zr含量大体相当（表3-9），由此估算的蚀变原岩及其蚀变过程的物质变化见表3-10。

表3-9　呷村矿区长英质火山岩系代表性岩石主要成分（w_B/%）和微量元素（w_B/10^-6）分析结果

表3-10　呷村矿区下长英质岩系代表性物质成分（w_B/%）和微量元素（w_B/10^-6）变化

表中“-”表示物质带出；其他表示物质带入

在石英-钡冰长石蚀变带，最重要的物质变化是SiO₂和K₂O加入岩石，Na₂O和CaO淋出岩石，与日本黑矿蚀变岩筒组分得失基本类似，反映了斜长石的分解和石英-冰长石的形成。Ba和K的行为类似，通常加入岩石，但Ba的加入量大于K，导致了钡冰长石的形成。全铁加入岩石为该蚀变带的另一物质变化特征，反映了黄铁矿化与硅化密切伴生。

在绢云母-石英蚀变带，SiO₂、K₂O、Ba加入岩石，但加入程度减少，Na₂O和CaO没有明显变化，全铁和部分金属元素有所损失（表3-10）。

绿泥石（绿帘石）化带的物质变化别具特色，SiO₂明显损失（13%）,MgO和CaO加入岩石，而少量的Na₂O和K₂O淋出岩石（表3-10）。Cu、Pb、Zn以中等量加入岩石，反映了蚀变岩筒根部硫化物矿化特征。

下部火山旋回的物质变化量较小，重要的物质变化是SiO₂和Na₂O加入岩石，CaO带出岩石，反映了低温海水-岩石反应和热水蚀变中斜长石的溶解和钠长石的形成。金属元素在蚀变岩筒附近以中等量加入岩石，远离蚀变岩筒，则被海水轻微淋滤。

图3-19展示了不同蚀变带单个蚀变样品的Cu、Pb、Zn物质变化。应用蚀变岩筒范围内256件不含矿的长英质岩石加权平均成分和蚀变前原岩成分，估算了整个蚀变岩筒岩石的平均物质变化。由图可见几点重要事实：①蚀变岩筒内的岩石，平均获得Cu37×10^-6、Pb230×10^-6和Zn380×10^-6。最大的物质变化出现在石英-钡冰长石蚀变核，约Cu1000×10^-6、Pb2000×10^-6和Zn600×10^-6在热水蚀变中加入到蚀变岩筒内的单位体积岩石中（图3-19）；②远离蚀变岩筒，岩石或损失或获得少量金属元素。在区域蚀变岩石中，少量的Cu10×10^-6和Pb40×10^-6被淋滤，Zn变化不定，变化量很小；③Ba（略去）类似于Cu、Pb、Zn，亦大量地加入到蚀变岩筒中。远离蚀变岩筒，Ba亦不显示明显的亏损。

图3-19　呷村矿区长英质岩系蚀变过程中的Cu、Pb、Zn物质变化图

图中曲线根据元素在蚀变过程中产生的物质变化估算量圈定：实线为Cu、Pb、Zn元素变化率；虚线为Cu、Pb、Zn变化量分别为大于40×10^-6、大于230×10^-6、大于380×10^-6的物质变化区＃7、＃20、＃25分别为7号、20号和25号矿体；图中横直线为勘探线，数字为勘探线号；圆圈为采样点

3.水-岩反应与热水运移轨迹

热水流体在其通过火山岩系向海底排泄过程中，势必与周围岩石发生反应，留下其遗迹。因此，水-岩石反应引起的物质化学变化则可准确地圈定热水运移轨迹。图3-19圈定了3个物质明显变化区：一个处于20号矿体附近，Cu、Pb、Zn变化量分别高达1000×10^-6,2000×10^-6和600×10^-6。20号矿体以脉状-网脉状矿体为特征，绕其发育石英-钡冰长石蚀变核和液爆角砾岩筒，表明这个成矿物质强烈富集区标志着热水流体的主干喷射通道和喷口。第二个物质显著变化区位于25号矿体北侧，矿体产于上部长英质旋回的下部岩系，绕其发育绿泥石化带。绿泥石化带空间位置与物质显著变化区吻合，因此，该区代表了形成25号矿体的热水流体补给通道。第三个物质显著变化区出现于下长英质旋回的英安质-流纹质岩系，Cu、Pb、Zn富集量分别为20×10^-6,50×10^-6和15×10^-6。富集区外围，Cu、Pb、Zn保持基本不变（如北侧），或略有变化（变化量＜15%）。该区附近的岩石发生强烈绿帘石化，并发育众多绿帘石-硫化物脉系，揭示该区标志着源自深部的热水流体经过下部长英质岩系的运移通道。