Question

成矿过程剖析

Answer 1

首先就炭质（砂）板岩和角砾状超基性岩或蛇纹岩两种不同性质介质间的场性和成矿过程分析，按炭质（砂）板岩在上，角砾状超基性岩或蛇纹岩在下的空间产出关系，如以由热动力（非静电场力）的富成矿元素（带电粒子性质）的热流体自下而上运移至两介质接触界面处时，由于两介质所含有极分子和无极分子的类型和数量的不同，不仅会在接触两侧出现电势差，也会存在温度梯度和温差电动势。前者可由炭质（砂）板岩比角砾状蛇纹岩的低电阻性反映出来，后者按阿延年（2001）和王玉往等（1997）估计，矿石组合形成温度与现代大洋黑矿形成温度大体相近（约300～350℃），也与岩体广泛蛇纹石化温度近一致。这样，在炭质（砂）板岩和角砾状超基性岩或蛇纹岩间可完全建立起一种带电粒子由高温流向低温或从高电势指向低电势的电场场源。且按照电流方向和电场方向相向关系，或左手螺旋定则，其电场方向应指向角砾状超基性或蛇纹岩或矿体的一侧。

在这种电场作用下，在两种不同性质的电介质内，被极化的分子电偶极矩除规则排列外，还会在局部区域出现未被抵消的极化电荷。这种未被抵消的极化电荷在均匀电介质中只集中在表层里或两种不同界面层内。而在非均匀的电介质中，除表面有极化电荷外，内部也将产生电荷体密度（ρ），它们同样可改变外电场的强度和分布，或者说，电介质极化后所产生的一切宏观效应就是通过这些面和体密度电荷来体现的。这可由下式来表达：

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中：ε₀为真空电容率；σ为电荷面密度。

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

式中：ρ为电荷体密度；θ为面法线en与矢量P间的夹角。

表明电场强度同介质中极电荷的面密度和体密度呈一种正比关系，而且按电场强度与电势梯度的关系：

E＝-gradV

表明此种场强也等效于空间电势梯度的负值，方向指向电势降落方向的一侧。由此可大致勾画出两界面及介质内电场强度分布和变化示意图（图4.10）。所见两介质界面处的电场强度最高，向两侧逐渐降低，这种场势除迫使分子电偶极矩沿电场方向取向排列外，同时还受到一种合力作用，促使它们向场强方向迁移或移动，而且按照E＝

或ρ＝

的关系式，这种电偶极分子或带电粒子的迁移数量和浓集程度完全服从于电场强度的分布和变化趋势。场强越强，电偶极子带电离子的迁移速度和浓度程度越高。这一模型似乎与Ⅰ号矿体较相像（图4.9）。出现矿体顶上部为块状矿石向下逐渐变为稠密浸染状—条带浸染状矿石的垂向分带现象。

图4.10 炭质（砂）板岩与角砾状超基性岩或蛇纹岩接触带间电场强度分布和变化示意图

其具体的成矿过程，由矿体矿石类型的垂向分带性，以及矿石结构和矿物共生组合展示，发生在成矿过程中的三个世代矿物共生组合，某些方面亦可用电磁效应相互转换过程给予解释。例如，第一世代成矿组合，按元素或离子类型，大体应属于Fe-S-CO₂-H₂O体系，其中的铁可能主要源于超基性岩蛇纹石化析出或游离出来的Fe^2＋。而硫由表4.3和图4.11所见有明显两源性，既有深源硫，也有浅源硫同位素组成。其中的负值（δ³⁴S）可能来自超基性岩内的硫化物分解和深源热流体带来的硫，而富重硫（正值）的硫源主要与地层［炭质（砂）板岩］的H₂S、SO₂有关。另外，由矿石方解石脉石矿物的δ¹⁸O值（为11.32‰～12.98‰）提示，成矿体系中的氧同位素为海水和裂隙水混合型（王玉往等，1997），既有海水也有基岩（超基性岩和深源流体）水的参与。而碳同位素则由石英和方解石的δ¹³C_PBD15～45为-2.013‰～3.83‰值说明具有沉积碳酸盐碳同位素特征。

表4.3 德尔尼矿床硫同位素样分析数据

图4.11 矿石硫同位素组分（据宋忠宝等，2010）

（方块表示矿石硫化物δ³⁴S平均值）

由以上同位素组成，大致可判定，第一世代的黄铁矿-碳酸盐共生组合的成矿过程，可能正是两种不同性质介质中相关有极分子（离子）在一种非静电场力（或热动力）驱动下发生的电磁效应和场力作用下互动迁移的结果。而且，按照电流和磁感应强度的右手螺旋定则和法拉第电磁感应定律表达式：

磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用

表明在任何电场中，电场强度与所围面积的磁通量随时间变化率呈一种负值关系。或者反过来，按安培环路定理的∮_LHdL＝∑I表达式，所见磁场强度等于任何闭合曲面的全电流。结合电场强度与介质内体或面电荷密度之间的相关关系（E＝

或ρ＝

），大致可确定，在两介质间的磁感应强度和电场强度有一正相关关系，只是同电场方向相反，呈一种左手螺旋定则关系。而且，这种电磁感应范围很大程度上只限顶板有炭质（砂）板岩出现地段，离开此范围就不存在介质间的场势关系。这点似乎提示，在一定的热动力条件下，电介质间物性的不同，温差现象的存在，似乎是一些电磁效应发生的重要场所和必要条件。也是造成成矿元素（离子）有规律的迁移和浓集的主导性力源或场源（非静电场力）因素。

另一方面，从第一世代黄铁矿（磁铁矿）-碳酸盐矿物组合分析，该阶段的成矿过程明显受Fe-S和Fe-O两个体系控制。并以Fe-S体系为主。出现这种情况主要是因为Fe^2＋的晶体场稳定性，在硫化物结构中比氧化物结构中高。前者晶体场稳定能（GFSE）为73.7 kJ。后者（GFSE）为65.3 kJ。原因是Fe^2＋在硫、砷系统中有生成大量π键的能力。而π键的形成又使晶体场稳定能（Δ₀）比金属与配合体间只有σ键时应有数值大得多（伯恩斯，1967）。此外，碳同位素组成揭示，第一世代脉石矿物碳酸盐矿物的CO、CO₂应主要来自炭质（砂）板岩海相沉积的CO、CO₂。且按矿体中碳酸盐矿物含量的空间分布关系，这种碳酸盐化也应在界面附近最强，远离界面逐渐减弱而被绿泥石化或蛇纹石矿物所替代。有关这方面，从因子分析也得出，Ca、Co、和S、Fe为一族，关系较密切（章午生，1981）。

到第二世代的成矿过程，由黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿和碳酸盐矿物共生组合，说明此阶段的成矿熔体为一种Fe、Cu、Zn-S和CO₂体系。除Fe可能是来自超基性岩外，超基性岩似乎不是Cu、Zn物源所在，特别是Zn元素。据宋忠宝等（2010）资料，在609 个超基性岩样品分析中，Cu平均仅为0.0047%，远比炭质（砂）板岩0.013%（127 个样品分析平均值），安山岩的0.021%（28个样品）低得多。章午生和陈杰（1996）统计也得出，Cu、Co、Zn、S四种元素由矿体到围岩都是突变的，其间无任何组分扩散现象。说明超基性岩不是物源所在。对此，王玉往等（1997）推测，Cu、Zn可能部分由下伏玄武岩淋滤而来，这也包括杨经绥等（2004）提出的海底热液淋滤的物源性。而段国莲（1998）却认为，矿质一方面来自花岗岩热液，另外也来自上石炭统的斜长角闪岩。后者具他的统计资料，上石炭统的斜长角闪岩、变砂岩和大理岩Cu、Zn丰度高出克拉克值4～5倍。如Cu含量一般为200×10^-6～300×10^-6，平均为267.16×10^-6，少量可达500×10^-6～600×10^-6，而Zn的平均达128.17×10^-6。

按世代矿物共生组合和结构关系，所见黄铜矿和闪锌矿常呈固熔体分解结构，在粗大重结晶的黄铁矿颗粒中包有黄铜矿、闪锌矿、磁铁矿和碳酸盐颗粒，以及空间上产出Cu、Zn矿化既未穿过矿体顶板炭质（砂）板岩，也未在矿体外超基性岩中形成矿化情况分析，此世代的成矿作用完全是在第一世代的场源环境下形成的。这由矿石的硫、氧、碳同位素组成分不出世代异源性，以及黄铜矿、闪锌矿与黄铁矿都统属于抗磁性物质表明，此世代的物理场条件与第一世代并无多大差别。仍受角砾状超基性岩或蛇纹岩与炭质（砂）板岩介质的电磁效应控制，其间Zn上富下贫的现象是其标志之一。而且从粗大重结晶的黄铁矿环状结构反映出此世代的含矿熔体与第一世代矿物间还有一种反应交代关系。

与Fe^2＋相似，Cu、Zn元素同样具有与硫、砷准金属生成大量π键的能力。且与Fe^2＋相比，Cu、Zn的晶体场稳定能，在硫化物结构中比氧化物结构中高得多。如Cu^2＋在硫化物中的晶体场稳定能（GFSE）为184.6 kJ，而在氧化物中仅为90.4 kJ，二者相差近一倍。特别是Zn在矿体中出现上富下贫的现象，表明发生在Fe-S和Fe-O（H₂O）体系的电磁效应仍在支配着Cu-Zn-S阶段的成矿作用过程。

按矿物共生组合和微量元素含量特征，此世代的矿质物源可能是多层次的，既有近源的超基性岩和火山沉积岩，也有远源的中酸性侵入岩和古老基底变质岩系。如矿石中的Ni、Co、Cr、Ti、Ru、Os、Ir、Rh、Pt、Pd次要伴生组分明显源于超基性岩类，Sn、Mo、Be、U、Th、B、F等则是陆壳和中酸性岩类的重要微量元素组成，而Au、Ag、Se、Cd主要伴生组分物源性相对较杂。这样，由矿石主要元素和微量元素组成反映出，德尔尼铜钴矿床的矿质物源可能涵盖一个深度范围较大物源区域，而造成不同物源区矿质元素迁移的非静电场力仍然是一种构造热动力条件。

当成矿发展至三世代或晚期时，尽管溶体仍为Cu-Zn-Co-S体系，矿物共生组合仍含黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、钴镍黄铁矿和白铁矿等。但主体以磁黄铁矿化为重要特征，且产出位置上以先期固结的硫化矿体与角砾状超基性岩或蛇纹岩两介质间的接触带为重要场所。空间上呈“套鞋状”和环绕矿体周缘呈“薄层外壳”状产出为特征。有时在矿体边部或其内有围岩包体存在时，磁黄铁矿可沿围岩片理充填贯入形成条带状。

按章午生（1981）描述，此世代的磁黄铁矿通常与黄铜矿和闪锌矿嵌生。部分充填在黄铁矿颗粒间，并对黄铁矿产生溶蚀交代，强烈时形成交代文象结构。有的磁黄铁矿还可在磁铁矿中呈筛状结构产出。出现在此阶段的钴矿化，主要以钴镍黄铁矿和硫铁钴镍矿矿物出现，并以黄铁矿为主要载体矿物。这由94 个黄铁矿单矿物分析中Co平均0.15%可说明，而磁黄铁矿主要以含分散状态的Ni为特征。

依照磁黄铁矿为主要成矿特征的第三世代成矿过程，主体发生在先期硫化矿体与角砾状超基性岩或蛇纹岩两介质接触界面间的有限范围，其物理场条件明显为一种抗磁性物质（硫化矿体）与顺磁性物质（超基性岩）之间的场源关系。其间元素组分的迁移以及不同矿物中的分配也应当是这种场源电磁效应相关作用的结果。首先就顺磁质类的超基性岩介质而言，由于其内含有Fe^2＋、Co^2＋、Ni^2＋等重要铁磁性组分，在有外磁场作用的条件下，有明显向磁场较强区域迁移或移动的趋势，这是因为这些物质的电结构都有一定磁矩，这种磁矩在外磁场作用下有一种磁力矩作用关系，这不仅会造成磁场叠加关系的不同，还会影响到介质中的磁场强弱分布，进而控制着具有原子或分子磁矩的物质的迁移和浓集趋势。

按式 B＝μ₀H＋μM

式中：μ₀为真空磁导率；μ₀为磁介质的磁导率；H为磁场强度；M为磁化强度。

对顺磁性物质，由磁介质的磁化率χ_m＞0表明，磁介质的磁化强度（M）和磁场强度（H）是同向的，因而，宏观上在磁介质内部激发的附加磁场同外磁场方向相同。这就是说，靠超基性岩介质一侧，磁化后的磁场强度应较硫化物矿体内部为高。

而对抗磁质而言，由磁介质的磁化率χ_m＜0（如Cu为-1.0×10^-5；Pb为-1.8×10^-5）说明，这类磁介质磁化后的磁场强度与所处地段的磁场方向相反。这与无极分子的电极化完全类似，分子磁矩和分子电矩都是在外磁场和外电场中产生的，在介质内部的附加磁场和外电场方向相反。按右手螺旋定则及磁场和电场的垂直关系，它们都同时有减弱磁场和电场的趋势。这就是说已固化的硫化矿体已相对处于一种磁场和电场同时减弱的场源条件。

据宋忠宝等（2010）资料，与德尔尼铜（钴）矿床相关岩石的磁化率：超基性岩为14900×10^-6SI（350个样平均），板岩27×10^-6SI；炭质板岩15×10^-6SI，致密块状含铜磁黄铁矿为10983×10^-6SI（105个样平均）。当然，这些数值只是目前相关岩石的磁化率参数，在成矿期各自会有改变，但仍能反映出不同介质间的磁化率的差别。

如果Fe^2＋、Co^2＋、Ni^2＋组分主要源于超基性岩，那么按照磁黄铁矿在矿体的产出分布、其间的矿质元素迁移，明显是一个从磁导率较大的介质进入到一个磁导率较小的介质过程。这样从磁场边值关系和磁感应线折射定律，特别是Fe、Co、Ni组分的产生磁感应强度和磁场强度相对应的两介质接触间附近最强。这可能就是造就Co、Ni、Fe元素向磁场较强区域迁移富集的内在场源条件。

另一方面从晶体场理论，Ni^2＋、Co^2＋、Cu^2＋离子在八面体位置上具有较高的择位能并都有生成反尖晶石结构的强烈趋向和在八面体配位中形成较多数量的π键能力。因此，在铁、钴、镍与铜硫化物、砷化物在硫化矿床中都占有相当主导的地位。且也像Fe^2＋和Cu^2＋离子一样，它们在硫化物中的晶体场稳定能（GFSE）也都高于氧化物结构的晶体场稳定能。如Co^2＋在硫化物中为106.8 kJ，氧化物中为94.6 kJ；Ni^2＋在硫化物中的晶体场稳定能（GFSE）为148.6 kJ，氧化物中为131.5 kJ。

对Co和Ni 在黄铁矿和磁黄铁矿的分配，伯恩斯（1967）用分子轨道理论解释为“共生的黄铁矿和磁黄铁矿组合中，在黄铁矿中钴比镍富集，而在磁黄铁矿中镍比钴富集，这一相对富集可用黄铁矿中低自旋的Co^2＋比Ni^2＋晶体场稳定能高，以及磁黄铁矿中Ni^2＋比高自旋Co^2＋的晶体场稳定能高”之故。实际上由矿物磁化率表明，钴在黄铁矿中富集是同抗磁性低自旋状态Co^2＋相关。而磁黄铁矿中高自旋的Ni^2＋富集是顺磁质的。这样Co^2＋、Ni^2＋在磁黄铁矿和黄铁矿中的富集和分配完全同赋存矿物的磁性状态密切相关。

综上所述，德尔尼铜（钴）矿床的整个成矿过程，实际存在着两种不同性质的场源条件或电磁效应，一是超基性岩（或蛇纹岩）与炭质（砂）板岩间的电势差和温差电磁效应，控制了1世代、2世代Fe-S、Cu-Zn体系的重要成矿过程。二是以硫化矿体为抗磁质，超基性岩顺磁质间的电磁效应，成就了“套鞋状”磁黄铁矿矿体外壳的形成。或进一步说，正是这两种电介质和磁介质间的电磁效应或场源关系，而使得矿体与炭质（砂）板岩间出现不可分割的空间产出关系。