Question

水-岩反应及蚀变-矿化网络

Answer 1

流体-岩石反应或简称水-岩反应，是自然界最普遍的地球化学过程，这一过程涉及到水(水溶液和热水溶液)、岩(矿物、岩石)和水-岩界面(水-矿物界面)。流体和岩石的相互作用是指在一定的温度、压力条件下，流体与岩石中的矿物发生反应，通过溶解、交代等方式，使原有矿物发生变化，并生成新的矿物，结果使原来的矿物组合转变为在新的条件下更加稳定的矿物组合。在这个过程中，流体成分也发生了变化，并与新矿物组合达到平衡状态。

流体作用于岩石中矿物并溶解矿物的作用受两方面因素控制(於崇文，1998)。首先它受矿物的表面反应控制。水-岩界面上进行反应的这一“表面区”的深度很小(＜5μm)。在酸性溶液中，此深度受制于氢离子对金属阳离子的交换速率，以及随之而来的残余部分结构的分解。另一方面，矿物的溶解又受到溶解物质从矿物-溶液界面移开速度的影响。由于界面附近的对流作用很有限，因此溶质的输运要依靠溶液中有关物质的扩散来完成。

水-岩作用是产生成矿流体的一个重要条件，也是成矿流体在输运过程中一种重要的地球化学行为。这种地球化学行为或产生岩石蚀变(±矿化现象)，或直接导致矿石沉淀和矿床形成。这里先依据卢焕章等(1997)资料、简述几种主要岩石中的水-岩反应，再介绍其所形成的蚀变矿化网络。

1.岩石的水-岩反应

(1)花岗岩的水-岩反应

花岗岩与许多热液矿床密切相关。花岗岩本身携带的水气溶液在岩浆冷凝后期，可对已固结的岩体部分发生浸染、充填和交代，即自交代作用。自交代作用多为有钾、钠等大量参与的碱交代作用。通过交代，花岗岩中一些金属如钨、锡、锂、铍等参加到热液中去，并最终在岩体附近的地球化学障中沉淀、浓集成矿。

花岗岩冷却散热过程和以后，可与周围受热的地下水发生广泛的水-岩反应，与花岗岩有关的许多矿床的成矿流体就是在这种水-岩反应过程中形成的。

Edmunds W M等人(1985)对英国Cornwall地区的Carnmenellis花岗岩进行了水-岩反应研究。该地区花岗岩中的地下水矿化度高达19.3g/L，温度在52℃左右，是一种地下热卤水，与常见的成矿流体相类似。Edmunds W M 经过地质观察和实验研究认为，这种卤水是地下水与热的“干”花岗岩反应形成的。他完成的实验表明，地下水主要和花岗岩中的斜长石与黑云母发生反应。反应方程式如下:

K₂(Mg，Fe)(Fe，Al，Li)₂(Si₆Al₂O₂₀)(OH)₂(F，Cl)₂+3H₂O+12H⁺=Al₂Si₂O₅(OH)₄+4H₄SiO₄+2K⁺+(Mg²⁺，Fe²⁺)+2(Fe³⁺，Al³⁺，Li¹⁺)+2(F^－，Cl^－)

5(Na_0.8Ca_0.2)(Al_1.2Si_2.8O₈)+6H⁺+19H₂O=3Al₂Si₂O₅(OH)₄+4Na⁺+Ca²⁺+8H₄SiO₄

在Carnmenellis及其邻区，分布着四个产在花岗岩内的锡矿。这四个锡矿不同深度的地下热水有以下特点:①深部的地下水(240～690m深处)是一种热卤水，其总的矿化度比浅部地下水高出2～260倍;②深部地下水中钠离子无论在含量上，还是在所占成分百分比上均有明显增加，钙、钾、锂、镁等阳离子也有明显增加;③阴离子中Cl^－的含量大大增加，HCO^－₃，NO^－₃，SO^2－₄，F^－也有所增加;④铁、锰的离子含量有很大的增加，其他金属离子如Cu²⁺，Ni²⁺等也有所增加。这种情况与Edmunds等人的实验结果十分相似。

(2)玄武岩的水-岩反应

玄武岩类是一种重要的矿源岩，研究其水-岩反应对认识某些金属矿床成因有重要意义。由于大洋玄武岩在其成岩期及成岩后仅与海水发生反应、基本上没有其他地质作用叠加，因此，通常选择大洋玄武岩类作为研究对象。

玄武岩的水-岩反应有多种模式，Thompson G (1984)指出，海水和玄武岩的化学反应强度和离子交换总量取决于反应温度和反应物的比例，亦即取决于反应地点与热源的距离及海水循环模式。玄武岩在海底产状有高有低，玄武岩与海水的接触有的直接，有的隔着上层岩石。各地段的温度也不一致。随着水-岩反应的持续进行，原来新鲜玄武岩可变为四种新的岩石，即角闪岩、绿片岩、沸石岩和海解岩，各有自己的矿物组合(表3-1)。

表3-1 玄武岩变质相及每个相中的矿物组合

(据Tompson，1984)

从模拟实验和大洋钻探岩心的观测表明，在整个玄武岩-海水反应过程中，岩石中失去Si，Ca，Fe，Mn，Cu，Ni和Zn，获得Mg，K，B，P，Rb，H₂O，CO₂和U。反应的温度多在100～400℃之间(海底扩张中心)。实验还表明，在低温反应时，岩石净增的元素多，而在高温时岩石净增的只有Mg和H₂O，而自岩石析出到海水中的元素猛增，如Li，Rb，Cs，Sr，Cu，Ni，Zn。这说明温度高有利于金属成矿元素从玄武岩向海水中迁移。整个反应过程可能要持续数万年才能达到平衡。研究现代海底成矿作用表明，太平洋和大西洋中脊的洋壳基底区的成矿产物为铜-锌或铜的硫化物矿床，含少量和微量Pb和Ba，相当于塞浦路斯型硫化物矿床，矿化与MORB型玄武岩密切共生。而在岛弧及弧后盆地区，成矿金属则为锌-铅-铜型，Pb占有较大比重。该类矿床与岛弧钙碱性火山岩系或长英质-玄武质双峰式岩石组合有关。这显示了在不同的构造-岩石环境中，热流体的化学和成矿物质的显著差异。这也有力地说明，火山成因块状硫化物矿床的成矿物质主要来自含矿火山岩系及其下伏岩石，是由循环的热液通过水-岩反应从这些岩石中淋滤出来的。

(3)绿岩带的水-岩反应

绿岩带在太古宙结晶基底中广泛分布，它与热流体的强烈作用是形成金矿床的一种重要机制。对流体包裹体及蚀变矿物组合的研究表明，世界各地太古宙绿岩带金矿床成矿流体的成分有相似性(卢焕章等，1997)，主要为Si，H₂O，CO₂，K，Na，Ca，Mg，Cl，还有CH₄，H₂S，N₂等。流体中盐度一般低于10%，CO₂普遍作为成矿流体的重要组分，其密度由0.7g/cm³到大于1.0g/cm³。流体与剪切带内及两侧岩石作用形成的蚀变带是剪切带水-岩反应的标志性产物。

在加拿大的Abitibi太古宙绿岩带，产出许多金矿。研究表明，形成金矿的成矿流体沿剪切带上升，与其两侧的岩石发生反应，形成典型的蚀变带，蚀变类型包括铁白云石化、钠长石化、绿云母(含铬或钒的云母)化及黄铁矿化。如果剪切带围岩为镁铁质火山岩和侵入岩，流体(H₂O-CO₂-NaCl)与其发生作用时会使斜长石、辉石和钠长石发生分解。在蚀变作用开始时形成铁白云石、方解石和绿泥石，再继续反应会形成铁白云石、绿泥石和绢云母，最后，可能只形成绿云母。影响蚀变类型的主要因素，除了流体的化学成分外，还包括:①原岩成分;②剪切带及其两侧岩石的渗透率及水-岩比例;②流体及周围介质的温度和压力。绿岩带的岩相组合主要有:①镁铁质火山岩和侵入岩;②科马提岩;③条带状铁建造;④泥质沉积岩;⑤长英质侵入岩(Colvine，1988)。当剪切带切过不同岩相组合时，蚀变类型和蚀变过程也就不同。而且蚀变反应是逐级进行的，伴随着原岩矿物及中间产物的逐渐减少，蚀变矿物逐渐增多，并表现出剪切带的蚀变分带。以TADD金矿床为例，由剪切带内部向外，发育以下矿物组合:

成矿系统论

不少蚀变带中都产有石英，而石英-铁白云石-绢云母-黄铁矿则是含金矿体的主要蚀变矿物组合。需要指出的是，由于剪切带中岩石的渗透率较高，有利于流体对岩石的充分交代。在交代反应过程中，不仅改变了原岩成分，也改变了流体自身的成分和物理化学性质，并可能因此促进了金等成矿物质的沉淀和浓集。

2.区域蚀变-矿化网络

区域性水-岩反应的结果是产生大规模蚀变岩带，而这些蚀变岩带经常与金属矿化伴生，其中以碱交代作用规模较大，也比较常见。

在长江中下游成矿带的宁芜火山岩盆地中，在著名的玢岩铁矿成矿系列形成过程中，以含矿岩体辉石闪长玢岩为核心，发育有强烈而广泛的围岩蚀变现象，并与铁、钒、钛、磷、硫矿化密切共生，构成区域性矿化-蚀变网络。这个网络带受北北东向区域构造-岩浆-成矿带控制，长约60km，宽12～15km。在这个蚀变-矿化网络带中，既有显著的蚀变地段，也包括基本未蚀变的火山岩层。蚀变岩中以含矿辉石闪长玢岩及其接触带围岩的蚀变最为强烈。蚀变岩自下而上主要分为三个带。下部为浅色蚀变带(钠长石化带)，中部为深色蚀变带［透辉石(-阳起石)-磁铁矿-磷灰石组合］，上部为浅色蚀变带(硅化-泥化-硬石膏化-黄铁矿化)。

表3-2 宁芜盆地中主要铁矿区矿化蚀变分带

(据《宁芜玢岩铁矿》，1978)

经过对宁芜盆地中各主要矿床围岩蚀变特征的对比研究，发现它们具有类似的蚀变和矿化分带 ( 表 3-2) ，都是次火山岩浆有关气液与周围火山岩及前火山岩系发生显著的水-岩反应的产物。早期的蚀变相类似矽卡岩化，中期的类似青磐岩化，晚期的为泥英岩化。这些蚀变岩相分布范围广，深度大。自北部的梅山矿田，中部的凹山矿田，到南部的姑山矿田，蚀变矿化带沿着火山岩盆地中轴断续延长 60 km，其中，在多组断裂交叉点上的几个主要矿床 ( 梅山、向山、凹山、姑山等) 为强蚀变-矿化中心。在垂向上，已控制的蚀变矿化带一般深达 300 ～400 m，在有些矿区中深达 700 m 以上，尚未穿过蚀变带，如在马鞍山地区和梅山地区。上述矿化-蚀变的明显分带性受断裂构造控制。该盆地的 NNE-SSW 向主断裂和近东西向次级断裂是成矿流体向浅部输运的通道。交代蚀变作用以断裂带为中心向两侧发育，因而沿这种网脉状构造带形成网脉状蚀变-矿化带。其中，两组不同方向断裂的交会处，控制了辉长闪长玢岩的侵位和派生的蚀变和矿化，构成了网络结点上的若干个大型矿床及其伴生的强蚀变带。