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第41章 矿物复杂的成因

我们把在地质作用下形成的天然单质或化合物叫做矿物。它的化学组成相对来说比较固定,呈固态者其内部结构较为确定;它们在一定的物理化学条件范围内稳定,在岩石和矿石的组成中,是基本单元。

目前,已知3000种左右的矿物,大部分都是固态无机物,液态的(如石油、自然汞)、气态的(如天然气、二氧化碳和氦)以及固态有机物(如油页岩、琥珀),仅占数十种。

形成矿物的地质作用

通常来说,具体的作用过程不同,所形成的矿物组合也不相同。矿物在形成后,还会因环境等因素的变迁而遭受破坏或形成新的矿物。

当岩浆作用发生于温度和压力都比较高的条件下,橄榄石、辉石、闪石、云母、长石、石英等主要造岩矿物就会从岩浆熔融体重结晶析出,它们组成了各种的岩浆岩。同时,还有铬铁矿、铂族元素矿物、金刚石、钒钛磁铁矿、铜镍硫化物以及含磷、锆、铌、钽的矿物形成等。

伟晶(粗大的晶体)作用中,矿物生成于700~400℃、外压大于内压的封闭系统中,所形成的矿物具有粗大的颗粒。除了长石、云母、石英外,还含有丰富的挥发组分氟、硼的矿物,如黄玉、电气石,以及含锂、铍、铷、铯、铌、钽、稀土等稀有元素的矿物,如锂辉石、绿柱石和含放射性元素的矿物形成。

热液作用中,矿物形成于气液或热水溶液中。高温热液(400~300℃)的代表是钨、锡的氧化物和钼、铋的硫化物;中温热液(300~200℃)的代表是铜、铅、锌的硫化物矿物;低温热液(200~50℃)的代表是砷、锑、汞的硫化物矿物。此外,石英、方解石、重晶石等非金属矿物也是由热液作用生成的。

风化作用中,以前形成的矿物可在阳光、大气和水的作用下化学风化成一些在地表条件下稳定的其他矿物,如高岭石、硬锰矿、孔雀石、蓝铜矿等。经过风化作用,金属硫化物矿床产生的CuSO4和FeSO4溶液,渗入地下水后,和原生金属硫化物发生反应,产生含铜量很高的辉铜矿、铜蓝等,从而使铜的次生富集带得以形成。化学沉积中,从真溶液中析出的石膏、石盐、钾盐,硼砂等矿物以及从胶体溶液凝聚生成的鲕状赤铁矿、肾状硬锰矿等矿物。经过生物沉积可形成如硅藻土(蛋白石)等。

结构紧密、比重大和不含水是在区域变质作用下形成的矿物具有的特点。在接触变质作用中,当围岩为碳酸盐岩石时,可形成夕卡岩,它由钙、镁、铁的硅酸盐矿物如透辉石、透闪石、石榴子石、符山石、硅灰石、硅镁石等组成。后期还经常伴随有热液矿化形成铜、铁、钨和多金属矿物的聚集。围岩为泥质岩石时,还可以有红柱石、堇青石等矿物形成。

金属矿物的主要成因

所谓金属矿物,指的是含有金属元素的、可供工业提取金属有用组分,或直接利用的矿物。这种矿物包括黑色金属9种,有色金属13种,贵金属8种,放射性金属3种,稀有稀土和稀散金属33种。

我们用的大多数金属在地壳中的含量都不太高,地壳的主要成分是硅、氧、铝。在原始的地球的发展演化过程中,从混沌的状态,地球物质逐渐发展成有序的层圈结构,即地壳、地幔和地核的分离。以铁、镍为主的金属,都在内部集中构成地核;以硅铝为主的物质,则形成了地壳;而地幔则构成于铁、镁、硅酸盐类。三者之间通过岩浆作用和板块运动进行物质交换。同时,在地球的表面,还有水流搬运、生物改造、风力分选及空气氧化等自然过程的作用在进行。具体而言,我们可以从6个方面概括金属矿床形成的原因,即:岩浆分异、接触变质、海底喷流、热液、沉积和风化作用。

岩浆分异:在岩浆上侵过程中,岩浆内部随着温度、压力的降低,会发生分异作用,使岩浆中含量较低、甚至极为稀少的有用金属高度聚集,形成可供开采的矿产资源。有铬、镍、铂、铜、铁、钒、钛等主要矿种,一般和超基性、基性岩浆作用有关系。

接触变质:岩浆侵入围岩之后,在热量和岩浆流体的作用下,使围岩发生变质作用,形成一种特殊的变质岩——棗矽卡岩(由钙、铁、镁、铝、硅酸盐、碳酸盐等矿物组成的一种变质岩石),岩浆侵入围岩后,在热量和岩浆流体的作用下,使围岩发生变质作用,形成一种特殊的变质岩——棗矽卡岩(由钙、铁、镁、铝、硅酸盐、碳酸盐等矿物组成的一种变质岩石),同时还会出现矿化现象。形成的矿种包括铁、铜、钨、锡、钼等。

海底喷流:海水在洋中脊或热点地区,会向下渗透,与上升的岩浆相遇成为热水,因密度差异形成对流。当含金属的热水上升与海水混合时,便会有物理化学变化发生,从而使铜、锌、铅和银等金属的硫化物沉淀成矿。

热液作用:在岩石地层内的运移过程中,地质流体将有用的金属元素予以溶解并携带。当流体的物理化学条件发生改变,或与不同流体混合时,有用的金属化合物就会沉淀而形成矿石。

沉积作用:暴露于地表的矿体或岩石,经地质作用后,在河流、沼泽、湖盆、海盆以及大洋盆地中沉积,就会形成矿物资源。例如金、铂、铁、铜、锡、锰、钒等矿种,都可经过沉积作用得以形成,这其中以砂金最引人注目。

风化作用:在地表暴露的岩石或者矿体,历经长时间的风化作用后,会使有用的物质富集形成矿床。风化作用包括机械风化和化学风化2种,主要通过重力、热作用、化学溶解沉淀等机制,使原有的岩石或矿体物质发生再次分异,形成铝、铁、锰、镍、钴、稀土、金等矿物质。

非金属矿物及成因

工业上不作为提取金属元素来利用的有用矿物资源叫做非金属矿物。

非金属矿物具有多种成因,其中最为重要的是岩浆型、变质型、沉积型和风化型,此外,海底喷流作用也很重要。

岩浆作用:岩浆上侵形成侵入岩体,或者从地表喷出之后产生的火山熔岩、火山灰等,都能够使非金属矿物形成。侵入岩体如灰长岩、花岗岩等,都是优质的建筑材料。

变质作用:在大体处于固态下,岩石受到温度、压力及化学活动性流体的作用,在矿物成分、化学组成、岩石结构与构造上发生变化,形成非金属矿床。工业和日常生活中常用的有石墨、石棉、蓝晶石、红柱石、滑石、云母等。

沉积作用:暴露在地表的岩石、矿体等,在大气、水流的长期作用下,发生侵蚀、搬运、分异、沉积,最终形成非金属矿产资源;也可以通过化学沉淀作用、生物化学作用等,直接形成非金属矿产层。

风化作用:暴露在地表的岩石或矿体暴露于地表,历经漫长的降雨、光照、氧化、生物作用的过程,使得表层物质的化学组成、矿物面貌等发生改变,从而形成可供利用的非金属材料。

相关链接——什么是矿床

矿床,是指地表或地壳里因地质作用形成的,并在现有条件下可以开采和利用的矿物的集合体。也叫矿体。

矿床是地质作用的产物,但是因为它具有一定得经济价值,所以不同于一般的岩石。有五个基本的条件可以对矿床进行确定:一是有用元素或矿物在含量上要达到最低的可采品位,如铜的最低可采品位是0.4%,铁的最低可采品位一般是25%;二是矿石的工艺性质,包括有用组分的赋存状态,如铝在霞石和高岭石中含量较高,可以分离而出,但因加工工艺复杂,成本很高,因此一般只从铝土矿中提取铝;三是矿体的形状和内部结构,有用物质在岩石中是均匀分布,还是局部集中(如矿脉),对于采矿难易和成本有很大的影响,也因此对确定矿床的最低可采品位有重要影响;四是矿床的规模,也就是可采矿石的储藏量,矿床规模大,矿山建设投资大,但经济效益也会很高;五是获得矿产品的全部费用,包括采矿、选矿、交通运输、设备、能源和水源供应、劳动工资等的开支,也对矿床的最低可采品位起着一定的决定作用。这些条件的综合分析和评价,便可对一个矿床的经济价值作出决定。

矿床种类丰富,而分布最为广泛的是固体矿床。液态矿床有石油、热卤水和地下水,气态矿床有天然气等。按成矿的作用方式,矿床可以分为内生矿床(内力地质作用生成)、外生矿床(外力地质作用生成)和变质矿床(变质作用生成)。从矿产性质和工业利用情况来看,又有金属矿床(如金矿床、钨矿床)、非金属矿床(如耐火粘土、萤石矿床)和能源矿床(如石油、煤和天然气)之分。

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