岩石物理化学 火成岩

岩石物理化学在矿物共生顺序与共生组合中的应用

前言

岩石物理化学是岩石学与物理化学之间的交叉学科方向,是现代岩石学最重要的支柱之一。它的理论基础是相律和相平衡原理,以及热力学三大定律。它研究矿物、岩石、熔浆(体)、气体、溶液、流体以及它们之间在不同温度压力条件下平衡共存的关系，在这里我们就矿物共生顺序与共生组合做主要研究。

所谓矿物的共生顺序,是指矿石建造中同一成矿阶段矿物生成的先后顺序。凡不属同一成矿阶段的矿物,则它们生成的阶段性已很明了,就不必再讨论其先后关系。所谓矿物的共生组合,是指矿石建造中各个成矿阶段某些特定物质组分,在同山地质成矿作用和物理一化学条件下,在相同空间和时间内形成的一套矿物组合。矿物共生顺序和矿物共生组合,是探索和解释矿石建造在成矿作用中所富集起来的元素组合, 从熔体或溶液,在不同成矿阶段的不同物理一化学条件下,结晶或沉淀的演变历程。它不仅能提供这一物质的演变历程,也能为矿石生成的一些成矿条件和物理化学条件,提供重要的信息或科学的依据。

一矿物共生顺序

矿物的共生顺序不外三种情况:一是矿物依次连续结晶;二是矿物依次超复结晶,它的真实性很值得怀疑,三是矿物同时结晶。

（一）矿物依次连续结晶

矿物依次连续结晶是指一种矿物结晶结束之后, 另一种随着开始结晶,待第二种结晶结束之后,第三种又随着开始结晶,等等。

矿物依次连续结晶的现象,在岩浆岩中很普遍。中基性岩中橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等就是依次连续结晶的。它们经常出现的包晶结构,相平衡实验中出现的不一致融熔,便是很好的证据。在基性一超基性层状分异的岩体中,造岩矿物和造矿矿物依次连续结晶的现象也很明显。凡是最早结晶的矿物,往往可以发育成完整的自形晶。这是由于熔浆对晶体生长不具阻力的缘故。倘熔浆的粘度较小,这些晶体还可以游聚在一起,形成浸染状的聚晶,或者进而在岩体底部堆积起来,形成块状集合体,不论它们是浸染晶粒、聚晶或块状集合体,晶粒都是自形晶,即便相互接触也是自形镶嵌,少量自形晶间隙则被晚期结晶的矿物充填。倘熔

浆的粘度较大,也可以一开始就结成聚晶或块状集合体,但只在它们的外表保留自形晶轮廓,内部则为直边、半自形或它形镶嵌。这是因为它们虽是最早晶出,应当成自形晶, 但晶粒都在一处同时结晶,生长过程有相互抵触作用的缘故。上述现象对结晶后不发生次生扩大的矿物,例如对铬铁矿来说是很典型的,对常常发生次生扩大的矿物,尤其是硅酸盐就不怎么典型了。当上述第一种矿物结晶后第二种矿物结晶时,独立结晶时仍形成完全的自形晶, 堆在第一种矿物层之上,从而形成自下而上自老而新的层状岩体或矿层。

（二）矿物依次超复结晶

矿物依次超复结晶是指一种矿物结束结晶之前,第二种矿物随着开始结晶,在第二种矿物结束结晶之前,第三种矿物随着开始结晶,等等。它们在结晶时间上相邻矿物之间都有同时结晶和分别先后结晶的现象。

最早研究矿物超复沉淀的是巴斯廷、格拉顿、林格伦、施瓦茨等。他们在为“国家矿物共生研究委员会”所写的论文中指出, 两种矿物的不同晶粒,既有同时结晶的证据而又有先后结晶的证据,就属于超复结晶。又按照常理,矿物既可以出现先后依次结晶和同时结晶,当然也可以出现超复结晶。因此,以往矿相工作者经常化费很多时间,在镜下寻找超复结晶的证据。更有人认为超复结晶是极普通的现象,凡是不具明显先后结晶和同时结晶的矿物,都一概作为超复结晶看待。他们作为超复结晶的证据,也不外乎矿物间的自形程度和相互突入的程度等。（三）矿物同时结晶

矿物同时结晶是指两种或两种以上的矿物,在同时和同地开始结晶和结束结晶。那些在同时而不在同地开始结晶和结束结晶的情况,一方面不容易确定它们是否真正同时,另方面由于晶粒间并非相互接触生长,也就不存在任何实际意义。因此,凡是同时结晶的矿物,也就指的是相互接触生长的同地结晶矿物。

如所周知,由固溶体分解作用形成的不混溶(出溶)矿物对,是同时生成的矿物。其中含量较少的矿物常呈星状、乳胶状、板状、格状晶,沿主矿物的晶格分布于主矿物中,或者析出于主矿物晶粒的外围,形成链状或网环状的细粒聚晶(结状结构)。又由共结作用形成的共结体矿物对,也是同时生成的矿物。典型的共结结构为蠕虫状、微文象状、后成合晶状,不典型的也可形成粒状集合体。此外,如由胶体重结晶作用生成的矿物集合体,由变质作用生成的变晶矿物集合体,也

都是同时生成的矿物。除上述典型的同时生成矿物外,更重要的是常见的粒状矿物集合体。这种粒状矿物集合体可由两种或两种以上矿物在合适的条件下从同一均匀的熔体或溶液中结晶而成,也可由上述不混溶作用和共结作用在缓慢结晶或退火的条件下生成。对这种常见的粒状矿物集合体来说,确定它们是同时结晶,还是依次连续结晶的集合体是重要的,而利用镜下的结构特点来判别它们是一种较好的方法。

我们可以认为: 一、两种或两种以上矿物的晶粒,如果互相密切接触,并显示互边或互为边界结构,它是最好的同时生成的证据。这是因为同时同地生长的晶粒,在生长过程中互相抵触,不可能发育各自特有晶形的缘故。二、两种或两种以上互相密切接触生长的矿物晶粒,虽然晶粒的形态各不相同,自形的程度也有差别,但是如果它们之间不存在一种矿物明显较早结晶的特征结构,例如熔蚀自形、交代、包晶、反应边、假象等等,也表明是同时结晶的矿物。

二矿物共生组合

狭义的矿物共生组合,是指在同一成因和物理一化学条件下,在同一的时间和空间中,由一套元素共生组合生成的一套矿物共生组合。从这一定义中不难理解: 既是同时生成,就不应当可以区分出矿物的生成顺序,既是同地生成,就不应当可以看出分别成堆生成。所以,狭义的矿物共生组合,应当是一套同时生成而晶粒间又相互密切接触生长的矿物集合体。

1966年国际矿床成因协会(IAGOD)在西德弗莱堡开会的时候, 曾举行过一次“矿物、地球化学、岩石与矿床的矿物共生组合专题讨论会”。会上通过矿物共生组合的新定义如下：由不同成矿作用生成的矿物集合体,偶然地组合在一起,称为矿物组合。在时间上、空间上有一些限制,并特别被物理一化学定律控制而由一定成矿作用生成的矿物组合,称为矿物共生组合。

那末怎样的一套矿物, 能证明符合上述的条件,是属于同时、同地并处在平衡状态下生长的共生组合矿物呢？这是一个带根本性的而同时又是相当复杂的问题。总的说来,它可以凭镜下矿物结构的观察分析和应用相平衡原理予以解决。

矿物同地结晶的问题前面也巳述及。所谓同地结晶是指矿物是从同地的同一均匀的熔体、溶液或同一矿物集合体,经结晶或重结晶而成的矿物集合体。因此这些矿物必然互相接触生长。假使矿物为a,b,c三种,即a必须与b,c接触,b必须与

a,c接触,c必须与a,b接触,才能算作共生组合。否则,如只有a,c互相接触生长和a,b互相接触生长,而没有。,b互相接触生长,那就说明它们原来不是一种均匀的熔体、溶液或矿物集合体,而是由两种成分不同的上述物质构成,从而使新生成的矿物,形成a+b和a+c两套矿物共生组合(图1)

图1 三套矿物共生组合：a+b+c,a+b,a+c

就同处于平衡状态来说, 它是指矿石:1.不存在例如放射纤维状、球颗状、环带状以及可明显分出结晶先后等等的不稳定矿物,2.矿石中的矿物数量应当与哥氏矿物相律不矛盾。矿物相律即:

P(矿物数)《C(组分数)

倘矿物的数量超过组分数,表明体系处在不平衡或亚平衡状态,最后必将经过扩散作用,消灭超过的矿物数以达平衡。以此二元系的矿物数不能超过二、三元系的矿物数不能超过三,以此类推。3.倘不出现上述的不稳定的现象,就可以作为已处在平衡状态。因为矿石生成后一般巳经过很长的地质年代,既然能保持不变,本身也就是平衡的一个正面依据。

矿物共生组合或平衡组合建立之后,石的成矿作用和生成的物理一化学条件服务。就可以应用相平衡原理和相律,为探讨和解释矿相平衡图和相平衡曲线可帮助我们:1.预测和识别物相,2.认识矿石化学的趋向,即有关成矿溶液的性质及其在空间、时间上的变化,3.认识化学反应的特点和结构特点,4.了解可以共生和不能共生的矿物,5.识别矿物的平衡组合和不平衡组合,6.解释成矿溶液的性质和成矿作用的机理,用中的温度、压力和硫、氧逸度等条件的范围。

图2 Fe-S体系

图3 Cu-S体系

图4 Cu-Fe-S体系，400°

图5 Cu-Fe-S体系，300°

图6 Cu-Fe-S体系，25°

图7 Cu-Fe-S体系 Cu约占5%

现以Fe-S,Cu-S两二元系和Fe-Cu-S三元系的相平衡图为例说明。三套图中出现在常温条件下的矿物有: 陨硫铁(tr)、六方磁黄铁矿(hpO)、单斜磁黄铁矿(mpo)、史密斯矿(Fe3S4)、黄铁矿(py)、辉铜矿(cc)、蓝辉铜矿(dg)、铜蓝(cv)留色铜蓝(bev)、斜方蓝辉铜矿(al)、低辉铜矿(dj)、斑铜矿(bn)、六方辉铜矿(https://www.360docs.net/doc/0410172513.html,)、铜(co)、伊达矿(id)、黄铜矿(cp)、硫铁铜矿(tal)、莫依霍克矿(mh)、哈硫铁铜矿(hc)、方黄铜矿(cb)、福库契利矿(fk)等。出现的两相组合有：tr+hpo，hpo+mpo，mpo+py，mpo+Fe3S4，Fe3S4+py，hpo+py，cc+dj，dj+al，al+bcv，dg-cc+bcv，https://www.360docs.net/doc/0410172513.html,+dg-cc，https://www.360docs.net/doc/0410172513.html,+co，cc+co，cv+py，cv+dg，dg+al，dg+dj，dg+py，dg+bn，cc+bn，bn+py，bn+cp，bn+tal，bn+mh，cp+py，cp+pal，cp+mpo，cp+cb，cb+hpo，cb+tr，mh+hc，mh+tr，hc+tr等。出现的三相组合有：cc+dj+bn，dj+bn+dg，dj+al+dg，al+dg+cv，cv+dg+py，dg+py+bn，bn+py+cp，bn+cp+tal，tal+mh+bn，tal+cp+cb，tal+cb+mh，mh+hc+tr，cb+mh+tr，cb+tr+hpo，cb+hpo+mpo，cb+mpo+cp等。我们可将实际共生组合查出图上相符的组合，从而在图上找出这一组合稳定的物理一化学条件,例如温度、压力、组分等。

图上各组合代表在地质上较常见环境中属于压力影响较小温度影响较大的

体系。在此压力作为常压,只表示组分与温度的关系,这种相平衡图通称凝聚体系

相平衡图。从这种图上就可以查出各共生组合或平衡组合矿物在温度上的稳定范围, 例如tr十hp。组合在180℃以下稳定，hpo+mpo组合在310℃以下稳定，mpo+py 在310℃以下稳定，ev+id+py在440℃以下稳定，bn+id+py在500℃以下稳定，bn+ep+py在550℃以下稳定，ep+mpo+py在310℃以下稳定等等。有的组合在图上未标出的可查其他资料。相平衡图中如有固溶体分解情况, 同时已作出确实的固溶线, 则可利用出溶矿物的定量比或其化学分析结果, 根据固溶线找出矿石生成的最低可能温度, 例如图3左方tr十hpo组合两旁的两条固溶线就可如此应用。

矿物共生组合相平衡关系中最基本的因素当然是组分。其次是温度和硫、氧逸度, 再其次为压力。温度对于相变化的影响是很灵敏的。因此在相图中表示温度一组分的相平衡图是很重要的。我们可将天然产出的矿物共生组合，利用这种相平衡图，查出这套共生组合生成温度的上限，也就是作为地质温度计应用。

用上述类似的方法,还可作出其它的相关曲线，以解释矿物平衡组合的生成条件，氧化电位与pH值的相关曲线等。以上所谈的是关于矿物共生组合的重要性、鉴别的准则和在用来解释成矿作用方面的用途。其中也谈到矿物共生组合与矿物同时生成和化学反应处在平衡状态不可分割的关系。矿物同时生成除了在熔体和溶液中结晶以外，也还出现在矿石冷却过程和退火过程中，由固溶体矿物的出溶作用中，胶体矿物的重结晶作用中，以及变质岩的变质作用中。凡是出溶作用生成的矿物对、由重结晶作用生成的矿物，以及由变质作用生成的矿物，只要反应巳达平衡，也都是矿物共生组合或平衡组合，同样可以利用相平衡原理和相图来解释矿物共生的机理和生成的条件。只不过它们的机理和条件，不是指原始结晶时而是指其后的出溶、重结晶和变质时的机理和条件而已。