第14讲（外生矿床）.doc

地质学基础与铀矿地质讲义2007（第14讲） 内容提要 第九章 外生矿床 9.1 概述 9.2 风化矿床 9.3 沉积矿床 参看地质学pp.172-187. 第九章 外生矿床 9.1 概 述 在地表外动力地质作用下使有用元素或有用组分聚集所形成的矿床，称外生矿床。根据成矿过程的不同可以分为风化矿床和沉积矿床两大类。另有一类是由生物堆积而成的可燃有机岩矿床（生物成因的煤和石油等），从广义角度看，它属于沉积矿床的范畴，但因其形成的特殊性和复杂性，一般又作为专门的成矿理论。 在讨论外生矿床时，首先应注意到成矿物质的来源问题；其次是这些成矿物质怎样富集成矿，即外生矿床的成矿过程问题。 一、成矿物质的来源 外生矿床（生物成因的煤和石油等除外）中的成矿物质，主要是来自于岩浆岩、变质岩的风化产物，少数是来自于沉积岩或先成矿床的风化产物。 许多研究资料表明，外生矿床成矿物质的来源以陆源为主，但外生矿床中的沉积矿床，也可以有些水底火山喷出物参与。当然，如果火山喷出物成为沉积矿床成矿物质的主要来源，则这种矿床就转化成为火山成因矿床中的火山喷发沉积矿床或火山热液沉积矿床。 二、成矿物质富集成矿的过程 原岩或原矿床一经暴露地表或接近地表，就要在风化、剥蚀和搬运作用下，发生一系列破坏性（对原岩、原矿床）和建设性（对成岩、成矿）的变化。这些变化既是成岩物质形成沉积岩的过程，也是成矿物质形成外生矿床的过程。外生矿床的成矿作用过程包括，风化成矿作用、搬运和沉积成矿作用。 1、风化成矿作用 风化成矿作用是指原岩或原生矿床中成矿物质在风化作用中，在原地或其附近得到相对富集，从而形成矿床的过程。成矿元素往往是化学活泼性较低的元素。风化成矿作用过程有两种方式 （1）物理风化成矿作用原岩或原矿石在崩解、破碎之后，其中的某些有用组分可在不改变其化学状态之下，在空间上得到相对富集并达到工业开采品位，从而形成矿床。例如“残积砂金矿床”就是这样形成的。 （2）化学风化成矿作用 在化学风化之中，原岩或原矿石中某些矿物成分要分解成为两部分物质一部分成为可溶盐类随地表水流失或被淋滤到露头底部；另一部分难溶物质则残留在原地。这两部分物质，如各含有有用组分，可在它们的互相分离之下得到相对富集、具有工业意义，从而形成矿床。如风化型铝土矿的形成即是化学风化成矿作用的结果。 2、搬运和沉积成矿作用 风化作用中，除了部分惰性组分能残留在原地富集成矿外，大部分物质需要经过搬运和沉积同其他组分互相分开之后，离开原产地，在另外合适地带中富集成为矿床，这就成为沉积矿床。 风化产物中的有用组分主要是通过水介质中沉积出来富集成矿的。这个过程中的成矿意义表现在有用组分在沉积时能和共同被搬运的那些组分一定程度地互相分开得到相对富集。这种沉积时的相互分离，地质上称作沉积分异作用。其受物理因素支配的沉积分异作用，称为机械沉积分异作用；其受化学因素支配的，称作化学沉积分异作用。 （1）机械沉积分异作用风化产物中的碎屑质物质，在搬运过程中，由于它们在粒度、比重以及形状等方面的不同，在水介质流速减小的地方，可以分批分级沉积下来而相互分离。碎屑物质的沉淀顺序为粒度粗和比重大的岩屑和矿物沿着水介质流速减小的方向首先沉淀下来，而粒度细和比重小的一些板状和片状矿物逐渐沉淀在介质能量较低的更远的地方。这样，原来大小混杂在一起被搬运下来的碎屑物质，沿着河流流动的方向，按照粗粒→细粒、重矿物→轻矿物的沉淀顺序，互相分开，作有规律的分布。 因此，机械沉积分异作用进行的愈完全、彻底，则碎屑物质亦将分选得愈完全、彻底，对有用矿物的富集也愈有利。反之，则将形成成分混杂、难以精选、有用组分含量低的砂矿矿床。 （2）化学或生物化学沉积分异作用 这种作用可由下列原因引起。 1）真溶液的蒸发作用干旱地区的地表水体，由于水分的大量蒸发，可使溶解度小的盐类先沉淀，溶解度大的盐类后沉淀，因而可分别富集成为不同盐类矿层。 2）胶体溶液电荷的中和作用胶体溶液中的分散质点，如由于某种原因使其所带电荷被中和时，可凝聚而沉淀。此时，也可发生某种成矿物质的富集。例如，某些铁、锰、铝沉积矿床就是在这种作用下形成的。 3）胶体的吸附作用胶体具有较大的比表面，表面能量较高，因此它们可通过吸附作用，把某些元素固定下来而富集。例如，有机质的胶体可吸附钴、镍、锗、铀等元素。 4）生物作用按生物作用的不同特点，可分为生物沉积成矿作用和生物化学沉积成矿作用。前者是由生物遗体的直接堆积而形成矿床，如煤、石油及油页岩等的形成。至于生物化学沉积成矿作用，生物的生命活动起了直接的浓集作用，同时伴有化学作用，如磷灰石、自然硫等沉积矿床，是生物作用和化学作用的共同结果。 5）pH值和Eh值的影响pH值和Eh值的变化一般与海水的深度或距离海岸的远近有关。海水浅、距离海岸近则pH值较低而Eh值高；海水深、距离海岸远则反之。例如，海相沉积的铝、铁、锰矿床的分布即与此因素有关。一般情况下，铝土矿沉积于最靠近岸边的地方，铁矿稍远，而锰矿最远。 三、外生矿床的成因分类 根据成因，外生矿床可以分为风化矿床和沉积矿床两大类。在风化矿床中，由物理风化作用形成的矿床叫作残积矿床；由化学风化作用中易溶组分淋滤再沉积而成的矿床以及由难溶组分残留原地而成的矿床分别称之为淋滤（或淋积）矿床和残余矿床。 在沉积矿床中，根据沉积分异作用又可分为机械沉积和化学沉积矿床两类。此外，自然界还有很多直接或间接由生物作用形成的矿床，如煤、石油、油页岩、磷块岩等，亦属于沉积成因，列为生物化学沉积矿床。 9.2 风化矿床 一、各类风化矿床的主要类型 1、残积、坡积矿床 这类矿床中的矿石矿物都是原岩或原矿床中化学性质比较稳定而且比重也比较大的有用矿物，当它们从母岩中散落出来后，就残积在风化破碎产物底部形成残积矿床；由于剥蚀及重力影响，亦可作短距离搬运，在附近山坡上堆积成矿，形成坡积矿床。 这类矿床的明显特点，是矿石矿物及脉石矿物未经胶结，呈疏松散离状态，因而常是以砂矿形式存在。 2、残余矿床 出露地表的岩石或矿床，当其经受化学风化作用和生物风化作用时，往往要发生深刻的变化。如果易溶组分被地表水或地下水带走，难溶组分在原地彼此互相作用，或者单独从溶液中沉淀出来形成新矿物，由这些物质堆积而形成的矿床，称为残余矿床。 温暖或炎热的潮湿气候，准平原化的高原地形和持久的风化作用时间，对残余矿床的形成较为有利。 残余矿床多见于现代风化壳中，并常保存在比较稳定的分水岭上。矿石多呈疏松土状或胶状构造。矿石矿物主要为氧化物、氢氧化物和含水硅酸盐等或有用组分呈离子状态吸附在其他矿物上。残余矿床在风化矿床中占有很重要的地位，有些矿床规模极大，品位很高，具有很大的工业意义。如目前世界上富铁矿储量的70产于此类矿床。 3、淋滤（或淋积）矿床 这类矿床是由地表水溶解了一部分可溶盐类向下渗滤，进入到原岩或原矿床风化壳下部或原生带内，由于介质条件的改变，发生了交代作用及淋积作用从而形成的矿床。这类矿床的主要类型有铁、锰、铜、铀、钒、磷等。 淋滤矿床的矿体形状呈不规则层状、囊状、柱状或透镜状。矿石结构多为土状、胶状；如果是交代成因的，则常保留有被交代岩石或矿物的残余结构和构造。 淋滤矿床与残余矿床的区别是前者常在后者的下部。二者相互共存，但界线很不清楚。 二、风化矿床的共同特征 （1）风化矿床的物质成分都是那些在外生条件下比较稳定的元素和矿物。由于这类矿床主要是由氧、二氧化碳、水等和原岩或原矿床相作用而成，所以矿石的矿物成分大多数是氧化物、含水氧化物、碳酸盐及其他含氧盐类。 （2）由于矿床是原岩或原矿床在风化作用下形成的，因此，它们往往部分地保留有原岩或原矿床的结构、构造。 （3）大部分风化矿床是属于近代（新生代）风化作用的产物，因此，一般都产在风化壳中，呈盖层状态分布在现代地形的表面之上。 （4）还有一种风化矿床类型古代风化矿床，它们是在后期地质作用中没有被破坏而保留下来的古代风化作用产物。 （5）风化矿床以中小型为多。 三、风化矿床对开采的影响 由于风化矿床一般都产在地表和近地表，所以风化矿床的开采是以露天开采为主；由于风化矿床的开采和加工条件都比较方便，所以世界上有许多矿床都是先开采其地表风化部分，然后再进一步利用其下部的原生矿床。 9.3 沉积矿床 根据搬运和沉积方式，沉积矿床可分为机械沉积矿床、化学沉积矿床和生物化学沉积矿床三大类。 一、机械沉积矿床沉积砂矿 在第三纪以来形成的机械沉积矿床，主要是尚未胶结石化的碎屑质沉积矿床，如碎屑质主要为砂粒的，称为沉积砂矿。这类矿床一般存在于地表或埋藏不深，矿石结构疏松，易采易选，故具有工业价值。而第三纪以前各地质时代的沉积砂矿，由于长期地质作用的影响，大部分已经转化为固结的沉积岩或甚至成为变质岩，在采矿和选矿上都比较困难，一般只能作为岩石来处理。 由于组成沉积砂矿的有用矿物都是经过较长距离机械搬运和机械分选的风化产物，因而它们都是化学上比较稳定的，在风化和搬运过程中不易分解；机械强度上是坚韧耐磨的，经得起长期磨蚀；比重较大，能在机械分选中富集起来。 具备这些条件的有用矿物如自然金、铂等、稀有元素矿物（独居石等）、金属矿物（磁铁矿、锡石等）、以及非金属矿物如金刚石和其他各种宝石等。 根据成矿时期的地形特点，沉积砂矿可以分为冲积砂矿、冰川砂矿、三角洲砂矿、湖滨砂矿和海滨砂矿等类型，比较重要的是冲积砂矿和海滨砂矿。 1、海滨砂矿 海滨砂矿往往呈平行于海岸分布，呈狭长条带型，出现在海水高朝线和低潮线之间。这类砂矿床中的有用矿物是由河流从大陆上搬运而来，或由海岸附近的岩石的海蚀破坏而来，由海浪作用使它们在有利地段富集起来形成矿床。 这类矿床的明显特征是较重矿物的集中富集，显示了海浪对矿物有良好的分选性。此外，由于长距离搬运和长时间的往复滚动，矿物一般都圆滑度较高、颗粒细小。海滨砂矿中的有用矿物有锆英石、独居石、磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿等，有时还有锡石和金刚石。 2、冲积砂矿 冲积砂矿的形成，与河流的发育阶段有关。河流发育的初期以侵蚀作用为主；中期以后才逐渐以沉积作用为主，有利于冲积砂矿的形成，所以冲积砂矿多形成于河流的中游和中上游地区。特别是那些河床由窄变宽、河床坡度由陡变缓等地带。 根据矿床发育地带的地貌特征，冲积砂矿可概略地分为三类 1）河床砂矿是处在河床形成过程中的冲积砂矿，一般都在现代河床的底部。河床底部的疏松沉积物质具有粗粒的特征，细砂粒和粘土一般比较次要。形成河床砂矿的有利条件是周围有较多的原生矿体或早期形成的砂矿。 2）河谷砂矿这是由于河道侧向迁移，因而露出水面并已或多或少为冲积层所覆盖的冲积砂矿床，是由河床砂矿发展而成的冲积砂矿。它主要形成于侧向侵蚀强烈，河谷逐步加宽的河流壮年期。矿床产在河谷底部的冲积层内。 3）阶地砂矿在地壳上升地区，河流向下侵蚀强烈，河床逐渐加深，最后可使没有受到破坏的早期河谷砂矿高出地表面，就成为阶地砂矿，分布于河谷两侧的阶状台地之上。 最重要的冲积砂矿有砂金、砂锡和稀有元素砂矿。我国云南、广西厮砂锡矿的重要产地。砂金矿床在我国分布十分普遍，全国各地均有发现。特别是黑龙江流域，更是全国闻名的产金地区。 二、化学沉积矿床 金属成矿物质以固体碎屑状态被地表水机械搬运最后成为机械沉积矿床者只是极少数；大部分金属成矿物质都是以溶液状态被地表水搬运入各种水盆之后，经化学沉积分异作用沉积成为沉积矿床。 化学沉积矿床，可根据搬运及沉积方式分为两个亚类真溶液化学沉积矿床和胶体溶液化学沉积矿床。 1、真溶液沉积矿床 真溶液化学沉积矿床，其成矿物质是以离子状态在地表水中被搬运，并在一定条件下，以结晶沉淀方式或化学沉淀方式从水盆中沉积出来形成矿床。以结晶沉淀方式形成的矿床，主要是以协易溶盐类（如石膏、岩盐、钾盐、镁盐等）在干旱气候下，在泻湖或内陆盆地中，由于蒸发作用，使溶液达到或超过饱和浓度、发生结晶沉淀作用而形成的蒸发盐类矿床。以真溶液化学沉积作用形成的金属矿床，主要是指沉积铜矿床。 2、胶体溶液沉积矿床 胶体溶液沉积矿床，是指成矿物质以胶体状态被搬运，在一定条件下形成的矿床。例如铁、锰、铝等化学沉积矿床，它们在世界上有大量的分布，是全世界铁、锰、铝的主要来源。 铁、锰、铝等化学沉积矿床的形成过程和一般特点 大陆上含铁、含锰和含铝的岩石在湿热气候下，由于长期风化破碎分解，铁、锰、铝等金属元素大部分呈含水氧化物的胶体{ [Fe2O3nH2O]、[MnO2]、[Al2O3nH2O] }状态被地表水搬运。地表水中含有一定量的能起护胶作用的腐殖质胶体，这样就对这些金属的胶态搬运起了有利作用。但当它们进入到海中以后，由于海水中含有大量电解质，并在pH值和Eh值的控制下，分别聚集沉淀形成铁、锰、铝海相沉积矿床。当它们被搬运到湖盆中时，其情况和海中不同，这里没有象海洋中那样多的电解质，而往往有更多的腐殖质。由于腐殖质超过一定限量就不再起护胶作用，所以当铁、锰、铝等胶体进入到湖盆中时，可因失去护胶作用，或因过分浓集而从水介质中沉积出来，成为湖相沉积矿床。 三、生物化学沉积矿床 1、生物化学沉积矿床的概念和特点 生物化学沉积矿床系指由沉积作用堆积起来的生物遗体、或经过生物有机体的分解而导致有用矿物沉淀所形成的矿床。也包括在沉积过程中，由细菌的生命活动而使某些元素聚集而形成的矿床。 此类矿床有；沉积磷灰块岩矿床，硫化铁矿床，沉积自然硫矿床，硅藻土矿床，生物灰岩矿床等等。 此类矿床主要产于陆棚浅海盆地的边缘地带，炎热气候条件提供了生物生长繁殖的环境。所以它们多赋存于海相地层中，有一定的成矿时代和含矿层位。 2、生物化学沉积矿床的成矿作用 关于生物化学沉积矿床中生物化学作用的过程，是长期争论和尚未解决的问题之一。在理论上，对于常温水盆地中形成的沉积矿床，微生物可能以四种主要方式起作用 ① 促使成矿元素聚集。 许多微生物具有从各种浓度梯度的稀溶液中，把许多元素聚集起来的能力。由藻和细菌组成的海洋生物群中，生物体内的某一种或几种元素富集的浓度，可以超过海水中浓度的许多倍。 ② 改变环境的物理化学条件。 微生物进行的各种呼吸和发酵反应，都会导致环境的物理化学条件的变化，从而改变矿化作用的过程。例如，通过藻类和细菌对环境的pH值和CO2浓度的影响，对碳酸钙的沉积起了控制作用。 ③ 产生有机酸。 ④ 通过新陈代谢作用把元素从一种状态转变为另一种状态。 许多微生物，通过对无机化合物的氧化和还原的催化作用，对元素的地球化学再循环起了重大的作用。厌氧细菌能分解硫酸盐产生大量硫化氢。因此，一般认为分解硫酸盐的还原细菌，可能是与大规模硫化物矿化有关的生物营力。 四、沉积矿床的共同特征 沉积矿床（主要指胶体沉积金属矿床）的共同特征 1、矿体和围岩的关系沉积矿床的矿体与其围岩基本上是同时形成的，围岩都是沉积岩，矿体和围岩界线清楚。 2、 矿体的形状矿体多呈层状，少数呈透镜状。 3、 矿石特点矿石的矿物成分比较稳定，单一，变化小。矿石矿物以高价氧化物为主，如赤铁矿、铝土矿等；脉石矿物以石英为主，其次为长石及粘土类矿物。 思考题 1、 外生矿床的概念及其分类。 2、 外生矿床的成矿物质来源及成矿作用过程。 3、 风化矿床中残积矿床和残余矿床形成过程的差异性。 4、 以硫化物矿床的次生变化为例，了解残余矿床和淋积矿床的形成过程。 5、 沉积矿床中机械沉积矿床、化学沉积矿床以及生物化学沉积矿床形成过程的差异性。 6、 了解风化矿床、沉积矿床的矿床特征。 5