合肥工业大学资源与环境工程学院矿床学课件第六章-气水热液矿床概论.pptx
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1、Contents一、气水热液及其在成矿作用中的意义二、气水热液的来源,主要成分和性质三、气水热液中成矿元素的搬运和沉淀 四、含矿气水热液的运移 五、气水热液矿床的成矿方式 六、气水热液矿床的围岩蚀变 七、气水热液矿床成矿温度和压力(深度)的测定 八、气水热液矿床的矿化期,矿化阶段和矿物生成顺序一、气水热液及其在成矿作用中的意义一、气水热液及其在成矿作用中的意义1、气水热液、气水热液:气水热液气水热液是指地一定深度(几十几十公里)下形成的,具有一定温度(几十几百度)和一定压力(几十几百几千巴)的气态和液态的溶液,其成分以H2O为主,并含有F、Cl、Br、S、C等多种挥发成分,以及W、Sn、Mo、
2、Nb、Ta、TR、Cu、Pb、Zn、Ag、Hg等成矿元素,因此成分以H2O为主,并主要呈液态,故称为气水热液或简称为热液。2、气水热液在成矿作用中的意义、气水热液在成矿作用中的意义1)气水热液广泛存在于各类成矿作用中(1)是岩浆矿床和伟晶岩矿床演化到一定阶段的产物。(2)是接触交代矿床和热液矿床的主要含矿介质,对矿质携带、搬运和沉淀起主要作用。(3)对火山成因矿床和某些沉积矿床的形成具有一定影响。(4)对变质矿床形成中矿质的迁移、沉淀具重要作用。2)成矿作用过程中,热液能把深部的矿质以及分散在岩石中的成矿元素萃取出来,搬运到一定部位,以充填、交代等方式使矿质沉淀,形成矿床。二、气水热液的来源,
3、主要成分和性质二、气水热液的来源,主要成分和性质(一)气水热液的来源(一)气水热液的来源气水热液来源的研究途径:(1)实际资料和理论推测;(2)现代地热系统观察研究;(3)矿物流体包裹体;(4)同位素地球化学;(5)高温高压水-热体系实验等。气水热液的主要来源(成因):岩浆的,地下水的,海水的和变质的。1岩浆热液岩浆热液概念:岩浆热液是与岩浆处于平衡的或从岩浆中分出的气水溶液。岩浆热液存在的证据:(1)现代地质观察:(2)地质证据:(3)实验证据:各种岩浆均含一定量的水,如P9.7Kb,T=10800C时,出现上上临界点临界点,水在SiO2熔体中的溶解度达25%(重量),高于此临界点,水在硅酸
4、熔体中可以无限溶解,只存在一个统一的熔体相;低于上临界点时,含水硅酸盐熔体可分为一个富水相和一个富硅酸盐相,最终都可分出热液。各种岩浆均含一定量的水,如P9.7Kb,T=10800C时,出现上上临界点临界点,水在SiO2熔体中的溶解度达25%(重量),高于此临界点,水在硅酸熔体中可以无限溶解,只存在一个统一的熔体相;低于上临界点时,含水硅酸盐熔体可分为一个富水相和一个富硅酸盐相,最终都可分出热液。上临界点上临界点说明:(1)影响水从岩浆中分离的主要因素:a.岩浆中水的溶解度;b.温度和压力。(2)水从岩浆中分离的时间:可在岩浆结晶的最终阶段前很早就开始,并可在结晶的整个温度范围内持续很长时间。
5、(3)一般情况下,在比较开放的系统中,岩浆开始分馏要比封闭系统早,即在较高的温度条件下开始,同时结束也较早。2地下水热液地下水热液地下水热液的形成过程(1):1)下渗)下渗:在大陆区,一定的水文条件下(主要是构造裂隙带),地下水可下渗到地下几百米几公里深处。地下水热液的形成过程(2):2)升温:)升温:地下水深循环的过程中会升温。其热源有:a地热梯度:地热增温率0.060.150C/m,5000m处形成3000C。b岩浆烘烤。c放射性元素蜕变。d与高温火成热液的混合。地下水热液的形成过程(3):3)盐度增加:)盐度增加:地下水循环过程中,水岩作用及其他因素导致其成分和性质发生变化。流经含盐类沉
6、积物较多的地层时,可溶解盐类,形成地下热卤水热卤水。地下水热液的形成过程(4):4)含矿热液的形成:)含矿热液的形成:深循环的地下水与岩浆接触,地下水受热和矿化,并增加萃取金属的能力。3海水热液海水热液由下渗的海水形成,主要产生在海洋环境。在海洋底部,海水可沿岩隙,构造变动带下渗到地壳的深部,在地下热能的影响下,受热形成热液环流,并可以流经的围岩中萃取成矿物质,然后通过断裂,火山口或爆破带,再流入海中,与海水作用形成火山沉积矿床。海水热液海水热液有利部位有利部位:在海洋扩张中心,火山岛弧海洋岛屿和大陆边缘地区,这种下渗海水对成矿具重要意义。矿床矿床:由海水热液形成的热液矿床主要是一些与海底岩浆
7、作用有关的块状硫化物矿床。4变质热液变质热液变质热液:在变质作用(主要是含水矿物的脱水作用)中与变质的岩石平衡的,或从中分出的水溶液,叫做变质热液。(1)变质水的来源:含水矿物,成岩原生水,岩石中埋藏水,以前者为主。(2)变质作用能产生大量的变质水:1Km3沉积物变质,能释放出约1亿吨水。(3)变质热液受原始地质体的成因,变质作用的强度和类型(接触变质和区域变质)控制。一般变质程度增加,产生变质热液越多。不同变质强度岩石中的含水量(原岩)绿片岩相角闪岩相麻粒岩相(原岩)绿片岩相角闪岩相麻粒岩相沉积岩2030%6%28%0.5%基性火山岩 5%3.15%1.03%0.35%5其它来源热液其它来源
8、热液地幔热液6不同来源热液的不同来源热液的1818O ODD特征特征海水:SMOW;地下水:服从D818O10(Craig方程);岩浆水:18O69;D-48-80;变质水:18O525 D-20-65。(二二)气水热液的成分气水热液的成分1、研究气水热液成分的途径、研究气水热液成分的途径1)气成热液矿床的矿石成分及围岩蚀变特点的研究;2)气成热液矿床中矿物中的液体包裹体成分研究;3)火山喷发物的成分及火山活动地区的热泉及其中沉淀物质成分研究;4)深层地下水(深钻和深部矿井中获得的)的成分;5)现代地热系统的详细研究。2、气水热液的成分、气水热液的成分1)最主要组份:水(H2O)。2)基本组份
9、:主要的造岩元素和挥发性组份:Na、K、Ca、Mg、Sr、Ba、Al、Si等;Cl、F-、SO42-、P等。3)金属成矿元素:主要是亲铜元素:Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sn、Sb、Bi、Hg等;其次为过渡性元素:Fe、Co、Ni、Mn等;稀有、稀土放射性元素:W、Mo、Be、TR、U、In、Re;4)溶解的气体:H2S、CO2、HCl等;5)其它微量元素:主要是稀散元素:Li、Rb、Cs、Br、I、Se、Te等。3、气水热液组份的性状:(1)水)水水是气水热液的主要组分,它不仅是成矿物质的搬运介质,而且在成矿作用的地球化学过程中起着极大的作用。a.水解作用:溶解物质或使某些矿物沉淀。b.水
10、的电离:H2OH+OH,影响溶液的pH值,对成矿物质的迁移,搬运、沉淀均起重要的作用。(2)二氧化碳()二氧化碳(CO2)CO2+H2OH2CO3H+HCO2H+CO32a.CO2的溶解量与溶液中CO32成正比,同时与pH值有关;b.CO2在溶液中的溶解度与温度呈反比,温度降低,CO2作用增强,因此,在热液矿床的中、低温阶段,常出现大量的碳酸盐矿物,以及碳酸盐化围岩蚀变。(3)氧()氧(O):):氧在成矿过程中的活动性:a.在高温阶段:温度高,热液中CO2、H2S不能相对集中,O2起重要作用,和许多金属、非金属化合形成氧化物:O2+Fe=Fe3O4(M+);O2+Sn锡石。b.在中温阶段:溶液
11、中H2S离形成大量S2,此时,氧的作用处于次要地位,元素主要与S作用形成硫化物。c.低温阶段:氧化作用又相对活跃,部分亲铁元素与氧化合,而亲硫元素则与S化合,这一阶段形成两类矿物:氧化物+硫化物。d.表生阶段:O最高、活性最大,C、S被氧化、形成H2SO4和H2CO3,于是形成大量硫酸盐矿物和碳酸盐矿物。(4)硫()硫(S)成矿热液中,硫以H2S形成存在,并具电离:H2SH+HSHSH+S2S2=K1K2H2S/H+2可见,S2-与溶解的H2S浓度成正比,与H+成反比,因此,大量S2-只有在碱性介质中形成。H2S对热液成矿作用的影响:a.高温条件下:(约4000C),H2S在高温热液中不能电离
12、,而以H2S气体分子存在,不能参与化学反应,故高温热液中难生成的硫化物。b.中温条件下:随着温度下降,H2S在水中溶解度增加,溶液中S2增加,对硫化物大量形成具重要意义。S对热液成矿作用的影响:S2S22S0S4+S6+氧化程度增加还原环境形成自然与O结合形成SO2,形成金属硫,主要近地表时+H2O形成硫化物见于火山亚硫酸氧化成硫酸,喷气中形成硫酸盐矿物。硫的地球化学性状决定硫化物主要在中、深和碱性条件下形成,而硫酸盐只能在近地表环境下形成。(三)气水热液的性质(三)气水热液的性质1、气水热液的物理性质;2、气水热液的化学性质.1、气水热液的物理性质、气水热液的物理性质(1)液液体体的的蒸蒸气
13、气压压:当液体和它的蒸气处于平衡时,气体分子的压力是一个确定值,该值被称为液体的蒸气压。(2)超超临临界界液液体体:在一定的温度和压力条件下,H2O呈现出一种处在液体和气体之间的连续性状态,这种状态的H2O称为超临界液体。(3)临临界界点点:气液之间不存在区别的温度和压力,叫做临界点。水在温度和压力超过临界点(374.150C和2.21107Pa)时,呈超临界流体存在。说明:水的临界温度与水中溶解的物质有关,一般情况下,水盐体系的临界温度高于纯水的临界温度。因此,气水热液的临界温度和纯水的临界温度之间有极大的差别。(4)气气水水热热液液的的状状态态:大多数研究者认为,热液从岩浆中分出时主要呈超
14、临界流体,只有当外压力小于临界压力时,才出现气相,热液中除H2O以外的其它气体组分如HF、CO2、SO2、O2、H2S等在含矿流体中主要呈气体状态存在。2、气水热液的化学性质、气水热液的化学性质 大量研究表明,在气水热液成矿作用过程中,气水热液的化学性质是变化的,以pH为例:一般出现下列演化:酸性弱酸性弱碱性碱性中性。1)、岩浆分异的气液相因含较多酸性组分,呈酸性。2)岩浆气液与围岩反应(如云英岩化、钾化)则变为碱性溶液:3KAlSi3O8+2CO2+2H2O=2KAl2(AlSiO10)(OH)2+2K2CO3+12SiO2(Ksp)(酸性溶液)(MuS)(碱性溶液)(Q)3)在一些低温热液
15、矿床中出现的蚀变,如Ser化、Cc化等是在碱性介质条件下形成的,pH=910。气水热液的化学性质4)在一些浅成热液矿床中出现的蚀变有次生石英岩化、高岑土化、明矾石化,是在酸性介质中进行的,pH=37。O增高,SO42形成。5)矽卡岩矿床的石英包裹体研究,pH=73(苏远东),为偏碱性介质下形成。6)大多数硫化物沉淀是在碱性介质条件下形成的。总之,气水溶液的pH值,在成矿作用过程中是有变化的,但大多数化学反应是在中性、弱碱性和弱酸性环境中进行的。另外,气水热液成矿过程中,多数属于还原环境。气水热液的化学性质三、气水热液中成矿元素的搬运和沉淀三、气水热液中成矿元素的搬运和沉淀(一)热液中成矿物质的
16、搬运形式及其变化(一)热液中成矿物质的搬运形式及其变化成矿元素在热液中的搬运形式与热液和矿质的来源、性质、成矿元素的地球化学特性、成矿物理化学条件(T、P、pH、Eh)有关。共有四种假说。a.以硫化物形式搬运;b.以卤化物形式搬运;c.以胶体溶液和真溶液形式搬运;d.以络合物形式搬运。1、以硫化物形式搬运、以硫化物形式搬运 鉴于热液矿床中,矿物大多数以矿化物形式出现而提出此假说。但由于绝大多数金属硫化物在水溶液中的溶解度非常低,形成规模矿床不现实。2、以卤化物的形式搬运、以卤化物的形式搬运依据:依据:(1)金属卤化物在水中的溶解度较大;(2)火山喷出物中见含高盐度的氯化物溶液和Pb、Zn、Cu
17、、Fe、Zn、W、Mo等的可溶性氟化物或氢化物;(3)一些矿床中出现含F、Cl的矿物,如,萤石、黄玉、氯铅矿等;(4)矿物包裹体中K、Cl、Na含量高,有时有NaCl等子晶出现。实验表明,许多高价金属阳离子Fe3+、Zn4+、Sn4+、Nb5+、Te4+、W6+的简单卤化物溶液中是不稳定的,极易发生水解,不可能被搬运很远成矿。只有高温气化阶段的W、Sn可能以卤化物方可搬运。3、以易溶络合物的形式搬运、以易溶络合物的形式搬运(1)络合物:是由简单化合物组合在一起形成的多分子化合物。络合物的溶解度是简单化合物的几百万倍,而且具有很大的稳定性,在溶液中能长距离搬运,而不发生水解和沉淀。成矿物质以络合
18、物形式搬运已被广泛接受。(3)络合物的种类:a.卤化物络合物:PbCl42、PbCl1+、CuCl42、CuCl3等;b.硫 氢 化 合 物 络 合 物:PbHS2、Pb(HS)3、Zn(HS)2、CuS(HS)33等;c.碳酸盐络合物:ClO(CO3)2、ClO(CO2)24等;d.羟基络合物:Sn(OH、F)62、Be(F、OH)4等;e.有机物络合物。一般认为,在热液中两种络合物最重要,即硫化物、硫氢化物络合物和氢化物络合物。4、以胶体溶液形式搬运、以胶体溶液形式搬运胶体溶液指分散程度在0.1m1nm之间的分散体系。胶体的主要性质:胶体质量具特别大的表面积,因此具巨大的表面能,特殊的表面
19、电力吸附现象等;胶体质点带有一定的电荷,同种电荷相互排斥,而保持稳定状态;胶体在高温下不稳定,在低温下才较稳定。胶体微粒的结构公式:吸附层胶核决定电荷的离子+反离子反离子固定层胶粒扩散层胶团或胶包胶粒带电,胶团则呈电中性。例:Fe(OH)3正胶体:胶粒mFe(OH)3nFeO+(n-x)Cl+xCl核 决定电荷的离子!反离子 反离子胶团SiO2负胶体:胶粒吸附层mSiO2nSiO322(n-x)H+2xH+核 决定电荷的离子 反离子 反离子胶团结论:成矿物质的胶体形式存在是可能的,但结论:成矿物质的胶体形式存在是可能的,但不是主要的,较低温度下,胶体作用更大。不是主要的,较低温度下,胶体作用更
20、大。(二)成矿元素的沉淀(二)成矿元素的沉淀(1)成矿溶液中成矿物质沉淀的方式:a.由于温、压降低及溶剂的蒸发、热液的混合,使溶液中某些溶质发生过饱和而沉淀。此时,沉淀物与溶解物相同。b.由于发生化学反应,形成不易溶解的化合物而沉淀出来。生成物与溶解物成分不一致。自然界中,这种作用重要。(2)影响矿液中成矿物沉淀的原因(因素):1)温度降低2)压力降低3)pH值的变化4)氧化-还原反应5)不同性质热液的混合6)与围岩的作用1)温度降低a.温度降低,引起一些成矿元素的化合物或络合物溶解度减小而沉淀;b.温度变化,使某些化学反应进行:MS+2H2OM(OH)2+H2S温度降低向左进行,MS沉淀。温
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