浅议元素离子电位和丰度与巨型矿床的关系

赵 博，王 斌，石成龙，廖煜钟，赵 欣，张 涛，张德会

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083 2.长安大学地质资源与地质工程, 西安 710064



浅议元素离子电位和丰度与巨型矿床的关系

赵 博1,2，王 斌1，石成龙1，廖煜钟1，赵 欣1，张 涛1，张德会1

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083 2.长安大学地质资源与地质工程, 西安 710064

元素的质和量及其排列组合方式被认为是矿床形成的“基因”。使用离子电位与克拉克值定量反映元素的质、量特征。成矿不外乎“源、运、储”三个环节，而离子电位通过控制金属“运”的行为影响其成矿能力，笔者给出了唯一的具有一定成因意义的元素离子电位，并发现离子电位与全球巨型矿床数目(n)、吨位堆积指数(TAI)可以拟合为一条向上开口的抛物线。克拉克值通过影响元素参与成岩-成矿过程的浓度继而支配着它们的地球化学行为，笔者证实了金属累积堆积量(m)与其丰度(c)呈线性相关，暗示某元素的高丰度可能意味着该元素的区域资源优势。

离子电位；克拉克值；丰度；吨位堆积指数；巨型矿床；相关关系

0 引言

元素的质和量及其排列组合方式被认为是矿床形成的“基因”。离子电位即离子价态与半径之比决定了元素的离子在岩浆和水溶液中的性质、行为及迁移习性，对元素的富集、分散，以及存在形式有重要的制约作用[1]。在Laznicka[2-3]编纂的全球巨型矿床数据库中，热液矿床占全球巨型矿床总数的比例高达63.5%，其中与岩浆热液有关的矿床占巨型矿床的比例达到44%。成矿的发生包括“源、运、储”三个环节[4-5]，离子电位反映的是“运”，巨型矿床金属堆积反映的是“储”，而“源”可以用个用克拉克值表征。笔者通过研究“运”和“储”、“源”和“储”之间的相关关系，讨论元素的“质”和“量”的成矿学意义。

1 离子电位与矿床储量的关系

1．1 离子电位的估算

某金属在全球巨型矿床中的累积堆积量只有一个值，但该金属的离子电位往往具有多个值[6]。那么，如何从若干个离子电位中加权计算或择选出唯一的具有一定成因意义的离子电位就成为理清离子电位控矿意义的关键所在。

从元素地球化学角度出发，离子电位决定了矿床形成的“运”和“储”，这是因为离子电位在很大程度上决定了金属在岩浆热液、风化过程中的地球化学行为和迁移习性，前者主要与“运”有关，后者则与“储”有关[7-8]。为了简化问题，对离子电位的估算主要本着“运”的原则，估算原理及结果如表1所示。在计算时，对内生作用中不易迁移的离子价态一概不考虑；表生条件下反映“储”的离子电位亦不考虑，因为从内生“运”的价态到表生“储”的价态有时变化很大[9]，权重值不好确定；风化过程中化学元素迁移能力的强弱序次虽取决于元素本身的理-化性质(如离子电位等)[10]，但也与外界环境(如介质的pH值和氧化、还原条件)有关；加之离子电位不是影响矿石储集或保存的唯一因素，按照Mookherjee和Panigrahi[11]的意见，矿石形成环境的稳定性可以由“半寿命期”定量表征，而半寿命期的长短与大地构造环境密切相关，如大洋底部锰结核和“钴壳”寿命短暂，沿着消减带很快地自生自灭；Al、Co和Ni的大陆风化壳矿床保存潜力很低，砂矿的半寿命期稍微长一些；通常，形成于张性构造或更深地壳环境中的矿床保存潜力较大，从而半寿命期也比较长[11-12]。

1.2 离子电位与巨型矿床成矿规律

赵波和张德会[5]对离子电位(π)与巨型矿床数目(n)之间的对应关系进行了系统性研究，但并未考虑或解释离子电位的估值问题。Railsback[8]认为，π<3或π>8的元素容易形成巨型矿床，π<3的元素形成巨型矿床的趋势尤为显著，π=3～8的元素形成巨型矿床的数目和吨位堆积较小；π<3为可溶性阳离子，介于3到8之间为两性离子，容易形成复杂络合物迁移。

笔者根据离子电位可将阳离子分为三类，第一类和第二类元素之间的界限为3，第二类和第三类元素之间的界限为8(图1、图2)。在统计的43个元素中(表1)，有23个元素的离子电位<3，即属于第一类元素；17个元素属于第二类；3个元素属于第三类。可见，第一、三类元素形成巨型矿床的数目较多(其中In、Li、Cd、Co为例外)、吨位堆积指数(tonnage accumulation index，TAI)也高，但In例外。所谓TAI是指某金属在巨型矿床中的累积堆积吨位(储量m)与其上地壳丰度(c)之比，用于确定矿石成因和就位地球化学效率大小[4]。第二类元素主要为Th-U、Al、Fe-Mn-Cr、高场强元素、REE等，其形成的巨型矿床数目不多、TAI不高。总体上，离子电位与巨型矿床频数或TAI之间可以拟合开口向上的二次抛物线[5]。

表1 离子电位估值

表1(续)

表1(续)

注：如未特殊说明，离子在岩浆热液和表生条件下中的价态信息均引自刘英俊等[6]，元素、不同价态的离子电位引自Railsback[8]，离子电位的估算值由笔者完成。

究其原因，成矿最基本的单元是元素，元素的质和量以及它们之间排列组合的差别，可能就是控制矿床的类别和规模大小的“基因”[23]。克拉克值代表元素“量”的属性，而离子电位体现了“质”的属性，二者共同制约着元素的富集成矿。其中，离子电位反映了金属的活动性顺序和迁移习性，从而在一定程度上决定了元素的富集成矿。离子电位<3即为可溶阳离子、3～8之间为可溶的氢氧化物沉淀(可溶是因为流体中F-、Cl-等高电负性配合剂的影响，配合剂可从氢氧化物中夺取阳离子，并形成复杂络合物[24])、>8为含氧水合物中的可溶含氧离子，或含氧酸根阴离子。Smith和Huyck[25]认为，离子电位<3和>8的第一、三类元素易溶难沉淀，一旦沉淀就不易再次溶解，因此容易形成巨型矿床；离子电位介于3～8 的第二类元素易溶(主要呈络合物形式)、易沉淀，且沉淀物易于再次溶解，从而不利于形成巨型矿床[5]。

巨型矿床数据引自文献[3]。图1 离子电位与全球大型--超大型(巨型)矿床数目关系Fig.1 Relationship between ionic potential of elements and the number of global giant ore-deposits

Au、Hg、PGE的TAI单位为10-9，其余为10-6。TAI数据引自文献[3]。图2 元素离子电位与全球大型--超大型(巨型)矿床吨位堆积关系Fig. 2 Relationship between ionic potential of elements and the tonnage accumulation index of global giant ore-deposits

值得指出的是，表1中的离子电位的估值具有一定的主观性和片面性，且仅靠离子电位并不能预测所有元素的地球化学行为和成矿潜力。从拟合优度上看，图 1、2中离子电位与TAI之间的抛物线关系不是很严格的，存在许多不确定性因素，仅表示一种趋势。表 1对离子电位的估值原则没有考虑风化成因的铝土矿、锰结核、“钴壳”等非岩浆热液成因矿床，但图 1、2中还是将这些元素都列举出来了，一方面是因为岩浆热液成因的金属矿床占全球金属储量的绝大部分[3]；另一方面是因为Al虽然是风化成因，但Al的地球化学价态通常只有3+；Mn虽然为变价金属，但Mn4+在溶液中并不稳定，这些特例不会显著影响离子电位与TAI之间的相关关系。此外，可能有人质疑巨型矿床的储量、数目都是处在不断变化中的，可能一些隐伏巨型矿床尚未被发现，还有些矿床可能剥蚀到了尾部，导致这些巨型矿床的储量和数目就有可能会被低估。但笔者认为，就全球尺度而言，表2所公布的数据具备一定的稳定性和统计意义。

2 元素丰度与矿床储量的关系

上地壳元素丰度与大型、超大型矿床金属堆积量之间呈线性相关(图3)[26-27]。表明金属形成巨型矿床的能力确实与其元素丰度有明显关系，金属元素的克拉克值越高，其在大型--超大型矿床中的资源储量或绝对堆积量越大[2]。其原因是克拉克值标志着地壳作为一个地球化学系统化学成分的总特征，决定了地壳中发生的各种大规模成矿作用的总背景；因此，对于蕴藏在巨型矿床或大型矿集区中的金属储量来说，元素克拉克值的影响不容忽视。

Au、Hg、PGE的储量单位为10-9 t，其余为10-6 t。图3 克拉克值与全球大型--超大型矿床累积储量(吨位)关系Fig.3 Metallic abundances of the upper Crust versus accumulative tonnage of global giant and supergiant deposits

克拉克值可作为资源或储量估计的上限，代表了区域岩石的最大可能金属含量[28]。元素的区域地壳丰度愈高，它的可利用工业量愈多，地壳中某种元素的丰度与矿产储量之间往往呈现出线性关系，这就是矿床统计预测或资源评价中“丰度估计法”的基础和依据。

王登红等[29]应用丰度估计法等方法获得了南岭东段赣南地区8个1∶20万区调图幅范围内钨的资源量为683.413 2 万t，其中已探明资源量为191.621 2 万t，预测资源量为490.532 5 万t(表3)，这意味着勘查程度较高的赣南地区仍然存在着巨大的成钨和找钨潜力，这与钨的区域地壳丰度不无联系。其中，利用丰度估计法计算汇水盆地单元的资源量结果偏大，主要是因为有些矿点落在面积比较小的汇水盆地中，造成所在单元计算的富集系数偏大，以至于求得的资源量过大而偏离实际情况。此外，应用“丰度估计法”时还须注意这样一些元素，如Zn、Cu、Pb、Ni等，它们可以形成氧化物、硅酸盐和硫化物矿物，但作为矿石，一般为硫化物为主，此时应注意那些形成矿石-矿物的阴离子，如As、S或那些对于搬运金属元素很重要的F、Cl、CO2等，进而确定以矿石-矿物形式(或有效相态)存在的金属丰度的有效分量，而不是全量[30-32]。这也正是克拉克值与金属储量之间存在不确定性的重要原因之一。此外按照Mookherjee和Panigrahi[11]的意见，金属在上部大陆地壳中的平均丰度受由储量(吨位)-丰度图揭示的储量基准的一级控制，或者说，金属在上部大陆地壳中的平均丰度直接控制了成矿金属的储量或成矿潜力；同时，元素本身的地球化学行为、矿床形成环境和保存潜力(半寿命期)等差异则是影响金属储量的二级控制因素，从而破坏了储量与丰度之间的固有线性关系，使元素偏离拟合线。

表3 赣南地区钨资源量预测结果[29]

图3是在全球尺度上，针对多个金属而言的，在区域尺度上，对于单个金属或金属组合来说，克拉克值控矿的思想仍然有用。Shcherbakov[33]提出：岩体含矿的首要因素通常在于对具有较高背景值的原始基质的地球化学继承，而不是成矿的环境和过程；亦即成矿作用所损耗的围岩或底层岩石及其演化发展的程度----元素的丰度和比值。不同大地构造单元在其初始形成时就存在成矿金属丰度的差异，而这些差异是可以在后期演化阶段继承和延续下去的，因此某元素的高丰度往往意味着该元素的区域资源优势，大型矿床的形成无非是要求地壳丰度在大区域尺度上显著增高并逐级浓集[34-35]。

巨型矿床贡献了全球上地壳资源储量的绝大部分，大规模矿床中的金属堆积量则贡献了区域资源量的绝大部分，二者均取决于元素地壳丰度的局部增高。这就是为什么金属累积资源储量往往与克拉克值有关。相比之下，小规模矿床仅贡献了金属总储量的小部分，即便其成矿与克拉克值关系不大，也不会破坏累积资源量与克拉克值之间的线性相关。

3 结论

1)成矿有“源、运、储”三个环节。元素的离子电位在一定程度上决定了矿床形成的“运”和“储”，克拉克值可能决定了“源”。

2)元素离子电位(π)与巨型矿床数或TAI之间可以拟合为一条开口向上的二次抛物线。若将元素按其π值分为三类，则第一类元素(π≤3)的个数多于第二类(3<π<8)，第二类多于第三类(π≥8)。第一、三类元素形成巨型矿床的数目多、TAI高，第二类元素不利于形成巨型矿床，但有个别例外。

3)全球巨型矿床金属累积堆积量(资源储量)与其克拉克值呈线性相关，大型矿床的形成要求地壳元素丰度在大区域尺度上显著增高并逐级浓集，此时某元素的高丰度可能意味着该元素的区域资源优势。

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Relationship Between Elemental Ionic Potential，Together with Elemental Abundance， and Giant Ore-Deposits

Zhao Bo1,2,Wang Bin1,Shi Chenglong1,Liao Yuzhong1，Zhao Xin1，Zhang Tao1,Zhang Dehui1

1.SchoolofEarthScienceandResource,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083，China2.SchoolGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710064，China

Both elemental quality and quantity as well as their way of permutation and combination are widely considered to be the “genes” of ore-deposits. Significantly, ionic potential and Clark value can represent the basic elemental geochemical attributes which can be divided into both of “quality” and “quantity”. Thus, we studied the relationship between such two indivisible geochemical properties of ore-elements and the tonnage accumulation index (TAI) of giant ore-deposits. There are three critical steps to achieve the formation of ore-deposits; and they are material source, transportation, and preservation. In terms of its control ability to elemental behaviors of transportation (and/or preservation?), an ionic potential must exerts a striking influence on its elemental ore-forming ability; so does the Clark value in terms of its control of material source and of some geochemical behaviors that are sensitive to elemental abundance and strongly affect the concentration in those rock-and ore-forming processes. The available and unique value of ionic potential of some individual elements was worked out; and the mathematic relationship between the numbers of TAI of global giant ore-deposits and elemental ionic potentials was subsequently depicted, which appears as an opening-up parabola. Whereas, there is a rather clear linear relationship between metal resource reserves stored in giant and supergiant ore deposits all over the world and the elemental Clark values. So, a larger value of metal abundance indicatel its regional superiority of resources.

ionic potential; Clark value; abundance；TAI(tonnage accumulation index); giant ore-deposits; correlativity

10.13278/j.cnki.jjuese.201504114.

2014-11-02

国土资源部公益性行业科研专项项目(201411024)；国家自然科学基金项目(41373048)

赵博(1985--)，男，博士，主要从事地理信息系统与数学地质方面的研究，E-mail:xqshzylm@163.com

张德会(1955--)，男，教授，博士生导师，主要从事成矿作用地球化学、应用地球化学及成矿作用动力学的教学和研究工作，E-mail:zhdehui@ cugb.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504114

P59

A

赵博，王斌，石成龙，等. 浅议元素离子电位和丰度与巨型矿床的关系.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):1112-1120.

Zhao Bo, Wang Bin, Shi Chenglong, et al. Relationship Between Elemental Ionic Potential，Together with Elemental Abundance， and Giant Ore-Deposits.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1112-1120.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504114.