氧的地球化学：壳幔岩石中氧离子（O2

氧的地球化学：壳幔岩石中氧离子（O2－）不用动原理

2015-11-12杜乐天

铀矿地质 2015年1期

杜乐天

（核工业北京地质研究院，北京100029）

当前地球化学有从无限复杂发展为空前简单的大趋势。这类由繁趋简的变化取决于两个重大的学术支撑点，一个是氢的地球化学（笔者已有另文阐述），另外一个是氧的地球化学（本文将尽力给予揭示）。首先须加强调的是，氧离子（O2－）不用动是指含氧矿物和岩石中的氧离子不动。至于晶格中的离子振动，晶系改变在超微距离（Å级）的位置调整，O2－被F－、Cl－、S2－等交代和千分级氧同位素微量分馏均不在本文讨论的范围。

众所周知，岩石、矿物可以有数百上千种，相当复杂。它们之间到底存在什么关系，概念非常模糊，只是在岩石层次、矿物层次上研究是说不清楚的，必须再深入到元素层次，就会使认识变得豁然开朗。尽管自然界的含氧岩石、含氧矿物各种各样，但从元素地球化学层次上看，它们之间的关系相当简单。表1中列出7种元素与氧的不同搭配。其中，主体是氧（O2－），按重量百分比占46.6%，按原子数则占62.55%。因此，岩石学、矿物学的理论根基是氧的地球化学。

通常人们总习惯于用氧化物的重量百分比来考察问题，但是实际上，自然界岩石、矿物、元素的化合和运移，重量是不起作用的。真正起作用的是离子数、离子电价和离子体积。

在所有的含氧矿物中，人们往往只注意阳离子（如 Na＋、K＋、Si4＋、Al3＋）而不注意O2－，实际上O2－的体积大，占全岩、全矿物的91.97%，应当首先重视。其他阳离子总体积加在一起也只不过8%～9%。因此可以想象，岩石、矿物是氧离子的紧密堆积体。这是笔者提出氧离子（O2－）不用动（或不动）原理的理论核心。矿物、岩石之间的反应千变万化，但氧离子（O2－）是不用动的，只是阳离子的带出、带入。这样看问题会变得相当简明。

表1 地壳中几种主要元素特征对比Table 1Charactors of some major elements in the crust

由于Si4＋总是4价，离子半径又很小（0.39Å），因而比其他元素有与O2－强力结合成硅－氧四面体的特殊能力。硅、氧离子数之比如果为1∶2（SiO2），就是石英和钠长石、钾长石的架状结构；如果为1∶2.5，则形成云母、滑石类的层状结构矿物；如为4∶11，则是角闪石类；如为1∶3，则是辉石类；如为1∶4，就是橄榄石类（究竟Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋各占多少是次要问题），见表2[2]。在架状结构矿物中，碱性长石和石英的区别仅仅是多了一个Al3＋进入Si－O四面体顶走一个Si4＋，即由Si4O8变为AlSi3O－8，多出一个负电价，正好由Na＋或K＋一个正电价中和补偿。这就是石英变为长石的成因。

现将主要造岩矿物的化学式列于表3，便于后文讨论。

表2 硅、氧比例与硅酸盐矿物晶格结构的关系Table 2Ration of Si to O and lattice structure of silicate minerals

从表3可以看出一个形成矿物进而形成岩石重要的基本规律，尽管各种矿物可以相互转化，但O2－是不用动的。

1 问题的提出

1.1 热液矿物蚀变（或交代）

（1）斜长石的钠长石化、绿泥石化和方解石化，其化学反应式一般表示为：

上述反应式是被实验结果所证实的，也符合镜下蚀变矿物共生组合的鉴定结果。但是，对此加以深究就会发现很多繁琐，例如：①为何必须带有O2－的SiO2参与？②为何要带O2－的8H2O参与？③更值得怀疑的是原生矿物和蚀变矿物中的（AlSi3O8）－、（Al2Si2O8）2－、（AlSi3O10）5－等阴离子并没有发生带入和带出。在矿物晶格中Si－O四面体并未移动，只是Al3＋、Si4＋、O2－就地重新排列（架状、层状晶系变化），带入带出的只是Mg2＋、Fe2＋、C4＋和 H＋（它们全是阳离子）。特别是新生的钠长石，只是整体从原生斜长石中析出即可。方解石化只与斜长石中的钙长石分子解体有关，与钠长石分子无关。

（2）钾长石的白云母化（或绢云母化、伊利石化），反应式如下：

上式反映钾长石的云英岩化（白云母＋石英）或绢英岩化（绢云母＋石英）或伊英岩化（伊利石＋石英，过去统称为水云母化）。仔细考察，钾长石蚀变为白云母、绢云母、伊利石，其中的Si4＋－Al3＋－O2－四面体并未动，只是两个H＋带入把2个K＋顶走带出即可（实际上，此乃氢交代）。由此可见，矿物的变化只是表面现象，其内在实质只是K＋、H＋之间的换位。H＋离子极小（质子）而K＋离子很大（半径1.33Å），前者很容易进入原矿物晶格夺氧（O2－），并与之结合成OH－。此中为了平衡电价，部分Al3＋将从原Al3＋－O2－四面体（此时 Al3＋的配位数是 4）出来，改为6配位数。原钾长石中的SiO2将析出为共生石英。总的来看，上述蚀变尽管矿物种类发生改变，晶体结构也由架状改为层状（导致所有的光性参数改变），但仍然都是硅酸盐矿物，其中的氧离子（O2－）是未动的（至于氧同位素16O、18O的分馏作用是次要问题，这里不予讨论），变动换位者只是K＋、Si4＋、Al3＋、H＋（它们全是阳离子），可称为阳离子换位。这是一个很重要的新概念，即含氧矿物的蚀变，其地球化学实质是阳离子换位。

（3）钾长石的钠长石化，如下式：

在上式中，由钾长石蚀变为钠长石的地球化学实质是K＋、Na＋之间的换位，Na＋带入和K＋带出。由此可见，矿物蚀变的概念远不如地球化学碱交代概念更能反映实质。此时的碱是指钠。如果钠长石或斜长石蚀变为微斜长石，就是碱交代中的钾交代。为什么钠交代矿石的颜色特别红（赤铁矿染，经常称之为红化），多年来只是从矿物学的角度去探究，看不出原因。实际上，Na＋比K＋的半径（1.33Å）小，只有0.98Å。小的Na＋取代钾长石中大的K＋后，必然会出现显微空洞，被红色的赤铁矿微粒充填而使岩石红化。同时，此种微孔洞也可以被晶质铀矿、沥青铀矿等充填，因此在野外观察铀矿石时发现，红化越强矿化越富。

1.2 高温下的矽卡岩化

矽卡岩化总是伴随着一系列矿物的出现，辉石、石榴子石、硅灰石、符山石、方柱石等等。从矿物学角度看会很繁乱，但从地球化学角度看，其成因机制只不过是硅化，原来岩体外接触带的灰岩或大理岩地层钙质矿物的硅化，一般写成下式：

仔细加以深究，此反应式存在两大问题：①原碳酸盐地层中并没有石英，何来石英参加反应？②为什么必须发生分子的化学反应？中性分子没有化学反应能力。此中发生的是离子反应，只要一个Si4＋带入，顶走一个C4＋即可，无需O2－的带入。看来上式应改写为：

矽卡岩的形成不需要氧的带出、带入，O2－体积特别大（离子半径为1.32Å），迁移性能很差，而且周围原岩全是O2－的天下。因此O2－不用动，只是阳离子带出、带入换位。此中Si4＋、C4＋靠氢化物气相形式迁移，很容易带入、带出，Si4＋呈硅烷（SiH4），而C4＋呈碳烷（即甲烷，CH4）。它们全是气体，活动性之大固体无法比拟。

另外尚须指出，矽卡岩中形成辉石、石榴子石等矿物的大前提是必须使碳酸盐地层大量加硅才有可能。硅究竟从何而来？中外矿床学界一直悬案不明。笔者的破解是：内接触带花岗岩体经碱交代排硅，作为硅的供源。矽卡岩的成因其实很简单，它是花岗岩体内带碱交代作用排硅（呈SiH4气体），并渗透到外带灰岩层中造成硅化。凡是有矽卡岩的地方，其内带花岗岩体肯定有大规模碱交代体存在。因该碱交代体不是矿，故多年来被学界所忽视。例如，湖南柿竹园钨多金属矿床深部有至少500m厚的钠交代体（胡受奚，1985）。世界各地这样的实例也甚多，无奈对这种碱交代岩的认识不到位，不注意研究。

现在看来，矽卡岩化的地球化学成因，可以用下式表示：

Si4＋呈氢化物气体（SiH4）进入方解石晶格，然后Si4＋留下，把C4＋夺走并呈CH4排出。此中没有热液作用，而只是高温超临界状态的气体反应干交代。超临界温度下（＞400℃），是不可能有水的存在。水（H2O）的临界温度是374.15℃，如有盐类溶入可提高至400℃。温度再升高，水溶液将消失而改呈特殊的气相。因此，以往文献中泛指的流体不够确切，至少应把内生流体再分为两大类：①超临界态流体；②水溶液态流体。

1.3 岩体自交代（或自变质）

在超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩、碱性岩中均有自交代作用发生，这是岩浆冷凝成岩之后（温压降低）岩体与残余流体之间的相互反应。岩体的自交代作用都是阳离子群的带入带出，氧离子（O2－）不用动。由于离子大小和电价变动会引起晶格晶系的调整或重组。以花岗岩及基性岩的自交代为例：

（1）花岗岩体的自交代：花岗岩浆固结成岩后，矿物与粒间微区的残余流体还会发生反应，产生对错交代、同方位交代、异方位交代（钾长石、斜长石的钠长石化；钾长石的斜长石化，蠕英石的过剩析出等）（戎嘉树，1982）。如果从地球化学观点来看，这些交代作用均属于O2－不动，只是Na＋、K＋、Ca2＋、Si4＋等的带入带出换位。

（2）基性岩体中的自交代：表现为岩石的角闪石化、黑云母化。角闪石是辉石的钠交代产物；而黑云母化是钾交代的结果。由于角闪石、黑云母都是缺硅矿物，在形成角闪石化、黑云母化之后必然有大量石英（SiO2）富余而析出。因此，角闪石＋石英可称之为角英岩化；黑云母＋石英可称之为黑英岩化。同样，斜长石的绿帘石化、绿泥石化也会有大量石英析出，可称为绿英岩化。钙长石中SiO2含量为43%，辉石中SiO2达59%，而绿泥石中SiO2仅29%，绿帘石中SiO2有37%。该自交代的反应式为：

这种反应的实质是Mg2＋交代Ca2＋，至于Al2Si2O8反应前后均未动。MgH2进入钙长石，置换其中的Ca2＋并以CaH2带出，部分H＋和 O2－化合成 OH－，氧离子（O2－）不动，Al3＋也未动，只是从4配位转为6配位。

再以辉石的绿泥石化为例，其反应如下：

该反应中 Mg2＋保持不变，O2－未动，只是4个Al3＋和16个H＋带入，4个Si4＋带出。

高钙斜长石一旦蚀变必然析出Ca2＋，这就是为什么蚀变中总有方解石、磷灰石、黝帘石、绿帘石、萤石、钙沸石等钙矿物出现。过去描述青磐岩化的矿物蚀变种类很繁乱，其实主要是析出Ca2＋的产物，其中的氧离子（O2－）是不动的。

磷灰石中总是含有很多稀土元素，多年来不得其解，究竟是何原因？现在看来，其原因在于矿物中的阳离子和络阴离子体积彼此相差太大，不协调。Ca2＋很小，半径只有1.06Å，电价也低，而PO43－中有4个大型离子O2－，两者体积相差悬殊。因此，需要高于正二价（三价、四价）的稀土元素群带入补充。另外在风化带中，次生铀矿物钙铀云母也同此理，需要大型阳离子（UO22＋）进入矿物中。

值得指出，岩浆和由岩浆冷凝固结的岩石，其区别只不过是前者能流动，后者不流动，二者的内部结构其实是很相近的。特别是降温至凝固线附近时，岩浆的黏度因温度降低而大大增高，岩浆中出现大量的Si－O四面体，它们密集团聚，成为群聚态。其离子间的排列基本有序，已经非常接近晶体结构（近程有序而远程无序）。此时的岩浆也可以发生类似于固相中的交代作用。例如在花岗岩体的顶盖相，既有岩浆结晶，也可以发生岩浆幔汁的交代作用，形成Li、Rb、Cs、Be、REE、Nb、Ta矿化。

1.4 花岗岩的形成

关于花岗岩的成因，在地学界有长达百余年的激烈争论[4－7]，至今认识仍不明朗。在国外，最早是Rosenbush （1876）和Bowen（1937）主张花岗岩来自玄武岩浆的分异；Bunsen （1861）和 Richardson （1923）主张二元论：即玄武岩浆与花岗岩浆可各自存在；Keihau（1838）提出花岗岩化；Marmo（1971）提出热液花岗岩化；Read（1948）提出花岗岩既有岩浆的，也有变质的、交代的；Perrin和Roubault（1949）主张是固态下扩散反应的产物；Chappel等（1974）提出I型和S型花岗岩之分；石原（1977）将花岗岩分为磁铁矿型和钛铁矿型；Didier等（1978）提出M型、C型花岗岩；Loiselle等（1979）提出A型花岗岩；Pitcher（1983）提出造山和非造山型花岗岩。Жариков （1987）指出花岗岩地幔流体硅碱交代成因[4]。在国内，南京大学地质系（1981）提出花岗岩由前锋岩汁交代形成；徐克勤等（1984）提出陆壳改造型、同熔型、幔源型；王联魁（1979）主张地壳重熔；莫柱孙等（1980）把花岗岩进行了大地构造分类；洪大卫（1994）指出花岗岩地幔流体成因[5]；陈国能（1989）指出花岗岩体就地成因[6]；陈文明（1997）指出花岗岩体是地幔或下地壳富碱、硅热流体对地层交代成因[7]，等等。

本人根据半个多世纪对花岗岩成因的探索和理解，认为这其实很简单：即花岗岩是氧离子（O2－）不动前提下的阳离子价歧化产物（杜乐天等，1984）（阳离子主要是指碱金属Na＋和K＋）[8]。近年来，笔者把地壳中所有各类岩浆岩、混合岩、交代岩以及热液蚀变岩的成因归成3大类：①幔汁高势碱交代；②幔汁等势碱交代；③幔汁低势碱交代（杜乐天，2006）[9]。这样的认识可以把以上多种成因论的合理内核给予前所未有的地球化学本质诠释，至少为今后更加深刻的探索提供一个新的思考平台。笔者认为，花岗岩体实乃原有的碎屑沉积岩系、混合岩、变质岩系以及任何时代先成的老花岗岩体就地转变的产物。这当中，关键是上述各类岩石都为含氧岩系，用不着再有O2－搬运，Si4＋、Al3＋也足够，只须幔汁中的H＋、Na＋、K＋等3大组份的向上渗入。幔汁的温度（1000℃以上）远高于花岗岩熔点（700℃），岩体形成所需的热能完全有保证，也用不着寄希望于放射性元素的衰变热、构造或板块俯冲摩擦热等。另外，花岗岩体中的种种微量、稀有元素，也完全可以借助幔汁的氢化迁移而使之富集（杜乐天，2014）[10]。

1.5 区域变质作用

变质岩的变化也是O2－不动，只是各种阳离子换位。即在新的压力、温度下既不通过岩浆作用，也不通过热液作用而形成的新组合。Barth（1956）在表示挪威的辉绿岩的化学成分变化中提出，其氧原子数基本不变（保持在160）（K1.2Na4.5Ca9.0Mg5.9Fe10.7Al16.0Ti1.9Si48.5P0.2O150.6OH9.4）。

经过变质作用，此辉绿岩转变为云煌岩（K3.9Na4.4Ca6.5Mg4.6Fe8.6Al15.6Ti1.9Si49.4P1.0O148.2OH11.8）。

对比该辉绿岩及云煌岩的化学式，即可发现其成分变化如下：

上述变化实质上是K＋交代和H＋交代，必然要把所有2价的 Mg2＋、Fe2＋、Ca2＋排走。希望注意，如果采用重量法表示，会掩盖H＋交代的重要实质。H＋离子数增加很多（高达2.5），与K＋带入量（2.7）很接近。如果按重量来考虑，H＋很轻会被忽视。实际上H＋的参与量相当可观和突出。

Менецева （1951）曾报导过某处花岗闪长岩体外接触带矽卡岩与灰岩的成分变化，如下式：

矽卡岩：K14Na24Ca220Mg35Fe2＋141Fe3＋46Al28Si463PoC41OH48O1552

灰岩：K0Na0Ca516Mg6Fe2＋4Fe3＋3Al13Ti0Si11P0C514OH0O1600

实际上，此矽卡岩是K、Na混合交代（以Na交代为主），去Ca2＋、C4＋，大规模加入 Si4＋、Al3＋、H＋、Fe2＋、Fe3＋，形成铁矿。巴尔特方法的优点很多，由该方法计算可以发现：①不是重量而是离子数，才能真实地反映岩石交代过程中的化学反应及其结果；②可以确切看出元素的带入带出，并由此发现成岩成矿的机理。

1.6 上地幔熔融

图1 浙江西垄二辉橄榄岩中斜方辉石（Opx）不一致熔融产生的浆胞电子探针图像（X1－2B）（据戎嘉树、杜乐天，1995）

笔者在1992年的国家自然科学基金项目“地幔流体与软流体地球化学”研究中，对中国东部中新生代上地幔熔融事件产生的胞浆进行了详细解剖，发现胞浆中的玻璃乃是幔汁的固化体。本来不含碱的斜方辉石，经不一致熔融出现的熔体玻璃中普遍富含K＋（浙江西垄和吉林伊通），或富Na＋、K＋（河北张家口大麻坪、山东栖霞大方山和辽宁宽甸等）。在K＋、Na＋富集的同时，玻璃和气液包裹体中还富含一系列气体成分：CO、H2、CH4、CO2、N2、H2S、HF、HCl、NH3、SO2、C2H4等。这种Na＋、K＋和气体的共同产出，笔者称之为幔汁（HACONS流体）。图1是浙江西垄二辉橄榄岩中的斜方辉石（Opx）经不一致熔融产生浆胞的电子探针图像（X1－2B）[12]，需要强调的是：①Opx残体虽然被玻璃切割，但碎块并未移动（玻璃主要是透长石质）；②玻璃中新生的透辉石微晶（Di，）全是自形晶，虽然分散分布，但奇特的是彼此的结晶方位都保持一致，并与熔融母质（原Opx）结晶方位一致；③浆胞边缘均有新生橄榄石（Ol，），其结晶方位均有规律地与其后方贴靠的原生Ol保持一致。所有此等现象都表明，虽然Opx发生熔融并且成分和物质状态大变，但固相（包括玻璃）中的氧离子（O2－）基本未动，只是阳离子的带入带出或换位。

2 形成机制——恒二法则

笔者在上述中分别对热液矿物蚀变、高温矽卡岩化、岩体自交代、花岗岩成因、区域变质作用和上地幔熔体中的氧离子（O2－）不动进行了广泛揭示。下面将进一步探讨氧离子（O2－）为何不动。此中将包括以下3个命题：①自然界含氧盐矿物的化学组成；②矿物晶格中的恒二法则；③地球内部氧离子体积虽然随地压增大而缩小，但在每个地质深度圈层中氧的体积保持不变。

2.1 含氧盐矿物的化学组成

众所周知，中外地质学界把岩石、矿物（含氧矿物）的化学成分均用氧化物来表示，而且各种氧化物的质量分数（含量）总和要等于100% （至于 O2－被F－、Cl－、S2－等微量取代，这里不予讨论）。这本身早就表明，尽管岩石、矿物种类多达千百种，但O2－为主成分是不动的，含量变动的全部为阳离子。

在地壳和地幔中，氧有3个地球化学特性数值特别令人注意：

（1）按重量计算：超基性岩中 O2－占42.5%；酸性岩中O2－占48.7% （因Fe2＋含量低）；

（2）按离子数计算：O2－占62.55%；

（3）按离子体积计算：O2－所占比重更大，达到全岩的91.97%。Goldschmidt（1952）提出，岩石圈是固化的氧圈。

氧离子（O2－）具有极强的电负性（对价电子强力夺取的化合性能），再加上氧的总离子数及离子体积又远比其他任何元素都要多和大（氢除外），因而从地球化学的角度来考察壳幔物质，主体是氧。

岩石圈实为固化有序的氧圈（杜乐天等，1984）；

水圈实为流化有序的氧圈；

大气圈实为流化无序的氮、氧圈。

2.2 恒二法则

（1）氧离子（O2－）总是负二价。这是决定地壳中各类含氧矿物、岩石成分架构的第一大前提；

（2）基于氧离子总是负二价（O2－），于是就决定了各类含氧矿物晶体中所有与O2－相结合的阳离子的平均离子电价一定也要等于正二价，达到电价平衡，才能保证矿物的稳定存在。此等阳离子可能有几十种，不论它们之间的离子数各占多少，但在矿物晶体中加在一起的平均离子电价一定要等于正二价，与O2－的负二价保持电价平衡。

对以上两个恒值（氧阴离子恒负二和阳离子恒正二），笔者称之为 “恒二法则”。

岩石矿物中的阳离子群平均电价为正二价是日本三宅太雄（1954）首先发现的。我国郭承基（1965）、丛柏林（1974）、杜乐天（1984）和苏联Бeus（1973）也先后进行了计算，结果大体一致。

鉴于硅（Si）元素在地壳、地幔中分布很广，含量又多，再加上硅离子（Si4＋）电价又高（正四价），离子体积却很小（Si4＋半径只有0.42Å），离子电位远高于其他相关元素，故出现了一个硅酸盐矿物学中的重大规律——形成硅氧四面体的稳定晶体单元。此硅氧四面体络阴离子在很多情况下都是不动的。

在自然界除了Si4＋外，能够钻入硅氧四面体与O2－强结合的第2位离子是Al3＋，其离子半径比Si4＋大（为0.51Å），电价较低，故只能在介质缺硅的情况下Al3＋才有可能进入硅氧四面体中补缺。这就是为什么必须在强碱交代、大量排硅造成的缺硅介质中，才可能有碱性长石形成。Al3＋进入Si4＋－O2－四面体后是（AlSi3O8）－，这时只需要1个正电价的Na＋或K＋进入晶格，即可使晶格内的电价平衡，并形成钠长石Na（AlSi3O8）或钾长石K（AlSi3O8）。

如果在Na＋或K＋特别多的过碱介质（如碱性岩）中Si4＋、Al3＋都稀缺，此时将会有Nb5＋、Ta5＋、P5＋、Ti4＋、Zr4＋等进入四面体以补Si4＋、Al3＋之缺，形成诸多复杂的铌钽钛锆磷酸盐类矿物。

2.3 氧离子（O2－）体积不变

叶大年等（1989）指出，从风化壳向下到地壳深部直至上地幔，随地深压力的加大，O2－的体积（V0）有缩小的趋势[13]：

玻璃质喷出岩V0＝22.5Å3

半晶质喷出岩V0＝21.5Å3

花岗岩到辉长岩V0＝20.6Å3

下地壳V0＝18.8Å3

上地幔V0＝17.7Å3

须加指出，上述体积压缩只考虑到和压力的关系。但在地球深部，温度又可使晶格体积膨胀。尽管在不同压力（深度）下氧离子体积有变化，但对于同一深度的岩石来说，O2－体积则是不变的。

3 氧离子（O2－）不用动的理论含义

确认氧离子（O2－）不用动或不动，再和深部物质氢化迁移相结合[10]，会出现以下非常奇异的新规律：

3.1 含氧岩石的价歧化法则

上地幔岩石主要是 Mg2＋的硅酸盐矿物[主体是橄榄石（Mg2SiO4）和辉石类]。如果阳离子由2个Mg2＋改为1个Na＋和Al3＋，就变为长石。对此一分为二，笔者称之为价歧化（2个Mg2＋为正四价，换成2个其它阳离子如正一价加正三价的 Na＋、Al3＋或 K＋、Al3＋，也都等于正四价）。这就是地壳成因最基本的一条规律，地壳（硅铝壳）正是幔汁使地幔发生价歧化后向上分异的产物。另外，到了热液作用范畴，价歧化又是整个碱交代作用的理论基础[8]。

含氧岩石的价歧化可以用歧化度（D）来表征：

式中，Mi为非二价的金属阳离子，∑Mi为一、三、四、五、六、七各价态金属阳离子氧化物之和。需加解释，该式本应按离子数进行计算，但由于太过复杂，现改用岩石化学分析得到的氧化物质量百分数计算，也可以大体看出其规律。

M2为二价金属阳离子氧化物之和。鉴于岩石中Fe总是以Fe2＋、Fe3＋并存，但彼此恰好呈消长关系，为了使计算简约，把Fe排除在外，改为下式：

D，称之为价歧化度简值。笔者建议采用相对简单的D’值来代表岩石间的价歧化度（D）。式中：

经计算对比，D，值和D值对于富铁岩石较为接近，但对于中性、酸性、超酸性等贫铁岩石则相差较大（D，值比D值大50%～90%不等）。

D，值计算结果令人惊奇地发现，整个地球上的千百种岩石只不过是价歧化度（D，）的不同：

超基性岩 D，＝0.5～3.0；

基性岩 D，＝3.0～5.0；

中性岩 D，＝5.0～15；

酸性岩 D，＝15～100；

超酸性岩 D，＞100（沿海晶洞花岗岩可达到300以上）；

碱交代花岗岩D，＞500。

3.2 助歧规律

众所周知，凡是富集众多稀有、微量元素（如 Li、Be、REE、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W、Sn、Mo、Bi、Ti、P等）的花岗岩小岩体（矿床），均无例外地缺少暗色矿物，在岩石化学上突出的特征是二价金属氧化物（CaO＋FeO＋MgO）含量都奇低（多数在2%以下，仅少数达到2.3%），而一般正常的花岗岩高达2.07%～4.65%，平均为3.2% （表4）。

表4 不同花岗岩的二价金属氧化物含量对比表Table 4Total mass fraction of the divalent metal oxide in different granites

由于不变的主体O2－的控制，岩石中二价金属阳离子含量越少，越有利于一价和高于二价的稀有元素阳离子与O2－搭配，形成众多稀有金属矿物。此可称之为助歧规律。另外，在碱交代中，岩石中一价的Na＋或K＋进入越多（碱交代越强），二价阳离子必然越容易被排走（强碱性Na＋、K＋有排走二价弱碱性元素的性能），致使阳离子的平均离子电价越低于正二价，此时必然要求Al3＋、Si4＋、Ti4＋、U4＋、REE3＋、C4＋、Sn4＋、Zr4＋、Hf4＋、Nb5＋、Ta5＋、P5＋、W6＋、Mo6＋等高于二价的正离子加入，把阳离子群的平均离子电价再提高到＋2，以便和岩石主体氧离子（O2－）的负二价保持电荷平衡。

4 小结

氧离子（O2－）不动决定了 Si－O、Al－O四面体超稳定结构单元的形成。整个矿物、岩石界，甚至于整个地壳和上地幔巨厦都是由此四面体单元堆砌而成。元素周期表中除了Si、Al以外的其它金属元素，或因离子体积过大，或因电价太低（例如一价的Na＋、K＋、Rb＋、Cs＋），特别是很多不亲氧金属，都极难和Si4＋、Al3＋争夺与O2－的紧密结合，进入不了四面体之中。这样就派生出来一个重大的成矿规律：即所有的造岩矿物都对一系列金属离子起晶体自纯排斥作用而不予容纳（胡受奚称之为 “清洁矿物”，1984）。这就保证了金属元素不至于分散在 “清洁矿物”之中，才有可能汇聚起来，随热液迁移、成矿。所以，在研究碱交代作用成矿中，笔者特别强调应把碱交代岩的形成看作是热液成矿的第一大前提。以花岗岩为例，其中之Nb、Ta、Zr、Hf、U、Th、REE、W、Sn、Ti等，主要赋存于造岩矿物晶体之外的众多副矿物中就是证明。此等副矿物在碱交代中全部易于被清除而使这些元素得以集中成矿。如果岩石中的矿物不对成矿金属加以排斥，而是容纳，就会导致分散，很难有富集成矿的可能。碱交代岩都是矿质亏损岩、贡献岩。所以说，Si4＋、Al3＋、O2－在地壳金属成矿上立了大功。

如果氧离子（O2－）不用动原理基本上可以成立的话（此中肯定还有不少疑难问题有待今后逐个解决），那么现在的岩石、矿物成因机制再也不需要过去几十年那么复杂的理论，而是变得史无前例的简单。既然氧（O）到处都有，只要把阳离子加入即可，加入的阳离子种类不同和彼此量比的大小不同，也就决定了矿物、岩石的种类不同。例如：