黄铁矿物理化学标型特征研究现状

韩祺明

（中化地质矿山总局湖南地质勘查院，湖南 长沙 410000）

黄铁矿是地壳中分布最广的硫化物，形成于各种不同的地质条件下，见于各种岩石和矿石中。同时，黄铁矿还具有多种晶形（立方体、五角十二面体、八面体以及偏方复十二面体）和多种结构（粗晶结构、细晶结构、胶状结构、草莓状结构、同心环状结构等）。不同类型的黄铁矿对应不同的成矿信息，对成矿作用及矿床成因的研究具有重要的标型特征意义。因此，在合适的矿床中选取黄铁矿进行成矿信息的提取和研究具备一定的可行性。

1 黄铁矿标型特征

1.1 物理结构标型特征

在不同的条件下形成的黄铁矿具有不同的形态特征。当黄铁矿结晶形成为立方体{100}或八面体{111}时，其形成环境多处于高于300℃或约低于200℃，且低过饱和度和低硫逸度条件下。其中，当形成温度相对较低时，晶面以立方体居多；当形成温度相对较高时，晶面以八面体为主。当黄铁矿晶形多为五角十二面体{hk0}，并多见各种聚形时，其所处环境多为200℃～300℃，且高过饱和度和高硫逸度条件下(陈曦，2009)。成矿过程中环境不是一沉不变的，所以众多学者对黄铁矿的结晶习性也多有研究：日本学者Sunagawa(1957)研究发现，黄铁矿早期结晶以{100}为主，晚期则以{210}或{111}为主，最晚期偶尔出现{100}(陈文焕，1990)；埃大济科娃(1982)则研究表明，金矿床中黄铁矿的结晶习性多为{100}-{100}+{210}-{210}-{210}+{111}-{111}(陈光远等，1987)；而陈光远等(1987)在我国胶东地区石英脉型金矿床的研究中也发现黄铁矿的结晶习性为{100}-{100}+{210}-{210}-{210}+{100}-{100}，与埃大济科娃(1982)的研究成果相近。

1.2 主量元素标型特征

Large et al.（2007， 2009）认为在温度不断增高的情况下黄铁矿矿化程度逐渐增大，在此环境下矿物的富铁贫硫度，根据研究表明，一些科研人员认为用S/Fe比值指示金属矿的形成原因。梅建明(2000)研究表明，经沉积形成的金属矿中的硫、铁含量与理论值[w(Fe)= 46.16%， w(S)=53.84%]相类似，而其中硫含量相对来说较多；内生型多金属矿床中的成矿理论值中显示硫含量较低。

1.3 微量元素标型特征

经过实验研究得出，Ni、Co这两种元素在矿床中与同象矿物中的Fe较相似，CoS与FeS相互作用下形成了不易溶解的固体，矿床中微量元素物质在分异过程中，Co元素留在剩余液体中，Ni则进入固相，依照此原理，一部分科研人员通过实验研究得出Co/Ni与钴含量比值对矿床的形成有一定的指示意义。Scott (2009)与Bralia A (1979)已经对有差异成矿类型的多种金属矿的Ni、Co的含量进行整体分析，得出的结论为，沉积型金属矿Ni与Co含量较低，两种元素含量小于1，热液型金属矿的两种微量元素经常会发生较大变化，1.17＜Co/Ni ＜5；火山喷发气块状矿床两种微量元素的含量经计算为480×10-6，Co/Ni含量的对比值范围为50以内，平均值为9左右，以上的论证结果已经得到谢桂青与王奎仁两位学者的证明此项研究是正确的，盛继福等(1999)通过研究还指出含钴量与黄铁矿形成时的温度相关，含钴量越多，Co/Ni比值越大，其形成温度越高。此外，研究表明当金(或金-银)矿床中的黄铁矿Co/Ni值大于近矿晕中黄铁矿的Co/Ni值时，矿床成因多为内生热液类型，且可用于评价矿化强度。

黄铁矿中S/Se比值对矿床成因也具有指示意义：当S/Se＜105时多为热液成因，当S/Se＞2×105时多为沉积成因；黄铁矿中S/Se比值范围在17.6×104～33.4×104之间，矿床类型多为层控型；S/Se＞3×104矿床类型多为同生沉积型；S/Se比值在0.19×104～0.8×104之间，多见于沉积-改造型矿床(赵利青等，1997；Scott et al，2009)。

Se/Te比值也具有同样的指示意义，比值在中6～10之间暗示为岩浆成因，热液成因多在0.2左右；中温热液多金属矿床，其黄铁矿Se/Te值也为0.2左右，而低温热液成因的黄铁矿Se/Te值多小于0.2(Largeet al， 2007，2009)。

黄铁矿中Zn/(Zn+Pb)比值可以判断硫化物矿床是否具有热水沉积特征，热水沉积块状硫化物矿床的比值通常接近于1(陈多福等，1998)。

此外，多种金属矿中的微量元素的化学成分对矿物的形成深度同时产生一定的标型性：金属矿物中Fe/(S+As)值与它矿物质热液成型的深度有一定的关联，Se与Te元素的相关系数不足1；金属矿中Ag和Au的原子数比与样品的产出比同样具有一些关联性，但它的关联系数为负。

1.4 同位素标型特征

利用黄铁矿进行S、Pb同位素分析，一直是矿床研究中确定成矿物质来源的重要手段。黄铁矿Re-Os同位素定年是近些年发展起来的能有效解决热液矿床精确定年的新技术，其在一些矿床的研究中取得了较好的成果（郭维民等，2011；赵晓波等，2014；Zhao et al.， 2015），其Os初始值也可以用于判断成矿物质来源（Ravizza et al.， 1996）。黄铁矿He-Ar同位素的测定也可以为成矿流体的性质和演化提供有效信息（Xu et al.， 2014；Cao et al.， 2015 ；Mills et al.， 2015）。

另外，随着测试手段的不断发展，一些新兴的同位素应用技术也利用到了矿床研究中，如王跃等（2013）对铜陵相关矿床中的黄铁矿开展Fe同位素研究以制约矿床成因。

1.5 流体包裹体标型特征

流体包裹体研究往往是通过对透明的脉石矿物中流体包裹体的显微测温来间接推演矿石矿物的形成条件。但20世纪80年代以来，共生脉石矿物和矿石矿物沉淀的时间关系受到普遍质疑（Campbell and Robinson-Cook， 1987 ； Giamello et al.， 1992 ；Moritz，2006），脉石矿物流体包裹体所提供的有关流体与成矿物理化学条件被认为并非总是代表成矿时的实际流体和成矿条件（Campbell et al.， 1987； Wilkinson，2001），这导致常规的流体包裹体研究受到了一定程度的制约。但随着红外技术在地质学上的不断应用，不透明-半透明矿石矿物流体包裹体研究得以通过红外显微测温技术实现。自Mancanoand Campbell (1995)首次测定了黄铁矿流体包裹体的冰熔点温度和Lüders and Reutel(1996)首次测定黄铁矿流体包裹体均一温度等以来，黄铁矿逐步成为红外显微测试技术研究最多的矿物，并在成矿物理化学条件研究方面就得到了广泛的应用（Lüders and Ziemann， 1999；Kouzmanov et al.， 2002）。

1.6 热电性标型特征

黄铁矿是半导体矿物，有电子型(N型)和空穴型(P型)2种导电形式。黄铁矿的热电动势与两个因素有关：一是类质同象杂质的种类；二是晶体缺陷在能带结构中所形成的杂质能级。一般而言，As含量越高，热电动势越大，Co，Ni含量越高，热电动势越小，但相对而言，Co、Ni对热电动势的影响远大于As对其的影响。

P.A.戈尔巴乔夫(1964)通过对大量黄铁矿的热电性的研究，发现黄铁矿的热电系数和导电类型与黄铁矿的形成温度线性相关，线性方程为：(a为热电系数)。

t=(704.51-a)/1.818 (N型) t=3(122.22+a)/5.0 (P型)。

杨国林等(1991)和侯满堂(2000)报道通过黄铁矿热电系数值可以求出黄铁矿的热电性参数XNP，然后可以定性地确定金矿体的剥蚀切面(Kerrich，1990；Barley and Groves，1992；Groves，1998)。

许虹(1992)和阴翠珍(2003)先后报道黄铁矿的补偿热电动势在矿体轴向呈现出规律性的变化，据此可以反映矿床的相对埋深。许虹(1992)和胡大千(1993)借此分别对土岭、石湖金矿的黄铁矿补偿热电动势进行了详细研究，发现补偿热电动势平均值与矿体相对埋深具有很好的线性对应关系。

2 结语

综上而言，黄铁矿在物理结构、主量元素（Fe/S）、微量元素（Co/Ni、Se/Te等）、同位素（S-Pb、He-Ar、Re-Os、新兴的Fe同位素）、流体包裹体（黄铁矿红外流体包裹体测温）、热电性（N型、P型）等具有重要的标型特征，对矿床的地球化学特征、成矿物质来源、成矿流体特征及演化、成矿时间、深部勘查等都具有重要的指示意义。随着近些年来，精确快速的原位测试技术（EPMA、LA-ICP-MS、SHRIMP）的快速发展，黄铁矿在地球化学，尤其是微量元素，标型特征方面的研究迅速发展，并成为当前矿床学研究的热点之一。当然，随着研究的不断深入，黄铁矿成矿信息的提取研究将得到进一步发展，并为具有成因争议的矿床提供进一步的制约，也为危机矿山(尤以金矿为主)深边部的勘查提供新方法和新手段。