低密度元素与高密度元素划分及富集规律分析
2021-02-11赵胜利黄波杨涛曹其琛孙芳芳
赵胜利,黄波,杨涛,曹其琛,孙芳芳
低密度元素与高密度元素划分及富集规律分析
赵胜利1,黄波2、3,杨涛2,曹其琛4,孙芳芳4
(1.山东黄金集团国际矿业开发有限公司,济南 250000;2.贵州理工学院资源与环境工程学院,贵阳 550003;3.贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队,都匀 558000; 4.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院,济南 250101)
本文根据元素在地球中的分配极不均匀性进行低密度和高密度元素划分,低密度元素广泛分布于地球浅部,密度多在2.0~3.0(g/cm3)之间的矿物组合,其迁移、分散和富集过程多在外生环境中完成;部分因构造作用,在地球深部形成外生内成矿床,二者均为浅源性低密度元素;部分高密度元素在外生环境的富集与沉积型铝土矿的形成相似(地表岩石接受风化剥蚀形成红土化风化壳,经流水搬运集中于有利环境进行“移硅沉铁富铝”后沉积形成),在形成红土化风化壳过程中富集了数十倍至近千倍,但品位大多不高,形成伴生有用元素,在中大型矿床中具综合利用价值。高密度元素多大于4.0,多富集于下地壳—上地幔之下,其迁移与富集过程多在内生环境形成矿床;部分因构造作用进入外生环境形成内生外成矿床,二者均为高密度深源性矿物组合。而3.0~4.0为低密度和高密度之间的过渡元素,从地球浅部到深部地核均有分布。以上形成了低密度浅源性与高密度元素深源性矿物组合不同的富集规律,对地球化学元素的迁移与富集规律研究具重要意义。
高密度元素与低密度元素;划分;富集规律;分析
矿产资源在国民经济中发挥了重要作用,是经过特定地质成矿作用,赋存于地壳内部或地表,形成具有开发利用价值的矿物或集合,成为矿床学家重点研究对象。按特征与用途,一般分为能源矿产、金属矿产、非金属矿产及水汽矿产4大类。其中水汽矿产密度在1.0(g/cm3)±,能源矿产从气态、液态到固态均有,变化较大,大多小于3.0以下(铀、钍除外);非金属矿产的矿物组合密度常在2.0~3.0之间,来源多位于地壳浅部,三者多属低密度浅源性矿产。金属矿产多数密度较大,形成的矿物组合密度多在4.0以上,物质来源较深,多来自于下地壳—上地幔,并在构造作用下运移到地表或近地表环境富集成矿。在高密度与低密度过渡的元素,矿物组合密度一般多在3.0~4.0之间,如铁元素等,从地壳到地核均有分布。由此对低高元素密度的划分及其富集规律分析,在地质找矿中具重要意义。
1 前人对化学元素的经典总结
前人对化学元素经典性总结,主要为19世纪中期俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的元素周期表和20纪初挪威科学家戈尔德施密特(V.M.Victor Moritz Goldschmidt)对化学元素分类;戈尔德施密特还在元素丰度、原子和离子半径、离子间距、半径比对晶体配位数的影响、镧系收缩等方面的成果,为晶体化学奠定了基础,直到现在仍被地球化学领域的广泛运用(陈道公等,2009;张清建,2016)。
元素周期表:最早的化学元素周期性规律由1869年门捷列夫提出,对当时已知的60多种元素相对原子质量大小和原有化学性质的元素以表的形式排列,制成了元素周期表的雏形。经后来学者的多次修订完善,按照元素的原子序数的周期性排列和进行多级分区,如S区、P区、d区及f区等,成为当代广泛运用的元素周期表。
元素周期表的创建意义重大,后来科学家正是用此来寻找到多种新型元素及化合物。
地球化学元素分类:戈尔德施密特于20世纪初根据元素在陨石各相和冶金过程产物的分布,结合提出的地球模型和元素的物理化学特征,归纳为亲铁、亲铜、亲石、亲气和亲生物元素5大类(陈道公等,2009;张清建,2016)。
元素的地球化学基本特征分别为:①亲铁元素离子最外层具有8~18个电子的过渡型结构,产生的氧化物生成热最小,易溶于含铁熔体中,或呈自然状态,主要集中于具铁镍相地核中,如Fe、Co、Ni及Mo等;②亲铜元素离子最外层电子具有18个电子的铜型结构(s2p6d10),氧化物生成热小于FeO的生成热,与硫的亲合力强,又称亲硫元素,主要分布于硫化物相中,如Cu、Pb、Ag及Cd等;③亲石元素离子最外电子层具有8个电子惰性气体型稳定结构(s2p6),氧化物生成热大于FeO的生成热,与氧亲合力强,又称亲氧元素,主要分布于硅酸盐相的地幔和地壳,如K、Ca、Na、Mg及Al等;④亲气元素原子最外层具有8个电子的稳定结构,原子容积最大,具挥发性或易形成挥发性化合物,主要集中于大气圈,表现为H2、N2及惰性气体;⑤亲生物元素多分布于生物圈内,主要为C、N、H、O、P、B等。
此后虽有多种划分方案,如维尔纳茨基、费尔斯曼及施奈德洪等的多种分类方案(刘清泉,欧阳宗圻,1983),大多不及戈氏的划分及其存在的缺陷和不适用性,没有得到广泛的运用。
2 地球化学元素分布的基本规律
化学元素在地球中的分布极不均匀,丰度变化幅度高达1013(张德会,2020),相对而言,具有稳定核结构的低密度元素矿物主要集中于浅部地壳,高密度元素则有向深部的地核富集趋势。
(1)地球经历了数十亿年的演化,形成了大致的三个圈层分配和元素的密度分异现象(也称重力分异,在重力作用下,密度大元素因相对体积小而往下部汇集,密度小的元素上浮的趋势,产生了自上而下密度逐步增加的分异分布现象。该现象在岩浆中发育比较普遍,即重矿物下沉到熔体底部,轻矿物常在结晶后向上移动)(密度分异,2020;夏昭德等,2011),划分为最外圈的地壳、中部的地幔及中心部位的地核结构(表1)(陈道公等,2009;张清建,2016)。其中地壳平均密度为2.8(g/cm3),形成了地壳主要为浅源性低密度的硅酸盐组合(表2);地幔平均4.5,地核11,为深源性高密度元素的矿物组合(陈道汞等,2009;陈宏飞和高山,2012;Rudnic R et al.,2004;刘军等,2019)。
表1 地球圈层基本特征
注:①大气圈、水圈及生物圈数据相对地球太远,忽略不计;②据陈道公等(2009)[1]修编
表2 地壳主要氧化物成分估值(陈道公等,2009;Rudnic R et al.,2004)
(2)地壳中特有的浅源性低密度元素,形成了广泛分布的12种主要的造岩元素组合,即O、Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、H、P等,约占地壳中元素总量的99.4%,是地壳中各类岩石的基本成份,也是造岩硅酸盐的主要组分(造岩元素,2019;桑隆康等,2012);在岩石化学成分中多以相关的氧化物,主要有SiO2、TiO2、Al2O3、TFeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5和H2O等,岩浆岩化学成分通常也用这些元素的氧化物质量分数来表示,相关矿物组合密度多集中于2.0~3.0(g/cm3);部分在3.0~4.0(g/cm3)之间,少数在4.0(g/cm3)以上,相关的矿物常见有黄铁矿(FeS)5.0(g/cm3)、赤铁矿(Fe2O3)5.2(g/cm3)、褐铁矿(Fe2O3·nH2O)3.5(g/cm3)、磁铁矿(Fe3O4)5.0(g/cm3)、菱铁矿(FeCO3)3.8(g/cm3)、菱锰矿(MnCO3)3.7及钛铁矿(FeTiO3)4.7(g/cm3)等,属于低密度与高密度元素之间过渡的元素,不论是浅部地壳,还是深部的地幔—地核,都是主要的组成元素。
在水圈和生物圈中的水与有机质类,大多密度为1.0±(g/cm3),相对而言,水圈和生物圈较地球质量相差太远,一般忽略不计(表1);因此,地壳密度大多数集中在2.0~3.0(g/cm3),主要由浅源性低密度硅酸盐类矿物组合和碳酸盐-碎屑岩矿物组合,常见矿物大致有30多种,如:正(斜)长石、黑(白)云母、绢云母、辉石、角闪石、橄榄石、蒙脱石、绿泥石、沸石、绿帘石、蛇纹石、叶腊石、石榴石、硅灰石、霞石、滑石、高岭石、粘土矿物、石英、石盐、石墨、海绿石、蛭石、硅藻土、硝石、纹石、红柱石、方解石、一水硬(软)铝石、三水铝石、明矾石、白云石、雄(雌)黄、堇青石、石膏、自然硫、火山玻璃、金红石、萤石及磷灰石等。
(3)与高密度相关的有色金属、黑色金属、贵金属、稀有稀土分散等元素大多来源于地壳以下,相关矿物密度多数大于4.0(g/cm3),形成深源性高密度矿物组合,如常见的方铅矿7.5(PbS)、闪锌矿4.1(ZnS)、灰锑矿4.6(SbS)、黄铜矿4.2(CuFeS2)、辉铜矿5.7(Cu2S)、辰砂8.1(HgS)、辉钼矿5.0(MoS2)、自然金17.0(Au)、自然银10.5(Ag)、自然铜8.9(Cu)及红铊矿5.5(TlAsS2)等。
(4)元素周期表中元素排列规律:
第一周期:H(氢)、He(氦);
第二周期:Li(锂)、Be(铍)、B(硼)、C(碳)、N(氮)、O(氧)、F(氟)、Ne(氖);
第三周期:Na(钠)、Mg(镁)、Al(铝)、Si(硅)、P(磷)、S(硫)、Cl(氯)、Ar(氩);
第四周期:K(钾)、Ca(钙)、Sc(钪)、Ti(钛)、V(钒)、Cr(铬)、Mn(锰)、Fe(铁)……
总的来说,浅源性低密度与深源性高密度元素的划分,第四周期Ca(钙)元素前面的为低密度元素,广泛分布于地球浅部,形成了中上地壳中多种浅源性低密度矿物组合和造岩元素;第四周期部分元素介于低密度元素与高密度元素密度之间过渡的元素,以Fe元素较为典型,成为地壳、地幔及地核中主要元素,而深源性高密度元素主要在第四周中部之后,多来源于浅部地壳之下。
3 地质作用下的元素富集规律
按王登红等(2003)的统计(王登红等,2006),在地球上的主要成矿作用有:内生、外生、变质和叠生成矿作用等,按成矿环境大致可分为外生和内生成矿作用,一般来说,外生即指地表或近地表环境中完成;内生则处于地球深部进行,二者没有严格的界线,在构造作用下可形成外生内成或内生外成等成矿作用。
(1)外生作用及低密度元素的富集
外动力(或表生)地质作用是作用于地壳表层,动力源主要来自地球以外的地质作用;大多由太阳的辐射、太阳及月球引力等引起;使地表形态发生变化和表层化学元素发生迁移、分散和富集;主要的方式有:风化、剥蚀、搬运、沉积及固结成岩等作用形成的各类矿床,包括大多数沉积矿床;成矿物质来源以浅源性为主,如灰岩、白云岩、砂页岩及铝土矿等,以及能源矿产、非金属矿产与水汽矿产等为主的矿产,部分因构造作用和内生成矿作用,形成内生外成或外生内成矿床等低密度矿物组合。
在沉积型矿产中的铝土矿为较典型的外生成矿过程,地表岩石因风化剥蚀迁移出物理化学性质活泼的元素,残留了以铝硅铁氧化物含量80%±的红土化风化壳(表3)(杨涛等,2020a;杨涛等,2020b),是铝土矿形成的前提;经流水搬运集中于富含生物的泻湖海盆(湾)进行“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集作用,促进硅质移出和铁质下沉于底部,使矿层中硅铁氧化物含量下降到10%±,Al2O3富集到60%±,经沉积形成铝土矿(杨涛等,2020a;杨涛等,2020b)。
表3 红土化风化壳的化学成份(杨涛等,2020b)
以贵州较典型晚古生代中晚期的大规模铝土矿为例,广西运动末期—海西运动的缓慢抬升而进入较稳定以陆相为主的地质背景,湿热低纬度环境,加快了地表岩石风化剥蚀,迁移出易迁元素,残留了以铝硅铁氧化物为主的红土化风化壳;经流水搬运集中于泻湖(海)盆(湾)等弱酸-还原性沉积背景,经过“移硅沉铁富铝”的元素迁移与富集过程,使铝质进一步富集于下石炭统九架炉组-中下二叠统大竹园组、梁山组地层中沉积形成黔中与黔北地区大型-超大型铝土矿矿集区(杨涛等,2020a;杨涛等,2020b;刘幼平等,2016)。
铝土矿的形成有一个漫长风化剥蚀的红土化过程,也富集了不易迁移的镓、钪、铪、铌、锂、钽、钨及少量稀有稀散等元素(王登红等,2006;杨涛等,2020a;杨涛等,2020b;刘幼平等,2016;王登红等,2013;张佳莉等,2016),如镓0.01%±,LiO2最高0.58%(边界品位0.5%),W2O3最高0.33%(边界品位0.12%);在桂西新圩铝土矿中Nb2O5含量226×10-6,超过了风化壳矿床中铌钽的最低工业品位(张佳莉等,2016),成为有用伴生元素;虽然高密度元素在浅表地层中含量偏低,在风化剥蚀过程中,部分元素因物理化学性质稳定,随铝硅铁氧化物的残留而富集数十倍至近千倍,达到可供综合利用的品位。
1.夜郎组;2.大隆组;3.长兴组;4.龙潭组;5.峨眉山玄武岩;6.茅口组;7.构造蚀变体;8.深大断裂;9.断层;10.含金流体运移方向;11.金-锑矿体;12.花岗岩
(2)内生作用与高密度元素富集
内生成矿作用是在地球深部完成的各种矿床,常见的有岩浆矿床、热液矿床、接触交代矿床、伟晶岩矿床及变质矿床等,成矿物质的迁移与富集过程发生在地球内部,并在封闭的环境中形成矿床;如玉龙斑岩铜矿、贵州黔西南地区金锑矿及胶东地区金矿等(刘建中等,2015;宋明春等,2020),成矿物质来源主要来自于深源性的下地壳—上地幔(图1、图2);同时也有部分低密度成矿质因构造运动而进入地球深部或经过了内生成矿作用,形成低密度矿物组合的外生内成矿床;如:煤、石油、油页岩、天然气及石墨等矿床。
由于地壳对地球深部的封闭性,深源性高密度矿物要进入地表或近地表部位,必须要有足够的构造空间和构造运动,将深部成矿物质以岩浆或流体形式进入地表或近地表位置,如贵州黔西南地区的STB金锑矿(图1)(刘建中等,2015)和山东胶东金矿等矿床为较典型的深源性高密度矿床(图2)(宋明春等,2020)。
根据毛德宝等(毛德宝等,2001)与李文渊(李文渊,2012)的研究,地球经历了多期次构造旋回,产生了多期次超(泛)大陆的裂陷、离散、会聚和拼合作用等构造旋回的演化过程;最近的三期构造旋回分别为1000~540Ma、540~230Ma及230~0Ma,也分别对应的成矿旋回,早期构造旋回由于后期沉积建造的覆盖和构造叠加,形成变质和叠生内生作用等矿床,并可能形成多期次成矿作用或对原有矿床的破坏。
图2 胶东金矿成矿背景示意图
此外,也有深源性高密度成矿物质在构造作用下,运移到海相环境中沉积形成的内生外成矿床;如贵州的黔北-黔东-黔南(含黔中)地区重要Rodinia超大陆在新元古代-早古生代构造旋回的演化过程,产生的三种喷流沉积模式的“内生外成”成矿系统(图3)(马力克等,2020;杨顺文等,2020)。其中普定五指山铅锌矿(⑦)、松桃地区锰矿(①)及天柱大河边重晶石矿(④)属于直接成矿,即深源性成矿物质溢出后,直接在喷溢口附近沉积成为矿床;黔中地区磷矿(②和③)和黔西北-黔北-黔东北地区的镍钼钒矿则为明显的迁移富集成矿,即深源性成矿物质溢出后,具明显的距离迁移,并与生物作用下完成一系列物理化学作用沉积形成的矿床;而黔北-黔东北的万山汞矿(⑤)、务川汞矿(⑥)和黔东南的金矿(⑧)即深源性成矿物质溢出后,达不到具工业品位的矿床,形成初始富集的矿源层,经后期的构造运动、变质作用及岩浆(或热液)作用下活化、运移,在有利成矿部位叠加改造,并富集形成矿床(图4)(马力克等,2020;杨顺文等,2020;陈国勇等,2015;刘路等,2019;刘军等,2019;贵州省地质矿产局,2017)。
总的来说,高密度深源性元素主要来源于下地壳—上地幔,进入地球浅部并富集成矿主要有沉积改造型(内生内成)和喷流沉积型(内生外成)二种成矿模式。
因此,内生成矿作用是深源性高密度元素进入地表或近地表的重要方式,其主要表现于提供了岩浆活动和成矿流体运移、沉淀空间,以及将深部形成的矿床推入地表或近地表位置。
图3 贵州省喷流沉积型的三种成矿模式(“内生外成”成矿系统)(由马力克等修编,2020[21])
4 结语
(1)19世纪中晚期俄国科学家门捷列夫元素周期表的创建意义主要表现寻找到多种新型元素及化合物,20纪初挪威科学家戈尔德施密特对地球化学元素分类,主要表现地球化学领域的广泛运用。浅源性低密度元素与深源性高密度元素划分,以及其富集规律总结,以便利于对寻找各类矿床提供线索。
(2)低密度元素主要集中于地表,形成的矿物组合密度多在2.0~3.0之间,在元素周期表上主要位于第四周期Ca元素之前,成矿物源多来自于地表,主要的成矿作用多在外生环境中进行。
(3)高密度元素主要来源于下地壳-上地幔,形成的矿物组合密度多在4.0以上,在元素周期表上主要位于第四周期的后部分,通过构造运动提供了岩浆活动和成矿流体运移、沉淀空间,并在有利地质背景富集成矿,主要有沉积改造型(内生内成)和喷流沉积型(内生外成)二种成矿模式。
(4)部分高密度元素虽来自于地球浅部,富集方式与铝土矿形成相似,由于物理化学性质稳定,在红土化风化壳过程中富集了数十倍至近千倍,但品位大多不高,多形成低品位伴生的有用元素,在中大型以上的矿床中值得综合评价,以提高矿床的利用价值。
1.推测断层(编号);2.主要断层;3.正断层;4.逆断层;5.平移断层;6.主要矿集区及编号(①松桃锰矿矿集区;②息烽—开阳磷矿矿集区;③瓮安—福泉磷矿矿集区;④天柱重晶石矿矿集区;⑤万山汞矿矿集区;⑥务川汞矿矿集区;⑦五指山铅锌矿矿集区;⑧黔东南金矿矿集区)
(5)位于低密度元素与高密度元素之间的过渡元素,形成的矿物组合密度多在3.0~4.0之间,在元素周期表上主要位于第四周期中部,以Fe为代表,从地壳到地核均有分布。
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Division and Enrichment Regularity of Low-Density and High-Density Elements
ZHAO Sheng-li1HUANG Bo2,3YANG Tao2CAO Qi-chen4SUN Fang-fang4
(1-International Mining Development Co. Ltd., Shandong Gold Group, Jinan 250000; 2-College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003; 3-Geophysical and Geochemical Exploration General Party, Guizhou Bureau of Nonferrous Metal and Uranium Geological Exploration, Duyun, Guizhou 558000; 4-Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute, China Metallurgical Geology Bureau, Jinan 250101)
This article divides chemical elements into low-density and high-density elements according to the extremely uneven distribution of elements in the earth. The low-density elements are widely distributed in the shallow part of the earth. The density of their mineral assemblages is mostly between 2.0 g/cm3and 3.0 g/cm3. Their migration, dispersion and enrichment processes are mostly completed in the exogenous environment. A part of the low-density elements form exogenetic and endogenic deposits in the deep part of the earth due to tectonics. Both of them are shallow-source low-density elements. The enrichment of some high-density elements in the exogenous environment is similar to the formation of sedimentary bauxite (Surface rocks undergo weathering and denudation, forming a laterite weathering crust, which is transported by flowing water and concentrated in a favorable environment for "moving silicon, sinking iron and rich aluminum" and then depositing). In the process of forming laterite weathering crust, they aretens to thousands of times richer, but only as associated useful elements in some medium and large deposits. The density of mineral assemblages of high-density elements are mostly greater than 4.0 g/cm3, and they are mostly concentrated under the lower crust-upper mantle. Their migration and enrichment processes are mostly in the endogenous environment, forming deposits; some of them enter the exogenous environment due to tectonic processes to form endogenous and exogenous deposits. Both of them are high-density deep-source mineral associations. 3.0-4.0 g/cm3is density of mineral assemblages of the transition elements between low-density and high-density which are distributed from the shallow part of the earth to the deep core. The above has formed the different enrichment regularity of low-density shallow-source minerals and high-density deep-source minerals, which is of great significance to the study of the migration and enrichment regularity of geochemical elements.
low-density and high-density elements; division; enrichment regularity; analysis
P595
A
1006-0995(2021)04-0656-06
10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.022
2020-12-30
贵州省科技计划项目“推进贵州地质资料大数据应用产业化研究”(黔科合[2016]支撑2809)和贵州理工学院高层次人才科研启动项目(XJGC20161101)共同资助
赵胜利(1985— ),男,硕士,工程师,主要从事地质矿产勘查及相关研究工作
黄波(1970— ),男,硕士,副教授、高级工程师,主要从事中国大陆螺旋构造与成矿预测研究