胶体沉积矿床4.ppt

第四节胶体化学沉积矿床一、概念暴露在地表的原岩或原生矿石经过风化作用的改造，其中的Fe、Mn、Al等组分主要呈胶体状态被解离出来并被搬迁运移。当这些胶体物质在有利的沉积条件下经过化学分异作用凝集沉淀、富集而形成的矿床称胶体化学沉积矿床。从概念上看，这类矿床主要含有Fe,Mn,Al组分的硅酸盐、碳酸盐及硫化物，经过化学、物理风化作用之后，其风化产物主要是Fe,Mn,Al的胶体，这些胶体经过搬运、由于胶体的絮凝而导致Fe,Mn,Al的沉淀形成矿床。,自然界常见的胶体,正胶体负胶体Al2O3的水化物SiO2Fe2O3的水化物SnO2Cr2O3的水化物粘土胶体TiO2的水化物V2O5CaO的水化物MnO2MgCO3CaCO3Pb、Cu、Cd、As和Sb的CaF2硫化物ZrO的水化物Au、AgZr、Ce、Cd的氢氧化物S,二、胶体化学沉积矿床的共同特点,1、胶体的成分及性质在地表水地带存在着大量的胶体物质。胶体是一种细分散系的微粒质点，其大小为1100毫微米，介于粗分散系的碎屑物质与离子分散系的真溶液之间的产物。,胶体的两个基本特点,一是带有电荷，有带正电荷的“正胶体”和带负电荷的“负胶体”；二是具有较大的比表面积。据目前所知，自然界中以胶体状态被搬运，然后发生凝集而形成矿床者，最有代表性的是Fe,Mn,Al的氢氧化物FeOH3,MnOH2,AlOH3,以及黏土矿物微粒。其中Fe和Al的水化物为正胶体,Mn和黏土的水化物为负胶体，因此在本节中讨论的胶体化学沉积矿床主要是Fe,Mn,Al及黏土矿床。,2、胶体的来源,在自然界中，胶体有多种来源，可以通过多种途径产生，如有大陆风化产物、海底火山物质、生物成因以及宇宙物质。但是其中最为主要的则是大陆风化产物，在大陆环境中地质构造较为稳定的长期隆起地区，地表岩石或矿床经过长期彻底的风化改造。,大陆风化产物,原生岩石或原生矿石中若含有Fe、Mn、Al的硅酸盐、碳酸盐或硫化物（如橄榄石、辉石、角闪石、长石、云母、菱铁矿、菱锰矿、铁白云石以及黄铁矿、白铁矿）时，这些矿物在强烈风化过程中可彻底瓦解，除了其中的活泼组分（如K,Na,Ca,Mg,F）被释放出来被带离风化场所之外，其中的稳定组分Fe,Al,Mn.,Si等在风化作用的最后形成Fe,Mn,Al的胶体。由于这些化合物FeOH3,MnOH2,AlOH3和SiO2是风化过程中的最后的产物。因此这些胶体的形成，标志着该区的化学风化作用最为彻底、最为强烈，已经进入风化作用的最后阶段。,3、形成环境及围岩特点,矿床主要产生于一定地质时代的沉积岩系或火山-沉积岩系之中，为典型的同生沉积矿床。矿床的沉积环境为海湾边缘或湖盆边缘，并且位于沉积间断面之上的海侵岩系的底部或中下部。具体说来，由于Fe、Al、Mn三种元素的化学性质的差别，三类矿床的分布位置也有一定的差别从垂直剖面上看，铝矿床往往位于海侵岩系的底部，铝铁矿床在下部，铁锰矿床位于上部，从横向上，铝和黏土靠近海岸最近，稍远依次为FeMn。,4、矿体的特点,由于这类矿床是典型的同生沉积矿床，因而具有沉积矿床的典型特征，矿体形状为规则的厚层状，大的透镜状，含矿层位稳定，产状与沉积岩层一致。矿床延伸展布范围大，矿床的规模大，储量大具有很大的工业意义。,5、矿石的特点,其主要为Fe,Al,Mn.的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硅酸盐等。如，赤铁矿，菱铁矿、硬锰矿、软锰矿、铝土矿、黏土矿物等。矿石多具有鲕状、豆状、肾状、结核状、块状等构造，显示出明显的胶体成因的特征。,三、胶体化学沉积矿床的形成条件,1、成矿物质的来源胶体的形成胶体可以来自海洋、大陆及宇宙，但最主要的还是来自大陆岩石的风化产物，其次有海底火山喷发物质。因此认为在沉积水盆地周围或附近一定存在着一种长期接受风化改造的古大陆，可以为在古盆地中沉积胶体矿床提供充足的胶体来源。,胶体的形成,在地质时期潮湿多雨的炎热的热带及亚热带地区，受到风化作用改造的古大陆地表岩石或矿石，最终将彻底地分解，这些最稳定的风化产物最后在地表水的作用下，Fe,Al,Mn.等组分主要呈胶体状态被带离风化场所转入沉积水盆地。有人计算过现代河流搬运胶体的能力是很大的。如南美洲的亚马逊河，每升河水含Fe0.005克，按每年流入海洋的水量计算，亚马逊河17.6万年就可以将20亿吨铁搬到海洋中。当然，由于遭受风化的原岩及原生矿石的成分不同，风化后所产生的胶体成分也不同。,海底火山活动,此外，海底火山活动，也常常构成主要的火山沉积矿床，这类矿床的形成是由于海底火山喷发物质在海水作用下，大量的Fe,Al,Mn胶体在海底沉积环境中构成重要的矿床。在现代海底发现的Fe,Mn结核被认为是海底火山活动能提供大量胶体物质的重要重要证据。,2、气候条件,据前述可知，古大陆源区的原岩或原生矿石的风化产物是这类矿床的最主要的来源。而Fe，Mn，Al是风化过程中最稳定的组分，这些组分胶体的形成则是风化过程最后阶段的产物。从这一理解出发，说明该地风化作用相当强烈，风化作用最为彻底，而要使岩石发生彻底的风化，并使这些最为稳定的组分也能分解带出。说明该风化地区应该处于炎热潮湿的热带亚热带地区。,3、有利的搬运条件,同种性质电荷的胶体在一起被搬运，而不至于被中和，絮沉；适量的护胶剂。如果在胶体的搬运过程中有适量的腐殖质。则与胶体结合形成腐质酸的络合物，充当护胶剂的功能，能增强胶体的稳定性，保护胶体，不被破坏，能作长距离的迁移而不至于在中途沉淀。,护胶作用在Fe、Al、Mn胶体沉积矿床形成的过程中，适量的腐殖质的存在，能增强Fe、Al、Mn胶体的稳定性，有利于Fe、Al、Mn胶体的长距离运移，这种作用称为腐殖质的护胶作用。这样，大量的胶体物质不至于中途就发生胶体的絮凝就可以源源不断地汇集到水盆地中，为胶体矿床的形成提供充足的物质。,4、有利的聚沉条件这主要是指胶体溶液经过长距离运移，大量汇集到低洼的水盆地中之后，必须经过胶体的破坏，絮凝，才能沉积形成矿床。搬运与聚沉是成矿过程中彼此相连但又功能相反的两个重要的步骤，并且一定有明确的顺序。,胶体物质絮凝的原因,电解质加入如果胶体中加入了电解质，如NaCl、MgCl2、CaSO4,等盐类物质，即离子溶液破坏了胶体电荷的平衡，加速了胶体质点的运动，在胶体质点相互加速碰撞时结合在一起，迅速促使胶体聚沉下来。两种带有相反电荷的胶体溶液相遇正负电荷中和，也会破坏胶体的平衡和稳定，导致胶体絮凝沉淀。如带正电荷的Al2O3胶体和带负电荷的SiO2胶体相遇，则结合形成含水硅酸盐黏土矿物沉淀。,蒸发作用介质水的蒸发，使胶体失水，浓度变大，也会使胶体絮凝沉淀。交代作用胶体溶液在搬运途中与岩石发生化学反应，因为化学交代作用也会破坏胶体的平衡。胶体溶液物化条件的改变，如PH，EH值的改变，以及护胶剂的过量或减少，都会导致胶体的破坏而产生絮凝。,海水中的电解质,在自然界中，当胶体物质大量被破坏携带到广阔的海洋中时，由于海水中含有大量的电解质NaCl，MgCl2，KCl，结果使胶体的电性中和而发生絮凝沉淀。这样，在浅海环境中，在离海岸不远的部位，往往会形成海相沉积型的Fe、Al、Mn胶体化学矿床。,护胶剂过量,另外，当胶体物质被带到内陆湖泊或富含有机质的沼泽盆地中时，在这些水体中常含有大量的腐殖质和细菌，这时由于腐殖质过量，即护胶剂过量而破坏护胶能力（因为作为护胶剂的腐殖质。过量或不足都不会发生良好的护胶作用，反而会导致胶体的絮凝）。这样，就形成内陆湖泊沼泽相Fe、Al、Mn矿床，如湖泊沼泽地带的沼铁矿。是腐殖质过多所致。,5、地质构造条件,胶体化学沉积矿床多分布于接受长期风化的沉积间断面之上的海侵岩系的底下部。,地壳升降运动速度的决定意义,另外，地壳的升降运动速度还表现在沉积盆地的沉降速度和沉积物的沉积速度与沉积类型上地壳沉降过快，则沉积盆地下降较快，那么，物理风化作用则占主导地位，大量的机械碎屑物质被带到水盆地中与胶体混合，导致机械掺合作用，不利于大而纯的胶体矿床的形成；若沉降速度过慢，地势平坦，发生化学风化作用十分彻底，那么大量的化学风化产物流入水盆地中，导致化学掺合作用，亦不利于大而纯的胶体化学矿床形成。,四、主要的胶体化学沉积矿床,（一）、铁矿床1、概述胶体化学沉积型的铁矿床，是最为主要的铁矿工业类型，也是自然界中胶体沉积作用最为典型、成矿作用最为重要的矿床类型。这种矿床铁质的来源，主要来自含铁的大陆岩石的强烈风化的产物。当暴露于地表的含铁岩石或矿石，在炎热多雨的热带亚热带环境中经过长期的彻底风化铁质就会游离出来，构成Fe3的胶体溶液被带离风化场所。,铁胶体带有正电荷，当它们到达海洋中时，由于海水中含有大量盐类物质，即电解质，于是这些离子溶液破坏了铁质胶体的电荷平衡，造成铁胶体絮凝沉淀。也由于内陆湖沼地区含有大量腐殖质，护胶剂过量破坏护胶能力，导致铁胶体絮凝。,2、胶体化学沉积型铁矿床的分带性,（1）氧化物相带位于离海岸最近的浅海地带，PH值小，为充分的氧化环境，Eh高，水面可达0.4。这时由于氧气充足，可形成铁的氧化物如赤铁矿，褐铁矿，针铁矿，构成铁的氧化矿石。铁为Fe3Fe2O3H2O。,海相沉积铁矿床铁矿物相变示意图,（2）硅酸盐矿物相带,在离岸较远的地方，海水较深，PH增大，Eh变小，此处已无过剩的氧存在，铁与硅酸盐作用生成铁的硅酸盐矿物鲕绿泥石，Fe3Fe2。,（3）碳酸盐矿物相带,离岸更远，海水更深，位于氧化还原界线之下，PH大于7，Eh更低，含氧不足，不能促使Fe2氧化，因此在还原条件下形成菱铁矿FeCO3，Fe主要呈Fe2的形式存在。,（4）硫化物相带,在远离海岸海水最深的浅海地带，由于有机质与腐殖质分解，产生大量的CO2和H2S，造成明显的还原环境，Fe与H2S结合形成铁的硫化物黄铁矿FeS2和白铁矿FeS2沉淀。从产出的岩性地层位置来看，沉积型铁矿层多位于由粉砂岩向页岩、泥岩过度的粉砂岩、泥岩之中，而很少出现在机械掺合作用强烈的粗屑岩系中、和化学掺合作用强烈的碳酸盐岩系中。,3、胶体化学沉积型铁矿床的主要类型,（1）正常沉积类型即无火山活动。按照沉积环境又可分为两种,A浅海相沉积型,这是最为主要的沉积类型铁矿，矿体特征矿体呈层状，矿床规模巨大，沿古海岸或古海湾分布，层位稳定，矿体位于海侵岩系的下部，且距离侵蚀间断面不远。矿石成分矿石由赤铁矿、针铁矿、褐铁矿组成，还有菱铁矿，鲕绿泥石，石英及少量的锰氧化物，方解石，高岭石铁品位为20～50，有害组分较低，P为0.2～0.5，S为百分之几～万分之几。,矿石组构矿石呈鲕状，肾状、块状构造，储量数亿吨数十亿吨，产于浅海相粉沙岩，细砂岩系之中，可构成大特大型铁矿床。矿床实例有代表性实例我国北方宣龙铁矿（寒武纪），南方的宁乡式铁矿（泥盆纪），前苏联的赤铁矿，法国的洛林铁矿，美国克林顿铁矿，是最主要的沉积铁矿矿床。,河北宣龙铁矿岩相古地理示意图,河北宣龙庞家堡铁矿剖面图,湖南宁乡铁矿岩相古地理示意图,湖南宁乡铁矿剖面图,B、内陆湖泊相沉积铁矿矿床产于亚热带，热带湖泊盆地之中，矿体延伸不远，层位不稳定，多为透镜状、厚度不大，因储量小，有害杂质多，工业价值远不如前者。矿石主要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等组成。含有Mn，P，S，植物残体。我国四川，新疆，江苏，广西，辽宁都有，但工业意义不大。,（2）火山沉积型,A、海底火山（喷发）沉积型铁矿床主要产于火山沉积岩系中，也就是说，这类矿床上下的围岩除了有正常的海相沉积岩之外，尚有不同比例的火山物质。矿石组成有赤铁矿、菱铁矿、磁铁矿以及Fe,Cu,Pn,Zn,Ag的金属硫化物。类型复杂，成因也复杂，兼有沉积与火山两种特点。,B、陆相（湖泊）火山沉积型铁矿床,这类矿床的形成环境，乃是在大陆环境的湖泊中，除了正常的大陆环湖泊沉积作用之外，还伴随有火山活动，一般说来，这类铁矿床规模小，分布不广泛，意义不大。,（二）锰矿床,1、概述胶体化学沉积型的锰矿床，其形成机理和分布特征与胶体化学沉积型的铁矿床极为相近，因此二者经常伴生。成矿盆地多为长期受侵蚀和较稳定大陆边缘有障蔽的半封闭滨浅海盆地、碳酸盐台地中的洼地及边缘斜坡，缺乏陆源碎屑供给，盆地水体常因滞留而具有还原性质。锰的沉积多发生于浅水氧化带及氧化-还原的转变带,海相沉积锰矿床成矿模式图,Fe与Mn,Fe与Mn在自然界中的含量（或克拉克值）相差悬殊，Fe为4.2（或5.63）Mn0.095（或0.13，或0.16）。二者在岩石中的含量平均比值为1/40～70，所以锰矿床不如铁矿床分布广泛。由于Mn为“迁移性”元素，而Fe,Al均为惰性元素，因此他们形成矿床又有明显的不同之处。由于Mn在水中离岸稍远才开始沉淀，沉积的水体深度Fe要深，这就使Fe和Mn在沉积时分离开来。因此Mn矿层上下围岩和共生矿物要比铁矿床细小得多，主要为泥质页岩，硅质灰岩和白云岩等。,海相沉积锰矿床矿物相变示意图,2、沉积相带,A、软锰矿矿石相近岸地带，富含游离氧，PH低，形成高价（4）的锰化合物，硬锰矿（mMnOMnO2nHO2）和软锰矿（MnO2）。矿石质量优良，S，P杂质少。,B、水锰矿相离岸较远，氧气不足，产生了三、四价锰化合物水锰矿（Mn2O3HO2）。C、碳酸盐矿石相离岸更远，海水更深，PH大于8.5，还原条件，CO2和H2S充足，主要生成低价的Mn2化合物，如菱锰矿（MnCO3，锰方解石（Mn,CaCO3，还有黄铁矿及白铁矿共生，S，P含量增加，矿石质量较差。,3、沉积锰矿床的分类,同沉积铁矿床相同，即可以分为海相和湖泊相两大类。在这两类中，以海相为主，矿体规模大，层位稳定，矿石品位高，矿床储量巨大，S，P杂质少，我国著名的代表有产于下、中震旦统板溪群海相沉积地层中的湖南湘潭锰矿，震旦系辽宁瓦房子锰矿，三叠系云南斗南锰矿，二叠系贵州遵义锰矿，泥盆系广西木圭锰矿等。此外，产于现代海洋底部的“现代锰结核“是Fe,Mn以及Cu,Co,Ni等多金属的潜在资源。,（三）铝矿床,1、概述由于铝元素的化学性质要比Fe,Mn更呈惰性，因此，Al矿床的成因要比Fe,Mn复杂一些。,Al2O3胶体,在自然界中，Al2O3在PH小于4的强酸条件下，以及在PH大于7的强碱条件下易溶于水而呈迁移的状态。在PH4.1～7的中性的条件下，则溶解度最小，容易沉淀下来。在PH47时，溶解于水的Al2O3最容易与SiO2结合，形成新生高岭石沉淀。然而，在自然条件下，水溶液的PH值小于4，或大于10的强酸强碱条件是很难出现的，因此，实际上Al2O3在一般情况下，在地下水中形成游离的Al2O3是极为困难的，在这种情况下，铝矿床的形成，是否是Al2O3呈胶体的形式被搬运至水盆地中，象Fe,Mn那样，再沉积下来形成矿床，还是值得怀疑的。,2、形成原因成因假说,铝土矿的成因研究是一个重要问题，至今仍是众说纷纭，难以定论，主要观点有以下三个（1）化学沉积说铝土矿是以胶体形式或呈化学真溶液形式搬运的，并由于胶体物质的被破坏，从水体中析出沉淀的浅海相或湖泊相沉积物。,（2）红土说,铝土矿是下伏各种含铝的硅酸盐矿物或碳酸盐岩，在温暖炎热潮湿的热带亚热带气候条件下，发生强烈的风化作用形成的“红土型风化壳”，这些原岩或原生矿石经过风化后首先形成水云母，水云母经过风化后才转变为高岭石、高岭石进一步风化才形成水铝石，最后原地沉积而成。,（3）红土沉积说,铝土矿是红土风化作用的产物，风化作用生成的黏土类含Al物质经过机械搬运和异地再沉积，在成岩作用阶段，然后在地下水的作用下，其黏土矿物中的SiO2大量淋失，Al质富集，因而大多数富Al矿石都具有孔隙，土块状等淋失结构。,共同点与异同点,上述的三种观点的共同点在于铝土矿都是外生成因的，成矿物质均来自成矿母岩的风化产物，即成矿母岩必须首先遭到红土型风化作用。不同点在于红土说认为铝土矿是原地风化产物堆积而成，没经过搬运。而化学说及红土化学说则认为铝土矿是红土风化作用产生的铝土物质经过搬运后异地沉积形成的，前者又认为成矿物质呈胶体及真溶液的形式搬运，后者认为呈机械碎屑物质搬运。,思考题,1、形成胶体化学沉积矿床应具备哪些有利条件矿床有何特征2、海相沉积铁矿床形成于何种沉积环境含矿岩系有何特征铁的矿物相有何分带规律3、海相沉积锰矿床形成于何种沉积环境含矿岩系有何特征锰的矿物相有何分带规律4、海相沉积铝土矿床形成于何种沉积环境含矿岩系有何特征,参考文献,1、中国矿床编委会，1994，中国矿床，地质出版社，（上册）269-311（中册）395-396，430-434、487-524，538-5472、裴荣富，1995，中国矿床模式，地质出版社，91-93，124-126、155-157、175-177、188-1903、查赫奇逊，矿床及其构造背景，（张炳熹、李文达译，1990），地质出版社，65-694、D.P.考克斯、D.A.辛格，1986（宋伯庆等人（1990）译），矿床模式，地质出版社，224-2275、J.C.萨玛玛，（章锦统等人（1991）译），矿田与大陆风化，中国地质大学出版社，201-224,