[科普中國(guó)]-親銅元素

簡(jiǎn)介

親銅元素指與硫的親和力強(qiáng)，在自然界主要以硫化物狀態(tài)產(chǎn)出的元素，包括Cu 、Ni 、Co 和鉑族元素等。這些元素都在幔源巖漿中含量較高，并且極易與硫結(jié)合，因此當(dāng)幔源巖漿中的硫發(fā)生熔離時(shí)，這些親銅元素就在硫化物中富集，當(dāng)富集到一定含量的時(shí)候就形成巖漿銅鎳硫化物礦床，因此硫和親銅元素在幔源巖漿演化過(guò)程中的行為是探討巖漿硫化物礦床成礦作用的一個(gè)窗口。巖漿硫化物礦床是產(chǎn)出銅、鎳、鉑族等金屬元素的主要礦床，而且這類(lèi)礦床源于幔源巖漿，并產(chǎn)于不同的地質(zhì)環(huán)境。根據(jù)巖漿硫化物礦床產(chǎn)出的大地構(gòu)造環(huán)境將其劃分為綠巖帶型礦床、大陸邊緣裂谷型礦床、克拉通礦床、活動(dòng)造山帶型礦床。湯中立等巖漿硫化物礦床的成礦時(shí)代、構(gòu)造環(huán)境及巖石組合將這類(lèi)礦床劃分為:元古宙與古隕石坑有關(guān)的礦床、元古宙以后與大陸裂解有關(guān)的小型侵入體礦床、顯生宙與大陸裂谷溢流玄武巖有關(guān)的礦床、太古宙綠巖帶與科馬提巖有關(guān)的礦床、早元古代大陸層狀侵入體礦床。此外還有一些學(xué)者的分類(lèi)對(duì)于巖漿硫化物礦床的成礦模式也有不同解釋。總結(jié)了控制巖漿硫化物礦床形成的關(guān)鍵因素，根據(jù)中國(guó)的小巖體礦床也提出了硫化物深部預(yù)富集的成礦機(jī)制，此外劉月星提出了“ 以巖漿深部熔離作用為主導(dǎo)的脈動(dòng)式”成礦模式，蘇尚國(guó)等總結(jié)了該類(lèi)礦床的控制因素，而且一些學(xué)者還從成礦系統(tǒng)方面對(duì)其進(jìn)行了探討。

盡管巖漿硫化物礦床成礦模式存在區(qū)別，但是所有的模式都必須經(jīng)歷如下相同的巖漿演化過(guò)程，涉及到硫和親銅元素在巖漿中的行為過(guò)程，包括兩方面：

① 硫化物在巖漿中達(dá)到飽和并熔離；

② 親銅元素在硫化物中富集到工業(yè)品位。硫在巖漿中的溶解度受壓力、溫度、FeO 和Si2O 含量、圍巖硫的加入的影響，這些因素控制了硫化物在巖漿中的熔離。而親銅元素在形成巖漿硫化物礦床的過(guò)程中發(fā)生四個(gè)交換反應(yīng)：

① 在巖漿結(jié)晶過(guò)程中和硫化物未發(fā)生熔離之前，親銅元素在結(jié)晶相和殘余熔體之間的分配；

② 在硫化物與巖漿發(fā)生熔離之后，親銅元素在硫化物和殘余巖漿之間的分配；

③ 堆晶相捕獲液態(tài)硫化物時(shí)，橄欖石與液態(tài)硫化物發(fā)生交換反應(yīng)，親銅元素在硅酸鹽晶體相和液態(tài)硫化物相之間的分配；

④ 液態(tài)硫化物結(jié)晶分異的時(shí)候，親銅元素在單硫化物固溶體和液態(tài)硫化物之間交換反應(yīng)。

巖漿硫化物成礦作用向定量化模擬的方向發(fā)展，而上述四個(gè)交換反應(yīng)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)定量化模擬的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出控制四個(gè)交換反應(yīng)的因素,并將基于實(shí)驗(yàn)的參數(shù)用于模擬自然界的成礦過(guò)程當(dāng)中，進(jìn)行定量或半定量化研究1。

關(guān)于“親銅元素”名詞和元素親合性概念問(wèn)題地球科學(xué)中，元素之間的親合性是元素地球化學(xué)行為的基本屬性。1923 年V .M .戈?duì)柕滤姑芴厥状螌ⅰ坝H”字用于元素地球化學(xué)分類(lèi)中，將元素分為親石；親鐵；親硫；親生物和親氣5個(gè)地球化學(xué)族。戈氏的分類(lèi)在全球地學(xué)界影響廣泛，我國(guó)學(xué)者亦普遍采用。然而迄今國(guó)內(nèi)論著及教材在采用戈氏分類(lèi)時(shí)，均將原著中的“Chalcophile”（親硫）稱(chēng)為“親銅” 。“ 親硫”和“親銅”是兩個(gè)不同的概念，不應(yīng)混淆。沈永直等的中文譯本中本無(wú)“親銅”一詞?！坝H銅”用詞出現(xiàn)的原因可能有二：

① 地質(zhì)辭典地球化學(xué)詞目中稱(chēng)“親銅元素”與“親硫元素”為同義語(yǔ)；

② 硫的拉丁字為Chalco ，英文的礦物詞目中以Chalco 為構(gòu)詞成分的僅有Chalcoci te 一詞（輝銅礦），兩者詞頭相似。上述兩點(diǎn)可能是誤將“親硫”稱(chēng)為“親銅”的原因。

關(guān)于元素“親合性”的概念：元素的不同親合性是反映元素之間不同結(jié)合傾向的。戈氏的分類(lèi)不是以元素的結(jié)合屬性為依據(jù)的，這對(duì)于他從元素在地球各圈層中可能的分布為構(gòu)想的分類(lèi)為出發(fā)點(diǎn)是無(wú)可非議的。戈氏對(duì)于他所使用的“親”字未給予明確的定義。近代地球化學(xué)的發(fā)展，更顯示了元素地球化學(xué)親合性的重要意義，它制約元素濃集、分散、分布與分配的趨向與結(jié)果。學(xué)科的發(fā)展要求給予元素親合性以明確的定義。地球科學(xué)工作的基本方法是反序的（根據(jù)地質(zhì)作用的產(chǎn)物反演其作用過(guò)程）。地球化學(xué)作用結(jié)果所反映的元素親合性表現(xiàn)為元素以3種不同狀態(tài)的共生：

①陽(yáng)離子與陰離子（含絡(luò)陰離子）結(jié)合所體現(xiàn)的親合性，如鈦與氧結(jié)合（TiO2）、鋅與硫結(jié)合（ZnS）各自體現(xiàn)親氧與親硫性。

②元素呈類(lèi)質(zhì)同像共生，如粗鉑礦（Pt 、Fe）中的鉑與鐵在晶格中占位相同所體現(xiàn)的鉑的親鐵性。

③由礦物共生體現(xiàn)的元素親合性，如金與黃鐵礦（FeS2）共生體現(xiàn)了金的親鐵性。這些討論是為了不應(yīng)模糊元素親合性的概念，因?yàn)樵氐牟煌嬖跔顟B(tài)既反映了元素的不同親合性又反映了元素結(jié)合規(guī)律的不同。正是基于這一認(rèn)識(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)慣用的“親銅元素”一詞的確切性及其可能導(dǎo)致的誤解進(jìn)行了探討，以期地學(xué)用詞能夠科學(xué)地反映自然的客觀(guān)存在。

硫化物在巖漿中的熔離硫在幔源巖漿中屬于微量元素，探討巖漿中的硫含量和溶解度有助于理解硫化物的熔離機(jī)制，也能從中探討巖漿硫化物礦床的成礦過(guò)程。硫在上地幔中是微量組分。當(dāng)上地幔熔融的溫度大于1100℃時(shí)，硫會(huì)全部熔融，這樣源于地幔熔融的巖漿中含S在2.5%（鉀質(zhì)、超鉀質(zhì)巖漿1 %的熔融）到0.05%（科馬提巖漿，50 %熔融）之間，但許多玄武巖漿和科馬提巖漿中含硫在0.01%～0.2%之間，說(shuō)明硅酸鹽巖漿中只能溶解一定量的S?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明玄武巖漿中硫的溶解度為0.0505%～0.26%，多余的S以液態(tài)硫化物的形式熔離出來(lái)。巖漿硫化物成礦源于硫化物的熔離，因此確定硫化物飽和時(shí)巖漿中的硫含量十分重要。影響巖漿中硫化物溶解度的因素包括溫度、壓力、氧/硫逸度和巖漿中FeO的含量五個(gè)要素。

許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究溫度對(duì)巖漿中硫溶解度的影響。研究表明隨著巖漿溫度的降低,硫的溶解度也降低。SCSS隨壓力的降低而迅速增大已經(jīng)被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明在1400～1800℃、0～10GPa 的范圍內(nèi)SCSS隨壓力變化了三個(gè)數(shù)量級(jí),但只隨著溫度變化了一個(gè)數(shù)量級(jí)，溫度相對(duì)于壓力對(duì)SCSS的影響較小。在巖漿上升的過(guò)程中，溫度降低對(duì)硫溶解度的降低不能抵消壓力降低對(duì)硫溶解度的升高，即使在源區(qū)巖漿中的硫已經(jīng)飽和，在到達(dá)地殼淺部后硫在巖漿中將處于不飽和狀態(tài)。

FeO是控制硫在巖漿中溶解度的最重要的組分，隨著巖漿中FeO含量的下降，硫的溶解度也逐漸降低，SCSS與FeO呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，因此在分異的巖漿中硫化物的溶解度是非線(xiàn)性的，隨著溫度的下降和橄欖石、輝石的結(jié)晶，巖漿中硫的溶解度迅速下降，因?yàn)樾遍L(zhǎng)石結(jié)晶不會(huì)降低巖漿中鐵的含量，相反會(huì)增加FeO的相對(duì)含量，因此斜長(zhǎng)石的結(jié)晶會(huì)增加硫化物的溶解度，這樣會(huì)抵消溫度下降對(duì)硫化物溶解度的影響，因此在斜長(zhǎng)石結(jié)晶的過(guò)程中，硫化物的溶解度沒(méi)有明顯的變化，這也說(shuō)明斜長(zhǎng)石的結(jié)晶不利于硫化物的熔離。

在總結(jié)巖漿硫化物礦床的存在問(wèn)題時(shí)曾經(jīng)探討過(guò)影響巖漿中硫化物熔離的因素。根據(jù)硫在巖漿中的化學(xué)行為，總結(jié)了導(dǎo)致巖漿中硫化物飽和的四個(gè)機(jī)制：

1.巖漿混合：較熱的富鐵初始巖漿和經(jīng)過(guò)分異的低溫貧鐵巖漿混合可以使得巖漿中硫化物的FeO含量驟然降低，硫化物進(jìn)入超飽和狀態(tài)，從而大量硫化物發(fā)生熔離。已經(jīng)發(fā)生分異的巖漿與新鮮的初始巖漿混合會(huì)使巖漿中的硫熔離出來(lái)。通過(guò)研究Bushveld的巖漿混合機(jī)制、蘇本勛等研究北山地區(qū)紅石山巖體也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.巖漿溫度迅速下降：在侵入體的邊緣這種機(jī)制十分顯著，在巖體邊緣由于溫度驟然下降，硫化物的含量有明顯增加，這種情況在許多礦區(qū)可以見(jiàn)到，如Bushveld雜巖體與底部地層的接觸部位，在熔巖流的底部。

3.硫不飽和或硫飽和巖漿相對(duì)快速的結(jié)晶分異：在形成大量的鉻鐵礦和磁鐵礦的過(guò)程中，巖漿中FeO 的含量顯著降低，引起硫化物溶解度的下降，使得巖漿達(dá)到飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，這可以解釋Busheveld 礦區(qū)鉻鐵巖的硫化物升高。

(4)巖漿混染：巖漿中SiO2、Al2O3、CaO和fo2的改變能夠影響硫的溶解度。同化長(zhǎng)英質(zhì)圍巖可以降低玄武巖漿中硫的溶解度，促使硫化物發(fā)生熔離。

同化含硫地層或者通過(guò)氣化作用吸收地層中的硫可以明顯的提高玄武巖中硫的含量，達(dá)到硫過(guò)飽和的狀態(tài)。通過(guò)探討巖漿中硫元素的溶解度這個(gè)研究窗口就可以研究硫化物在巖漿中發(fā)生熔離的控制因素，此外通過(guò)反演原始巖漿的成份還可以推算巖漿的溶解度，進(jìn)而進(jìn)行成礦作用的定量化研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)得出的參數(shù)就可以推測(cè)原始巖漿中硫的含量，還可以知道巖漿的結(jié)晶程度、殼源混染、巖漿混合、殼源硫的加入等過(guò)程對(duì)硫溶解度的影響。盡管通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的各種參數(shù)是在理想狀態(tài)下獲得的,與自然狀態(tài)還有一定的差距，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理的改進(jìn)可以盡量還原自然狀態(tài)，這也是研究硫在巖漿中溶解度的一個(gè)發(fā)展方向2。

親銅元素在橄欖石和硅酸鹽熔體之間的分配親銅元素的在巖漿演化過(guò)程中其相容性有差異，因此可以通過(guò)這種差異來(lái)反演巖漿的結(jié)晶分異過(guò)程。Ni和Cu在巖漿結(jié)晶演化過(guò)程中具有不同的趨向性，Ni傾向于進(jìn)入結(jié)晶相，尤其是橄欖石中，因此通過(guò)對(duì)比Ni在結(jié)晶相中的含量就可以反演巖漿演化過(guò)程。

在巖漿銅鎳礦的形成過(guò)程伴隨著原始巖漿的結(jié)晶分異過(guò)程，Ni作為巖漿中的微量元素隨著橄欖石的結(jié)晶,利用上面的模擬過(guò)程，如果得到了原始巖漿的鎂鐵成分，就可以利用橄欖石的成分推算與之平衡的熔體性質(zhì)和結(jié)晶分異程度。B曲線(xiàn)是當(dāng)硫化物熔離之后，橄欖石與硫化物平衡時(shí)發(fā)生的交換反應(yīng)模擬曲線(xiàn)，與橄欖石的結(jié)晶分異過(guò)程不同，與硫化物發(fā)生平衡交換的橄欖石中的Ni含量隨著橄欖石中FeO 的升高（Fo減?。┒?。如果在巖漿演化的過(guò)程中發(fā)生化物的熔離，則巖漿中的Ni迅速進(jìn)入硫化物相，巖漿中的Ni發(fā)生虧損，此時(shí)結(jié)晶的橄欖石中Ni的含量就會(huì)降低，落在正常演化曲線(xiàn)下方。

利用上述計(jì)算模擬，將巖漿中硫化物的熔離過(guò)程看做巖漿演化的一個(gè)特殊階段，并通過(guò)測(cè)定大量橄欖石中Ni的含量可以判斷是否存在硫化物的熔離，還可以近似推斷原始巖漿的結(jié)晶分異過(guò)程，進(jìn)而可以用于判別一個(gè)巖體的成礦潛力。通過(guò)對(duì)比Voi sey' s Bay 和Mushuau兩個(gè)巖體的橄欖石成份的差異得出了兩個(gè)巖體成礦過(guò)程之間的差異，對(duì)比了東天山圖拉爾根和白石泉等巖體橄欖石中Ni含量的差別，并對(duì)比了兩個(gè)巖體成礦的控制因素2。