热液“淬火”变晶成矿喻说.docx
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1、 热液“淬火”变晶成矿喻说 兼论矿脉在MT-VCT成像剖面图上的物性反映 寇 伟 寇 通 郑州地象科技有限公司,河南 郑州 450000 摘要:地质学家和勘查学家的愿望不尽相同。前者致力于理论的研究,注意理论方面的突破。后者致力于创造性地运用概念、观点,通过形象思维,建立找矿模式,指导找矿工作。而作为物探找矿人,则是要创造发明适用于准确高效找矿的物探方法、仪器及其实际应用方法,能够直接透视地下地质构造与矿脉分布,立体描绘矿体形态与规模,结合钻探取样确定矿脉成分及矿种,快捷、准确、低投入找到有价值的隐伏矿床。 关键词: MT-VCT,热液,淬火,矿脉,矿体 同为岩浆活动形成的岩浆岩,为什么有的区
2、域存在成矿带、有的地方就没有?同为岩浆形成的侵入岩,为什么在与其它岩性围岩的接触带内容易成矿,而在侵入岩体内成矿就少?为什么在同一成矿分带内成矿分布不均匀,矿体形态、品位、厚薄均不同?诸如此类的问题很多,解疑者众多,答案却各不相同。本人尝试从现象到本质,对于不可再现的热液成矿过程参照钢材“淬火”的原理予以探讨和解释。 一、“淬火”处理工艺及特点 钢件的“淬火”处理工艺是把钢加热到临界温度以上,保温一定时间使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度进行冷却,从而获得以马氏体为主的不平衡组织的一种热处理工艺方法。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理
3、工艺称为淬火。 淬火的目的是为了大幅度提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相,故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。但是,马氏体的脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力,因而不宜直接应用,必须进行回火来降低钢件的脆性,即将淬火后的钢件在高于室温而低于710的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却。 淬火处理工艺的要求及特点:(1)温度必须高于临界温度并保持一段时间使之奥氏体化;(2)随后将钢浸入水或油中快速冷却,使之从奥氏体转变为马氏体;(3)冷却速度必须大于钢的临界冷却速度,才能使要使钢中高温相奥氏体冷却变
4、成低温亚稳相马氏体;(4)淬火后马氏体的组织粗大、硬度最高,快速冷却会使工件内部产生内应力,易产生扭曲变形甚至开裂;(5)工件在冷却过程中表面与心部的冷却速度有一定差异,组织结构、硬度、韧性、均匀性等会有所不同;(6)淬火过程也是钢件内部组织晶变的过程,显微组织由奥氏体的面心立方结构转变为马氏体的体心正方结构、由奥氏体的等轴状多边形晶粒畸变成晶格缺陷密度很高的亚结构,导致体积膨胀、硬度和强度增大。 二、钢件与矿物“淬火”重结晶作用的区别 一般定义重结晶作用是指沉积矿物质在温度、压力的影响下所进行的结晶作用,其过程中沉积矿物由非晶质向隐晶质、晶质体变化,颗粒由小变大。由重结晶作用形成的晶粒称为变
5、晶结构,按照矿物颗粒的大小,一般将粒径大于3mm的称为粗粒变晶结构、粒径1-3mm的称为中粒变晶结构、粒径小于1mm称为细粒变晶结构。 对于重结晶变质作用的含义目前有不同理解,很多人把变质作用过程中原岩基本保持固态条件下的矿物结晶叫重结晶作用,即通过同种矿物的溶解,组分迁移和再次沉淀结晶,而不形成新的矿物。比如石灰岩中隐晶质方解石在变质作用过程中随温度升高可转变成较粗大的方解石晶体,使原岩成为大理岩。以此定义重结晶作用的目的主要是为了和岩浆和溶液中的矿物晶出作用加以区别。作者以为,作为地质矿物学研究,可以形象地引用冶金学“淬火”的概念来分析地下不可见的热液成矿过程,但必须清楚二者重结晶的对象、
6、条件、复杂性等差别甚大,不可等同比较;另外,热液成矿过程是一个由交代作用、蚀变作用、晶出作用、重结晶作用等等多种作用混同作用的结果,没有必要、也不可能把它们隔绝开来论述其作用过程及结果。 就矿物“淬火”与钢件“淬火”比较重结晶条件及过程,具有以下不同点: 1、作用物体不同。钢件是作为一个独立物体整体进行加热淬火处理的;而矿物淬火则仅仅是在岩浆热液与围岩接触面内发生的,作用的范围有限。 2、重结晶对象不同。钢件是在内部发生重结晶作用的;矿物则是在热液与围岩接触面两侧共同发生重结晶作用,且重点是向围岩一侧延伸作用。 3、重结晶作用条件不同。冶炼温度、淬火时间等都是可控的;而热液成矿的温度、压力、时
7、间等都是自然发生的,重结晶作用条件不同会导致成矿结果差异较大。 4、反应性质不同。钢件淬火属于物理反应,只是晶体结构发生了变化;热液重结晶成矿主要是化学反应、同时也包含有物理反应,热液中的矿元素通过交代晶出作用与围岩反应生成新矿物,蚀变带中也有只是原岩变晶成脉的矿物。 5、淬火后生成物质不同。钢件淬火后只是物理结构发生了改变;热液“淬火”作用后会生成新的矿物质,而且热液成分、围岩岩性、深度、温度、压力等条件不同,生成的矿物质也各不相同。 6、与钢件淬火相同的是同种矿物粒度愈小、所占的面积越大、所具有的表面能愈高、稳定性越差、越易于被溶解。重结晶作用通过组分的溶解和重新迁移沉淀后自行聚聚成同种矿
8、物较大的晶体。 三、热液“淬火”成矿的特点 首先对于文中所说“热液”的定义予以说明:一般都把来自地壳以下深部的流体称为地幔流体(或幔汁),进入地壳之后就称为岩浆,岩浆或岩石释放出的热水、热气溶液及地表上下被加热后的水则统称为热液。作者认为在成矿之后通过观察分析来定义热源性质是很难分得清的,因为地幔流体上侵过程中一直在不断融合围岩及裂缝中的液体,很难辨识到哪个阶段、哪层深度流体的性质,因此可以把这些热的幔流、岩浆、热水、热气等流体统称为热液。 1、热液仅在与围岩接触面“淬火”成矿 岩浆随着地壳活动岩裂缝运移到地壳的不同深处经缓慢冷却结晶而形成的岩石称为侵入岩。就像退火热处理工艺把加热到临界点以上
9、温度的钢件放在炉中慢慢冷却一样,其目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力和加工缺陷、降低硬度,从而改善切削加工性能和冷塑性变形能力。岩浆上侵活动结束岩固结成岩需要的时间更加长玖(长者可达上万年),上侵过程中经过分异作用、同化作用和混合作用,幔流中逐渐加入围岩和汽水成为热液混合体。因热液缓慢“退火”冷却固结后形成的侵入岩的结晶结构明显、晶粒均匀、大小相对统一,故在较大的侵入岩体内部很难发生各种成矿作用导致矿元素富集成矿。从实践中各种分布类型的矿体来看,热液成矿都是在热液与围岩接触面发生“淬火”作用的区域,也就是说只有在高温的热液遇到低温的围岩才能产生“淬火”作用,通过融离和结晶分异作用、交代蚀变作
10、用,热液中的矿元素向作用面富集、重结晶,进而形成新的矿物质。 2、成矿品位和厚度与“淬火”程度相关 热液上侵过程中含有成矿元素的碱物质与围岩的酸物质作用,造成热液中矿元素释放、活化、迁移、沉淀和富集并成矿。由于热液热液上侵、终止运动、固结成岩的过程漫长,热液与围岩结合部“淬火”作用的时间同样很长,“淬火”过程也就是碱交代与重结晶不断作用的过程。即深部热液盐类中的碱阳离子对酸性围岩及其所含矿物起破坏分解作用,导致热液和围岩中的成矿元素释放、与酸性阴离子络合重结晶后,随热液流向或渗透到减压降温区沉淀、充填成矿。可以肯定的是,围岩与热液直接接触的面积越大、距离越近,矿元素富集越多,成矿品位就越高;热
11、液温度越高,“淬火”作用越强,交代反应越完全,重结晶颗粒越粗,成脉硬度越大。垂直于热液成脉旁向围岩外侧方向常发育有蚀变,特别是存在碱(主要是K、Na)的带出带入。即热液成矿过程中,近矿围岩与热液发生化学反应而产生一系列物质成分和构造、结构的变化形成围岩蚀变,越接近热液的围岩蚀变作用越强,变晶结构颗粒越大,成矿品位越高;围岩孔隙和裂隙发育越好,热液压力越大,蚀变能力越强、范围越大,成矿就越厚。很多矿体存在的蚀变圈晕带,就是缘于距热液接触面距离远近不同、矿元素富集多少不同、蚀变程度不同而形成的。 3、热液成矿及分布形态取决于地质构造及容矿空间 幔流穿过岩石圈、再上侵至地壳浅部或至地表固结为侵入岩,
12、必定要从裂缝或薄弱处突破才能实现上侵活动。在上侵过程中通过不断熔融围岩扩大主要上行通道,热液在高温高压驱动下,在遇裂缝、裂隙便钻,遇空隙、孔隙便充填,在热液所达之处进行类似“淬火”的交代蚀变作用和重结晶作用,直到热液不再运动便固结成矿。可以说,从地壳表面向下来看存在着大大小小的裂缝,而从地壳底部向上来看也会存在大大小小的裂缝,这些裂缝或多或少与地壳上部裂缝有一定的连通性,一旦出现地壳活动发生较大的拉伸或挤压,幔流就会在高地压的作用下沿裂缝不断熔融扩大向上侵行,遇有容矿空间便充填挤占,地壳内几乎所有的热液活动都与断裂构造有关。因热液在构造内固结成矿脉,只要探明矿脉所在位置、形态、大小及走向,从反
13、向追溯,即可查明形成矿脉的地质构造及成因。由此可以假定并推断热液沿断裂成矿剖面呈树状结构:深部至地幔层为盘根错节的树根系,向上集中于上侵主通道为树干;中深部为热液上侵主干,侧枝少、矿化度高、围岩蚀变成矿明显;中部沿次级断裂、断层侧分枝多,形成石英脉矿、矽卡岩矿等等;浅层和浅中层开枝散叶,形成斑岩型矿床、沉积型矿床、角砾岩矿床等等。 4、成矿种类与热液和围岩的性质有关 热液上侵过程中不断熔融围岩并产生“淬火”作用,经过交代、重结晶、蚀变、充填一系列作用后成矿,因热液和围岩的性质不同,成矿种类及结果亦不相同。一般来讲,热液的性质包括热液的化学成分、浓度、pH、Eh、温度和压力条件,以及它们在热液作
14、用过程中的变化;围岩的性质包括围岩的化学成分、矿物成分、粒度、物理状态(如是否受力破碎)、渗透性等。性质不同的热液与围岩产生“淬火”作用后,都会使得原有化学成分、成分以及结构、构造等均遭受到不同程度的改变,在发生一定的物质交换作用后趋于达到化学平衡,从而导致围岩中部分或全部原矿物的消失和新矿物的形成。就热液而言,富含高碱和高挥发分的幔流上侵,在地壳深部熔融围岩产生碱交代作用,酸性围岩被热液熔融部分与热液中的碱中和生成盐类,随热液向上迁移,未被熔融的围岩与热液产生“淬火”作用富集矿元素形成矿脉及蚀变带;随着熔融围岩成分的不断增加和碱交代作用后碱性的不断减弱,热液的性质也由碱性为主逐渐变为酸性为主
15、,交代作用逐渐变成以氢交代(或称酸交代)为主,生成性质不同的盐。这些经不断熔融含有不同矿物质的络合体,在不同的深度层遇有一定的容矿释压空间就会侵入充填,把热液中已经熔融迁移出的矿物质带到减压区,与围岩产生“淬火”作用后生成矿脉及蚀变带,形成性质不同、含有矿物质不同的矿体。 四、有关大地电磁理论几个概念性问题的讨论 由于初建于上世纪五十年代的大地电磁理论中一些基本假定建立在对大地电磁信号认识不清的基础之上,导致后续MT物探仪的信号拾取方法、数据处理及分析方法存在难以克服的问题,使得大地电磁方法应用于勘探领域的效果大打折扣。郑州地象科技有限公司创立的MT-VCT大地电磁法与国外发明应用的大地电磁理
16、论在基本假定及应用方法上完全相悖,在此须先厘清几个概念性问题,才能客观认识介质对大地电磁的物性反映的实质。 1、国外MT法测量的天然电场和磁场来源于天上的雷电、太阳风、磁爆等形成的平面电磁波场源的假定是错误的,MT仪器基于这一假定不对地面电磁场进行屏蔽而测取信号的做法,是受干扰大、一致性差等问题的根本所在。我们在地表测量到的大地电磁场信号应该是产生于地核内部及地幔软流层运动形成的动态地磁场散发电磁波垂直向地表面辐射、穿过地壳到达地表后的电磁波剩余能量值。如果把地表之上的电磁信号都屏蔽掉、只接收地下向上辐射的携带各介质层信息的电磁波信号,就能够消除干扰、确保测量数据的真实性和一致性。 2、国外M
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