矿石沉淀过程与矿物生成顺序的地球化学实质

（一）矿石沉淀过程的地球化学实质

地质条件下的矿石矿物和脉石矿物沉淀（析出），如果将它视为一个化学反应过程的生 成物，则需要回答这个沉淀过程是如何发生的，即化学反应进程方向是单方向进行的，还是 存在有再溶解和再沉淀过程、在其过程中氧化还原反应的完全程度如何、是否有过饱和含矿 流体直接热动力的驱动下发生沉淀。这些问题都值得深思。

在热液生成物沉淀过程中，最重要的条件是要存在有热液流通的系统和热驱动的含矿 流体上升到沉淀反应空间，其中起最主要作用的是热，因为热液流动的系统是由于地壳中的 热异常，在热传导和流体对流使异常热发生扩散下而产生。所以，矿石沉淀过程中所发生的 热交代与流体流经构造变形破碎岩石的方式都与中心热源传送分不开。因此，热液铀矿床 形成的环境必须具备一个能够让流体流通循环的动力系统和一个表现有来源于深部热作用 的标志。前者是构造动力作用将不透水的岩石变为能使流体流通和循环的空间，后者是流 体势能场的存在，这就是热点活动与铀成矿关系的重要性所在。

显然，热驱动是流体产生沉淀的先决条件：即流体势能场的必备性。另外，热又是携带 成矿物质的重要条件，许多元素化合物是随温度升高，而溶解度变大。这样在温度高的条件 下，热液流体中溶解的不饱和的元素化合物，在进入构造循环系统中时，由于温度降低，热液 流体由非饱和转变为过饱和，这就是成矿物质发生沉淀的原因之一。另外，在深部高温的流 体，由于压力大，溶液的pH值变得低一些，当进入构造循环系统中，压力降低，使流体的pH 值升高，也是流体中成矿物质发生沉淀的又一原因。如果从热的变化角度讲：热是流体运移 的驱动力、热又能改变流体溶解能力，热还能使流体性质（pH）发生转变。因此，自然界有些 矿石矿物沉淀并不一定是化学反应的产物，而是热驱动下非饱和流体进入构造循环系统时 就可发生沉淀。这种现象在实地考察中不只一次发现单一的沥青铀矿充填于花岗岩的裂隙 中，两侧既无其他矿物伴随沉淀，岩石也没明显变化。这种不伴随蚀变反应的沉淀现象，我 们将它称之为非反应场沉淀，既然有非反应场沉淀必然就存在有反应场的沉淀。

任何一个化学反应的生成物发生必须是这种生成物在流体中的阴阳离子数的乘积大于 该化合物的溶度积。如果流体中这种化合物的离子乘积小于自身的溶度积，它就不能发生 沉淀，相反已经沉淀的化合物要与流体达到新的平衡，溶解就要发生。显然在热流体活动地 质条件下，这种再溶解的现象应该是有存在的可能，但要判断和识别这些现象是困难的。

在铀矿床中可以发现有的矿床铀含量高，有的铀矿床铀含量低。从工业利用来讲，找寻 富矿当然是目标，但是从地质成矿过程来讲，富矿是存在于贫矿之中，而贫矿在某种意义上 讲它又是富矿存在的指示标志。在有的富矿研究报告写到沥青铀矿沉淀多就是富矿，显然，这种结论只是现象的总结，没有回答为什么沥青铀矿沉淀多，或者是沥青铀矿在什么条件下 会快速和大量沉淀。

从化学反应的角度来讲，化学反应的速度是反应进程的快慢，这种反应进程可以用单位 时间内流体浓度降低的多少来表示，即U＝ΔU/Δt

其中U为反应速度，ΔU为流体中铀浓度变化，Δt为反应时间间隔。

所以反应生成物越多流体浓度降低越快，反应进程速度也越快。另外如果反应的时间 越长，在同一速度下生成物也越多。因此从化学反应角度来分析铀成矿作用要达到快速和 富集，必须具备以下条件：

温度：一般来讲大多数化学反应都是随着温度的升高而反应速度增大。根据大量的化 学反应速度与温度试验结果得出一条近似规律，即如果反应物的浓度恒定，温度每升高 10℃，反应速度增加1～2倍。可见温度是反应速度增加的重要条件；

浓度：在一定温度条件下，增加反应物的浓度可以加快反应速度，增加浓度的实质是增 加流体中反应物中的活化分子数。这样就增加了单位时间活化分子的有效碰撞的次数，从 而导致反应加快；

时间：在温度和浓度恒定的情况下，延长反应物供给的时间是增加沉淀物的重要条件。这就是说在地质条件下必须具备流体供源的稳定性和连续性，这是保证成矿富集的基本条 件。所以在延长供热和供源的时间条件下，热活动频繁和叠置的部位是成矿的优选部位。

除了化学反应条件之外，在地质环境中最重要的条件是构造循环系统的优良。在这样的条 件下，若温度、浓度、流体供源又都很稳定，这时构造循环系统是铀矿富集的不可缺少的要素。

从化学基本原理上能成立的条件，在地质实地考察中如何来判别，这是研究工作成果实 用性最重要的方面。判别铀成矿富集的基本地质依据有以下几点：

（1）识别成矿的构造循环系统类型和流体循环条件的优劣；

（2）构造变形岩石空间分布范围；

（3）岩石的交代蚀变的演化和交代强度、能力和方式；

（4）热源（包括岩浆和热流体生成物）在空间上叠置类型和热中心的确定；

（5）高、中、低温元素群的叠置区的选择。

（二）矿物生成顺序的地球化学实质

矿物生成顺序应该包括两方面的含义：一是指同一矿化阶段沉淀过程中多种矿物结晶 析出的先后；二是指在同一矿化阶段的沉淀过程中多次结晶析出的同种矿物。

多种矿物结晶析出的先后顺序，其实质反映热液流体中的不同反应生成物的饱和程度 不断地更替变化；而多次结晶析出的同种矿物，则反映饱和溶液的沉淀速度和沉淀条件的变 更。因此，我们认为研究矿物生成顺序的最终目的，是通过沉淀顺序来分析热液流体发生沉 淀的地球化学条件，而不只是简单地编制一个矿物生成顺序图表。

矿物生成顺序既是热液流体物质组成、物理化学条件变化的反映，又是矿物结晶沉淀发 生原因的指示。因为在同一阶段热液流体在结晶沉淀过程中，由于构造环境不断变化，化合 物从热液流体中析出，热液流体的组成和性质是在不断地变化。因此，不仅先沉淀的矿物和后 结晶的矿物会发生明显的变化，即使是单一的组成热液流体，从热液流体中的结晶沉淀的同种 矿物，其结晶状态和结构也会发生变化。因此，矿物沉淀顺序它可以是供源热液流体性质的不 同，也可以是同一热液流体在沉淀结晶过程中，热液流体组成和性质不断变化的反映。

对于铀矿化期来讲，矿物的结晶沉淀顺序则是一个热液沉淀阶段中不同矿物或同种矿 物多次结晶现象的先后关系，这些关系在矿物组合一节中已经涉及，在此简要地讨论一些典 型的矿物生成顺序来反映热液流体地球化学条件的变化。

1.同种矿物多次结晶沉淀

同一矿物成分多次沉淀结晶现象，在热液铀矿床中是一种常见现象，如脉石矿物中的石 英带状沉淀现象，方解石脉结晶粒径变化和萤石的带状析出现象。在金属矿物中最常见的 黄铁矿结晶粒径和集合体形态的变化，都是在同一结晶沉淀过程中，由于结晶时的环境、热 液流体中矿化物质浓度和沉淀速度发生变化引起。一般的情况下，都是先结晶沉淀的矿物 粒径较细，逐渐向结晶粒径变粗的方向发展。这种结晶生长现象，有时还可以发现先结晶沉 淀的矿物结晶纯洁度不如后结晶沉淀的矿物，特别是在石英生长沉淀现象中常可以见到。因此，同种矿物成分在裂隙空间上的结晶生长情况可以提供以下地球化学信息：

（1）结晶沉淀时的沉淀环境信息。当热液流体进入构造裂隙时，如果是动态条件时，矿 物结晶多是细粒的，矿物粒径不均一，矿物中的混入蚀变矿物微粒较多。若在静态条件下，则矿物结晶有序发展，从细到粗最后向自形晶发展，矿物纯净；

（2）结晶时的浓度变化。由于矿物不断的结晶析出，热液流体中的这种矿物组分的浓 度不断降低，结晶速度降低，结晶中心减少，矿物的结晶粒径变粗，矿物洁净度提高；

（3）同种矿物结晶的情况下。也会出现短暂的热液流体组成变化，这时在它的短暂的 生长间隙中会出现其他的矿物呈带状分布。如柱状石英生长过程中，先生长结晶的石英中 其间隙中有较明显的细分散粘土矿物沉淀，在其后生长的一定阶段的石英间隙中又可以出 现等间距的带状分布的伊蒙混层粘土矿物集合体（图版9-1）。石英沉淀与粘土矿物的关 系有以下几种现象：

1）细晶石英析出同时，石英颗粒本身捕获了较多的粘土矿物；

2）细晶石英其间夹杂有围岩蚀变的伊蒙混层粘土矿物和绿泥石；

3）呈对称生长的石英脉，石英粒径从细到粗的生长过程和生长间隙中，有呈带状分散 的伊蒙混层粘土集合体；

柱状石英生长过程中可以反映出石英发育的3个世代：即粘土、粒状结晶石英混合沉淀 带、柱状石英生长发育变化带（粘土呈带分散于石英中）和等粒结晶石英带。这种变化是流 体中SiO₂浓度和结晶速度变化的反映。

2.矿物的交替沉淀现象

两种矿物的交替沉淀的现象，在下庄矿田中是多见的地质现象：石英-沥青铀矿-石英- 沥青铀矿、黄铁矿-沥青铀矿-黄铁矿-沥青铀矿、石英-方解石-沥青铀矿-方解石-沥青铀矿、石英-萤石-石英-萤石等交替结晶沉淀（图版9-1、9-2）。这种沉淀现象反映了热液流体 中化学组成过饱和状态的更替转换。也就是说，热液流体中组成不是单一的，不同的化合物 是受其自身的溶度积支配的一种沉淀结晶现象。例如在石英、沥青铀矿结晶沉淀过程中可 以产生多世代沥青铀矿沉淀，而晚世代沥青铀矿规模明显变小。

同样在方解石和沥青铀矿结晶沉淀过程中也出现多世代析出过程（图版9-3）。沥青 铀矿沉淀发生在大量方解石结晶沉淀之后，方解石晶簇生长之前，沥青铀矿与方解石组成不 规则网状共沉淀结晶。方解石结晶后，出现规模较大的肾状沥青铀矿沉淀。大量沥青铀矿 沉淀后可以出现方解石、沥青铀矿互沉淀现象，然后又析出方解石。从这种现象可以得出热 液流体中的介质组成有UO₂和CaCO3溶质。因此，它们的互沉淀是热液流体中两者的溶度 积更替达到过饱和的地球化学标志。

3.多种矿物沉淀时出现的过渡转化现象

这种沉淀现象的特点是，一种矿物结晶沉淀向另一种矿物结晶沉淀转变过程中，会出现 一个混生沉淀的过渡带现象。如黄铁矿与沥青铀矿交替沉淀过程前会出现石英、黄铁矿混 生带（共沉淀带）（图版9-4）。方解石与沥青铀矿交替沉淀过程前会出现方解石、沥青铀矿 混生带。这种现象是一种动态沉淀向静态沉淀转变的热活动过程，也是过饱和状态变化过 程，即流体开始处在两种化合物都达到不同过饱和状态的动态沉淀条件，出现混生沉淀，其 后一种化合物仍处在过饱和状态，沉淀是在静态条件下发生，当这种化合物小于其溶度积 时，被另一种达到过饱和状态的化合物代替。

4.两种方式的沥青铀矿聚沉

沥青铀矿既可以呈球粒密集浸染于含粘土微石英或角砾内部，又可以呈胶状镶边于角 砾周边。这种聚沉现象的特点是：球粒状沥青铀矿沉淀于石英间隙中分散的伊蒙混层粘土 之中，胶状沥青铀矿又围绕角砾呈镶边沉淀（图版9-5）。这种沥青铀矿析出的过程并无其 他金属矿物伴随。这种现象说明，热流体可能是高温饱和的单一UO₂流体，导致在沉淀场 条件下，铀二氧化物是凝胶聚沉现象。分散球状沥青铀矿，是发生在相对低浓度下，以凝胶 晶粒生长为主的扩散沉淀；围绕角砾沉淀的沥青铀矿是聚合作用大于晶粒生长条件下发生 凝胶聚沉现象。

5.对称脉状梳状石英间隙中沥青铀矿沉淀

对称脉状梳状石英生长是在细粒集合粒状石英沉淀后，再发育生长出梳状石英，而在梳 状石英顶端锥面上又断续沉淀的沥青铀矿和方解石或石英（图版9-6）。这一现象说明梳 状石英晶出后，热液流体组成中SiO₂处于非饱和状态，而沥青铀矿和方解石组分则在流体 中呈过饱和状态，从沉淀顺序上应该是石英-沥青铀矿-方解石过饱和状态互相转化的沉淀 过程（图版9-7）。

6.多种矿物混生的快速沉淀

在下庄矿田的灰色、红色、灰黑色和黑色的细晶石英中都含有分散的粘土矿物、萤石、针 铁矿、沥青铀矿、黄铁矿等硫化物的混合沉淀生成物。这类热液流体沉淀现象，应该是在热 液流体中多种元素化合物都处在过饱和状态，在动态环境下，出现的快速共沉淀的现象。

从上面列举的一些矿物和各种沉淀形式的生成顺序可以总结以下几点认识：

（1）从地质现象看，矿物生成顺序是一个时间序列中发生的不同矿物从流体中结晶沉 淀过程，如果从化学反应过程看，这些矿物的析出是遵守热液流体沉淀的化学基本原则的，即按阴阳离子乘积大小依次沉淀，它是热液流体各种离子浓度变化的信息；

（2）铀成矿热液流体中矿物质发生沉淀，可以划分两种沉淀方式，矿物共沉淀方式和矿 物相互交替转化沉淀方式（图版9-8）。矿物共沉淀方式可以包括各种细晶石英析出的过 程。它们的特点是石英发生快速沉淀时，并伴随有粘土、针铁矿、沥青铀矿、黄铁矿、白铁矿、方铅矿的析出。而矿物相互交替转化沉淀方式包括有：

1）石英和其他金属矿物形成组合沉淀时，都是始于石英，而结束于其他金属矿物；

2）单一沥青铀矿发生时，往往是以球粒分散或网状沉淀开始，然后是块状聚集，结束时 又以球粒分散或不规则状分布（图版9-9），这种结晶沉淀现象应该是含矿热液流体中铀浓 度和沉淀速度变化的指示；

（3）在石英-沥青铀矿胶体沉淀系列中，往往会出现铀石。作为硅酸铀的化合物——铀 石，它不出现在大量石英和沥青铀矿沉淀过程中，而发生在大量二氧化硅沉淀结束尾声，大 量沥青铀矿聚沉开始，或者是大量沥青铀矿沉淀结束之末，新的石英沉淀开始之时。这一现 象严格记录了铀石的地球化学环境和流体必须具备的U^4＋和Si2＋的浓度比。