成矿物质的“反重力”迁移

如题所述

地球是太阳系中一个不断演化着的行星,从地球开始形成伊始,组成地球的各种化学元素在地球应力场的支配下不断按其自身的特征在演化分异着。近百年研究表明,在组成地球的三个圈层中,元素周期表中的自然元素总体演化趋势是放射性元素、卤族元素、稀有元素、稀土元素及碱金属元素等向上运移,主要向地壳聚集;而贵金属元素、有色金属元素、铁族元素、铂族元素等比重较大的元素有逐渐向地核聚集的趋势(表6-1)。

从理论上来说,地球上贵金属、有色金属、铁族、铂族元素等比重较大的元素应在地球形成时趋向于地球核部集中,上、下地幔中元素的含量并不高,而实际上地球表面(或近地表)又有大量此类矿床形成。造成这种理论和实际不一致的原因应归因于这些元素本身的地球化学性质和地质构造及地球运动机制等因素。

一般情况下,地幔具有一定的可塑性,而金等成矿物质具有往下沉的趋势。只有当核幔界面热扰动特别大、温压条件高到足以突破核幔界面的限制形成规模较大的地幔热柱时,这一过程才能得以实现。这种过程多发生在核幔界面能量积累的高峰期,在热扰动作用下,核幔界面起伏加大。外因条件则是地球之外的中长期天文因素影响较大,潮汐形变使地壳的扁率、地幔的扁率和地核的扁率周期性的发生变化,从而使地壳的容积、地幔的容积和地核的形状周期性地发生变化,导致地核中的流体、核幔边界积累的能量快速冲破核幔界面阻力,形成沿不同深度的贯通裂隙或构造薄弱带向上喷射(溢)的地幔热柱。与此同时,下地幔热柱、上地幔热室,甚至软流圈岩浆源都可能形成不同层次的上升地幔热柱,成为地幔热柱强烈活动的高发期。也正是在这种高温高压控制下的地幔热柱喷发时,由于深部温压条件高,加之天文因素构成较大潮汐力激发的共同作用下,才能实现地球深部重物质,甚至重金属元素克服重力分异作用,实现“反重力”迁移作用发生,并形成较大面积的溢流玄武岩和大规模的构造岩浆活动,同时必然夹裹一些成矿元素进入浅层地表,在有利的构造扩容带中聚集成矿。当然,这种反重力作用并非是成矿元素固有的,而是被地幔热柱活动裹挟所致。即金、银等贵金属、重金属元素是被动地向上迁移,而非主动行为。

表 6-1 地球及各圈层部分元素分布及特征

注:卤族元素的密度单位为 g/L。元素含量据黎彤,1976; 元素特征据 H.J.勒斯勒,1972。

另外,成矿元素本身的特性对其的赋存状态和迁移形式具有非常重要意义。例如铁镍等元素,不仅其比重较大,而且熔点和沸点亦高,所以成为主要成核元素。铜、铅、锌、金、银等元素,尽管其比重也较大,但其熔点和沸点较低(表6-1),也容易进入迁移状态。

以金为例,依据金的非专属性、金的特性及金的原子构型,推测99%的金都集中在地核之中(表6-2)。据最近估计,地核边缘的温度约4000℃,压力可能达135GPa;地心的温度为5500~6000℃,地核中心物质密度达到13g/cm3,压力可能超过329GPa。在如此高温高压环境下,金元素只能以气体状态存在。这种以紫色气体状态混合于铁镍之间的金(杨学祥等,1998),在强烈的外核对流及核幔差异旋转过程中,大量的金蒸气聚集在核幔界面附近,一旦由于天文因素激发或地内因素扰动,地核物质便可穿越核幔界面,以地幔热柱的形式向地表喷溢,金蒸气亦必然作为地幔热柱的组成成分呈反重力作用一起向上运移。当金蒸气到达地幔软流圈时,一部分金蒸气变成液态,形成气-液混合相,与地幔中的甲烷类物质(CH4)等一起,随地幔热柱多级演化继续向上运移。

表 6-2 金、银在地球各圈层的分布特征

这种气相金在遇到幔源深断裂、与岩浆一起上涌时,占混合相2/3的气态金将进入到塑性软化的围岩之中,1/3的气-液混合相金与岩浆一起进行分异作用。在分异过程中,液态金在地表淡水作用下,可直接变成固态金;而在地表咸水(海水)作用下,往往以配合物的形式迁移,直到当有淡水或细菌(生物)等因素作用时,才开始聚集成固态金。因此,金的运移状态可概括为:

金的主要来源:地核

金的存在状态:紫色气体→气-液混合相→含矿(金)流体→固态金

金的迁移形式:地幔热柱→地幔亚热柱→幔枝构造→构造扩容带

金的运移途径:地核→D″层→下地幔→上地幔→岩石圈→地壳

金的成矿过程:构造变形→岩浆活动→蚀变作用→成矿作用

当然,金的最终成矿作用也明显受活化剂(水、溶于水中的卤盐、硫、硫化物、二氧化碳等)、活化环境(温度、压力、pH值、Eh值、杂质离子)等(能量场)的控制。

银、铅、锌、铜也有类似的特征。

Ganapathy等(1974)、Kimura等(1974)、Mason(1966)等研究者用不同方法估算出的丰度值也基本相近。这就更证明了金、银等金属元素以深部来源为主的推断。而变质岩、岩浆岩等不同类型的赋矿岩系提供的矿质仅仅是成矿物质的一部分。这也与很多大中型矿床地球化学的测试表明成矿物质以深部来源为主的结论相吻合。

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