围岩蚀变与碱交代

一、围岩蚀变实质

围岩蚀变其实质是：在不同的温度和压力环境下，不同性质(酸碱度、氧逸度等)的成矿流体与围岩必然会处于不平衡状态。为了使两者之间趋向于达到化学与物理的平衡状态，必定要发生物质与能量的交换。这就会导致围岩中与流体不平衡的矿物要发生溶解，析出一些元素进入流体中，而另一些化学组分则沉淀下来，形成新的矿物。对于围岩而言，必然会涉及到物质的带入带出。

围岩交代蚀变的强度与范围，既取决于流体的物理化学性质，如活度、逸度、pH、Eh、温度、压力等，也取决于围岩的物理化学性质，如孔隙度，渗透性、裂隙的发育程度，顺层还是切层，与流体的远近，与流体化学性质的差异。流体与围岩的化学性质差异越大，围岩交代蚀变越强烈。

交代蚀变岩可以完全由新生矿物所组成，同一平衡矿物组合内各种新生矿物没有交代蚀变现象，几乎是同时形成的，它们具有变晶结构，如矽卡岩。如果原岩没有被完全交代，仍然有原生矿物残留，则具变余结构、残余结构，则可称为“化”，如矽卡岩化。矽卡岩形成的条件是岩体与灰岩的裂隙不发育，溶液只能沿接触面渗滤，而扩散作用通常作用是双方相向进行，对岩体来说，灰岩的浓度大，可通过孔隙向岩体扩散;对灰岩来说，岩浆岩中的硅、铝含量高，可向灰岩扩散。因此，在岩体边缘形成内矽卡岩带，在接触面外侧的围岩中形成外矽卡岩带(图1)。

图1 矽卡岩形成过程

蚀变作用多达60～70种，关于蚀变作用的分类，有的以温度来划分(高温、中温、低温)，有的以蚀变方式划分(扩散交代、渗滤交代和两者兼有的交代3种方式)，有的以时间划分(成矿期、成矿后)，有的以位置划分(头晕蚀变、通道蚀变、成矿前蚀变)，还有的以形态划分(面型、体型，线型)。

杜乐天先生以地球化学的观点归为两三大类：即碱蚀变、酸蚀变和中性蚀变。同时杜乐天先生认为碱交代是先导，后期中、酸性成矿热液乃是由它演化而来的，酸性溶液只起携带矿质和保证其沉淀富集成矿的作用。杜先生见解独到，也是本文引用的主要观点。

表1 热液蚀变的地球化学分类

二、碱交代基本概念

碱交代是指富含钾、钠碱金属离子的热液流体，引起岩石蚀变、发生结构和成分改变的一种地质行为。碱质交代作用的实质是内生含碱质的成矿溶液对围岩所进行的各种交代作用。在这种作用过程中，形成由碱性长石、云母、方柱石、霞石等碱性硅酸盐矿物组成的交代蚀变岩石。

杜乐天先生认为碱交代作用是所有热液蚀变中最具有决定意义的始祖性蚀变及主控性蚀变，周期表__族的常量强碱金属(如Na、K)是控制热液中所有酸性矿化剂(如SiO32—，F—，Cl—等)存在的主导因素。所有的氢交代(即酸蚀变)、二价碱土族元素交代以及三价、四价、五价、六价、七价成矿元素的活化、迁移、富集和成矿都受其控制并由它派生。可以认为碱交代作用过程是整个热液过程的主体过程。在分析碱质交代作用过程时，不仅要重视碱质交代对原岩的影响，同时也不能忽略了后期大量酸性挥发分的变化。

在许多岩矿测试手段中，薄片鉴定是最简便而有效的。第三是地球化学判别。杜乐于称王称霸提出的简单而有效的地球化学判别公式如下：

钾交代：△K2O(+)·△Na2O(一) ·SiO2 (一)

钠交代：△Na2O(+)·△K2O(一) ·SiO2(一)

钾一钠交代：△K2O(+)·△K2O(+)·SiO2(一)

△：蚀变岩中K2O或Na2O含量与原岩含量之差，正值为带入，负值为带出，绝对值大小反映带入或带出的强度。

碱交代分为高温碱交代和中低温碱交代两种类型，高温碱交代与铌、钽、锂、铍金属矿化有关，中低温碱交代与铀矿化有关。

三、碱交代一些特性

1、钾-钠不相容性

在自然界中，钠交代和钾交代是不能在热液流体中同时发生的。K十、Na十虽同为强碱金属，但在热液的水一岩反应中两者常相克，称此为“钠钾地球化学不相容性”，就派生出蚀变前后的钠一钾一钠钾在蚀变中的交替产出。这是碱交代作用中的一个重要规律。

在富Na十热液作用下，岩石中的钾质矿物就不稳定，而优先破坏分解(蚀变)。同样，在富K十热液作用下，Na质矿物就优先被交代。这种不相容性如图2所示。

图2 钾钠不相容示意图

Ⅰ—封闭系;Ⅱ—半开放-半封闭系;Ⅲ—封闭系;坐标为样品系列

当根据蚀变右石，只是钾带入增量或钠带入增量还不能确切判定是碱交代时，可以二者相对的含变化来判定之。比方，如K2O增高同时，Na2O又降低，就可准确判定这是钾交代或钾化;若Na2O增加同时K2O又降低，则为钠交代无疑。

由于K—Na不相容性，蚀变上的钾一钠一钾……波更替，可图示为图3。例如，在微斜度石化之后，往往会有晚期钠长石化随后出现;或者早期大规模钠长石化之后又有后期的微斜长石化或绢云母化出现。

图3 钾、钠波更替示意图

在碱交代岩中，有时是钾钠混合交代，好像并未显示钾钠不相容的规律。其实，镜下观察可以发现，这是钠一钾波更替前后叠加造成的假象.二者并不是同期的。由此又引伸出一个重要规律，可利用K—Na含量来判断碱交代作用系统的封闭程度。

封闭系：钾钠二者虽不相容，但不能分离，只能前后叠加。

开放系：钠钾二者彻底分离，沿深大断裂的碱交代就是如此，要么为纯钠交代，要么为纯钾交代。金矿、铀矿多属此开放系类型。

2、碱交代与硅(石英脉)析出的关系

无机化学证实，SiO2是不溶于酸性强酸性溶液的(HF例外)，它在碱性溶液中溶解迁移。因此，碱质热液交代原岩时，原岩中的硅质会被溶解进入热液中。

对于富石英的原岩，碱交代是使原岩减硅，对于无石英岩石在碱交代中反而增硅，因此，碱交代中的这种现象称为“去石英化”较合适。去石英化在碱交代中的发育程度与系统的开放程度紧密相关，封闭系统下，溶出的石英无法迁移到别处去，在岩体顶盖形成特征的石英壳或伟晶岩壳和富含石英的超酸花岗岩;半封闭-半开放系统下，去石英化发育不彻底，原岩中仍有石英残余;开放系统下，原岩去石英化最彻底，溶出的石英随热液迁移，与围岩反应生成大量硅质蚀变岩和石英脉石矿物。

3、碱交代过程中热液的变化

热液中除了存在碱金属离子外，必然存在大量酸性组分。在碱交代的过程中，当热液中Na+、K+进入固相蚀变岩石后，热液的碱性必然降低，酸性(H+浓度)增强，溶液中的酸根也将与H+形成强挥发性气体，这些气体带着被萃取出的成矿元素与酸根结合成的络合离子离开碱交代体而逸出或随热液向外向上运移。以上原碱性热液中酸性组分离开碱性组分的过程就是酸碱分离。

酸碱分离作用产生的条件是出现减压区，系统变为开放系统，在地质作用上的表现相当多样，诸如产生断裂构造、岩体接触面、矽卡岩等。携带大量成矿元素和硅质的酸性热液沿着这些裂隙运移，与围岩交代反应形各种酸性蚀变岩和硅质脉体，统称酸体。

四、碱交代作用与金属成矿关系

1、国内外碱交代的研究

上世纪50年代前苏联铀矿地质的研究。乌克兰地盾基洛夫铀聚集区共有20余个钠交代型铀矿床，钠交代作用沿碎裂岩化带发育，交代了花岗岩、混合岩、片麻岩中的所有构造岩。铀矿化与钠交代作用十分密切，铀矿体均产于钠交代岩体中，钠交代最发育的地段也是矿化最富的地段，铀的成矿温度比一般热液铀矿床成矿温度稍高，矿前期为300～320℃，铀成矿期为200～300℃(Dahlkamp，1993)。

胡受奚等(1962)深入研究钨矿碱交代作用的空间分布规律，提出石英脉型W、Sn、Be、Nb、Ta、REE矿床上硅下碱的垂向分带模式。

2、碱交代与金属离子析出的关系

Na+、K+是自然界最强的碱金属，它有破坏、改造、交代其它所有矿物的强大能力。凡是二价金属元素(例如Fe2+、 Ca2+、Mg2+、 Sr2+、 Ba2+、Co2+、Ni2+、 Pb2+、 Zn2+、 Cd2+、 Mn2+、 Cu2+等)基本上都是碱土弱碱性反应，在强碱溶液中凡是含上述二价金属的矿物和岩石都不稳定被交代，其中的二价元素即转入溶液迁移带出。这才有下一步的众多二价元素的热液蚀变及脉充填或成矿(例如绿泥石化，碳酸盐化，萤石化，硫化物等等)。另外，诸如三价离子(如Fe3+、Cr3+、Al3+、REE3+等)，四价离子(如C4+、U4+、Th4+、Ti4+、Sn4+、Zr4+、Hf4+等)，五价离子(如Nb5+、Ta5+、V5+等)，六价离子(如U6+、Mo6+、Re6+等)以及一价的Tl+、Au+、Ag+等，在热液中主要是以络合物(Mn+Axm一)的形式进行迁移，其中M代表碱金属离子，这说明溶液中碱金属浓度越大越有利于这些高场强元素的络合和稳定迁移，这正是一系列微量元素只有在碱交代热液中才大量浸出和迁移的重要原因。只有在碱性热液中才能从被碱交代的原岩中萃取浸出、迁移。成矿元素经碱交代作用的影响被大量萃取进入热液，因此，碱交代岩是矿床中提供矿源的重要地质体，矿源提供的量与碱交代岩的发育规模和强度紧密成正比。

当热液中碱性降低，酸性增强，这才过渡到硅化、氯化、氟化、碳酸化、磷酸化、硫化、砷化、硒化、碲化、硼化等蚀变。没有前期的碱交代，就不可能有以后的这些酸交代。而成矿恰恰是发生在碱性热液被酸化之后的酸尾演化阶段。

不错，酸浸出、酸交代作用同样也可以活化、释放许多成矿元素和提供矿源。但其范围、规模远不能和碱交代作用相比。火山作用的酸浸出酸蚀变脱离不开深部的大规模长石化、云母化碱交代。

3、碱交代作用成矿模型

碱交代作用可总结为两大阶段：前期碱带入，后期酸迁移，硅和矿质均在酸迁移之中，硅和矿质均在酸迁移之中。杜乐天将热液作用成矿过程和其基本规律概括为：酸碱分离―先碱后酸―下碱上酸―下碱上硅―下碱上矿―矿酸同步迁移―同步定位―同场共聚。这一规律的总结使得碱质交代具有很大的找矿意义，碱质交代现象本身甚至可以作为找矿标志来看待(图4)。

在矿床平面上的蚀变水平分带，内部为碱交代岩，向外过渡为中性蚀变，最外为酸性蚀变。如果其中有晚期石英脉叠加贯入，则此舰律就不明显。

在垂向上或剖面上的蚀变分带的规律为：碱交代体总是出现在较深处(在矿床的根部)，向上逐渐为弱碱性和中性蚀变(Ca，Fe，Mg交代)，最上为酸性和强酸性蚀变场。

图4 热液金矿床碱交代成因模型(点为碱交代区)

(据杜乐天，1989，充实)

五、实例

1、斑岩性铜矿床(钾核)

成矿环境：矿床的形成与板块俯冲过程中钙碱质中酸性岩浆的高侵位斑状侵入体有关，矿床形成于地壳浅部，成矿温度属高-中温。

含矿岩体：钙碱系列的小型(多<1km2)中性及中酸性复式岩体。岩石类型多为花岗闪长斑岩、石英二长斑岩、石英闪长岩，可见闪长岩、石英斑岩、花岗斑岩。岩体形状为岩株状、岩筒状，可见岩墙状、脉状。

矿体特征：产于斑岩体上部、边部及内外接触带附近。常见的矿体形态有柱状、筒状、板状(全岩矿化)分布于斑岩体的上部，呈环状产于岩体的边部或成脉状、凸镜状沿裂隙带分布。

矿石矿物组合：从中心向上向外矿化从钼(铜)矿化→铜(钼)矿化→铅锌矿化→金矿化。

矿石结构构造：从斑岩体中心向上、向外，矿石及矿化类型从浸染状 → 细脉浸染状 → 细脉状 → 脉状

围岩蚀变：从岩体中心向上、向外，蚀变类型从钾(钾长石、黑云母)化带→石英绢云母化带→泥化带→青盘岩化带，铜的矿化位于石英绢云母化带。

钾核的意义：钾核一般矿化较弱，从碱交代角度讲，具有重要意义，完全符合：“内部(/根部)为碱交代岩，向外(/上)过渡为酸性蚀变”。(图5)

图5 斑岩型铜(钼)矿床的成矿模式(据芮宗瑶等人，1995)

①基底岩石;②火山岩;③泥沙质岩;④碳酸盐岩;⑤泥质岩;⑥深成岩基;⑦浅成斑岩体;⑧爆破角砾岩筒;⑨带黑点的范围表示斑岩型铜钼矿化;⑩矽卡岩型矿化;⑾钾化带底界;⑿绢英岩化带底界;⒀青盘盐化带底界;⒁青盘盐化带顶界;⒂上升岩浆流体;⒃循环天水

2、河北水晶屯金矿(上硅下钾)

水晶屯金矿位于崇礼一赤城韧脆性剪切带南侧的拆离带上，是石英脉型金矿。

矿区出露地层简单，主要为太古宙桑干群化家营组浅色麻粒岩和涧沟河组暗色变粒岩。矿区内虽未见侵人岩体，但断裂及构造裂隙发育岩浆热液产物长英质岩脉及含金石英脉。水晶屯外营一黑林山断裂为矿区主干断裂，近EW向展布。矿区内断裂构造十分发育，按其方向可分为近EW、近SN、NW向3组，控制着不同走向的含金石英脉。

Ⅱ矿脉近SN向，长近700米，延深大于300米，具有典型上硅下钾特征。

Ⅷ矿脉位于矿区北部，近EW向，矿化带长大于1600米，呈尖灭再现，复合分支，矿化强的地段硅化蚀变强，矿化弱的地段钾化强硅化弱。总体来看具有东硅西钾的蚀变特征，西部矿化强度弱于东部。

 图6 河北水晶屯金矿床模型