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膨润土矿是如何形成的

    今天为大家简单的介绍一下膨润土矿是如何形成的。
一、膨润土矿的形成条件
1.成矿母岩 已有资料表明,形成膨润土矿的母岩条件并不严格,各种由铝硅酸盐矿物组成的岩石在适宜的地质营力条件下均可转化为蒙脱石(膨润土),但常以富含火山玻璃质的岩石易转化成矿。其母岩的化学成分主要是属钙碱性系列,从酸性的流纹质到基性的玄武岩皆有。常见的岩性有珍珠岩、黑曜岩、流纹岩、粗面岩、英安岩以及火山碎屑沉积岩。这类岩石所形成的矿床数约占全球的4/5;全国的3/4强。此外,尚有沉积岩型膨润土,它们或是由沉积粘土在沉积、成岩期转化为蒙脱石粘土(岩),或是由硅、铝凝胶沉淀凝聚而成矿。
2.地质构造条件 我国膨润土矿床的主要类型为火山岩型、火山——沉积岩型、沉积岩型三大类。它们赋存于负向火山构造盆地、火山——沉积盆地以及沉积盆地中。这些构造盆地的发生、演化和萎缩受大地构造的控制,是大陆地壳进一步分异和一些地壳块体相对运动的产物。这当属膨润土矿床的成矿条件的宏观控制。构造条件对膨润土矿成矿控制作用具体表现在以下几方面。
 ⑴地壳(构造)运动既是产生成矿物质堆积的场所(断陷盆地、拗陷盆地),又是矿床(或含矿岩系)形成后被保存(或破坏)的条件。构造运动的本身常伴随岩浆的喷发、喷溢活动,为后山岩型和火山—沉积岩型矿床提供了成矿物质。火山活动是此两类矿床形成的先决条件,绝非是唯一条件,成矿还受其它条件的控制。我国最强烈的地壳运动,莫过于燕山期,而伴随着的岩浆喷发、喷溢也是地史上最强烈,波及整个中国东部地区(环太平洋西带),我国主要矿床类型的赋矿盆地多数产于侏罗、白垩纪,且发育于东部。 地壳稳定的构造条件,有利于淮北平原化,长期的风化——剥蚀——搬运——沉积,对沉积岩型膨润土矿提供了有利的成矿条件。我国四川三台地区、湖南澧县、广西宁明等矿床都是在稳定的构造条件下,在淮平原化的基础上形成的沉积岩型矿床。如广西宁明特大型矿床产于燕山运动末期的断陷盆地中,由于长期处于稳定的下沉条件,沉积厚达1400m的第三系膨润土的含矿岩系。膨润土的成矿物质来源于早,中三叠世的中酸性火山熔岩和部分泥岩和粉砂岩。
⑵断裂构造不仅控制了断陷盆地的大小,而且对成矿有直接的控制作用。其主要表现在以下几方面。 •成矿前的断裂,常作为地表水下渗的通道,致使火山玻璃、铝硅酸盐矿物向蒙脱石转化。 •成矿后的断裂,常表现为由于地质环境的改变导致水化学条件的变化,引起膨润土的自然改性以致蒙脱石向其它粘土矿物转化。 •断裂也可能成为成矿母岩(超浅成脉岩)充填的场所。这对侵入岩型的膨润土矿床的规模、产状无疑起了一定的控制作用。
二、建造(岩性、岩相)条件 膨润土的含矿建造是一套沉积岩系(含煤岩系、含膏盐岩系、杂色红色岩系……火山—沉积岩系和火山岩系)。其岩相有浅海相、滨海相、泻湖相;不同矿床类型其建造、古地理等对膨润土矿床的控制作用也是有差异的。 火山岩型和火山—沉积岩型矿床,若成矿物质堆积在水盆地中,当成矿物质来源丰富则矿床的规模明显受湖盆的大小所控制。火山物质的水上堆积和水下堆积影响其晶化程度。火山物质堆积在水下,促使岩浆冷凝呈玻璃质岩石,结晶程度甚低,有利于玻璃质在水的作用下解体向沸石、蒙脱石转化;水上部分常具一定结晶程度的熔结凝灰岩类的岩石,在成矿作用过程中解体、转化较水下者困难得多。火山岩型膨润土矿床矿层的底板极大部分是水成沉积岩类。这足以说明矿床形成水盆地环境是一个重要的条件。 产于沉积岩系中的粘土岩型矿床,建造类型差异很大。既有产于煤系与煤共生的膨润土矿;又有产于膏盐地层与石膏共生的膨润土矿。这并不是说沉积建造类型对膨润土没有控制作用,而只能说明不同建造中膨润土的成矿作用不同。
三、水和水化学条件(成矿介质条件) 粘土矿物和粘土矿的形成,水是最积极、最关键的因素——“粘土”依赖水而产生,也依赖水而转化。在膨润土的成矿作用过程中,水的作用主要表现在以下几方面。
1.水化学条件是蒙脱石产生的直接条件 酸性介质利于高岭石族粘土的形成,而蒙脱石的形成和保存需要碱性介质环境。火山玻璃、铝硅酸盐矿物。它们在水介质作用下水解、水合形成蒙脱石。显然,原始物质的水解是蒙脱石形成的第一步,而这种水解是通过对原始成矿物质的溶蚀作用才能解体的。蒙脱石形成的初始阶段,应该是偏(弱)酸性的水介质。由对火山玻璃等物质的反应开始,随着成矿物质的解体,碱、碱土金属的溶出,介质呈碱性,利于蒙脱石的形成。因此,蒙脱石的形成的主要形式之一,是一个酸碱反应的过程。随着酸碱反应的延续,就产生了膨润土的矿层(体)。其规模、大小与酸碱反应的速率和延续时间成正比。
2.补水和排泄条件 成矿物质在水介质中,首先,碱和碱土金属被置换溶出,由偏酸性逐渐变为碱性。随着PH值的提高,Si4+、Al3+亦将获得释放和SiO2、Al无定形分子的产生,然后才能有蒙脱石(层状铝硅酸盐矿物)的结晶。而在这水解、水合过程中,只有当偏酸性水的不断补给,以促使成矿物质的不断分解;而无定形的SiO2、Al两者的匹配,又需要一定的碱性水的排泄条件,使得补给与排泄保持在一个动态平衡状态。不少研究者认为,膨润土不可能在封闭系统中或在充分开放的系统中形成。只能在以中—弱酸性为主的水介质能不断提供较多的水与成矿物质反应,又能在蒙脱石生成反应过程中的剩余物(如SiO2胶凝)被排泄的环境中形成。
3.水介质对膨润土的保存条件 蒙脱石系准稳定矿物。它对水化学条件的敏感性特别强。因此,膨润土在其成矿过程或成矿以后,随着地质条件(温度、压力)、水化学条件(PH值、阳离子浓度)的变化,其属性、属型也发生变化;或产生与其它二八面体粘土矿物有序和无序间层;或蒙脱石向其它粘土矿物转化。因此,可以发现所有膨润土矿床均有属性分带、间层矿物和其它粘土矿物。我们所说的水介质对膨润土的保存条件,实质上就是要有一个适合于蒙脱石保存的稳定环境条件。这个条件,起码是膨润土矿层(体)不受酸性水介质的侵蚀。
四、膨润土的成矿作用 自然界膨润土矿的形成有自生作用、继承作用和转变作用三种方式:
1.火山玻璃向蒙脱石的演变机理 火山玻璃可以认为是非晶质过冷却的铝、硅质的固态液相,在漫长的地质历史中,其必定朝着脱玻结晶方向演变。当处在无水环境中,它将 演变成云母类、长石类、方英石、鳞石英等稳定矿物;处在有水介质中,经水解脱玻,向沸石类、蒙脱石矿物或高岭石、埃洛石类矿物转化。 自然界火山喷发(溢)迅速冷凝而成的火山玻璃以两种形式产出,一是玻璃熔岩,如珍珠岩、松脂岩、黑曜岩;二是玻璃碎屑(包括撕裂状玻屑、各种塑变玻屑及灰屑等),它成岩后构成火山碎屑岩(融积岩、熔结凝灰岩、凝灰岩、沉凝灰岩类等)的基本组分。这些火山玻璃向蒙脱石的演变,美国学者布拉特等提出一个简化的通式: 玻璃+水——蒙脱石+沸石+二氧化硅+溶液中的金属离子 并认为形成的步骤特点是:
⑴从玻璃中析出阳离子,以及他们它们被氢离子取代;
⑵残余的无序的硅铝格架的分解;
⑶格架重建为粘土矿物,大部分为蒙脱石;
⑷从富含阳离子的孔隙溶液中生成沸石;
⑸过剩二氧化硅的迁移或者沉淀作用。 通过我们对膨润土矿床地质特征研究认为,我国膨润土矿床的成矿作用过程,应该是沸石类矿物形成在先,蒙脱石在后,而不是相反。
2.火山玻璃演变的第一阶段——沸石类矿物的产生 水解作用的第一步是脱玻。玻璃在水介质中,首先是水合氢离子对其的溶蚀,碱和碱土金属的溶出,使介质H+活度逐渐降低,由弱酸性变为碱性,随着PH值的提高,Si4+、Al3+等也将从玻璃中获得释放,正负离子要结合,最先是产生硅氧四面体,紧接着四面体与八面体按一定的几何形态结合,形成晶格,这时介质中的碱、碱土金属离子必然要进入晶格;六次配位的铝,在PH值>10的环境中部分将改成四次配位而异价类质同象置换了四面体中的硅,产生了负电荷,这正好吸收Na+、Ca2+进入晶格使电荷趋于平衡,同时相应地扩大了四面体体积,形成含水的架状结构的高硅沸石类矿物。火山玻璃向高硅沸石的演化,几乎不需要外来元素离子 的带入。反应如下: 在火山玻璃向高硅沸石的演变过程中,有剩余的+SiO2和Fe2+ ,剩余的多少,决定于火山玻璃的化学成分(含岩石的酸碱度)。因此在沸石矿体内很少见有石英质类的细脉。至于Fe2+ ,是沸石所不需要的,在氧化条件下很快向Fe3+转化,以水针铁矿渲染在沸石的表面。因此,不少矿床的沸石集合体呈现砖红色。 火山玻璃内部原子重新组合而成的高硅沸石是由能量较低的四面体五员环和六员环组成,是一种易晶化的构造。沸石形成时体积显著增大,它反应了一个体积膨胀效应,因此沸石形成时,较大的围压是个不利因素,所以深埋的火山玻璃质岩石,不利于沸石的产生。相反那些由于冷缩产生负压而具有珍珠裂隙的岩石或具有孔隙度较大的富含火山玻璃碎屑的碎屑岩,就较容易沸石化。由于火山玻璃的不稳定型,其向沸石的转化应是处于浅埋成岩不久或沉积期。那时,外部压力小,有利于四面体、八面体体积的增大。 沸石类矿物的形成,需要强碱的环境(PH>8~12),以保证足够的Na+、Ca2+离子进入晶格。火山玻璃水解开始阶段当排水受阻,补水不足,淋漓不充分时,可使水介质中保持大量的碱和碱土离子,为形成高硅沸石提供了条件。盐碱湖中,沸石的产生就是具备了这种封闭的高碱度的水介质条件。显然,沸石的保存,需要一个碱性的封闭环境。
3.火山玻璃演变的第二阶段——蒙脱石类矿物的产生 蒙脱石和沸石都是含水铝硅酸盐,铝是此类矿物不可缺少的组分。如前所述,沸石中的铝是以四次配位的形式置换四面体中的硅,从而产生负电荷,空腔中充填了Na+、Ca2+等金属离子,求得了电荷的平衡。而蒙脱石中的铝是以六次配位的形式存在于八面体中,但六次配位的铝一般在低温酸性环境中才能保存,只有当有足够Mg2+浓度的碱性环境中才能使铝趋向六次配位。蒙脱石的生成正是主要由于Mg2+进入Al—O(OH)八面体后,才使蒙脱石产生永久性负电荷的,因而的Mg2+存在对形成蒙脱石是个充要条件。作为火山玻璃向蒙脱石的演变就存在着两种可能: 其一,是火山玻璃在水介质中水解成斜发沸石,稍后产生蒙脱石;其二,随着介质条件的改变,H+继续对斜发沸石溶蚀而向蒙脱石转化。它们的成矿机理可推论如下: ①火山玻璃水解,H+交换玻屑中的阳离子,首先带出的是Ca2+ 、Na+ 、K+,其次是Mg2+。前三者由于形成高硅沸石而消耗或析离成氢氧化物、重碳酸盐、有机酸盐而被迁移,相对使介质中Mg2+浓度提高,为六次配位铝大量出现,促进组成蒙脱石的八面体创造了条件。这时随着四次配位的铝减少,沸石的生成受到抑制。因此,总的趋势是高硅沸石形成在先,蒙脱石生成稍后。 ②火山玻璃——高硅沸石——蒙脱石的演变系列。不少矿床(矿体)普遍存在沸石矿与膨润土共生或沸石与膨润土呈渐变过渡且镜下见到蒙脱石交代沸石现象。此现象说明从火山玻璃演变为蒙脱石,高硅沸石是中间产物。 当沸石形成以后,若保持原有沸石成矿的物理化学环境,则沸石就稳定下来,但当原有的成矿环境发生变化(主要是介质的水化学环境),那么,沸石这准稳定矿物就要向其它铝硅酸盐矿物转化。其条件主要包括介质的PH值、补水和排水条件以及:Mg2+的浓度。 沸石向蒙脱石转化过程,就是H+对高硅沸石的腐蚀,交代出Ca2+ 、Na+ 、K+ 、Mg2+,使沸石的格架解体,随着PH值的提高,当有足够镁存在时,铝呈六次配位体产出,这就有利于蒙脱石的生成。从蒙脱石的SiO2/Al2O3理论之比为4.41,低于高硅沸石的理论之比(9.03~9.89),可以看出,由沸石转化为蒙脱石不仅需要Mg2+的存在和六次配位的铝,同时尚需去SiO2;当介质PH值在碱性条件下,铝能沉淀,而SiO2有较高的溶解度。当有一定的补水和排水条件,则使带出的游离的SiO2溶胶不断地排除。因此,可以这样来理解,水的不断补给,高硅沸石的不断水解,在碱性的条件下,蒙脱石不断的撕生,SiO2不断排除。 当然火山玻璃演变为蒙脱石,是否一定需要经过高硅沸石阶段,关键是水介质条件。当具备一定的排水、补水时,能使介质保持较高的比值,是使玻屑中Na+、Ca2+、SiO2的不断析离排除的基本条件,有利于蒙脱石生成,反之则有利于形成含和的高硅沸石,因此粗碎屑的富含火山玻璃质沉积物和裂隙发育的酸性比例熔岩,都具有较好的成矿条件,有利于蒙脱石生成。
4.铝硅酸盐矿物向蒙脱石转化机理 我国膨润土矿床成矿母岩表明,除了由火山玻璃演变为蒙脱石以外,尚有其它的铝硅酸矿物转化为蒙脱石,它的转化机理与火山玻璃的转化机理基本相同——水解、水合过程。其转化过程的两个基本因素是成矿物质的化学成分和介质的PH条件。 已有大量事实表明,在有利条件下,几乎所有的铝硅酸盐矿物,长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石乃至矽卡岩矿物等都可以转化为蒙脱石,但蒙脱石的转化速度要决定于它们被水淋蚀的时间和转化的物化环境条件。长石构造分解时是是从(100)和(010)面上释放出一定稳定程度并保存四面体原始Si-Al有序度的键,则聚合的(Al,SiO3)O10四面体将与八面体成阳离子结合形成蒙脱石。如果释放的键破坏成单独的硅氧四面体,铝将成八面体配位与其聚合成高岭石。因此硅酸盐矿物转化成蒙脱石还是高岭石与水解(含碳酸化)程度有关的。关于铝硅酸盐矿物在水解作用下的演变过程如下: 粘土矿物随着埋藏深度的加大,压力和地温的增高,层间水的释放及层间阳离子的移出,会引起粘土矿物的重结晶及粘土矿物的转化。地质时代逾老,伊利石和绿泥石的含量增加,而高岭石和蒙脱石则相应地减少。元古代和早古生代中缺乏高岭石和蒙脱石,而以绿泥石和伊利石为主,这反映了泥质页岩中粘土矿物在埋藏成岩作用中的变化趋势。 ⑴高岭石向蒙脱石的转化 在表生或风化作用阶段,高岭石是借助于稀释的酸性介质的水与长石及其它的铝硅酸盐矿物水解而成,或者由蒙脱石退化成高岭石。如果孔隙水的pH值仍保持为酸性介质,则高岭石将是稳定的。但随着埋藏深度的增加和温度的增高,高岭石将转化为地开石。根据钻孔资料反映,高岭石消失的温度及深度是有变化的,温度从80~190℃,深度从几百米至上千米。由于地球化学环境(pH离子浓度)的变化,pH增大,从酸性介质到碱性介质,高岭石的稳定性减少,如有K+存在,即转化为伊利石;如有Ca2+、Na+、或Mg2+存在,则转化成蒙脱石或绿泥石,高岭石的稳定性虽与温度、压力有关,但关键的还是地球化学环境。 ⑵蒙脱石向其它粘土矿物转化 随着埋藏深度的增加,蒙脱石即转化成伊利石。在深度超过3048m处,蒙脱石变成了蒙脱石-伊利石间层。同时随着埋藏的进一步加深,伊利石所占比例增大。因此,在深度超过3048m和温度增加到100℃左右时,粘土矿物具有明显的成岩变化。实验研究表明,温度在100~130℃之间,以及K+/H+比率接近正常海水时,蒙脱石失去层间水而向伊利石转化。但是,蒙脱石不能简单地通过离子交换转化成伊利石,在含碱性孔隙水的泥质沉积物中,蒙脱石经脱水作用,碱性阳离子的吸附以及晶格重新排列而形成蒙脱石-伊利石间层并进而形成伊利石。如果有Fe2+、Mg2+存在,蒙脱石则通过蒙脱石-绿泥石间层转化为绿泥石。
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