潘亞森
(新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830049)
前人研究結(jié)果表明,黃鐵礦是地殼中分布最廣的硫化物之一,存在于各種類型的巖石和各種成因的礦床中,與成礦過程緊密相關(guān)。
隨著研究的深入,與礦體共生的黃鐵礦特征可以指示礦床成因以及成礦過程。本文從黃鐵礦的礦物學(xué)特征方面對(duì)其加以總結(jié)。
黃鐵礦常呈淺銅黃色,金屬光澤,無解理,參差狀斷口,硬度較大。立方體和五角十二面體為黃鐵礦常見晶形,偶見八面體;多以粒狀、致密塊狀或浸染狀集合體形式存在。
黃鐵礦是一種半導(dǎo)體礦物,具有熱電性,熱電性由熱電系數(shù)和導(dǎo)電類型(簡(jiǎn)稱導(dǎo)型)兩部分組成。熱電系數(shù)是指半導(dǎo)體礦物在一定溫差條件下,形成的非平衡載體流子由高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散,在半導(dǎo)體內(nèi)形成電場(chǎng),并以溫差熱電勢(shì)(E)的形式表現(xiàn)。當(dāng)E達(dá)到平衡值時(shí),熱電系數(shù)即為單位溫差下的熱電動(dòng)勢(shì),計(jì)算公式為:
α=E/(TH-TL)=E/ΔT
其中,α—熱電系數(shù)(μV/℃);E—熱電動(dòng)勢(shì)(mV);ΔT—溫差(℃)。
導(dǎo)電類型分為兩種,分別是:空穴型導(dǎo)電(P型)和電子型導(dǎo)電(N型),當(dāng)E>0時(shí),為P型導(dǎo)電;E<0時(shí),為N型導(dǎo)電(邵偉等,1990)[1]。
前人研究資料顯示,黃鐵礦熱電性分布具有縱向分帶性:?jiǎn)我坏腜型或以P型為主黃鐵礦一般發(fā)育于礦體的淺部,隨著深度的增加,N型黃鐵礦逐漸增多,P型黃鐵礦逐漸減少,深部礦體僅發(fā)育單一的N型黃鐵礦。黃鐵礦導(dǎo)型和熱電系數(shù)在垂直方向上的變化規(guī)律可以預(yù)測(cè)礦體的埋藏深度,作為判斷礦體剝蝕程度的重要標(biāo)志(蘇文超,1997)[2]。
成礦溫度是影響黃鐵礦熱電性的另一主要因素,高溫形成的黃鐵礦多為N型,中溫下既有N型又有P型,而低溫下多為P型(李勝榮等,1994)[3],因此通過黃鐵礦的熱電性可以判斷黃鐵礦的結(jié)晶溫度。
黃鐵礦的自形能力較其他礦物強(qiáng),晶體常為立方體{100}和五角十二面體{210},這兩種晶體出現(xiàn)量最大,較少的晶體為八面體{111}。礦物的形態(tài)受其化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)環(huán)境的制約,記錄了晶體發(fā)展、生長(zhǎng)及其變化的過程。
立方體{100}面上層狀生長(zhǎng)速度變化會(huì)導(dǎo)致黃鐵礦晶形變化,因?yàn)閧210}和{111}面是由{100}面上生長(zhǎng)邊緣的生長(zhǎng)層階梯構(gòu)成,在掃描電鏡下可見臺(tái)階狀條紋,且過飽和度越大則臺(tái)階條紋越密集,反之條紋越稀疏。有時(shí)在{100}面上會(huì)出現(xiàn)由島嶼狀生長(zhǎng)層構(gòu)成的較粗的條紋,原因是過飽和度相對(duì)低且物質(zhì)供應(yīng)不足的條件下生長(zhǎng)層不能連續(xù)覆蓋整個(gè)晶面。另外人工實(shí)驗(yàn)證明溫度變化較大也可導(dǎo)致{100}晶面上出現(xiàn)條紋。因此,{100}晶面上出現(xiàn)粗糙條紋可表明溫度變化梯度大且過飽和度相對(duì)較低的成礦環(huán)境。此時(shí)不能出現(xiàn){210}、{111}單型,他們只能以臨界面的形式出現(xiàn)(陳光遠(yuǎn)1987)。在{210}面上,晶面條紋平行于[100]的叫正條紋,平行于的為負(fù)條紋。正條紋先生長(zhǎng),負(fù)條紋后生長(zhǎng),{100}層狀先生長(zhǎng),{210}層狀后生長(zhǎng)。所以,有負(fù)條紋的黃鐵礦晶面是在晚期低溫、溫度變化梯度較小的條件下生長(zhǎng)的(陳光遠(yuǎn)1987)[4]。
實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),黃鐵礦晶形隨著熱液過飽和度的降低,演化順序依次為{210}→{111}→{100}(Murowchick,1987)[5]。一般認(rèn)為,五角十二面體{210}和八面體{111}單形常形成于高硫逸度且物質(zhì)過飽和的中溫條件下;而{100}單晶則發(fā)育于低硫逸度且物質(zhì)低飽和的高溫或低溫條件下,晶形簡(jiǎn)單。因此可以根據(jù)黃鐵礦形態(tài)判斷成礦環(huán)境。
另外黃鐵礦晶形特征還可以指示其生長(zhǎng)環(huán)境。立方體{100}多發(fā)育于礦體圍巖、弱礦化帶,常出現(xiàn)在礦化早期階段或成礦末期。
同時(shí){100}晶面上的出現(xiàn)粗大條紋也可作為在礦體圍巖中生長(zhǎng)的依據(jù),因?yàn)閲鷰r中過飽和度小(硫逸度低),溫度變化梯度大,不利于黃鐵礦片狀生長(zhǎng)層生長(zhǎng);五角十二面體{210}及其習(xí)性晶體常發(fā)育在強(qiáng)礦化地段,礦體內(nèi)帶,一般出現(xiàn)在礦化中期和中晚期階段;八面體{111}及其習(xí)性晶體的形成條件與{210}及其習(xí)性晶體相似,但它出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)低于前者,有時(shí)還可以在成礦最晚期與礦體淺部出現(xiàn)(陳光遠(yuǎn)1987)。
理論上純的黃鐵礦(FeS2)中Fe占46.55%,S占53.45%,但實(shí)際上往往會(huì)有一些別的元素混入。一是呈類質(zhì)同象替代形式進(jìn)入黃鐵礦晶格的元素,如替代鐵的Co、Ni元素和替代硫的As、Se、Te等元素;二是呈機(jī)械混入物形式存在于黃鐵礦中的元素,如Cu、Pb、Zn等元素。一般將S/Fe原子比值小于2稱為硫虧損,S/Fe比值大于2稱為鐵虧損。黃鐵礦的主要成分隨其形成的溫度變化而變化,一般來說,高溫下形成的黃鐵礦略虧硫,較低溫下形成的黃鐵礦略富硫。
黃鐵礦屬于等軸晶系NaCl型結(jié)構(gòu),所含的微量元素,只有Co,Ni的二硫化物與FeS2結(jié)構(gòu)相同,且鍵長(zhǎng)相近,As常以類質(zhì)同相的方式置換S。因此,Co,Ni,As是影響黃鐵礦晶胞參數(shù)的主要元素。在陰離子雜質(zhì)元素中As、Se、Te最有意義,其次是S/Se比值。首先Co/Ni比值常被用來反映礦床的成因類型,一般沉積型礦床小于1,變質(zhì)熱液型接近1,巖漿熱液型1-5,火山熱液型5以上。As元素在硫逸度降低,溫度較低的成礦流體中替代S元素進(jìn)入晶格,使晶包參數(shù)增大,化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)能力減弱,晶格錯(cuò)位導(dǎo)致晶格缺陷,從而有利于金的賦存。
黃鐵礦中As、Se、Te的標(biāo)型意義也比較重要。沉積型黃鐵礦大多數(shù)Se為0.5ppm~2ppm,S/Se多在25萬到50萬范圍內(nèi);熱液礦床中大多數(shù)黃鐵礦含Se為20ppm~50ppm,S/Se值多在1.0到2.67萬范圍內(nèi)。Te在內(nèi)生成礦作用過程中隨著溫度降低而提高其在黃鐵礦中的含量,從巖漿熔離型銅、鎳礦床的S/Te值為6-10:1到中溫?zé)嵋憾嘟饘俚V床的S/Te值為1:5。因此可以通過礦床中這幾個(gè)元素的含量及其比值判斷礦床成因。