2.1　非金屬礦物的成因

礦物是自然作用的產(chǎn)物，其形成、穩(wěn)定和變化都受到了熱力學(xué)條件的影響，同時(shí)環(huán)境的物理化學(xué)條件差異又往往導(dǎo)致礦物在成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及物理性質(zhì)上的細(xì)微變化。因此，礦物成因的研究一直是礦物學(xué)中的一個(gè)重要課題，并且已發(fā)展成為現(xiàn)代礦物學(xué)中一個(gè)獨(dú)立的分支學(xué)科——成因礦物學(xué)。

2.1.1　形成礦物的地質(zhì)作用

礦物根據(jù)作用的性質(zhì)和能量來源，一般將形成礦物的地質(zhì)作用分為內(nèi)生作用、外生作用和變質(zhì)作用。

2.1.1.1　內(nèi)生作用

內(nèi)生作用（endogenic process）主要是指由地球內(nèi)部熱能所導(dǎo)致礦物形成的各種地質(zhì)作用，包括巖漿作用、火山作用、偉晶作用和熱液作用等各種復(fù)雜的過程。

（1）巖漿作用（magmatism）　巖漿作用是指巖漿侵入到地下深處，隨溫度、壓力的降低從熔體中依次結(jié)晶形成一系列礦物、巖石、礦產(chǎn)的作用。巖漿是形成于上地幔或地殼深處的、以硅酸鹽為主要成分并富含揮發(fā)組分的高溫（700～1300℃）、高壓（5×108～20×108Pa）的熔體。在地殼運(yùn)動(dòng)過程中，地下深處的巖漿在其揮發(fā)分及地質(zhì)應(yīng)力的作用下，沿深大斷裂上侵，由于溫度、壓力的降低，首先從巖漿中結(jié)晶析出的是一些含量多、熔點(diǎn)高的礦物，而礦物的結(jié)晶析出必然會(huì)使巖漿各組分的相對濃度發(fā)生變化。隨著溫度、壓力的緩慢降低及組分相對濃度的不斷改變，相繼析出顆粒較粗的各種礦物晶體。

在巖漿作用過程中，巖漿不斷演化，先后析出的主要礦物——橄欖石、輝石、角閃石、黑云母、斜長石、正長石、微斜長石和石英等造巖礦物，形成各種礦物組合，構(gòu)成不同的巖石類型，如超基性巖（SiO2含量小于45％）、基性巖（SiO2含量為45％～52％）、中性巖（SiO2含量為52％～65％）、酸性巖（SiO2含量為65％～75％）及堿性巖（富含K2O和Na2O）。此外，還可形成金剛石及鉑族自然元素、鉻鐵礦、磁鐵礦及Cu、Fe、Ni的硫化物等金屬礦物，富集成極為重要的礦床與相應(yīng)的巖漿巖共同產(chǎn)出。

（2）火山作用（volcanism）　火山作用實(shí)際上是巖漿作用的一種形式，是地下深處的巖漿沿地殼脆弱帶上侵至地面或直接噴出地表，溫度和壓力快速降低條件下形成的一系列礦物、巖石的過程。

火山作用形成的礦物與相應(yīng)巖漿巖中的礦物基本一致，所形成的巖石中超基性巖、基性巖、中性巖和堿性巖都有。但由于火山作用的特殊性，所形成的礦物和巖石有以下特點(diǎn)。

①火山巖中的礦物除斑晶外常呈隱晶質(zhì)，礦物晶體肉眼不易識別。火山巖中還可以有一些在緩慢冷卻條件下不穩(wěn)定的礦物，如金剛石、方英石、透長石晶質(zhì)（玻璃）存在。

②在火山通道（噴氣孔）周圍則常有經(jīng)凝華作用形成的自然硫、雄黃、石鹽等礦物產(chǎn)出。

③火山巖中由于揮發(fā)分逸出所造成的氣孔，常被火山后期熱液作用形成的一系列礦物（如沸石、蛋白石、瑪瑙、方解石、自然銅等）所充填。

火山作用形成的礦產(chǎn)主要有自然硫、金剛石、鐵、銅等。值得指出的是，在個(gè)別情況下，火山作用還可以噴溢礦漿，例如智利的拉科鐵礦，就被認(rèn)為是由溢出地表的鐵礦漿結(jié)晶而成的。

（3）偉晶作用（pegmatitization）　偉晶作用是指在地表以下較深部位（3～8km）的高溫（400～700℃）、高壓（1×108～3×108Pa）條件下所進(jìn)行的形成一系列粗大礦物晶體及其偉晶巖的作用。

偉晶巖多呈脈狀并成群產(chǎn)出，其主要礦物成分與相應(yīng)的深成巖相似。偉晶作用中形成的礦物最明顯的特點(diǎn)如下。

①偉晶巖的主要礦物成分仍以硅酸鹽類礦物為主，如分布最廣的花崗偉晶巖主要由長石、石英、白云母等礦物組成，但偉晶巖中的礦物結(jié)晶粗大，最大的長石晶體可達(dá)數(shù)噸。

②偉晶巖中有許多富含揮發(fā)分的礦物，如白云母、黃玉、電氣石等，可形成白云母等非金屬礦床。

③偉晶巖中稀有元素礦物顯著富集，如綠柱石、鋰輝石、磷灰石、獨(dú)居石、鋯石、鈮鐵礦、鉭鐵礦、褐簾石等，常可形成稀有元素、放射性元素的礦床。

（4）熱液作用（hydrothermalism）　熱液作用是指從氣水溶液到熱水溶液過程中形成礦物的作用。通常所說的熱液是指富含各種金屬元素、以H2O為主的揮發(fā)組分的巖漿期后熱液（postmagmatic hydrothermal solution）。在巖漿演化的后期，由于外壓減小，熱液遂沿著圍巖裂隙向上運(yùn)移，并且從圍巖中淋濾和溶解部分成礦物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，含礦熱液便沉淀出各種礦物。

熱液活動(dòng)的深度范圍從5～8km直至近地表，作用的溫度為50～500℃。熱液作用按溫度大致分為高溫、中溫和低溫三種類型。

①高溫?zé)嵋鹤饔茫╤igh-temperature hydrothermalism）　溫度為300～500℃。當(dāng)溫度高于374℃時(shí)熱液呈氣化狀態(tài)，故又稱為氣水-高溫?zé)嵋鹤饔谩８邷責(zé)嵋鹤饔弥饕纬捎蒞、Sn、Bi、Mo、Nb、Ta、Be、Fe等元素的高電價(jià)、小半徑的陽離子組成的氧化物和含氧鹽及部分硫化物，也常見含揮發(fā)分的礦物，如黑鎢礦、錫石、輝鉍礦、輝鉬礦、鈮鉭鐵礦等。

②中溫?zé)嵋鹤饔茫╩edium-temperature hydrothermalism）　溫度一般為200～300℃。主要形成以Cu、Pb、Zn為主的硫化物和硫鹽礦物，如黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦和自然金等，一些分散元素（Ga、In、Tl、Ge、Se、Te等）則以類質(zhì)同象的方式進(jìn)入硫化物的晶格中。此外，還常見螢石、石英、重晶石及方解石等碳酸鹽類礦物。

③低溫?zé)嵋鹤饔茫╨ow-temperature hydrothermalism）　溫度為50～200℃。低溫?zé)嵋旱膩碓春軓?fù)雜，大部分熱液不一定直接來自巖漿，地下水熱液和變質(zhì)熱液可能起了主要作用。主要形成As、Sb、Hg、Ag等的硫化物礦物組合，如雄黃、雌黃、輝銻礦、辰砂等。

2.1.1.2　外生作用

外生作用（exogenic process）是指在地表或近地表較低的溫度和壓力下，由于太陽能、水、大氣和生物等因素的參與而形成礦物的各種地質(zhì)作用。按其性質(zhì)的不同，可分為風(fēng)化作用和沉積作用。

（1）風(fēng)化作用（weathering）　在地表或近地表環(huán)境中，由于溫度變化及大氣、水、生物等的作用，使礦物、巖石在原地遭受機(jī)械破碎，同時(shí)也可發(fā)生化學(xué)分解而使其組分轉(zhuǎn)入溶液被帶走或改造為新的礦物和巖石，這一過程稱為風(fēng)化作用。

風(fēng)化作用按作用的方式可分為物理風(fēng)化作用、化學(xué)風(fēng)化作用和生物風(fēng)化作用三種類型，它們彼此并存，密切關(guān)聯(lián)，相互促進(jìn)。

地殼表層的物理化學(xué)條件特點(diǎn)為低溫、低壓、富含氧氣、水和二氧化碳，而且生物活動(dòng)強(qiáng)烈。地殼深部形成的礦物在風(fēng)化作用過程中可形成一系列穩(wěn)定于地表?xiàng)l件的表生礦物，主要是各種氧化物和氫氧化物、黏土礦物及其他含氧鹽，如玉髓、蛋白石、褐鐵礦等。礦物集合體常呈多孔狀、土狀、皮殼狀和鐘乳狀等。此外，風(fēng)化后還殘留有一些穩(wěn)定的原生礦物，如石英、自然金、自然鉑、金剛石、磁鐵礦和鋯石等。

例如，金屬硫化物礦床中的黃銅礦在氧化帶易風(fēng)化形成銅的表生礦物和氫氧化鐵，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

又如，鉀長石經(jīng)風(fēng)化而生成高嶺石的化學(xué)反應(yīng)式為：

（2）沉積作用（sedimentation）　沉積作用是指地表風(fēng)化產(chǎn)物及火山噴發(fā)物等被流水、風(fēng)、冰川和生物等介質(zhì)挾帶，搬運(yùn)至適宜的環(huán)境中沉積下來，形成新的礦物或礦物組合的作用。沉積作用主要發(fā)生在河流、湖泊及海洋中。

沉積物通常以難溶的礦物碎屑和巖屑、真溶液方式或膠體溶液方式被介質(zhì)搬運(yùn)，相應(yīng)的沉積方式有機(jī)械沉積、化學(xué)沉積和生物化學(xué)沉積。

①機(jī)械沉積（mechanical sedimentation）　在風(fēng)化條件下，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的礦物遭受機(jī)械破碎后所形成的碎屑，除殘留在原地的部分外，主要被流水、風(fēng)等搬運(yùn)的難溶的礦物、巖石碎屑物，因水流速或風(fēng)力減小而按體積、相對密度大小先后沉積下來，在河谷或其他有利場所集中形成各種砂礦床，如自然金、自然鉑、金剛石、錫石和鋯石等。在機(jī)械沉積過程中，一般不形成新的礦物，主要是礦物的再沉積。

②化學(xué)沉積（chemical sedimentation）　化學(xué)沉積發(fā)生于真溶液和膠體溶液中，包括膠體沉積。

風(fēng)化作用形成的真溶液，進(jìn)入干涸的內(nèi)陸湖泊、封閉或半封閉的瀉湖或海灣后，在干旱炎熱的氣候條件下，因水分不斷蒸發(fā)而達(dá)到過飽和，從而結(jié)晶出各種易溶鹽類礦物，可形成巨大的礦床。主要是K、Na、Mg、Ca的氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及其復(fù)鹽，有時(shí)也有硼酸鹽、硝酸鹽等，最常見的有石鹽、鉀鹽、光鹵石、石膏、硬石膏、硼砂和芒硝等。

對于風(fēng)化形成的膠體溶液，當(dāng)其被帶入海盆地、內(nèi)陸湖泊或沼澤盆地中時(shí)，受到電解質(zhì)的作用發(fā)生電性中和凝聚、沉淀，形成Fe、Mn、Al、Si等的氧化物和氫氧化物，如赤鐵礦、硬錳礦、軟錳礦、鋁土礦、蛋白石和玉髓等。這些膠體礦物常呈鮞狀、豆?fàn)睢⒛I狀、結(jié)核狀和致密塊狀等集合體形態(tài)，如在深海底層發(fā)現(xiàn)的大量錳結(jié)核。

③生物化學(xué)沉積（biochemical sedimentation）　某些生物在其生命活動(dòng)的過程中，可從周圍介質(zhì)中吸收有關(guān)元素和物質(zhì)，組成它們的有機(jī)體和骨骼，當(dāng)這些生物死亡后，其遺體可直接堆積起來形成礦物，如硅藻土、方解石（生物灰?guī)r的主要礦物成分）等。此外，在生物的生理活動(dòng)中所產(chǎn)生的大量的CO2、H2S、NH3等氣體，可影響沉積介質(zhì)的酸堿度及氧化還原條件，并且對有機(jī)體進(jìn)行分解和合成作用，從而形成某些有機(jī)礦物和無機(jī)礦物。前者如琥珀、草酸石等，后者如磷灰石（磷塊巖的主要礦物成分）等。另外，煤、石油、天然氣的形成也直接與生物、生物化學(xué)沉積作用密切相關(guān)。

2.1.1.3　變質(zhì)作用

變質(zhì)作用（metamorphism）是指在地表以下較深部位，已形成的巖石由于地殼構(gòu)造變動(dòng)、巖漿活動(dòng)及地?zé)崃髯兓挠绊懀渌幍牡刭|(zhì)及物理化學(xué)條件發(fā)生改變，致使巖石在基本保持固態(tài)的情況下發(fā)生成分、結(jié)構(gòu)上的變化，而生成一系列變質(zhì)礦物，形成新的巖石的作用。

根據(jù)發(fā)生的原因和物理化學(xué)條件的不同，變質(zhì)作用主要分為接觸變質(zhì)作用和區(qū)域變質(zhì)作用。

（1）接觸變質(zhì)作用（contact metamorphism）　由巖漿活動(dòng)引起的發(fā)生于地下較淺深度（2～3km）的巖漿侵入體與圍巖的接觸帶上的變質(zhì)作用叫做接觸變質(zhì)作用。

接觸變質(zhì)作用的規(guī)模不大。根據(jù)變質(zhì)因素和特征的不同，又分為熱變質(zhì)作用和接觸交代作用兩種類型。

①熱變質(zhì)作用（thermometamorphism）　是指巖漿侵入圍巖，由于受巖漿的熱力及揮發(fā)分的影響，主要使圍巖礦物發(fā)生重結(jié)晶、顆粒增大（如石灰?guī)r變質(zhì)成大理石）或發(fā)生變質(zhì)結(jié)晶、組分重新組合形成新的礦物組合的作用。在此過程中，溫度升高是變質(zhì)作用的主要原因，圍巖與巖漿之間基本無交代作用，揮發(fā)性流體一般只起催化作用，所形成的變質(zhì)礦物多是一些高溫低壓礦物，常見的有紅柱石、堇青石、硅灰石和透長石等。

②接觸交代作用（contact metasomatism）　是指巖漿侵入、與圍巖接觸時(shí)，巖漿結(jié)晶作用的晚期析出的揮發(fā)分及熱液使接觸帶附近的圍巖和侵入體發(fā)生明顯的交代而形成新的巖石的作用。與熱變質(zhì)作用不同，圍巖與侵入體之間的成分交換是此過程中巖石發(fā)生變質(zhì)的主要原因。

（2）區(qū)域變質(zhì)作用（regional metamorphism）　在廣大區(qū)域內(nèi)，由于大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（地殼升降、褶皺和斷裂）和巖漿活動(dòng)，導(dǎo)致原有巖石和礦物所處的物理化學(xué)條件發(fā)生很大變化，使原來巖石和礦物發(fā)生變化的作用過程叫做區(qū)域變質(zhì)作用。原巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變是溫度（200～800℃）、壓力（4×108～12×108Pa）、應(yīng)力及以H2O、CO2為主的化學(xué)活動(dòng)性流體等主要物理化學(xué)因素變化的綜合作用的結(jié)果。

區(qū)域變質(zhì)作用形成的變質(zhì)礦物及其組合主要取決于原巖的成分和變質(zhì)程度。如果原巖的主要組分為SiO2、CaO、MgO、FeO，變質(zhì)后易形成透閃石、陽起石、透輝石和鈣鐵輝石等礦物。若原巖是主要由SiO2、Al2O3組成的黏土巖，其變質(zhì)產(chǎn)物中則出現(xiàn)石英或剛玉，以及Al2SiO5同質(zhì)三相變體之一的礦物共生，低溫高壓環(huán)境有利于藍(lán)晶石形成，硅線石的形成則需要較高的溫度，而紅柱石形成的溫壓條件均相對較低。隨著區(qū)域變質(zhì)程度加深，其變質(zhì)產(chǎn)物向著結(jié)構(gòu)緊密、體積小、相對密度大、不含OH-和H2O的礦物演化。

應(yīng)當(dāng)指出，形成礦物的地質(zhì)作用是各種因素的綜合表現(xiàn)，內(nèi)生、外生和變質(zhì)作用并非彼此孤立、截然分開的。例如，火山作用于內(nèi)生作用和外生沉積作用都有關(guān)系；變質(zhì)作用中的交代作用與氣化-熱液作用有密切聯(lián)系；變質(zhì)作用過程中產(chǎn)生的熱液和從地表滲透到地下深處的熱水與巖漿成因的熱液實(shí)際上常常混在一起，難以區(qū)分。因此，在分析礦物成因時(shí)，應(yīng)盡量收集各方面的資料，進(jìn)行綜合分析，做出合理的推斷。

2.1.2　礦物的形成與體系化學(xué)組分的活動(dòng)性

礦物的形成、穩(wěn)定和演化取決于其所處的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條件，即取決于地質(zhì)作用及溫度、壓力、組分的濃度、介質(zhì)的酸堿度（pH）、氧化還原電位（Eh）和組分的化學(xué)位（μi）、逸度（fi）、活度（ai）及時(shí)間等因素。礦物是特定地質(zhì)作用中各種物理化學(xué)因素綜合作用的產(chǎn)物，不同的地質(zhì)作用以及同一地質(zhì)作用過程中的不同階段，其物理化學(xué)條件常各不相同。以往我們僅過多地注意了溫度、壓力、組分濃度、pH和Eh的作用。例如，在巖漿和熱液作用過程中，通常是溫度和組分濃度起主要作用；在區(qū)域變質(zhì)作用中，溫度和壓力起主導(dǎo)作用；而在外生作用中，pH和Eh對礦物的形成則具有重要的意義。

當(dāng)今，現(xiàn)代礦物學(xué)注重礦物的形成及其形成后的一些性質(zhì)與自由能之間的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)礦物的形成與富集受體系中化學(xué)組分的活動(dòng)性的制約，礦物的穩(wěn)定性取決于地質(zhì)體系的開放與封閉的程度。例如，對SiO2-Al2O3-BeO三元體系，若為開放體系，就只能形成綠柱石（Be3Al2［Si6O18］），而如果體系相對封閉，則有利于金綠寶石（BeAl2O4）的形成。

組分的化學(xué)位（chemical potential，Pi）是表征體系中組分活動(dòng)性的一個(gè)十分重要的物理化學(xué)參數(shù)，其定義為體系的自由能隨化學(xué)組分i之物質(zhì)的量改變的變化率，即每增加1mol組分i所引起的體系自由能的增加或減少量值大，表示化學(xué)組分i在體系中的活動(dòng)性大；反之，則表示其化學(xué)活動(dòng)性小。

近二十年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了礦床中活性組分的化學(xué)位（如、、、、等）與礦化及其礦物共生組合的找礦標(biāo)志之間的內(nèi)在關(guān)系，并且成功地用于指導(dǎo)找礦。例如，對我國某大型巖金礦的研究結(jié)果表明，巖漿期后熱液體系里，當(dāng)K2O組分的化學(xué)活動(dòng)性較大（即較大）時(shí)，可能形成自然金，并且可富集成礦床；而K2O的活動(dòng)性較小（即較小）時(shí)，則難以形成自然金。又如，在超鎂鐵質(zhì)巖漿體系中，若其壓力低、μMgO值小（即組分MgO的化學(xué)活動(dòng)性較小），則形成含鉻的尖晶石；而當(dāng)壓力高、μMgO值大（即MgO的活動(dòng)性很強(qiáng)）時(shí)，遂形成鉻鐵礦，而不產(chǎn)生尖晶石。