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形成金矿床的决定因素是金以何种方式从岩石中被活化、萃取出来，被热液搬运，并随后在适当地方沉淀富集。
太古宙变质岩系的叠加作用和变质作用，以及新元古代玲珑超单元的形成，对于胶东地区金从岩石中活化转移到变质热液、深熔岩浆热液中起了重大作用。这些热液从深处向地表运移时，在有利地段可形成金矿点。中生代时，郭家岭超单元形成，区域上由于太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压和幔源岩浆侵位，在区内产生高热流体，加上断裂作用释放的巨大能量转换为热量，引起深部岩石的重熔（包括玲珑超单元的花岗岩的受热改造和与之有关的伟晶岩、煌斑岩脉的生成）。这时岩体就像一个热泵，引起周围和深部热液沿其裂隙对流循环，继续从岩体和围岩中淋滤、富集金等成矿元素。随着本区地壳不断隆起和剥蚀，在近地表的胶东岩群变质岩系和玲珑超单元的花岗岩中，产生压力降，溶解有金等成矿元素的热液流向地表，并与沿裂隙循环的雨水和地下水发生混合，最后在有利的构造部位金沉淀富集成矿。
研究表明，在氧化电位很低的条件下，如果温度低于350℃，金主要呈硫化氢络合物搬运，这种络合物的稳定性在很大程度上取决于pH值，在中温中深热液金矿的近中性、中碱性NaCl-H2O-CO2流体中，主要络合物为[Au（HS2）]－，在温度高达300～350℃、pH值近中性时，[AuHS]°类可以变得更为重要。在300～350℃的高FO2流体中可以发生氯化物络合作用，在较低的温度下，氯化物络合作用似乎不能使Au有很大的活动性。由此可知，在早期的高温（350℃）条件下，硫主要呈H2S气体形式存在，Au呈硫络合物形式迁移的可能性极小，主要呈氯的络合物，如[AuCl2][AuCl4]－等形式存在，随着热液的迁移，温度降低（<350℃）,Au转为以[Au S2]－和[AuS2]3－、[Au（HS）2]－,[Au（HS）2S]2－等形式搬运为主，它们与热液中的碱质，主要是钾和钠组成各种络合物进行迁移。在热液向低能扩容带迁移过程中，由于发生钾化，而消耗了大量的钾，热液由弱碱性变为中性－弱酸性。金络合物由于温度的降低和p H值的改变而变得不稳定，发生离解：
胶东金矿地质
其中释放出的S2-离子与围岩和热液中的Fe、Cu、Pb、Zn等结合形成黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿等硫化物，从而形成了目前所见的多金属硫化物中的粒间金和包体金。裂隙金的形成是由于含金热液的多期次活动造成的，裂隙金的形成晚于多金属硫化物，是在另一个物理化学环境下沉淀的。
由上述实例可见,元素的迁移过程常常包含几个环节、几种作用机制,它们之间是互相制约的,每一个环节的作用机制都可以用代表性化学反应来表述。
实例1 中锡矿床形成中Sn的活化机制是花岗岩中黑云母的白云母化,其反应方程为
含Sn黑云母+K+→白云母+Sn4++ (Mg,Fe)2+
Sn4+在含矿溶液中络合迁移及水解沉淀可用下式表示
地球化学
两个反应方程概略地说明了Sn从活化到迁移沉淀的基本化学过程及其所反映的地质因素。
实例2 中潜水面附近二价铁被氧化形成含铁表土中针铁矿的过程:
地球化学
地球化学
上述两个实例的化学反应体系可以称为元素迁移的化学模型。虽然只是定性 (或半定量)地说明迁移的性质,但却是最基本的作用机制,是进一步深入进行研究的必要前提。
元素迁移化学模型的研究方法可以归纳如下:
(1)观察元素迁移的方法
确定元素发生迁移 首先应测定元素在空间、时间和不同成因介质中含量的变化,如图4-2a中Sn在深部围岩中的负异常说明Sn被活化带出;还可以计算一定体积内元素带出带入的总量。对常量元素可以采用岩石化学计算法或矿物含量计算法估计元素的带出和带入量。
观察元素赋存状态的变化 包括岩石和矿石中矿物组合的变化:如例1花岗岩中长石的钠长石化、黑云母的白云母化,云英岩带中的石英、白云母、萤石、黄玉组合及矿脉下部的石英、钠长石组合的更替,说明是元素迁移作用的结果。花岗岩黑云母中的类质同象形式的Sn和白云母化以后其中微粒锡石的赋存形式都证明Sn经过了重新组合。
作用物理化学条件的测算 在一些地球化学作用中有可能直接观察或推算,如流体包裹体测温、测压、盐度及成分的测定;在空间上条件的变化可以从构造裂隙的分布、各种地质地球化学界面的对比,如岩体的内外接触带、海水-沉积物界面、氧化还原界面、地层中不同岩性间的界面等都是物理化学条件变化地段。
(2)根据观察资料建立化学反应方程
根据地质事实列出反映作用化学机制的反应方程式,包括广泛的元素物理化学状态的变化,如矿物的多形转变、同位素的交换反应等。在地质作用产物中,当时存在的作用剂或流体相经常是不被保留的 (除一部分包裹体外),现在能观察到的只是固相形成物,如果还保留部分未变化前的地质体,如交代残留体,则可以首先列出反应前后的固相化合物构成的方程式,然后加入流体相 (作用剂)配平方程可以得到完整的化学式。在观察不到残留体的情况下,可以根据矿物产出的一般成因和本研究区的地质环境建立化学反应方程。对于一个地质体如一条矿脉几种矿物构成一个组合或有几个化学反应同时发生,则应选择主要的有代表性或有控制意义的反应进行研究。
图4-5 为美国蒙大拿州Butte 斑岩铜矿床中细晶花岗斑岩的显微照片,可见斜长石已经被绢云母和石英完全交代,形成典型的黄铁绢英岩化蚀变。这种蚀变现象在斑岩铜矿床中具有代表性,根据交代关系建立反应方程如下:
地球化学
图4-5 美国蒙大拿州 Butte 斑岩铜矿中强烈绢英岩化的细晶花岗斑岩
(据Seedorff et al.,2005)
长石 (白色)已经被完全交代为石英 (深灰色)和绢云母 (浅灰色)
式 (4-11)表示中长石蚀变为绢云母,为实现这样的转变所必需的流体相和产物流体相通过配平方程式求得。由式 (4-11)可见,绢云母化作用是一种水解反应,反应中需要 H+和K+的带入并结合到绢云母中去,释放出Na+和Ca2+,被残余热液带出,同时析出SiO2 (石英)。从反应方程还可以看出长石绢云母化是在较酸性环境中发生的;提高体系的 [H+]使反应向右进行。而反应结果体系酸度降低,溶液向偏酸性转化。
据赵伦山等 (1988),内蒙古甲生盘层状铅锌矿床细微颗粒黄铁矿与黏土质沉积物呈纹层状构造,其中的黑色条带为有机碳富集层。从对照矿区地质环境可以分析出黄铁矿具有沉积成因。根据地球化学资料,含矿层中黄铁矿和铅锌硫化物的品位与有机碳呈正相关关系。因此,由物理化学形成条件推断,沉淀黄铁矿所需要的 S2-为有机质还原海水 的产物,根据贝尔纳等(1980)反应方程
地球化学
H2 S与Fe2+及Zn2+、Pb2+等离子化合形成黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿和方铅矿,而 活度的增高导致在含矿层中普遍发育的碳酸盐沉积。
(3)根据理论相图分析作用的物理化学控制因素和地质条件
目前,地球化学对大量的自然化学反应已经进行了较多的理论和实验研究,积累了一批实验或计算的相图、曲线及参数。引证这些成果与研究区对比,对反应发生的条件、反应前后体系性质的变化方向以及共生反应的相互关系进行定性或半定量的分析。
以长石绢云母化反应为例,赫姆利 (Hemley,1964)和Montoya & Hemley (1975)已对包括反应式 (4-11)的体系进行了实验研究,并编制了T-lg [(aK+)/(aH+)]相图(图4-6)。分析相图可以了解到400℃时长石变为绢云母反应要求aK+/aH+≈103 ,绢云母在该比值范围内稳定,而在低温 (200℃)时,绢云母稳定范围的 (aK+)/(aH+)为103～105。因此长石的绢云母化受体系的T、aK+和aH+三个因素的控制。如果已经测知成矿温度,可以由相图估计aK+/aH+比值。如由包裹体成分研究得到成矿溶液的[K+],则可根据相图估计 [H+]。此外,根据长石的不一致溶解理论可以推测,绢云母化反应证明成矿作用发生在中低温 (T<400℃)和低压条件下,因为在高温 (>550～600℃)和高压 (>800×105～1000×105 Pa)条件下,H2 O 活度降低,富 K+的流体与斜长石将发生钾长石化而不是绢云母化。
图4-6 硅酸盐矿物稳定相图
(据Misra,2000)
1MPa总压力和 100℃以上饱和水蒸气压力条件下,根据K2O-Al2O3-SiO2-H2O-HCl体系实验确定的作为温度和lg[(aK+)/(aH+)]函数的硅酸盐矿物稳定相图
根据理论相图还可以从研究对象的矿物组合中存在和不存在的矿物,半定量地估计作用的T、P、 和 等条件。
总之,元素迁移的化学模型虽然只给出了定量或半定量的信息,但这些信息都直接依据于地质产物中观察到的事实,因此能够反映作用的总体特征,也是深入定量计算的基础。
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