铜铁硫化物“水矿”界面反应机制研究

Stratiform copper deposit is the second most important copper deposit type including the porphyry copper deposit. The genesis of stratiform copper deposit is extremely complex and disputed, though more and more scientists inclined to conclude it into "the coupled interaction between sedimentary exhalative sulphide deposit and the later hydrothermally superimposed". Up to date, based on the published references, the forming of stratiform copper diposit can be categorized into a typical "water-mineral" reaction. This application will take the mineral composition, structure of ore, and zonation of deposit etc. geological fact recorded in the rocks as information bank, and extract the mineral assemblage law and the transformation law of the sulphide, and synchronously derive the composition of solution from the study of fluid inclusion. Then, a series of experiments will start with the use of iron sulphide and copper-iron sulphide as a starting material and use of a starting solution with a predetermined salt concentration, copper bearing or not. And experiments will be carried out in a temperature varied and ordinary common pressure system and a HP-HT system. The aim of these systematic experiments is to simulate the geochemical behavior of copper, such as releasing from a sulphide, migrating and forming a new sulphide mineral in a low temperature or HT-HP environments. According to both chemical and mineral components on the reacted surface, the change of the structure etc., we derive its process and mechanism of "water-mineral" and offer a support to clarify the origin of copper, the genesis of copper deposit, and give an implication of the present of absent of a porphyry copper deposit underneath the stratiform copper deposit.

层状铜矿为重要性仅次于斑岩铜矿的第二重要铜矿类型，而层状铜矿的成因极为复杂，目前趋向于认为该类型铜矿形成于喷流沉积与岩浆热液改造的耦合机制，同时也存在颇多争议。从既有文献来看，层状铜矿的形成反应当属于典型的"水-矿"反应。本申请拟从层状铜矿的矿物组成、矿石结构、矿物分带性等地质事实的记录中提炼矿物相组合规律和矿物相转变规律，同时汲取流体包裹体所蕴含的残余流体信息，设计并执行以铁硫化物和铜铁硫化物为初始反应物，以一定盐度、酸度的含铜和不含铜的溶液为初始热液，在常压变温和高温高压下水矿反应的一系列实验。尝试模拟硫化物矿床中的铜在较低温度下的迁移机制，和在高温高压条件下铜硫化物或铜铁硫化物在流体中的相转变行为和机制，通过反应后硫化物表面生成物的成分、结构变化的分析，反演"水-硫化物"反应的过程和机制，以期查明层状铜矿的铜的来源、铜矿的成因，为层状矿床之下是否有隐伏斑岩铜矿提供理论支持。

本项目在基于地质样品研究的基础上，针对可能的矿物种类和组合，设计了一系列的“流体-硫化物矿物”反应实验研究，取得了一些成果。一）针对福建紫金山高硫化型浅成低温热液铜矿床中普遍发育的硫砷铜矿进行了仔细的矿相观察及电子探针化学成分分析，对其成因进行了初步研究。矿物生长遵循黄铁矿—硫砷铜矿—斜方蓝辉铜矿、蓝辉铜矿—铜蓝的交代生长顺序。结合室内水热反应模拟实验结果，推测矿床经历了两期、四阶段热液事件。其中硫砷铜矿中的砷元素来自于岩浆热液，其显示出交代先成黄铁矿的特征，也有少量结晶于矿石的较大裂缝处形成自形柱状晶体。表生带中的硫化物矿物曝露在地表或潜水中遭受风化剥蚀，逐渐形成高硫型浅成热液，并沿构造裂隙持续下渗至岩体附近受热折返，在下渗和折返的过程中交代先成的黄铁矿和硫砷铜矿，生成斜方蓝辉铜矿和蓝辉铜矿等铜硫化物，该交代反应符合“耦合的溶解再沉淀”的成因机制，热液下渗和受热折返是一个循环往复的过程。2）针对诸如沉积型层状铜矿、浅成低温热液型矿床、与火山岩有关的块状硫化物矿床等中常出现黄铁矿、铜（铁）硫化物、铁氧化物等矿物的共生现象,本文以矿物—流体相互作用伴随物质溶解—再沉淀为理论基础，在水热条件下，以黄铁矿为初始矿物，Ｃｕ（Ⅰ）—Ｃｌ为溶液中Ｃｕ的形态，通过设置不同的ｐＨ、反应温度、Ｃｕ（Ⅰ）—Ｃｌ浓度研究了这些矿物组合的形成规律。实验结果表明：① 黄铜矿、斑铜矿等铜铁硫化物主要出现在弱酸性环境中，蓝辉铜矿等铜硫化物可出现在弱碱性环境中；② 温度较低时（约１００℃）黄铁矿主要转变为赤铁矿等铁氧化物。不同实验条件下形成的矿物组合与已知矿床中发现的矿物组合具有高度的相似性，因此可以用特定矿物组合的实验条件模拟和反演矿床形成的物理化学环境。3）毒砂被广泛的认为是金的载体之一，毒砂在酸性水热流体中的转变及元素迁移情况将是金矿床成因机制研究不可忽视的重要科学问题之一。本研究揭示了砷和硫在水热反应过程的嬗变行为和机制。其固体产物中结晶相部分主要为铁的硫酸盐矿物，如高铁叶绿矾、斜红铁矿和水铁矾，少量的铁的砷酸盐矿物，如副砷铁矿；而其中非晶质部分则由铁的硫酸盐构成。研究证实了水铁矾才是“水矿反应”的第一级的产物，而高铁叶绿矾、斜红铁矿和副砷铁矿则是水铁矾在后期的转化。本研究更认知了砷是比硫更容易在酸性溶液中迁移的元素,因而可预知其在金活化和迁移中的重要作用。