闪锌矿Liesegang结构的原位分析及成矿非线性过程的复杂性研究

MVT型矿床分布广泛，是铅锌矿资源的重要来源，其重要特点是闪锌矿常常具有次毫米级条带簇斑图等精细结构，它们是ZnS、FeS的浓度在空间振荡而沉淀形成的Liesegang结构，是自组织过程形成的远离平衡的目标斑图。宏观、定性研究MVT型矿床的成矿模式和动力学过程已日趋成熟，用复杂性科学理论定量研究其形成机制不仅对进一步认识矿床的形成具有重要科学意义，而且是促进复杂性科学在地球科学中应用的需要。本课题拟以矿物微观结构的高精度原位分析为基础，建立闪锌矿形成的反应-扩散、沉淀-成核-结晶过程的时-空耦合模型，以复杂性研究范式CNN为手段，模拟、分析闪锌矿成矿过程在自组织临界状态下结晶颗粒的空间分布和颗粒半径及分子表面摩尔浓度的复杂性态，同时研究碳酸钙的溶解和重结晶对容矿空间的限定作用以及钙离子对动力学过程的反馈机理，这些成矿过程的本原问题研究可为碳酸盐岩中热液矿床形成机制提供定量的科学依据。

闪锌矿Liesegang结构是非线性成矿过程的典型复杂结构，本项目在前人及项目组前期研究的基础上就闪锌矿成矿过程的反应-扩散、结晶-沉淀和成核过程进行了深入研究，圆满完成了项目设计的研究任务。项目组在云南金顶铅锌矿床采集矿石样本200余块，经加工制作薄片、光片，用手持式X-荧光仪和电子探针就宏观和微观尺度测得元素含量数据500余组，每组包含33个元素，获得宝贵的第一手实验数据。（1）在热液从六方方解石晶体外部向内反应交代CaCO3的假设基础上，我们构造六方元胞非线性网络模型（Hexagonal CNN）模拟了闪锌矿的Liesegang 环带，发现闪锌矿成矿过程中结晶-沉淀-成核时，方解石中从外缘向内闪锌矿结晶颗粒半径振荡递减，并呈现幂律性态。（2）解析地研究闪锌矿成矿过程的三元体系的动力学特征尚存在一些难以克服的问题，为此我们设计并采集了可以近似代表闪锌矿形成的某一过程的痕迹（足迹）数据，从统计的角度揭示Ca在闪锌矿形成过程中的作用，我们提出了“比对数钙”变换（Against Logarithm of Calcium transformation, ALCa），发现经ALCa变换后成矿元素呈现幂律性态，说明Ca在闪锌矿成矿过程中起分形反馈作用。（3）从以上两条，我们认为CaCO3参与了闪锌矿形成的全过程，以前的研究只注重研究了成矿元素对成矿过程的作用，可以归结为闪锌矿成矿过程的Fe-Zn二元动力学体系。CaCO3的溶解-反应-重结晶-溶解-…对容矿空间的限定作用会对闪锌矿的形成起双向反馈作用。即CaCO3溶解时，随着Ca++的带出及CO2的逸出容矿空间增大，成矿元素的浓度梯度增大，成矿过程的反应速率变大，有利于成矿的发生，CaCO3的溶解对闪锌矿的形成具有正反馈作用；随着闪锌矿结晶或沉淀，Ca++的浓度梯度增大，有利于CaCO3的重结晶，容矿空间随即变小，抑制成矿过程的发生，CaCO3的重结晶对闪锌矿的形成具有负反馈作用；这种过程呈周期振荡性态，并有强度变小的趋势，这也印证了上面提到的锌矿结晶颗粒半径振荡递减现象的发生。基于此，我们将研究闪锌矿成矿过程的二元体系拓展为Fe-Ca-Zn三元成矿动力学体系。（4）在研究的基础上我们提出H+耗尽时，闪锌矿成矿系统出现临界状态的科学猜想，有待进一步研究。