2.1　非金属矿物的成因

矿物是自然作用的产物，其形成、稳定和变化都受到了热力学条件的影响，同时环境的物理化学条件差异又往往导致矿物在成分、结构、形态及物理性质上的细微变化。因此，矿物成因的研究一直是矿物学中的一个重要课题，并且已发展成为现代矿物学中一个独立的分支学科——成因矿物学。

2.1.1　形成矿物的地质作用

矿物根据作用的性质和能量来源，一般将形成矿物的地质作用分为内生作用、外生作用和变质作用。

2.1.1.1　内生作用

内生作用（endogenic process）主要是指由地球内部热能所导致矿物形成的各种地质作用，包括岩浆作用、火山作用、伟晶作用和热液作用等各种复杂的过程。

（1）岩浆作用（magmatism）　岩浆作用是指岩浆侵入到地下深处，随温度、压力的降低从熔体中依次结晶形成一系列矿物、岩石、矿产的作用。岩浆是形成于上地幔或地壳深处的、以硅酸盐为主要成分并富含挥发组分的高温（700～1300℃）、高压（5×108～20×108Pa）的熔体。在地壳运动过程中，地下深处的岩浆在其挥发分及地质应力的作用下，沿深大断裂上侵，由于温度、压力的降低，首先从岩浆中结晶析出的是一些含量多、熔点高的矿物，而矿物的结晶析出必然会使岩浆各组分的相对浓度发生变化。随着温度、压力的缓慢降低及组分相对浓度的不断改变，相继析出颗粒较粗的各种矿物晶体。

在岩浆作用过程中，岩浆不断演化，先后析出的主要矿物——橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、斜长石、正长石、微斜长石和石英等造岩矿物，形成各种矿物组合，构成不同的岩石类型，如超基性岩（SiO2含量小于45％）、基性岩（SiO2含量为45％～52％）、中性岩（SiO2含量为52％～65％）、酸性岩（SiO2含量为65％～75％）及碱性岩（富含K2O和Na2O）。此外，还可形成金刚石及铂族自然元素、铬铁矿、磁铁矿及Cu、Fe、Ni的硫化物等金属矿物，富集成极为重要的矿床与相应的岩浆岩共同产出。

（2）火山作用（volcanism）　火山作用实际上是岩浆作用的一种形式，是地下深处的岩浆沿地壳脆弱带上侵至地面或直接喷出地表，温度和压力快速降低条件下形成的一系列矿物、岩石的过程。

火山作用形成的矿物与相应岩浆岩中的矿物基本一致，所形成的岩石中超基性岩、基性岩、中性岩和碱性岩都有。但由于火山作用的特殊性，所形成的矿物和岩石有以下特点。

①火山岩中的矿物除斑晶外常呈隐晶质，矿物晶体肉眼不易识别。火山岩中还可以有一些在缓慢冷却条件下不稳定的矿物，如金刚石、方英石、透长石晶质（玻璃）存在。

②在火山通道（喷气孔）周围则常有经凝华作用形成的自然硫、雄黄、石盐等矿物产出。

③火山岩中由于挥发分逸出所造成的气孔，常被火山后期热液作用形成的一系列矿物（如沸石、蛋白石、玛瑙、方解石、自然铜等）所充填。

火山作用形成的矿产主要有自然硫、金刚石、铁、铜等。值得指出的是，在个别情况下，火山作用还可以喷溢矿浆，例如智利的拉科铁矿，就被认为是由溢出地表的铁矿浆结晶而成的。

（3）伟晶作用（pegmatitization）　伟晶作用是指在地表以下较深部位（3～8km）的高温（400～700℃）、高压（1×108～3×108Pa）条件下所进行的形成一系列粗大矿物晶体及其伟晶岩的作用。

伟晶岩多呈脉状并成群产出，其主要矿物成分与相应的深成岩相似。伟晶作用中形成的矿物最明显的特点如下。

①伟晶岩的主要矿物成分仍以硅酸盐类矿物为主，如分布最广的花岗伟晶岩主要由长石、石英、白云母等矿物组成，但伟晶岩中的矿物结晶粗大，最大的长石晶体可达数吨。

②伟晶岩中有许多富含挥发分的矿物，如白云母、黄玉、电气石等，可形成白云母等非金属矿床。

③伟晶岩中稀有元素矿物显著富集，如绿柱石、锂辉石、磷灰石、独居石、锆石、铌铁矿、钽铁矿、褐帘石等，常可形成稀有元素、放射性元素的矿床。

（4）热液作用（hydrothermalism）　热液作用是指从气水溶液到热水溶液过程中形成矿物的作用。通常所说的热液是指富含各种金属元素、以H2O为主的挥发组分的岩浆期后热液（postmagmatic hydrothermal solution）。在岩浆演化的后期，由于外压减小，热液遂沿着围岩裂隙向上运移，并且从围岩中淋滤和溶解部分成矿物质，在适当的条件下，含矿热液便沉淀出各种矿物。

热液活动的深度范围从5～8km直至近地表，作用的温度为50～500℃。热液作用按温度大致分为高温、中温和低温三种类型。

①高温热液作用（high-temperature hydrothermalism）　温度为300～500℃。当温度高于374℃时热液呈气化状态，故又称为气水-高温热液作用。高温热液作用主要形成由W、Sn、Bi、Mo、Nb、Ta、Be、Fe等元素的高电价、小半径的阳离子组成的氧化物和含氧盐及部分硫化物，也常见含挥发分的矿物，如黑钨矿、锡石、辉铋矿、辉钼矿、铌钽铁矿等。

②中温热液作用（medium-temperature hydrothermalism）　温度一般为200～300℃。主要形成以Cu、Pb、Zn为主的硫化物和硫盐矿物，如黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿和自然金等，一些分散元素（Ga、In、Tl、Ge、Se、Te等）则以类质同象的方式进入硫化物的晶格中。此外，还常见萤石、石英、重晶石及方解石等碳酸盐类矿物。

③低温热液作用（low-temperature hydrothermalism）　温度为50～200℃。低温热液的来源很复杂，大部分热液不一定直接来自岩浆，地下水热液和变质热液可能起了主要作用。主要形成As、Sb、Hg、Ag等的硫化物矿物组合，如雄黄、雌黄、辉锑矿、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较低的温度和压力下，由于太阳能、水、大气和生物等因素的参与而形成矿物的各种地质作用。按其性质的不同，可分为风化作用和沉积作用。

（1）风化作用（weathering）　在地表或近地表环境中，由于温度变化及大气、水、生物等的作用，使矿物、岩石在原地遭受机械破碎，同时也可发生化学分解而使其组分转入溶液被带走或改造为新的矿物和岩石，这一过程称为风化作用。

风化作用按作用的方式可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三种类型，它们彼此并存，密切关联，相互促进。

地壳表层的物理化学条件特点为低温、低压、富含氧气、水和二氧化碳，而且生物活动强烈。地壳深部形成的矿物在风化作用过程中可形成一系列稳定于地表条件的表生矿物，主要是各种氧化物和氢氧化物、黏土矿物及其他含氧盐，如玉髓、蛋白石、褐铁矿等。矿物集合体常呈多孔状、土状、皮壳状和钟乳状等。此外，风化后还残留有一些稳定的原生矿物，如石英、自然金、自然铂、金刚石、磁铁矿和锆石等。

例如，金属硫化物矿床中的黄铜矿在氧化带易风化形成铜的表生矿物和氢氧化铁，其化学反应式如下：

又如，钾长石经风化而生成高岭石的化学反应式为：

（2）沉积作用（sedimentation）　沉积作用是指地表风化产物及火山喷发物等被流水、风、冰川和生物等介质挟带，搬运至适宜的环境中沉积下来，形成新的矿物或矿物组合的作用。沉积作用主要发生在河流、湖泊及海洋中。

沉积物通常以难溶的矿物碎屑和岩屑、真溶液方式或胶体溶液方式被介质搬运，相应的沉积方式有机械沉积、化学沉积和生物化学沉积。

①机械沉积（mechanical sedimentation）　在风化条件下，物理和化学性质稳定的矿物遭受机械破碎后所形成的碎屑，除残留在原地的部分外，主要被流水、风等搬运的难溶的矿物、岩石碎屑物，因水流速或风力减小而按体积、相对密度大小先后沉积下来，在河谷或其他有利场所集中形成各种砂矿床，如自然金、自然铂、金刚石、锡石和锆石等。在机械沉积过程中，一般不形成新的矿物，主要是矿物的再沉积。

②化学沉积（chemical sedimentation）　化学沉积发生于真溶液和胶体溶液中，包括胶体沉积。

风化作用形成的真溶液，进入干涸的内陆湖泊、封闭或半封闭的泻湖或海湾后，在干旱炎热的气候条件下，因水分不断蒸发而达到过饱和，从而结晶出各种易溶盐类矿物，可形成巨大的矿床。主要是K、Na、Mg、Ca的氯化物、硫酸盐、碳酸盐及其复盐，有时也有硼酸盐、硝酸盐等，最常见的有石盐、钾盐、光卤石、石膏、硬石膏、硼砂和芒硝等。

对于风化形成的胶体溶液，当其被带入海盆地、内陆湖泊或沼泽盆地中时，受到电解质的作用发生电性中和凝聚、沉淀，形成Fe、Mn、Al、Si等的氧化物和氢氧化物，如赤铁矿、硬锰矿、软锰矿、铝土矿、蛋白石和玉髓等。这些胶体矿物常呈鲕状、豆状、肾状、结核状和致密块状等集合体形态，如在深海底层发现的大量锰结核。

③生物化学沉积（biochemical sedimentation）　某些生物在其生命活动的过程中，可从周围介质中吸收有关元素和物质，组成它们的有机体和骨骼，当这些生物死亡后，其遗体可直接堆积起来形成矿物，如硅藻土、方解石（生物灰岩的主要矿物成分）等。此外，在生物的生理活动中所产生的大量的CO2、H2S、NH3等气体，可影响沉积介质的酸碱度及氧化还原条件，并且对有机体进行分解和合成作用，从而形成某些有机矿物和无机矿物。前者如琥珀、草酸石等，后者如磷灰石（磷块岩的主要矿物成分）等。另外，煤、石油、天然气的形成也直接与生物、生物化学沉积作用密切相关。

2.1.1.3　变质作用

变质作用（metamorphism）是指在地表以下较深部位，已形成的岩石由于地壳构造变动、岩浆活动及地热流变化的影响，其所处的地质及物理化学条件发生改变，致使岩石在基本保持固态的情况下发生成分、结构上的变化，而生成一系列变质矿物，形成新的岩石的作用。

根据发生的原因和物理化学条件的不同，变质作用主要分为接触变质作用和区域变质作用。

（1）接触变质作用（contact metamorphism）　由岩浆活动引起的发生于地下较浅深度（2～3km）的岩浆侵入体与围岩的接触带上的变质作用叫做接触变质作用。

接触变质作用的规模不大。根据变质因素和特征的不同，又分为热变质作用和接触交代作用两种类型。

①热变质作用（thermometamorphism）　是指岩浆侵入围岩，由于受岩浆的热力及挥发分的影响，主要使围岩矿物发生重结晶、颗粒增大（如石灰岩变质成大理石）或发生变质结晶、组分重新组合形成新的矿物组合的作用。在此过程中，温度升高是变质作用的主要原因，围岩与岩浆之间基本无交代作用，挥发性流体一般只起催化作用，所形成的变质矿物多是一些高温低压矿物，常见的有红柱石、堇青石、硅灰石和透长石等。

②接触交代作用（contact metasomatism）　是指岩浆侵入、与围岩接触时，岩浆结晶作用的晚期析出的挥发分及热液使接触带附近的围岩和侵入体发生明显的交代而形成新的岩石的作用。与热变质作用不同，围岩与侵入体之间的成分交换是此过程中岩石发生变质的主要原因。

（2）区域变质作用（regional metamorphism）　在广大区域内，由于大规模构造运动（地壳升降、褶皱和断裂）和岩浆活动，导致原有岩石和矿物所处的物理化学条件发生很大变化，使原来岩石和矿物发生变化的作用过程叫做区域变质作用。原岩的矿物成分和结构构造发生改变是温度（200～800℃）、压力（4×108～12×108Pa）、应力及以H2O、CO2为主的化学活动性流体等主要物理化学因素变化的综合作用的结果。

区域变质作用形成的变质矿物及其组合主要取决于原岩的成分和变质程度。如果原岩的主要组分为SiO2、CaO、MgO、FeO，变质后易形成透闪石、阳起石、透辉石和钙铁辉石等矿物。若原岩是主要由SiO2、Al2O3组成的黏土岩，其变质产物中则出现石英或刚玉，以及Al2SiO5同质三相变体之一的矿物共生，低温高压环境有利于蓝晶石形成，硅线石的形成则需要较高的温度，而红柱石形成的温压条件均相对较低。随着区域变质程度加深，其变质产物向着结构紧密、体积小、相对密度大、不含OH-和H2O的矿物演化。

应当指出，形成矿物的地质作用是各种因素的综合表现，内生、外生和变质作用并非彼此孤立、截然分开的。例如，火山作用于内生作用和外生沉积作用都有关系；变质作用中的交代作用与气化-热液作用有密切联系；变质作用过程中产生的热液和从地表渗透到地下深处的热水与岩浆成因的热液实际上常常混在一起，难以区分。因此，在分析矿物成因时，应尽量收集各方面的资料，进行综合分析，做出合理的推断。

2.1.2　矿物的形成与体系化学组分的活动性

矿物的形成、稳定和演化取决于其所处的地质环境及物理化学条件，即取决于地质作用及温度、压力、组分的浓度、介质的酸碱度（pH）、氧化还原电位（Eh）和组分的化学位（μi）、逸度（fi）、活度（ai）及时间等因素。矿物是特定地质作用中各种物理化学因素综合作用的产物，不同的地质作用以及同一地质作用过程中的不同阶段，其物理化学条件常各不相同。以往我们仅过多地注意了温度、压力、组分浓度、pH和Eh的作用。例如，在岩浆和热液作用过程中，通常是温度和组分浓度起主要作用；在区域变质作用中，温度和压力起主导作用；而在外生作用中，pH和Eh对矿物的形成则具有重要的意义。

当今，现代矿物学注重矿物的形成及其形成后的一些性质与自由能之间的关系，强调矿物的形成与富集受体系中化学组分的活动性的制约，矿物的稳定性取决于地质体系的开放与封闭的程度。例如，对SiO2-Al2O3-BeO三元体系，若为开放体系，就只能形成绿柱石（Be3Al2［Si6O18］），而如果体系相对封闭，则有利于金绿宝石（BeAl2O4）的形成。

组分的化学位（chemical potential，Pi）是表征体系中组分活动性的一个十分重要的物理化学参数，其定义为体系的自由能随化学组分i之物质的量改变的变化率，即每增加1mol组分i所引起的体系自由能的增加或减少量值大，表示化学组分i在体系中的活动性大；反之，则表示其化学活动性小。

近二十年来，国内外学者研究了矿床中活性组分的化学位（如、、、、等）与矿化及其矿物共生组合的找矿标志之间的内在关系，并且成功地用于指导找矿。例如，对我国某大型岩金矿的研究结果表明，岩浆期后热液体系里，当K2O组分的化学活动性较大（即较大）时，可能形成自然金，并且可富集成矿床；而K2O的活动性较小（即较小）时，则难以形成自然金。又如，在超镁铁质岩浆体系中，若其压力低、μMgO值小（即组分MgO的化学活动性较小），则形成含铬的尖晶石；而当压力高、μMgO值大（即MgO的活动性很强）时，遂形成铬铁矿，而不产生尖晶石。