黃鐵礦物理化學標型特征研究現狀

韓祺明

（中化地質礦山總局湖南地質勘查院，湖南 長沙 410000）

黃鐵礦是地殼中分布最廣的硫化物，形成于各種不同的地質條件下，見于各種巖石和礦石中。同時，黃鐵礦還具有多種晶形（立方體、五角十二面體、八面體以及偏方復十二面體）和多種結構（粗晶結構、細晶結構、膠狀結構、草莓狀結構、同心環狀結構等）。不同類型的黃鐵礦對應不同的成礦信息，對成礦作用及礦床成因的研究具有重要的標型特征意義。因此，在合適的礦床中選取黃鐵礦進行成礦信息的提取和研究具備一定的可行性。

1 黃鐵礦標型特征

1.1 物理結構標型特征

在不同的條件下形成的黃鐵礦具有不同的形態特征。當黃鐵礦結晶形成為立方體{100}或八面體{111}時，其形成環境多處于高于300℃或約低于200℃，且低過飽和度和低硫逸度條件下。其中，當形成溫度相對較低時，晶面以立方體居多；當形成溫度相對較高時，晶面以八面體為主。當黃鐵礦晶形多為五角十二面體{hk0}，并多見各種聚形時，其所處環境多為200℃～300℃，且高過飽和度和高硫逸度條件下(陳曦，2009)。成礦過程中環境不是一沉不變的，所以眾多學者對黃鐵礦的結晶習性也多有研究：日本學者Sunagawa(1957)研究發現，黃鐵礦早期結晶以{100}為主，晚期則以{210}或{111}為主，最晚期偶爾出現{100}(陳文煥，1990)；埃大濟科娃(1982)則研究表明，金礦床中黃鐵礦的結晶習性多為{100}-{100}+{210}-{210}-{210}+{111}-{111}(陳光遠等，1987)；而陳光遠等(1987)在我國膠東地區石英脈型金礦床的研究中也發現黃鐵礦的結晶習性為{100}-{100}+{210}-{210}-{210}+{100}-{100}，與埃大濟科娃(1982)的研究成果相近。

1.2 主量元素標型特征

Large et al.（2007， 2009）認為在溫度不斷增高的情況下黃鐵礦礦化程度逐漸增大，在此環境下礦物的富鐵貧硫度，根據研究表明，一些科研人員認為用S/Fe比值指示金屬礦的形成原因。梅建明(2000)研究表明，經沉積形成的金屬礦中的硫、鐵含量與理論值[w(Fe)= 46.16%， w(S)=53.84%]相類似，而其中硫含量相對來說較多；內生型多金屬礦床中的成礦理論值中顯示硫含量較低。

1.3 微量元素標型特征

經過實驗研究得出，Ni、Co這兩種元素在礦床中與同象礦物中的Fe較相似，CoS與FeS相互作用下形成了不易溶解的固體，礦床中微量元素物質在分異過程中，Co元素留在剩余液體中，Ni則進入固相，依照此原理，一部分科研人員通過實驗研究得出Co/Ni與鈷含量比值對礦床的形成有一定的指示意義。Scott (2009)與Bralia A (1979)已經對有差異成礦類型的多種金屬礦的Ni、Co的含量進行整體分析，得出的結論為，沉積型金屬礦Ni與Co含量較低，兩種元素含量小于1，熱液型金屬礦的兩種微量元素經常會發生較大變化，1.17＜Co/Ni ＜5；火山噴發氣塊狀礦床兩種微量元素的含量經計算為480×10-6，Co/Ni含量的對比值范圍為50以內，平均值為9左右，以上的論證結果已經得到謝桂青與王奎仁兩位學者的證明此項研究是正確的，盛繼福等(1999)通過研究還指出含鈷量與黃鐵礦形成時的溫度相關，含鈷量越多，Co/Ni比值越大，其形成溫度越高。此外，研究表明當金(或金-銀)礦床中的黃鐵礦Co/Ni值大于近礦暈中黃鐵礦的Co/Ni值時，礦床成因多為內生熱液類型，且可用于評價礦化強度。

黃鐵礦中S/Se比值對礦床成因也具有指示意義：當S/Se＜105時多為熱液成因，當S/Se＞2×105時多為沉積成因；黃鐵礦中S/Se比值范圍在17.6×104～33.4×104之間，礦床類型多為層控型；S/Se＞3×104礦床類型多為同生沉積型；S/Se比值在0.19×104～0.8×104之間，多見于沉積-改造型礦床(趙利青等，1997；Scott et al，2009)。

Se/Te比值也具有同樣的指示意義，比值在中6～10之間暗示為巖漿成因，熱液成因多在0.2左右；中溫熱液多金屬礦床，其黃鐵礦Se/Te值也為0.2左右，而低溫熱液成因的黃鐵礦Se/Te值多小于0.2(Largeet al， 2007，2009)。

黃鐵礦中Zn/(Zn+Pb)比值可以判斷硫化物礦床是否具有熱水沉積特征，熱水沉積塊狀硫化物礦床的比值通常接近于1(陳多福等，1998)。

此外，多種金屬礦中的微量元素的化學成分對礦物的形成深度同時產生一定的標型性：金屬礦物中Fe/(S+As)值與它礦物質熱液成型的深度有一定的關聯，Se與Te元素的相關系數不足1；金屬礦中Ag和Au的原子數比與樣品的產出比同樣具有一些關聯性，但它的關聯系數為負。

1.4 同位素標型特征

利用黃鐵礦進行S、Pb同位素分析，一直是礦床研究中確定成礦物質來源的重要手段。黃鐵礦Re-Os同位素定年是近些年發展起來的能有效解決熱液礦床精確定年的新技術，其在一些礦床的研究中取得了較好的成果（郭維民等，2011；趙曉波等，2014；Zhao et al.， 2015），其Os初始值也可以用于判斷成礦物質來源（Ravizza et al.， 1996）。黃鐵礦He-Ar同位素的測定也可以為成礦流體的性質和演化提供有效信息（Xu et al.， 2014；Cao et al.， 2015 ；Mills et al.， 2015）。

另外，隨著測試手段的不斷發展，一些新興的同位素應用技術也利用到了礦床研究中，如王躍等（2013）對銅陵相關礦床中的黃鐵礦開展Fe同位素研究以制約礦床成因。

1.5 流體包裹體標型特征

流體包裹體研究往往是通過對透明的脈石礦物中流體包裹體的顯微測溫來間接推演礦石礦物的形成條件。但20世紀80年代以來，共生脈石礦物和礦石礦物沉淀的時間關系受到普遍質疑（Campbell and Robinson-Cook， 1987 ； Giamello et al.， 1992 ；Moritz，2006），脈石礦物流體包裹體所提供的有關流體與成礦物理化學條件被認為并非總是代表成礦時的實際流體和成礦條件（Campbell et al.， 1987； Wilkinson，2001），這導致常規的流體包裹體研究受到了一定程度的制約。但隨著紅外技術在地質學上的不斷應用，不透明-半透明礦石礦物流體包裹體研究得以通過紅外顯微測溫技術實現。自Mancanoand Campbell (1995)首次測定了黃鐵礦流體包裹體的冰熔點溫度和Lüders and Reutel(1996)首次測定黃鐵礦流體包裹體均一溫度等以來，黃鐵礦逐步成為紅外顯微測試技術研究最多的礦物，并在成礦物理化學條件研究方面就得到了廣泛的應用（Lüders and Ziemann， 1999；Kouzmanov et al.， 2002）。

1.6 熱電性標型特征

黃鐵礦是半導體礦物，有電子型(N型)和空穴型(P型)2種導電形式。黃鐵礦的熱電動勢與兩個因素有關：一是類質同象雜質的種類；二是晶體缺陷在能帶結構中所形成的雜質能級。一般而言，As含量越高，熱電動勢越大，Co，Ni含量越高，熱電動勢越小，但相對而言，Co、Ni對熱電動勢的影響遠大于As對其的影響。

P.A.戈爾巴喬夫(1964)通過對大量黃鐵礦的熱電性的研究，發現黃鐵礦的熱電系數和導電類型與黃鐵礦的形成溫度線性相關，線性方程為：(a為熱電系數)。

t=(704.51-a)/1.818 (N型) t=3(122.22+a)/5.0 (P型)。

楊國林等(1991)和侯滿堂(2000)報道通過黃鐵礦熱電系數值可以求出黃鐵礦的熱電性參數XNP，然后可以定性地確定金礦體的剝蝕切面(Kerrich，1990；Barley and Groves，1992；Groves，1998)。

許虹(1992)和陰翠珍(2003)先后報道黃鐵礦的補償熱電動勢在礦體軸向呈現出規律性的變化，據此可以反映礦床的相對埋深。許虹(1992)和胡大千(1993)借此分別對土嶺、石湖金礦的黃鐵礦補償熱電動勢進行了詳細研究，發現補償熱電動勢平均值與礦體相對埋深具有很好的線性對應關系。

2 結語

綜上而言，黃鐵礦在物理結構、主量元素（Fe/S）、微量元素（Co/Ni、Se/Te等）、同位素（S-Pb、He-Ar、Re-Os、新興的Fe同位素）、流體包裹體（黃鐵礦紅外流體包裹體測溫）、熱電性（N型、P型）等具有重要的標型特征，對礦床的地球化學特征、成礦物質來源、成礦流體特征及演化、成礦時間、深部勘查等都具有重要的指示意義。隨著近些年來，精確快速的原位測試技術（EPMA、LA-ICP-MS、SHRIMP）的快速發展，黃鐵礦在地球化學，尤其是微量元素，標型特征方面的研究迅速發展，并成為當前礦床學研究的熱點之一。當然，隨著研究的不斷深入，黃鐵礦成礦信息的提取研究將得到進一步發展，并為具有成因爭議的礦床提供進一步的制約，也為危機礦山(尤以金礦為主)深邊部的勘查提供新方法和新手段。