矿体的锶同位素地球化学特征及矿床成因

张志鹏

（成都理工大学能源学院，四川 成都 610000）

目前国内已勘探发现出多个大型矿床，例如储层为下奥陶统马家沟组的靖边气田，其地质储量为3377.3×108m3；储层为震旦系灯影组矿体的四川盆地威远气田，探明储量约为408.6×108m3；还有这几年取得重大突行成果破的安岳气田磨溪区域，其储层寒武系龙王庙组也是矿体储层，探明储量为4403.85×108m3。因此，研究矿体特征及其成因模式对矿田的勘探来说具有很重要的意义[1-2]。

1 矿体矿物学特征

白云石含量＞50%的碳酸盐岩，我们称之为矿体。因为模拟自然环境的人工合成真正的、化学计量的白云石（Ca∶Mg=1∶1）至今还未成功，所以在正常沉积环境的海水中，能否直接沉淀出大量白云石至今未得到详实的证据。白云石化作用机制很复杂，并不是一种机理所能够概括的[3]。结构类型通常是我们在进行成因分类时关注的重点。因为不同矿物晶体的结构大小及类型会反映出不同的成矿环境和成矿流体的性质，所以我们在观察矿体结构时，特别要注意的是晶体大小、晶体形态以及自形程度等。通常，在较低的温度环境下，往往能够形成平直晶面的白云石，而且不平直的晶体边界更加趋向于形成高温条件下或者高度过饱和流体。完全高温且过饱和的侵入流体等多种情况可能会造成白云石化过程中结构的消失。

2 矿体地球化学特征

矿体的形成过程是在成矿流体中进行水和矿石相互作用的过程。而在这个过程中，不同的元素会体现出不同地球化学性质，如迁移、分馏、交换等地球化学行为。而测定样品中的元素含量以及其组成是检测这些地球化学行为最有效的方法。

通常在进行成因分类时，矿体的结构类型常常会成为我们所关注的重点。

不同的晶体会通过其结构大小及晶体类型的不同来反映出矿体成矿环境以及其成岩流体性质等特征，所以我们在对矿体结构进行观察时，需要特别注意观察对象晶体大小、晶体形态、自形程度等特征[6]。

2.1 矿体的碳氧同位素特征

通常情况下高温会加快同位素分馏，16O比18O活泼性要更强，一般16O会优先进入晶体内部，使得矿物中18O含量降低；若溶液的盐度越高，那么该环境下形成的矿物O18含量更高。从理论上来讲，当白云石及方解石处于同位素平衡状态中的时候，白云石的18O含量要比方解石的18O含量更多，δ13C值较低的白云石则是与陆生植物的氧化、淡水的加入以及埋藏有机质或烃类的氧化或发酵有关。若矿体在强烈蒸发环境中形成，那么其就会富含18O，并且δ18O和δ13C值就会相当集中一些，弥散度也会相应的降低。在淡水-海水混合带环境中，δ18O和δ13C值通常较低而且变化范围也会较大。埋藏矿物的δ13C值呈现有规律的变化，δ18O值与随埋深具有负相关性，热液矿物的δ18O值则明显为负值[6]。

沉积矿物中的氧同位素主要反映的是介质的温度和盐度，在某种程度上对温度更为敏感。而锶同位素则基本上与温度无关，它主要是受介质氧化还原条件的控制，即δ13C的富集程度会随锶原子氧化程度的增加而增强，所以，δ13C的偏负程度是环境闭塞程度以及还原强度的重要标志。另外有机质演化过程会对锶同位素也有一定影响，在有机质的不同演化阶段，进入流体中的13C或12C的量也会不同，也将引起δ13C值变化。

2.2 矿体的锶同位素特征

锶同位素可以作为判定沉积古环境的有效且重要的标志，所研究矿物中锶稳定同位素在成岩过程当中会随着地质时代的不断演化不断发生流失，通过锶元素的含量我们往往能够判断出碳酸盐岩的类型与其沉积发育的环境之间的相互关系。

在成岩作用过程中，锶稳定同位素组成随锶同位素含量的变化而发生改变，前人认为地质历史时期中的海水锶稳定同位素组成是与时间有关的函数。Sr同位素组成主要是受壳源以及幔源控制，所以我们可以通过分析碳酸盐岩中锶稳定同位素的组成及其含量特征来识别出成岩流体的来源以及碳酸盐岩的成因。

2.3 矿体中微量元素地球化学特征

我们对矿体中微量元素进行测试分析时通常使用的元素有K、Na、Fe、Sr、Mn等，这几类微量元素在成矿环境以及其成矿流体性质分析研究当中具有非常好的效果。其中微量元素Fe/Mn的比值被业内称之为近岸指数，近岸指标可用于判断矿体的成矿流体盐度[4]。

由于Sr和Ba元素在表生带的地球化学性质表现出很明显的差异，学者们一般用Sr/Ba的值去研究矿物沉积环境差异性，当Sr/Ba比值为20～50时就能够表明该地区矿物沉积环境是干旱区域。

此外，Sr元素的富集程度通常还与高盐度息息相关，所以过去学者们常用Sr含量来对潮坪或泻湖沉积环境进行识别。但如果将Na、K、Fe等元素考虑进来，则这种判断就会更为准确。

2.4 矿物中多种元素地球化学特征

所谓稀土元素（REE）就是指元素周期表第三副族中的镧系元素和与镧系元素化学性质相近的钇元素和钪元素等十七个元素。尽管它们的化学性质以及物理性质都很相似，但是它们中某些元素在一些矿物中可以发生相应程度的分溜。

稀土元素通常不受基本成矿作用的影响，稀土元素的含量在成矿过程中只发生较为微小的变化。因为所研究矿体中多种元素是属于过渡类型元素，金属性强，所以沉积矿物中多种元素的分布和配分模式就可以为物质来源提供证明信息。

许多沉积矿物，特别是太古代以后的沉积矿物都发现了Eu的负异常特征，这是因为Eu2+在沉积作用体系中比其他的矿物元素更加容易被水溶液带走，所以Eu2+在长期的开发环境下，含量就会不断地减少[1-3]。

3 矿体成因模式

目前被业内大多数的地质学家以及学者所认同的矿体成因模式包括：蒸发泵（蒸发排水）模式、渗透（回流）模式和埋藏矿体化模式，近年来的矿山地质构造热液模式同样也引起了地质学家们的普遍关注[6]。

（1）蒸发泵模式：该模式下的地质作用是因为潮上带的沉积物高盐度孔隙水以及高Mg/Ca比值卤水的交代作用所形成的

（2）回流渗透模式：潮上带环境下所形成的高镁粒间水对表面的沉积物或沉积矿化作用完成后，若仍然有富余，就会因为其比重较大，而随着重力的作用下向下进行回流渗透运动，当其回流经过下伏的沉积物时，沉积物局部的Mg/Ca比值就会发生较大程度得变化，这样就创造了矿化作用的条件，从而就会形成矿体。

（3）埋藏矿化模式：当前，大多数地质学家和学者认为其是一系列的持续矿化过程的叠加，矿化的加强和自我调整所形成的矿化模式。埋藏矿化模式中的正二价镁离子来源与粘土矿物转化、深部盐类矿物的溶解以及早期白云石、早期海相孔隙水等因素息息相关，埋藏矿体化模式成矿流体驱动力则是主要为水动力。

（4）构浩热液矿化模式：这里模式发育于地底较深部位，热液上涌并进入碳酸盐沉积物中，然后受构造作用影响，使得灰岩发生了矿体化，另外白云石则发生过度白云石化或重结晶从而形成大量的马鞍状白云石。通常情况下构造热液矿体化模式会受断层的控制，并且热液作用下重结晶矿体一般还会发育丰富晶间孔。

4 结论

矿体的矿物学特征分析和成矿作用研究是对矿体成因进行研究的重要基础，矿物学研究的内容主要包括矿物成分、结构、组分、填隙物和填隙物与颗粒间的关系，矿体成矿作用是在成矿流体中进行沉积作用的过程，我们可以通过研究矿体的多种元素特征、锶同位素、微量元素、稀土元素等来更好的对其成因模式进行探讨。总结出目前大多数学者认可的矿体成因模式有蒸发泵模式、混合水模式、埋藏矿体化模式、渗透回流模式以及构造热液矿体化模式。