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1、第十章 风化矿床一、概念、特点及工业意义概念：风化矿床（风化壳矿床）系指陆地表层在风化作用 下形成的，质和量都能满足工业要求的有用矿物堆积的地质体。风化作用是指地壳系表层的岩石和矿石在大气、水、生物等营 力的影响下，发生物理的、化学的和生物化学的变化作用。风化作用的结果，使硅酸盐类矿物、可溶盐类（碳酸 盐等）及金属硫化物等等，被分解为三种主要组份：1）溶解在溶液中的物质;2）原岩中化学性质较稳定的矿物；3）风化作用过程中形成的新矿物。这三种主要组份，可以在原地或附近得到充分富集形 成风化矿床；也可被搬运较远距离而沉积在水盆地中。 风化矿床具有以下特点：1）埋藏浅、便于露天开采，（因多为第三纪和
2、第四纪的产物）。 2）矿床分布范围与原生岩石或矿体出露范围一致或相 距不远，常沿现代丘陵地形呈覆盖层状分布，多为面型矿体。3）矿体的深度决定于自由氧渗透到地下的深度，一般几 米一几十米，有的达一、二百米；个别情况下沿裂隙带风化深 度可达1500m以上，则呈线型矿体。另还有岩溶型矿体。4）组成风化矿床的物质是在风化条件下比较稳定的元 素和矿物。有自然金，被粘土矿物吸附的稀土元素，铁、锰、铝 的氢氧化物和氧化物，高岭土，磷酸盐和含镍硅酸盐矿物等。5）矿石结构一般疏松多孔，构造多为土状、多孔状或 网格状。6）矿床规模以中、小型为主，个别也有大型和特大型。 工业意义：1. 风化产物不仅是许多沉积矿床的
3、成矿物质的重要 来源之一; 2. 而且某些风化产物本身具有很重要的工业价值。如：1) 红土型镍矿床的发现和利用，镍金属储量迅速增长了四 倍。现在，这种巨型的风化镍矿床占全部镍矿储量的一半以上。如 大洋洲的新喀里多尼亚红土型含镍硅酸盐矿床，分布面积达六、七 千平方公里。2) 红土型铁矿床不但规模大，矿石中还含有铬、锰、镍、 钴和钒，成为炼优质合金钢用的“天然合金矿石”，如古巴的红土型 铁矿床，储量达150亿吨，具有重要的工业价值。3) 风化矿床可提供优质铝土矿和天青石等矿产。4) 闻名于世界的我国陶瓷工业主要原料的高岭土。5) 我国新发现的风化壳型稀土元素矿床和红土型金矿床， 也具有十分重要的工
4、业意又。6) 还有铂、钨、铀、金刚石、磷块岩等。二、风化矿床的形成条件（）气候条件气候环境乃是岩石风化并形成风化矿床最重要的条件之一。因为风化作用主要 是通过水和生物活动进行的。而水和生物的多寡与气候带有密切关系，其风化壳 的特征和成矿作用表示于图101。图101 从极地（左）到赤道（右）分带的土壤示意图在极地冻土地带，由于化学风化作用很弱，一般不形成风化壳 ，有时由机械碎屑物质形成残积砂矿。在温带内陆沙漠和热带沙漠气候地区，蒸发量远远大于降水量， 水作用很弱，生物很少，以物理风化作用为主。化学风化作用主要 表现在硷金属Na、K等和硷土金属Ca、Mg等的淋滤和淀积作用。风 化壳主要由机械碎屑物
5、组成。在此砂层中，出现大量钙质胶结物(通常是方解石)。在水盆地中盐类物质浓度很高，有的已形成盐湖矿床。在热带和亚热带的湿润炎热地区，气温高，雨量充足，生物活 动力强，岩石往往发生强烈的化学风化作用。根据实验，温度增加 10水解反应速度能增加2-2.5倍。这对矿物的分解、元素的迁移起 着非常重要的作用，并能促使化学反应的平衡系统向产生新的物质 方向进行，以利于化学风化矿床的形成。因此，一些巨大的铝、铁 、锰等风化矿床主要分布在热带和亚热带的湿热气候地区内。气候条件受纬度、高度，以及距离海洋远近等因素所控制。因 此，研究风化矿床分布规律时，必须考虑地区的气候带所在的具体 位置。但是在地质历史上，由
6、于海底扩张、板块运动、地壳升降等 因素，近代气候条件不适于形成风化矿床的地区，可能有古代风化 矿床存在。（二）原岩条件风化壳和物质成分是以原岩成分为根据的，原岩是成 矿物质的来源。1. 如富含铁、镍的超基性岩（根据黎彤、饶纪龙1962年资料，含 Fe2O3 4.22%，FeO 7.77%；据K.Turkian和K.Wedepohl 1961资料，含Ni 210-1)和 基性岩（同上，含Fe2O3 4.17%,FeO 7.61%;Ni 1.310-2 )可形成红土型铁矿床 和镍矿床。2. 富铝贫硅的霞石正长岩：(含Al2O3 16.3330.59，SiO2 53.7839.74 )和玄武岩(含A
7、l2O3 12.8921.92, SiO2 0.7447.78%)形成红土型铝矿床。3. 长石质岩石花岗岩类（Fe2O3 1.33%,FeO 1.77%，Al2O3 14.48% ，SiO2 70.40%）可形成高岭土矿床。4. 富含磷的碳酸盐类岩石可形成风化型磷矿床。5. 含锰高的沉积岩、变质岩可形成残余锰矿床。6. 富含稀土元素酸性岩浆岩可形成离子吸附型稀土元素矿床7. 富含重砂矿物（锡石、锆英石、铌钽矿物等）的花岗岩，可形成风化残积砂矿床等等。（三）地貌条件地貌条件不仅控制侵蚀和堆积作用的进行，同时还可决定地下水的动态和风 化壳的地球化学特征。风化产物的淋滤状况，风化壳的厚度和保留程度等
8、均与地 貌有关。地貌还影响到气候、植被、土壤覆盖层以及生物种属的差异。这在高差 很大的山区比较明显，因为这些地区的气候显示垂直分带现象，在一个中、低纬 度带的高山上，可以看到不同高度处有不同植被和不同类型的风化作用，以及不 同的风化作用速度和强度。强烈切割的陡峻高山地貌区，地下水位低，植被缺少，以物理风化为 主，并且风化产物难以保存，新鲜岩石不断暴露地表接受风化，风化作用不彻底 。因此，不利于风化壳和风化矿床的形成。而十分平坦的地形或有冲积层 覆盖和地下水面很高的地区，也不利于风化矿床的形成。高差不大的山区、丘陵地形对风化矿床的形成最为有利。由于坡 度平缓,地下水位高，植物繁茂，化学风化和生物
9、风化作用强烈，并且风化产物能 大量残留原地，有可能使矿物彻底分解，形成大量粘土矿物乃至生成某些 残余矿床。微小的地形起伏(倾角24，高低相差几十米)，也对风化矿床 的形成具有一定的意义。如蛇纹岩经风化作用，在高处产生硅化蛇纹岩；在 低处堆积含镍绿高岭石。因而在环绕硅化蛇纹岩山脊的低洼地带可形成风化型硅 酸镍矿床。（四）水文地质条件风化矿床的形成，与地表水和地下水的运动情况，以及水的化学 类型有关。它们在决定风化矿床的规模和深度方面起着很大作用。大气水是风化壳内水主要来源。据水循环条件，将地下水分三个带(图18)。（1）渗透带又称“充气带”或“饱气带”。位于地表以下至地下水面(潜水面）以上。渗透
10、带 中的水来自雨水，富含O2及CO2等，生物作用(特别是细菌作用)非常活跃，因而 溶解和氧化的能力很强。此带的水自上而下快速流动，对岩石有强烈的破坏作用 。因此，这个带又称“分解带”或“氧化带”。（2）流动带在渗透带以下的岩石空隙中充满着水，即为潜水。潜水面大致与地形起伏一 致，随着雨季和旱季的季节变化而升降。在潜水面和停滞水面之间为“流动带”。 此带的潜水缓慢地作侧向流动。潜水含氧(O2)较少(越深越少)，含盐较多。根据 地区不同，或呈弱酸性，或呈弱硷性，故对岩石的分解和氧化能力比较弱。流动 带的主要作用是将上部分解带里淋滤下来的各种成矿物质集中，并沉淀下来。因 而此带又称为“胶结带”。（3
11、）停滞水带此带位于停滞水面以下，也称“滞流带”。此带内潜水几乎不含游离氧，流动极其缓慢，或基本停滞不动。因之，潜水与原生矿物之间几乎保持平衡状态 ，原生矿物基本上不发生变化，或变化非常缓慢。图102 地下水循环示意图 对化学风化最有利的条件是岩石具有适当的孔隙率和裂隙度，以保证易于吸 收地表水，并使稳定而缓慢地往下渗透，风化残余矿床是由地表往下发展的，直 到潜水面附近。若潜水面缓慢下降，则造成化学分解界面也相应下降，因而能够 形成富厚的风化壳。相反，若潜水面上升，则风化壳停止发展，并可被以后的物 理风化剥蚀殆尽。渗透带 流动带停滞水带地下水面（五）地质构造条件无论对风化矿床的形成，还是对矿床的
12、保存，地质构造条件都 具有相当重要的意义。地台区有利于大规模的风化矿床形成。它往往产于长期沉积间断的 不整合面上。我国华北地台上的奥陶系风化侵蚀面上的铁、铝矿床，西南地台上 的寒武系和二叠系古侵蚀面上的铝土矿矿床，都是来源于富铁、铝的风化壳。造山区不利于风化矿床形成，只有再经长期侵蚀，达到较为平缓的地 貌或准平原化条件时，才能形成规模巨大的风化矿床。区域构造对风化矿床也起控制作用。裂隙、裂隙带、破碎带的方向 及完整程度可决定“线型风化矿床”的位置和形态特征。位于下降断块上的风化矿 床，当其仅被薄的沉积物所覆盖时，可以成为工业矿床。但是当风化矿体被巨厚 沉积物覆盖时，则难以开发利用。侵蚀基准面决
13、定风化壳的最终厚度，而地壳的垂直振荡运动将引起该 基准面的变化，造成某一地带的相对上升，另一地带相对下降，并影响到地 下水面的稳定性。长期稳定的地下水面有利于风化壳形成明显的分 带，而地下水面的变化将造成各带界面的改变。 （六）时间条件在风化过程中，分解、淋滤易溶化合物(如硫化物、 硫酸盐、卤化物等)需要较长的时间，而分解硅酸盐矿物 则需要更长的时间。如苏联南乌拉尔风化型硅酸镍矿床是在长达1500万 2000万年的时间间隔内形成的。因此，只有在一个较长时期稳定的地质环境中，才可 以使风化作用进行得彻底，使岩石中的各种矿物组份的绝 大部分被分解淋失，仅有一些稳定的矿物和惰性组份残留 下来，形成厚
14、度巨大的风化壳矿床。三、风化矿床的成矿作用及矿床类型（一）风化作用原岩被分解、溶失的主要营力是化学营力和生物营力。其中氧 和二氧化碳对岩石的反应异常重要。氧和二氧化碳这两种物质在水圈和大 气圈内比其他任何地方都丰富。因此，水解作用常常伴随着氧化作用（主要 是二价铁变为三份铁的氧化作用）和碳酸化作用。所有这三种作用，都在紧 靠大气圈和岩石圈的界面以下进行着，并与植物根系的生长和有机质的腐烂有密 切关系。结果在本风化的岩石和大气圈之间进行某些风化成矿作用，并形成一个 风化壳，从中通常可鉴别出一系列的“层”或“层位”，每一“层”都具有一定的生 物的、物理的和化学的作用和特性。1物理风化作用物理风化作
15、用是一种以崩解方式把岩石和矿物机械破坏成碎屑 的作用。其主要因素有冰楔作用，植物根系的楔插作用，昼夜温度的变化，层 状节理化作用，暴风沙的冲击作用及冰川的侵蚀作用等。但是，除亚北极带和温 带高寒地区外，物理风化与化学风化相比，几乎是微不足道的。2化学风化作用 原岩由于化学作用，使组成岩石的矿物发生分解。也就是富含 氧及二氧化碳的水（雨水和土壤水）与矿物发生化学反应的过程。 风化现象最完善的研究是既分析矿物的变化，同时又分析化学的变化。最有 效的研究，是把这些变化同风化剖面上的风化强度或者深度联系起来。分析不同 气候带的基岩的化学风化作用。尽管化学的和矿物的变化的完整程度不同，它们 都是时间和风
16、化作用强度的函数。对岩浆岩来说，矿物风化的顺序同矿物从岩浆 中结晶的次序相同，在深处较早结晶的那些矿物，在地表则是首先分解的。3生物风化作用生物风化作用实质上是由生物生活和死亡过程中引起的化学风 化作用。十九世纪八十年代开始认识了生物风化作用对风化壳形成的重要性。 细菌、真菌、蚯蚓、藻类以及地衣等低级生物所组成的生物群覆盖在岩石表面上 ，或存在于土壤中，所有这些生物都能酸化周围环境。这是由于它们呼吸时排出 二氧化碳，而有的还在新陈代谢中排出有机酸；生物死亡后，则分解成各种有机 酸，如腐植酸、褐酸等。自然界中有些微生物，特别是铁细菌、硫细菌和还原硫酸盐细菌，具有氧化 或还原某些元素的能力。如铁细菌能将二价铁氧化为三价铁；硫细
