沸石的成因

沸石為Na、Ca等金屬離子的含水鋁硅酸鹽礦物。

Na、Ca、Al、Si元素在地殼中的含量是很豐富的,它們均為主要的造巖元素,所以沸石應該是比較常見而且分布比較廣泛的造巖礦物。

在巖漿作用過程中,最初因溫度較高,巖漿以SiO4為主。它是弱酸,不能和強堿性的陽離子K+、Na+結(jié)合,而只能與堿土金屬族的Mg2+和Fe2+結(jié)合,所以最早形成由 Mgsio4和 Fesic4所構(gòu)成的橄欖石和由 Mgsio3和 Fesic3構(gòu)成的輝石。隨著溫度降低,出現(xiàn)Si4OR1和Si2O-,酸性增強,可與堿性較強的K+a+、Ca2+結(jié)合形成角閃石和云母。當巖漿中出現(xiàn)硅鋁酸根后,由于它是一種較強的酸,故能與堿金屬K+、Na+和堿土金屬Ca結(jié)合形成各種長石。所以,在巖漿作用階段幾乎沒有沸石的出現(xiàn)。

在熱液階段,隨著熱液的運移及與圍巖作用,熱液由酸性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性,弱堿性的條件有利于沸石的形成。我們知道礦物的結(jié)晶順序是按晶格能遞減的順序進行的。對硅酸鹽礦物,首先形成的是島狀構(gòu)造硅酸鹽,其次是鏈狀、層狀構(gòu)造硅酸鹽,最后是架狀構(gòu)造硅酸鹽。所以,在低溫熱液階段有少量的沸石形成。但是由于沸石礦化受巖石滲透性的約束,只有在巖石空洞裂隙比較發(fā)育的地段礦化才較為有利。這就造成了巖石中沸石礦物分布的不均勻性。盡管在巖石空洞裂隙發(fā)育的條件下,其成礦的物理化學環(huán)境也有很大差別。所以,熱液作用條件下生成的沸石礦化工業(yè)意義較小。
絕大部分的沸石成分是由沉積的鋁硅酸鹽礦物與孔隙水反應形成的(或由鋁硅酸鹽礦物經(jīng)熱液蝕變形成)。由于原巖質(zhì)地均勻,成礦的物理化學條件也比較穩(wěn)定,在成巖作用中沸石生成速度緩慢,故可形成重要的工業(yè)礦床。

沸石的成因與下列因素有關(guān)：

1>母巖的成分、粒度、滲透性火山碎屑火山玻璃巖(如珍珠巖等)是形成沸石最有利的母巖。這些巖石富含SiO2、Al2O3及一定量的CaO、Na2O等成分,它們?yōu)榉惺男纬商峁┝吮匾奈镔|(zhì)基礎。另外,這些巖石還具有特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和發(fā)育的空洞裂隙,為孔隙水的循環(huán)提供了良好的條件。如流紋質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰?guī)r主要形成高硅沸石——斜發(fā)沸石、絲光沸石等;錳鐵質(zhì)凝灰?guī)r主要形成低硅沸石——鈣十字沸石、輝沸石、方沸石等。橙玄玻璃質(zhì)凝灰?guī)r與八面沸石、方沸
石、輝沸石和絲光沸石有關(guān)。含斜長石砂巖和石質(zhì)火山砂巖與濁沸石、片沸石有關(guān)。從以上可看出,堿含量高的高硅沸石主要產(chǎn)于酸性巖中,而低硅沸石則賦存于SiO2含量較低的基性巖中。

2>孔隙水的pH值有充分的孔隙水是使鋁硅酸鹽水化形成沸石的基本因素,而水溶液的pH值對沸石的形成起著決定性的影響。pH值過小則可能生成高嶺石;pH值過大則生成層狀硅酸鹽,只有適當?shù)膒H值(9~11)才有利于沸石的形成。研究表明,火山玻璃在pH=7.5~8.1的條件下,百萬年內(nèi)不發(fā)生變化,而在偏堿性的條件下,即在pH=9.1~9.9時,則火山玻璃幾萬年就可形成沸石。這說明適當?shù)膒H值和鹽堿度有利于火山玻璃迅速形成沸石。

3>溫度和壓力沸石是含水礦物,因而易受溫度和壓力的影響。一般認為沸石是在低溫、低壓下形成的,但低溫、低壓條件也可生成蒙脫石。只有在適當?shù)臏囟认虏庞欣诜惺男纬?。研究結(jié)果表明,100~250℃有利于沸石的形成。從人工合成沸石的條件來看,一般采用100~180℃的溫度和980kPa壓力較為有利。
CO2的分壓對沸石的穩(wěn)定性也是個重要控制因素,分壓太高則降低H2O的活動性,妨礙沸石的形成;充足的CO2又促使方解石的形成而不利于形成沸石。在溫度和壓力都增加的條件下,含水少、密度大的沸石(如濁沸石、方沸石)較含水
多、密度小的沸石(如菱沸石、片沸石)穩(wěn)定。當沉積層埋藏溫度升高到150℃時,出現(xiàn)沸石被長石置換的現(xiàn)象。

4>基本陽離子和硅的活動性金屬陽離子、氧化硅和水的化學活性對從溶液中結(jié)晶成的沸石種類有影響。高的pH值將促進高含量陽離子沸石的生成。如果溶液中有氫離子,則氫離子可與可供交換的陽離子競爭。按照競爭離子量的多少或形成格架構(gòu)造硅酸鹽(即沸石)或形成層狀構(gòu)造的硅酸鹽(如黏土礦物)。
另外,陽離子活動性比值的高低對形成沸石的種類也有影響。Ca2+活動性與Na+的活動性比值高,形成斜鈣沸石的可能性就比方沸石大,形成絲光沸石可能性比片沸石大,形成片沸石比菱沸石可能性大;K+活動性與Ca2+活動性比值高,形成鈣十字沸石的可能性比菱沸石大。

5>埋藏深度沸石的分布有明顯的垂直帶性。密度較小的水化物往往靠近地表,隨深度增大,沸石逐漸相變?yōu)闊o水的架狀鋁硅酸鹽礦物(如長石)。

日本九州北部的沸石礦床自地表向下可分為四個帶:
①深度0.9~2.0km為斜發(fā)沸石、絲光沸石和方英石帶;
②深度2.0~2.8km為片沸石、方沸石、石英鈣長石和鉀長石帶;
③深度2.8~3.0km為濁沸石、石英鈉長石、綠簾石、綠泥石和鉀長石帶
④深度3.0~5.0km為石英鈉長石、白云母、綠泥石和鉀長石帶。這種分帶性一般認為和地熱梯度、固體壓力、裂隙溶液的化學梯度、巖石的礦物成分和化學成分生成年代等諸因素有關(guān)。

除此之外,根據(jù)現(xiàn)有沸石的產(chǎn)出情況,還認為沸石的分布與地質(zhì)時代有關(guān)。目前世界已知的絕大多數(shù)沸石礦床,其形成時代多在中生代至新生代。例如,鈣十字沸石、斜發(fā)沸石、毛沸石、絲光沸石和菱沸石在新生代巖層比前新生代巖層更為常見,這些沸石的豐度隨中生代到古生代巖層年代的增長而減少。