高校地质学报GEOLOGICAL JOURNAL OF CHINA UNIVERSITIES2000 Vol.6 No.2 P.156-162

黄铁矿载金的原因和特征

高振敏 杨竹森 李红阳 罗泰义 姚林波 饶文波

摘 要: 对102个金矿床载金矿物的统计表明,黄铁矿是最普遍最重要的载金矿物。造成黄铁矿成为主要载金矿物的原因,有三个矿物学方面的因素,即结构因素、成核因素和电化学因素。结构因素表现在黄铁矿晶体结构中存在对硫 [S22-,对硫 形成过程中对金离子具还原效应。成核因素表现在自然金成核常选择原子排布与之最接近的黄铁矿表面为衬底,以降低成核能。电化学因素表现在黄铁矿的热电性导致金离子在其表面发生电化学反应而沉淀结晶。对黄铁矿载金能力的分析表明,细粒、它形、裂隙发育程度高、As和Sb含量高以及P型的黄铁矿载金能力高,自形黄铁矿中的{210}、S面{100}及其聚形晶的载金能力高。
关 键 词: 黄铁矿; 载金矿物; 载金原因; 晶体生长
中图分类号: P587.292     文献标识码: A
文章编号:
1006-7493(2000)02-0156-07

Genesis and Characteristics of Gold Hosted by Pyrite

GAO Zhen-min,YANG Zhu-sen,LI Hong-yang,
LUO Tai-yi,YAO Lin-bo,RAO Wen-bo
(Open Laboratory of Deposit Geochemistry, Institute of Geochemistry,
Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002)

AbstractMany geological facts show that pyrite is an important gold -hosting mi neral in gold deposits. Many geologists have studied the genesis of this phenome non in the past based on the geochemical properties of elements and adsorption e xperiments. In this paper, the genesis and characteristics of gold hosted by pyr ite is studied mainly in the light of mineral structures and properties as well as crystal growth of pyrite and native gold so as to comprehend this phenomenon further.
  According to the statistical data of gold-hosting minerals from 102 gold deposi ts with different genetic types, there are more than 19 species of minerals cons idered as gold-hosting minerals, which include sulfides, oxides, silicates, car bonates and sulfates. Of these gold-hosting minerals, pyrite is the most common and most important gold-hosting mineral in gold deposits. The number of gold d eposits with pyrite as gold-hosting mineral is up to 98% of the total 102 gold deposits, and the number of gold deposits with pyrite as major gold-hosting min eral is about 85%.
  The cause for pyrite to be a major gold-hosting mineral comprises three mineral ogical factors: the structural factor,nucleation factor and electrochemical fact or. The biatomic sulfur S22- in the crystal structure of pyrite may cause the reduction of Au+ and Au3+ to Au0 during the biatomic sulfur formtion. The crystal nucleation of native gold usually selects the pyrite surf ace as backing in order to decrease the energy barrier of crystal nucleation, be cause the arrangement of atoms in pyrite is closest to that in native gold. The electrochemical reaction caused by the thermoelectricity of pyrite may take plac e on the pyrite surface, which in turn may reduce the ionic gold to Au0 to cry stallize.
  Analysis on the gold-hosting capacity of pyrite shows that the fine-grained,an hedral, cracked pyrites with higher contents of As and Sb, and with P-type the rmoelectricity have higher capacity of gold-hosting. The euhedral pyrites with {210}, step-face {100} and combined form also have higher capacity of gold-hos ting.

Key words: pyrite; gold-hosting mineral; genesis of gold-hosting; cry stal growth

  大量地质事实表明,黄铁矿是金矿床中重要的载金矿物。对这一现象的成因,前人已从元素 的地球化学性质、矿物表面结构和吸附实验等方面进行了研究[1~6]。本文着重从 矿物的结构和性质以及矿物的结晶行为等方面,对黄铁矿载金的原因和特征进行探讨,以资 对这一现象的深入理解。

1 载金矿物和金的赋存形式

  对102个不同类型(包括绿岩带型、浅变质碎屑岩型、沉积岩型、火山岩型和侵入岩内外接 触带型)金矿床[2, 3, 7~14]作了统计,显示载金矿物涉及硫化物及其类似化合 物、氧化物、硅酸盐、碳酸盐和硫酸盐类矿物。其中硫化物类包括黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜 矿 、斑铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉锑矿、毒砂、雄黄和硫盐矿物;氧化物类有石英和赤铁矿; 硅酸盐类包括钾长石、铬绢云母和高岭石、地开石、伊利石等粘土矿物;碳酸盐和硫酸盐类 有铁白云石和重晶石。在这102个金矿床内,载金矿物中出现黄铁矿的金矿床占总数的98%( 图1),载金矿物中出现石英的金矿床占总数的70%,出现毒砂和硫盐矿物的金矿床分别占总 数的43%和33%,而出现其它载金矿物的金矿床所占比例很低。此外,以黄铁矿为主要载金矿 物的金矿床占总数的85%,而以石英为主要载金矿物的金矿床只占总数的13%,其它以铬绢云 母、黄铜矿为主要载金矿物的金矿床占总数的2%。因此,黄铁矿是金矿床中普遍而重要的载 金矿物。

图1 102个金矿床中不同载金矿物出现频率直方图
Fig. 1 Frequency histogram of different gold-hosting
minerals in 102 gold deposits

  黄铁矿中的金有三种赋存形式[2, 3],即显微-次显微颗粒金、细分散相的胶态金 和离子态的晶格金。 在这三种赋存形式中, 多数情况下以显微-次显微颗粒金占主导地位 , 而离子态的 晶格金所占比重很小。如胶东玲珑金矿床黄铁矿中金的赋存形式,据陈光远等[3] 的研究,显 微-次显微颗粒金占80.22%,细分散相的胶态金占17.89%,离子态的金占1.89%。但少数情况下,含砷黄铁矿中离子态的晶格金所占比重增大,如美国内华达州的Twin Cre eks卡林型金矿床[15, 16]。在显微-次显微颗粒金中,主要包括包体金、裂隙金 和晶隙金三种赋存状态,其间的比例关系,因矿床形成的条件不同而异。

2 黄铁矿载金的原因

2.1 结构因素
  黄铁矿属复硫化物,其晶体结构中,Fe原子占据立方体晶胞的角顶与面心,S原子组成以共 价键结合的哑铃状对硫[S22-,其中心位于晶胞棱的中点和体心[17] 。 然而,在还原环境的热液体系中,硫常以HS、H2S和S2-等形式存在[18 ]。所以,在黄铁矿 结晶时,硫首先需要结合成对硫[S22-;否则,黄铁矿就不能结晶,而代之以 磁黄铁矿的形成。对硫的形成主要是因氧化还原电位或氧逸度的略微升高,导致2S2- →[S22-+2e。这一过程可使金的络合物特别是含S2-的金的络合物发 生分解 ,所释放的价电子可使Au+或Au3+被还原成Au0。因此,伴随黄铁矿的结晶过 程,在其周围的热液中,离子态的金可被还原成Au0。这些被还原的金原子吸附于黄铁矿 表面适当的位置,成为自然金成核的中心。因此,由黄铁矿晶体结构中对硫[S2 2-的形成所引起的还原效应,是导致黄铁矿载金的因素之一。
  此外,由于砷和硫能以共价键方式结合成砷硫对[AsS]2-,故砷可以呈类质同像方 式 进入黄铁矿晶格内。但因砷的离子半径比硫的离子半径大,砷置换硫势必引起黄铁矿晶格在 局部发生畸变。这种畸变有利于金离子(Au++Au3+)替代铁离子(2Fe2+) 而进入黄铁矿的晶格内,导致含砷的黄铁矿(尤其是毒砂)中离子态的晶格金含量增高。因 此,黄铁矿中砷置换硫引起的局部晶格畸变,增加了含砷黄铁矿载金的能力。
2.2 成核因素
  矿物生长首先需要成核,包括均匀成核和非均匀成核。由晶体生长的动力学理论[19] 可知, 非均匀成核比均匀成核所需的成核能低,故在热液成矿系统中,常见的是以先存矿物表面为 衬底的非均匀成核。在非均匀成核过程中,衬底和胚团(直径小于晶核的原子团)间的界面 性质对成核行为有影响,表现在界面两侧异相点阵的不匹配程度(用错合度来描述)对成核能 的大小有影响,即界面两侧原子排布(包括原子间距和原子列取向)差异越小,错合度越 小,引起成核能的增加量越小;反之,界面两侧原子排布的差异越大,错合度越大,引起成 核能的增加量越大。因此,错合度越小的衬底上,成核越容易。此外,由于衬底上的凹陷和 凹角处成核所需的成核能比平衬底上成核所需的成核能要低,所以,晶核优先在衬底上的凹 陷和凹角处形成。
  由自然金和与之共生的常见矿物的晶体结构(表1)可知,黄铁矿的晶体结构与自然金最相 近,即自然金为立方面心格子,而黄铁矿为假立方面心格子(结点排布方向相同),且两者 间 又具有最小的原子间距差值,使得两者间原子排布的错合度最小,导致自然金在黄铁矿表面 成核所需的成核能最低。因此,在金矿成矿过程中,黄铁矿的表面是自然金成核的最佳衬底 ,其上的凹陷和凹角处是自然金晶核形成的优先位置。自然金的晶核一旦形成,则,或逐步 生长 为显微-次显微的颗粒金,或直接被包裹而呈胶态金。由于黄铁矿表面自然金的优先生长将 消耗热液体系中的金,从而限制了其它矿物表面自然金的成核和生长,使得黄铁矿成为主要 的载金矿物。

表1 自然金及其常见共生矿物的晶体结构[17]
Table 1 The crystal structures of native gold and its common associated minerals

  自然金 黄铁矿 毒砂 方铅矿 闪锌矿 黄铜矿 辉锑矿 石英
晶系 等轴 等轴 单斜 等轴 等轴 四方 斜方 三方
空间群 Oh5-Fm3m Th6-Pa3 C2h5-P21/c Oh5-Fm3 m Td2-F43m D2d12-I42d D2h16-Pbnm D3 4-P3121
晶 a0 0.4078 0.5417 0.95 3 0.594 0.540 0.524 1.122 0.4913
胞 b0     0.566       1 .130  
参 c0     0.643     1.032
0.384 0.5405
数 β0     9 0°          
(nm)                
2.3 电化学因素
  黄铁矿是半导体矿物,具有热电性特征[3],即在温差激发下,黄铁矿内的载流子 发生迁移,在两端形成电位差。在黄铁矿结晶过程中,生长端和固着端间存在着温度差,导 致两端形成一定的电位差。在具电解液性质的热液中,这种电位差可在黄铁矿周围形成局部 的电化学回路,使热液中的Au+和Au3+及其络合离子向黄铁矿的生长表面迁移,并 在黄铁矿的表面发生电化学反应,使金离子还原为Au0而沉淀结晶。此外,黄铁矿的这种 半导体性质,还可使黄铁矿在生长过程中,由于从S2-形成[S22-而 释 放的外层价电子转移到在其表面上生长的自然金的晶核中,有助于自然金晶核表面吸附的金 离子的还原,从而促进自然金的生长。
  综合上述三方面的因素,黄铁矿表面对于自然金的成核和生长最有利,因此,在金矿成矿过 程中,黄铁矿特别是含砷黄铁矿是自然金的最佳载体。

3 黄铁矿载金的特征

  不同的地质环境和不同的热液条件下,黄铁矿的结晶行为不同,导致黄铁矿在粒度、自形程 度、晶体形态、热电性、裂隙发育程度以及杂质元素的含量等方面存在着差异。因此,不同 标型特征的黄铁矿,其载金的能力不同。
3.1 粒度与载金能力
  
黄铁矿的粒度受生长速率、生长时间、生长空间以及系统中黄铁矿的成 核率即晶核数量的制约,其中生长速率和成核率与热液的过饱和度成正比[19]。在 金矿成矿的实际过程中,因过饱和度常与温度成反比,故在温度较高的早期阶段,热液的过 饱和度较低,虽然黄铁矿的生长速率小,但因黄铁矿的成核率较小,形成的晶核数量少,热 液中的铁和硫聚集到数量有限的黄铁矿颗粒上,使得黄铁矿生长成粒度较大的颗粒;在温度 较低的中晚期阶段,热液的过饱和度较高,虽然黄铁矿的生长速率大,但因黄铁矿的成核率 也大,形成的晶核数量多,热液中的铁和硫分散生长到众多的黄铁矿颗粒上,致使黄铁矿的 结晶粒度较小。由于快速生长的黄铁矿,其表面上的结晶中心多(多二维核生长),各结晶 中心间众多的凹陷和凹角为自然金的成核和生长提供了有利的位置;并且在这种快速生长的 黄铁矿表面上结晶的自然金微粒,没有充足的时间被黄铁矿排出而包裹于黄铁矿内,使得快 速生长的黄铁矿相对于缓慢生长的黄铁矿具有较高的载金能力。因此,在多数情况下,快速 生长形成的细粒黄铁矿比缓慢生长形成的粗粒黄铁矿载金能力高。
3.2 自形程度与载金能力
  
自形黄铁矿由规则的晶面所围限,其表面较平整。他形黄铁矿表 面不规则,其上常发育众多的凹陷和凹角。因此,他形黄铁矿表面比自形黄铁矿表面具有更 多 的有利于自然金成核和生长的位置,使得他形黄铁矿比自形黄铁矿具有较高的载金能力。此 外,他形黄铁矿的发育,主要是由快速生长和相邻矿物颗粒生长的空间竞争引起的,他形黄 铁矿颗粒间或与其它矿物颗粒间存在的凹陷和凹角,为晶隙金的成核和生长提供了有利位置 ,这也导致他形黄铁矿比自形黄铁矿载金能力高。
3.3 晶体形态与载金能力
  
黄铁矿的晶体形态主要有立方体{100}、五角十二面体{210}、八面 体{111}及其聚形。对黄铁矿晶体三个主要单形晶面的微形貌和生长机制的研究[3, 10 ]表明:在硫逸度较低的条件下,黄铁矿主要表现为{100}面上的层状生长,形成晶面光 滑或具岛状生长条纹的{100};随着硫逸度的增高,{100}面上的垂向生长速率增大,出现由 {100}面上生长层边缘的阶梯面构成的{210}和{111}面,形成具正条纹的{210}、{111}或其 与{100}的聚形;硫逸度再增高,出现{210}面上层状生长形成的具负条纹的{210};在硫逸 度更高的条件下,{210}面上的垂向生长速率增大,形成由{210}面上生长层边缘的阶梯面构 成的{100},其上具平直的聚形条纹。由于{210}和S面{100}面上经常发育聚形条纹,且 其形态规则,高度条纹的阶梯较大,为自然金的成核提供了有利的凹角,生成的自然金颗粒 也较稳定,且容易被黄铁矿包裹。因此,{210}和S面{100}及其聚形黄铁矿具有较高的载金 能力 ,这与黄铁矿合成实验的结果一致[18]。对于光滑的{100},虽然其上有时形成岛 状生长条 纹,但该种条纹由大量细小的阶梯构成,阶梯高度较小,在凹角处成核生长的自然金颗粒常 凸出于阶梯之上,不易被黄铁矿包裹,因此,表面光滑的{100}黄铁矿的载金能力要低。
3.4 热电性与载金能力
  
黄铁矿的热电性包括导电类型(电子导电型,即N型;空穴导电型 ,即P型)和热电系数(单位温差的热电势)。对于P型黄铁矿,其高温端聚集负电荷;N型 黄铁矿,则高温端聚集正电荷[3]。通常情况下,黄铁矿在结晶过程中,其生长端 温度高,而固着端温度低。因此,P型黄铁矿在生长端常聚集负电荷,这可引起周围热液中 的离子态金发生电化学反应而沉淀结晶,使得P型黄铁矿的载金能力高于N型黄铁矿。此外, As、Sb等杂质元素置换黄铁矿中的S,可使黄铁矿呈P型导型;Co、Ni等杂质元素置换黄铁矿 中的Fe,可使黄铁矿呈N型导型[3]。由于As置换S导致黄铁矿局部晶格畸变有利于 金进入黄铁矿晶格,因此含As和Sb高的P型黄铁矿具有较高的载金能力。
3.5 裂隙发育程度与载金能力
  
先期形成的黄铁矿在后期的构造活动过程中发生破碎,在 其内部可形成大量的裂隙和微裂隙。此外,先期形成的黄铁矿在后期热液活动过程中发生淬 冷或加热,也可在黄铁矿内部形成微裂隙。这些裂隙侧壁上的凹坑和凹角以及微裂隙本身构 成的凹陷,为含金黄铁矿在碎裂过程中金的固态扩散,或后期热液活动形成的裂隙金和晶隙 金的成核和生长,提供了有利位置。因此,裂隙发育程度高的碎裂状黄铁矿具有较高的载金 能力。
  综上所述,细粒、他形、裂隙发育程度高、As和Sb含量高以及P型的黄铁矿,载金能力高; 自形黄铁矿中的{210}、S面{100}及其聚形晶的载金能力高。这与许多金矿床的地质事实相 吻合。例如,胶东地区的焦家、新城、仓上、三山岛、玲珑、栖霞等金矿床[3, 20~2 2],矿 体内的黄铁矿比围岩中的黄铁矿粒度细,他形颗粒多,自形晶中{210}和S面{100}及其聚形 多,P型黄 铁矿出现率高;而富矿体比贫矿体中的黄铁矿粒度更细,他形颗粒更多,自形晶中{210}或S 面{100}所占比例更高。另外,胶东地区的大型和超大型金矿床或超高品位金矿床[3, 20~23]中,P型黄铁矿出现率均很高。滇黔桂和川陕甘金三角区的卡林型金矿床[2 ],他形黄铁矿表面和微裂隙中生长较多的次显微颗粒金。美国内华达州的卡林型金矿床 [15, 16],细粒黄铁矿比粗粒黄铁矿含金量高,含As高的黄铁矿比含As低的黄铁矿 含金量高。

4 问题和讨论

  以上仅从矿物学和晶体生长方面对黄铁矿载金的原因进行了粗略的分析,还有下述许多细 致问题有待深入探讨。
  (1)对硫[S22-的形成及其还原效应问题。热液中能否直接由S2-形成 对 硫,可从火山喷气孔中常有大量单质硫形成得到证实,即热流体中的HS或H2S因氧逸 度 的升高而以共价键方式结合成8原子环的硫分子,同时将H+还原为H2。因此,在热液中 氧 逸度升高时,可以直接形成对硫,同时形成H2等。在对硫形成过程中,S2-释放的 外层价电子即可直接将金离子还原为Au0,又可以先将H+还原为H2,再通过H2将金 离子间接还原为Au0,故还原效应是一个综合效应。
  (2)电化学因素作用的大小问题。由于黄铁矿中载流子的迁移率随温度的增高呈非线性地 降低[3],同时黄铁矿生长端与固着端间的温差不大,由此激发的热电势值可能较 小,使得电化学因素对黄铁矿载金的影响相对其它因素可能很微弱。但是电化学因素引起的 氧化-还原过程,对金离子的还原以及黄铁矿和金的共沉淀具有促进作用。
  (3)黄铁矿所载金的粒度问题。由于黄铁矿表面有利于自然金的成核,所形成的晶核数量 较多,使得自然金的粒度较小。这可能是粗粒的明金在黄铁矿富集部位少见,而多出现于石 英富集部位的原因。此外,金的粒度还与热液的温度、pH值、Eh值和成矿阶段等有关。

基金项目: 国家自然科学基金项目(49873021);中国科学院 重大项目A(KZ-951-A1-404-02)
第一作者简介:高振敏,男,1940年生,大学,研究员,矿物学和矿床地球化学。
高振敏(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)
杨竹森(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)
李红阳(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)
罗泰义(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)
姚林波(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)
饶文波(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放研究实验室, 贵州 贵阳 550002)

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收稿日期: 1999-12-21; 修订日期: 2000-01-25