沸石的成因

沸石为Na、Ca等金属离子的含水铝硅酸盐矿物。

Na、Ca、Al、Si元素在地壳中的含量是很丰富的,它们均为主要的造岩元素,所以沸石应该是比较常见而且分布比较广泛的造岩矿物。

在岩浆作用过程中,最初因温度较高,岩浆以SiO4为主。它是弱酸,不能和强碱性的阳离子K+、Na+结合,而只能与碱土金属族的Mg2+和Fe2+结合,所以最早形成由 Mgsio4和 Fesic4所构成的橄榄石和由 Mgsio3和 Fesic3构成的辉石。随着温度降低,出现Si4OR1和Si2O-,酸性增强,可与碱性较强的K+a+、Ca2+结合形成角闪石和云母。当岩浆中出现硅铝酸根后,由于它是一种较强的酸,故能与碱金属K+、Na+和碱土金属Ca结合形成各种长石。所以,在岩浆作用阶段几乎没有沸石的出现。

在热液阶段,随着热液的运移及与围岩作用,热液由酸性逐渐转变为弱碱性,弱碱性的条件有利于沸石的形成。我们知道矿物的结晶顺序是按晶格能递减的顺序进行的。对硅酸盐矿物,首先形成的是岛状构造硅酸盐,其次是链状、层状构造硅酸盐,最后是架状构造硅酸盐。所以,在低温热液阶段有少量的沸石形成。但是由于沸石矿化受岩石渗透性的约束,只有在岩石空洞裂隙比较发育的地段矿化才较为有利。这就造成了岩石中沸石矿物分布的不均匀性。尽管在岩石空洞裂隙发育的条件下,其成矿的物理化学环境也有很大差别。所以,热液作用条件下生成的沸石矿化工业意义较小。
绝大部分的沸石成分是由沉积的铝硅酸盐矿物与孔隙水反应形成的(或由铝硅酸盐矿物经热液蚀变形成)。由于原岩质地均匀,成矿的物理化学条件也比较稳定,在成岩作用中沸石生成速度缓慢,故可形成重要的工业矿床。

沸石的成因与下列因素有关：

1>母岩的成分、粒度、渗透性火山碎屑火山玻璃岩(如珍珠岩等)是形成沸石最有利的母岩。这些岩石富含SiO2、Al2O3及一定量的CaO、Na2O等成分,它们为沸石的形成提供了必要的物质基础。另外,这些岩石还具有特殊的结构构造和发育的空洞裂隙,为孔隙水的循环提供了良好的条件。如流纹质凝灰岩、英安质凝灰岩主要形成高硅沸石——斜发沸石、丝光沸石等;锰铁质凝灰岩主要形成低硅沸石——钙十字沸石、辉沸石、方沸石等。橙玄玻璃质凝灰岩与八面沸石、方沸
石、辉沸石和丝光沸石有关。含斜长石砂岩和石质火山砂岩与浊沸石、片沸石有关。从以上可看出,碱含量高的高硅沸石主要产于酸性岩中,而低硅沸石则赋存于SiO2含量较低的基性岩中。

2>孔隙水的pH值有充分的孔隙水是使铝硅酸盐水化形成沸石的基本因素,而水溶液的pH值对沸石的形成起着决定性的影响。pH值过小则可能生成高岭石;pH值过大则生成层状硅酸盐,只有适当的pH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的条件下,百万年内不发生变化,而在偏碱性的条件下,即在pH=9.1~9.9时,则火山玻璃几万年就可形成沸石。这说明适当的pH值和盐碱度有利于火山玻璃迅速形成沸石。

3>温度和压力沸石是含水矿物,因而易受温度和压力的影响。一般认为沸石是在低温、低压下形成的,但低温、低压条件也可生成蒙脱石。只有在适当的温度下才有利于沸石的形成。研究结果表明,100~250℃有利于沸石的形成。从人工合成沸石的条件来看,一般采用100~180℃的温度和980kPa压力较为有利。
CO2的分压对沸石的稳定性也是个重要控制因素,分压太高则降低H2O的活动性,妨碍沸石的形成;充足的CO2又促使方解石的形成而不利于形成沸石。在温度和压力都增加的条件下,含水少、密度大的沸石(如浊沸石、方沸石)较含水
多、密度小的沸石(如菱沸石、片沸石)稳定。当沉积层埋藏温度升高到150℃时,出现沸石被长石置换的现象。

4>基本阳离子和硅的活动性金属阳离子、氧化硅和水的化学活性对从溶液中结晶成的沸石种类有影响。高的pH值将促进高含量阳离子沸石的生成。如果溶液中有氢离子,则氢离子可与可供交换的阳离子竞争。按照竞争离子量的多少或形成格架构造硅酸盐(即沸石)或形成层状构造的硅酸盐(如黏土矿物)。
另外,阳离子活动性比值的高低对形成沸石的种类也有影响。Ca2+活动性与Na+的活动性比值高,形成斜钙沸石的可能性就比方沸石大,形成丝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+活动性与Ca2+活动性比值高,形成钙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显的垂直带性。密度较小的水化物往往靠近地表,随深度增大,沸石逐渐相变为无水的架状铝硅酸盐矿物(如长石)。

日本九州北部的沸石矿床自地表向下可分为四个带:
①深度0.9~2.0km为斜发沸石、丝光沸石和方英石带;
②深度2.0~2.8km为片沸石、方沸石、石英钙长石和钾长石带;
③深度2.8~3.0km为浊沸石、石英钠长石、绿帘石、绿泥石和钾长石带
④深度3.0~5.0km为石英钠长石、白云母、绿泥石和钾长石带。这种分带性一般认为和地热梯度、固体压力、裂隙溶液的化学梯度、岩石的矿物成分和化学成分生成年代等诸因素有关。

除此之外,根据现有沸石的产出情况,还认为沸石的分布与地质时代有关。目前世界已知的绝大多数沸石矿床,其形成时代多在中生代至新生代。例如,钙十字沸石、斜发沸石、毛沸石、丝光沸石和菱沸石在新生代岩层比前新生代岩层更为常见,这些沸石的丰度随中生代到古生代岩层年代的增长而减少。