親銅元素

親銅元素指與硫的親和力強，在自然界主要以硫化物狀態產出的元素，包括Cu 、Ni 、Co 和鉑族元素等。這些元素都在幔源岩漿中含量較高，並且極易與硫結合，因此當幔源岩漿中的硫發生熔離時，這些親銅元素就在硫化物中富集，當富集到一定含量的時候就形成岩漿銅鎳硫化物礦牀，因此硫和親銅元素在幔源岩漿演化過程中的行為是探討岩漿硫化物礦牀成礦作用的一個窗口。岩漿硫化物礦牀是產出銅、鎳、鉑族等金屬元素的主要礦牀，而且這類礦牀源於幔源岩漿，併產於不同的地質環境。根據岩漿硫化物礦牀產出的大地構造環境將其劃分為綠巖帶型礦牀、大陸邊緣裂谷型礦牀、克拉通礦牀、活動造山帶型礦牀。湯中立等岩漿硫化物礦牀的成礦時代、構造環境及岩石組合將這類礦牀劃分為:元古宙與古隕石坑有關的礦牀、元古宙以後與大陸裂解有關的小型侵入體礦牀、顯生宙與大陸裂谷溢流玄武岩有關的礦牀、太古宙綠巖帶與科馬提巖有關的礦牀、早元古代大陸層狀侵入體礦牀。此外還有一些學者的分類對於岩漿硫化物礦牀的成礦模式也有不同解釋。總結了控制岩漿硫化物礦牀形成的關鍵因素，根據中國的小巖體礦牀也提出了硫化物深部預富集的成礦機制，此外劉月星提出了“ 以岩漿深部熔離作用為主導的脈動式”成礦模式，蘇尚國等總結了該類礦牀的控制因素，而且一些學者還從成礦系統方面對其進行了探討。

儘管岩漿硫化物礦牀成礦模式存在區別，但是所有的模式都必須經歷如下相同的岩漿演化過程，涉及到硫和親銅元素在岩漿中的行為過程，包括兩方面：

① 硫化物在岩漿中達到飽和並熔離；

② 親銅元素在硫化物中富集到工業品位。硫在岩漿中的溶解度受壓力、温度、FeO 和Si₂O 含量、圍巖硫的加入的影響，這些因素控制了硫化物在岩漿中的熔離。而親銅元素在形成岩漿硫化物礦牀的過程中發生四個交換反應：

① 在岩漿結晶過程中和硫化物未發生熔離之前，親銅元素在結晶相和殘餘熔體之間的分配；

② 在硫化物與岩漿發生熔離之後，親銅元素在硫化物和殘餘岩漿之間的分配；

③ 堆晶相捕獲液態硫化物時，橄欖石與液態硫化物發生交換反應，親銅元素在硅酸鹽晶體相和液態硫化物相之間的分配；

④ 液態硫化物結晶分異的時候，親銅元素在單硫化物固溶體和液態硫化物之間交換反應。

岩漿硫化物成礦作用向定量化模擬的方向發展，而上述四個交換反應過程是實現定量化模擬的基礎。通過實驗得出控制四個交換反應的因素,並將基於實驗的參數用於模擬自然界的成礦過程當中，進行定量或半定量化研究 ^[1]  。

地球科學中，元素之間的親合性是元素地球化學行為的基本屬性。1923 年V .M .戈爾德斯密特首次將“親”字用於元素地球化學分類中，將元素分為親石；親鐵；親硫；親生物和親氣5個地球化學族。戈氏的分類在全球地學界影響廣泛，我國學者亦普遍採用。然而迄今國內論著及教材在採用戈氏分類時，均將原著中的“Chalcophile”（親硫）稱為“親銅” 。“ 親硫”和“親銅”是兩個不同的概念，不應混淆。沈永直等的中文譯本中本無“親銅”一詞。“親銅”用詞出現的原因可能有二：

① 地質辭典地球化學詞目中稱“親銅元素”與“親硫元素”為同義語；

② 硫的拉丁字為Chalco ，英文的礦物詞目中以Chalco 為構詞成分的僅有Chalcoci te 一詞（輝銅礦），兩者詞頭相似。上述兩點可能是誤將“親硫”稱為“親銅”的原因。

關於元素“親合性”的概念：元素的不同親合性是反映元素之間不同結合傾向的。戈氏的分類不是以元素的結合屬性為依據的，這對於他從元素在地球各圈層中可能的分佈為構想的分類為出發點是無可非議的。戈氏對於他所使用的“親”字未給予明確的定義。近代地球化學的發展，更顯示了元素地球化學親合性的重要意義，它制約元素濃集、分散、分佈與分配的趨向與結果。學科的發展要求給予元素親合性以明確的定義。地球科學工作的基本方法是反序的（根據地質作用的產物反演其作用過程）。地球化學作用結果所反映的元素親合性表現為元素以3種不同狀態的共生：

①陽離子與陰離子（含絡陰離子）結合所體現的親合性，如鈦與氧結合（TiO₂）、鋅與硫結合（ZnS）各自體現親氧與親硫性。

②元素呈類質同像共生，如粗鉑礦（Pt 、Fe）中的鉑與鐵在晶格中佔位相同所體現的鉑的親鐵性。

③由礦物共生體現的元素親合性，如金與黃鐵礦（FeS₂）共生體現了金的親鐵性。這些討論是為了不應模糊元素親合性的概念，因為元素的不同存在狀態既反映了元素的不同親合性又反映了元素結合規律的不同。正是基於這一認識，對國內慣用的“親銅元素”一詞的確切性及其可能導致的誤解進行了探討，以期地學用詞能夠科學地反映自然的客觀存在。

硫在幔源岩漿中屬於微量元素，探討岩漿中的硫含量和溶解度有助於理解硫化物的熔離機制，也能從中探討岩漿硫化物礦牀的成礦過程。硫在上地幔中是微量組分。當上地幔熔融的温度大於1100℃時，硫會全部熔融，這樣源於地幔熔融的岩漿中含S在2.5%（鉀質、超鉀質岩漿1 %的熔融）到0.05%（科馬提岩漿，50 %熔融）之間，但許多玄武岩漿和科馬提岩漿中含硫在0.01%～0.2%之間，説明硅酸鹽岩漿中只能溶解一定量的S。基於實驗數據表明玄武岩漿中硫的溶解度為0.0505%～0.26%，多餘的S以液態硫化物的形式熔離出來。岩漿硫化物成礦源於硫化物的熔離，因此確定硫化物飽和時岩漿中的硫含量十分重要。影響岩漿中硫化物溶解度的因素包括温度、壓力、氧/硫逸度和岩漿中FeO的含量五個要素。

許多學者通過實驗來研究温度對岩漿中硫溶解度的影響。研究表明隨着岩漿温度的降低,硫的溶解度也降低。SCSS隨壓力的降低而迅速增大已經被大量實驗所證實。通過實驗表明在1400～1800℃、0～10GPa 的範圍內SCSS隨壓力變化了三個數量級,但只隨着温度變化了一個數量級，温度相對於壓力對SCSS的影響較小。在岩漿上升的過程中，温度降低對硫溶解度的降低不能抵消壓力降低對硫溶解度的升高，即使在源區岩漿中的硫已經飽和，在到達地殼淺部後硫在岩漿中將處於不飽和狀態。

FeO是控制硫在岩漿中溶解度的最重要的組分，隨着岩漿中FeO含量的下降，硫的溶解度也逐漸降低，SCSS與FeO呈強相關關係，因此在分異的岩漿中硫化物的溶解度是非線性的，隨着温度的下降和橄欖石、輝石的結晶，岩漿中硫的溶解度迅速下降，因為斜長石結晶不會降低岩漿中鐵的含量，相反會增加FeO的相對含量，因此斜長石的結晶會增加硫化物的溶解度，這樣會抵消温度下降對硫化物溶解度的影響，因此在斜長石結晶的過程中，硫化物的溶解度沒有明顯的變化，這也説明斜長石的結晶不利於硫化物的熔離。

在總結岩漿硫化物礦牀的存在問題時曾經探討過影響岩漿中硫化物熔離的因素。根據硫在岩漿中的化學行為，總結了導致岩漿中硫化物飽和的四個機制：

1.岩漿混合：較熱的富鐵初始岩漿和經過分異的低温貧鐵岩漿混合可以使得岩漿中硫化物的FeO含量驟然降低，硫化物進入超飽和狀態，從而大量硫化物發生熔離。已經發生分異的岩漿與新鮮的初始岩漿混合會使岩漿中的硫熔離出來。通過研究Bushveld的岩漿混合機制、蘇本勳等研究北山地區紅石山岩體也證實了這一點。

2.岩漿温度迅速下降：在侵入體的邊緣這種機制十分顯著，在巖體邊緣由於温度驟然下降，硫化物的含量有明顯增加，這種情況在許多礦區可以見到，如Bushveld雜巖體與底部地層的接觸部位，在熔岩流的底部。

3.硫不飽和或硫飽和岩漿相對快速的結晶分異：在形成大量的鉻鐵礦和磁鐵礦的過程中，岩漿中FeO 的含量顯著降低，引起硫化物溶解度的下降，使得岩漿達到飽和或過飽和狀態，這可以解釋Busheveld 礦區鉻鐵巖的硫化物升高。

(4)岩漿混染：岩漿中SiO₂、Al₂O₃、CaO和fo₂的改變能夠影響硫的溶解度。同化長英質圍巖可以降低玄武岩漿中硫的溶解度，促使硫化物發生熔離。

同化含硫地層或者通過氣化作用吸收地層中的硫可以明顯的提高玄武岩中硫的含量，達到硫過飽和的狀態。通過探討岩漿中硫元素的溶解度這個研究窗口就可以研究硫化物在岩漿中發生熔離的控制因素，此外通過反演原始岩漿的成份還可以推算岩漿的溶解度，進而進行成礦作用的定量化研究。根據實驗岩石學得出的參數就可以推測原始岩漿中硫的含量，還可以知道岩漿的結晶程度、殼源混染、岩漿混合、殼源硫的加入等過程對硫溶解度的影響。儘管通過實驗得出的各種參數是在理想狀態下獲得的,與自然狀態還有一定的差距，但通過實驗原理的改進可以儘量還原自然狀態，這也是研究硫在岩漿中溶解度的一個發展方向 ^[2]  。

親銅元素的在岩漿演化過程中其相容性有差異，因此可以通過這種差異來反演岩漿的結晶分異過程。Ni和Cu在岩漿結晶演化過程中具有不同的趨向性，Ni傾向於進入結晶相，尤其是橄欖石中，因此通過對比Ni在結晶相中的含量就可以反演岩漿演化過程。

在岩漿銅鎳礦的形成過程伴隨着原始岩漿的結晶分異過程，Ni作為岩漿中的微量元素隨着橄欖石的結晶,利用上面的模擬過程，如果得到了原始岩漿的鎂鐵成分，就可以利用橄欖石的成分推算與之平衡的熔體性質和結晶分異程度。B曲線是當硫化物熔離之後，橄欖石與硫化物平衡時發生的交換反應模擬曲線，與橄欖石的結晶分異過程不同，與硫化物發生平衡交換的橄欖石中的Ni含量隨着橄欖石中FeO 的升高（Fo減小）而升高。如果在岩漿演化的過程中發生化物的熔離，則岩漿中的Ni迅速進入硫化物相，岩漿中的Ni發生虧損，此時結晶的橄欖石中Ni的含量就會降低，落在正常演化曲線下方。

利用上述計算模擬，將岩漿中硫化物的熔離過程看做岩漿演化的一個特殊階段，並通過測定大量橄欖石中Ni的含量可以判斷是否存在硫化物的熔離，還可以近似推斷原始岩漿的結晶分異過程，進而可以用於判別一個巖體的成礦潛力。通過對比Voi sey' s Bay 和Mushuau兩個巖體的橄欖石成份的差異得出了兩個巖體成礦過程之間的差異，對比了東天山圖拉爾根和白石泉等巖體橄欖石中Ni含量的差別，並對比了兩個巖體成礦的控制因素 ^[2]  。