岩浆不同运动形式的电磁场效应对元素的选择性
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发布时间：2022-04-26 09:54
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时间：2022-06-27 01:39
按电磁学理论，由带电粒子运动所激发的电场和磁场，反过来会对带电离子施以电场力和磁场力（洛仑兹力），不断改变带电粒子的运动状态和移动方式，再反过来又会影响到电场和磁场的场势分布。这一过程，对具离子化性质的超基性岩高温岩浆熔体的铬铁矿成矿作用过程来说，明显也是一种带电离子与场或场与带电离子间的相互作用关系。
在电磁场中，带电粒子与场的关系，可用洛仑兹力公式表达：
F＝qE＋qv×B或qE＋qv×B＝ma
式中：m为粒子的质量；a为表示离子的加速度。
由式表明带电粒子在磁场所受到的力，完全与电场强度、粒子运动速度和磁感应强度密切相关，其中所受的电场力（F＝qE），因带电粒子的运动方向与电场同向，这种力的大小只会改变带电粒子的运动速度，不会改变粒子方向。这可由带电粒子在电场力作用的运动方程式所说明，即
磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用
或者换句话说，这种电场力只等于把正电荷（正离子）从负极径内移到正极时所做的功。当然，在岩浆熔体内这种电场力应包括外动力条件引起岩浆熔体流动或运动而带动带电粒子定向运动产生的场源。因而其电场强度可视作一种“非静电场”的场强（Ek）。
与电场力不同，带电粒子在电磁场中运动时所受的磁场力（F＝qv×B0），按右手螺旋定则，因磁感应强度（B）方向与电荷运动（v）方向和电场（E）方向总是呈相互垂直关系，则带电粒子在磁场中运动所受到的洛仑兹力可出现三种不同情况。
一是带电粒子运动（v）方向与磁感应强度（B）方向平行，其作用在带电粒子上的洛仑兹力（F）等于零。带电粒子不受磁场影响，进入磁场后仍做匀速运动。
二是如果带电粒子的运动（v）方向与磁感应强度（B）方向垂直，这时粒子将受到与运动方向相垂直的洛仑兹力（F）。其F的大小为F＝qv×B，粒子速度大小不变，只能改变方向。且由式：
qv×B＝
表明：其轨道平径与带电粒子的运动速度呈正比，与磁感应强度（B）呈反比，F为一种向心力。
三是带电粒子的运动（v）方向与磁感应强度（B）方向既不垂直也不平行，而呈一种斜交或Q夹角的关系，这时可将带电粒子的运动速度（v）分解为∥和⊥磁感应强度（B）的两个分矢量。在此情况下，带电粒子运动轨迹为一螺旋线型。螺旋线半径R＝
，其螺旋距h只和平行磁场方向速度v∥有关，而和垂直磁场分量速度v⊥无关。其螺旋线的半径与磁感应强度（B）呈反比，这和第二种情况相似，洛仑兹力也为一种向心力。
另一方面，以铁为代表的过渡金属族元素（Fe、Ti、Cr、Ni、Co、Mn、V等）由于其内分子电流的存在，而具有一定的原子磁矩和机械矩。按安培定律，在不均匀的外磁场中，具有原子磁矩的质点或物质将受一移动力作用，其力的大小等于：
磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用
式中：pm为原子磁矩；
为磁场强度陡度。
由式说明，力Δf的大小与原子磁矩pm、磁场强度陡度
及原子磁矩同磁场强度（H）间的夹角有关。对具有顺磁质和铁磁质的过渡金属元素的离子来说，其磁矩的矢量方向与外磁场方向是一致的，其Δf将便具有磁矩pm的元素或离子移向磁场较强的地方。表1.7列出了部分与超基性岩浆有关的过渡金属元素的离子磁矩。不难看出，层流（平流）地带的岩石和矿石为什么总是较涡流地带的岩石和矿石相对富铁、铬、锰、钛。原因就在于磁场对具有原子磁矩的离子有更强的选择性。或者说Δf将促使具有磁矩的元素或离子向磁场较强的地带迁移汇集，且因为从层流地带的电磁效应，电场力（F＝qE或Δf＝evHsinθ）与电流方向同向，只等于它把正离子从负极径内移动到正极所做的功。或使离子加速度运动，并未改变离子的运动方向。而磁场力却不同，其F＝qv×B是指向磁场较强方向的，应是造成层流运动形式中元素迁移汇集的重要力源条件。而且，按原子磁矩大小排列，层流地带应当对Fe、Mn、Cr有较强选择性是其主要原因。
同样，涡流运动形式中的元素选择和富集，按场的涡旋性，除通常的电磁场效应对相关元素或离子的选择性富集作用外，还由于涡流中心和边缘存在电位差（V1-V2）＝
R2ωB，其内的元素或离子的迁移趋势，除与原子磁矩有关外，还和元素的有效电价或离子势（电位差）有密切关系。据 M.C 科兹洛夫计算，构成硅酸盐矿物的络阴离子为［SiO4］4-、［Si2O6］4-、［Si4O11］6-的有效电价分别为1、2/3、6/11，代表性矿物分别为橄榄石，辉石、角闪石类等。与此相关的阳离子如 Mg2＋、Fe2＋、Ca2＋、Cr3＋、Al3＋、Fe3＋等的离子势或电位分别为-2.7、-2.5、-1.92、-4.68、-5.26、-4.47。这样看来，涡流运动形式中形成的矿浆熔体，或者说涡流运动形式产生的电磁场效应对有较高电价的Al3＋、Fe3＋、Cr3＋有相对较强的选择性。从而也就出现涡流地带的含矿熔体较层流地带相对富铝、铬似乎也就在情理之中。
表1.7 与超基性岩浆有关元素的离子磁矩Pm
①离子磁矩按pm＝
公式求得（其中n为未成对电子数）。
再则。如果加上外动力条件对熔体中正负离子施加的作用力，那么，对于层流地带的正离子，由式qv×B＝
为一种向心力，即正离子所受的总力为
f正＝f外＋f洛（f洛为洛仑兹力）
而负离子，按右手螺旋定则所受的力是向外的，其总力为
f负＝f外-f洛
这样，处于层流地带的正离子（Fe、Cr等）应较较负离子所受的力大，这可能也是层流地带矿浆和硅酸盐熔体相对较含铁、铬的原因之一。
而在涡流地段的电磁场条件下，其内部离子所受到的力是由式
Δf＝e｛E＋
［vH］｝决定的。即离子所受的力Δf等于电力（eE）与洛仑兹力之和。按磁场和电场洛仑兹力有右手螺旋定则关系，正离子所受到的力是由中心向外的，负离子则由外向内。这样，加上外力后，正离子所受的力为
f正＝f外-ΔfE
而负离子为
f负＝f外＋ΔfE
表明涡流地段离子的情况恰同层流地带有些相反。这就从另一角度说明，岩浆不同运动或流动形式所产生的电磁场效应，可能是导致元素有选｀择性富集的内在根本原因。
另一方面，由以上不同关系式中还可看出，无论层流或涡流运动形式的电磁场效应，都主要由岩浆熔体单位体积内的离子数目、类型和运动速度（线速度或角速度）所决定。其中的离子数目受岩浆离子化程度控制并与热力学条件有关；而运动速度则受控于应力和热动力条件所主导岩浆活动性及运动或活动方式。也可以说是一种场强、规模和时间的函数。因为，假定初始岩浆熔体的成分是较均匀的或者说岩浆熔体内各部分单位体积同所含离子数量大致相同或无多大差别。那么在此可以设想，如果岩浆熔体侵位后完全处在一种均速度运动过程。其间尽管有离子定向迁移和电磁效应的存在，但由于岩浆均速运动。各处场强大小相等。离子所受的力（洛仑兹力和外力）相等，在此情况下，就不可能出现大规模性的离子有选｀择性的迁移汇集。同样，对那些活动性差或相对处于稳定构造环境中的岩浆熔体，由于流动性差，其内除存在热和某些静电场效应外，因缺乏岩浆流速差异引起的电磁效应，也就不会产生离子选择性迁移汇聚和成矿作用过程的发生。
相关方向，克拉夫钦科（1966）不仅在野外详细研究了苏联哈巴宁岩体岩浆运动所产生的各种流动构造特征，且还从实验上说明“矿体和矿石中发育的流线流面构造是在完全没有结晶的含矿-硅酸盐熔体运移的条件下生成的”。得出“铬铁矿的结晶作用是在不稳定的构造环境中进行的”。更有直接实验依据的是叶大年等（1975）曾报道过，我国东北某化工厂在利用铬渣进行铸石实验研究中，发现当搅动熔融的铸石（相当于玄武岩质）熔液时，铬可以呈铬尖晶石类矿物形成团块富集。相反，未搅动的铸石熔液，铬则趋分于散状态。这就进一步证实，岩浆熔体的活动性和运动状态是决定铬元素富集和成矿的关键因素。对这方面，还有叶良和等（1978）在研究我国北祁连山超基性岩体含矿性时，也得出：“北祁连山超基性岩体凡是Cr2O3含量高，而且含量变化较大的岩体，往往为成矿岩体，变化程度大小又直接与成矿规模有关”。这从另一侧面说明一个岩体成矿与否，固然和岩体本身Cr2O3含量有关，但更重要的是Cr2O3含量变化或不均匀性，而这种变化或不均匀性由前述矿床实例说明，它主要归启于岩浆活动性和流动方式的差别。而且，很显然这种宏观的差异，实质在于相关的电磁效应在发挥作用。
或许，会使人们产生疑议，在近闭封的空间条件下的岩浆熔体，能否在上侵动力或相关应力场条件下，达到形成一定场强那样的速度呢？在此可根据电流密度与速度的关系式进行如下计算。
δ＝neη0v
式中：δ为电流密度；ne为每个离子所带的电荷；n为元素的价态；η0为单位体积内的离子数目：v为离子迁移平均速度。
其中的离子电荷e可按下式求出：
磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用
式中：F为法拉第常数，等于96485 C/mol；
NA为阿伏伽德罗常数，NA＝6.022×1023mol-1即
e＝
C＝1.601×10-19［库仑］。
如Fe3＋
ne＝1.601×10-19C×3＝4.803×10-10CGSE×3
＝14.409×10-10CGSE
Mg2＋
ne＝1.601×10-19C×2＝3.202×10-10CGSE×2
＝6.404×10-10CGSE
而岩浆熔体单位体积内的离子数可由公式
磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用
求得
式中：μ为岩浆熔体的质量，此项可根据岩浆熔矿物结晶含量近似求得；δi为岩浆熔体密度；NA为阿伏伽德罗常数。
在此，如假定要产生δ＝0.1 A/cm2（3×108CGSE）的电流密度，并取μ＝100g/mol，ne均以三价离子的计算（即n＝3），代入式：
磁性地质学与“场论”在金属成矿学中的应用
所以要产生0.1 A/cm2的电流密度，只要达到0.0003cm/s的速度就可满足这样的条件。且实际上，具有离子化性质的岩浆熔体的电场和电流的产生，除有某些电介质性质的位移电流外，可能还是有类似导体性质的传导电流。这样其速度条件就不会更高了。当然，岩浆熔体的活动性及运动速度仍然是决定场强的重要条件之一。而且，对一个近封闭状态的岩浆熔体的固结成岩成矿过程来说，时间尺度可达百万年到千万年。因此，时间效应也是其中的重要因素之一。
至于出现造矿铬尖晶石和副矿物铬尖晶石成分的反消长关系，实质上完全是一种电磁场对元素选择性富集作用的效应。这种关系像某些成因岩石的稀土元素互补性模型那样，有亏损就有富集。具体说，层流运动形式中的造矿铬尖晶石成分的高铁铬而低铝镁性，主要是由于磁场力对具有原子磁矩比无原子磁矩的元素（如Al3＋、Mg2＋）更有强烈地选｀择性的原因。如果层流地带的矿浆是由就近的含铬硅酸盐熔浆通过电磁效应迁移汇集的话，那么，由Fe、Cr成分的局部迁移，而使残余的硅酸盐熔浆中这些组分的亏损而相对富Al、Mg似乎是可解释的。
同样，对涡流形式中造矿和副矿铬尖晶石成分的反消长现象，在此也完全可用电磁场效应对元素选择性的互补模型来解释。其行为是：在此条件下，电场力和磁场力不仅对具有原子磁矩的物质，也对有电位差（离子势）高的元素（如Al3＋、Mg2＋为-2.7）相对有较好的选择性，因而造成造矿铬尖晶石较层流形式中的造矿铬尖晶石富铝、镁而贫铬、铁。相反，硅酸盐熔体中的副矿物铬尖晶石，由于铝、镁的相对迁移，而成分却相对富铁铬而贫铝镁。
另一方面，这种场的效应似乎还关联到近矿纯橄岩内橄榄石矿物的Fe2＋、Mg2＋离子在四面体位置上的占位或择位情况。按前述所列数据，层流地带近矿纯岩的橄榄石总是较涡流地段纯橄岩的橄榄石相对富铁低镁，也较其中的副矿物铬尖晶石相对富镁。出现这种情况，按R.G.伯恩斯（1967）晶体场理论，可能是一种亚恩-特勒效应在发挥作用。亦即亚恩—特勒效应预言，如果一个分子的基态或最低能级是简并的，它就会自动畸变而解除简并，并使一个能级更稳定，如Fe2＋、Mg3＋等。
在橄榄石晶体结构中，是由孤立的SiO4四面体通过处于六次配位位置上的两价阳离子联接而构成的，这个结构中有两个六次配位位置，分别标注M1和M2，这两个六次配位位置都对八面体对称发生畸变。中心对称的M1位置沿O3—O3轴伸长的。M2位置是非对称的，也是不规则的。这样，如果在Fe2＋离子——3d6中，五价电子单独占据五个3d轨道，在畸变配位位置上的第六个电子完全填进最稳定的轨道。由于这第六个电子进入比八面体配位来说能量较低一个t2g轨道，因此，Fe2＋离子获得了额外的晶体场稳定能。所以如若金属-氧间的平均距离相等的话，离子处在畸变位置上比处在较规则的正八面体位置上稳定。同时，Fe2＋离子也在这个位置上（M2）富集而发生阳离子的有序化。
尽管R.G.伯恩斯对Fe2＋离子在橄榄石M2位置的富集或阳离子有序化的亚恩-特勒效应产生的原因未作明确的解释，但就Fe2＋和Mg2＋离子在两种不同运动形式中橄榄石矿物和副矿物铬尖晶石成分间存在的互补关系分析，似乎仍然可用岩浆运动形式与电磁场效应来解释。最明显的是层流形式橄榄石的相对富铁性，极可能是一种磁场力效应。
有关这方面，徐培苍等（1984）曾专门利用X射线结构、穆斯堡尔谱、X射线电子能谱等多种分析测试手段，对我国西北地区几个主要含铬岩体（玉石沟、萨尔托海，大道尔吉、松树沟）进行了橄榄石有序度和造矿、副矿物铬尖晶石结构的反度研究（图1.27、图1.28），获得的基本结论是：
1）不同含矿岩体的橄榄石有序度近矿者有略大于远矿者的橄榄石有序度。如松树沟ZK832孔不同深度的橄榄石有序度（Q），从远矿—近矿—矿体呈跳跃式的增高（表1.8），似乎亚恩-特勒畸变效应越明显，Fe2＋在M2位置上富集程度越大。
表1.8 松树沟ZK832孔系列铬尖晶石反度值及其对应的橄榄石有序度值对照表
（据徐培苍等，1984）
2）铬尖晶石的反度（ηx） ηx（%）＝ ×100% 对Fe3＋和Fe2＋都有存在一个四面体位置，如Fe3＋（A）和Fe2＋（B），也存在一个八面体位置上的Fe3＋（B）和Fe2＋（A），根据不同配位下的四级*双峰面积（S）计算NFe2＋（A）/NFe2＋（B）≈SFe3＋（A）/SFe2＋（B），便可确定Fe2＋、Fe3＋在铬尖晶石内的分布状态，并可获得NAFe2＋、NBFe2＋、NAFe3＋和NBFe3＋，在铬尖晶石中阳离子的反度分布状态。
对橄榄石有序度和铬尖晶石反度，徐培苍等（1981 ，1984）认为与矿物生成条件有关。有序度大的橄榄石是缓慢结晶的、缓慢冷却的。而从铬尖晶石与共生矿物的关系看，反度大的铬尖晶石生成条件亦是缓慢结晶的，缓慢冷却的。在远离矿体（如松-1、松10），橄榄石有序度低（5.3%～2.1%），与其对应的铬尖晶石反度也较小（8.4%、8.0%），它的生成条件是结晶较快，冷却较快。同时，也有力地说明，橄榄石和铬尖晶石同存在于超基性岩，因处于一相平衡体系中，具有特定的对应的温度和压力环境，也具有对应的结晶史和冷却史。
图1.27 反度与阳离子数的随机分布图
然而，按R.G.伯恩斯（1961）的晶体场理论解释，橄榄石的有序化主要由于亚恩特勒效应，使Fe2＋离子富集在M2位置上和取代Mg2＋离子能造成。而铬尖晶石的反度则可视作具有高八面体择位能（即八面体与四面体晶体场稳定能之差——八面体择位能）的二价金属阳离子（如Fe2、Mn2＋），由于进入八面体有利，将生成反尖晶石结构。
其实，橄榄石的有序度和铬尖晶石的反度，如注意到纯橄岩和铬铁矿体产出位置的岩浆运动形式和相关的电磁效应。那么Fe2＋在M2位置上的富集或择位，在铬尖晶石结构中八面体位置上的择位及反尖晶石结构的形成，完全归结于岩浆熔体流动或运动过程中产生的电磁效应对过渡金属离子在矿物晶体结构中的一种特殊择位行为。因此，从某种意义上讲，所谓的亚恩-特勒效应，实际上可理解为电磁场对Fe2＋离子与配位体之间所产生的一种畸变效应。并不与岩浆熔体温度、结晶快慢有更多的直接关系。而且，从远矿—近矿—矿体的橄榄石有序度和铬尖晶石的反度变化趋势与电磁场的场势变化也是比较一致的。
图1.28 四个矿区造矿和附生铬尖晶石反度分布图
综上所述，作为典型岩浆矿床铬铁矿成矿过程。包括相关元素的有选择性迁移富集，某些过渡金属离子（Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、Cr3＋、Mg2＋）在硅酸盐熔体和矿浆中的分配，以及在矿物晶体结构中的择位，完全是液态状态下，带电离子（或群聚态组）与电磁场的一种相互作用关系。
