B4 · 出版卷 9
表生富集和次生矿物
Supergene processes、oxidation zone、enrichment
学习目标
完成本课后，学习者应能定义表生过程而不把它等同于一种矿床；解释氧化、淋失、向下或侧向搬运和次生沉淀；区分浓度与金属总量；建立考虑氧化还原的垂向模型；把矿物稳定性当作有条件证据；并识别区分表生富集、原生矿化和简单残余浓集所需的观测。
从野外问题开始
一段风化硫化物体上部富铁，中间为浅色淋失带，水位附近出现狭窄高铜段，下部保留原生硫化物。高品位段是向下表生富集、原生脉、构造增厚、选择性采样还是多种因素共同形成？垂向品位图案具有提示性，却并不唯一。
解释必须连接源区溶解、搬运路径、接收反应和质量平衡。若铜从上部移除，它去了哪里？若在下方累积，哪些矿物承载它，哪种氧化还原或酸碱边界允许沉淀，富集段又是否与水文结构横向连续？
核心过程模型
表生过程发生在受大气降水、氧气、生物活动和地下水演化影响的浅部。原生硫化物氧化，酸度与配体促进溶解，溶解态或胶体组分垂向和侧向移动，并与碳酸盐、硅酸盐、铁氧化物或还原硫化物反应，消耗酸并沉淀次生矿物。
简化概念剖面可含：富铁氧化物、羟基氧化物和次生碳酸盐或硫酸盐的氧化带；选择性组分被输出的淋失带；酸碱度、氧化还原、配体或硫化物可用性改变而形成的富集或胶结带；以及保留原生矿物的下部原生带。
真实剖面会因裂隙、渗透性、水位历史、气候、地形和矿物组成变化而不规则。上层滞水与侧向流可产生多个富集透镜；侵蚀可移除淋失源却保存富集物，河流下切又可降低活动氧化还原边界。
对于单位面积垂向柱和元素 j，
I_j=\sum_k C_{j,k}\rho_k\Delta z_k
表示总量，其中 C 为质量分数，\rho 为体积密度，\Delta z 为厚度。风化前后 I_j 的比较可检验富集浓度是否能由内部供给，或必须引入侧向输入、输出或不同母体几何。
次生矿物是条件性指示。其稳定性取决于活度、酸碱度、氧化还原、温度、气体交换和动力学。今天保存的矿物可能记录较早水文状态，因此矿物共生序列和切割关系与矿物是否存在同样重要。
证据与测量
必须贯穿整个剖面记录矿物载体和结构，而不是只记录高品位区间。应识别替代前缘、环边、脉、裂隙包膜、多孔箱状结构、胶结和残余原生矿物。整体化学要与矿物学结合；只有明确各浸取步骤的操作性含义时，才能解释连续或选择性浸取。
水位和渗透结构也要填图。裂隙、岩性接触、富黏土层和古河道会转移流向。适用时应重复测量孔隙水化学。硫、氧、金属等同位素体系只有在明确分馏和混合模型下才可使用。
岩相上要区分原生与次生结构。次生铜硫化物替代原生颗粒边缘，与恰好处于同一深度的原生脉意义不同。样品方向和裂隙关系必须保留；化验区间还要尊重地质边界，跨淋失和富集带混样会制造误导平均值。
计算示例
使用一个 1 m² 合成柱。风化前，20 m 厚硫化物段含 Cu 0.60 wt%，密度 2.50 t/m³，总量为
20\times2{,}500\times0.006=300\ \text{kg Cu/m}^2.
风化后，上部 10 m 含 0.15 wt% Cu、密度 2.20 t/m³，含 33 kg/m²；下部 10 m 含 1.05 wt% Cu、密度 2.40 t/m³，含 252 kg/m²。剩余共 285 kg/m²，因此该简化模型有 15 kg/m² 被输出。下部高品位与内部再分配相容，但质量平衡不能单独证明路径。
若富集段在低渗透边界处尖灭并沿裂隙加厚，就要考虑侧向搬运。竞争性原生脉模型预测原生结构和不依赖风化前缘的构造连续性；表生模型则预测替代结构、与上部淋失源连接以及和古水文相关。
误判与不确定性
“次生”不等于“年轻”或“只在地表”。反复埋藏、抬升和水位移动可形成多个世代。不能把理想垂向顺序当普适剖面；富碳酸盐围岩、干旱盐类、有机质和渗透性都可重排或抑制层带。
品位升高可来自体积损失、选择性保存、密度变化、原生非均一或采样偏差。矿物稳定图只表示声明物种和活度下的平衡趋势，天然系统可能受动力学控制或发生化学混合。总量估算还强烈依赖原始几何和密度。
实践调查
对给定合成岩芯日志，在查看化验值前先按结构和矿物载体划分区间。计算铜、硫和铁的深度积分总量，标出表生模型所需的源、路径和汇，并识别缺失质量。
再建立一个由原生构造控制的模型，列出三项预测不同的观测：替代结构、与氧化前缘关系、横向几何、同位素图案或共生序列，并指出最有区分力的新观测。
掌握检查
- 怎样使富集模型遵守质量守恒？
- 水位为何可形成不规则而非水平边界？
- 哪些结构可区分次生替代与原生脉？
- 侵蚀如何改变表观表生剖面？
- 为什么矿物稳定域不能证明天然系统达到平衡？
资料与延伸阅读
- 表生风化中的铜同位素行为，Mathur 等，2009。
- 表生铜矿化与同位素分馏，Braxton 与 Mathur，2011。
- 风化和矿产勘查中的铜同位素，Mathur 与 Fantle，2015。
- 表生环境、过程与产物，经济地质学专题出版物，2009。