石英是如何在方解石脉中形成的?

Question

这个问题可能有点傻，但我还是要问，因为我很好奇，也没有找到好的答案。我访问了两个地方，那里有石英晶体(变种烟状石英)——这两个地方非常相似，可能有相同的形成过程。

我的问题是，你能解释一下这些石英晶体是如何在石灰石的方解石脉中形成的吗?热液流体?这是什么意思，可以简单描述吗?SiO2从何而来?也有辐射吗?

Answer 1

你的问题是

石英是如何在方解石脉中形成的?

但也许更合适的问题是

石英如何不在方解石脉中形成?

石英是地壳中最常见的脉状物质之一，这是有原因的。SiO₂在表面不是特别容易溶解的化合物，但一旦你深入，它就变得非常容易溶解(源)：

SiO的溶解度₂在1巴和25℃时几乎为0，但随着压力和温度的升高而显著增加。例如，在200°C和2000 bar (2 kbar, 0.2 GPa，约5-6公里深)的条件下，对于未变质但深埋的石灰岩来说是合理的，可以容纳约500 mg SiO₂1千克水。在大气压下是一升水，但在水下体积要小得多。这是大量的SiO₂！一旦流体上升到地表，它就会减压并冷却，导致石英的沉淀。

二氧化硅的来源并不缺乏₂．它是地壳中最常见的化学成分。即使在看似纯净的石灰石中，也有足够多的硅酸盐杂质提供SiO的来源₂．

石英和方解石同时出现在矿脉中是完全没有问题的。你可能期望他们有所反应，但实际上他们没有。这里有一个图表来显示它(源)：

方解石和石英可以和平共存，除非温度极高，然后它们反应形成硅灰石(一种硅酸钙)。例如，这是你在高级变质大理石中发现的那种物质。

另一个可能被问到的问题是，为什么只有方解石和石英?如果热的浓水有这么好的溶解能力?元素周期表的其他元素呢?大部分元素都容易溶于酸性液体。在这种情况下，丰富的方解石将水的pH值缓冲到相当基本的条件下，这对溶解物质来说不是很好。

Answer 2

矿脉矿化发生时，渗透地下水超过饱和的矿物沉淀。每种矿物的饱和指数，定义为log(IAP/KT)，可以是负的-欠饱和(矿物溶解)，正的-过饱和(矿物沉淀)，或零(什么都没有发生)。它是关于每种矿物的热力学平衡函数，其中矿物化学在地下水中有溶解成分。这有点复杂，但如果你测量了地下水的氧化还原电位、pH值、温度和完整的化学分析，然后你可以将结果输入一个开放获取程序，如PHREEQE或WATEQ4F，它会告诉你哪些矿物质是过饱和的。还有反应动力学的问题，比如一些矿物质可能过度饱和，但沉淀缓慢，以至于你在静脉中找不到它。

方解石和石英都很常见，在石灰石脉中几乎无处不在。显然，方解石是再沉淀石灰石。地下水化学根据CO2的补给特征、温度、压力和分压进行循环，有时会对同一碳酸盐进行多次溶解和再沉淀，从溶解的Mg和Sr以及同位素组成的细微变化可以看出。所有石灰石都有不同程度的杂质，通常在0.5到10%之间，其中二氧化硅是普遍存在的成分。地下水通常含有溶解的二氧化硅，如硅酸，浓度范围约为5至50毫克/升。在常温常压条件下，硅/石英的析出或溶解极其缓慢，但在较高的压力和温度下，结晶动力学显著加快。所以石英和方解石的沉淀其实是很常见的。

辐射通常不是一个特征，除非环境中恰好有溶解的铀或高水平的钾。辐射不会改变降水的基本热力学控制。

PS: IAP是“离子活度积”，K是每个相变所特有的特征常数，T是温度，单位是开尔文。