气体分离与成矿作用 萤石矿有什么用途？
增加岩浆体系的运动速率可以有效阻止熔浆体系与流体体系的分离，但是，成矿作用的发生却需要这种分离，否则成矿物质就可能分散在熔浆中。或者说，成矿物质被带到地壳浅部需要熔浆与流体的耦合运动，而成矿作用的发生则要求这两个体系的解耦。因此，讨论流体与熔浆的分离过程是有益的。
1.气运作用
气体搬运作用是大多数岩石学教科书都会提到的一种岩浆作用过程，但所提供的实例不多，前面提到的岩浆液态不混溶应当可以算是其中之一。但是，液态不混溶现象包括更广，常用来解释熔体之间的不混溶或岩浆与矿浆的不混溶。气体搬运作用有其独特性，与通常理解的不混溶存在明显的区别。
实际上，气体搬运作用的原理已在选矿工艺中得到应用。泡沫浮选法原理表明，气泡可以增加气液界面，提高精矿的分离效率(谢广元，2005)。最早的方法是通过矿物在悬浮液中发生化学反应产生气泡，也有的是将气体直接注入矿浆(在选矿界指矿粉与悬浮液的混合物)产生气泡，或将空气和矿浆加压后在常压下释放气泡。现在已经知道，气泡的作用不仅仅是表面能的问题，还有其他的复杂物理化学因素。学者们已经清楚，矿物有亲气性、亲湿性和亲油性的区别，被气泡携离矿浆的能力大小取决于气泡与矿物表面的接触角(图5-17)。通常，将精矿携至浮选槽上部的工艺称为正浮选，将精矿残留在浮选槽底部的工艺称为反浮选。为了提高选矿效率，学者们研制了各种捕收剂、发泡剂、调整剂、活化剂和抑制剂，以适应浮选槽中发生的各种复杂过程，如热力学过程、电化学过程、流体力学过程，等等。这种选矿工艺与岩浆上升过程中及侵位以后的成矿作用极为类似。但是，一方面成矿过程是在相对高温的条件下发生的;另一方面，流体与熔浆相互作用时矿石矿物可能还没有形成，与选矿工艺截然不同。因此，详细分析岩浆的发泡过程是重要的。
图 5 -17 浮选法基本原理( 据谢广元，2005)
现代火山喷发观测表明，有的火山表现为熔岩静静地溢出，有的表现为强烈的火山爆发，有的则只有喷气活动。根据这样的观察结果，可以认为岩浆的性质和气体排出的速率是决定喷发方式的重要因素，同时也决定了喷出产物 ( 火山岩) 的特征和造成的灾害程度和环境影响 ( 路凤香等，2002) 。图 5 -18 是普利尼式 ( Plinian) 爆发式火山喷发过程的示意图，其喷发过程如下:
( 1) 岩浆在浮力 ( 包括密度差、内压力和构造附加力) 的作用下侵位于地壳浅部，由于围压的突然下降，导致了岩浆中挥发分的出溶作用。出溶作用开始的深度位置称为出溶面，也是熔浆中挥发分过饱和的界面，界面以下的熔浆是挥发分不饱和的。
( 2) 出溶作用表现为气泡的形成，称为挥发分的发泡作用 ( bubling) 。这将导致岩浆房的气体超压: 或者阻止挥发分进一步出溶，或者使岩浆体积膨胀，导致在岩浆房顶部形成向上的裂隙通道，岩浆沿该通道上升并喷出地表。
( 3) 在通道形成的条件下，气体加速向上运动并联合形成更大的气泡，最终使气泡聚集的岩浆部分泡沫化。当气泡含量增加到占岩浆总体积的75%时，原来连续的熔浆就会形成被气体分割的火山碎屑流 ( 熔浆-流体流) 向地表高速运动。
( 4) 一方面由于气体膨胀形成的超压，另一方面由于地壳的隆起作用，地壳浅部岩浆通道的横截面积将更大，导致碎屑流的流速减小，进而导致火成碎屑与气体的分离。
( 5) 如果熔浆-流体流的运动速度足够快，可以喷出地表形成喷发柱; 相反，如果熔浆与气体实现完全分离，火山喷发表现为喷气作用; 当气体含量很少时，如果岩浆还有上升的动力，则表现为宁静的熔岩溢出。
在这个过程中，岩浆中挥发组分的出溶和岩浆冷却将导致黏度增加，妨碍气泡的继续增长，在气泡内形成可观的过剩压力。岩浆中挥发组分的含量和岩浆的化学成分 ( 尤其是SiO2的含量) 决定了气泡的体积和内应力的大小。对于富含挥发组分的酸性岩浆来说，这一过程将在岩浆通道上部发生，因此喷发物多为火山碎屑物，喷发方式以爆发方式为主; 而对于低黏度和低挥发组分的基性岩浆来说，则往往未经碎屑化就喷出地表，喷出物多为熔岩流，喷发方式以溢流方式为主。
由此可见，岩浆的发泡速率决定了气体逸出的形式: 以喷出气体为主、气体和熔浆一起喷出、以喷出熔岩为主。
图 5 -19 流体被囚禁在矿物粒间的现象( 说明见正文)
这一过程分析对成矿作用的理解具有很好的启示。如前所述，成矿元素主要与离子基团结合，具有亲流体的属性; 而离子基团与气体分子之间又存在热力学平衡关系。后者决定了流体逸出岩浆的两种形式: 以气体分子形式溶解的流体可以直接逸出，以离子基团形式溶解的挥发分需要先通过平衡反应生成气体后才能逸出。显然，以离子基团形式溶解的挥发分其逸出速率小于以分子形式溶解的挥发分。需要注意的是，气体分子的逸出速率也反过来影响离子基团的逸出速率，但成矿金属脱离离子基团的速率与该过程关系不大。因此，当含矿流体快速逸出岩浆体系时，成矿元素将随着离子基团的散失而散失; 反之，成矿元素将以某种形式保留在岩浆体内。显然，岩浆过程的速率对成矿作用有重大影响。在透岩浆流体成矿作用框架下，由于流体的源源不断补给和出溶面流体通量的边际效应，有可能在很小的岩体中堆积巨量的成矿物质。从这个角度来说，出溶面( 带) 就像一张半透膜，气体可以通过，但成矿金属必须留下。由此可以很好理解，为什么蚀变带往往比矿体规模大得多。
2. 气体分离的结构约束
众所周知，火成岩的结构是岩浆冷却固结过程中热力学条件的记录。大量的岩石学证据表明，流体对岩石结构具有重要的影响，反之，岩石结构也对流体的活动有重要意义。细心的读者可能已经注意到，上一节讨论的流体成矿作用是建立在熔浆未发生结晶作用的假设基础上。这通常是不可能的，不管是岩浆被冷却还是挥发分被失去，都可能发生强烈的结晶作用。因此，可能导致岩浆的渗透率降低，部分含矿流体将被囚禁在矿物粒间。
图 5 -19 展示了流体被囚禁在火山岩矿物粒间的现象。内蒙古天和永玄武岩具有变化多样的结构类型 ( 杨宗锋等，2009) ，其中一块样品的矿物世代关系为: 橄榄石→橄榄石+ 单斜辉石→单斜辉石 + 钛铁氧化物 + 斜长石→斜长石 + 火山玻璃 ( 图 5 - 19a) 。一个奇怪的现象是最晚结晶的斜长石具有最大的粒径，其中包含有许多橄榄石、单斜辉石、钛铁氧化物包裹体，甚至也包含有橙玄玻璃。根据物理化学基本原理推测，这表明斜长石结晶过程中有大量的流体参与，延缓了结晶时间。此外，紧挨着斜长石的橙玄玻璃具有较深的颜色，是挥发分含量较高的标志，且在斜长石结晶时有流体向外排出。但是，由于熔浆接近固结，这些流体扩散距离有限，主要分布在紧靠斜长石的橙玄玻璃中。
图 5 -19 流体被囚禁在矿物粒间的现象( 说明见正文)
另一个实例是新疆克拉玛依侏罗纪橄榄玄武岩，基质中含有大量的菱铁矿 ( 薛云兴等，2007) 。菱铁矿有 3 种存在形式: 颗粒较大的菱铁矿 ( 约 1 mm) 包裹单斜辉石和斜长石，其中的斜长石包裹体呈浑圆形; 菱铁矿与玄武玻璃和钛铁矿一起充填在斜长石和单斜辉石构成的格架中 ( 图 5 -19b) ; 菱铁矿以包裹体的形式赋存在斜长石晶体中。这种结构特征也是常用岩石学模型难以解释的: 因为 CO2通常具有较大的活动性，玄武岩中一般很少见到原生碳酸盐矿物。因此，这种结构也是岩浆快速冷却的结果。
近年来，火成岩结构成因解析引起了广泛的注意，因为火成岩结构是岩浆结晶物理条件信息的基本来源。晶体的数量、大小和形态反映了成核速率和生长速率，也反映了体系冷却过程中偏离化学平衡的程度 ( Zieg et al.，2006) 。而这些参数又依赖于温度及熔浆和晶体的化学成分，也依赖于岩浆定位的深度。需要强调的是，这些参数不可能通过化学的方法获得，因而结构分析成为岩石成因研究的重要环节。这些研究结果也使我们有可能用来讨论成矿作用的物理过程和解释岩石地球化学的不均一性问题。由于气体、与成矿元素结合的离子基团、熔浆的活动性差异，这种混合物遭遇周边晶体的圈闭时，气体将率先逃离晶体的包围圈。这时，气体与离子基团的微平衡可能导致部分成矿元素卸载，残留在粒间形成浸染状矿化，而熔浆则因流体的逃逸而固相线温度升高，迅速固结成玻璃或微粒集合体。这样，地幔橄榄岩中出现玻璃的现象 ( 戎嘉树等，1995; 罗照华等，2003; Zhu，2008) 就容易理解了，否则，长期处于高温条件下的玻璃不发生重结晶作用是不可理解的。
在透岩浆流体成矿理论框架下，不仅岩浆体中的流体可以持续不断地向上运动，额外补给的流体也源源不断地充填到岩浆中。这些流体与熔浆相互作用，获得流体的部分将固相线温度下降，而失去流体的部分则固相线温度上升。与此相应，一些亲流体的元素可以在流体含量增加的位置富集，如 K2O 和 Na2O，而疏流体元素的含量则会降低，如 CaO 和MgO。这种分异作用与分离结晶作用造成的化学分异极为类似，通常难以根据化学方法进行区分。但是，气运作用将会在岩石结构等岩相学特征上表现出来。例如，在无额外流体补给的条件下，可以预期体系总体上表现为固相线温度从下向上降低，内接触带除外。因此，可以形成宏观的单向固结结构(UST)。
工业中常用气体分离方法和原理~
常用工业气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳、液氨、液氯、乙炔气、氢气等。工业气体的生产方法较多，现择要简介一些常见的生产方法。
一、氧气
工业氧气的生产方法主要有空气液化分离精馏法( 简称空分法)、水电解法和变压吸附法等。 空分法生产氧气的工艺流程大体是：吸收空气→二氧化碳吸收塔→压缩机→冷却器→干燥器→冷冻机→液化分离器→油分离器→气体储槽→氧气压缩机→气体充装。其基本原理是将空气液化后，利用空气中各组份沸点的不同在液化分离器进行分离精馏，制取氧气。大型制氧机组的研究开发投用，使得制氧能耗不断降低，并易于同时生产多种空分产品(如氮气、 氩气及其它惰性气体等)。为了便于储存和运输， 经液化分离器分离后的液氧，用泵输入低温液体储槽，再经槽车运至各深冷液化永久气体充装站。液氮、液氩也采用此法储存、运输。
二、氮气
工业氮气的主要生产方法有空分法、变压吸附法、膜分离法和燃烧法等。
空分法制取的氮气纯度高，能耗低。变压吸附法制氮技术是采用5A碳分子筛对空气中的组份进行选择性吸附，将氧、氮分离制取氮气，氮气产品压力高、能耗低，产品纯度能达到国家标准要求：工业氮≥98.5%，纯氮≥99.95%。
三、氩气
氩气是大气中含量最多的惰性气体，其制取方法主要有空分法。在制氧工艺中，将沸点为-185.9℃左右的馏分从液化分离器中分出即得液氩。
四、二氧化碳
二氧化碳的制取方法主要有：生产石灰副产二氧化碳，酿酒发酵过程副产二氧化碳，重油、焦炭等燃烧产生二氧化碳，合成氨工业副产品二氧化碳等。目前，合成氨工业的原料大都为燃气、炼厂气、焦炉气和煤，其主要成份都是由不同氢碳比的烃类和元素碳构成，在高温下与水蒸汽作用生成以氢气和一氧化碳为主体的合成气，一氧化碳经变换成为二氧化碳。二氧化碳的提纯方法有：吸收法、变压吸附法、吸附精馏法和膜分离法。
五、氨气
氨的制取方法主要采用直接合成法。合成氨工艺流程是：在水煤气发生炉中往红热的焦炭上吹入空气和水蒸气，先得到氮气、氢气混合气体，然后用洗涤热交换、凝缩二氧化碳和吸收二氧化碳等生产工序制备原料气体。精制的混合气体经过过滤器、冷却器、氨分离器以及加热器送至合成反应器经分离器分离出液氨。
六、氯气
工业上用的氯气主要制取方法是电解饱和食盐水。纯度较高的氯气由电解熔融氯化物制备活泼金属时取得。利用空气或氧气可催化有机合成工业的副产品氯化氢，使之氧化而转化为氯气。
七、乙炔气
乙炔的制取方法主要有电石水解法、甲烷或烃类的高温燃烧裂解法和等离子体裂解法。电石水解法工艺流程短，产品纯度高，但能耗较大。大多数溶解乙炔生产采用此法。根据乙炔的溶解特性，将乙炔气压缩充入溶剂中，并被储存在充满多孔填料的钢瓶内。丙酮作为一种极好的溶剂，在钢瓶内被填料吸附用于溶解和释放乙炔，它的作用是增大钢瓶的有效容积和降低乙炔气的爆炸性能。整体硅酸钙多孔填料的作用是均匀地吸附丙酮和阻止乙炔分解爆炸的传播。推广使用溶解乙炔气瓶，既方便使用和提高工效，又改善环境，节约电石消耗，但应保证钢瓶内多孔填料不受损伤或污染，丙酮溶剂的充装量应满足乙炔气充装所需要，这样才能保证安全可靠。溶解乙炔生产充装工艺流程是：粗乙炔气发生后经过化学净化，去除硫、磷等杂质，再经压缩和干燥，充装进入溶解乙炔气瓶内。
八、氢气
工业氢气的生产方法主要有：矿物燃烧转化制氢、水电解制氢、通过半水煤气法制得氢。水电解制氢方法技术可靠、操作简单、维护方便、不产生污染、制氢纯度高，唯其电能消耗大，成本较高，生产发展受一定制约，主要供应氢气纯度要求高且用量不太大的用户使用。但随着新技术的应用，促进了水电解技术的改进，使水电解制氢技术的成本不断降低，电耗不断下降，有望成为“清洁能源”的最主要生产方法。目前，正在研究开发的制氢方法有：电化学分解水制取氢气，光催化作用制取氢气等。
1、世界萤石产量的一半用以制造氢氟酸，进而发展制造冰晶石，用于炼铝工业等。电冰箱里的冷却剂(氟利昂)要用萤石。
2、萤石另一重要用途是生产氢氟酸。氢氟酸是通过酸级萤石(氟石精矿)同硫酸在加热炉或罐中反应而产生出来的，分无水氢氟酸和有水氢氟酸，它们都是一种无色液体，易挥发，有强烈的刺激气味和强烈的腐蚀性。
3、在制铝工业中，氢氟酸用来生产氟化铝、人造冰晶石、氟化钠和氟化镁。在航空、航天工业中，氢氟酸主要用来生产喷气机液体推进剂，导弹喷气燃料推进剂。
4、氢氟酸是有机氟化工的基础原料，它通过与氯仿和四氯化碳相互作用，生产毒性小、化学稳定性高的氟化的含氯烃和碳氟化合物，作冷冻剂，空气溶胶促进剂，溶剂聚合物的中间体和碳氟化合物树脂和弹性体。
5、氢氟酸与四氯化碳反应制成氟利昂(通常以F表示)。氟利昂除作为冷冻剂外，还广泛用于喷雾剂、灭火剂、氟塑料等。
6、在医药方面，氟有机化合物还可以制造含氟抗癌药物，含氟可的松，含氟碳人造血液、人造心脏和骨骼。在无机氟化工业中，可以生产杀虫剂、防腐剂、防护剂、添加剂、助熔剂和抗氧化剂等。
7、萤石也广泛应用于玻璃、陶瓷、水泥等建材工业中，其用量在我国占第2位。在玻璃工业中，萤石作为助熔剂、遮光剂加入，它能促进玻璃原料的熔化。
8、在水泥生产中，萤石作为矿化剂加入。萤石能降低炉料的烧结温度，减少燃料消耗，同时还能增强烧结时熟料液相粘度，促进硅酸三钙的形成。
9、在陶瓷工业中，萤石主要用作瓷釉，它能在瓷釉生产过程中起到助色和助熔作用。如在红色瓷釉中加入萤石后能色泽光亮鲜艳，在陶瓷生产瓷釉中的萤石加入量一般约10%～20%。还参与到搪瓷制品的制造之中。
10、萤石还应用于搪瓷工业和铸石生产中，其加入量分别为3%～10%和3%。
扩展资料
1、萤石在南非、墨西哥、蒙古、俄罗斯、美国、泰国、西班牙等地也有产出。中国是世界上萤石矿产最多的国家之一，主要产于湖南东南部的郴州一带，此外浙江、福建等地也有出产。
2、矿物内的电子在外界能量的刺激下，会由低能状态进入高能状态，当外界能量刺激停止时，电子又由高能状态转入低能状态，这个过程就会发光。
3、萤石来自火山岩浆中，在岩浆冷却过程中，被岩浆分离出来的气水溶液中含有许多物质，以氟为主，在溶液沿裂隙上升过程中，温度降低，压力减小，气水溶液中的氟离子与周围岩石中的钙离子结合，形成氟化钙，经过冷却结晶后就得到了萤石。
4、氟化钙晶体原本无色透明。萤石的晶体结构存在“空洞”，很容易被其他离子填充，所以在自然界中，无色透明的纯净萤石极其稀少。这种结构缺陷，同时也让萤石成为颜色最丰富的石头。
参考资料来源：百度百科-萤石矿
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