浅议大规模成矿作用与大型矿集区

年矿床地质∞⁄∞°≥×≥第卷第期浅议大规模成矿作用与大型矿集区Ξ毛景文中国地质科学院矿床地质研究所北京华仁民南京大学地球科学系南京李晓波中国地质信息研究院北京提要本文系统地阐述了大规模或大爆发成矿作用现象!特点和出现的某些规律∀阐述大规模成矿作用发生必须具有特殊的构造环境巨量的成矿物质供给持续的能量系统优越的输运通道和适宜的堆积空间∀大规模成矿作用在空间上表现为非均一性在成矿区带中绝大多数矿床基本上仅出现于几个空间比较小的大型矿集区内∀本文提出研究大型矿集区必须着眼于大尺度成矿大环境切入中尺度大型矿集区地质!地球化学和地球物理多学科交叉理清成矿过程建立成矿模型进而有效地提取找矿信息提高找矿效率∀关键词大规模成矿大型矿集区成矿大爆发成矿地球动力学引言矿产资源勘查越来越依赖于新技术和新方法而新技术和新方法的运用或实施又必须有新地质成矿和找矿理论作为支撑或指导∀因此近年来成矿新理论和新思维探索一直是地质学家们的追求∀由于超大型矿床的巨大经济效益年代中期以来在全世界范围内对超大型矿床的形成机制和背景进行了广泛和深入的研究取得了一系列重要进展≈有力地推动了矿产资源的勘查和发现∀同时也遇到了一些问题例如部分超大型矿床像白云鄂博!奥林匹克坝等都是唯一的或点式分布找不到第二个相同或相似矿床另一方面不少超大型矿床不是独立存在而是大型矿集区中的一员≈∀于是地质学家们开始思考超大型矿!大矿和中小型矿是否有统一的形成机制为什么矿床在时间和空间分布上明显呈不均一型大规模成矿或大爆发式成矿的环境和过程是什么当前国际成矿学正处于新的突破边缘∀其主要特征是基于地球动力学流体地质学和非线性科学的前沿科学的新思路探索巨量金属元素堆积的机理和环境发展找大型矿集区包括巨矿的新理论和新方法∀在国际上澳大利亚成立了/地球动力学合作研究中心0开展成矿动力学过程和背景研究以及研制新的找矿方法和可视技术欧盟科学基金会设立了由国参与的/地球动力学与矿床演化0研究项目国际矿床学界也在开展/岩石圈过程与巨量金属堆积0对比研究自从年代以来国际矿床成因协会钨锡成矿委员会先后在Ξ本文系国家杰出青年基金编号和原地质矿产部跨世纪人才基金编号资助的一部分成果第一作者简介毛景文男年生研究员长期从事矿床地质和地球化学研究∀邮政编码收稿修改回喜山期大规模成矿出现于环太平洋和古特提中欧和中亚开展海西期碰撞造山与钨锡矿巨量生成研究≈美国地质调查所在新推出的/国家矿产资源调查计划0中把特大型矿床与小型矿床关系!成矿过程和改造过程时间!水岩相互作用的热力学和动力学以及矿床与地壳演化关系列为矿产资源评估和勘查的基础∀这些研究计划或项目都是旨在动态认识地球时空演化过程中金属元素巨量富集的规律性为新一轮矿产资源勘查和评价提供理论基础∀只有置于大背景或大环境下研究成矿作用和成矿过程才能准确地认识成矿规律∀从非线性角度出发认识大规模成矿和大型矿集区有可能建立逼近实际的成矿和找矿模型∀显而易见着眼于大尺度成矿省与大规模成矿作用切入中尺度大型矿集区是当前成矿学和矿产勘查学研究的国际大走向∀大规模成矿的环境和特点大规模成矿亦称大爆发成矿是在地质历史演化中的短时期内于某些洲际性或区域性地质构造单元部分成矿元素大面积高强度超常聚集成矿∀例如在地球历史早期≤弥散在大气或海洋中直到中元古代由于某种突发事件导致绝大多数≤与≤!!结合形成了大面积碳酸盐岩同时伴随着同生铅锌铜大规模成矿作用∀像!!⁄!≥∏√和检得等世界级铅锌矿床我国的关门山!霍各乞和狼山等铅锌矿床均出现于元古宙∀又如在我国东部的燕山期≅∗≅出现了一次大规模或大爆发成矿事件钨锡钼铋铜铅锌锑汞金银不仅大面积成矿而且有众多的世界级矿床包括大厂锡矿!个旧锡矿!柿竹园钨锡钼铋矿!玲珑焦家金矿!富湾银矿!蔡家营铅锌矿!锡矿山锑矿!德兴铜矿!多宝山铜矿和三道庄钨钼矿等和一系列大型矿集区∀成矿作用在地质历史中十分不均一整体上呈幕式分布而且不同元素及其元素组合在不同时期具有不同的分布规律∀在全球范围内大规模成矿作用在太古宙表现为ƒ型铁矿床以绿岩花岗岩为主岩的剪切带型金矿床和与科马提岩有关的铜镍矿床海西期形成一条横跨欧亚大陆延伸至澳洲的巨大型铜铅锌钨锡成矿带中生代在太平洋西大陆出现长逾宽∗的构造岩浆成矿带与花岗质岩石有关的稀有!稀土!钨锡钼铋铁铜铅锌金银矿有序分布宏伟壮观斯构造岩浆带前者为板块俯冲环境后者为板块碰撞环境∀大规模成矿作用发生于某种构造环境中而不是所有的构造运动都伴随有大规模成矿作用∀例如在中元古代时期大规模成矿作用主要表现为裂陷槽内同生热水或喷气成矿而海西期大规模成矿作用发生于板块碰撞期间∀由此可以认为在某一构造运动时期可能存在几个构造成矿环境但大规模成矿作用仅出现于某一个环境内∀在地质历史演化期间同一地区可能经历过数次开裂和闭合过程相应留下了多次成矿叠加的痕迹但是大规模成矿往往只有一!两次∀不同构造环境制约着矿床组合的分布形式例如与不同演化阶段的板块构造和陆内造山折叠有关的矿床多呈带状分布在太古宙矿床分布为不规则形在地幔柱构造环境中矿床呈圆形分布∀大规模成矿作用的实质是成矿物质的巨量供给!传输和聚集过程∀这种作用不可能在成矿区带或成矿省中均匀发生有超巨量成矿物质聚集地段就有更大面积的贫化或不发生变矿床地质年化的地段∀因此在一个成矿省中大规模成矿主要表现在几个或十几个大型矿集区∀这些占全省面积不到∗的大型矿集区一般拥有全省成矿金属量的∗∀大规模成矿作用发生的几个重要因素金属聚集是地球圈层之间相互作用过程中的一种产物在一定程度上是一种特殊的岩石∀在不同的构造环境中形成不同的矿床组合∀按照构造环境可以预测矿床组合反之利用矿床组合也可以鉴别其形成的构造环境∀大规模成矿作用与一般成矿作用的相同之处也受控于某一种构造环境但有其特殊性和异常性∀裴荣富等≈认为成矿大爆发取决于地质的!地球化学的和地球物理的多种因素非常罕见的耦合汇聚称之为异常成矿构造聚敛场∀邓晋福等指出≈成矿大爆发与岩石圈软流圈系统大灾变有关∀谢学锦认为大规模成矿必须有巨量物质供给∀≤∏!±∏√通过对北美地盾和澳大利亚西部地盾一系列世界级金矿床的系统研究≈剖析了前人对成矿环境的认识提出了拆沉作用与大规模成矿的耦合关系∀可以认为大规模或大爆发成矿往往发生于出现特殊事件的构造环境成矿尽管表现为大面积但主要集中在几个有限的地区无论是巨矿还是大型矿集区的形成都必须有巨量的物质补给!能量的持续供给及优越的物质传输系统和罕见的卸载及储存环境∀311特别事件与大规模成矿通过近年研究对地球的演化历史已经有了一定的共识即地球早期为一个熔融体在冷凝过程中逐渐开始形成原始地壳新太古代和古元古代是地壳迅速增长时期地壳以小板块或地体在地幔上会聚或发散中元古代之后逐渐过渡到类似于现代板块运动形式在显生宙一些大陆内部还出现了块体之间的陆内造山运动∀在不同地质历史演化阶段和不同构造环境中相应产出不同的矿产组合≈这是一般规律∀大规模成矿作用发生不拘泥一般规律而是对应着一些特别事件∀例如中国东部大规模成矿的动力学环境是一个重要的前沿性科学问题区内岩浆活动和成矿作用明显受中生代/立交桥式构造0即近∞•向和∞向两组构造的控制∀任纪舜初步认为在印支末期至燕山早期亚洲大陆与美洲大陆的碰撞对接使中国东部地区受到南北方向挤压应力的作用燕山中期≅及以后主要受太平洋板块向西俯冲的压应力场的作用∀正是由于在中生代如此短时间内经历了两次大规模构造运动导致规模宏大的岩浆活动和成矿大爆发∀又如ƒ铁矿是地球上一次最大规模的成铁事件的产物它是地壳形成早期大量火山活动和淀积的结果∀随着地质历史的发展!壳幔分异和地壳不断增厚这样的大规模成矿具有不可逆性∀壳表大规模成矿作用也雷同∀例如在高原隆起期间内陆湖泊的蒸发量大于补给量随着湖盆的多阶梯收缩演化卤水逐渐富集到一些体积有限的盐湖中以至于大规模形成!!≤等矿产≈∀312大规模成矿与物质巨量供给地球上元素分布有明显的不均一性只有当地幔或地壳或两者均富有巨量的某种成矿元素才有可能大规模成矿∀例如在南非北东长北西宽的兰德盆地•2中拥有全世界已探明黄金储量的≈∀矿床沿盆地周缘分布成因第卷第期毛景文等浅议大规模成矿作用与大型矿集区类型为金铀砾岩型产出于时代为≅∗≅厚达的沉积火山岩系中∀指出该金矿为一种古砂矿≈由原生的脉金矿经风化剥蚀和再沉积而成∀∂2认为时代为≅∗≅的绿岩带中金矿源于兰德式金铀砾岩型金矿的再造≈∀而却论证含金流体在区域变质期间交代砾岩成矿∀以上成因认识不尽相同但该区金的巨大供给为形成如此巨大的矿集区奠定了基础∀在湘南东坡地区以千里山花岗岩体为核心不足却蕴藏着巨大量的多金属矿产仅柿竹园拥有钨金属万吨在世界上数一或数二铋储量达万吨雄居世界第一锡金属储量万吨在我国也仅次于个旧和大厂排名第三如果再加上新探明的玛瑙山万吨和红旗岭万吨锡金属锡金属储量接近大厂矿田∀过去几年在区内又探明了枞树板和南风坳一批大中型铅锌矿床铅锌金属储量已经超过了万吨∀此外区内的铍和氟储量也都达到大型和超大型规模∀尽管东坡地区地质找矿程度颇高但前景仍然光明∀为什么在如此小的范围内有如此巨大的多金属物质聚集他们来自哪里这无疑是一个重要的科学问题∀王昌烈等和王书凤等认为成矿与花岗岩有关≈季克俭等认为周围地层中金属元素参与了成矿≈∀毛景文等≈和刘义茂等≈也认为不仅个期次岩浆活动和地层对成矿的贡献还认为大规模成矿事件与地幔活动及部分物质供应有关∀最近赵振华等≈发现湘南地区≅∗≅期间喷出的玄武岩中地幔包体的•!≥!!°!!≤∏等元素比原始地幔的平均成分高出∗1倍∀毛景文进一步提出南岭地区是一个•!≥元素高异常区≈其•!≥成矿作用强度在时间上呈多旋回螺旋式上升在空间上东部富钨西部富锡中部两者兼富位于南岭中段的湘南地区在燕山期大规模金属聚集是地质时空演化之必然∀成矿物质分布不均一性不仅表现在矿集区这样的中尺度范围在洲际成矿带中也如此∀≥和论述中生代环太平洋构造岩浆成矿作用在东西两岸差别明显≈东部大陆边缘主要为斑岩铜钼矿西部岛弧和大陆边缘均以钨锡矿为主∀这在一定程度上反映了物质在全球壳幔中分布的不均一性∀即使在同一构造环境中供应的物质源不同就形成了不同的矿床组合∀中国东部地区在中生代受统一的构造应力场作用在北方的成矿元素组合为铁铜钼金银铅锌南方则为钨锡锑汞金铜东秦岭和长江中下游的中部成矿元素组合亦此亦彼∀313大规模成矿与巨大能量系统大规模成矿不仅有巨大物质供给而且还必须有巨大能量供给∀毛景文等曾经提出高热场°含矿花岗岩的多期次叠加是形成柿竹园超大型钨锡钼铋矿床的必要条件≈持续的能量供给使成矿环境长期保持在一个热状态不仅有利于岩体本身的分异与成矿而且有助于在岩体上部形成一系列对流循环系统从周围围岩中萃取成矿物质在适宜的构造环境中卸载成矿∀°通过对澳大利亚含矿花岗岩的深入研究≈不仅证明其亦为一个高热花岗岩还测得岩体结晶时间延续了个百万年由此进一步推论岩体释放出的巨大能量对成矿的贡献∀季克俭等通过岩浆结晶物理化学研究和一系列典型矿床实例的解剖认为岩体仅仅是热液矿床形成的能源≈它与围岩构成的矿源和大气降水作为水源成为成矿的三大要素并由此创立了三源成矿学说∀澳大利亚以∏大学为主组织国际有关单位开展∞≤项目即/大陆地球化学演化与成矿0研究并实施大陆四维地球动力学模拟计划提出了构造圈热侵蚀2矿床地质年和壳幔互化新概念∀它为陆内构造岩浆大规模活动和成矿大爆发奠定了部分理论基础∀所谓的构造圈热侵蚀就是由于岩石圈减薄以至于软流圈向上运移甚至直接接触下地壳致使地壳大规模重融形成花岗质岩石∀这一机制对于解释我国东部地区大规模花岗岩侵位和成矿具有独到之处∀据邓晋福初步研究≈华南地区在中生代地壳在增厚而非减薄∀在地壳增厚区构造热侵蚀的必然结果是地壳重融岩浆上侵定位和分异成矿∀与之相对应当时处于地壳减薄区的扬子中下游地区大量出现的是壳幔同熔型花岗岩和与之有关的铁铜金矿床∀与后者雷同华北地块被认为在燕山期地壳大减薄地幔去根壳幔同熔型花岗岩大规模侵位与之伴随形成大量铁铜铅锌金矿床∀近年来地幔柱构造研究已经逐渐成为大地构造研究的热点旨在解决大陆上板块构造难以解释的壳幔垂直运动机制∀地幔柱上升到岩石圈板块之下