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区域构造、 地球化学与成矿 翟裕生 中国地质大学,北京 100083 摘 要成矿是一种复杂的地质作用,区域构造与区域地球化学是控制成矿的基本要素。文中简略叙述了构造 成矿研究的历史,论述了大型构造与成矿的关系,提出构造动力体制转换是引发成矿作用的一种重要机制。通 过对我国矿田构造研究的回顾,总结提出构造研究的一些思路,同时对区域地球化学与成矿、 上地幔元素丰度 与成矿以及地球化学急变带与成矿等做了简要的讨论,认为岩石圈及地质体中一定含量的金属元素是成矿的 必要条件,而成矿尚需一定的地质作用对这些金属元素的浓集。 关键词区域构造;区域地球化学;成矿作用 中图分类号P611 文献标识码A文章编号1672 - 4135200301 - 01 - 07 矿床是地球物质高度分异演化的结果,是地 球物质系统的有机组成部分。一定区域中影响成 矿系统发生与保存的因素较多,诸如地层、 岩浆 岩、 构造、 流体、 区域地球化学等,其中区域构造和 区域地球化学是两个重要的因素。现就区域构 造、 地球化学与成矿的一些内容做摘要论述。 1 区城构造与成矿 构造不仅控制矿床形成,同时它在很大程度 上也影响着矿床的破坏与保存。地质构造有不同 的级别和层次,从显微构造直到全球构造,它们影 响成矿的范围,并且研究意义各不相同表 1 。 表1 成矿构造体系 Table 1 Ore - ing structural system 构造尺度成矿构造级别矿化单元研究应用目的 微型构造显微成矿构造矿石、 矿物选矿、 冶炼 中小型构造矿田矿床构造矿田、 矿床、 矿体找矿、 勘探、 采矿 大型构造区域成矿构造成矿区带区域成矿与预测 大地构造大区域成矿构造成矿域资源潜力评价 全球构造全球成矿构造全球成矿域全球成矿分析 1. 1 构造成矿研究简史 人们很早就已经注意到构造与矿体的关系, 据矿业参考文献记载,一些文明古国的古采矿坑, 大多数是沿着断层和裂隙延伸的,说明古代矿工 已能利用断裂的产状作为探矿的标志。随着矿业 开发和地球科学的不断进步,人们对构造的研究 从对单个形态的几何学描述发展到对区域构造的 全方位、 多尺度、 多层次、 多体制和多世代的综合 解析[1],对构造与成矿关系的认识也不断深化,即 从单一构造成矿 → 构造体系控矿 → 构造动力成矿 → 构造成矿动力学不断发展,从几何学研究向运 动学、 动力学研究,定性研究向半定量、 定量研究, 静态研究向动态研究转移。不同时期的研究重点 内容如下所述。 20～30年代 成矿带 成矿区 区域矿产分带 成矿形态产状的构造控制 断裂、 褶曲、 节理等控矿 成矿前、 成矿后构造 收稿日期2002 - 10 - 23 基金项目国土资源部地质调查项目K1 - 4 - 1 - 5 ;中国地质调查局项目200110200069 作者简介翟裕生,1930 ,男,中国科学院院士,教授,博士生导师,矿床学专业,现任国际矿床成因学会矿田构造组主席。 第26卷 第1期 2003年3月 地 质 调 查 与 研 究 GEOLOGICAL SURVEYAND RESEARCH Vol.26 No.1 Mar.2003 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 40～50年代 地槽区成矿 地台区成矿 活化区成矿 各类矿床的构造特征 显微构造、 岩组分析不同 导矿、 配矿储矿构造网络 矿田构造课程 60～70年代 区域构造与成矿 板块构造与成矿 构造体系控矿 多旋回构造与成矿 构造-岩浆-成矿带 动力成岩成矿 构造地球化学 80～90年代 地体构造与成矿 大陆构造动力学与成矿 深部构造与成矿 深浅构造立交模型 大型构造与超大型矿床 地幔柱构造与成矿 构造研究与矿床成因研究相结合 构造-流体-成矿系统 遥感、GIS、 分形、 实验模拟等 矿田构造三维制图 新的构造类型研究 成矿系统中的构造作用 1. 2 大型构造与成矿 大型构造是相对小型构造、 微型构造而言的, 它通常是指规模达数百千米级 10 6～l08 cm 的地 质构造[2]。一般而言,大型构造不是一个单一的 构造形迹,而是由与其拌生的或派生的一系列构 造要素组合成的。常见的大型构造可按其所反映 的地壳变形场分为五大类端元即反映地壳水平 运动的伸展、 收缩和走滑,反映垂向调整的隆升和 沉降,其间可以有各种过渡或转化型式。与同类 型的小型构造相比,大型构造不仅是地壳或岩石 圈受力变形的产物,而且它的形成和演化控制着 与其有关的沉积、 岩浆、 变质等作用。 大型构造如裂谷、 推覆构造、 剪切带构造等都 是岩石圈动力作用的产物,有以下特征 ① 大型构造是多种低次序构造的有机组合, 是一套构造体系,而不是单一的构造形迹;② 大型 构造具有贯通性,它贯通不同的地质体和不同构 造单元,并能汇总不同时代、 不同性质的构造于自 身;③ 大型构造具有长期活动历史,在其发展演化 过程中,构造运动的性质、 强度、 方向等常有变化, 造成内部结构的复杂性;④在大型构造的运动过 程中,释放出大量能量,为其它的地质作用提供能 源和动力;⑤ 大型构造能较大程度地改变地壳物 质的状态如重熔岩浆 , 并驱动物质作长距离的 搬运;⑥ 大型构造能控制有关岩石建造的形成和 分布。 大型构造的控矿作用主要表现在①大型构 造可为矿源场、 中介场和储矿场的有机联通提供 有利条件。例如,深源的含矿流体可以大断裂为 通道而到达地壳浅表,并在该大断裂的次级断裂 裂隙中堆积成矿;② 大型构造的长期性、 脉动性和 继承性,有利于成矿物质的反复叠加富集,使它们 汇聚在同一有限空间,这种多重富集作用有利于 形成超大型矿床;③ 一些矿床尤其是大型矿床,其 形成需要巨大、 稳定的热液对流系统,支持这种系 统正常运转的巨大岩石裂隙网络带,只有在大型 构造的热动力作用下才能形成,如超大型斑岩铜、 钼矿床;④ 大型构造因其贯通性而能连通位于不 同深度和不同地质体内的不同类型的流体,并导 致它们的混合,这有利于汇集成矿所需的矿质、 挥 发分和形成必要的地球化学障,因而有利于矿床 的形成。 可见,大型构造在源控制岩石建造的形成的 分布、 运连通、 驱动含矿流体、 储提供多样的 成矿环境等方面控制了矿床的产生。另外,其控 矿作用还可表现为一些超大型矿床主要分布于一 定的成矿构造环境中表2 ,而同一构造环境对不 同类型成矿系统的作用不同表 3 。 近年来,由于深部探测技术的发展,主要是地 球物理探测、 地幔岩包体研究和区域地球化学以 及一些碰撞造山带的研究,提供了有关壳幔组成 和结构的丰富信息,相应地促进了对深部构造、 深 部作用与成矿关系的研究,提出了地幔柱与成矿, 岩石圈中地质、 地球物理,地球化学突变带对成矿 区带的制约等观点,并有将岩石圈演化、 构造 岩 浆活动、 元素转移与成矿作用从宏观上与动力学 过程联接起来的研究趋势。 2 地 质 调 查 与 研 究 第26卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表2 中国及世界主要矿床的构造成矿环境 Table 2 Tectonic ore - ing environment of the main ore deposits both in China and the world 中国主要矿床的成矿构造类型全球超大型矿床的成矿构造类型 序号成矿构造环境矿床数 百分比序号成矿构造环境矿床数 百分比 1裂谷、 裂陷槽2128.81活动陆缘构造-岩浆带2119.6 2古陆内部及边缘深断裂8112裂谷类构造及同生断层1917.8 3古陆绿岩系韧性剪切带8113大陆内部及边缘的深断裂109.4 4陆内断褶 岩浆复合构造带8114大陆边缘海盒及陆架斜坡带109.4 5活动陆缘构造 岩浆带79.65大陆内部及边缘沉积盆地98.4 6大陆边缘海域及陆架斜坡带68.26稳定古陆上风化壳构造98.4 7陆壳花岗岩穹窿56.87陆相火山岩带的火山机构98.4 8陆相火山岩带的火山机构56.88陆内花岗岩穹窿76.5 9陆内和陆缘沉积盆地34.19前寒武纪古陆不整合面54.7 10陆壳浅层脆性变形构造带22.710古陆绿岩带韧性剪切带43.7 11稳定海岸带43.7 总计73个总计108个100 表3 主要控矿构造类型的成矿控制 Table 3 Main tectonic types and the ore - controlling results 序号控矿构造类型123 1裂谷类伸展构造及同生断裂●●● 2活动陆缘构造 岩浆带含火山岛狐带●-● 3大陆内部及边缘有岩浆活动的深断裂●-● 4大陆边缘海盆及陆架斜坡带● 5大陆及边缘的大型沉积盆地● 6陆相火山岩带的大型火山次火山机构●-● 7古陆绿岩带的韧性剪切带--● 8陆壳花岗岩穹窿构造●-● 9陆内断褶-岩浆复合构造带●-● 10陆壳浅层脆性变形构造带●● 11变质核杂岩及剥离断层-●- 12稳定古陆块上风化壳构造-● 1.熔浆成矿系统; 2.流体聚敛成矿系统; 3.改造成矿系统;●.主要; - .次要; .情况不明或不起作用 1. 3 构造体动力学体制转换与成矿 不同环境、 不同尺度、 不同形式的成矿参数的 临界转换,常是很多矿床形成的基本条件,对很多 矿床的成矿条件和作用过程的研究[2、 3]显示 ,在制 约成矿临界转换的多种参数中,构造应力场的转 换可能起着根本的作用。这是因为,构造不仅仅 是局部的控矿因素,它还能从大区域上控制或影 响各类地质作用岩浆活动、 沉积作用、 流体作用、 变质作用 ⋯⋯。构造动力转换也常能诱发突发 地质事件火山爆发、 构造地震、 流体沸腾与喷溢、 流体混合等突灾变作用、 能量释放、 矿质与流体 非常规运动、 多组分和多过程耦合等 , 而这些突 发事件又能构成有利成矿的环境和条件。 构造动力体制转换是自然界的普遍现象,表 现为不同环境和不同尺度,显示出自相似性。① 全球尺度的构造体制转换古陆开合-散聚是构 造体制转换的一种形式,据M. E.Barley统计[4],古 大陆汇合的末期到裂解初期这个转换时期距今 2 000 Ma～1 800 Ma、1 000 Ma～800 Ma、400 Ma ～300 Ma是大陆上成矿的高峰朋。② 区域尺度 的构造体制转换典型的例子如侏罗纪与白垩纪 时华北陆块发生构造体制转换,即由NWW～SEE 挤压转为NE～SW向挤压,并随之产生岩浆活动 并伴随大规模的成矿作用如胶东地区金矿。③ 矿田-矿床尺度的构造转换如含矿剪切带中张 剪断裂发生时的矿石堆积,含矿褶皱,如背斜脊部 由挤压向拉张的转换时段,因虹吸作用导致的矿 液注入与矿质堆积等。④露头尺度的构造转换 3第1期 翟裕生区域构造、 地球化学与成矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 岩层内部的引张裂隙发生时,溶有岩层自身物质的 流体迅速进入裂隙中,并沉淀出过饱和物质形成小型 脉体阿尔卑斯型脉。例如石英砂岩层中的水晶脉, 碳酸盐岩层中的冰洲石脉。较大尺度的构造体系中 包含有多种次一级的构造。在构造动力体制的临界 转换过程中,有时大尺度构造的整体动力性质与次级 构造的局部动力性质不一致,这种局部的异常经常能 构成矿床形成的有利条件。 在拉张构造场如裂谷中,其内封闭或半封闭 的次级盆地可构成有利的成矿场所,形成SEDEX 沉积喷流型矿床或VMS火山岩型块状硫化物 型矿床的堆积,例如,南秦岭中泥盆世西成碳酸盐 岩台地中的厂坝 李家沟铅-锌矿床就位于该盆 地西侧的次级洼地中[5]。 再从更大尺度看,在大洋板块向大陆俯冲带 的挤压构造动力环境下,由于局部应力场转换,由 陡倾斜板片和缓平板片间裂开造成的板片窗 slab window ,是一种局部的剪张构造,沿此断裂通道有 深部岩浆向上侵位,并可能构成相应的岩浆-热 液成矿系统图 1 [6]。 图1 板块俯冲挤压中局部引张部位与岩浆热液成矿系统据Kerrich R2000 Fig.1 The local extention parts in the plate subduction and magmatic hydrothermal ore - ing system 1. 4 我国的矿田构造研究 矿田构造是指在矿田范围内,控制各矿床的 形成、 改造和空间分布的地质构造因素的总和。 矿田构造是矿床形成、 分布、 改造、 破坏、 保存的一 个基本要素,是矿山环境质量评价的 个重要指 标。矿田构造研究是找矿勘探和矿山地质的关键 问题之一,是濒危矿山探边摸底扩大储量的一线 希望,也是构造地质学和矿床学发展的一个源泉。 我国的矿田构造研究开展较晚。解放前,老 一辈地质学家曾对赣南钨矿、 东川铜矿、 贵州汞 矿、 招远金矿等做过构造方面研究,而专门矿田构 造研究,则是从50～60年代开始起步,逐步积累资 料,探索研究方法;60～80年代,广泛展开研究,初 建矿田构造学科,近10多年来则采用多学科综合 手段,拓宽研究广度和深度,并逐步形成了一些研 究特色[7]。在运用矿田构造学指导找矿方面,60 ～70年代间在南岭钨锡矿、 湘西黔东汞矿、 豫西多 金属矿、 粤北铀矿等方面都有良好效果;80～90年 代,在发现山东焦家金矿属于构造蚀变岩型以后, 明确认识到韧性剪切带与金矿的密切关系,结合 化探成果,又在广东河台、 海南戈枕,礼臼金山、 辽 宁排山楼等多处发现受剪切带控制的金矿床[8], 促进了我国金矿找矿工作的发展。 1.5 成矿构造研究思路 由矿床矿田构造 → 区域构造大型构造 → 全球 成矿构造,是一个由小到大,由局部到整体、 由整 体到局部的逐步实践和反复认识过程。矿床、 矿 田构造研究以具体事物为主,大地构造控矿和全 球构造控矿研究的综合性和复杂性更明显。两方 面的研究是互为补充,相互渗透的。从研究内容 看,由单个构造控矿 →综合构造控矿 →构造成矿 研究构造地球化学为基础→ 成矿构造动力学研 究,应处理好物质与运动的关系。矿床常出现在 几种基本控矿因素耦合一起出现的部位①矿 源区成矿物质基础 ; ②构造、 流体、 热能及物理 化学空间等促成矿质汇聚的多种要素。因此,成 矿构造与区域地球化学、 地质流体研究相结合将 是正确的方向。 从构造成矿作用看,边缘成矿、 界面成矿、 交 会成矿、 转变成矿是几种基本的成矿机制[9]。之 4 地 质 调 查 与 研 究 第26卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 所以在这些局部的时空域中有利于成矿,原因是 在这些特定构造部位,①有利于基本控矿因素的 同时出现和耦合作用;②有利于实现各种控矿参 量由渐变到突变的转换,从而导致原有物理化学 平衡态的失稳,促使成矿物质的大量堆积。 将构造成矿与构造破矿研究相结合。矿床形 成后,在以后的地质演化中能否保存以及保存在 何处,取决于多种因素,但主要是受构造运动控制 的。从历史演化观出发,将矿床的形成、 变化、 破 坏或保存、 产出现状作为 “一条龙” 来综合研究,有 利于建立起对矿床 “来龙去脉” 的历史性认识,以 具体帮助预测和勘查工作。 2 区域地球化学与成矿 区域地球化学专门研究一个区域中化学元素 的丰度、 分布和分配状态,该区域地质演化过程中 元素的迁移活动历史以及区域地球化学系统的成 分、 作用与演化。区域地球化学研究涉及成矿的 根本前提 物质基础,即成矿物质的来源、 输运 和浓集机制以及成矿环境等问题。因此,区域地 球化学是区域成矿学研究的基础内容。 2. 1 地球化学块体与成矿 地球化学块体的概念是由地球化学省发展而 来的。地球化学省被定义为在地壳的一个较大片 段内,化学组分与地壳的平均值有显著的不同[10]。 可以认为地球化学省是地壳中的地球化学异常 区,而这种异常区有大有小,从局部异常到区域异 常直至地球化学洲,可以构成一个套合的地球化 学模式表 4 。为了表述这种具有立体结构和多 层套合的大规模地球化学模式,谢学锦院士提出 了地球化学块体Geochemical blocks的概念[11], 用以概括地球化学省以上规模的所有地球化学模 式。地球化学块体是指地壳上具有元素高含量的 巨大异常体。 表4 地球化学模式分类 Table 4 Types of the geochemical patterns 规模 km 2 地球化学模式Geochemical patterns 1 000 000 地球化学域 Geochemical domain 地球化学洲 Geochemical continent 图2 从地球化学场到成矿的过程 Fig.2 The process from the geochemical background to the ore ation 地球化学块体对成矿作用的控制是很明显的,如华南地区的钨锡矿与胶东地区的金矿。地 5第1期 翟裕生区域构造、 地球化学与成矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 球化学块体可为成矿作用提供丰富的成矿物质, 但物源只是成矿的一个基础,矿床的形成往往是 一个非常复杂的地质过程。像胶东金矿富集区的 形成就经历了四个主要的阶段[12]① 太古宙 元 古宙绿岩带产生、 形成 金的矿源系统雏形;② 古生代陆核隆升,构造环境稳定 金成矿作用 间歇;③ 中生代绿岩带强烈活化-改造 构造 成岩成矿;④新生代构造继承性活动动 后期 构造破矿作用。从地球化学块体到矿床的一般演 变路径如图2所示。 2. 2 上地幔元素丰度与成矿 研究表明,上地幔元素丰度对成矿有一定的 专属性。张本仁等[13]对东秦岭范围内的华北地台 南缘和扬子地台北缘地壳及上地幔元素丰度表 5 研究表明华北地台南缘幔壳相对富Mo、Pb、Zn、 Au而贫Cu。该区正是超大型的斑岩型Mo矿带和我 国的重要Au矿带之一,但具有规模的Cu矿迄今尚 无发现。扬子地台北缘上地幔以明显富Cu、Pb ,略富 Zn和Mo为特征,应为Cu、Pb、Zn、Mo地球化学 省,在基本上属于扬子地台大陆边缘的南秦岭就成为 重要的海底热卤水同生沉积-变质成因层控型Pb、 Zn矿带,同时在长江中、 下游扬子地台北缘也形成我 国重要的Cu矿带。湘南的壳、 幔均富W,而湘南正是 华南重要的W、Sn成矿省的组成部分。 表5 中国某些区域地壳上地幔某些元素丰度10- 6 Table 5 Some element abundance of the upper mantle in some places of china 构造单元结构层CuPbZnMoWAu3AgAsSb 华北南苑 上地壳1624581.30.570.60.070.820.43 下地壳2016551.70.470.40.080.350.4 上地幔127791.30.32.6--- 北秦岭 上地壳2539610.60.70.80.102.30.6 地壳3030640.60.61.00.094.10.7 南秦岭 上地壳2320620.70.81.30.085.60.9 地壳3118630.70.61.10.074.70.7 扬子北缘 上地壳2120560.580.580.70.071.50.12 下地壳716600.680.340.70.071.50.12 上地幔6015661.100.060.72--- 湘南 地壳3326751.181.43-0.06-1.18 上地幔273.5440.1070.82---- 全球 地壳7580801.001.03.00.081.00.2 上地幔4021600.60.35.00.060.90.1 注Au的单位为10 - 9;据张本仁等,1994[13] 2. 3 地球化学急变带与成矿 铅同位素在不同块体的地壳与地幔间的差异 较大,朱炳泉等通过铅同位素填图,应用三个铅同 位素206Pb、 207Pb、208Pb 与204Pb的比值,将其综合矢 量反映在三维空间,以此区分出不同块体间的地 球化学边界[14]。地球化学边界对超大型矿床与矿 床密集区起着十分重要的控制作用,特别是地球 化学急变带的转折端一般都有超大型矿床出现。 华北块体与扬子南缘地球化学边界分布了多个超 大型矿床包括金川铜镍矿、 小秦岭金矿、 金堆城 栾川钼矿、 西和 成县矿带的厂坝铅锌矿、 长江 中下游多金属矿带等大型-超大型矿床。因此, 地球化学急变带位置的详细确定对寻找超大型矿 床的战略预测具有十分重要的意义。 2. 4 区域地质-地球化学作用的成矿能力 成矿的基本因素有二①金属元素在岩石圈 和含矿地质体岩浆、 热液、 矿源层等中的原始浓 度;② 各种地质作用及富于其中的化学、 物理和生 物化学过程浓集金属元素的能力和效率。其中 ① 为必要条件,② 为充分条件。 主要成矿机制①多期地质、 地球化学作用, 造成成矿元素的多次浓集;② 成矿参量耦合很好, 有很强的成矿能力。 元素丰度制约① 高丰度元素如Si、Al、Fe、Mg 等只需1～2个地质 地球化学过程;② 低丰度元 素如贵金属、 稀有、 有色金属等则需要多个地质- 地球化学过程反复浓集。 元素丰度、 成矿强度、 成矿期次三者耦和的区 域应是大矿富矿形成的理想地区。 区域成矿是一个复杂的过程,涉及因素较多, 6 地 质 调 查 与 研 究 第26卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 除以上介绍的区域地质构造、 区域地球化学外,还 包括区域岩石圈结构和演化、 区域岩石建造、 区域 地质流体等诸多因素,详细内容请参阅 区域成矿 学 〔9〕 有关内容。 参考文献 [1]宋鸿林 1 五十年来中国小型构造研究的回顾与展望[J ].地质 论评,2002 ,48 2 158 - 167. [2]翟裕生,张湖,宋鸿林,等.大型构造与超大型矿床[M].北京 地质出版社,1997 ,1 - 180. [3]翟裕生,林新多.矿田构造学[M].北京地质出版社,1993 ,1 - 214. [4]Barley M E, Groves D L. Supercontinent cycles and the distribution of metal deposits through time[J ]. Geology , 1992 , 20 291 - 294. [5]王集磊,何伯西,李健中,等.中国秦岭型Pb - Zn矿床[M].北 京地质出版社,1996 , 69 - 77. [6]Kerrick R. The characteristics origins and dynamic setting of supergiant gold metallogenic provinces [J ]. Science in China series D supple2 ment ,2000 , 4 1 - 81. [7]翟裕生.成矿构造研究的回顾与展望[J ].地质论评,2002 ,48 2 140 - 146. [8]韦永福,吕英杰.中国金矿床[M].北京地震出版社,1994. [9]翟裕生,邓军,李晓波.区域成矿学[M].北京地质出版社, 1999. [10]Rose A W, Hawkes H E,Webb J S. Geochemistry in Mineral Explo2 ration [M]. New Y orkAcademic Press , 1979 , 657. [11]谢学锦,向运川.巨型矿床的地球化学预测方法[A].谢学 锦,邵跃,王学求.走向21世纪矿产勘查地球化学[C].北京 地质出版社, 1999 , 61 - 91. 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The author put forward that transation of structural tectonic systems isone of the most important mechanism , which can induce the occurrence of ore - ation.Also the relationships between regional geochemical blocks and metallogeny , and between abundant of elements in upper man2 tle and metallogeny , and between geochemical steep zone and metallogeny are curtly discussed. The metallic elements with certain abundance in lithosphere and geological bodies are the precondition of ore - ation , while metallogeny need some special geological processes to concentrate the metallic elements further. Key words regional structure ; regional geochemistry; ore - ing process 7第1期 翟裕生区域构造、 地球化学与成矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.