地球系统科学与成矿学研究.pdf

书书书 第 卷 第 期 “ 年 月 地学前缘 （中国地质大学， 北京） ） 1 ’ “ 地球系统科学与成矿学研究 翟裕生 （中国地质大学 “岩石圈构造、 深部过程及探测技术” 教育部重点实验室， 北京 A） 摘B 要 在简述地球系统科学的基础上， 文中提出了由地球系统科学引发的成矿学研究 个观点 （） 成矿系统是一个特色的地质系统；（“） 成矿系统与其它系统的关联；（） 地质突发事件具有灾害和 资源的两重性。针对地球系统科学要求和矿床学学科发展进程， 提出了 C 个亟待加强的研究领域或 课题（） 深部过程、 浅表环境与成矿系统；（“） 重大事件与成矿；（） 生命活动与成矿；（） 物理成矿 作用和 （C） 海洋成矿作用。在结语中， 作者强调要从地球系统的大背景来研究成矿环境、 成矿过程和 成矿动力学， 也即将传统的矿床成因研究提高到地球系统科学的层次， 为矿床学的发展提供新的广阔 的理论基础。 关键词 地球系统；成矿系统；生命活动；物理成矿作用；地质事件；地质灾害；矿产资源 中图分类号 DE；DFB 文献标识码 GB 文章编号 C““ （“） 收稿日期 “F 基金项目 国家自然科学基金重点项目 （“C） ；教育部 “ 工程项目 作者简介 翟裕生 （HB ） ， 男， 教授， 博士生导师， 中国科学院 院士， 主要从事矿床学、 矿田构造和区域成矿学的教学和研究工 作。 B B 世纪之交地球系统科学的提出和广泛研讨是地 学界的一件大事， 它对各个原有学科都有深刻影响。 本文以成矿系统研究为重点， 探讨地球系统科学的 兴起对成矿学研究的积极影响， 并据此提出了成矿 学研究的 个观点和应重视研究的 C 个领域， 以期 引起关注和共同探索。 B 地球系统科学的兴起 “ 世纪 A 年代以来， 由于对海洋、 大气、 生态 和全球变化等科学研究取得重大进展 （国际深海I 大洋钻探计划 （JJDI KJD） 、 国际地圈生物圈计划 （L89D） 及其他 ［ MF］） 以及对地球物理、 地球化学、 地 球动力学和深部过程的深入研究， 发现地球上很多 重大事件和自然现象是密切关联的， 是地球系统演 化过程中的种种表象。对这些问题的深入研究， 已 不是单一学科所能及， 需要发展一门新的集成科学， 从全球观点系统研究重大地学问题。这就逐步引发 了地球系统科学概念的提出。开始是HA 年， 美国 GG 下属的一个委员会的文件中， 提到地球系统 和地球系统科学两词， 提出要把地球的各组成部分 与相互作用作为一个系统来研究， 并于 HAA 年出版 地球系统科学 一书 ［］， 正式系统阐述了地球系统 和地球系统科学的观点。它强调从整体出发， 将大 气圈、 水圈、 岩石圈和生物圈看作是有机联系的地球 系统， 发生在该系统中的各种时间尺度的全球变化 是地球系统各分量 （层圈） 相互作用的结果， 是三大 基本过程 （物理、 化学、 生物学） 相互作用的结果， 以 及人与环境 （生命与非生命） 相互作用的结果， 并首 次提出将人类活动作为与太阳和地核并列的、 能引 发地球系统变化的驱动力 第三驱动因素 ［“］。 上述基本研究目标的实现， 将能从根本上回答地球 是怎样运行的， 又是怎样演化的， 它的未来将如何发 展等问题， 以便更好地为人类合理利用资源和改善 全球环境服务， 为人与自然和谐发展服务。 地球上的诸多事物互相联系， 单一学科研究只 探索和阐述其某一部分或某一侧面， 而高度集成的 地球系统科学则能从整体上揭示地球演化和地质过 程的机理， 阐明过去认为互不相干而其实是有内在 联系的各种现象。例如， 汪品先指出，“吹向大洋的 风尘长期增多会造成大气降温， 因为它会增加海洋 的生产力， 减少大气中 3K“含量。智利海岸外鱼类 的大批死亡和印尼岛屿的森林火灾缘于同因， 因为 它们都属于厄尔尼诺效应” ［］， 而厄尔尼诺是否与 “ “ “ ““ “翟裕生地学前缘（ 和 镍岩型 ， A 等矿床为特征。显生宙以来， 板块构 造运动明显， 壳幔层圈发育趋于成熟， 生物有机质大 量繁衍并参与成矿， 热液矿床数量剧增， 生物成因矿 床大量形成， 多种稀有元素、 分散元素等经过地史上 反复多次浓集而形成花样繁多的矿床类型。每个时 代的矿床， 都是在一定的地质环境中形成的， 都有其 积淀背景和时代特征 ［B］。从宏观尺度看， 成矿系统 是地球系统历史演化中千变万化的复杂巨网络中的 一个环节， 有其发生、 演变和消亡的历史过程。 C “ 成矿系统与其它地质系统的关联 前已述及， 成矿系统及所成矿床是多个地质系 统综合作用的结果。岩浆矿床、 热液矿床和变质矿 床主要是地内各子系统 （构造、 岩浆、 岩石、 流体 ⋯⋯） 耦合作用而成的； 沉积矿床、 风化矿床则是地 球表层系统含生物圈、 水圈、 大气圈和太阳能综合作 用的产物； 而火山成因矿床、 喷流沉积矿床、 热泉型 矿床等则是地内系统 （岩浆、 流体、 地热等） 和表层 系统联合作用的结果。没有地球系统中的各个相关 子系统 （各类地质作用、 各个层圈及亚层圈等） 的参 与， 成矿系统是不可能发生的。因此， 成矿系统是依 赖于其它地质系统而存在的， 是其它各系统在特定 时 空域中联动和耦合的产物。 从另一方面看， 成矿系统既是各类地质作用的 综合产物， 又是各种地质作用信息的载体， 是各类地 质系统和地质作用过程的标记和 “见证人” 。也即 在成矿过程中， 各种参与成矿的地质作用的踪迹会 保存在矿床之中， 包括其矿体、 围岩、 矿物组合、 蚀变 岩乃至矿物流体包裹体中。这些信息极为珍贵， 例 如 矿床中若干元素 （如 ’， D， E， ） 的同位素特征可 提供有关成矿时大气和海洋的组成、 演变等信息， 也 可提供关于地幔地壳组成、 结构及其相互作用的系 统信息， 同时记录了有关构造、 岩浆、 流体、 风化、 变 质等地质作用的过程。又例如 对 78, 铁矿和含金 砾岩矿床地球化学过程的研究， 为认识太古宙和古 元古代时的大气和水圈化学成分 （E/少， 还原程度 高） 提供了证据。对古矿床风化壳和表层次生矿石 的研究可提供有关古气候、 古地理、 古生物活动及其 相互作用的丰富信息。对热液矿床及其成矿流体的 性状和成分研究可反演有关古热液系统、 水岩反应 及所在地质环境的信息。对岩浆矿床和斑岩矿床的 成因研究， 增加了对岩浆物理化学反应、 气相分异以 及不同流体相中化学元素配分、 组合等的了解。 由上述可见， 矿床中包含的多种信息是标识不 同地质环境和不同地质作用过程的 “见证人” 。它 与古生物化石之能反演古地理、 古海洋、 古气候和古 生态环境类似， 可起到异曲同工的作用。不同的是， 矿床信息除能反演地表环境外， 还能记录地壳内部 乃至上地幔的各类深部环境和热动力过程。也即对 矿床包括超大型矿床的物质组成、 时空分布和形成 机制的认识， 可用来反演岩石圈的组成和演化过程。 由此可以引伸出， 矿床学研究不仅为矿产勘查 和开发服务， 同时， 也为地球科学有关学科提供重要 信息和 “见证” ， 为成矿系统与其他地质系统内在联 系提供事实依据。因此， 它也能为地球系统科学的 发展贡献力量。从地质学科发展史看， 由矿床学最 先引用并进而推广到其他地学学科的方法手段是不 少的， 如稳定同位素 （D， E， ’， ） 地球化学、 流体包 裹体测温及成分分析， 用于示踪和测年的放射性地 球化学 （AF;/ 矿床形成在白垩纪。成矿的高强度、 高密度 和多样性是十分突出的， 构成了中国东部乃至东中 部的很多重要矿集区。全世界约 H2I 的石油、 天然 气资源也赋存在白垩系。我国已探明石油储量的 ;35 7I产于白垩系， 其中松辽盆地占很大比例 ［43］。 涂光炽指出， 白垩纪的多个特殊事件是许多大型、 超 大型金属、 非金属矿床和油气藏形成的关键 ［41］。邓 晋福等认为，“中国东部中生代成矿大爆发是特定 地质背景下发生岩石圈大减薄和构造格局大转折相 结合从而导致大规模壳幔相互作用和构造圈热侵蚀 事件的产物” ［4J］。笔者认为， 重大地质事件伴有大 规模成矿的原因很复杂， 其中的一个原因可能是重 大构造转折引发的一系列不同尺度的成矿参数的联 动转换作用。成矿是在物质分异运动中发生的， 重 大构造变动导致地球物质、 能量得以大量、 快速转 运， 并向地壳浅部集中， 为大规模成矿提供了前提。 大型构造界面 （如大型韧性剪切带、 大型拆离带、 大 型走滑断层带等） 又常是温度、 压力、 （1） ， （） ， KF， 等成矿参数转折带 （急变带） ， 也是不同类型 含矿流体的混合、 排泄和沉淀堆积带。由于上述原 因， 这些带中发生了显著的物理化学和生物化学作 用， 导致成矿物质的大量沉淀堆积。对此， 笔者在另 两篇论文中专门讨论过 ［4， 4H］。 5 “ 生命活动与成矿系统 在地壳表层， 生物作用是最活跃的地质营力， 它 对大气圈、 水圈和岩石圈有强大的影响， 同时也对表 层系统中的矿床形成和改造产生巨大的作用。从上 世纪 2 年代起， 一些学者开始生物成矿作用的专门 研究， 包括生物有机质在元素迁移富集中的作用和 生物成矿实验等。在我国， 叶连俊、 涂光炽、 傅家谟、 范德廉等对生物成矿机理有深入论述， 殷鸿福提出 生物 有机质 流体成矿系统 ［47］， 不少学者研究范围 不只限于沉积矿床和沉积改造矿床， 还涉及大量的 热液矿床以及产在沉积岩、 变质岩和岩浆岩等岩石 中的与生物有机质有关的矿床。 4L72 年以来， 大洋观测和大洋钻探发现， 生物 可以在极端环境中发育和繁衍。如在洋中脊， 人们 发现在热液喷口附近存在以大量软体动物为主的生 物群， 以及以化合作用自养细菌为主体的 “黑暗食 物链” 。它们不是靠常温和光合作用产生有机质， 而是在黑暗洋底的高温 （达 ;22 M322 N） 还原条件 下， 通过化合作用产生有机质和微生物， 这些微生物 以摄取富含金属的热流体为食料， 而软体动物等则 以微生物为食。此外， 深海钻探还发现， 在数 -， DE， D， AB， C- 等多种矿产的形 成与有机流体密切相关；（3） 生物有机质改变环境 的物理化学条件， 促使某些成矿元素发生活化并沉 淀聚集。 生物有机质的广泛存在和其对成矿的多种影 响， 开拓了人们的眼界，“从金属到天然气水合物， 从火山口到岩溶洞， 无处不有微生物的活动， 许多原 来以为是 ‘无机’ 的地质过程， 其实都是生命活动的 翟裕生地学前缘（“， 等矿床。例如， 加拿大西部阿 尔伯达油田附近的 9* 9- 大型 9;， 9;， *，7.1X,’-H YI ’ 1I1-J 1,-.-1 T- Y--. H,111-H Y’,-GKI ,. - XX-’，- 0’ X1 G0’8 [’H ’-- T,-[X0,.1 0. - 1HI 0G J-KK0A-.I4 F-I ’- 1 G0KK0[1 （） J-KK0A-., 1I1-J ,1 Z,.H 0G 1X-8 ,K A-0K0A,K 1I1-J1； （2） J-KK0A-., 1I1-J ,1 K01-KI ’-K-H [, 0-’ 1I1-J1； （7） Y’X A-08-T-.1 10[ HK G-’-1 ’- Y0 0G H,11-’ .H 0G J,.-’K ’-10’-14 . 0’H-’ 0 J-- - H-J.H 0G ’ 1I1-J 1,8 -.-1 .H - H-T-K0XJ-. 0G 0’- H-X01, A-0K0AI，- 0’ 1 X’0X01-H G,T- ’-1-’ G,-KH1 10KH Y- 1’-.A-.-H，.J-KI， （） H--X X’0-11-1，1KK0[ -.T,’0.J-. .H 0’-8G0’J,.A 1I1-J； （2） ,JX0’. A-0K0A8 ,K -T-. .H J,.-’K,L,0.； （7） K,G- ,T,I .H J,.-’K,L,0.； （3） A-0XI1,K 0’-8G0’J,0.； （_） 0’-8G0’J8 ,.A X’0-11-1 ,. - 0-.4 K1， - 0’ 1’-11-H - ’-1-’ 0. 0’-8G0’J,.A -.T,’0.J-.， 0’-8G0’J,.A X’0-11-1 .H 0’-8G0’J,.A HI.J,1 10KH Y- 1I.’0.,L-H [, - 1HI 0G ’ 1I1-J 1,-.-1，,4 -4 ，[- 10KH -..- ’H,,0.K J,.-’K H-X01, ’-1-’ 0 - K-T-K 0G ’ 1I1-J 1,-.-1，10 1 0 X’0T,H- J0’- -EX.1,T- Y1,1 G0’ - H-T-K0XJ-. 0G 0’- H-X01, A-0K0AI4 * ,-’ 1I1-J；J-KK0A-., 1I1-J；K,G- ,T,I；XI1,K 0’-8G0’J,0.；A-0K0A,K -T-.；A-0K0A8 ,K H,11-’；J,.-’K ’-10’-