大陆碰撞成矿论.pdf

第卷第期 年月 地 质 学 报 注 本文为国家自然科学重点基金 编号 杰出青年基金 编号 国家科技支撑计划项目 编号 地 质调查项目 编号 资助的成果 收稿日期 改回日期 责任编辑 郝梓国 作者简介 侯增谦 男 年生博士 研究员 博士生导师长期从事大陆成矿作用研究 大陆碰撞成矿论 侯增谦 中国地质科学院地质研究所 北京 内容提要 基于经典的板块构造而建立的成矿理论已日臻完善完好地解释了增生造山成矿作用及汇聚边缘 成矿系统发育机制 但却无法解释碰撞造山成矿作用及大陆碰撞带成矿系统通过对青藏高原碰撞造山与成矿作 用的详细研究 并与中国秦岭和其它碰撞造山带综合对比 本文系统提出了一套全新的大陆碰撞成矿理论 简称 大陆碰撞成矿论 初步阐明了大陆碰撞带成矿系统和大型矿床的成矿动力背景 深部作用过程和形成机制该 理论认为 伴随大陆三段式碰撞过程而发育的主碰撞陆陆汇聚环境 晚碰撞构造转换环境和后碰撞地壳伸展环境 是大陆碰撞带成矿系统和大型矿床的主要成矿构造背景对应于三段式碰撞而在深部出现的俯冲板片断离 软流 圈上涌和岩石圈拆沉过程 是导致大规模成矿作用的异常热能驱动力伴随三段式碰撞而分别出现的压张交替 或压扭张扭转换的应力场演变 是驱动成矿系统形成发育的构造应力机制大陆碰撞产生的不同尺度的高热流 不同起源的富金属流体流 不同级次的走滑剪切拆离推覆构造系统和张性裂隙系统是形成成矿系统和大型矿 床的主导因素成矿金属在碰撞形成的壳幔混源高 岩浆热液系统 地壳深熔低 岩浆热液系统 剪切变 质富 流体系统以及逆冲推覆构造驱动的区域卤水系统和浅位岩浆房诱发的对流循环流体系统中 伴随成矿 金属的积聚与淀积是形成大型矿床的关键机制 大陆碰撞成矿论 还强调完整的大陆碰撞过程可以引发三次大 规模成矿作用形成一系列标示性的大型矿床 在主碰撞陆陆汇聚成矿期 大陆碰撞引发地壳加厚与深熔产生富 壳源花岗岩形成花岗岩型 矿床大陆俯冲板片断离诱发软流圈上涌产生富金属的壳幔混源花岗 闪长岩形成岩浆热液型或叠合型 矿床大陆碰撞从变质地体排挤出富 流体在剪切带形成造 山型 矿从造山带排泄出建造流体 在前陆盆地形成 型 矿在晚碰撞构造转换成矿期 大规模走 滑断裂系统诱发壳幔过渡带和富集地幔减压熔融 其岩浆在浅部地壳岩浆房出溶成矿流体分别形成斑岩型 矿床和碳酸岩型 矿床 深切岩石圈的剪切作用与下地壳变质产生含 富 流体 形成造山型 矿 逆冲推覆构造驱动地壳流体长距离迁移汇聚 走滑拉分导致流体大量排泄和充填 形成 矿 在后碰撞地壳伸展成矿期 新生下地壳部分熔融产生富金属 富水 高 埃达克质岩浆浅成侵位和流体出溶 产生 斑岩型 矿 中上地壳部分熔融层 岩浆房 驱动地热流体系统 在地热区发育热泉型 矿 在构造拆离带形 成热液脉型 和 矿 关键词后碰撞 构造拆离 软流圈上涌 三段式碰撞 大陆成矿理论 年 由经济地质学家学会 精心策划 出版的经济地质 百年纪念专刊 系统反映了当今国际矿床学界对全 球主要矿床类型 成矿地质背景 关键成矿过程和区 域成矿规律的最新认识和全面理解 透过百年纪念专刊 纵观近 年来国 际矿床学界的研究态势 呈现出个明显的趋向和 鲜明的特点建立于经典板块构造理论基础上的 成矿理论日臻成熟 完好地阐释了增生造山带及板 块边缘的成矿系统和成矿机制 但在大陆成矿方面 遇到了一系列重大难题和挑战 因此开始关注其它 地球动力学背景下的成矿作用问题 从而更为系统地阐明成矿系统和大型矿床在 空间上的分布规律鉴于经典板块构造及其成矿 理论的局限性 矿床学家开始引入 超大陆旋回 概 念研究区域成矿 研究超大陆旋回性地裂解 地幔柱 或角动量引起 与聚合 增生或碰撞引起 过程中的 成矿作用 从而更为科学地阐明大型矿床在时间上 的分布规律 虽然绝大多数矿床形成 就位和保存 第期侯增谦等 大陆碰撞成矿论 在地壳环境 但成矿系统的驱动机制和成矿金属的 集聚过程则受控于岩石圈尺度的地质过程 人们更 加关注壳幔相互作用与成矿地质过程以及物质能 量交换与成矿物质聚散问题 从更深层次上揭示成 矿系统和大型矿床的发育机制总之 将成矿作用 放在地球动力学演化的框架之下 以成矿物质供 给传输集聚过程为研究核心 从壳幔相互作用 和物质能量交换传递的新视角 揭示成矿作用与大 陆裂解聚合及其动力学过程的耦合关系和成因链 接 深刻地理解矿床的形成机制和分布规律 已成为 当今国际成矿学研究的主流 陆陆碰撞 作为形成超大陆的最重要和最有效 的机制 其形成的碰撞造山带常 常绵延数千公里 成为地球表面最为雄伟壮观的地 质构造单元然而 伴随着大陆碰撞而发生的大规 模成矿作用一直没有引起国际社会足够重视在百 年纪念专刊多达 篇学术论文中 对大陆碰撞成矿 作用问题鲜有提及 系统完整的成矿理论体系更无 从谈起究其原因有两个 一是认识上存在误区 认 为大陆碰撞带的新生地壳规模有限 故成矿潜力有 限 认 为大陆碰撞和强烈挤压导致流体大规模外泄 不易 发育大规模成矿的岩浆系统 岩浆热液系统和热液 系统 认为大陆碰撞通常导致地体大 规模隆升 故矿床保存潜力不大 二是研究上存在脱节 即碰撞造山过程与成 矿作用的耦合关系和成生联系没有得到很好地建立 和论证 同时 由于研究对 象多数为古老碰撞造山带 其构造变形强烈 成矿时 代较老 矿床类型单一 总体规模不大 难以勾画出 碰撞造山成矿系统的整体轮廓 实际上 大陆碰撞造山带发育大量的大型超大 型金属矿床 青藏高原和秦岭造山带则是典型实例 青藏高原造山带产出世界级规模的斑岩型铜矿带 芮宗瑶等 唐仁鲤等 侯增谦等 造山型金矿带 胡 云中 等 逆冲推覆构造控制的贱金属成矿带 侯增谦 等 碳酸岩碱性杂岩型 矿带 袁忠信等 阳正熙等 浦广平 等 和大型拆离系控制的 矿带 聂凤军等 杨竹森等 等秦岭大陆碰撞带则大量发育巨型 斑岩 矿和造山型 矿 盛中烈等 黄典 豪 陈衍景等 张复新 李永峰等 这些巨型成矿带及大型矿 床的形成发育 已大致勾勒出大陆碰撞成矿作用的 整体面貌 为建立大陆碰撞成矿理论奠定了重要基 础 由碰撞造山引起的地壳加厚以及岩石圈剪切和 地幔减薄引起的高热流和热流体 可能是导致大陆 碰撞带发生大规模成矿的主要根源 等 通过对欧洲华力西碰撞造山带成矿作用研 究 识别出种可能与碰撞有关的矿床类型基于 秦岭 碰 撞 造 山 带 区 域 成 矿 作 用 研 究 陈 衍 景 等 创造性地建立了大陆碰撞体制下的流 体成矿模式通过青藏高原碰撞过程与成矿系统研 究 侯增谦等 初步提出了以主碰撞陆陆 汇聚 晚碰撞构造转换 后碰撞地壳伸展等三大成矿 作用为核心的大陆碰撞成矿理论框架 然而 这些理论模式或概念框架 多是基于 特定碰撞造山带的成矿作用研究 缺乏全球范围的 系统对比更多地反映了碰撞造山带的特定阶段或 特定环境的成矿侧面 缺乏对不同类型碰撞造山带 或造山过程中成矿作用的整体把握以及规律总结和 理论提升 本文以当今国际区域成矿学的最新研究进展为 背景 立足青藏高原 综合对比秦岭和其它碰撞造山 带 系统提出了 大陆碰撞成矿论 以期阐明不同碰 撞过程诱发的区域成矿作用及其产生的主要成矿系 统 揭示成矿系统和大型矿床的形成机制 经典板块构造成矿理论研究回顾 世纪 年代 立足板块构造理论 矿床 学研究实现了一次重大理论飞跃近 年来 矿床 学研究又取得了长足进展 人们认 识到 成矿系统及其大型矿床的发育是不均匀的 但 在时 间 和 空 间 分 布 是 有 规 律 的 矿床的形成与分布归根结底是与地球动力 学演化过程 从太古宙地幔柱构造到显生宙板块构 造 有关 不同的地球动力学背景必然造就不同的成 矿系统和矿床类型国际成矿学界很早就识别出三 大成矿系统 近年来又取得重要研究进展 离散边缘成矿系统 通常发育于超大陆裂解时 期 产于被动大陆边缘乃至大洋扩张环境 分别形成 沉积岩容矿的同生后生矿床和火山成因块状硫化 地质学报 年 图大陆克拉通内部和离散性边缘构造环境的主要矿床类型示意图 据 略修改 物 矿床 图 同生沉积矿床最具经济意义 的首推 和 型 矿 矿床形成 于部分缺氧的海底陆坡环境 系海底热水系统中 大量堆积的产物 型 矿床形成于被动陆缘裂谷裂陷环境 是对流循环的 中温 中 低 盐 度 流 体 发 生 喷 流沉 积 作 用 产 物 矿床大多形 成于洋脊扩张中心 岩浆热机驱动的 海底热水对流循环是形成矿床的主要机制 汇聚边缘成矿系统 大陆聚合期形成的汇聚边 缘构造 是全球最重要的 成矿系统最复杂的 矿床 类型最繁多的成矿环境 图 这种构造环境的复 杂性导致了岩浆类型 金属源区 流体系统 成矿 条件的多样性最近 等 将汇聚边 缘构造演化划分为三个阶段 即收缩阶段 造山阶段 和晚造山后造山阶段 强调成矿系统主要发育在大 洋板块俯冲消减而形成的弧盆环境以及远离弧后的 陆缘环境 图 在收缩阶段 或俯冲造弧阶段 大洋板块陡俯 冲形成的岛弧 或洋内弧 环境主要发育斑岩型 矿床 而缓俯冲形成的陆缘弧 安第斯型弧 则 主要发育斑岩型 矿床和云英岩型 矿床 图 高硫型浅成低温热液 矿常 常作为斑岩 矿系统的上部系统出现 成矿流体 有大量岩浆水贡献 低硫型浅成低温热液 矿 形成 深 度 更 浅 成 矿 温 度 更 低 成矿流体以天水为主流体混合和沸腾作 用通常被认为是浅成低温热液矿床金属淀积的主要 机制 矿床主要发 育于弧后盆地 或弧间裂谷 但在弧前破火山口也可形成巨 型型 矿床 图 第期侯增谦等 大陆碰撞成矿论 图汇聚边缘构造环境下不同构造阶段产出的主要 矿床类型示意图 据 略修改 在造山阶段 或俯冲造山阶段 最具代表性矿 床类型是造山型金矿 形成 于火山岩浆弧挤压压扭变形晚期 就位于弧前增生 楔环境 其成矿流体 来源虽仍有争议 但多认为来自深部地壳变质流体 或地幔楔脱水流体 造山型 成 矿省通常与超岩石圈规模的断裂构造有关 受韧性 剪切带或韧脆性构造控制有些巨型金成矿省 如 胶东金矿 被认为与岩石圈的 减薄过程有关 图 值得指 出的是 胶东金矿形成于中国东部构造大转折之后 翟明国等 成矿作用发育于 非造山或后造山期岩石圈伸展环境 因此 将其归为 大陆汇聚期的造山型金矿 显 然值得商榷 在晚造山到后造山阶段 远弧后环境或者变形 的大陆边缘环境 主要发育与型花岗岩有关的 矿 床 和 与 还 原 性 侵 入 体 有 关 的 金 矿 图 代表性地区是加 拿大育空地区 以侵入体为中心的矿化依次向外形 成夕卡岩型矿床 花岗岩中的席状脉矿床 富金剪切 脉型矿床和外围贱金属矿床 其成矿作用发育于造山期后的伸展初期 成矿流体 相对 富 和 来 自 于 壳幔 混 源 花 岗 岩 浆 内华达州的卡林型金矿也形 成于类似的环境 其成矿作用 发生于北美克拉通伸展初期 矿床产于强烈变形的 陆架硅质碎屑岩系最近发现 一个十分独特的斑 岩型 矿床 州 巨型矿床 也产于类似环境 其成矿作用被认为与壳幔混源花 岗 岩 有 关 此 外 还将密西西比型 矿和不整合 砂岩型矿化归为晚造山或后 造山环境鉴于这类矿床通常产于碰撞造山形成的 前陆盆地 因此 将其归为此类环境值得商榷 克拉通成矿系统 克拉通内部成矿作用以岩浆 成矿系统为特征 主要形成于超大陆裂解引发的克 拉通初始伸展阶段 图 通常与克拉通陆下岩石 圈地幔 部分熔融产生的异常幔源岩浆有 关典型的岩浆矿床包括层状镁铁超镁铁侵入体 中的 矿床 与金伯利岩筒有关的金刚石矿床以 及与碱性岩和型花岗岩有关的铁氧化物型 矿床 然而 伴随着地幔柱上升和大陆 初始 裂 解 则 可 发 生 大 规 模 熔 融 产 生 高 镁铁质岩浆 在张裂的克拉通边缘形成复合小 岩体 并通过岩浆混合和地壳混染 形成 硫化 物矿床 汤中立等 在 超大陆裂解时期 地 幔柱引起 大规模减压熔融 可产生巨量的玄 武岩浆和斜长岩浆 后者伴生 氧化物矿床 在 超大陆裂解时 期 镁铁质超镁铁质侵入体与巨量大陆溢流玄武岩 地质学报 年 相伴产出 产生 磁铁矿床和 矿床此外 在克拉通边缘的裂陷盆地内部 盆地沉积作用常常 发育巨型层控 矿床和元古代巨型 型 矿床 综上所述 尽管西方学者在区域成矿作用研究 方面取得了重要进展 但其成矿理论框架基本上还 是建立在经典的大洋俯冲造山和沟弧盆构造体系 之上 图 没有新的重大理论突破过分强调了 超大陆聚合方式之一 大洋板块俯冲与大陆增生 环境的成矿作用 忽视了超大陆聚合的另一种更重 要方式 陆陆碰撞及成矿作用 对大陆碰撞带的 许多重要矿床类型及其成矿作用无法给出合理的解 释因此 全新的大陆碰撞成矿理论亟待建立 大陆碰撞成矿论的概念与要点 概念与要点 本文所述的 大陆碰撞成矿论 是一套旨在阐 明大陆碰撞过程中的成矿系统发育机制和金属物质 巨量集聚过程的区域成矿作用理论认识 大陆碰 撞成矿论 认为 大陆碰撞三阶段演化过程产生的主 碰撞陆陆汇聚环境 晚碰撞构造转换环境和后碰撞 地壳伸展环境 是大陆碰撞带成矿系统和大型矿床 的主要成矿构造背景对应于三段式碰撞而在深部 出现的俯冲板片断离 软流圈上涌和岩石圈拆沉过 程 是导致大规模成矿作用的异常热能驱动力伴 随三段式碰撞而分别出现的压张交替或压扭张扭 转换的应力场演变 是成矿系统形成发育的构造应 力驱动机制伴随大陆碰撞过程而产生的不同尺度 的高热流 不同起源的富金属流体流 不同级次的走 滑剪切拆离推覆构造系统和张性裂隙系统是成 矿系统和大型矿床形成的主导因素其理论要点概 述于下 大陆碰撞过程与成矿环境 陆陆碰撞过程 十分复杂和漫长 常常经历三阶段演化过程 即主碰 撞 晚碰撞和后碰撞 主碰撞 以陆陆对接和大陆俯冲及其伴随的强烈逆冲推覆 地壳缩短加厚和高压变质为标志 晚碰撞以大陆聚 合后的陆内地体沿巨型剪切带发生大规模水平运动 为特征 而后碰撞以连续性或幕次式下地壳流动 上 地壳伸展和钾质超钾质岩浆活动为特征 侯增谦 等 复杂的碰撞过程形成了一系列重 要的成矿环境 如赋存型铅锌矿床的前陆盆 地 和前陆冲断带 发育造山型金矿的碰撞缝合带 产出斑岩型铜矿的碰撞构造岩浆带以及导致金属 巨量堆积的构造转换带 包括走滑断裂带 逆冲推覆 构造带 大型剪切构造带 等 图 深部过程与异常热能驱动 大陆碰撞过程 受控于不同的深部过程 后者常常诱发了不同的异 常热能 驱动了岩浆热液或热液成矿系统的发育 在主碰撞期 大陆碰撞俯冲和俯冲前缘断离 分别导 致地壳加厚和深熔作用与软流圈上涌和壳幔熔融 分别为壳源岩浆成矿系统和壳幔混源岩浆热液 成矿系统提供了异常热能驱动 图 侯增谦等 在晚碰撞期 壳幔物质的侧向流动 和 软 流 圈 的 大 规 模 上 涌 钟 大 赉 等 诱发深部幔源岩浆活动 控制浅部转换构造 及其成矿系统 图 侯增谦等 在后碰撞期 俯冲大陆岩石圈拆沉和地 幔减薄 引发下地壳流动和部分熔融 驱动斑岩岩 浆热液成矿系统 导致上部地壳伸展和部分熔融 驱动浅 成 低 温 热 液 成 矿 系 统 图 侯 增 谦 等 应力场转换与构造应力驱动 大陆碰撞造 山带的应力状态并不是总是挤压的 不同碰撞阶段 均可出现张压交替的应力场变化主碰撞阶段常表 现为早期碰撞挤压晚期应力松弛 晚碰撞阶段早 期逆冲推覆 晚期走滑剪切 后碰撞阶段早期为平行 碰撞带的侧向汇聚 晚期为垂直碰撞带的地壳伸展 侯增谦等 周而复始的张压或张扭 压扭转换和交替更迭 为不同类型成矿系统的形成 发育 提 供 了 构 造 应 力 驱 动 机 制 压应力状态驱动盆地流体的大规模长距离 迁移汇聚 压张应力转换导致流体的大量排泄和金 属巨量堆积 启动盆地流体成矿系统 侯增谦等 剪切变质作用可以产生变质流体 驱动变质 流体成矿系统 侯增谦等 张扭状态引发幔 源或壳源岩浆的浅成侵位和大型岩浆房发育 压竏 张竏转换导致岩浆流体出溶 驱动岩浆热液成矿系 统 侯增谦等 区域成矿作用与成矿系统 大陆碰撞成矿 作用伴随着陆陆碰撞过程与构造演化的始终 其 中 三大成矿作用至少形成了个重要的成矿系统 和 余 个标志性的矿床类型 主碰撞陆陆汇聚成矿作用发生在陆陆对接聚 合的主碰撞带和前陆带 大陆碰撞与峰期变质 地壳 加厚与陆壳深熔 板片断离与壳幔熔融 前陆盆地与 构造圈闭 分别导致韧性剪切和含 变质流体 富 第期侯增谦等 大陆碰撞成矿论 图大陆碰撞造山带不同碰撞阶段成矿作用的构造控制模型 主碰撞汇聚阶段大陆对接与大陆俯冲导致地壳加厚和峰期变质以及大陆岩石圈俯冲前缘断离与地壳应力松弛 相应地产生变质流 体 壳源岩浆及壳幔混源岩浆 伴生金属成矿作用 晚碰撞转换阶段正向碰撞带侧翼成为构造转换调节地域 发生以大规模走滑 剪切逆冲作用为特色的地体间水平相对运动 诱发幔源为主的钾质岩浆活动 导致区域流体迁移汇聚和岩浆热液系统发育 伴随金属成矿 作用 后碰撞伸展阶段 俯冲大陆岩石圈断离作用促使加厚岩石圈拆沉和地幔减薄 引起地壳伸展和张性正断层及其裂谷裂陷盆地 发育 诱发不同源区的岩浆活动及其相伴的流体对流循环 发生大规模成矿作用