成矿新理论.ppt

当代地球科学前沿 第三部分 李峰国土资源工程学院2008年4月 区域成矿理论新进展 一 矿床学研究的主要进展 19世纪末叶 矿床学从地质学中开始独立出来 逐步建立了基本的理论体系 由于20世纪工业化进程对矿产资源的大量需求 推动了矿床学的发展 取得了多方面的重要进展 主要有 1 矿床成因分类体系的建立和逐步完善 2 矿质多来源 成矿多阶段 矿床多成因观点的提出与认同 其中 层控矿床研究起了重要作用 3 板块构造理论对板块边界矿床形成与分布作了较合理解释 开拓了用活动论观点研究区域成矿背景的新途径 4 深海热水沉积成矿作用与陆壳深部成矿流体的发现 人们可观察到正在形成的矿床 5 矿床成因即成矿物质来源 运移 汇聚 保存作用过程深入的研究和矿床模型 式 的建立 6 超大型矿床的发现和研究 7 地史时期成矿演化的节律性 突变性及不可逆性 8 运用成矿规律 指导矿产勘查 发现千万个矿床 保证了社会对矿产资源的需求 而矿业开发又为矿床研究提供了丰富信息和理论验证条件 发现了新的矿床类型 卡林型金矿 红土型金矿 含碳岩系层控金矿 可地浸砂岩型铀矿 Te Ge Tl的独立矿床等 对西藏扎布耶盐湖多种资源和罗布泊钾盐资源调查有重要进展 并开始了对太平洋海底的富Co结核 结壳及天然气水合物资源的调查研究 四 成矿年代与成矿演化研究 一 同位素定年新方法近年来 同位素定年方法有较大进展 的有U Pb Rb Sr Sm Nd Ar Ar Re Os等定年方法在矿床学研究中广泛应用 90年代以来微区 10 30 m 分析测试的新方法 激光探针等离子质普 LA ICP MS 分析方法用于锆石U Pb年龄测定 离子探针 SHRIMP 分析方法用于锆石U Pb年龄测定热电离质谱 ThermalIonizationMassSpectrometry TIMS 定年方法 适宜范围数百 500ka 等 使矿床定年精度和分辨率不断提高 二 成矿作用时间演化特点 积累的成矿年龄资料 可进行区域成矿期划分 研究成矿演化 如中国东部 中生代成矿大爆发 金矿床占全国78 成矿集中在130 120Ma 与壳幔构造转折背景有关 新生代喜马拉雅期成矿在国内外多处发现 Cu Au Pb Zn Ag Cr 宝石等 正不断引起重视 全球成矿历史分析 成矿物质由少到多矿床类型由简到繁成矿频率由低到高 中国631个大中型矿 太古 元古 古生 中新生7 1 10 24 58 9 聚矿能力由弱到强 全球108个超大型金属矿 太古 古元古代0 6个 100Ma中元古代 新元古代2 27个 100Ma古生代5 0个 100Ma中新生代21 7个 100Ma 成矿具有突发性 四大成矿高峰期 2000 1800Ma 1000 800Ma 400 300Ma 200 形成于古大陆汇聚末期到裂解初期 要结合地球演化的节律性 大陆动力学和成矿年代学研究确定区域成矿期的时间分布 区域成矿演化 如秦岭造山带元古代寒武 奥陶纪泥盆纪三叠纪侏罗白垩纪铜铅锌铀金铅锌银金金锑砷铀喷流沉积热水沉积热水沉积浊流沉积低温热液成矿扬子地台西缘元古代震旦纪中生代东川 易门式铜矿烂泥坪式铜矿大姚式铜矿 1 东川超大型铜矿床的多因复成性及成矿演化 昆阳裂谷发展演化阶段 五 地幔流体及其成矿作用 地幔流体 杜乐天称之为幔汁 HACONS 地幔流体活动及甚地质意义的研究是当前地学界倍受关注的重要前沿课题 地幔流体不仅对地幔地球化学不均一性 幔源碱性岩浆的形成 大陆地壳演化有重要意义 而且地幔流体参与了许多大型一超大型矿床的成矿作用 1 地幔流体的组成 地慢流体是在地幔环境下处于平衡稳定状态的气相和液相组分 其化学成分以C H O N S等为主 并溶有多种碱性元素 稀有气体及F P Cl等微量组分 1 气相成分 中国金刚石中的气相流体 中国金刚石中的液相流体 南非金刚石中的包裹体 南非 博茨瓦纳等国金刚石流体包裹体平均成分 俄罗斯雅惮特金刚石中流体包裹体平均成分 俄罗斯Mir金刚石中流体包裹体平均成分来自下地幔或核幔边界的超深流体和外地核的氢气圈含有更高的H2 流体中CH4和H2约占气体总量的97 8 H O 比值高达1330 这种超深流体上升达软流层底部时 H2O多于CH4 2 溶质成分 金刚石流体包裹体和高温高压实验方山的研究成果表明 地幔流体中含有一定量的SiO2 Al2O3 K2O Na2O MgO CaO等常量元素 相对富含Ba Sr LREE等不相容元素 常量元素在低压条件下 0 8GPa 的实验结果 发现H2O在与单个矿物或矿物组合发生溶解反应时 相对于其它氧化物来说 SiO2 Al2O3 K2O Na2O等更易分配进入溶液中 Schneider等的高温高压实验得出了同样的规律 在H2O与天然铁闪石或金云母橄揽岩发生溶解反应时 上述组分比TiO2 MgO FeO CaO更易进人流体中 Ryabbhikov等实验得出H2O CO2与尖晶石橄揽石共存时 Ca Na Fe Ti更易进人溶液 而Mg Al的溶解度则较小 地幔流体是一种超临界流体 1 超临界流体具有独特的溶解特征 在超临界环境下 常温下难溶的化合物变得易溶 有机物在超临界水中的溶解度较高 而盐的溶解度较小 2 超临界流体是一种理想的输运介质 热液体系中的流体通量和热传递速率在临界区内具有最大值 3 超临界流体能加快发生在其内的化学反应速率 具有通过控制温度和压力来约束反应环境 2地幔流体的性质 3 地幔流体的成因 1 板块的脱水脱气作用Ito等计算出蚀变洋壳俯冲过程中每年能11 1012kg的H2O带入上地幔中或以非岩浆形式返回地表 Peacock的估算结果表明 每年通过洋壳俯冲进入地慢的H2O为8 7 1011kg 仅有1 4 1011kgH2O通过岛弧岩浆活动返回地表 前者是后者的6倍 2 地核及地幔脱气作用 地核及地幔本身也富含大量原始挥发份 Kaneoka等叫根据稀有气体He Ar同位素体系的研究揭示地慢流体有3个主要源区 地幔柱型 plume或P型 源区 N 3He N 4He 的比值约为6 lO 5 N 40Ar N 36Ar 为350 源自约670km深的下 上地幔交界或核 幔边界 洋中脊玄武岩型 MORB或M型 源区 N 3He N 4He 的比值约为1 1 lO 5 N 40Ar N 36Ar 为2 lO4 包括洋区和大陆区的岩石圈地幔 也可能包括软流层以及整个上地幔 岛弧型 arc或Ac型 源区 即岛弧深部和贝尼奥大带以上的地幔 包含俯冲作用带来的再循环物质 N 3He N 4He N 40Ar N 36Ar 比值低于M型值 4 地幔流体成矿作用 地幔流体可形成成矿流体地幔流体可以渗透到地壳 尤其是张性构造环境 如裂谷等 是地幔流体上升的有利通道 渗透到地壳中地幔流体可以活化 迁移其中的成矿元素 另外 向上运动的地幔流体与向下运动的地表水在一定深度混合 形成形成成矿流体 地幔相对富集3He 具有相对较高的N 3He N 4He 值 6 9Ra Ra为空气的N 3He N 4He 1 39 10 6 地壳相对富集放射成因和核反应成因的4He 而具有相对较低的N 3He N 4He 0 01 0 O5Ra 两者的N 3He N 4He 值相差近l000倍 因而 He同位素组成是示踪地幔流体更有效的手段 以矿床中的流体包裹体为测定对象研究矿床成矿流体的He同位素组成 N 3He N 4He 值愈高地幔流体占的比例愈大 地幔流体成矿的重要地化标志 地幔成矿流体常为富H2O CO2流体 地幔流体成矿作用形成的矿床其成矿流体的气相组分中除H2O外 CO2含量往往有较大比例 可见气 液 CO2三相包裹体和气 液 CO2 子晶多相包裹体 5 地幔流体成矿作用现象 地幔流体具有充足的物质储量 庞大的流体库和稳定的热源供给 为成矿作用的持续进行和形成大型 特大型矿床提供了有利条件 如加拿大CentralSuprior金矿 南澳大利亚奥林匹克坝U Cu Au REE矿床 世界各地与碱性岩有关的金矿 南美的巴西 玻利维亚以及非洲尼日利亚的Sn矿带是地幔流体参与成矿的结果 我国内蒙古白云鄂博REE FeNb超大型矿床的成矿元素来自地幔成矿流体 为富含深源C O H S挥发份体系的地幔流体 是一个国内外罕见的地幔流体交代矿床 四川大水沟碲金矿床为地幔流体成矿作用的结果 湖南柿竹园W Sn Mo多金属矿床 云南金顶Pb Zn矿床 胶东金矿 陕甘川 黔西南低温卡林型金矿的成矿过程中也可能有地幔流体的参与 日本一些富CH4气井 发现N 3He N 4He 比值接近日本岛弧带火山喷气 认为CH4是上地幔来源的 我国松辽盆地沿深大断裂分布的天然气井的 3He N 4He 为 2 34 2 97 10 6 近期在胜利油田盆地下伏碱性橄揽玄武岩中发现大量CO2包裹体 表明CO2气藏源于富集地幔的碱性橄揽玄武岩的去气作用 徐永昌等测得胜利油田29件样品天然气中氦同位素的N 3He N 4He 比值平均为1 58 10 6 表明有相当一部分氦来自于地幔 6 地幔流体成矿的地质标志 深大断裂是地幔流体活动的有利通道 往往伴随幔源岩浆活动或与富碱侵人岩和煌斑岩在时间上 空间上密切共生 地幔流体活动可伴随大规模成矿作用 形成大型一超大型矿床或矿集区 矿床围岩蚀变作用似乎多以碱交代作用为特征 常形成中高温热液矿床 加拿大学者拉兹尼一 P Laznicka 1983 1989 提出用吨位富集指数 TAI 即金属储量与该金属地壳平均丰度的比值 巨型矿床为1011 该方法的优点是口径一致 便于全球对比 但无法适用于日益重要的非金属矿床 涂光炽 1989 1994 建议以大型矿床储量的3到5倍以上为超大型矿床 裴荣富等 2003 则认为特大型矿床应为大型矿床储量下限的10倍以上 且不仅仅是量 质 即品位 也应当是富的 7 大型 超大型矿床与深层过程 1 关于超大型矿床的划分标准 多选性 金矿 古砾岩型 南非 陆相火山岩型 日本 俄罗斯 绿岩带型 加拿大 澳大利亚 浅变质含碳碎屑岩型 穆龙套 东北寨 铁矿 Fe Si条带型 矽卡岩型 基性岩浆型 碱性岩浆型 火山岩型 5 超大型矿床产出的构造环境 根据对全球200多个特大型矿床资料的统计分析 它们主要产于 大陆边缘增生带或板块汇聚带 陆内克拉通或陆缘裂谷系 陆内构造岩浆带 前寒武纪花岗岩 绿岩带及大型韧性剪切带等成矿环境中 6 地幔热柱与大型 超大型矿床成矿 地幔热柱是地球内部深处热源物质垂向运移的表征 当它从深部上涌时 便可携带大量热液和成矿元素向上运移 与围岩发生蚀变和物质与能量的交换 在适当的活化剂与有利环境下 逐步聚集成矿 地幔热柱来源的主要两种认识 来自2900km深的核幔边界 称一级地幔热柱 来自670km的地幔间断面 称二级地幔热柱 二者可能均存在 一 二级地幔热柱上升抵达岩石圈介质后 100km深度附近 受断裂及介质条件影响 分叉形成的小柱体称为三级地幔热柱 热点 热点与岩浆活动 含矿物质聚集密切相关 7 大型 超大型矿床与深层过程 热点概念的提出 Wilson 1963 Hotspot 高温高压 液态的地球外核地幔柱 Morgan smantleplumeconcept 1971 地幔柱起源于CMB 上升快 密度低 热 低速在地表产生热点 地幔柱 Morgan 1971 Mantleplume CMB驱动了地幔对流 www nps gov yell tours fountainpaint hotspot htm 地幔是如何对流的 128 32 660 2900 Lithosphere 地幔柱与非地幔柱学说争论 DonLAnderson Morgan 地幔柱存在吗 地幔柱的地震学的证据 Yes Zhaoetal EPSL 2001 Christiansen etal 2002 黄石热点仅起源于上地幔而非CMB http www mantleplumes org 存在不同源区的地幔柱 不同类型的热点 地幔热柱成矿模式图 地幔热柱成矿模式图 一 成矿系统的概念成矿系统及演化论是在矿床研究和矿产勘查实践中逐步形成的 是用系统论和历史观研究矿床学和区域成矿学的一种理论观点 认识过程 矿床常成群伴生矿床 矿床组合 成矿系列 成矿系统及演化 六 成矿系统 成矿系统 是指在一定地质时 空域中 控制矿床形成 变化 保存的全部地质要素和成矿作用动力过程 以及所形成的矿床系列 矿化异常系列构成的整体 是具有成矿功能的一种自然系统 翟裕生 1999 包括 1 成矿动力过程 开放 非线性 不可逆2 四维 矿床的形成 改造 保存过程3 矿床系列 异常系列组成的矿化网络 流体 源 储 运 能量 矿质 矿质 流体 新流体 新矿质 热水成矿系斑岩成矿系统风化壳成矿系统 Hydrothermalmetallogenicsystemalongdetachmentfault1 fracturedrock 2 mylonite 3 syntectonicgranite 4 lithosphericmantle 5 sedimentaryrock 6 supergeneaccumulation 7 fluidsinhangingwall 8 metamorphicfluidsinfootwall 9 heatandfluidsfrommantle 10 Cu Pb Zn Audeposits 太古宙造山带金成矿系统 DistalMagmaticFluid FluidfromSubcretedOceanicCrust MetamorphicFluid MetamorphicFluid SOURCE ACTIVEPATHWAY TRAP SEAL PRESERVATION Granulite Amphibolite Mid Greenschist Sub Greenschist s1 s1 VolcanicRock Dolerite SedimentarySequence GraniteI GraniteII afterD Groves FLUIDRELEASE MIGRATION 粒玄岩 末端岩浆流体 成矿系统的大地构造环境 构造环境对成矿系统的控制 火山 次火山热液成矿系统 含斑岩铜矿 热液型金矿的成矿阶段一般分三个阶段 石英脉阶段 老白干 含金石英 碳酸盐阶段碳酸盐阶段 热液矿床按富S与否 分两种类型 高硫型热液矿床 成矿热液中S比例远高于金属元素 当所有金属元素以硫化物形式出现后 流体中仍有大量S 剩余S最后以明矾石 KAl3 SO4 2 OH 6 形式出现 S 6 低硫型热液矿床 成矿热液中S比例较低 以致有的金属元素不能以硫化物形出现 S以S 2形式出现 裂谷环境中的SEDEX成矿系统 现代热液成矿系统 大洋中脊 伸展环境 成矿系统 陆 陆碰撞造山带的成矿系统 二 成矿系统及演化论五要点1 构造动力环境对成矿系统的控制2 多因耦合 临界转换的成矿机制3 矿床系列和异常系列构成的矿化网络4 矿床形成 变化 保存的全过程5 成矿系统的资源 环境双重效应 成矿系统及其演变 地质环境 现在矿床及异常 成矿时环境 现在环境 成矿要素 成矿过程 矿床系列异常系列 后期变化 THEMAGMATICMODEL 岩浆分结型 岩浆熔离型 矿浆贯入型 伟晶岩型 接触交代型 高温脉型 接触热变质型等 三 古代伸展环境热液成矿系统实例在华北陆块北缘的内蒙古境内白云鄂博和狼山 渣尔太山成矿带中 都发育有中元古代裂谷环境热水喷流沉积成矿系统 分别产有REE Fe和Cu Pb