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成矿系统研究与找矿 翟裕生 中国地质大学,北京100083 摘 要成矿系统研究适应了地球科学系统化的发展趋势,是当今矿床学研究的重要内容之一。本文中在对成 矿系统的定义、 结构、 要素、 作用产物等进行论述的基础上,提出成矿系统研究的4个要点① 按构造动力体制划 分成矿系统大类;② 多因耦合、 临界转换的成矿作用机理;③ 矿床系列和异常系列构成的矿化网络;④ 矿床形成 变化 保存的演变过程。作者明确了成矿系统研究应从矿化网络入手的方法,总结了矿化网络研究的主要内 容,提出了通过成矿系统研究发现新类型矿床的几个途径,分析了成矿系统研究的资源环境效应,并探讨了成矿 系统研究的理论意义。 关健词成矿系统;矿化网络;新类型矿床;资源环境效应 中图分类号P611 文献标识码A文章编号1672 - 41352003 03 - 0129 - 07 收稿日期2003 - 01 - 23 基金项目国土资源部地质调查项目 K 1 - 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。 接第2期第71页 4 成矿系统研究与新类型矿床的 发现 4. 1 成矿系统的整体分析由已知到未知 在一个区域成矿系统中,由于成矿强度较大 以及成矿物质和控矿因素的多样性和复杂性,可 形成多种矿床类型。例如,在广泛分布的与硅铝 质火成岩相关的热液成矿系统中,可产有矽卡岩 型、 斑岩型、 脉型、 角砾岩筒型、 热泉型等矿床类 型。它们都是在一个统一的地质成矿事件中形 成的,是矿床系列中的成员,各自占有一定的时 空位置和表现出特定的物质组成和结构构造。 当已经发现其中的一种或少数几种矿床类型时, 可根据成矿系统观点,推断在区域中可能存在的 其它相关矿床类型。例如在某地区己发现矽卡 岩型矿床,可推测在斑岩体内是否存在细脉浸染 型矿床或脉状矿床等,并及时注意这些矿床的找 矿标志。如运用得当,则可取得 “由此及彼” 、“举 一反三” 找到未知矿床的良好效果。 长江中下游成矿带的Cu、Fe、Au、S矿床有多种 类型。它们在成矿时间、 空间、 条件等方面密切相 关,是燕山期板内中酸性侵入 火山岩成岩成矿事 件的统一产物,构成一个成矿系统。其中有些是端 元型,有些是过渡型。随着勘查的深入,科技水平 的提高,特别是矿床系列和成矿系统思路的建立和 运用,未知的新类型矿床是会逐步发现的。图5中 以“” 标出的位置,表示在该成矿系统中还有可能 发现的新类型矿床,其中包括斑岩铜矿系统中的铂 族元素矿床、 卡林型金矿和岩溶型矿床等。 4. 2 成矿系统的空间结构向深处找寻 在成矿系统的空间结构中,区域矿化分带是 主要表现形式[8 ] ,其中矿化垂直分带指矿床物质 组成、 结构、 矿化类型在垂深方向的变化。已有 的丰富勘查资料表明,在广泛分布的热液成矿系 统中,矿化垂直分带表现比较明显,国内实例有 江西德兴银山 铜厂的火山 次火山热液成矿 系统分带模式[22 ]和闽南紫金山式热液成矿系统 分带模式[23 ] ,国外有加拿大西部广义斑岩成矿 系统分带模式[24 ]等。矿化垂直分带性不仅对已 知矿床的深部探矿,而且对寻找新类型矿床也是 有意义的,现以铜陵地区狮子山矿田中隐伏的冬 瓜山大型矿床的发现为例来说明这一问题。该 区成矿系统的一个重要特征是 “多层位控矿” 即 除沿火成岩体边缘成矿外,还在三叠系底部大 团山矿、 二叠系大隆组底部老鸦岭矿、 石炭系 黄龙 船山组铜官山矿等层位中发现多层含 铜矽卡岩矿层图6。根据这一特点,安徽省地 矿局321地质队在狮子山矿田中以钻探在880 米以下发现了厚达50米的铜矿层,经过详细勘 探,获金属量达141万吨的冬瓜山矿床,从而在 深部找矿中获得了重大突破[25 ] 。 第26卷 第3期 2003年9月 地质调查与研究 GEOLOGICAL SURVEY AND RESEARCH Vol. 26 No. 2 Sep. 2003 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图5 长江中下游铁铜成矿系列结构图 Fig. 5 Structure diagram showing Fe, Cu oreation in the middle and lower course of Changjiang river 图6 安微铜陵狮子山矿田成矿模式图 Fig. 6 Oreing model of Shizishan orefield in Tongling , Anhui 1.灰岩/砂岩;2.花岗闪长岩;3.石英二长闪长岩;4.辉长二长闪长岩;5.隐爆角砾岩;6.层控矽卡岩;7.块状矽卡岩; 8.层控矽卡岩型/沉积变质岩型铜矿东瓜山矿床 ;9.层间矽卡岩型铜矿床;10.接触矽卡岩型铜矿床;11.角砾岩筒矽 卡岩型铜矿床;12.脉状热液型铜金矿床;13.斑岩型铜矿床;14.黄铁矿;15.钼矿;16.成矿元素迁移方向;17.岩浆热 液;18.地层水、 天水;19.成矿流体;20.大理岩化带;21.矽卡岩化带;22.青磐岩化带;23.绢云母化带;24.钾化带;25. 硅化带石英核 031地 质 调 查 与 研 究 第26卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 在找寻深部的新类型矿床时,除利用深部地 质、 地球物理和地球化学的技术和所提供的信息 外,还可利用成矿区带中不同区段剥蚀程度差别 的对比,利用己出露矿床去找寻邻区尚在隐伏的 同类矿床。 4. 3 成矿系统的时间结构查找成矿链条中的 缺失环节 在一个大规模成矿事件中,随着成矿系统作 用过程中成矿流体性质和控矿构造 岩石因素 的变化,矿床类型也发生相应的变化,所形成的 多种矿床类型可组成一个较完整的成矿序列成 矿链条 , 在找矿中可利用已掌握的环节己知矿 床类型去查找有可能存在而尚未发现的缺失环 节新类型矿床。这在有关岩浆演化形成的成 矿系统中有较多的实例。 在南岭地区花岗类热液成矿系统中,经过对 开采矿山的深入研究,发现了有关岩浆与热液过 渡型的矿化类型[26 ] ,从而提出了与花岗岩有关 流体系统的较完整成矿序列。即花岗岩晚期分 异型-伟晶岩型-伟晶岩热液过渡型-高温热 液型-中低温热液型的矿化类型,产有W、 Sn、REE、Bi、Ag、Sb等矿种。 从区域成矿系统的时间演变分析,还可进一 步扩展为研究区域中不同时代成矿系统的继承 性和亲缘谱系,即一个或几个矿种,在不同时代 中所形成的矿床类型间的亲缘关系。下面依据 陈毓川等的工作,以桂北地区的锡多金属矿为例 加以说明[27 ]。 桂北地区处在扬子陆块与华南褶皱系的交 接带,该区存在一个富Sn的地球化学块体四堡 群地层及古老花岗岩体中Sn丰度较高 , 由于古 老变质基底对成矿的制约作用,以及区域构造 花岗岩浆活动的多阶段性,因而锡元素以不同形 式多期次成矿,表现出成矿的继承性,并在燕山 期达到高峰表5。成矿时代上的演变还表现 为成矿空间的分带性。 表5 桂北地区锡成矿简表 Table 5 Sn oreing in tne north part of Guangxi Province 地质时代Ma矿床类型成矿元素组合 ① 雪峰期700～900 宝坛电英岩型 九毛锡石硫化物型 Sn、Cu、 B 、Pb、 Zn ② 加里东期364～460牛塘界矽卡岩型白钨矿矿床W、Sn、 Bi 、 Ag ③ 印支末到燕山期117～204 姑婆山矽卡岩、 自变质型 珊瑚热液型 Nb、Ta、REE、W、Sn ④ 燕山晚期84～115 大厂层控矽卡岩型 芒场热液型 Sn、Cu、Pb、Zn、Ag、Sb ⑤ 第四纪富贺钟砂锡矿SnO2 据陈毓川等1995 , 有简化和补充 该区元古宙及加里东期Sn及多金属成矿主 要产在变质隆起区,成矿时代较早,矿化类型较 为简单。海西、 印支、 特别是燕山期矿床产在环 绕变质陆块的褶皱带沉积岩系与晚期花岗岩的 接触带内,矿石组分较为复杂 Sn 、W、Nb、Ta、 REE、Ag、Pb、Zn、Cu等。而花岗岩区原生锡矿 石在第四纪时期大量风化剥蚀,又在其下游水系 的有利地段形成砂锡矿床,本身既有工业价值, 又是找寻原生锡矿床的重要标志。因此,从区域 成矿演化谱系的观点,可以将早期的锡 多金属 矿床系列与晚期的锡 多金属矿床系列以及砂 锡矿床互相作为找矿的标志。 5 成矿系统研究的资源环境效应 5. 1 成矿系统研究的找矿意义 成矿系统研究的主要目的是为了预测找矿和 资源评价。如何运用成矿理论指导找矿,是大家 关心的问题,现提出几点认识供参考 1信息、 经验、 理论结合找矿“信息找矿” 是 利用地质、 地球化学、 地球物理、 遥感、 地表矿化等 信息作为找矿的依据和标志。 “经验找矿” 比较强 调找矿者找矿经验的重要性。 “理论找矿” 着重指 出地质理论包括成矿系统、 成矿背景、 控矿因素、 成矿模式等对找矿的指导意义图7。 131 第3期 翟裕生成矿系统研究与找矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图7 科学找矿概略模型图 Fig. 7 Compendia model of scientific prospecting 2区域找矿目标 由单个矿床到矿床系 列在过去的找矿工作中,常以单个矿种和单个 矿床类型为目标,这在一定程度上限制了找矿者 的视野,也造成了有可能避免的浪费。当今,综 合性区域矿产调查评价工作正全面展开,找矿的 目标就不只限于单个矿种和矿床类型,而应该是 找寻该区存在的矿床组合或矿床系列,即由一定 成矿系统产生的全部矿种和矿床类型。例如,在 长江中下游成矿带找寻Cu、Fe、Au、Ag、Mo、Pb、 Zn等的斑岩型、 矽卡岩型、 角砾岩筒型、 热液脉 型和层控型等矿床。这样以一个成矿系统中所 形成的矿床系列组合作为找矿的整体目标,有 利于建立起区域找矿的战略思路,可以胸有全 局、 举一反三,线索较多,信息量大,回旋余地也 大。这就增强了找矿工作的主动权,与 “单打一” 的找寻单个矿种和矿床类型来比较,更有利于提 高找矿命中率。 3从矿区网络入手逐步缩小靶区在区域 找矿中,一般是先发现示矿异常,再据此追溯矿 体。因此,深入研究示矿异常,应该成为区域找 矿的一项基本内容。在成矿作用中产生的各类 异常,如地质的、 地球化学的、 地球物理的异常, 可直接由矿体因素引起,或由矿化蚀变岩石及含 矿地层、 岩体、 构造等引起。它们在时间、 空间和 成因上是密切关联的,例如,很多地球物理异常 就是由地质和地球化学异常引起的。这些异常 伴随着矿床系列在形成时间上常显示阶段性,在 空间上组成有序结构,表现为分带性,形成三维 的矿化-异常网络或称矿化网络包括矿床、 矿 点和各种异常。而这种矿化网络正是进行区域 找矿的总体对象。由于示矿异常一般比矿体占 有更大的空间,能显示更多的有关成矿的信息, 因此常是有效的找矿标志。充分运用地质成矿 理论,区分和筛选这些有关异常,一步步地缩小 找矿靶区,可以达到发现矿床的目的。 4全面研究矿床形成条件和保存条件矿 床是地质历史的产物,成矿系统作用过程结束 后,所产生的矿床系列及异常系列又进入一个新 的历史阶段,即这些产物经受后来地质作用的变 化和改造的阶段。主要的地质改造作用有构造 变形、 流体溶蚀、 变质作用和地表风化剥蚀、 搬运 和掩埋作用等。作为一个矿床,其经受的后来变 化有变形、 变质、 变位、 变品位、 变规模等,其结局 有几种可能① 保存完好;② 部分保存,即矿床规 模缩小;③ 转变为其它类型如岩金矿转变为砂 金矿 ; ④ 消亡。目前,已知的地表和近地表的很 多矿床都是经过众多地质事件磨难后的 “幸存 者” 。一个区域中的矿床 “幸存者” 越多,找矿的 潜力就越大。因此,区域成矿研究应该 “两手 抓”,既要研究矿床形成条件,又要研究矿床保存 条件。即矿床保存条件研究不是附带任务,在大 多数情况下,它是一项并不亚于成矿条件研究的 重要内容。扩展来说,不仅研究单个矿床的破坏 保存,还要研究一个成矿系统产生的矿床组合和 异常系列的被改造过程和整体保存条件,包括哪 些矿床类型被破坏了,哪些被保存下来,保存在 哪些地段等等,这对于区域矿产资源评价具有 重要意义。关于成矿系统的研究和找矿的关系 参见图8。 5. 2 成矿系统研究的环保意义 新世纪的矿业既要提供足够的矿产资源,又 要在开发利用资源的过程中保护好环境,这就对 矿床学研究提出了更高的要求[20～22]。矿床地 质工作者要为发展低能耗、 无废物、 高效益、 无污 染的 “绿色矿业” 发挥其应有的基础作用。也即 矿床学研究不仅要 “瞻前”矿床的形成环境、 条 231地 质 调 查 与 研 究 第26卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图8 区域成矿系统及找矿模式 Fig. 8 Regional oreing system and orehunting model 件和作用过程、“知今”矿床地质特征及现有环 境 , 还要 “顾后”矿床开发过程及以后诱发的生 态环境地质问题。面临着矿区环境保护问题, 可以从多方面探索解决的途径。本文中试图从 成矿系统的角度,对成矿与环保二者的结合研究 提出一些思考。总的想法是成矿系统研究不仅 要为找矿评价服务,也要为矿床环境质量评价和 实施矿业环保提供科学的基础资料。作者认为, 为了服务于环保,成矿系统研究可突出下列内 容 1矿床的物质成分研究矿石中的有害组 分,特别要查清对人畜有害的元素如S、Cd、Hg、 As、U等的含量、 赋存状态,以及它们在矿床开发 过程中的化学变化和扩散途径等,并提出处理这 些有害物质的技术方案,主要是参与革新采、 选、 冶和环保技术,将有害物质变为无害或有用物 质。 2矿床构造及矿体产状矿体及围岩的组 成、 形态、 产状、 断层、 裂隙和孔隙发育程度等,既 控制矿区地表水和地下水的运动方向、 速率和水 /岩反应强度,又与采矿过程中的地面沉降、 滑 坡、 地震等灾害密切相关。 3矿床的表生变化特征及其环境影响依 据矿床地质特征及所在地的地理、 气候等条件, 研究矿床自然暴露地表或开采出露后遭受表生 作用变化及可能诱发的污染现象和机理,区别短 期影响因素和长期影响因素,提供整治矿山及毗 邻地区生态环境的地质依据。 上列的地质因素,归根到底都是由于成矿控 制因素、 成矿作用、 矿床地球化学和成矿后矿床 的变化改造所引起的。这也正是成矿系统研究 中必不可少的内容。 如前所述,成矿系统的研究对象主要是区域 尺度的矿床形成和分布,因此成矿系统研究不只 对单个矿区的环保工作有益,还能为成矿区带和 矿业发达区的区域环境质量评估、 发展趋势预测 以及区域环保规划提供必需的地质资料,而且这 种 “宏观” 上的研究意义将日显重要。 总的来说,成矿系统研究对矿区环境保护的 意义还只是初步提出,需要在实践中不断丰富研 究内容和提高理性认识。成矿系统研究的资源、 环保效应可概括如图9。 331 第3期 翟裕生成矿系统研究与找矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图9 成矿系统研究的资源环境效应 Fig. 9 Resources and environment effect of studying oreing system 6 成矿系统研究的理论意义 1推动成矿规律的深入研究成矿系统分 析从事物的联系性和整体性出发,将复杂万千的 成矿作用以系统思路贯穿起来,将成矿的环境、 背景、 要素、 作用、 过程、 动力、 产物、 异常和演变 等作为一个自然作用整体加以研究,这有利于全 面认识成矿动力学机制、 矿床形成演变历史过程 和矿床的时空分布规律,从而推动矿床学研究进 一步从现象到机理,从静态到动态,从定性到定 量,从局部到整体,因而是提高矿床学科学水平 的一个重要途径。 2有利于发挥矿床学对整个地球科学的功 能成矿系统是整个地球系统的一个组成部分, 其特定功能是成矿物质的高度浓集。这种浓集 显示了自然作用的神奇,高度成熟的有机质集中 在人体大脑中使人类成了万物之灵,而金属、 非 金属元素的高度富集产生有用物质而变成了贵 重的宝藏。每一个成矿系统都发生在一定地质 时代和特定的地质环境,因而在一定程度上可以 起到 “化石”“地质记录” 的作用。例如,南非古元 古宙含金铀砾岩型矿石中碎屑状黄铁矿的出现 可以作为当时大气圈中缺氧的证据。类似这样 的例子很多,但在过去,有关矿床和成矿作用的 信息和观点多只限于应用在找矿勘探和矿山地 质工作,而忽视了将这些有用信息应用到地学及 其它学科的研究中去,这对于整个地球科学的发 展是不利的。加强成矿系统研究,有助于辩证认 识成矿系统与其它地质系统的关系,有利于矿床 学和其它学科的互相影响、 渗透和促进。 总之,成矿系统研究的理论和方法,体现了 现代矿床学和矿产勘查要理论与实践密切结合 的发展趋势。以系统观和历史观为研究思路,以 资源勘查和环境保护为服务目的的成矿系统研 究尽管目前还处在初步阶段,但它发展的前景是 非常喜人的。 参考文献 [1]Г е о л о г и ч е к и йс л о в а р ь[J ].Т о м.2,М.н е д р а,1973, 448. 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In addition , the author puts forward that research of metallogenic system should start from the study of mineralization network. Main contents of research on mineralization network are summarized and several ways to discover new - type of ore deposits with the research of metallogenic system are pointed out in this paper . Finally , effect on mineral resource and enviromnental protec2 tion and theoretic significance of the research on metallogenic system are discussed. Key words metallogenic system; mineralization network; new - type of ore deposit ; effect on mineral resources and environmental protection 531 第3期 翟裕生成矿系统研究与找矿 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.