成矿系统的结构、功能和层次划分

成矿系统研究要点~

关于成矿系统一词在中外矿床学文献中多有引用，但成矿系统的科学内涵和理论基础却很少涉及。笔者以系统观和历史观为指导，在进行大量矿床实际研究和综合分析的基础上，提出了成矿系统论的六个要点，包括下列内容:
1.成矿系统的内涵与结构
成矿系统是由相互作用和相互依存的若干部分结合成的有机整体。系统中各部分间的相互关联和相互作用，即“成矿系统的结构”。一个成矿系统的结构一般包括以下四部分:
1)成矿要素:矿源、流体、能量、时间、空间。
2)成矿作用过程:成矿的发生、持续和终结。
3)成矿的产物(结果):由不同矿种和不同成因类型组成的矿床系列，以及由地质、地球物理、地球化学等异常组成的异常系列。
4)矿床形成后的变化、改造与保存。
从狭义上看，成矿系统的内涵只应包括前三者，即上列的1，2，3，也即:源-运-储的过程。作者将矿床形成后的变化与保存也作为成矿系统的内涵之一，即:源-运-储-变-保，显然这是一个广义的成矿系统的概念。
之所以如此考虑，是因为①矿床是地质历史的产物，对绝大多数矿床来说，其形成历史久远，成矿过程我们在今天是观察不到的，只能从对今日保存下来的矿床地质特征去“再造”其形成过程。②从找矿工作看，绝大多数的找矿对象是“经过变化了的矿床”，只能从矿床的现存环境和其现状去追踪它的原貌、进一步去找到它。因此，作者是运用时-空一体的思路，将成矿系统及其演变作为一个整体加以研究，也即“成矿系统及演化”的概念。
成矿系统都是发生在一定的地质环境中，并受控于多种地质因素。因此，成矿系统的研究框架中就包括三部分:①成矿环境;②控矿因素;③成矿系统本身。而成矿环境、控矿因素和成矿系统都是随时间而变化的，它们是一个动态的相互作用过程，即具有四维特征。成矿系统及其演化的结构可表示如下图(图1-3，图1-4)。

图1-3 成矿系统及其演变的结构图


图1-4 成矿系统“源-运-储-变-保”模式图

在2009年作者又将成矿系统论概括为:成矿环境、成矿及保存过程(源、运、储、变、保)、资源-环境效应三个方面，从而丰富和发展了成矿系统的理论基础。
2.成矿系统的层次划分
关于成矿系统与构造体系、成矿区划三者的层次划分及对应关系，姚书振、翟裕生(2010)提出以下方案:
成矿全球系统—全球构造-全球成矿网络
成矿巨系统—大地构造-成矿域
成矿大系统—区域构造-成矿省
成矿系统—大型构造-成矿带(区)
成矿亚系统—中型构造-成矿亚带(区)
成矿子系统—矿田构造-矿田
由上述各层次可见，成矿系统是区域尺度的，它们与相应尺度的区域构造和大型构造体系(构造动力体制)相匹配。因此，成矿系统也常称为区域成矿系统。
以上诸层次中的关键是成矿系统的划分。作者试以构造动力体制划分成矿系统的类别(翟裕生，1999):
1)伸展构造成矿系统，有裂谷、伸展盆地、变质核杂岩———包括岩浆型，SEDEX，VMS等成矿系统。
2)挤压构造成矿系统，有岛弧、陆缘岩浆弧、造山带、推覆构造———包括岩浆型、热液型、变质型成矿系统。
3)走滑构造成矿系统，有转换断层、走滑断层系(含拉分盆地)———包括斑岩型、热液型成矿系统。
4)隆升构造成矿系统，地幔柱、地壳热点、底辟构造系等———包括岩浆型成矿系统。
5)沉降构造成矿系统，盆地、拗陷带等———包括沉积成矿系统、生物成矿系统。
6)韧性剪切带成矿系统，结晶基底的韧性剪切带，包括热液型金矿床等。
7)特殊的成矿系统:包括大型陨石撞击成矿系统，如加拿大肖德贝里的古陨石坑及相伴的岩浆型铜-镍硫化物矿床。
在每一成矿系统类别中，按含矿建造和成矿作用分别命名各具体的成矿系统，如岩浆成矿系统、热液成矿系统、沉积成矿系统、变质成矿系统、生物成矿系统、风化成矿系统等。
成矿系统命名涉及成矿系统的层次，一般应包括以下内容:
①成矿空间域(尺度);
②成矿时间域(时代);
③构造环境;
④成矿建造与成矿作用;
⑤成矿系列(亚系列)。
现以秦岭及邻区的成矿系统划分为例(姚书振，2006)，说明成矿系统的命名原则(表1-1)。
3.成矿系统的发生———多因耦合与临界转换
成矿作用是一类特殊的地质事件，多因耦合与临界转换是成矿作用发生的普遍机制(翟裕生等，2001)。多因耦合:指在一定条件下多种因素间的相互作用和彼此影响。成矿作用涉及地质的、化学的、物理的、生物的诸多因素，地质因素中又包括构造的、地层的、岩石的等;物理化学因素中又包括温度压力、物质组分及行为等。多种有利控矿因素在一定时-空域中耦合是成矿发生的重要条件。
临界转换:各种控矿因素在特定条件下呈现出临界状态，常造成控矿因素和成矿参数的转变(转折)，包括突变、渐变。不同环境、不同尺度、不同形式的成矿参数的临界转换，是很多矿床形成的基本条件。例如，在构造的转折、交汇、复合部位，温度、压力、流体性状等参数常发生突变，导致成矿作用发生。
以断裂带中的热液充填型矿床为例，在一个地区具备矿源、流体、通道等各项成矿因素时，一旦(短暂的)出现了突变、突发、质变、临界状态等地质运动(如岩石断裂、构造地震、流体沸腾、流体混合、火山爆发等)，强大的能量突然释放，原在岩石孔隙和裂隙中的含矿流体被激发出来，沿着突发断裂产生的真空或扩大的自由空间，能够快速大量地运移，在断裂的减温、减压空间中停积和沉淀出大量成矿物质，从而形成热液矿脉，如果断裂反复发生多次，热液充填多次，则可形成规模更大的复合矿脉。
4.成矿系统的产物(结果)———矿床和异常构成的矿化网络
矿床系列和异常系列(地、物、化、遥异常)都是成矿系统的产物，它们之间相互依存，共同构成“矿化网络”。矿化网络表现了在一定地质环境中由成矿系统产生的各矿床类型和有关异常的时空结构，它是成矿系统的具体内容的反映。
矿化网络的结构系指该网络中各矿床类型间的相互关联和相互作用。它包括:①时间结构;②空间结构;③物质结构。深入研究这些结构特征，对认识成矿规律和指导找矿均有重要意义。
对成矿系统的深入研究应从矿化网络入手，着重在以下方面:①各类矿床的发育程度;②各类矿床的空间关系;③各类矿床的时间关系;④各类矿床的成因联系;⑤各类矿床被改造情况。这些都是矿床学和找矿预测研究的基础内容，值得重视研究。
5.成矿系统的后来演变———矿床的变化与保存
矿床是地质历史的产物，它们在地质历史中产生，又最终在地史中消亡。大部分矿床在形成以后都经历了后来的变化过程，有的消失了，有的规模减小了，有的形态发生了变化，有的发生了矿床类型的变化(如岩金→砂金)。因此，矿床学的基本内容是研究矿床的“来龙去脉”，即研究矿床形成、变化、破坏或保存的全过程。这是现代矿床学研究和矿产勘查开发所必须掌握的基础知识。
表1-1 秦岭造山带及邻区区域金属成矿系统


(据姚书振，2006)
早期形成的矿床在后来变化中，可能有后期成矿系统的叠加，因而造成矿床的物质组成、构造结构、形态产状的多样性和复杂性。由于中国地质构造的多期性和复杂性，成矿系统叠加现象比较常见，其所产生的多成因矿床值得关注。
6.成矿系统的资源-环境双重效应
前已述及，地质事件常具有资源-环境双重效应。成矿系统所产生的矿床同样具有资源-环境双重效应。矿床是影响生态环境的一个因素，矿床除地质、资源属性外，还有环境属性。对成矿系统的产物“一分为二”地看，既包括有经济价值的矿产资源，又含有无价值甚至有害的物质成分。例如，金属矿床中常见的有害元素如Hg，Cd，As，U等在矿床开发过程中，将会在水、土、气中扩散，损害矿山的生态环境。
因此，成矿系统研究不仅要“探宝”，还要“减灾”，即关注并参与矿山环境整治。矿床研究主要是提供岩矿石鉴定测试中和矿山水文地质研究中获得的有关有害物质的含量、赋存状态、扩散方式、途径、范围等资料，可作为整治矿区环境和改善公共卫生的科学依据。
成矿系统研究的资源、环保效应可概括如图1-5。

图1-5 成矿系统研究的资源-环境效应

总之，成矿系统研究体现了矿床研究的发展趋势。它强调研究成矿环境、成矿控制要素、成矿作用过程、成矿产物(矿床系列和异常系列构成的矿化网络)，以及矿床保存条件和成矿后的变化过程。成矿系统的整体分析、空间分析、时间分析，以及历史分析对于区域勘查有重要的指导意义，并已获得明显的成效。

成矿作用从孕育、发生到终结有一个比较长的过程。在这个过程中，成矿物质、成矿作用方式和矿化强度随时间进程而变化，表现为成矿系统的时间结构。
研究表明，成矿在时间分布上是不均匀的，有些时段矿化强烈，有些时段则成矿微弱或没有矿化，在不同时段，成矿的矿种也不尽相同，因此，可划分出若干成矿期和成矿阶段。在每一成矿期中，均有特定的成矿要素和控矿因素在起作用。因此，研究成矿系统的时间结构，要以具体成矿区域中的地质构造条件和地质演化过程研究为基础，进行深入的综合分析。
成矿系统的时间进程包括：①矿源供应阶段；②流体运移阶段；③矿床定位阶段；④成矿后变化改造阶段。对不同的成矿系统来说，成矿地质时间过程（Geological Interval of a Metallogenic Series）有长有短，成矿发生的地质年龄（Geological Age）有早有晚，应该作具体的研究。成矿系统时间结构的内涵包括以下内容。
（一）成矿强度的变化
在一个区域成矿系统中，成矿作用过程有长有短，可以根据直接定年法与地质推断法相结合获得的各个矿化阶段的年龄进行排序，提出成矿过程的时间表。现以研究工作较系统的安徽沿江地区铜、金、铁、硫矿床为例，说明其成矿强度和成矿物质组成随时间的变化情况。据唐永成等（1998）分析，该区与岩浆活动有关的铜、金、铁、硫成矿作用集中在中生代燕山期（170～90Ma）的构造-岩浆-热事件中。区内铜-金成矿系统集中于137Ma±5Ma，为主要成矿期；在晚白垩世初期约100～90Ma，仅形成个别铜-金矿床，代表金-铜成矿的尾声。铁-硫成矿系统的成矿起止时间与铜-金系列大体相同，但成矿高峰期偏晚，主要集中在135～120Ma时段，形成了著名的产于中生代火山岩盆地内的“玢岩铁（硫）矿”，是该区铁-硫矿床最主要的成矿期（图4-10、11）。从图中可以看出，铜-金系列和铁-硫系列虽都有150～90Ma的较长形成过程，但主成矿期的间隔是狭窄而短暂的。

图4-10 矿化强度随时间变化


图4-11 不同地质环境中矿化强度与时间分布

成矿强度随时间的变化，与系统内部各要素耦合状况和外部环境的扰动程度有关。当各种成矿要素开始耦合形成造矿功能时，多是微量、渐变的成矿过程，表现为较轻微或一般强度的变化。当系统内部成矿的持续涨落发展到进入混沌状态边缘时，成矿功能突然进入最强烈状态，形成成矿的高峰，也即大型矿床甚至超大型矿床形成阶段（於崇文，1999）。所以，成矿过程中成矿强度的变化与各成矿要素耦合状态的变化、系统自组织能力的变化以及外界环境干扰状态的变化等因素都有一定关系。
（二）成矿组分的变化
除成矿作用过程中成矿强度随时间的变化外，成矿物质组分也有随时间变化的趋势。仍以安徽沿江地区为例（唐永成等，1998），在不同的矿床系列中，主要成矿元素和伴生成矿元素（组合）也呈现出一定的演变趋势（图4-12）。例如，在铁-硫系列中，Fe为主要成矿元素，早期伴生V、Ti、P，中期主要伴生S，到晚期主成矿元素则转化为Cu、Au，间有Pb、Zn和Ag。从安徽沿江地区控矿要素分析，可以认为成矿组分随时间的变化与该区岩浆-热液的成分变化及流体的温度、压力、浓度等的变化有密切关系。
（三）矿床类型随时间的变化
成矿系统的形成过程中，成矿方式和矿床类型并非一成不变。如前述的安徽沿江地区铜-金矿床系列形成早期，有层控矽卡岩型、矿浆熔离-贯入型、矽卡岩型等矿床，而其后形成的矿床类型有斑岩型、热液充填-交代型等，最后为单一的脉型。在铁-硫矿床系列中，形成较早的矿床类型有矿浆贯入型、气液伟晶型、玢岩型等，其后为热液交代-充填型和沉积-热液叠加改造型，最后为单一的脉型。上述两个成矿系统中，矿床类型由早到晚有由复杂到较简单，再到单一的变化趋势。
（四）控矿要素随时间的演变
上述成矿强度、成矿组分和矿床类型随时间前进而发生的种种变化，都与成矿系统中的成矿要素和控矿条件随时间的变化有关。前已说明，成矿系统是一个动态的开放系统，系统与环境之间一直进行着物质和能量的交换作用，这个作用时而强烈、时而轻微，视各成矿要素间的耦合程度而变化。成矿过程中，如矿源场的组成和供应数量、供应速度发生变化，或流体中加入某些成矿物质，或溶液中压力、温度、Eh、pH等参量变化导致某些伴生组分的相对浓集等，都可能使成矿物质组分发生变化。成矿过程中，成矿流体的状态或赋矿围岩发生明显变化，如由较高温，密度较大的富矿熔浆（宁芜地区的铁矿浆等）转变为温度较低、密度较小、挥发分增多的富铁气液时，则形成的矿床类型相应由矿浆型铁矿转化为热液交代—充填型铁矿。当围岩为碳酸盐岩时易被含矿流体交代而形成矽卡岩型矿床，而后来的矿液再上升在碎屑岩中就位时，则易形成裂隙充填型矿脉。

图4-12 铁-硫矿床系列成矿元素组合随时间变化示意图

总之，由于成矿组分，成矿方式和成矿强度以及控矿因素随时间的显著变化，一个统一的成矿过程显示出阶段性，下一节专门讨论这一问题。
（五）成矿过程的阶段性
在成矿的时间维上，可划分为3个基本层次或尺度，即成矿事件、成矿期和成矿阶段。一个成矿系统的形成过程，相当于一个成矿事件。在一个事件过程中，因上述的成矿强度、成矿组分、矿床类型及控矿条件的显著变化而划分出成矿期。在一个成矿期中，因成矿微过程，即具体成矿方式的变化，可划分出若干个成矿阶段。在成矿系统研究中经常用不同成矿期来表示成矿作用过程中的几次显著变化。每一个成矿期都产有一定的矿种（组合）和矿床类型（组合）。这些矿床类型组合或矿床系列则各有其一定的空间位置，产于成矿区（带）中的某一构造-岩石部位，有的构成成矿亚区或亚带。例如，在长江中下游与燕山期同熔花岗岩有关的Fe-Cu-Mo-Au成矿系统中，矽卡岩-斑岩型Cu-Mo-Au亚系列形成于早期，为1700～130Ma；矽卡岩、矿浆-矽卡岩复合型Fe及Fe-Cu亚系列形成稍晚，为160～120Ma；玢岩铁矿亚系列形成最晚，为130～90Ma。这一成矿过程与区域构造、岩浆和流体的演化密切相关（翟裕生等，1992）。
（六）成矿系统的时间结构类型
1.各矿种、矿床类型的时间关联
成矿作用的精细研究包括年代学研究还处在初始阶段，现阶段对成矿系统的时间结构认识还多是经验性的和定性的。现据已有研究成果将成矿系统的时间结构类型列为表4-5。
2.按时间因素划分的矿床系列类型
总的认为，区域成矿过程是复杂的，受多种因素制约，主要是受成矿条件和成矿作用机制的影响，可分为5种情况：
（1）一般的沉积或生物沉积成矿作用是缓慢渐进的，成矿的孕育时间长，就位时间也长，其所形成的矿床系列属渐近式的漫长成矿型。
表4-5 成矿系统的时间结构（各矿种、矿床类型的时间关联）


（2）火山喷溢型矿床有较长的孕育时间，但火山喷发、矿质溢流堆积即矿床就位时间是突发式的，时间短暂，其所形成的矿床系列可称为短暂成矿型，也可称为突发成矿型。
（3）有些特殊的成矿作用，如巨大陨石冲击诱发的成矿作用（加拿大的肖德贝里Ni-Cu矿床），就是偶然性的，孕育时间很短，就位时间也很短，其所形成的矿床系列属突发成矿型。
（4）矿床经过多重富集作用，多次的孕育和多次的富集和最终就位，如绿岩型金矿，其所形成的矿床系列属多重富集成矿型。
（5）在南非一些金刚伯利岩筒型金刚石矿床中，如Finsch和Kimberly矿床的金刚石形成于31亿年前的地幔环境（Kirkley，1991），而矿床就位则是在约1.2亿年前侵位的火山管道型金伯利岩岩筒中（Lynn M D，1998），作者将这一漫长的成矿过程称之为先成后储型成矿系统。对一些幔源成因的矿床，如铬铁矿、金红石等部分矿床具有先成后储的可能性
成矿系统的结构是非常复杂的，现以冀北—辽西地区燕山期金属成矿系统为例（依据石准立等资料，1996，1999），说明其不同矿床系列间的复杂的时-空结构。
冀北—辽西地区经历了太古宙—古元古代克拉通基底形成，中-新元古代克拉通基底上裂陷槽沉积和古生代稳定大陆环境下的陆表海沉积，印支—燕山期陆内造山作用和新生代伸展体制下的盆岭构造演化等阶段，形成大型山系及盆地。本区燕山期造山作用对岩浆活动及与之有关的矿床形成起了极为重要的作用。石准立等（1996）厘定了燕辽地区中生代构造岩浆活动的时-空序列，提出了中生代花岗岩类单元-超单元-岩基段划分方案。将区域中的内生金属矿床划分为斑岩型、矽卡岩型、岩浆热液脉型、次火山热液型及热泉型等8种类型。总的构成一个成矿系统，即燕山期花岗岩类有关的成矿系统，再依据矿化与岩浆岩的关系划分出4个矿床系列，即：
Ⅰ.与钙碱性中酸性侵入岩有关的钼-铁-铜-铅-锌-铀矿床系列；
Ⅱ.与铝过饱和酸性侵入岩有关的蚀变岩型铌-钽矿床系列；
Ⅲ.与中酸性火山—次火山岩有关的热液及热泉型银-金-锰矿床系列；
Ⅳ.太古宙变质岩及中酸性侵入体中的热液金矿床系列。
其中，第Ⅰ成矿系列又可根据成矿环境和热液蚀变岩特征分出3个矿床亚系列：Ⅰ1——与中浅成中酸性岩有关的矽卡岩成矿亚系列；Ⅰ2——与浅成中酸性岩有关的斑岩型成矿亚系列；Ⅰ3——岩浆热液脉状、网脉状成矿亚系列。
各成矿系列的矿床具有多期性，期与期的划分是以构造应力场的转换为界限的。依据构造-岩浆-成矿作用的差异，将研究区的燕山期花岗岩有关的成矿系统划分为3个成矿期，即：①印支末一燕山早中期（T1—J2），本区以东西向挤压、拉张构造控制为主，形成沉积带边缘的矽卡岩型钼、铅、锌矿床（杨家杖子）和隆起带的热液型金矿（小营盘）；②燕山中期（J3）以北东向走滑断层为主，形成斑岩型和热液脉型钼、铁、铜、铅、锌、金矿床（大湾、兰家沟等）；③燕山晚期（K1）为北西向拉张期，伸展构造遍布全区，发育有火山-次火山热液型银-金-铅-锌矿床（蔡家营子），其中冀北隆起区的北西向断裂是主要控矿构造。
在上述工作基础上，石准立等提出了区域中生代成矿系统的内部结构及时-空分布规律图——区域成矿模式图（图4-13）。

图4-13 冀北—辽西地区中生代成矿系统内部结构及时-空分布规律图

成矿系统是特定时空域中，从矿源生成到矿体定位的成矿作用过程中所形成的矿化、矿体(矿物)与相关的指示物和中间产物，以及卷入矿体(矿物)活化、运移、沉淀空间的自然地质体总和。

成矿系统的确定，首先应建立空间观念，它包括成矿作用发生直接关联的空间和背景空间，以及成矿作用演化的过程(时间)，即成矿系统具有空间和时间的双重结构。此外，还应注意成矿过程的始态和终态，尤其是矿体(矿物)的形成，因为它直接反映成矿系统的聚矿功能(图4.25)。

图4.25 成矿系统三维锥形模式

(据於崇文，1987；周硕愚，1988)

演化位：成矿系统结构进行空间划分，矿源场提供成矿物质来源，通过物理—化学—生物作用，为元素运移作准备，是空间结构的基础；中间场是成矿流体运移的空间，在运移过程中压力(P)、温度(T)和浓度(C)发生变化，成矿元素进一步富集；储矿场提供成矿流体沉淀的物理化学背景，改变流体的物理化学系数，使矿液沉淀。

矿体就位演化态：成矿物质在源岩中被萃取、活化，再随流体活动成矿，并有可能受到新一轮的改造。成矿系统的演化态在时间上组成了一条成矿链。

成矿系统的层次：分为宏观与微观。

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