成矿演化的制约因素

全球成矿演化趋势~

大量的地球科学和矿产资源资料表明，随着地球各层圈包括地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈的形成和发展，地史上的成矿作用呈前进的、不可逆的发展过程，主要表现在四个方面。
1. 成矿物质 ( 矿种) 由少到多
从地球古老时期到显生宙时期，在地壳中的成矿物质 ( 元素及其化合物、矿种) 数量在逐步增加。由太古宙时的 Fe，Ni，Cr，Cu，Zn 等少数几种元素成矿，发展到中生代—新生代时有几十种元素成矿，包括一大批有色金属、稀有金属和放射性金属等。对一些丰度很低、高度分散的元素如碲、锗等过去只认识到它们在一些金属矿床中作为伴生有益组分产出，但近年来也发现它们在中-新生代时也能高度富集形成独立矿床。实例有四川石棉县的燕山期大水沟碲矿、云南临沧新近系和第四系煤系中的锗矿以及内蒙古锡林郭勒盟胜利煤田的锗矿等。大量的有机物质如碳、碳氢化合物等生成石油、天然气和煤，也主要是在晚古生代、中生代和新生代。
2. 矿床类型由简到繁
矿床成因类型从古到今也有由简到繁，数量在增加的趋势。已知太古宙时只有绿岩型金矿、火山岩型铜-锌矿、阿尔果马型铁矿和科马提岩型镍矿等少数几种矿床类型，反映了当时成矿环境的单调和含矿介质种类的单一。这种情况随时间前进而发生重大变化，成矿环境类型增多，含矿介质如各类热液和地表水也是种类繁多，因而到中-新生代时，矿床成因类型已增到几十种。例如，生物成因矿床 ( 包括金属、非金属和能源) 在前寒武纪数量稀少，只在显生宙以来在地球的广大地域内生物大量繁衍时期，才显著增多。多因复成矿床是经过两个地质时代的成矿叠加形成的，也只有在古生代以来才大量出现。
3. 成矿频率由低到高
成矿频率指单位地质时期内发生成矿作用的次数。成矿频率自古至今由低到高。根据叶锦华统计，中国 631 个大中型金属矿床 ( 包括铁、锰、铬、钛、铜、铝、铅、锌、锡、钨、锑、汞、钼、镍、银、金和稀土共 17 个矿种) 的成矿时代，它们在各地质时代的分配是: 太古宙有45 个，占7. 1%; 元古宙64 个，占10. 1%; 古生代151 个，占24%; 中生代—新生代，占 58. 8% ( 图 8-1) 。考虑到太古宙占时有 20 亿年，而中生代开始至今只有 2. 5 亿年，更明显地表明成矿频率有随地史进化而迅速增长的趋势。成矿频率增大这一趋势与上述的矿种、成矿环境、成矿介质的增加有关联; 同时，很多种地球化学元素在地壳中经历多次循环，其浓集度提高也是一个重要的背景因素。当然，这只是就被保存下来的矿床进行统计的。考虑到成矿时代越早，被破坏矿床的几率越大。实际的精确的成矿频率比较还有待深入研究。

图 8-1 中国金属矿床的成矿时代

4. 聚矿能力由弱到强
聚矿能力或矿化强度，也是随地史演化而增强的。成矿强度的一个辨认标志是形成矿床的规模和品位。矿床规模越大，品位越富，表示成矿强度越大。如果成矿物质能高度浓集，则能形成超大型矿床。因此，一个地质时代的成矿强度在一定程度上可以用所形成的超大型和大型矿床的数量来衡量。据裴荣富等 ( 2009) 统计分析，已知超大型矿床的数量，从太古宙到新生代是不断增加的，新生代达到高峰 ( 图 8-2) 。各地质时代已知的大型超大型矿床数量从太古宙的每十亿年九个增加到中生代的每十亿年 589. 2 个，新生代则高达每十亿年 2507. 7 个。这形象地说明，随着地球演化和各层圈的发育，成矿系统日趋成熟，成矿强度显著增强，因而超大型矿床的数量有从老到新，呈近似等比级数增长的趋势。李人澍 ( 1991) 将各地质时期金的储量作了统计对比，则太古宙 ( 不包括远太古) 、古生代、中生代、新生代单位时间产金率或成矿强度之比为 1∶1∶3. 8∶6. 9，说明金矿成矿强度随地质时代变新而增强的趋势是很明显的。
由上述可见，随着地球自太古宙早期 ( 约自 38 亿年前起，发现有铬、铜等的成矿作用 ) 至今的演化，成矿物种、矿床类型、矿化频率和成矿强度都显示出由少到多、由小到大、由弱到强的发展趋势。李人澍 ( 1996) 在研究地史上基本成矿系统演化时，曾提出由地史早期到晚近，成矿系统的类型有由初级 ( 堆积成矿系统) →过渡型 ( 近等化学改造成矿系统) →高级 ( 熔炼成矿系统) 的发展趋势。
需要说明的是，上述各项统计都是针对全球或一个国家 ( 区域) 中在地壳浅表层次已经发现的矿床。地史上矿床形成后还可能被后来的地质作用 ( 如隆升、剥蚀等) 所破坏，越古老的矿床经历的构造变动越多，被破坏的可能性越大。还有不少矿床深埋地壳深部尚未被发现。因此，在探讨这个问题时，还要考虑矿床形成深度、形成后的破坏和保存情况、矿床现今埋藏深度，以及含矿区内地质矿产勘查程度等自然因素和社会因素的制约。随着经济发展和科技进步，深部矿床将越来越多地被发现，上述统计结果将有变化，因此，在目前只能作为一种相对的趋势来认识。

图 8-2 全球不同地质时代的成矿强度( 据裴荣富，2009)

（一）区域成矿模式的内容
一般包含以下内容：
（1）区域岩石圈结构及组成；
（2）区域成矿构造环境（伸展、挤压、走滑、隆升、沉降等）；
（3）区域主要地层及岩石建造（含沉积岩、火山岩及变质岩）；
（4）区域的侵入岩（岩相、时代、规模、穿切地层情况）；
（5）区内的控岩控矿构造；
（6）矿床类型（矿种、成因类型）及其时-空展布；
（7）主要控矿因素，如流体、fo2、fs2、Eh等。
区域成矿模型反映了现阶段对该区域成矿规律的认识水平。建立以成矿系列内容为主的成矿模型，需要下列的研究工作为基础：
（1）研究成矿系列形成的地质背景。研究、总结该成矿系列所处的区域地质环境和区域地质构造发展历史，重点放在形成该成矿系列的构造运动和所属年代、重大的构造—热事件等。
（2）研究成矿系列的主要控制因素。根据区域矿床类型划分和代表性矿床及矿田成矿规律的研究结果，分别总结各类成矿系列的地层、构造、岩浆岩、沉积和变质作用等控制因素。由于矿床类型的差别，主要控制因素不全一致，要抓住主要因素，详加论述。
（3）研究成矿系列中矿床空间分布规律。总结各类矿床的空间分布特征，分析控制因素，研究各矿种、矿床成因类型、矿化规模以及矿体形态、产状、蚀变及品位的空间变化规律。
（4）研究成矿系列的形成作用。研究总结成矿系列形成的温度、压力、深度和物理、化学条件，分析成矿物质来源、流体来源及富集成矿的制约因素；研究形成不同矿床类型、不同矿种的局部控制因素。
（5）研究成矿系列的内部结构。研究、阐明成矿系列的内部结构，查明各有关矿床类型间的时间、空间和物质组成上的耦合关系。
（6）研究成矿系列的成矿多期次性，包括成矿系列的叠加及后期改造作用。总结成矿系列的多期成矿特点，揭示不同矿床的主成矿期和多期成矿的叠加现象，分析不同成矿期和不同地质作用时期对成矿系列的作用的效果及机理。
在上述工作的基础上，用简明的文字或图、表形式表示成矿系列各方面的控制因素和形成机理的内在联系，并加以恰当组合和理论概括，建立起成矿系列模型。
成矿系列模型的研究和建立，涉及面广，综合性强，较之对单一矿床的成因研究更为复杂。因此，所建立的成矿系列模型，仍然带有一定的推断性和假定性。随着研究区内资料的逐步丰富和人们认识水平的提高，成矿系列模型也应加以修正并不断完善。
（二）建模的原则和工作要点
1.建模原则
矿床建模一般要依据3个原则：相似性、简化和客观性（张贻侠等，1993）
（1）相似性原则。即模型与原型之间必有某种程度的相似性。模型是对应于“原型”而言的。原型是指要研究的系统，而研究的工具是模型。只要模型与原型间在几何形态、结构功能和其他属性上存在着相似性，二者关系即可建立。
（2）简化原则。模型不再现原型的全部特征，但能描述原型的本质特征，这就需要科学的抽象和简化，要突出主要内容，略去次要内容，有取有舍，分清主次。
（3）客观性原则。模型是真实性和简化性的统一。简化而不失实，这就要求我们在建立和使用模型时，坚持客观性原则。要根据所研究系统的真实情况，对模型进行核实、修正，尽力改正在建模中的随机性和模糊性。
2.建模工作要点
（1）选择研究程度较高的区域和矿床类型，充分搜集和掌握全面而准确的地质和矿床信息，反复对比，综合分析，抓住关键因素，概括出一些本质联系，并将其表现为模型的形式。
（2）将含矿区域的地质构造研究放在首位，研究和阐明控制矿床形成和分布的大地构造环境。只有通过区域地质这个环节，才能把同一区域的诸矿床联系起来，阐明它们的时、空位置及它们之间的关系。在此基础上，就能从总体上把握矿床产出的几率，合理地进行区域资源评价和找矿。
（3）要建立合理的成矿系列模型，必须从时间、空间和物质组成3个方面进行综合分析，从发展演化的观点，进行四维成矿分析（三度空间+时间），即动态的、整体的成矿系列模型。
（4）要逐步做到定量化，定量地表示矿床特征（地质的、地球物理的、地球化学的），定量地解释矿床的成因（与相图结合），尽可能地建立各矿床类型间的空间、时间和储量间的“量”的关系。
（5）注意时间概念：区域成矿模式是指成矿作用发生时的各种条件和环境，而不是现在的矿床产出模式。因此，用地质示意剖面法表示时，一定要标明当时的古地表、古海水面等，如为内生矿床，则应定量或半定量地表明矿床的形成深度。
（6）区域成矿模式是概念模型，但不是一般的示意图或简图，其岩层厚度、成矿深度、构造型式等应尽可能是真实情况的缩写，各种地质体的关系符合比例、逻辑合理。
（7）当成矿区域中有多次成矿事件和多个成矿系统时，为清晰表示成矿的时间关系和因果关联，可考虑用连环图画式方法，如图I、II、III等，分别表示早晚不同时期的成矿景象，显示出区域中成矿的历史过程。
（三）区域成矿模式的实例
以对长江中下游地区成矿研究为例，有以下几个成矿模式：
（1）长江中下游安山岩-闪长岩质火山-深成岩铁矿系列理想模式（图4-14）。突出了本区铁、铜、金矿床形成的地质构造环境、矿床与岩浆岩的专属联系以及矿床形成的时间和空间位置。
（2）长江中下游铁-铜成矿系列（见第二章，图2-4）。兼顾了铁、铜矿床，并划分了玢岩铁矿、矽卡岩铁矿、斑岩及矽卡岩铜矿等3个亚系列，在图上还表示了上述3个亚系列的风化改造产物称风化成矿系列。模式的特点是区分了各矿床类型间的不同联系——共生、过渡和叠加等形式，以及根据成矿理论在本区可能存在的但目前尚未发现的矿床类型（“新类型”），用“?”表示，列出其在成矿系列中的位置。这样，就赋予这个模式图以指导研究方向和找寻新类型矿床的意义。
（3）长江中下游构造-地层-岩浆岩-成矿演化模式（图4-15）。突出了成矿的主要控制因素，显示了在构造的控制下，不同岩浆岩建造与沉积岩建造相匹配所形成的不同矿种和矿床成因类型。
以上是从不同侧面，有不同着重点地显示区域成矿系列模型的表达方式，随着研究工作的深入，尤其是深部地质矿化现象的逐步被揭露，上述这些模型将会进一步修改充实，并会建立新的更加完善的成矿系列模型。

图4-14 长江中下游区域成矿系列图（以中生代成矿为主）

前面列举的成矿演化的总趋势和阶段性，是受以下几种主要地质因素制约的。

1.成矿元素的地球化学性质

化学元素在地幔和地壳中的丰度和化学活性，对它们的成矿时空演化有重要影响。一些大丰度元素如Fe，Al，Ti等，只要因地质作用将其丰度富集十倍或几十倍，即可达到矿石品位，且有一定规模时，即成为矿床；而一些小丰度元素，如Hg，Sb，As，Ag等，则要富集到上万倍甚至十万倍，才能形成矿床。因此，前一类元素有可能经历一两次地质浓集作用即可成矿；而后一类元素则需要多次地质作用的反复浓集才有可能成矿。以铁为例，它是大丰度元素，在太古宙基性火山喷发广泛发育，铁的地壳丰度值很可能高于现代（据李志鹄估算太古宙时为8.6%，1987），其富集比相应小于现代值，因此，就构成了前寒武纪时能形成大量铁矿，得以成为铁矿集中期的物质基础。与铁类似，Cr，Ti，Co，Ni等元素也多在地史早期（元古宙—早古生代）成矿。而W，Sn，Be，Hg，Sb，As，Ag，Bi等元素则多在地史上的较晚时期，如中生代—新生代，才形成数量多、规模大的矿床。

元素的化学活性的差异性，也明显影响不同元素的演化轨迹。稳定性元素成矿后较易保存，不易再参加到大规模的新的地球化学循环中去。而化学活动性大的元素，一般易受热动力扰动，较易于参加到多种地球化学循环中去，经历多重富集作用而成矿。成矿后也较易再活化，而不易长期稳定地保存原状。

2.水圈、大气圈和生物圈的演化

地球表层的海平面变化、海水化学成分、大气成分和生命活动等因素，直接制约着地表的物理化学状态，因而就影响到不同类型矿床的形成和时空分布。可以古元古代与中元古代间的突变为例（约在1800Ma），这一间断大致相当于我国的吕梁（中条）运动时期，其特点是，在河流-三角洲相中，通常的碎屑状黄铁矿和沥青铀矿不再出现，苏必利尔型条带状铁矿的比重也明显下降，而代之以红层铜矿（如著名的扎伊尔-赞比亚铜带），而基鲁纳型海相火山-沉积铁矿和克林顿（Clinton）型铁矿也相继产出。这一新旧矿床类型的更替，与变价元素Fe，Mn，Cu，U有关，也即与沉积环境的氧化-还原状态的急剧变化有关。根据矿物共生组合特征，有理由推断这一时期的气圈和水圈中自由氧的含量剧增，CO₂相对减少，生物活动在沉积过程中开始起到较明显作用。

生物和有机质的成矿作用研究对探讨成矿演化有重要意义。叶连俊（1993）曾精辟地指出：生物作用是“成矿时代成因的一个重要因素”。他还指出，中国和澳洲、印度、越南的一些磷矿主要产在新元古代到早-中寒武世，可能与当时海洋中菌、藻类微生物的一次空前繁茂及小壳化石第一次出现有关。震旦纪和寒武纪的蓝藻和叠层石通过其代谢作用富集形成了优质磷块岩。世界上工业铝土矿开始形成于晚古生代，可能是当时正是大陆上最早出现陆生生物的时代，有了植物及衍生的有机质，大大加强了表生风化作用，岩石组成包括硅也被大量淋失，最难溶的Al₂O₃得以残留富集在风化壳中而形成铝土矿床。晚石炭世及以后煤矿的丰富则与陆生植物的大量繁衍有关。

3.地球构造运动的演化

全球构造运动涉及核-幔作用和壳-幔作用、大陆聚散，以及大陆动力学等重大问题，其与地史上成矿演化的关系尚不很清晰。但总的可以认为，陆壳演化和成矿演化基本是同步的，可以概括出以下几点：

1）太古宙的高度活动性。陆核形成，原始地壳薄，很高的地热流值逐步降低，镁铁质火山活动广泛而强烈，形成大量与火山岩和火山-沉积岩有直接和间接关系的矿床（矿源层）。

2）元古宙稳定克拉通。在漫长的古陆形成并日趋扩大的过程中，非造山成因的富钾花岗岩提供了丰富的金属矿源，经过剥蚀风化搬运，在古陆盆地或陆缘裂谷中形成众多的铅、锌、铜等矿床，而在显著增厚陆壳中由幔源岩浆上升侵位而成的层状火成杂岩体中，则分异形成巨型的铜-镍、铬-铂和铁-钒-钛矿床。

3）显生宙板块构造运动开始了大地构造演化成矿的新纪元。在聚敛板块接合部，壳幔的物质显著交换，发育构造-岩浆-成矿带，广泛形成火山岩型、斑岩型、花岗岩型等矿床类型。在离散板块的伸展构造体制下，幔源物质上涌，地壳增生，形成蛇绿岩套，以及海相沉积有关的成矿系统；在大陆边缘的裂谷中，喷流沉积成矿作用普遍而强烈，形成大量的大型SEDEX矿床。

Goldfarb 等（2010）以 Meyer（1988）和 Barley 等（1992）的图表为基础，加以改编，提出了克拉通汇聚边缘和克拉通内的成矿演变趋势图（图8-3），图中表示了主要矿床类型在不同地质时期的成矿强度。

图8-3 克拉通汇聚边缘和克拉通内成矿演变趋势图

（据Goldfarb等，2010）

Goldfarb 等（2010）强调超大陆旋回（一个旋回3亿～5亿年），不同演化阶段（汇聚阶段、稳定大陆阶段、裂解阶段）由近陆缘到远陆缘所形成的主要矿床类型（图8-4）。

小结：成矿的演化是一个复杂、繁难但又有重要科学价值和实用意义的研究领域。一定类型矿床是特定大地构造环境的标志物，深入研究成矿演化的历史轨迹所得出的丰富信息将能加深对全球历史演化过程的认识；而成矿演化研究所总结提出的矿床在时间上的分布规律能为矿产勘查指明方向。为此，笔者建议加强对成矿历史演化的研究。除系统研究成矿演化的总趋势外，还应研究矿化在时间上的突变性、继承性、节律性等；同时，还要注意不同矿种、不同矿床类型在地质时间上分布的不均一性。

图8-4 不同构造背景和超大陆旋回形成不同类型的矿床

（据Goldfarb等，2010）

在我国各成矿期的研究中，当前应注重研讨元古宙成矿期及新生代成矿期。因为，元古宇在我国广泛出露，成矿潜力大；而对新生代成矿在过去重视不够，思路不甚开阔。在研究方法上应运用多学科交叉渗透，将岩石圈演化、地球表层层圈演化、大陆动力学和成矿动力学相结合，以求深入系统地认识地史上成矿作用演化的规律性。

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