岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (2): 305-325   PDF    
中国陆壳演化、多块体拼合造山与特色成矿的关系
秦克章1,2,3, 翟明国1, 李光明1,2, 赵俊兴1, 曾庆栋1,3, 高俊1,3, 肖文交2,3,4, 李继亮4, 孙枢4     
1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
2. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要: 矿产资源的种类、时空分布、形成演化与成岩作用和大地构造格局密切相关。中国地质构造复杂,成矿条件多样(发育裂谷成矿、碰撞成矿、地幔柱成矿、低温成矿等特色成矿系统),矿床类型比较齐全,如大宗矿产(铁、铝、铜、钾盐)短缺,小宗矿产中盛产稀土元素(REE)、钨、锡、钼矿。中国早前寒武纪矿床相对较少,燕山期成矿集中爆发。这种矿产资源分布格局与中国大陆地壳的性质与演化、多块体拼合造山格局之间的内在联系尚待深入揭示。本文基于对中国陆壳演化、陆块与造山带组成格局和多块体拼合造山的系统分析总结,试图阐明中国成矿特色与其内在联系,从陆壳形成与造山带演化的宏观视角来研究中国大陆成矿特色、成矿物质时空分布规律,其特色包括:(1)中国陆壳的地台区与造山带区质量比约3:7(全球陆壳地台区占69.6%),太古界面积小且支离破碎,地壳固化时间晚且运动频繁强烈,因此难以形成巨型条带状铁建造(BIF)富铁矿床、太古代火山岩块状硫化物型(VMS)铜锌矿带和元古代内克拉通裂谷有关的扎伊尔-赞比亚巨型铜矿。(2)环绕中朝-塔里木和扬子板块的增生造山带由老到新依次形成,并镶接于古板块边缘,使中国大陆逐渐增生扩展,导致火山岩型、与岩浆岩类和沉积岩系有关的大型矿床空间上向板块边缘推移,时间上越来越新,地壳演化成矿作用和矿床类型越来越多样化。(3)中亚成矿域以古生代多陆块拼合造山、中新生代陆内造山与山盆体系构成独特的地质构造格局。既发育增生造山阶段的弧环境相关矿床(蛇绿岩型铬铁矿、斑岩铜矿、VMS),也发育与碰撞造山有关的矿床(造山型金矿、石棉、滑石、白云母)、地幔柱叠置造山带背景下的岩浆铜镍矿和后碰撞陆内岩石圈伸展相关的大陆环境矿床(斑岩钼矿、热液金矿、伟晶岩型稀有金属矿)。(4)青藏高原(特提斯成矿域)系特提斯洋长期增生演化、印度-欧亚大陆碰撞的产物。其成矿条件优越,具有多期成矿作用、多矿种和多类型的复合成矿系统特点。形成了蛇绿岩套型铬铁矿、密西西比河谷型(MVT)铅锌矿和独具特色的碰撞环境超大型斑岩铜钼矿。(5)我国东部环太平洋成矿域,伴随晚中生代克拉通性质的根本转变及岩石圈明显的减薄过程与破坏,在华北克拉通周缘发生大规模的岩浆活动和强烈的金、铜、钼和轻稀土等成矿作用。不同时期的造山带干涉叠加使得南岭地区盛产花岗岩有关的钨、锡、钼矿,具有叠加改造成矿、大器晚成的鲜明成矿特色。由于中国成矿特色与大陆地壳演化密切相关,中国的找矿勘探部署必须立足于中国大陆演化与多块体拼合造山的基本地质事实,方能取得好的勘查效果。中国大陆小陆块拼合造山成矿还存在诸多未解之谜,文末提出了当前成矿学面临的一系列科学问题,对于今后我国找矿战略选区具有借鉴意义。
关键词: 中国大陆特色成矿系统     陆块与造山带组成格局     多块体拼合造山     中亚地壳双向增生成矿     特提斯演化与成矿     克拉通改造-破坏与陆壳活化成矿     科学问题与展望    
Links of collage orogenesis of multiblocks and crust evolution to characteristic metallogeneses in China
QIN KeZhang1,2,3, ZHAI MingGuo1, LI GuangMing1,2, ZHAO JunXing1, ZENG QingDong1,3, GAO Jun1,3, XIAO WenJiao2,3,4, LI Jiliang4, SUN Shu4     
1. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The style, spatial-temporal distribution, formation and evolution of mineral resources are closely related to the nature and evolution of the crust and the development of the tectonic framework. Due to the complexity of geological settings in Chinese continent, various types of metallogenic systematics are well developed, such as Proterozoic rift, collision, plume, low-temperature metallogenic systematics. China is rich in Mo, W, Sn and REE but short of Cu, high-grade Fe, Al and sylvite. It also lacks of Early Precambrian mineral deposits, and has the outbreak of Yanshanian mineralization. The relationship between these characteristics of mineralization, the formation and evolution features of small continental blocks in China, and accretionary collage of microcontinents is still unclear. In this paper, we try to summarize and reveal the formation and evolution features of small continental blocks in China, the double-directions accretionary collage orogenesis in Central Asian Orogenic Belt (CAOB), and the evolution of Proto-Paleo-New Tethyan Ocean and succeden continent-arc collision orogenic belt as well as decraton of North China Craton (NCC) during Late Mesozoic, and their relationship to mineralizations. The features are as follows:(1) The mass ratio of platform over orogens in Chinese continent (about 3:7) is smaller than that of the bulk Earth (about 7:3). And China has the separated and small areas of Archean crust. The consolidation of the Chinese continental crust also took place over 500~1000Myr later than the shield areas elsewhere in the world. All these features resulted in the lack of rich BIF deposits, Archean giant VMS Cu-Zn deposits and Proterozoic rift-related Zambia-style giant Cu deposits. (2) We conclude the characteristics of the metallogenesis and their connection with the styles, evolution and overlapping of orogens along the North China, Tarim and Yangtze platforms and crustal evolution. The continental crust of China was formed through the accretion of several blocks. With the old masifs as the core and the orogen system of different ages as the margins, it progressively accreted and grew outwards, leading to the migration of volcanic intrusive activies, sites of sedimentation and related mineralization towards the margins of the old orogen and basin with the progress of time. (3) The Central Asian Orogenic Belt has experienced the Paleozoic accretionary collage of microcontinents, and Mesozoic-Cenozoic intra-continental orogenesis and basin-and-mountain system, thus the CAOB can host arc-related mineral deposits (e.g. ophiolite chromite deposit, porphyry Cu-Au-Mo deposit and volcanic-host massive sulfide deposit), collision-related ore deposits (e.g. orogenic gold deposit, and asbestos, talc and mica deposits), ore deposits related to unusual overlapping CAOB by Early Permian Tarim plume (magmatic Cu-Ni-Co deposit), and intra-continent extensional environment (such as, porphyry Mo deposit, hydrothermal Au deposit and pegamatite rare metals, sandstone U and sylvite deposits). (4) Numerous large-and super-large porphyry Cu-Au-Mo deposits, MVT Pb-Zn and ophiolite Cr deposits are generated in the evolution of Proto-Paleo-New Tethyan oceanic subduction along the Qilian, Kunlen to Bangongcuo-Nujiang and Yarlung Zangbo sutures and the process of the India-Asia continental collision in the Qinghai-Tibetan orogen. (5) Crustal movements in China, especially in East China, were ubiquitious, frenquent and rather strong, and these chacteristics are rarely seen in other parts of the world. The massive magmatism and Au, Cu, Mo and light rare earth elements deposits around the NCC occurred in the Late Mesozoic, accompanied with the significant change in the nature of NCC and the decraton of North China lithosphere. A large number of world-class W, Sn and Mo deposits occured with high-evolved granitoids in the highly mature East China continent, related to the polycyclic nature of the tectonism, magmatism, and sedimentation in China. As all the metallogenic features are genetically associated with the evolution of continental crust and multi-stage orogens, the exploration plans in China shoud pay much more attention to the evolution features of small continental blocks, and accretionary collage of microcontinents. Finally, we suggest several significant questions in the areas of continental metallogeny and the futher exploration in China.
Key words: Charactyeristical metallogenic systematics in China     Tectonic framework     Collage orogenis of microcontinents     Double-directions accretionary collage orogenesis in Central Asian Orogenic Belt and metallogenic events     The evolution of Proto-Paleo-New Tethyan Ocean and metallogenic events     Decraton of North China Craton and metallogenic events     Future questions on the metallogeny in China    
1 引言

如果说“石油是工业的血液”的话,那么就可以将金属矿产称作工业的“骨骼”。随着国家建设和社会经济的持续发展,对固体矿产资源的需求在日益加大。中国是资源的消耗大国,需要大量的自然资源来保证国家基础行业的正常运转。总体上,我国的金属矿储量丰富:金、银、铜、铅锌、铁、锰、钒、钨、锡、钼、稀土、稀有矿和铝土矿等金属矿藏的储量和开采量均位于世界前列。随着我国工业化的快速推进, 矿产品供需缺口逐渐加大, 经济社会发展的资源成本大幅增加。我国面临着资源需求量大、储备少、消耗大的资源形势,与此同时,我国的矿产资源特点却又是大矿少、共生矿多、部分矿种严重不足以及分布不均。迫切需要对中国大陆形成演化特点 (多陆块复杂增生演化) 及其对金属矿产矿种类型、时空分布制约有一个明晰的认识,以提高找矿选区的科学性与成功率。

矿产资源的形成、演化、分布不仅与成岩作用和大地构造格局关系密切,而且均源于地球内部 (刘光鼎,2013)。某些矿床只产于特定的大地构造背景下,不同的大地构造发展阶段,可形成不同的岩石组合及相伴的矿床类型 (Meyer, 1981Sawkins, 1990Ishihara, 1998)。如在古老的克拉通内,可形成条带状磁铁矿、岩管状金刚石矿和绿岩带型金矿;在年青的造山带内,则赋存着形成于活动陆缘的黑矿型块状硫化物矿床、斑岩型铜-金-钼矿床及与火山活动有关的铁矿床等。因此,查明一个地区的大地构造背景对于找矿勘查的部署具有指导作用 (Wang and Qin, 1989裴荣富和吴良士,1994Qin and Ishihara, 1998)。更重要的是,成矿系统的演化与大地构造的演化密不可分。矿床的形成-改造 (变质、再成矿)-改变 (位置) -演化-消亡等的研究和重建也正是大地构造环境、大陆地壳演化与成矿研究内容的一部分 (翟裕生等,2000),这方面的研究也可为某些矿床的预测提供客观的科学依据。本文基于对中国陆壳演化、多块体拼合造山的系统分析总结,试图阐明中国成矿特色与其的内在联系,从陆壳形成与造山带演化的宏观视角来研究中国大陆成矿特色、成矿物质时空分布规律,探寻未来研究方向。

2 中国大陆成矿特点与特色成矿系统

我国矿产资源既有优势,也有劣势。优劣并存的基本态势主要表现在以下几个方面 (涂光炽, 1989, 1999王之田和秦克章,1991王之田等,1994朱训, 1999; 陈毓川等, 1989, 2006Zhai et al., 2002; 翟裕生等, 2000, 2002翟明国,2010):(1) 矿产资源总量丰富,人均资源相对不足;(2) 矿产品种齐全配套,资源丰度不一;(3) 矿产质量贫富不均,贫矿多,富矿少;(4) 超大型矿床较少,中小型矿床多,世界级规模的矿床尚为数不多;(5) 共生伴生矿多,单矿种矿床少;(6) 大宗矿产缺铜、少富铁矿、稀缺钾盐;(7) 小宗矿产中盛产REE、钨、锡、钼、锑、汞矿;(8) 一些典型克拉通环境的前寒武纪矿床在我国并不甚发育,金矿成矿明显晚于绿岩带;(9) 中外前寒武纪条带状铁矿 (BIF) 具有鲜明差别,时代晚、变质变形强,类型多为阿尔戈马型而非苏必利尔型;(10) 早前寒武纪矿床相对较少,燕山期成矿集中爆发。

同全球主要地台 (陆块) 相比,中国的特色成矿系统 (翟明国,2016) 大致可以归纳为:(1) 元古代裂谷型REE-Nb-Fe、Pb-Zn-Cu、Mg-B矿床;(2) 洋陆俯冲与陆陆-弧陆碰撞型造山成矿 (Au和Cu-Au-Mo)(陈衍景,1996Hou and Cook, 2009秦克章等,2014);(3) 峨眉山-塔里木地幔柱型Ti-V-Fe矿和Cu-Ni矿床 (Zhang et al., 2006Zhou et al., 2008Song et al., 2008Qin et al., 2003, 2011Xu et al., 2014);(4) 大花岗岩省多金属矿床 (陈毓川等,1989Ishihara, 1998Li and Li, 2007Wu et al., 2011Mao et al., 2013蒋少涌等, 2015);(5) 远离造山带的大面积低温成矿 (Hu et al., 2002);(6) 中生代克拉通破坏与金爆发型成矿 (Fan et al., 2011Zhu et al., 2015);(7) 叠加改造成矿发育 (Tu, 1995翟裕生等,2000);(8) 陆壳循环与多类型多期次Mo矿 (秦克章,1993Mao et al., 2011Zeng et al., 2011, 2013)。

特别值得注意的是,我国事关国计民生的大宗矿产 (铁、铝、铜、钾盐) 短缺,而我国丰产的钨、锡、钼 (国际上称为稀有金属) 储量已跃居全球第一。这种矿产资源分布格局受制于什么因素?与中国大陆地壳的性质与演化应有着必然的联系。然而这种内在联系的整体规律和控制因素尚待深入揭示出来。

从地球演化角度,即从地壳及上地幔的运动与壳幔过程、陆块与造山带组成格局、陆壳增生、陆块拼贴、造山带演化、地壳成熟度角度来研究成矿作用及战略选区,这是当代地球科学与矿产勘查学的研究热点与主要方向。找矿战略选区的基础研究就是要跳出单个矿床,单个矿田的思路,从地球演化宏观视野来研究岩石圈组成、演化历史与构造-岩浆-流体活动,研究区域地球化学特征,研究成矿理论、成矿物质分布规律以及对成矿模式和成矿系统规律性的认识。

3 中国大陆多块体围绕三个小克拉通拼合造山成矿

克拉通和造山带是构成大陆地壳的两个基本构造单元。中国大陆地壳特征可以概括为:(1) 中国陆壳面积地台区 (包括华北克拉通、扬子地台和塔里木地台) 占1/3,其余为造山带区 (程裕淇等,1995);(2) 所占质量百分比地台区29.7%,造山带区70.29%,而全球则相反,地台区69.6%,造山带30.4%;(3) 中国陆壳平均厚度 (47km) 大大超过全球陆壳的平均厚度 (36.5km)。中国陆壳沉积层均厚约5km,所占的质量百分数为9.21%,远高于全球陆壳沉积层质量百分数 (2.2%) (黎彤和李峰,1991)。硅铝层/硅镁层的质量比 (1.81) 低于全球陆壳之质量比 (2)(黎彤和倪守斌,1997)。这一基本事实奠定了中国大陆具有鲜明的多块体拼合造山的基本格局与成矿特色。

北美 (以北美克拉通为主体) 和欧洲大陆 (以俄罗斯-东欧克拉通为主体) 均是以一个巨型前寒武纪克拉通为主体形成的单一大陆,中国大陆则是由众多微陆块和造山带拼合而成的复合大陆。这些微陆块以华北地台、扬子地台和塔里木地台3个小克拉通面积最大,具有前寒武纪基底和发育良好的沉积盖层,并且其固结时间也明显晚于前两者 (Zhai and Santosh, 2011)。华北地台面积大约是俄罗斯克拉通的1/5、北美克拉通的1/12,扬子地台大约是俄罗斯克拉通的1/7、北美克拉通的1/20。这些小陆块,既具有克拉通的基本结构和特征,又表现出较强的活动性,因而黄汲清等 (1977)称之为准地台,陈国达 (1960)称之为活化地台或地洼。其它微陆块包括图瓦-蒙古、中蒙古-额尔古纳、伊犁、布里亚-佳木斯、柴达木、羌塘、拉萨、中缅马苏等,均已比较强烈地卷入显生宙的造山带中 (图 1)。

图 1 中国及邻区陆块分布图 (据任纪舜等,1999王鸿祯等,2006综合修改) 1-图瓦-蒙古地块;2-中蒙古-额尔古纳地块;3-伊宁等地块;4-锡林浩特等地块;5-布列亚-佳木斯地块;6-松嫩地块;7-柴达木地块;8-羌塘地块;9-拉萨地块;10-中缅马苏地块;11-印支地块 Fig. 1 The simplified tectonic map of China and adjacent blocks (modified after Ren et al., 1999; Wang et al., 2006)

我国学者早就注意到中国大陆具有小陆块、多缝合带、软碰撞、多旋回缝合的特点,并受到古亚洲、特提斯、环太平洋三大动力学体系的作用 (许靖华等, 1998任纪舜等, 1999王鸿祯等,2006)。在古生代阶段,这些小克拉通和微陆块大多位于古亚洲洋之南,属于冈瓦纳大陆结构复杂的北部边缘;中生代阶段,它们大多又位于特提斯之北,属于古亚洲 (劳亚大陆东部) 大陆结构复杂的南部边缘。微、小陆块的软碰撞和多旋回缝合以及由此而产生的多旋回复合造山带和多旋回构造岩浆成矿作用是其非常重要的特征。

中国大陆围绕华北克拉通、杨子地台和塔里木地台,依次向外增生 (Wang and Qin, 1989; 许靖华等, 1998; Zhai and Santosh, 2011)。古亚洲洋沿南天山-索伦山-西拉木伦河缝合线闭合 (Gao et al., 1998, 2009高俊等, 2006Xiao et al., 2003, 2004a, bLi, 2001),天山-兴蒙造山带拼贴到塔里木地台和华北克拉通,与西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块焊接;原、古、新特提斯洋在显生宙沿秦岭-祁连-昆仑、羌塘-双湖、雅鲁臧布江缝合线依次向欧亚大陆拼贴 (姜春发等,2000Ding et al., 2003Li and Li, 2007吴福元等,2008Pan et al., 2012)。中国东部太平洋俯冲影响所波及的活动大陆边缘及太平洋构造域对中亚造山带、特提斯造山带的干涉与叠加、北方造山带 (中亚造山带) 增生改造、青藏高原碰撞造山过程中的壳幔作用与大规模成矿机理,是国际造山带与成矿作用的重大科学问题和研究前沿。

造山带研究的发展推动了区域成矿学与成矿预测学的快速发展。基于环太平洋成矿域的研究,提出了俯冲成矿理论,建立了岛弧带的斑岩型铜金矿、浅成低温热液金矿等多金属矿床的成矿模型 (Sawkins, 1990; Richards, 2003);基于秦岭金钼成矿带与特提斯成矿域的研究,提出碰撞造山成矿理论,并建立造山型矿床的成矿模式 (陈衍景, 1996, 2013侯增谦, 2010);中亚造山带研究揭示了成矿作用的多样性、复杂性和独特性,提出“中亚成矿域”的概念 (涂光炽,1999);同时,认识到大陆内部广泛存在改造型成矿作用 (Tu,1995),建立起中亚造山带构造演化阶段与矿床组合的内在联系 (秦克章,2000Qin et al., 2003, 2005),提出了古大陆边缘有利于多类成矿系统发育 (翟裕生等,2002),将大陆地区的矿床划分出多种成矿系列 (陈毓川等,2006),发现埃达克质岩浆与斑岩型Cu-Au矿床形成有密切联系 (Defant and Drummond, 1990; 张旗等,2004Wang et al., 2003; Zhang et al., 2006; Cao et al., 2016a)。由上可见,造山带样式与金属组合、大型矿集区与大型矿床形成机制和分布规律是造山带成矿学研究的核心问题。相对于洋壳俯冲成矿理论和陆陆碰撞造山成矿理论而言,大陆复杂增生造山成矿理论尚处于探索阶段。对其深入研究,将提高对中国大陆主要成矿带成矿环境与成矿前提的认识,将有力推动找矿的重大突破。

4 中国克拉通形成演化及成矿特色

中国大地构造发展、演化,可以概括为四大阶段 (李春昱等,1982; 王鸿祯等,2006):(1) 太古代-古元古代阶段,中朝古板块的逐渐形成,约1700Ma前固化;(2) 中新元古代阶段,杨子古板块及塔里木古板块的形成,约700Ma前固化;(3) 古生代阶段,古亚洲大陆的逐步形成;(4) 中、新生代阶段,滨太平洋构造带和特提斯-喜马拉雅构造带的形成和发展。环绕中朝-塔里木和扬子板块的增生造山带由老到新依次形成,并镶接于古板块边缘,使中国大陆逐渐增生扩展。

华北克拉通是我国面积最大、形成演化时代最长、出露最完整的早前寒武纪稳定陆块,也是世界上最具代表性的克拉通之一。但是,华北克拉通前寒武纪陆壳生长-稳定化过程具有多阶段,从新太古代陆壳巨量生长,到元古代的俯冲碰撞和伸展裂解,其复杂程度超过了世界上许多典型克拉通 (Zhai and Santosh, 2013)。由此形成了华北克拉通丰富和独特的矿产资源 (翟明国,2010张连昌等,2012)。

华北克拉通演化与成矿的特殊性:地壳快速生长主要发生在25.5亿年前后;与全球相比,其克拉通化高峰偏晚 (25亿年左右),其它克拉通化主要发生在27亿年左右)(翟明国,2010)(图 2)。近年来研究厘定了3期重大地质事件,对应3大成矿系统 (Zhai et al., 2016):新太古代陆壳巨量生长条带状铁矿 (BIF) 成矿系统;古元古代大氧化事件与Fe-P-石墨和Mg-B成矿系统;中-晚元古代的多期裂解作用与REE-Fe-Pb-Zn成矿系统。

图 2 华北克拉通与其他克拉通前寒武纪重大地质事件、地壳生长及成矿对比 (据Zhai and Santosh, 2013) Fig. 2 Precambrian crustal growth, key geological events and Banded Iron Formation (BIF) in the North China Craton and their relationship to global events (after Zhai and Santosh, 2013)

新太古代条带状铁矿 (BIF) 的大量发育与陆壳巨量增生事件密切相关。中国BIF铁矿与世界的差异包括时代 (国外的为早太古代;华北的为中晚太古代)、变质级别 (国外的为绿岩带;华北的为角闪岩-麻粒岩相)、变形 (国外的较稳定;华北的不稳定) 以及矿石等方面 (张连昌等,2012Li et al., 2014cWang et al., 2014a)。

Hu and Rogers (1992)在库鲁克塔格地区托格拉克布拉克群斜长角闪岩获得了3263±129Ma的Sm-Nd同位素年龄,第一次证实了塔里木陆块存在早太古代陆核。一系列同位素年代学资料证实新疆太古代-古元古代已形成原始克拉通陆壳 (Zhang et al., 2012a),范围包括塔里木和天山的中部。该区限于覆盖和工作程度,目前所发现的矿床尚很有限,但成矿潜力不容置疑。

一般而言,古老矿床经历的地质事件多, 遭受变化和改造的几率较大,相对来说,“存活率”不高;而较年轻矿床, 如中、新生代产生的矿床, 其成矿后经历的历史较短、较简单,相对较易保存。但不能一概而论,实际上很多古老矿床有重大的经济价值。就世界范围看,加拿大地盾、西澳、北澳古老地块的长期稳定性非同一般。长期相对稳定的古老地块中,一些古老矿床 (太古窗、元古宙的〉就保存较多 (Kerrich et al., 2000),如南非地块上的与镁铁-超镁铁质岩有关的铬、铂、镍、钒、钛矿床和维特瓦特尔兰德型金矿等;加拿大古老地块中也保存有不少大型、超大型矿床,典型的有诺兰达式VMS型铜锌矿床、太古代绿岩带型金矿。

与此形成鲜明对照的是,华北地块和扬子地块处在古亚洲洋、特提斯、滨太平洋等三大构造域的交汇地带,长期活动,尤其是中生代以来活动频繁。华北克拉通被公认为是全球克拉通破坏的典型 (Zhu et al., 2015)。这种构造环境对古老矿床的完整保存不大有利。相反,伴随晚中生代克拉通性质的根本转变及岩石圈明显的减薄过程,在克拉通周缘发生大规模的岩浆活动和强烈的金、铜、钼和轻稀土等成矿作用 (Fan et al., 2011Zeng et al., 2011; Yang et al., 2012)。

对应于克拉通破坏,华北克拉通东南缘的金矿床主要形成于~120Ma,是典型的“爆发式”成矿作用的产物 (Yang and Zhou, 2001Zhu et al., 2015)。华北克拉通东南缘大规模的岩石圈减薄、软流圈物质上涌以及壳幔相互作用,为大规模金矿化提供了物质基础。

我国科学家已经注意到成矿作用与地球随时间演化的规律,提出了重大地质事件与成矿的联系、成矿作用的时控性与不可逆性。例如地球早期演化最重要的地质事件有陆壳的巨量增生、前板块机制/板块机制的构造转折、由缺氧到富氧的地球环境的剧变 (Wang and Qin, 1989裴荣富和吴良士,1994王之田等,1994Zhai et al., 2016)。陆壳的巨量形成必将导致元素的巨量迁移与重新分配,构造与地球环境的变化为元素的富集提供了条件,出现了许多有特色的和在地质历史上未见重复或少见重复的矿床 (秦克章等,1999aZhai et al., 2016)。显生宙之后的约5.4亿年,除了蓬勃的生命之外,在固体地球中,最重要的事件是板块构造成为支配性构造,在地质环境上是富氧的系统,在物质演化上出现与洋陆相互作用有关的一系列矿床。因此从成矿学的角度来看,成矿是地球演化的物质表现,成矿作用的时空性表现在从地球演化早期到现今的成矿系统、成矿机制的时代特色和不可重复性。

5 中亚型造山与古生代大规模成矿

中亚造山带 (成矿域) 是全球规模最大的增生型造山带和显生宙大陆地壳生长最显著的地区 (Xiao et al., 2004a, b, 2009Gao et al., 2009Xu et al., 2013aWang et al., 2015)。多块体-小洋盆复杂格局的演变包含了比环太平洋型造山更复杂的侧向增生过程,多块体拼合后的地壳垂向增生也比阿尔卑斯-喜马拉雅型造山更为显著。中亚成矿域既发育增生造山阶段的弧环境相关矿床 (蛇绿岩型铬铁矿、斑岩铜矿、VMS),也发育与碰撞造山 (造山型金矿、石棉、滑石、白云母) 和后碰撞陆内岩石圈伸展相关的大陆环境矿床 (岩浆铜镍矿、斑岩钼矿、热液金矿、砂岩铀矿等)(秦克章, 1999b; Wang et al., 1999秦克章,2000; Qin et al., 2002, 2003, 2011)。

中亚地区以古生代多陆块拼合造山、中新生代陆内造山与山盆体系构成独特的地质构造格局。中亚型造山带具有多块体、多缝合带镶嵌、山盆耦合的大地构造格局,地壳经历了古生代地块拼合增生过程和中新生代陆内造山过程;陆块规模小于现代大陆板块,陆间洋盆小于现代大洋 (肖序常等,1992Şengör and Ntal’in, 1996; 李继亮等,1999);多期蛇绿岩、高压变质岩、富碱花岗岩带的发现,指示地壳增生过程复杂多样 (Gao et al., 1998);地壳经历了多旋回的造山和增生;中亚大型-超大型矿床总体上表现出网格状 (矿结) 分布特征和聚矿带的菱形镶嵌状展布规律。相比之下,环太平洋与特提斯成矿域则更具有“线性”特征;中亚古生代碰撞造山与成矿作用具有多岛海特征。

中亚造山带东段-大兴安岭地区,还产有我国最古老的斑岩铜矿-奥陶纪多宝山-铜山 (Zeng et al., 2014) 和中硫型浅成低温金矿-争光 (宋国学等,2015),由于早中生代蒙古-鄂霍茨克洋俯冲-闭合 (Wang et al., 2015) 和晚中生代伊始古太平洋俯冲的影响,得尔布干地区表现为印支期、燕山早期、燕山晚期多期岩浆活动和成矿作用集中发育 (秦克章等,1990Qin,1997陈志广等,2010),古老矿床普遍遭受后期改造甚至错断如铜山铜矿 (庞绪勇等,2017),该区地壳成熟度高,产有我国第一大、世界第三大钼矿-岔路口斑岩钼矿床 (Li et al., 2014c)。

5.1 中亚成矿域多块体拼合造山过程与大陆地壳生长机制

古亚洲洋最终闭合以及塔里木地块与中亚增生造山带南缘拼贴事件发生的时间一直存在争议,也成为制约认识中亚成矿域西段大陆地壳生长机制和大规模成矿地球动力学背景的一个最重要科学问题。通过对北疆阿尔泰、准噶尔、天山造山带的的构造变形、蛇绿岩、高压-超高压变质岩、花岗岩等多学科的综合解剖,精确限定古亚洲洋西段最终闭合和塔里木-伊犁地块之间的碰撞发生晚石炭世末期 (高俊等,2006Qian et al., 2009; Lin et al., 2009Xu et al., 2013b, 2015),进一步确认中亚增生造山以多岛洋格局为特征,大陆地壳生长通过双向增生实现,强烈壳幔作用过程中形成了一系列大型-超大型矿床。

中亚造山带的显生宙大规模地壳生长可以用这两阶段模型解释 (图 3, Gao et al., 2009),早期洋陆俯冲阶段岛弧物质的侧向添加、晚期后碰撞幔源物质垂向底垫,大陆地壳生长伴随着多类型的壳幔强烈相互作用和巨量流体活动,从而诱发金属成矿元素的超常富集、形成大型-超大型矿床。

图 3 古亚洲洋两阶段增生造山演化模式 (据Gao et al., 2009; Long et al., 2011修改) Fig. 3 Two-stage tectonic model showing the evolution and the continental growth mechanism of the Paleo-Asian ocean (modified after Gao et al., 2009; Long et al., 2011)
5.2 北疆主要金属矿床系八大构造阶段的产物

秦克章 (2000)Qin et al.(2003, 2005) 按照板块构造观点并结合系统同位素年代学资料,将北疆古生代金属矿床 (兼顾某些构造环境指向明确的非金属矿床如石棉、滑石等) 划分为八大构造阶段组合:

Ⅰ.稳定古陆环境中的前寒武纪矿床——沉积Fe、Cu-Ni、Mn、P矿床

Ⅱ.裂谷发育期 (初始拉张期) 矿床——Fe、Mn、P矿床

Ⅲ.洋壳 (小洋盆) 扩张阶段矿床——蛇绿岩套Cr矿床

Ⅳ.板块汇聚边缘早期阶段挤压陆缘环境矿床——斑岩Cu-Au矿床

Ⅴ.板块汇聚边缘晚期过渡壳扩张阶段矿床——VMS Cu-Pb-Zn矿床

Ⅵ.碰撞造山期矿床——造山型Au、石棉、云母矿

Ⅶ.造山期后伸展构造阶段矿床——岩浆Cu-Ni矿床、Au、斑岩Mo矿

Ⅷ.盆山耦合阶段沉积成矿——砂岩U矿、钾盐等

新疆北部100余个已知矿床系统的同位素年代学研究,揭示出海西期 (400~250Ma) 是本区有色和贵金属成矿高峰期 (秦克章,2000Qin et al., 2002, 2005)。整个北疆地区陆相环境中金、铜-镍、锡、银等矿床主要就位于晚古生代末碰撞造山挤压-伸展转变期,与大规模的块体旋转、压剪、走滑拉张以及陆内俯冲造山、地幔柱叠置等独特的现象有成因联系。铜矿主要集中于中泥盆世、石炭纪,铜镍矿于早二叠世爆发成矿。金矿跨越时限为泥盆纪-早三叠世。其中早石炭世,主要为火山岩浅成低温型金矿床,晚石炭世-早二叠世以形成韧性剪切破碎蚀变岩型金矿为特征,二者共同的特点均产出于俯冲带的边缘带近陆一侧 (岛弧带-弧后盆地交接部位)。表明海西期构造、岩浆、成矿作用对中亚造山带之北疆-北山-南蒙古地区具有普遍的和重要的意义。

5.3 矿床时空分布记录所反映的构造环境及其演化

成矿带和区域矿化组合与时空分布样式可用来反演大地构造环境及其演化程度 (Meyer, 1981秦克章,1993裴荣富和吴良士, 1994)。晚志留世-早泥盆世、晚泥盆世、晚石炭世-早二叠世是北疆三个主要聚合阶段。成矿高潮期与低潮期交相出现,分别与北疆古生代的三次扩张-聚合相对应 (秦克章,2000Qin et al., 2005)。第一期 (震旦纪-奥陶纪) 主洋盆扩张,保存下来的矿床不多;第二期 (早-中泥盆世) 裂解-弧后扩张阶段,是新疆主要成矿阶段之一,已有迹象的岛弧具洋壳或过渡壳不成熟岛弧的特点;第三期 (早-中石炭世) 弧后盆地阶段拉张规模有限,相应的矿床较小。而此时岛弧上则形成了大型斑岩铜矿,且显示出陆缘成熟弧的特点。

三期挤压聚合,第一期 (晚志留世-早泥盆世) 形成与俯冲和对接相伴随的刚玉、红柱石、石棉等变质矿产组合;第二期 (晚泥盆世) 仅形成白云母、稀有金属等矿产;第三期 (晚石炭世-二叠纪) 碰撞造山最强烈,随后发生造山后伸展走滑,广泛的岩浆侵入活动,产生富有新疆特色的复合岩浆弧带,形成富有新疆特色的金、铜、镍、钒、钛、铁和锂、铍、铌、钽、云母、宝石等矿床,伟晶岩稀有金属成矿可一直延续到早侏罗世 (Zhou et al., 2015)。

5.4 西准噶尔成矿带与哈萨克斯坦成矿带的对比与链接

哈萨克斯坦产出以科翁腊德超大型斑岩铜矿代表的一系列大型-超大型矿床。我国准噶尔与这些重要成矿带比邻。它们在我国境内如何延伸?对指导准噶尔一带的矿产勘查具重要意义。

新疆西准噶尔由古生代火山弧和增生楔组成,是哈萨克斯坦造山带的东延部分,发育近东西向扎尔玛-萨吾尔和波谢库尔-成吉斯火山弧。东哈萨克斯坦火山弧向东延入新疆的具体位置存在争议。近年来针对新疆及邻区斑岩铜矿床和成矿带开展了一系列国际合作对比 (李光明等,2008Shen et al., 2013; Li et al., 2016a) 研究。Shen et al.(2012, 2013, 2015) 研究指出,在西准噶尔北部和东哈萨克斯坦,古生代洋壳连续向南俯冲形成了两个平行的火山弧 (北部:波谢库尔-成吉斯早古生代成矿带;南部扎尔玛-萨吾尔火山弧晚古生代成矿带),西准噶尔北部古生代金属成矿作用与这两个火山弧不断向南俯冲增生有关。新疆西准噶尔谢米斯台-沙尔布提成矿带是哈萨克斯坦波谢库尔-成吉斯成矿带的东延部分 (图 4),构成波谢库尔-成吉斯-谢米斯台-沙尔布提早古生代斑岩型和VMS型铜金多金属成矿带;新疆西准噶尔南部巴尔鲁克-克拉玛依成矿带是哈萨克斯坦北巴尔喀什成矿带的东延部分 (图 4),构成北巴尔喀什-巴尔鲁克-克拉玛依晚古生代岩浆弧,形成了晚古生代斑岩型-云英岩型Cu-Mo-W-Au成矿带。从而明确回答巴尔喀什巨型斑岩铜矿带可延至中国新疆,对跨境成矿带的对比及中国境内超大型斑岩铜矿的寻找具有重要意义。

图 4 环巴尔喀什湖超大型斑岩铜矿带与西准噶尔两条成矿带对接 (据Shen et al., 2012修改) Fig. 4 Geological features and tectonic settings of porphyry copper deposits rounding the Balkhash region and West Jungger region (modified after Shen et al., 2012)

哈萨克斯坦的巴尔喀什斑岩铜矿带,其上产有百万吨级斑岩铜矿十余处,其中科翁拉德、阿克斗卡斑岩铜矿铜储量达千万吨级,产于长期增生的成熟弧环境 (Li et al., 2016Cao et al., 2014, 2016a)。哈萨克斯坦一侧古生代斑岩铜矿成矿则表现为多期、多矿种、长期演化且大规模产出的特点 (李光明等,2008),似乎更具有平坦俯冲的特征。但新疆境内至今尚未发现一处百万吨级以上的较大规模斑岩铜矿床。从中哈萨克斯坦地质演化不难看出,沿南东方向地质历史逐渐变年轻,同时中哈萨克斯坦北西部被证实存在古老的前寒武纪结晶基底 (Kröner et al., 2008),这表明古亚洲洋可能长期向前寒武纪结晶基底下俯冲,而古老基底的存在 (Wang et al., 2014bXu et al., 2013b, 2015) 更有利于形成平坦俯冲 (曹明坚等,2011)。因此,古亚洲洋东、西两段构造分区、地质演化、洋壳俯冲增生样式的差别及其对成矿控制的精细研究与分段解剖亟待加强。

5.5 东疆造山带型岩浆铜镍硫化物矿床成矿机制

全球大型-超大型岩浆铜镍硫化物矿床多产出于稳定克拉通的内部 (Zhang et al., 2006Song et al., 2008Zhou et al., 2008),而中亚成矿域近年来也发现了一系列大型造山带型岩浆铜镍硫化物矿床 (秦克章等, 2002, 2012)。其成矿作用特征、成矿机制以及与壳幔作用的关系是亟待探索的前沿科学问题。前人 (陈汉林等,1997Yang et al., 2007Li et al., 2011bXu et al., 2014) 的研究厘定了塔里木大火成岩省为早二叠世地幔柱产物。近十年来对东天山和北山以及准北缘的二十多处代表性的镁铁-超镁铁岩体和铜镍矿床进行了系统的野外调查和岩相学、年代学、全岩Sr-Nd、锆石Hf-O同位素以及PGE地球化学研究工作,取得了一系列新进展。

确认东天山-北山的镁铁-超镁铁侵入岩与塔里木盆地广泛出露的二叠纪溢流玄武岩、辉长岩脉一起构成一个大火成岩省。提出东天山-北山早二叠世镁铁质-超镁铁岩与Cu-Ni矿形成环境为:地幔柱对造山带的叠置 (Qin et al., 2011; Su et al., 2011, 2013, 2014)。厘定该区含铜镍镁铁-超镁铁岩的时代集中于276~285Ma,且与塔里木大火成岩省同期。原始岩浆均为高镁玄武岩浆,俯冲流体交代明显 (Tang et al., 2011, 2013; Su et al., 2012; Mao et al., 2014, 2016; Xue et al., 2016)。位于中心部位的北山岩体多出现橄长岩,为更高温干体系 ( > 1300~1400℃);北山地区熔融程度高,可能系地幔柱的头部 (图 5)。同时揭示了地壳混染在东天山铜镍硫化物矿床中的作用 (Tang et al., 2012; Mao et al., 2016)。证实源区不同程度的俯冲流体加入,降低了熔点,使得北疆地区岩体源区部分熔融程度增高,从而形成富含Cu-Ni等成矿元素的母岩浆,有利于形成岩浆铜镍硫化物矿床。

图 5 塔里木早二叠世地幔柱对中亚造山带叠置成岩成矿模型 (据Qin et al., 2011; Su et al., 2011修改) Fig. 5 An Early-Permian mantle plume model beneath lithospheric mantle of the Tarim Basin, Tianshan and Beishan in the Central Asian Orogenic Belt (modified after Qin et al., 2011; Su et al., 2011)

该地幔柱与造山带叠置背景下的东疆岩浆铜镍矿床成矿作用模型,极大地拓展了东天山-北山乃至整个北疆铜镍矿床和钒钛磁铁矿床的找矿空间。

6 青藏高原特提斯增生演化、碰撞造山与成矿

青藏高原是我国研究与勘查程度最低的区域,面积达120万平方千米。主要由喜马拉雅、冈底斯、班公湖-怒江带、羌塘-三江、东昆仑山、祁连山和柴达木盆地等重要地质单元构成 (图 6)。青藏高原中北部发育多条古生代-早中生代时期的蛇绿混杂岩带,指示这一地区在原特提斯和古特提斯阶段发生过多次板块之间的相互作用,经历了多期次的大洋岩石圈俯冲-增生、大陆碰撞和板内叠加复合造山作用与相应的成矿作用。

图 6 青藏俯冲、主碰撞、晚碰撞背景三期斑岩矿床 (据Qin, 2012修改) Fig. 6 Three periods of porphyry-type deposits in the Qinghai-Tibetan orogen, related to subduction process, main-collisional stage and late-collisional stage (modified after Qin, 2012)

青藏高原系特提斯洋长期增生演化、印度-欧亚大陆碰撞的产物 (图 7)。早古生代-中生代特提斯洋的长期和复杂的演化以及板块碰撞和强烈的陆内变形孕育了丰富多样的矿产资源。近十年来在确认冈底斯第三纪碰撞造山期和晚碰撞阶段形成的南部铜-钨-钼矿带 (Li et al., 2006bChen et al., 2012, 2015)、中部富Mo斑岩铜矿带 (Hou et al., 2004Li et al., 2011aXiao et al., 2012秦克章等,2014)、北段斑岩钼矿带 (秦克章等,2008Zhao et al., 2012, 2014) 和密西西比型 (MVT) 铅锌矿带 (Liu et al., 2011) 的同时,还厘定了班公湖-怒江岛弧带这一中生代俯冲增生富Au斑岩铜矿带 (李光明等,2007Li et al., 2013, 2014b)。该带的研究和找矿序幕尚刚刚拉开,其成矿潜力完全不亚于冈底斯碰撞造山带 (秦克章等,2006)。其多期次岩浆活动、多期次富金斑岩铜矿产出、以及众多浅成低温金矿化蚀变迹象来看,该带具有特提斯主大洋长期演化、双向俯冲的特征 (秦克章等,2006Cao et al., 2016b),是我国平坦俯冲发育的最有可能地区 (曹明坚等,2011)。

图 7 青藏高原陆陆碰撞成矿模型 (据侯增谦, 2010修改) Fig. 7 Metallogenic model in the Tibetan continent-continent collisional zone (modified after Hou et al., 2010)

早古生代原特提斯、晚古生代古特提斯、中生代新特提斯洋的长期和复杂的演化以及板块碰撞和陆内变形孕育了丰富多样的矿产资源,发育多条古生代-早中生代时期的蛇绿混杂岩带、弧火山岩和多种花岗岩带,祁连山发现铜、铅、锌、铬、钨、铁、金、钴、锰等许多重要金属矿产;东昆仑地区蕴含巨大的金、钴、铜、镍、钨、钼等多金属资源,具有多种矿床组合。大场金矿探明储量接近300吨,锡铁山铅锌矿老矿山也在不断扩大远景,东昆仑发现卡尔却卡等一批中大型三叠纪斑岩-矽卡岩铜矿,近年取得泥盆纪夏日哈木大型铜镍矿床找矿的重大发现 (探明镍储量达110万吨,仅次于金川),羌塘南缘多龙超大型富金斑岩铜矿的探明 (铜705万吨,金169吨) 和2013~2015年中铝公司在铁格隆南含金斑岩铜矿的重大突破 (矿体连续厚度915m终孔于矿体内,远景上千万吨)(李光明等,2015),以及高硫型浅成低温金矿的确认 (Li et al., 2016b),预示班怒带是我国形成世界级斑岩铜矿的最有利地区,可与安第斯相媲美。冈底斯既产有俯冲阶段的雄村斑岩铜金矿床 (中侏罗世),还产有主碰撞期的沙让斑岩钼矿和亚圭拉铅锌矿床,尤以晚碰撞阶段中新世的甲玛、驱龙巨型斑岩-矽卡岩型铜钼矿床最具特色 (秦克章等,2014唐菊兴等, 2010; Zhao et al., 2016)。青藏高原成矿条件优越,具有多期成矿作用、多矿种和多类型的复合成矿系统特点 (Hou and Cook 2009; Qin, 2012)。复合造山在昆仑山表现得特别明显,有早古生代与晚古生代 (原特提斯与古特提斯) 两期。

增生造山叠置,祁连-柴北缘、羌塘-松潘-甘孜则更多表现为陆内造山叠加改造 (Pan et al., 2012),形成了多类、多期复合成矿系统。然而该区域地质演化的长期性、复杂性、基础地质研究的缺乏大大制约了对高原中北部矿产形成分布规律的认识与有效勘探。研究和恢复这些早期板块之间的离散、俯冲和碰撞的过程以及在时、空上的迁移,建立多期、多类型复合成矿系统的成矿模型与勘查模型则是加速揭开青藏高原中北部巨大成矿潜力、科学优选战略靶区的关键。

柴北缘-祁连造山带处于中亚造山带与特提斯造山带交汇部位,是特提斯造山带的重要组成部分 (Şengör et al., 1993)。构造复杂、岩浆活动频繁,变质变形作用强烈,矿产资源丰富,矿床成因类型复杂多样,如斑岩型铜钼矿床、造山带型金矿、热液型和SEDEX型铅锌矿床以及矽卡岩型铁、铅锌、银矿床。例如,该造山带中已发现镜铁山、白银厂、锡铁山和滩间山等一批大型铁、铜、铅锌和金矿床。同时,近年来滩间山金矿床、锡铁山铅锌矿床、五龙沟金矿床和红旗沟铅锌矿床的深部相继分别找到盲矿体。这些事实进一步表明,柴北缘-祁连造山带具有形成斑岩型、VMS型、Sedex型、MVT型以及造山型金矿等大型、超大型矿床的地质条件,同时具有良好的找矿潜力和成矿远景。

7 中国成矿特色及其与大陆地壳演化的关系 7.1 中国大陆成矿依随造山带增生迁移的时空演化

中国金属矿床类型随中国大地构造演化而相应地变化,并显示出一定的继承性和不可逆发展的特征 (Wang and Qin, 1989Zhai et al., 2016)。在太古宙-古元古代阶段,中朝地台逐渐形成,塔里木地台仍在形成中,古元古代扬子地台最初阶段的古陆核出现。铜矿成矿作用发生在优地槽中,主要为BIF型铁矿和火山岩块状硫化物铜矿 (表 1)。太古宙和新元古代仅形成红透山一处大型铜-锌-金矿。在中-新元古代阶段,扬子地台和塔里木地台形成,这时的矿床类型和前期相比,明显不同,这与全球相对宁静缺少火山作用是一致的,它们主要发生在冒地槽海相沉积地层内,形成与红层和碳酸盐岩、石英岩、碳质板岩等有关的海相沉积 (变质) 岩型铜矿,并有沿地台边缘产出的铜镍矿床 (翟裕生等,2002)。前寒武纪成矿主要集中在相对稳定的中朝地台 (山西断隆的中条隆起、冀东台隆、辽东台隆、内蒙地轴) 和杨子地台 (康滇地轴) 边缘上 (表 1),二者成矿地质环境均经历了优地槽-冒地槽 (主动大陆边缘-被动大陆边缘) 环境。

表 1 中国主要金属矿床类型、时空分布及其与陆壳增生的关系 Table 1 Main types of mineral deposits, temporal-spatial distributions and their relationships with crustal accretions

古生代阶段,北部古亚洲大陆逐步形成。早古生代成矿作用则移至与原-古特提斯洋演化相伴的祁连-昆仑-阿尔金造山带、巴颜喀拉-甘孜造山带和内蒙-大兴安岭,为典型的沟-弧-盆体系,主要为火山岩块状硫化物型铜矿 (白银厂) 和原特提斯洋闭合阶段的钨锡矿床 (东昆仑白干湖) 以及古亚洲洋早古生代岛弧富金斑岩铜矿 (多宝山-铜山-白乃庙)。

晚古生代成矿作用空间上除发生在巴颜喀拉-甘孜造山带、昆仑造山带和下扬子坳陷带外,还推移到华南造山带、阿尔泰造山带、天山造山带、准噶尔周缘、内蒙-大兴安岭造山带和秦岭造山带,与古板块构造、大陆地壳坳陷和岩浆作用有关,既有海底火山喷发与海底热泉活动,又有镁铁质-超镁铁质 (峨眉山和塔里木大火成岩省) 和花岗质岩浆作用,主要形成火山岩块状硫化物型、沉积岩块状硫化物型、铜镍型、钒钛磁铁矿型和斑岩型铜矿 (王之田等,1994秦克章等,1999a)。

中、新生代阶段,在滨太平洋和特提斯-喜马拉雅构造域形成和发展阶段,大型矿床明显的与典型板块构造和地台活化引起的中酸性火山-岩浆杂岩带有关,主要有斑岩型、矽卡岩型、浅成低温热液型、海相沉积岩块状硫化物型 (改造期) 和陆相山间盆地沉积型、风化淋滤型,有时出现二个至三个类型的复合。成矿作用集中在:(1) 中国东部环太平洋成矿域及受其影响的外带,包括下扬子坳陷带、江南地轴、康滇地轴、滇东坳陷带、华南造山带、额尔古纳地块、大兴安岭、张广才岭,成矿主要为燕山期, 次为印支期。其中早中生代成矿作用主要集中在德尔布干地区和兴安北段,与蒙古-鄂霍茨克洋的闭合相伴 (Qin et al., 1995陈志广等,2010Wang et al., 2015);(2) 中国西南部特提斯-喜马拉雅成矿域的三江造山带、巴颜喀拉-甘孜造山带、秦岭造山带西段、班公湖-怒江带、冈底斯带造山带等 (表 1),成矿期主要为喜山期,次为燕山期、印支期。

7.2 我国东部燕山期成矿特色与克拉通破坏和再造

中国东部中生代主要表现为受特提斯、太平洋和蒙古-鄂霍茨克洋俯冲及华南-华北碰撞所联合形成的活动陆缘 (崔盛芹和李锦蓉,1983董树文等,2008),因而中国东部主要表现为活动大陆边缘性质,而非典型的增生弧。在中国东部,燕山运动无论在广度和强度上都是一次重要的地壳运动。它主要发生于侏罗纪、白垩纪, 并在不同地区伴随有岩浆活动、火山喷发、褶皱及断裂、断陷盆地的形成及成矿作用等。

中国大陆东部,属环太平洋成矿域西部带的外带 (Zhou and Li, 2000)。燕山造山作用是中国东部中生代以来最重要的地质事件, 它结束了蒙古-兴安、秦岭等造山带长期的多旋回造山过程, 使中国东部及邻区诸陆块最终焊合为一个整体。由于东亚大陆与西太平洋各板块的相互强烈作用,包括滨太平洋俯冲带及其向西的远程效应,在燕山期中晚阶段, 构造-岩浆-成矿作用发展到高峰,形成复杂多样的中国东部构造-岩浆-成矿景观 (Mao et al., 2011, 2013)。在中国东部广泛发育的燕山运动,既生成了众多的具有中生代特色的W、Sn、Mo、Cu等矿床,又因其构造-岩浆活动的强烈而对古老变质基底中的矿床 (或矿源层) 进行改造 (陈毓川等,1989蒋少涌等, 2015Song et al., 2014Zhang et al., 2014)。适度的改造可使原有成矿组分活化转移,参加到燕山期岩浆热液成矿作用中,为形成新的Au矿、Pb-Zn矿、U矿等做出贡献。

中国地壳最上部构造层的大地化学背景概括为:中朝地台K2O、Na2O含量高; 扬子地台FeO、MgO含量高;塔里木地台CaO和CO2含量最高。增生造山带北缘亚区以高Na2O和K2O,低MgO和CaO为特征; 青藏亚区相反,低Na2O和K2O,高MgO和CaO;华南区以高Na2O和MgO,低K2O和CaO为特征。中国陆壳沉积圈的化学成分具有含CaO极高和Na2O极低的特征。其上陆壳 (包括沉积层和硅铝层) 含SiO2、Al2O3、K2O较高,而FeO、MgO、CaO较低。与全球陆壳的平均化学成分相比较,中国陆壳化学特征表现为硅、铝含量低,而K2O含量较高 (黎彤和李峰,1991)。从一个侧面反映中国大陆地壳演化充分,成熟度高。这也是我国东部形成全球著名钨锡钼成矿省的内在原因之一。

以中国大陆、欧洲大陆和北美大陆大规模地球化学填图数据为基础,对三大洲元素分布特征对比 (Xie et al., 1997) 揭示:中国不同大地构造单元元素丰度 (背景值) 有所不同,反映了这些大地构造单元的地质背景,如W、Sn、Bi、Mo在华南造山带的含量分布远远高于其他构造单元;Ag、Pb、Zn、Cu元素高含量分布于扬子克拉通和华南造山带;As、Sb、Hg高含量主要分布于扬子克拉通西南缘, 与低温成矿域密切相关。

由于燕山运动是在地质历史晚期才出现的, 它不可避免地要给早期形成的沉积物、岩浆岩、地层、矿床等带来影响和留下烙印。中国地壳活动性较强, 多旋回演化引起的成矿继承性、多种类型共存和多成因复合成矿现象明显 (Wang and Qin, 1989王之田和秦克章,1991Tu, 1995秦克章等,1999a翟裕生等,2000)。需要指出的是,碳酸盐岩在我国较发育,占沉积岩出露面积的55%(涂光炽,1989),导致中国矽卡岩矿床 (Fe-Cu;Cu-Mo;Cu-Pb-Zn;W-Sn-Mo) 较世界其它地区占有比例大 (常印佛等,1991王之田等,1994Mao et al., 2013)。

就世界范围看,长期相对稳定的古老地块中,一些古老矿床 (太古宙、元古宙的〉就保存较多 (Meyer, 1981)。与此形成鲜明对照的是,中国的华北地块和扬子地块处在古亚洲、特提斯、滨太平洋等三大构造域的交汇地带,在相当长的地质历史阶段中具有较强的活动性,尤其是中生代以来活动频繁。华北克拉通被公认为是全球克拉通破坏的典型。这种构造环境对古老矿床的完整保存不大有利。相反,伴随晚中生代克拉通性质的根本转变及岩石圈明显的减薄过程,在克拉通周缘发生大规模的岩浆活动和强烈的金、铜、钼和轻稀土等成矿作用 (Fan et al., 2011Zeng et al., 2013)。对应于克拉通破坏,华北克拉通东南缘的金矿床主要形成于~120Ma,是典型的“爆发式”成矿作用的产物。华北克拉通东南缘大规模的岩石圈减薄、软流圈物质上涌以及壳幔相互作用,为大规模金矿化提供了物质基础 (Zhu et al., 2015)。但目前对巨量成矿物质的来源问题与成矿机理尚存在争议。

胶东地区产出3个金成矿带 (招远-莱州、蓬莱-栖霞和牟乳),两种金矿类型分别为石英脉型 (玲珑式) 和蚀变岩型 (焦家式),短时成矿 (成矿时代约为120Ma),大地构造背景上华北克拉通岩石圈减薄,强烈壳幔相互作用。范宏瑞等 (2005)对胶东石英脉型和蚀变岩型金矿从相关岩浆岩到控矿构造到成矿流体做了比较系统的研究,认为与成矿有关的岩体/岩脉有幔源物质的贡献,挤压背景下断层左行逆冲控制着矿脉的组合及富矿柱的侧伏规律,而矿脉浅部和深部的流体特征没有明显变化,指示深部和浅部成矿为同一期次流体控制,指出胶东金成矿作用与华北克拉通在早白垩世的岩石圈减薄事件有密切联系,华北克拉通东南缘大规模的岩石圈减薄、软流圈物质上涌以及壳幔相互作用,为大规模金矿化提供了物质基础 (图 8)。

图 8 胶东地区晚中生代构造演化与岩石成因模式图 (据Yang et al., 2012修改) Fig. 8 Late Mesozoic tectonic models for the tectonic evolution and petrogenesis in the Jiaodong area (modified after Yang et al., 2012)

结合我国目前最深的金属矿产探矿钻孔 (4006m) 研究,提出华北克拉通东南缘强烈的岩石圈减薄、软流圈上涌以及壳幔相互作用,为大规模金矿化提供了物质基础;壳幔相互作用形成富金属流体,强烈的深源流体活动为巨量成矿物质迁移、聚集创造条件;而且垂深4km (斜深约6km) 范围内稳定的成矿流体环境是胶东地区能够形成超大型矿床的根本原因 (Hu et al., 2013)。

7.3 全球第一大、第二大钼矿省产于中国的原因

长期以来美国中西部为全球第一大钼矿省,20世纪90年代中国秦岭钼矿省超过北美中西部钼矿省,21世纪以来内蒙-大兴安岭超过秦岭跃为全球第一大钼矿省 (图 9)。中国斑岩型钼矿床按时代划分为奥陶纪、泥盆纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪和白垩纪6个成矿期 (图 10Zeng et al., 2013, 2015),东北、燕辽、秦岭、长江中下游、华南和冈底斯6个钼矿带。斑岩钼矿床分别产于俯冲、碰撞、转换、伸展多种构造环境。Sr-Nd-Pb-Hf分析揭示斑岩型钼矿成矿斑岩多来源:既可来自俯冲带沉积物的卷入 (如安第斯,Ishihara and Qin, 2014;西藏努日,Chen et al., 2012, 2015)、古老下地壳熔融 (如内蒙车户沟、西藏沙让,Wan et al., 2009; Zhao et al., 2014), 也可来源于新生地壳的熔融 (如黑龙江岔路口, Li et al., 2014c)。我国东北部成为世界最大钼矿省的关键因素:含有多个小陆块的复合造山带、高度演化的成熟陆壳晚中生代爆发成矿、古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋、古太平洋的多次构造叠加、高分异演化岩浆、多期斑岩套合成矿,以及上述有利因素的最佳配置。

图 9 全球斑岩钼矿省分布 (据Zeng et al., 2013修改),示内蒙-大兴安岭钼矿带跃居成为世界第一大钼矿带 Fig. 9 Distribution of porphyry Mo deposit in the worldwide (modified after Zeng et al., 2013)

图 10 中国斑岩钼矿床形成时代 (据Zeng et al., 2013补充修改) Fig. 10 Main epoches of mineralizing ages in the porphyry Mo deposits in China (modified after Zeng et al., 2013)
7.4 中亚、青藏与环太平洋造山带成矿对比

全球三大成矿域 (图 11) 的优势矿床来看,环太平洋成矿域东西带均以斑岩铜矿和浅成热液金矿为特征,西带也产有一些重要的黑矿型块状硫化物矿床和Cr, Ni矿;特提斯-喜马拉雅成矿域则以斑岩铜矿、蛇绿岩套型铬铁矿、MVT型铅锌矿为特点;古亚洲成矿域则以盛产块状硫化物铜铅锌矿、斑岩铜矿和穆龙套型Au矿、地幔柱叠置造山带环境下岩浆铜镍硫化物、富碱侵入岩型矿床为特色。铜、金、银、铬、镍、铂族、稀有金属和可地浸砂岩铀矿等是中亚成矿域的优势矿种 (表 2)。

图 11 全球三大成矿域展布 Fig. 11 Global distribution of three metallogenic megaprovinces

表 2 中亚多岛海型造山带与环太平洋洋-陆俯冲型、青藏陆-陆碰撞型造山带对比 Table 2 Geological features of Archipelago orogenesis in the Central Asian Orogenic Belt, ocean-continent subduction orogenesis in the circle-Pacific rim and continent-continent collisional orogenesis in the Tibet

北疆古生代主要矿床类型、组合及其构造地质环境与东南亚新生代多岛海成矿作用具相似性 (秦克章等,1999b)。东南亚俯冲更强烈,岛弧斑岩铜-金矿规模巨大,北疆山-盆系碰撞期及碰撞期后演化更充分, 相对应的矿床也更发育,如韧性剪切带Au矿、超基性岩CuNi矿、Muruntau式Au矿、伟晶岩矿床等。由于二叠纪塔里木地幔柱对造山带的叠置 (Qin et al., 2011Su et al., 2011, 2013),中亚造山带还产出一系列铜镍硫化物矿床。

8 结语与展望 8.1 结语

(1) 我国地质构造复杂,成矿条件多样,因此矿床类型比较齐全。中国大宗矿产缺铜、少富铁矿和铝土矿、稀缺钾盐,小宗矿产中盛产REE、钨、锡、钼、锑矿;一些典型克拉通环境的前寒武纪矿床在我国并不甚发育,早前寒武纪矿床相对较少,燕山期成矿集中爆发。中国大陆的特色成矿系统大致可以归纳为:1) 元古代盛产裂谷型REE-Nb-Fe、Pb-Zn-Cu、Mg-B矿床;2) 陆陆-弧陆碰撞型造山成矿 (斑岩Cu-Mo矿与造山型金矿);3) 发育大面积低温成矿;4) 峨眉山和塔里木地幔柱型Ti-V-Fe矿和Cu-Ni矿床;5) 华南大花岗岩省多金属矿床;6) 中生代克拉通破坏与金爆发型成矿;7) 发育叠加改造成矿,陆壳循环与多类型多期次Mo矿,大兴安岭与秦岭跃居为全球第一、第二大钼矿省。这些成矿特色与我国陆块和造山带组成格局、陆壳性质与演化、多块体拼合造山格局具有密不可分的联系。

(2) 中国大地构造发展、演化,可以概括为四大阶段:1) 太古代-古元古代阶段,中朝古板块的逐渐形成,约1700Ma前固化;2) 中新元古代阶段,杨子古板块及塔里木古板块的形成,约700Ma前固化;3) 古生代阶段,古亚洲大陆的逐步形成;4) 中、新生代阶段,滨太平洋构造带和特提斯-喜马拉雅构造带的形成和发展。环绕中朝-塔里木和扬子板块的增生造山带由老到新依次形成,并镶接于古板块边缘,使中国大陆逐渐增生扩展,从而导致了火山岩、岩浆岩类、沉积岩系及有关类型大型矿床在空间上向板块边缘推移,在时间上越来越新。

前寒武纪矿床主要集中在相对稳定的中朝地台 (铁岭隆起、中条隆起、内蒙地轴、鲁东台隆) 和扬子地台 (康滇地轴) 上。前者成矿较早 (太古代至中元古代),后者成矿较晚 (早元古代至中晚元古代)。早古生代成矿作用集中在原-古特提斯洋演化相伴的祁连-昆仑-阿尔金造山带以及小兴安岭,晚古生代成矿作用则移至昆仑、内蒙-大兴安岭造山带、天山-阿尔泰造山带、康滇地轴和华南造山带。早中生代成矿作用主要集中在德尔布干地区和兴安北段,中生代成矿作用主要集中在中国东部环太平洋成矿域及受其影响的外带,包括扬子地台的下扬子拗陷带、江南地轴、康滇地轴、滇东拗陷带和浙闽沿海火山岩区,中朝地台上的辽东台隆、鲁东台隆,华南造山带、大兴安林和额尔古纳地块等,中新生代成矿作用集中在特提斯成矿域上的三江、冈底斯、班怒带。因此我国大型矿床多出现在地台边缘、增生造山带边缘和陆内断裂拗陷带边缘,它们均处在隆、拗构造衔接部位。

中国地史早期成矿作用相对较单一,随着地壳演化成矿作用和矿床类型愈来愈多样化。地史早期阶段占优势的是玄武质岩浆、海相沉积变质作用,晚期占优势的是花岗质岩浆活动和陆相沉积作用,因而分别形成与其有关的矿床类型。大型金属矿床可分六大成矿期,以中生代最重要,次为晚古生代、中元古代;整个地史中,燕山期成矿作用具有特殊的重要意义。

(3) 中国陆壳质量地台区占29.7%,其余为增生造山带区,而全球陆壳则相反,地台区占69.6%。其中华北克拉通3期重大地质事件对应3大成矿系统:新太古代陆壳巨量生长条带状铁矿 (BIF) 成矿系统;古元古代大氧化事件与Fe-P-石墨和Mg-B成矿系统;中-晚元古代的多期裂解作用与REE-Fe-Pb-Zn成矿系统。中国前寒武系岩石出露面积近80万平方千米,约占全国陆地面积的7%,且太古代连续出露面积一般小于1万平方千米;而加拿大地盾太古代连续出露面积数十万到百万平方千米。且由于中国陆壳面积地台区所占比例很小,陆壳固化时间较世界其它地台、地盾区要晚500~1000Myr,并且地壳运动频繁而又比较强烈,太古界面积甚小且支离破碎。因此难以形成北美、澳洲的BIF富铁矿床,象加拿大地盾上的太古宙-古元古代火山岩块状硫化物型巨型铜锌带在我国出现的可能性不大。加之地台比较不稳定,导致长期隆起剥蚀和长期稳定海盆聚矿条件不理想。因此不具备形成象中元古代中非铜带那样的稳定海盆聚矿环境,因此难以找到与中、新元古代克拉通裂谷有关的扎伊尔-赞比亚巨型规模的铜矿。

(4) 中亚地区以古生代多陆块拼合造山、中新生代陆内造山与山盆体系构成独特的地质构造格局。中亚成矿域既发育增生造山阶段的弧环境相关矿床 (蛇绿岩型铬铁矿、斑岩铜矿、VMS),也发育与碰撞造山 (造山型金矿、石棉、滑石、白云母)、二叠纪地幔柱对造山带叠置环境下的岩浆铜镍钴矿床和后碰撞陆内岩石圈伸展相关的大陆环境矿床 (斑岩钼矿、热液金矿、伟晶岩稀有金属矿、砂岩铀矿、盆地钾盐)。

(5) 早古生代原特提斯、晚古生代古特提斯、中生代新特提斯洋的长期和复杂的演化以及板块碰撞和陆内变形孕育了丰富多样的矿产资源,发育多条古生代-早中生代时期的蛇绿混杂岩带、弧火山岩和多种花岗岩带,祁连山发现铜、铅、锌、铬、钨、铁、金、钴、锰等许多重要金属矿产;东昆仑地区蕴含巨大的金、钴、铜、镍、钨、钼等多金属资源,具有多种矿床组合。冈底斯既产有俯冲阶段的雄村斑岩铜金矿床 (中侏罗世),还产有主碰撞期的沙让斑岩钼矿和亚圭拉铅锌矿床,尤以晚碰撞阶段中新世的驱龙、甲玛巨型斑岩-矽卡岩型铜钼矿床最具特色。青藏高原成矿条件优越,具有多期成矿作用、多矿种和多类型的复合成矿系统特点。复合造山在昆仑山表现得特别明显,早古生代与晚古生代 (原特提斯与古特提斯) 两期,三江则表现为三叠纪与晚中生代两期成矿叠加。羌塘南缘复杂增生的成熟陆缘弧,是我国最具潜力的斑岩铜矿远景区,成矿条件可与安第斯巨型铜矿带项媲美。

(6) 伴随晚中生代克拉通性质的根本转变及岩石圈明显的减薄过程与破坏,在克拉通周缘发生大规模的岩浆活动和强烈的金、铜、钼和轻稀土等成矿作用。加之不同时期的造山带干涉叠加,东部地区与花岗岩有关的钨、锡、钼矿是我国最大成矿特色,叠加改造成矿、大器晚成成矿特色鲜明,相应还会有新的发现。需要指出的是,碳酸盐岩在我国较发育,占沉积岩出露面积的55%,中国矽卡岩矿床 (Cu、Fe、Mo、Pb-Zn、W、Sn) 较世界其它地区占有比例大。对其富集机理的揭示必将对世界地球科学做出新的贡献。

8.2 前沿科学问题展望

我国的青藏碰撞造山带、天山-兴蒙增生造山带、东部环太平洋活动陆缘、华北克拉通、华南花岗岩区、扬子边缘等关键的地质构造单元和成矿区带,为开展大陆演化、造山带特色成矿与当代矿产资源的研究提供了天然的实验室。中国大陆小陆块拼合造山成矿还存在诸多未解之谜,有待于立足于中国大陆 (小陆块与不同时期、不同性质的造山带) 矿床时空分布基本事实与成矿特色、从全球对比及国际科学前沿、从国家需求与地球系统科学整体发展来深入梳理关键科学问题,提炼多块体拼合造山、地壳演化与成矿学科前沿的重大科学问题和前沿问题,值得注意的若干问题与趋势,体现在板块构造登陆与碰撞造山成矿、克拉通改造乃至破坏与陆内成矿问题、超大陆演化与成矿、成矿事件与重大地质事件的关联、深部过程、壳幔作用与成矿、中国大陆的形成过程与特色成矿、重要成矿带、矿集区控矿因素的最佳配置、矿田尺度大型成矿系统深浅部结构、特色成矿系统和成矿过程的精细刻画等方面。

中国大陆小陆块拼贴造山与特色成矿中的前沿科学问题主要有:

(1) 造山带演化阶段与矿床类型组合的时空耦合关系。

(2) 古弧盆体系的鉴别及其中VMS-斑岩-浅成低温矿床的保存条件。

(3) 巨型造山带对比与跨国成矿带链接问题 (大矿是否能过国界?),造山带与主要成矿区带的宏观地质格架不清、地质演化历史不明、与成矿有关的深部作用以及对浅部的控制作用不清是制约我们认识中亚造山带矿产资源潜力的关键科学问题。

(4) 复合型造山带 (如原-古-新特提斯造山带、中亚造山带东段) 的叠合成矿作用。

(5) 增生型与碰撞型造山带的深部过程异同与成矿作用样式。

(6) 平坦俯冲的识别与长期活动成熟弧的圈定,将优化超大型斑岩铜矿的选区。

(7) 幔壳循环、基底性质 (地壳-地幔,洋壳-陆壳,古老陆壳-新生地壳) 对金属组合的控制。

(8) 克拉通与造山带背景下的地幔柱成矿效应。

(9) 造山带与克拉通、陆壳再造成矿作用对比。

(10) 华南花岗岩省地壳成熟度与世界级钨锡矿床的形成。

(11) 中国东部中生代宽阔火山岩省的形成与成矿。

(12) 世界第一、第二大钼矿省 (内蒙-大兴安岭、秦岭) 为何产在我国?

(13) 矿产分布的不均匀性:元素超常富集与超大型矿床的成因。

(14) 重要成矿省 (华北、扬子克拉通、兴-蒙-天山、秦-祁-昆、三江-青藏造山带等) 的深部结构与成矿制约。

(15) 如何把造山带不同构造单元区域成矿模式的研究和区域找矿模型的建立有机结合起来。

(16) 主要矿床类型与大型成矿系统的综合辨识体系和预测标志的建立与完善,实现从二维预测全面拓展到三维定量成矿预测。

致谢 相关研究与思考中,曾与陈毓川先生、翟裕生先生、裴荣富先生、常印佛先生、汤中立先生、多吉先生、肖序常先生、钟大赉先生、叶天竺先生、张旗先生、吴福元院士、李献华、范宏瑞、张连昌、申萍、李锦轶、王涛、林伟、徐兴旺、王强、张金带、吕志成、王玉往、祝新友、李晓峰、庞振山研究员和周美夫、孙景贵、周涛发、徐备、周建波、韩宝福教授等同仁讨论,获益良多;在本文写作与修改研讨过程中,孙卫东、侯增谦、胡瑞忠、毛景文、郭进义、陈华勇、王焰、宋谢炎、钟宏、梁华英、许德如研究员,陈衍景、蒋少涌、李建威、刘家军、杨晓勇教授等提出了许多宝贵的建议;陈衍景教授等审阅初稿提出重要的修改建议。在此一并致以诚挚的谢意!
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