成矿系统模式

成矿系统的结构、功能和层次划分~

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。

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。

（一）矿床结构模式

泽当铜多金属成矿系统由早期大气降水次火山热液成矿阶段形成层矽卡岩型矿床和晚 期斑岩岩浆热液成矿阶段形成斑岩型矿床组成（闫学义等，2010a，b），其矿床结构模式 如图4-8所示：

层矽卡岩型矿床不具备海底热水喷流沉积成因——块状硫化物型矿床的“二元结构”（即下部脉状-网脉状-浸染状到上部层状块状矿石，李红阳等，2006），但矿化蚀变具有 分带现象：中心地段铜钼钨矿体伴有厚层块状石榴子石（棕褐色）矽卡岩化，边缘地段铜（金 银）矿体伴随出现层纹条带状石榴子石（草黄绿色）矽卡岩化和硅灰石-硬石膏化。斑岩 型矿床上部出现热液角砾岩（筒）型矿体，下部出现细脉状-浸染状矿体，自上而下出现泥化、似千枚岩化、黄铁绢英岩化和石英-钾长石化带。

图4-8 走滑型陆缘构造-成矿系统矿床结构模式图

（二）矿床成因（演化）模式

根据区内矿床形成时间、成矿构造机制、成矿物质来源、成矿流体、矿床类型、矿液 运移通道等综合研究分析，我们总结并建立了山南走滑型陆缘构造成矿系统的成因模式（图 4-9）。模式要点：一是统一于冈底斯地区陆缘断裂走滑构造体系；二是先后形成于冈底 斯成矿带的层矽卡岩型、斑岩型矿床，分别受控于拉分型和推闭型两类不同的转换构造； 三是层矽卡岩型、斑岩型矿床具有共同的深源（造山带上地幔-下地壳断裂）成矿物质； 四是层矽卡岩型-斑岩型矿床组合形成时间基本同期（喜马拉雅期）但不同阶段（68～40 Ma和30～23 Ma）。分析如下：

1）成矿时间上，层矽卡岩型矿床开始形成于K₂-E₁，即雅鲁藏布江新特提斯洋向北 东低角度快速斜冲消减阶段、K₂—Ed旦师庭组潜火山活动期后，同位素年龄区间为68～40.3 Ma；晚期以钾长花岗岩、石英闪长（玢）岩为代表的斑岩成矿和斑岩热液叠加型矿 化年龄分别为30.26，23.77 Ma。

2）控矿的转换构造型式上，层矽卡岩型矿体受控于拉分型转换构造：层间滑脱型剥 离断层，构造动力来自印度大陆边缘NWW向走滑断裂作左旋滑动作用（形成缝合带蛇绿 岩中雁列式裂隙-充填方解石脉并切割早期显示右旋走滑的斜列透镜体）；斑岩型矿体受 控于推闭型转换构造：断坡引张型逆冲断层，构造动力来自欧亚大陆边缘NEE向走滑断 裂左旋滑动作用。即两者的构造动力先后来自NWW和NEE向两组不同方向陆缘走滑断 裂的剪切力，成矿的能量供应得益于走滑断裂端部的构造转换作用，成矿的堆积场所受控 于构造转换的拉张作用。斑岩型矿床的成矿圈闭（侯增谦，2004）则受控于转换构造带的 推闭作用。

图4-9 走滑型陆缘构造—成矿系统演化模式图（据闫学义等，2010a，b，有修改）

3）成矿物质上，可能与陆缘走滑转换构造带快速斜冲的玄武质洋壳板片熔融或拆沉 的下地壳被地幔加热后再熔融有关，但发生在印度板块快速斜冲和主动碰撞的两个不同阶 段。区内比马组为一套火山-沉积岩系，其中安山岩类火山岩早期属于钙碱性岩系列，具 安第斯陆缘弧火山岩特征，晚期具高Sr质量分数，高AI质量分数，高w（La）/w（Yb）和低Yb质量分数，低Y质量分数的地球化学特征（朱弟成等，2006）。由于现代人们 通过海底直接观察证实海水下渗在岩石中形成环流可搬运大量成矿物质——形成热水沉 积矿床，因此我们也有理由推测：剥离断层带环流热水（包括可能含矿的潜火山热液）从下部片理化安山岩（初始矿源层）中淋滤出Cu，Au矿质的同时与钙质围岩交代（充 填）形成层矽卡岩型铜金矿的层纹条带状矿石（如明则东矿段），下白垩统比马组片理 化安山岩（20件）平均Cu质量分数29.4×10^-6及Au质量分数1.7×10^-9，与未片理化 块状安山岩（10件平均Cu质量分数37.2×10^-6及Au质量分数10.1×10^-9）相比明显 亏损，表明剥离断层带下部片理化过程中发生了Cu，Au矿质的迁移。由于颈相潜安山岩（4件）平均Cu质量分数349×10^-6，其边缘相或通道壁气孔杏仁状潜安山岩（4件）矿质元素平均质量分数为：Cu 150.9×10^-6，Au 37.6×10^-9，Mo 49.2×10^-6，W 65.5×10^-6，明显高于其他岩类和地壳克拉克值，说明安山质潜火山岩侵入过程也提 供了部分Cu，Au，W，Mo矿质。换句话说，层矽卡岩型矿床物质主要来自K₂—E含矿（Cu，Au，W，Mo）潜火山热液活动期间环流热水淋滤剥离断层系统内片理化安山岩 中的Cu，Au，W，Mo矿质，其次来自后期Cu、Mo矿化闪长岩（E₃δo）和含矿（Cu，Mo，W）钾长花岗岩的侵入岩浆热液叠加，其中矿质元素平均质量分数：闪长岩（5件），Cu 3167.5×10^-6，Au 40.5×10^-9，W 445.9×10^-6，Mo 120.8×10^-6）；钾长花岗岩（3件），Cu 302.0×10^-6，Au 30.1×10^-9，W 69.1×10^-6，Mo 354.3×10^-6），明显高于地壳克 拉克值。斑岩型矿床物质可能直接来自拆沉的下地壳被地幔加热后再熔融岩浆：因为明则 含矿钾长花岗岩（E₃ξγ）体中可见角砾状安山玄武质暗色包体，而且该含矿花岗岩和努日 Cu，Mo矿化闪长岩（E₃δo）都具有深源（下地壳-上地幔）岩浆地球化学特征，其中 钾长花岗岩SiO₂质量分数69.38％～71.77％（≥56％），MgO质量分数0.85％～0.87％（＜3％），Y质量分数10.2％～13.5％（≤18％），Yb质量分数1.35％～1.6％（≤1.9％），w（Sr）/w（Y）30.1％～38.6％（≥20％），w（La）/w（Yb）32.9％～120％（≥10％）。根据Pb同位素对矿石中金属矿物的来源示踪分析，黄铜矿、黄铁矿和层矽卡岩型钨钼铜 金矿石与安山岩-次安山岩、石英闪长岩等围岩较为接近（图4-10），都具有地幔-造山 带的物质来源特征，其中黄铜矿（2件）、黄铁矿（3件）。w（²⁰⁶Pb）/w（204Pb）值范围 为18.346～18.587，平均值18.499；w（²⁰⁷Pb）/w（²⁰⁴Pb）值范围为15.555～15.604，平 均值15.607；w（²⁰⁸Pb）/w（²⁰⁴Pb）值范围为38.449～39.051，平均值38.732；表面年龄 值范围为34.1～211 Ma，平均值110.5 Ma。稀土配分模式也基本相似（图4-11），表现 为平缓的右倾型，轻稀土相对富集，重稀土相对淋滤而亏损；浸染状钨钼铜矿石、条带状 铜金矿石同安山岩—次安山岩、石英闪长岩具有较小的负铕异常，脉状富铜矿石同萤石-硅灰石-方解石透镜体具有较明显的正铕异常，两者分别显示了物质来源与热液成因上的 密切关系。

图4-10 层矽卡岩型钨铜钼矿石和铁铜矿物及相关侵入岩的铅同位素

图4-11 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图（据闫学义等，2010a，b）

4）成矿流体上，层矽卡岩型矿床属于大气降水潜火山热液成矿系统，成矿流体中存 在大量的大气降水-H₂O（方解石质量分数（1729.0～2824.68）×10^-6，石英质量分 数（137.32～2716.47）×10^-6，硅灰石质量分数3284.6×10^-6，石榴子石质量分数（263.57～430.4）×10^-6，硬石膏质量分数236.52×10^-6）。由于角砾岩筒型矿体与 K₂—E旦师庭组中通道相潜火山岩彼此相伴，因此推测其成矿热源与潜火山作用有关或直 接来自岩浆深盆地流体库；沿着剥离断层带下流（淋）的大气降水在深部热动力驱动下形 成热水向上迁移并不断环流和发生矿物质沉淀。层矽卡岩型矿石中矿物爆裂温度为石英、石榴子石100～500℃；硅灰石、方解石、硬石膏100～350℃。在努日南矿段晚期叠加 型含铜石英细脉中“包裹体为原生的气-液包裹体，大小4～10μm，w（V）/w（L）为 10％，均一温度在232～276℃之间，相应的盐度为4.2％～6.5％（NaCl_eq），为“中低温 低盐度成矿流体”（李光明等，2006）。斑岩型矿床属于斑岩成矿系统，成矿流体以岩浆 热液为主（但地表泥化带则表明大气降水参与了热液双对流），与高硅富碱的钾长花岗岩 关系密切。为了进一步研究流体的来源，挑选了层矽卡岩中的石榴子石和石英脉中的石英 颗粒进行了氢氧同位素测试（图4-12）。从图4-12可以看出，早期的矽卡岩矿物石榴子 石和后期的石英相比更靠近岩浆水的分布范围，只是在δD上有所差别，这也进一步说明 了形成早期矽卡岩的流体并不是完全的深部流体，可能已经和大气水发生了一定比例的混 合；而后期形成的石英更是明显向大气水发生了“飘移”，这也进一步说明随着流体的上 升，大气水在成矿流体中所占的比例也在逐步增加。因此，综合流体包裹体与氢氧同位素 的特征，更进一步说明了成矿流体在最初层状矽卡岩化时已经与大气水发生了混合，但比 例可能较小；随着上升运移和条件的改变，流体又发生了沸腾，同时也混入了更多的大气 水，形成了矿区内分布最广泛的低温、低盐度的气液两相包裹体。

图4-12 努日矿区氢氧同位素特征

5）成矿流体通道上，层矽卡岩型矿床主要为NWW向走滑断裂控制下的NEE向剥离 断层构造带和中心式角砾岩筒或古火山通道；斑岩型矿床则为NEE向走滑断裂控制下的 NWW向逆冲断层带局部引张构造，由于大陆碰撞作用，地壳岩石圈浅层次挤压加厚与深 层次拉张减薄，加上NEE向走滑断裂深切进入软流圈促使软流圈上涌、下地壳物质部分 熔融，造成含矿岩浆沿着走滑断裂端部转换构造带的局部引张部位入侵成矿。

6）矿床类型与矿化分带上，层矽卡岩型矿床为大气降水次火山热液环流交代成因，可划分角砾岩筒型铜矿、厚层块状矽卡岩型钨钼铜矿、层纹-条带状矽卡岩型铜（金银）矿等工业类型，内带为W-Mo、外带Cu-Au-Ag；斑岩型矿床与浅成斑岩热液直接相关，可划分细脉-浸染型钼（钨铜）矿、（热液角砾岩）脉型富钼矿等工业类型，上部Cu，下 部W-Mo。

7）矿物生成顺序上，纹层-条带状矽卡岩型铜（金银）矿矿石和脉石矿物主要形成于早期（68～40 Ma）阶段，厚层块状矽卡岩型钨钼铜矿矿物主要形成于晚期（30～23 Ma）阶段（图4-13）。

（三）找矿模式

通过总结典型矿床描述性模式和成矿系统的结构模式、演化模式，研究已有矿床的发 现史和矿床赋存的地质、地球化学、地球物理等基本要素和找矿过程中具特殊意义的地、物、化、遥等多元信息而提出的找矿综合标志和程序性设想，我们把泽当矿田斑岩型-层 矽卡岩型铜多金属矿床地质找矿模式综合于表4-1。

图4-13 层矽卡岩型铜多金属矿床矿物生成顺序

表4-1 泽当矿田斑岩型-层矽卡岩型铜多金属矿床综合信息找矿模式表

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