河南花岗岩及其与成矿关系研究——透岩浆流体成矿理论与河南钼矿成矿作用

2017-01-16

花岗岩是地球上分布最广泛的岩石之一。由于内生金属矿产在时空分布上与花岗岩具有广泛的一致性，因此花岗岩及其成矿作用研究一直倍受矿床界关注。河南花岗岩不仅分布广，且类型全，世界上不同成因类型的花岗岩在河南均有发育。河南花岗岩与板块构造演化关系密切，很好地揭示和反演了不同地质时期的板块构造演化历史，不仅在中国独具特色，在世界造山带中也十分罕见。河南省与花岗岩有关的成矿作用十分强烈，主要有钼（钨）、金、铜多金属矿产，规模巨大，储量及产量均居全国及世界前列，使得河南及东秦岭成为中国重要的有色金属、贵金属成矿带和科学研究基地。

“河南省花岗岩与成矿作用-透岩浆流体成矿理论体系与河南省钼矿成矿作用”是河南省国土资源管理部门结合河南实际设立的重点科技攻关项目。项目以复杂地球系统理论为指导思想，以“小岩体成大矿”为研究基础，研究了河南省花岗岩的年代学、岩石成因及与构造演化的关系，以全新的视角探讨了以钼为主的多金属矿床的物质组成、成矿流体性质和成矿时代，阐述了成岩成矿物质来源、成岩成矿的深部过程及其对浅表成矿的制约，进一步探索了大陆成矿理论，创立了“透岩浆流体成矿理论”，合理地解释了河南钼矿床成因及其与中酸性岩浆活动的关系。项目实施期间共出版专著1部，在国内外21次学术会议及主要核心期刊和SCI检索杂志上发表学术论文47篇，培养博士生2名、硕士生3名及一批中青年技术骨干，在中科院地质与地球物理研究所、中科院地球化学研究所、中国科技大学、河南理工大学等10余家高校、科研、地勘单位作学术报告数十场。项目由河南省国土资源科学研究院卢欣祥教授级高工负责和承担，中国地质大学（北京）和中国科技大学协作完成，主要完成人有卢欣祥、罗照华、黄凡、谷德敏、李明立、杨晓勇、祝朝辉、董有、杨宗锋、黄丹峰、梁涛、王涛、张震、高源。该项目取得的主要成果有以下6点。

一、全面系统地对河南省花岗岩的岩石类型、时空分布进行了研究，对花岗岩的成因和构造环境进行了划分，提出拉张-挤压-拉张的造山带构造岩浆演化模式

河南及东秦岭花岗岩分布时间长，从太古宙到中生代都有分布，可以划分为7个岩浆期，而且类型齐全，世界上的花岗岩类型在这里均有发育（卢欣祥等，1996年、2000年、2007年、2012年）。河南及东秦岭花岗岩的时空分布与板块构造关系十分密切，揭示和反演出秦岭在不同地质时期受控于不同的构造体制，是秦岭造山带形成和演化的记录。从早到晚反映了伸展拉张（早、中元古代）-俯冲碰撞（晚元古代-早中生代）-伸展抬升（中生代）的构造演化过程。早中元古代的裂谷拉张环境下A型花岗岩的出现，记录了太古代到早元古代已完全克拉通化的华北陆块的最早的裂解过程及其被动大陆边缘的性质。晋宁-加里东-海西-印支期的俯冲碰撞型花岗岩则保留了秦岭造山带进入板块构造体制演化阶段的全部过程。中生代花岗岩是陆内环境下，由于岩石圈拆沉和基性岩浆底侵作用等形成的。该项目根据花岗岩的构造演化特征，总结提出了拉张-挤压-拉张的造山带的构造岩浆演化规律，具有重要的理论意义和创新性。从地质事件的时间链出发，通过岩石成因研究，详细探讨岩浆成分与源区成分之间的热力学联系，并结合花岗质岩石的时空分布特征，探索区域岩石圈-软流圈物质结构和构造演化过程，从而建立起区域成岩成矿作用的动力学体系，达到为区域找矿提供基础研究服务的目标。

二、对岩浆与岩浆成矿系统进行了重新定义

岩浆一般认为是可活动的岩石物质，含或不含少量悬浮固体和（或）挥发分。由此，岩浆往往被理解为初始含有少量挥发分的熔体，在实验岩石学中尤其如此。当这种概念应用于内生金属成矿学中，导致了严重的结构性矛盾。一方面，流行的岩浆热液成矿理论强调岩浆分异对成矿金属的控制作用；另一方面，地质学、岩石学、矿物学观察表明致矿岩浆没有经历显著的分异作用，突出表现为致矿斑岩体往往含有暗色微粒包体和复杂的重矿物（如锆石）组合（罗照华等，2011年）。这不符合吉布斯相律和鲍文火成岩理论的基本原理，因为分异作用会导致单矿物岩（如斜长岩、纯橄榄岩）的产生。据此，习惯上的岩浆定义的合理性受到质疑。

该项目从热力学和流变学两个不同角度同时考察了水含量对岩浆上升速率的影响，对岩浆进行了重新定义（罗照华等，2007年，2014年）。认为岩浆为由熔体、流体和固体等三种端元子系统组成的复杂性动力系统，它们两两结合构成熔体-固体、熔体-流体和流体-岩石相互作用等3个二元系，分别相当于传统地质学理论中的岩浆系统、岩浆成矿系统和水-岩相互作用系统。该项成果具有重要的理论意义，为项目的完成奠定了理论基础。

三、系统提出了透岩浆流体成矿过程并阐明了其与内生金属成矿作用的关系

基于新的岩浆定义，认为岩浆系统和流体系统是相互独立的地质子系统。流体需要岩浆好似钻孔冷却用水需要泥浆，以防浅部地壳构造裂隙太发育而导致含矿流体散失；岩浆需要流体恰如泥石流的发生需要水，以便有效降低岩浆黏度，使其可以快速运动，始终作好含矿流体的“护花使者”；成矿过程类似于浮选工艺，“正浮选”将成矿金属携出岩浆体外，“反浮选”将成矿金属堆积于岩浆体内。

为了尊重前人的研究成果，项目援引了透岩浆流体（transmagmatic fluid）这一术语，将透岩浆流体重定义为透过岩浆活动并导致岩浆系统行为发生非线性变化的外来的非岩浆流体。基于流体中成矿金属溶解度与温度和压力正相关的高温高压实验结果（如Loucks and Mavrogenes，1999年），得出含矿流体必须快速上升的认识；基于晶体分数可强烈制约岩浆黏度（Caricchi et al.，2007年），而后者又强烈约束流体-岩浆相互作用的机制（如Burgisser et al.，2005年），提出流体-岩浆强相互作用是岩浆成矿的先决条件（罗照华等，2009年；罗照华，2011年）以及冻结岩浆的流体活化机制（罗照华等，2010年）；基于成矿金属在熔体、水流体、蒸气之间的分配实验（Simon et al.，2005年），认识到流体相分离是主要成矿机制，提出大规模成矿作用必然发生在浅部地壳（有利于流体相分离和排出贫矿蒸气）和浮选机制（罗照华等，2009年）；基于推导的透岩浆流体成矿原理及成矿系统（翟裕生，1999年）和成矿系列（程裕淇、陈毓川等，1978年）的概念，构建了透岩浆流体成矿体系（罗照华等，2008年）；基于成矿金属和熔体来源的同一性和差异性，合理解释了火成岩成矿专属性（如Cu-Ni硫化物矿床，熔体和成矿金属均来自地幔）和非专属性（如斑岩型Cu-Au矿床，金属来自地幔而熔体来自地壳）。

 四、初步构建了利用定量化结构分析进行成矿预测的方法

本项目首次使用火成岩的定量化结构分析的理论和方法，针对河南方城尚古寺花岗斑岩及其顶部伟晶岩带，进行了系统的定量化结构分析和配套的地球化学分析，有效地揭示了尚古寺岩体的成岩成矿过程，证实了定量化结构分析对于成矿过程再造的有效性。该方法尝试和探索了花岗岩地质体在空间尺度上的结构特征与矿物学、岩石学和地球化学的定量联系，提供了一种新的研究思路和方法（杨宗锋，2013年）等。

将定量化结构分析方法用于成矿预测的基本依据是挥发分流体可以大幅降低岩浆的黏度、大幅度增加岩浆中组分的扩散速率、明显改变岩浆结晶条件的内部波动性，因而火成岩的组构和组构梯度明显不同于理想岩浆系统（罗照华等，2010年）。因此，利用火成岩组构特征可有效证实成矿作用的发生，并预测成矿作用的大致深度。后来在新疆莫阿特勘查区、四川攀枝花铁矿、河北武安铁矿，均收到了良好效果。

五、提出成岩作用和成矿作用呈双层结构，二者具有本质的区别及小岩浆大流体成大矿等认识

成岩成矿呈双层结构（卢欣祥等，2008年、2010年），岩浆和成矿流体分属于两个独立的系统，花岗岩岩浆来源于地壳，成矿流体来源于地幔或深部，并且得到同位素示踪（卢欣祥等，2005年）及地球物理探测（李廷栋，2008年）的证明，二者属于不同的源区。成矿流体借助岩浆开辟的通道向上运移，当遇到不同的物理、化学边界层或是减压环境时，二者便会解耦，流体中的成矿物质发生卸载而沉淀成矿。所以，岩浆和流体的耦合和解耦是成矿的根本机制。发现小岩体(0.01-1Km²)成矿的一般都是以接触带为中心分别向岩体和围岩进行扩散，而不是以岩体为中心向外扩散。岩体中心常有无矿核并且成矿和热液蚀变不以岩体为中心，二者是偏离的。同时还发现成矿流体倒灌入岩体的现象（如南泥湖-三道庄钼矿），显然同岩浆热液成矿理论完全相悖。上述特征证明成岩作用和成矿作用有本质的区别

河南及秦岭地区发生的斑岩、爆破角砾岩有近200余个，但是真正成矿的却是少数，尤其是成大矿的更少，全区也只有10个左右。成矿的小岩体都伴有大规模的热液蚀变现象，热液蚀变的范围是岩体的几十、几百、甚至上千倍，二者极不相称，质量平衡计算更说明岩浆没有提供那么多金属的能力（黄凡等，2010年），一定是外来流体参与了成矿作用。由于小斑岩是缺水或无水的，才能快速上升到地表，富水岩浆是无法上升的。其机理与金伯利岩上升机理是一致的。小岩体是成矿的先决条件，但不是必要条件，小岩体能否成矿，视流体的有无与多少，只有小岩浆遇上大流体才能成大矿，小岩浆大流体成大矿，小流体成小矿，无流体不成矿（卢欣祥等，2008年、2010年），这就是小岩浆大流体成大矿理论。这些成果也是该项目亮点和创新，并得到学者们的认可。

六、提出内生钼矿成因类型较完整系统划分方案

河南省钼矿从元古宙开始到中生代结束，可分为7个成矿期：古元古代、晚元古代、古生代、印支期、燕山早、燕山中、燕山晚期，与秦岭构造岩浆活动期完全一致。在同一个地区或造山带成矿时代之早、延续之长在世界实属罕见。该区钼矿化可划分成5个类型(斑岩型、伟晶岩型、构造蚀变带型、石英脉型、萤石-辉钼矿型)、7个亚型（斑岩型分斑岩亚型、斑岩-爆破角砾岩亚型、斑岩-矽卡岩亚型；石英脉型分石英脉亚型、石英-碳酸岩脉亚型）和十个矿床式。在全国内生钼矿中也是仅有的（卢欣祥等，2008年，2010年）。这个分类方案基本包括了中国内生钼矿的所有成因类型，其中幔源石英-碳酸岩型，伟晶岩型和萤石-辉钼矿型为该区所特有。

该项目的研究从一开始就是瞄准国际前缘领域，研究方法上力求建立结构（即地质结构、岩石结构、矿物结构和数据结构）可控的地质解释。对河南和东秦岭地区的花岗岩与成矿关系进行了系统全面的总结，编制了河南秦岭-大别山及邻区钼矿分布规律图，划分了内生钼矿类型，提出了透岩浆流体成矿理论和小岩体与大岩体分属不同演化体系的认识，提出成岩、成矿为两个独立的系统，岩浆和流体耦合与解耦是内生金属矿床成矿的基本机理，提出小岩浆大流体成大矿、成岩成矿呈双层结构等新认识。这些成果具有较强的探索性和创新性，并具有重要的理论和实际意义。