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陆壳再造与大规模岩浆活动造就华夏地块的巨量金属矿床——973计划项目“华夏地块中生代陆壳再造与巨量金属成矿”取得重要进展

2017-04-28

陆壳再造是大陆地质演化中一个十分重要的地质现象,它包括大陆地壳的结构重建和成分重组地质过程。我国华南地区在地质上是由扬子地块和华夏地块组成的,其中扬子地块具有克拉通性质,而华夏地块则发育独具特色的面型陆内造山带,经历了多期复杂的陆内构造、变质和岩浆作用,发生了强烈的地壳成分重组和结构重建,形成了全球罕见的巨量有色稀有金属矿产资源。因此,华夏地块的陆壳再造过程、大规模岩浆活动及其与该区金属矿床的形成关系是国内外十分关注的一个重要科学问题。973计划项目“华夏地块中生代陆壳再造与巨量金属成矿”以华夏地块“南岭成矿带”“武夷成矿带”和“钦杭成矿带”为重点研究地区,选取典型矿集区及区内有色稀有多金属矿床,以不同类型花岗岩成因及成矿专属性为主线,围绕“陆壳再造过程中的构造-岩浆活动与巨量金属成矿机理”这一关键科学问题开展研究工作,主要研究内容包括:(1)华夏地块陆壳再造过程、花岗岩时空演化与壳幔作用;(2)陆壳再造过程中元素迁移富集机理、成矿专属性与典型矿床成矿作用;(3)华夏地块有色稀有多金属矿床成矿规律。项目共设立6个课题,分别是:中生代陆壳再造的背景与过程;中生代花岗岩成因与成矿能力;陆壳再造过程中元素行为与热液成矿; “改造型”花岗岩钨锡稀有金属成矿作用;“同熔型”花岗岩铜铅锌多金属成矿作用;华夏地块巨量金属成矿规律。

该项目于2012年1月正式启动,2016年8月完成。项目承担单位为南京大学,主要参加单位有中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院广州地球化学研究所、中国地质科学院矿产资源所、中国科学院地球化学研究所、中国地质大学(武汉)。项目首席科学家为长江学者、国家杰出青年基金获得者蒋少涌教授。项目团队骨干成员包括蒋少涌、徐夕生、杨进辉、孙卫东、丰成友、李晓峰等。项目执行以来,己在Earth and Planetary Science LettersGeochimica et Cosmochimica ActaScientific Reports等学术期刊上发表SCI学术论文210多篇,培养博士研究生30余人、硕士研究生50余人。项目执行期间,团队成员中1人获国家杰出青年基金资助,4人获国家优秀青年基金资助。

一、建立和完善了多种新的地球化学分析测试技术,为矿床学研究提供了“利器”

近年来,新的地球化学分析测试技术方法的建立和应用极大地推动了整个地球科学的发展和进步。在矿产资源研究领域,如何精确获得矿床的成矿年龄一直是国际矿床学界的一大难题。许多金属矿床因缺乏合适的测试矿物,无法采用传统的同位素年代学方法进行成矿年龄测定。针对这一难题,项目组成员积极攻关,把金属矿物(闪锌矿、锡石、黑钨矿等)流体包裹体40Ar-39Ar同位素定年作为特色技术,自主研发,不断深化改进提取流体包裹体装置。目前,该套提取装置能够有效提取>2μm的流体包裹体,且可区分次生、原生包裹体,甚至可以分别获得次生、原生包裹体两条等时线。为了验证该方法的有效性,对赣南钨锡矿床中的黑钨矿和锡石开展了流体包裹体40Ar-39Ar同位素定年,获得成矿年龄为160153 Ma。与通过白云母激光阶段加热40Ar-39Ar坪年龄一致,并得到辉钼矿Re-Os年龄和花岗岩锆石U-Pb年龄的支持。同时,还能获得次生流体包裹体的年龄。这些年龄数据充分证明流体包裹体40Ar-39Ar年龄数据的可靠性,使流体包裹体40Ar-39Ar定年技术走向成熟。

建立了黑钨矿LA-ICP-MS 原位U-Pb定年技术,获得了赣南三个典型矿床的精确成矿年龄。此外,还建立了铌铁矿和钽铁矿LA-ICP-MS 原位U-Pb定年技术,高铀锆石LA-ICP-MS 原位U-Pb定年技术等。这些技术方法的创建,解决了过去许多金属矿床因缺乏合适的测试矿物而无法采用传统的同位素年代学方法进行成矿年龄测定的难题。

建立和完善了多种同位素示踪技术,并成功应用于成岩成矿作用研究中,如锆石Li同位素SIMS微区原位分析技术、电气石B同位素LA-MC-ICP-MS微区原位分析技术、流体样品的B-Cl-Br-S同位素MC-ICP-MS分析技术。

前人对成矿流体的显微测温工作主要是通过测试石英和方解石等透明的脉石矿物来进行,如果这些脉石矿物与矿石矿物具有不同的形成期次的话,则对它们的测试结果并不能完全代表矿石矿物的形成条件。为此,项目组在前期基础上,建立和完善了金属矿物流体包裹体红外显微测温技术,该技术解决了对不透明的金属矿物的测温问题,可以直接获得矿石矿物从热液中沉淀时的温度、压力、盐度等条件。利用这一技术,项目组对赣南钨成矿带中黑钨矿和石英进行了流体包裹体观察和显微测温研究。表明赣南石英脉型钨矿的黑钨矿和伴生的脉石矿物石英具有不同的流体成分,经历了不同的流体演化过程。

二、提出富含成矿元素的基底物质及其多次再造是华夏地块中生代巨量金属成矿的基础

项目发现华夏地块最古老的物质为约41亿年的锆石,其中一颗锆石具已知地球锆石最老的变质边(40.7亿年),该变质边稍高的δ18O组成,说明早期地壳就已存在与现代变质作用类似的流体作用。通过对江南造山带新元古代多种类型岩石的综合研究,探讨了该区的板块构造属性及演化过程,进一步厘定了华夏地块与扬子地块发生碰撞的时限。通过运动学研究确定了扬子与华夏拼合带的运动学动向。华夏地块加里东期存在强烈的地壳增生与再造,其构造-岩浆事件具陆内造山性质。华夏地块早古生代和早中生代的花岗岩体呈面型分布规律,主要来源于早-中元古代基底岩石的部分熔融。在早古生代和晚古生代期间,华南处在稳定的浅海-斜坡相(震旦纪-早古生代)和滨海-浅海相沉积环境(晚古生代)。早古生代和早中生代两期强烈的构造-岩浆事件,属于同构造期岩浆活动,与陆内造山紧密相关。华南陆块早古生代造山事件是一次陆内造山,同期的岩浆活动(4.43.9亿年)以酸性为主,并伴随有少量的中-基性岩浆。前人的研究认为华南早古生代花岗岩主要为过铝质的S型花岗岩,而含角闪石的I型花岗岩仅为零星出露。然而,项目组通过对早古生代花岗岩研究的总结归纳,发现有相当数量的早古生代花岗岩同时具有S型和I型的地球化学特征。

南岭地区成矿花岗岩主要是由下地壳古元古代基底物质部分熔融形成,并且在岩浆上升过程中经历了大量的变质沉积岩混染。沉积岩的加入使母岩浆中钨、锡、锰、铝含量增加,并且岩浆的分离结晶作用使成矿元素进一步富集。岩浆演化晚期流体加入并且高度溶解和搬运成矿元素钨、锡,最终在石英脉中富集成矿。花岗岩的源岩物质中富含钨、锡等成矿元素,流体与花岗岩的强烈相互作用以及岩浆的高度分异与演化是华夏地块花岗岩具有钨锡矿化特征的原因。

通过多种高精度定年方法,对华夏地块中生代大面积花岗岩的成岩时代进行了重新厘定。发现华夏地块最年轻的花岗岩(海南岛龙楼岩体,形成于约73百万年)。证实侏罗纪花岗岩不仅分布在华夏地块内陆,在沿海地区也广泛分布。对南岭地区成矿花岗岩的成因以及对钨锡成矿作用的启示进行了一系列的研究,认为这些成矿花岗岩均为高分异的I型花岗岩。

三、研究发现:没有多期次的陆壳活化事件和中生代强烈的构造-岩浆-热液作用,就没有华夏地块的巨量金属成矿

项目通过对南岭成矿带、武夷成矿带和钦杭成矿带的区域成矿规律及成矿过程的系统研究发现,正是由于该区存在从前寒武纪至中生代多期次的陆壳活化事件,到燕山期运动强度达到最大,产生了大规模的岩浆作用和热液活动,从而形成了一大批不同系列的金属矿床,包括与同熔型花岗岩有关的铜铅锌多金属矿床以及与改造型花岗岩有关的钨锡稀有多金属矿床,从而构建了陆壳再造成矿理论体系。

例如,通过对钦-杭成矿带北东段典型铜金矿床的解剖研究,证实区内存在多期的铜金成矿作用,并且每期成矿作用均与地壳的新生或再造有关。新元古代,由于洋-陆俯冲事件,形成新生的岛弧火山岩(新生地壳),以平水群的细碧角斑岩为代表。同期洋底热液活动形成了典型的火山岩容矿的块状硫化物矿床(如浙江平水铜矿等)。同时,形成了富集铜、金等成矿物质的新生地壳,为之后的多期次成矿作用提供了物质基础。至新元古代晚期,由于扬子板块与华夏板块的碰撞拼贴造山作用,该区域发生大规模韧性剪切变形。富集铜、金的新生地壳物质发生韧性剪切作用形成了一定数量的造山型金矿床(如金山金矿)。金山金矿由富金双桥山群基底地层再造形成,矿体受韧性剪切带控制,富二氧化碳变质流体的不混溶作用是金富集沉淀的最重要机制。到了加里东期,由于陆内造山作用(武夷-云开造山),导致新元古代双溪坞群和陈蔡群发生再造,形成了早古生代韧性剪切带及相应的造山型金矿(如璜山、平水金矿等),金的富集沉淀与富二氧化碳变质流体的演化密切相关。到了早侏罗世,由于古太平洋板块俯冲的远程效应导致德兴地区新元古代富铜金下地壳部分熔融,形成低镁埃达克岩及与其相关的银山浅成热液型铜金多金属矿床,另一方面,当部分熔融过程受到岩石圈地幔影响,则形成高镁埃达克岩及与其相关的德兴斑岩铜矿。

编者按:“1:100万海南岛幅海洋区域地质调查”项目是我国首批依据1:100万海洋区域地质调查规范,以海洋实测资料为基础开展的全面、系统、综合的基础地质与地球物理调查项目。该图幅工作的圆满完成为进一步在我国管辖海域内开展海洋区域地质调查提供了借鉴。在前不久公布的2016年度国土资源科学技术奖获奖名单中,“1:100 万海南岛幅海洋区域地质调查”荣获国土资源科学技术奖二等奖。