08区域成矿规律与深部找矿问题.ppt

南岭地区的区域成矿分带性与深部成矿源区的复杂性探索 於崇文中国地质大学全国深部找矿工作研讨会2007 09 27安徽 合肥 Pirajno2007 本专题以中国东部的重大地球动力学事件为背景应用成矿系统复杂性理论通过南岭地区的区域成矿分带性对于深部成矿源区进行探索性研究 中国东部的重大地球动力学事件是指 印支期扬子与华夏板块碰撞造山运动印支后期扬子板块继续向大别 苏鲁地体和华北板块下方陆内俯冲燕山期中国东部岩石圈垂向减薄燕山期大规模花岗岩浆侵位与火山岩喷发 本专题的实质是用成矿系统复杂性理论探索华夏褶皱带的地球动力学与金属成矿学之间的关系 一 南岭地区的区域成矿分带性 复杂性理论 用 时 空同步化 Synchronization 理论研究矿集区的成因 用 相位动力学 phasedynamics 研究成矿分带的形成 主要结论 燕山早 晚两期各形成一个目标斑图 箭靶 式的巨大非线性区域成矿分带 每一个分带各有一个成矿中心 图1 南岭地区区域成矿分带图 燕山运动早期 图2 南岭地区区域成矿分带图 燕山运动晚期 图3南岭地区莫霍面 居里面等深图 据宜昌地质矿产研究所 2002 成矿中心 郴州 的地球动力学部位 1 莫霍面的隆 凹转折部位 根据地震和重力资料 南岭地区莫霍面深度由东南的30Km向北西加深至41Km 落差11Km 郴州恰位于莫霍面从隆起向凹陷的转折部位 2 大地构造的有利地段 图4 中国大陆燕山期晚期 175 135Ma 构造事件略图 万天丰 2004 郴州位于扬子和华夏板块碰撞 拼合带 绍兴 北海的萍乡 郴州从NE向NNE向转折的深层构造带上 3 区域构造岩浆带的交汇点 图5南岭地区锡铅锌多金属矿找矿远景区示意图 据宜昌地质矿产研究所 2002 南岭地区北东向 炎陵 贺县 北西向 常宁 连平 和东西向 阳朔 龙南 展布的三条区域性构造岩浆带与成矿关系密切 而郴州恰位于前两者的交汇点 华南地区卫星影像显示赣 湘 粤交界地区的大型环形影像令人瞩目 该影像呈椭圆形 长轴北东向 长460km 短轴320km 分内环 外环两层 湖南郴州位于内层 该环体在重力异常图和航磁轴线图上均有明显反映 图6 华南线性与环形构造图 于志鸿 1989 研究发现 该环形构造与燕山期岩浆的侵入活动密切相关 有人认为赣 湘 粤大型环形构造之下可能就是南岭地区陆壳重熔花岗岩的 重熔中心 推测南岭地区燕山早 晚两期形成的两个大型目标斑图式的多重成矿分带可能与赣 湘 粤大型环形构造有关 二 南岭地区深部地球动力 金属成矿复杂性模型 印支期扬子和华夏板块碰撞 拼合带的岩石圈内部结构 图7中国主要断裂分布略图 程裕淇 1994 浙江绍兴 广西北海NE SW板块拼合带的皖南歙县至赣东北德兴等地出露元古代蛇绿混杂岩带 图8 赣东北蛇绿混杂岩带构造简图 赵崇贺等 1998 但是至今对南岭地区湖南郴州附近地区的深部研究不够 缺乏有关信息和资料 拟采用爆炸震源与深反射地震测量新技术 在郴州地区通过扬子和华夏板块碰撞缝合线 作深反射地震剖面 以揭示碰撞带的岩石圈地幔的内部结构 在测制深反射地震剖面后 要着重研究 在岩石圈板块边界上和板块开合过程中的热 质传输与聚集过程 Processofheatandmasstransferandaccumulation 俯冲带中的热 质聚集过程涉及四个主要因素或者说四个主要参量 温度 T 压力 P 速度 和粘度 这四个参量的联合作用决定了俯冲带中热力学状态的复杂演化和研究地区的构造岩浆活动历史 特别是通过改变热量聚 散的参量值最后可以决定造山带发展的类型 图9 大洋岩石圈在海沟处俯冲 Turcotte Schubert 2002 1 俯冲带中的热 质聚集过程 上地幔的侧向热不均一性 流变学不均一性 改变物质流在软流圈中的空间部位 从而决定了俯冲带后部中物质聚集的强度 软流圈基底内物质的粘度愈大 则过热物质在俯冲带的后部沿着软流圈通道的流动愈强烈 导致侧向的岩石化学分带 lateralpetrochemicalzoning 表现为侧向的岩浆建造分带 图10 和造岩元素的化学分带 图中表现在垂直拼合带的方向上由近及远 钙碱性 强碱性 似长石岩浆建造的侧向分带性 图10 俯冲带的岩浆建造 Abramovich Klushin 2002 板块俯冲产生侧向的压力梯度 导致侧向的热 质传输 满足板块俯冲条件的Navier Stokes方程为 其中 是密度 p是压力 是粘度 解该方程 得到软流圈的部分熔融物质的运移速度 研究指出 软流圈的部分熔融物质在20Ma内在俯冲带的后部可以位移数百Km 图11 2 俯冲带后部的活化与侧向热 质传输 图11 在随时间而变的压力梯度 P的影响下 软流圈质量的迁移距离S的估计值 Abramovich Klushin 1990 不同点密度的区域代表分别对应于概率密度R 0 6和0 8的对于S的置信区间 燕山期中国东部岩石圈垂向减薄与花岗岩侵位及金属成矿的关系 图12 大别 苏鲁地区深反射地震剖面位置图 杨文采 2003 图14 推断的中国东部岩石圈演化模型 杨文采 2003 杨文采 2003 在大别和苏鲁地区测制了两条深反射地震剖面 图12 发现在该地区的岩石圈地幔内存在5组水平的反射体 图13 表明该地区具有特殊的地球动力学作用所形成的地幔组构 图14 图13中反射体M1对应于现在的Moho面 M5对应于现在的岩石圈底界 图13苏鲁地区 庙山 涟水 深反射地震剖面图 杨文采 2003 M1 M3 M4 M5 M2 研究指出 古生代中国东部岩石圈的厚度约为150Km 到晚中生代减薄到约60Km 到新生代又稍加厚到平均78Km 图14 上述5组水平反射体实际上反映了中生代这个岩石圈的减薄 约90Km 古生代岩石圈内地壳厚50Km 地幔厚100Km 岩石圈减薄诱发岩浆底侵并在下地壳产生麻粒岩层 GU 以后扬子板块向北的陆 陆俯冲又在上地幔产生榴辉岩层 EC M2是麻粒岩层与榴辉岩层的边界 也是古生代的Moho面 M3是榴辉岩层的底面 其下保存有残留的古生代上地幔 M4是新 老岩石圈地幔的界面 这种多层岩石圈地幔反射体的存在表明 大别 苏鲁地区的地幔结构与中国东部中生代岩石圈的减薄有关 杨文采 2003 根据地球物理资料认为 这一岩石圈减薄事件发生在印支期碰撞造山之后 可能从晚侏罗世开始 延长到白垩纪 造成了中国东部广泛而强烈的岩浆岩侵位与底侵 另一方面 徐志刚 孙善平 2003 从构造运动应力场探讨中国东部火山岩的成因 指出中国东部岩石圈减薄始于中 晚白垩世 至第三纪时强烈 因此认为岩石圈减薄并非中国东部中生代构造 岩浆活化和成矿的原因 而是构造 岩浆活化的结果 是中生代末 新生代大型含油气盆地的生成和基性岩浆喷发的起因 图15 图15 中国东部及邻区 主要燕山期 构造 火山活动简图 徐志刚 孙善平 2003 根据以上的不同意见 对于中国东部中生代岩石圈减薄事件与南岭地区燕山期花岗岩浆的广泛侵位以及金属成矿作用之间的关系是一个尚需进一步研究的重要问题 南岭地区燕山中期 170 150Ma 岩石圈全面拉张 减薄 软流圈上涌 诱发Moho面附近玄武质岩浆底侵 发生大规模的地壳熔融 导致大范围陆壳重熔型花岗岩体的侵位 所谓 高热能生产 HHP 花岗岩 Highheatproductiongranite 是指其中放射性元素 U Th K Rb 的含量显著高于一般花岗岩 因而具有异常的高热能生产和高热流速率 高度断裂破碎的高渗透率地区是由于放射性热产生而导致的岩浆期后热液对流的有利场所 这种热液对流往往和地热现象及热液矿床的形成有着直接的关联 高热能生产花岗岩的分布及其与金属成矿的关系 我国南方铀矿分布广泛 从东到西可以分为三个铀矿域 许多地区花岗岩中的放射性元素含量远高于一般花岗岩中的含量 因此通过花岗岩侵入体的地热场与岩浆期后热液对流强度的调查考察 对于南岭地区高热能生产花岗岩与金属成矿关系进行系统的研究理应是本项专题的一项重要任务 近年来根据对世界范围高热能生产花岗岩所进行的研究 大致有以下几点认识 1 高热能生产花岗岩往往在其侵位之后数百万年再产生热液对流系统 其有效性依赖于矿化的强度 地热的区域分布以及与岩浆作用相伴的流体通道的发展程度 图16南岭地区地质矿产图 据宜昌地质矿产研究所 2002 2 高热能生产花岗岩生成于后造山与非造山的构造环境 常赋存在岩石圈板块的俯冲带或板块破坏性边缘 也见于地震活动带 3 高热能生产花岗岩有两种主要类型 a 钙碱性侵入体 侵位于俯冲带和出现在造山旋回晚期 b 碱性和亚碱性侵入体 形成于造山带和非造山环境 4 高热能生产花岗岩浆趋于在深部凝固 并且经历较长的分离结晶过程 从而富含不相容元素和放射性元素 并具强的负Eu异常 5 高热能生产花岗岩常为 S 型花岗岩 但也可以不是 S 型花岗岩 1 软流层与软流圈 1 玄武岩是 超深钻 窗口 和 探针 玄武岩浆来源于地幔 而又上升而达地表 深达地幔深度的 超深钻 玄武岩浆带上地表的地幔岩捕虏体是上地幔的标本 观察地幔的 窗口 玄武质岩浆的岩石化学与地球化学性质直接受地幔源区的温度 压力和化学成分制约 包含着丰富的地幔源区的信息 了解地幔岩石学和地球化学的 探针 软流圈的岩石学和地球化学及地幔和地幔流体的成分 2 软流圈 在板块构造学中 软流圈 被定义为 从岩石圈底部开始向下延伸到700Km 是一个容易发生蠕动变形的薄弱层 它构成了一个低粘度区 使得位于其上的岩石圈以很小的摩擦而滑动 Condie 1982 地球物理学上 上部软流圈大致与地震低速带相吻合 而地幔岩石的初始熔融是产生低速层的原因 地热学上 岩石圈地幔曲线与0 85的地幔干固相线温度的交切作为低速层的顶界 岩石学上 0 85的地幔固相线温度相当于含少量水的橄榄岩固相线温度 由此可见 板块构造学 地球物理学 地热学和岩石学对于软流圈涵义的界定是一致的 因此 根据玄武岩岩浆是地幔橄榄岩初始熔融的产物 可以由原生玄武岩浆直接反演软流圈 包括流体 的岩石学和地球化学性质 2 地幔流体和地幔岩的成分 地幔流体和岩浆熔体不能混为一谈 二者是相对独立而又相互联系的两种介质或载体 岩浆是地幔熔融和地幔受交代作用而生成的产物 现在关于地幔岩和地幔流体的知识主要来自地幔捕虏体 其中的矿物包裹体和爆破角砾岩筒等实物标本和样品的资料 图17 中国东南大陆地幔岩分布与岩浆起源深度图 谢窦克 1996 1 地幔流体地幔流体的化学组成模式 H A C O N F Cl S其中A代表碱金属 以K Na为最重要 地幔流体在地幔局部熔融 交代作用和软流圈的形成中起重大作用 2 地幔岩地幔岩化学组成的两大显著特点 a 普遍含有多种自然元素 金属和非金属单质元素与互化物 b 普遍含有大量还原性天然气 H2 烷类 烯类 炔类 CO H2S等 值得注意 自然元素的存在形式不仅出现在地幔岩中 还出现于地壳中的各种岩浆岩 表1 陨石和月球中 这种在地球内不同深度 不同温度 压力等条件下能够保持稳定地作长时间 长距离迁移的性质是 孤波 solitarywave 的特性 这说明元素在地幔和岩石圈内可能是呈孤波的形式传播 表1 各种岩浆岩中的自然元素 杜乐天等 1996 地幔岩中常发现玻璃质和晶体共存的现象 图18 尖晶石二辉橄榄岩捕虏体中铬尖晶石 Cr Sp 铬透辉石 Di 和橄榄石 Ol 晶体之间存在粒间玻璃 g 和沿矿物边缘发育的海绵状部分熔融体 PMZ Amp 角闪石 夏林圻等 1996 这种玻璃质中的物质随机运动和晶体中物质的严格的规则运动并存现象说明该地幔岩在混沌边缘呈弱混沌状态 1 成矿流体产生的条件 地幔中的 温 压分离器 2 地幔流体聚集的条件 软流圈圈闭 成矿流体的产生与聚集的条件 1 成矿流体产生的条件 地幔中的 温 压分离器 Abramovich和Klushin 1990 提出了一种所谓 温 压分离器 Thermo barometricseparator 它将富集成矿组分和挥发分的流体相 含矿地幔流体 从地幔中分离出来 温 压分离器 是刻画含矿地幔流体从深部地幔中析离机制的一种数学模型 物理学上 它是存在于软流圈中的 软流圈通道 asthenosphericcanal 板块俯冲过程中所产生的侧向压力梯度是流体分离的主要驱动力 侧向压力梯度和地幔的温度与密度变化以及板块运动的速度变化相关联 根据它们之间的相互关系可以建立起一个数学模型 温 压分离器 上式左边是压力梯度 右边第一项表示区域性的温度效应 充分高的温度对于熔体的生成是绝对必需的 但是温度太高使侧向压力梯度减小 从而使流体的分离减弱 第二项反映深部地幔的侧向密度不均一性效应 密度随着向会聚板块的后部移动而减小 在密度梯度下降到极值以前产生一个极小压力区 其中分离出对压力反应灵敏的流体 起着一种独特的 热力学障 thermodynamicbarrier 的作用 热力学障代表着在一个持续长时间内地球深部热 质传输的总和 上式右边最后一项代表板块运动速度变化的效应 速度的脉冲式增大对于软流圈通道内深部流体的有效分离产生正面的影响 2 地幔流体聚集的条件 软流圈圈闭 研究指出 软流圈通道的热学状态 流体的情态及软流圈通道的构形是影响成矿流体聚集的主要因素 软流圈顶部的局部隆起 软流圈圈闭 Asthenospherictrap 是成矿流体聚集的场所 圈闭 trap 具有一定的高度 h 和宽度 w 圈闭的发展可以用其高度随时间h t 的改变来表示 综合各方面的观察 可以得到如下的认识 1 软流圈顶部的隆起 圈闭 形成于活动的热物质与岩石圈物质发生长期相互作用的地点 持续和强劲的板块俯冲导致大圈闭的形成 2 规则的热激励 热物质的供应 对于圈闭的持续存在是绝对必要的 但是温度必需适当 高温使圈闭的宽度增大而高度减小 因为隆起的尖峰耗散较多的热能 导致地幔流体的成矿物质在地幔中的侵染 减少其集中贯入岩石圈的可能性 3 当地幔处于高温状态时 岩石圈较薄 不利于圈闭的形成 没有厚而硬的岩石圈就不能实现含矿地幔流体的大量富集 1 深部成矿的发生2 成矿作用的机制3 区域成矿分带的形成 深部成矿的发生 成矿作用的机制和区域成矿分带的形成 1 深部成矿的发生 1 岩浆孤子 magmaticsoliton 是深部成矿物质的载体 近年来的研究表明 岩浆生成的过程是地球深部某种基底岩石 包括地幔岩石 发生部分熔融 然后岩浆熔体从部分熔融的母岩中被萃取和分离出来 并且上升 运移 最后呈岩浆岩赋存在近地表部位 岩浆孤波是原岩中的局部高孔隙度的区域 它们呈波形 振幅和波速保持不变的波通过相对均匀 低孔隙度的区域而向上浮升 根据地球物理学判断 岩浆孤波具有以Km计的波长和每年以cm计的传播速度是完全合理的 根据地幔岩的成分特征 见前 南岭地区深部上地幔和下地壳陆壳重熔型花岗岩中成矿组分可能呈岩浆孤波运移 图19 两个孤子的相互作用 Scott Stevenson 1984 区带提纯 zonerefining 是一种使许多金属和半导体纯化的过程 将一条含有杂质的钢锭的移动区加热至熔融 则杂质将保持在熔融的移动区内并逐渐聚集 而纯化了的钢锭则被留在后面 图21 图22 区带提纯 也可能发生在内生成矿作用过程中 在此种情况下 区带提纯 的实质是含矿原岩在区带移动加热 发生部分熔融的过程中 使其中的不相容组分 成矿金属元素 和挥发组分发生活化和迁移 结果导致成矿的发生 南岭地区前震旦 震旦 寒武 泥盆 石炭系稀有和有色金属矿源层的广泛存在和大范围陆壳重熔型花岗岩的生成以及地幔岩中各种单质元素与互化物的存在表明 岩浆孤波和区带提纯对于大规模成矿作用的发生和矿集区的形成起着不可忽视的作用 结论是 南岭地区地幔岩捕虏体和花岗岩标本的部分熔融和区带提纯实验是本专题的一项重要研究任务 图20 2 地幔岩石部分熔融和花岗岩化过程中的 区带提纯 导致成矿的发生 图20南岭地区构造岩浆岩 带 推断图 据宜昌地