岩浆热液成矿理论的困境与出路

岩浆热液成矿理论的困境与出路

大多数用于采矿的金属来自与岩浆活动相关的内部金属矿床。因此，岩浆被广泛视为成为矿浆岩的供应商和驱动成矿活动的引擎。但是,对岩浆活动与成矿作用的联系所知甚少,尚不足以用来指导成矿预测。一个明显的例子是在一些具有相似地质学、岩石学、矿物学和地球化学特征的侵入体中,某些岩体致矿而另一些岩体不致矿,某些被认为不致矿的岩体通过后来的详细勘查甚至发现了大矿。这表明,流行的岩浆热液成矿理论可能存在重大缺陷:既不能比较全面地解释与成矿作用有关的地质现象,也不能有效指导资源勘查。本文的目的是分析岩浆热液成矿理论失败的原因,对内生金属成矿作用问题提供不同角度的思考。1岩浆热液成矿作用的地质解释成矿元素具有在地质过程中趋于分散的地球化学习性,因而金属矿床被定义为有用金属的异常聚集体,在当前工业技术条件下其开采利用是有利可图的。由于地壳中成矿元素的丰度很低,这种异常聚集体的产生要求有一种有效的萃取机制。鉴于岩浆是源区岩石部分熔融的产物以及绝大多数内生金属矿床明显与火成岩有关,矿床学家推断岩浆活动对成矿作用具有控制意义。在流行的岩浆热液成矿理论中,岩浆不仅作为成矿物质的提供者,也是驱动成矿作用的引擎。最为重要的是,内生金属矿床无一例外地都伴随着强烈的围岩蚀变,暗示有大量流体参与成矿作用。据此,成矿作用的基本解就是成矿金属从流体中析出,并大规模堆积在一个有限的空间范围内。实验表明,流体在熔浆中的溶解度以及成矿金属在流体中的溶解度都随着压力的升高而增加。因此,如果岩浆产生于足够深的深度位置且岩浆体的体积足够大,岩浆上升到地壳浅部通过分异作用就有可能提供形成大型—超大型矿床所需要的流体和金属。这种逻辑推理具有大量的事实基础和理论依据,成为岩浆热液成矿理论的基石。但是,大型—超大型矿床常常与小岩体有关,后者不能满足质量平衡计算的要求。为此,岩浆热液成矿理论的支持者推测成矿小岩体之下有一个大岩浆房,后者通过分异作用可以提供足以形成大型-超大型矿床的金属。这种解释得到了大多数矿床学家的支持和维护,在中国尤其如此,甚至被一些学者称为“定论”。综合前人的研究成果,流行的岩浆热液成矿理论可以简述如下:源区岩石的部分熔融导致了含有一定数量流体(例如,Lowenstern假定流纹质熔浆中H2O质量分数为6%～8%)和成矿金属(例如,Richards假定英安质熔浆中Cu质量分数为60×10-6)的岩浆;当岩浆与源区分离并上升到地壳浅部时,一方面由于熔浆中挥发分的溶解度随压力下降而减小,另一方面由于岩浆结晶而使挥发分相对过饱和,必然导致挥发分的出溶;前者称为岩浆的减压排气作用(一次沸腾),后者称为岩浆的结晶排气作用(二次沸腾)。在这个过程中,成矿元素趋向于进入流体相中,并在更低的温度条件下析出造矿矿物,因而成矿作用往往发生在岩浆体固结之后。流体具有比熔浆更强的活动性,可以进入细小的裂隙(包括构造裂隙、膨胀裂隙和收缩裂隙),也可以被封存在造岩矿物的间隙中;同时导致含矿岩石发生热液蚀变。这种特征普遍见于斑岩型矿床中,似乎可以作为岩浆热液成矿理论的有力证据。上述地质模型具有大量的事实依据,也具有一定的理论基础和实验基础。硅酸盐-H2O体系的结晶过程分析可以再现岩浆热液成矿作用的3个阶段:岩浆阶段、气成阶段和热液阶段。这就是为什么岩浆热液成矿理论能够获得绝大多数矿床学家支持的原因。2期未被证明为错的假说然而,这种看似无可争议的理论却存在重大的缺陷。实际上,追求真理的无止境属性暗示科学研究不存在“定论”:理论是长期未被证明为错的假说,而假说则是没有经受过足够多反驳的理论。岩浆热液成矿理论也是这样,尽管我们常常喜欢称之为理论,实际上仍存在许多有待解决的问题。因此,考察该理论的缺陷是重要的:如果所发现的缺陷可以在其基本理论框架内得到解决,可以对成矿理论的完善提供建设性意见;如果这些缺陷是其基本理论无法克服的,就应当抛弃它并构筑新的理论体系。2.1岩浆热液成矿理论缺乏流体动力学基础固体具有固定的体积和形状;液体具有固定的体积,其形状取决于容器的形状;气体则既没有固定的体积,也不具有固定的形状。因此,同种物质在不同的相态条件下具有完全不同的物理性质和化学性质。但是,随着温度、压力的升高,气体和液体的性质逐渐接近,并在临界点处变得不再可分,称为流体。在地质时空范围内,温度、压力条件变化极大,挥发分的相态也随之发生变化。矿床学中所谓的流体实际上与挥发分同义,或者称为低分子量流体。流体具有可变的体积,类似于气体;流体又具有很强的溶解能力,类似于液体;流体还容易散失,“踏雪无痕”。例如,石榴石-透辉石矽卡岩的产生毫无疑问有流体的贡献,这类矽卡岩却往往缺乏含水/挥发分矿物。因此,流体在地质过程中的作用往往变得不可捉摸。但是,通过实验研究和理论分析可以发现,流体的密度和粘度远小于熔浆,暗示流体具有更大浮力和更小的摩擦力。正因为如此,岩浆热液成矿理论的支持者也常常用对流作用来阐述含矿流体向上聚集的机理。夏威夷火山喷发的观测表明,火喷泉出现在每一次火山喷发的前四分之一时间范围内,然后才是熔岩的溢出。这充分表明,所谓的岩浆期后热液并非来自含矿岩体本身,而是另有来源,似乎支持存在深部岩浆房的推测。然而,这样的解释很难说明为什么含矿流体集中在低渗透率的侵入体内,而不是裂隙发育的围岩中。侵入体的围岩具有更长的演化历史,遭受过更强烈的构造变形,岩浆侵位过程中也会导致围岩的完整性受到进一步的破坏。因此,围岩应当具有比侵入体更高的可渗透性。据此,深部岩浆房中分异形成的含矿流体应当更容易进入围岩中,而不是聚焦于浅部的小岩体。但事实与此恰恰相反。例如,河南商城汤家坪钼矿是一个典型的斑岩型矿床,围岩大别群片麻岩发育各种裂隙,是良好的流体渗透介质,矿化却局限在斑岩体内。这是流行岩浆热液成矿理论所不能解释的。此外,深部岩浆房具有更大的体积,含有更多的热量,其围岩具有更高的温度,因而其存活时间比高位小侵入体长得多。但是,年代学研究结果却表明,成矿年龄往往与高位侵入体相当。为什么小岩体成矿以后深部岩浆房不再分异?为什么剥露出来的花岗质岩基罕见分离结晶作用现象?岩浆热液成矿理论都没有给出合理的解释。总之,流行的岩浆热液成矿理论缺乏流体动力学基础,所提出的深部岩浆房解释只不过是将一种未知推向了另一种未知,丝毫不能挽救该理论失败的命运。特别是对于花岗质岩石来说,由于地壳的平均组成相当于英安质岩石,小岩体之下某个深度水平上存在某个深成侵入体是不足为奇的。但是,该侵入体是否就是分异形成致矿小岩体的那个深部岩浆房固结的产物,至今仍没有可靠的证据。2.2变色粉末包体的沉积相含矿斑岩中常见有暗色微粒包体和重矿物等密度大于寄主熔浆的物质(图1),这是岩浆没有发生显著分异作用的有力证据。根据斯托克定律V=2gr2(ρm-ρl)/9η,取常见包体半径r=5cm,重力加速度g=980cm/s2,暗色微粒包体的密度ρm=2.65g/cm3,花岗质熔浆的密度ρl=2.3g/cm3,粘度η=106Pa·s,则暗色微粒包体在花岗质熔浆中的下沉速度约为0.6m/a。由于花岗质熔浆的粘度随着温度下降和挥发分的散失而急剧增加,暗色微粒包体的实际下沉速率应当远远小于0.6m/a。另一方面,岩浆体的冷却时间可以用方程x=0.28t1/2来估算,式中x为岩浆冷却前锋(固相线面)到岩浆体边缘的距离(cm),t为岩浆冷却到x处所需的时间(s)。按此式计算,一个给定直径为150m的岩浆体,完全固结所需要的时间仅约22.75a。在此期间,暗色微粒包体最多仅能下沉约13.65m。根据Baker,在800℃条件下,无水过铝质和偏铝质花岗岩熔浆中加入质量分数为2%的H2O,其粘度下降5个数量级,相当于升温500℃的效果。反之,如果岩浆中H2O质量分数减少2%,则其粘度将增加5个数量级。可见,在22.75a时间尺度范围内,暗色微粒包体下沉的距离是微不足道的(假定粘度增加3个数量级,下沉距离只有约0.014m),可以在手标本尺度或露头尺度上直接观察到。遗憾的是,野外观察并没有证实这种分异现象的存在(图1)。因此,暗色微粒包体和重矿物的存在既否定了小岩体的分异作用,也否定了大岩浆房的分异作用。特别是出露于地表的花岗质岩基绝大多数情况下没有堆晶岩的产出,有理由怀疑岩浆热液成矿理论的合理性。如果说流体活动性问题还不足以对岩浆热液成矿理论提出质疑的话,暗色微粒包体和重矿物的存在则是对其分异机制的彻底否定。2.3岩浆热液成矿的性质许多内生金属矿区都产出有各种各样的岩墙(脉),它们往往具有很宽的成分变化范围和相近的形成时间。这些岩墙宽度很小(多数小于1m),大多数不含矿,因而没有得到充分的重视。新的研究表明,宽谱系岩墙群是一类新的火成岩组合、造山旋回(阶段)结束的标志、成矿作用的指示器。上个世纪90年代以来,花岗岩成因与壳幔相互作用的关系得到了极大的重视。在这类研究中,基本前提是幔源岩浆底侵作用并导致花岗质岩浆的产生。基于浮力原理,幔源岩浆不能穿过花岗质岩浆层上升,只能部分注入花岗质岩浆,从而导致岩浆混合作用。这种普遍得到采纳的解释与自然现象一致。例如,南安第斯火山带(SVZ)火山前锋最北端15座第四纪层火山中基本缺乏玄武质岩石,但远离层火山的单成因火山则由玄武质岩石构成。这被认为是由于层火山之下存在深部岩浆房,密度较大的玄武质岩浆不能穿过该岩浆房喷出地表。类似的现象在深成岩区也可以见到。例如,冀西麻棚岩基周围产有同时代的宽谱系岩墙群,但麻棚岩体内部则缺乏辉绿岩、煌斑岩、闪长玢岩等偏基性的岩墙。可见,矿区出现宽谱系岩墙群也是不存在深部岩浆房的有力证据。从科学的角度来说,构建科学假说的目的是解释所有可能的但目前不能解释的资料,有效的假说应当努力解释所有观测结果;假说必须是可检验的,没有经受实验或观测检验机会的假说不是科学假说;假说必须通过检验获得证实,因此高度可检验的假说不能被拒绝,比通过非常少检验的假说得到更好的证实,我们对假说的信任也依赖于检验的强度;假说失败时获得的信息量直接与假说的专属性有关,明确的信息得自当假说被证明为错的时刻;假说不能被证实为真(即使有大量的证据),只能被反驳(哪怕只有一条证据),当长期的反驳不能证明假说为错时,表明该假说具有较强的普适性,我们就称这种假说为理论。据此,岩浆热液成矿理论也是一种假说,只是由于其较强的普适性而长期未被证明为错,但不能因此而断定它是正确的。以上我们仅举3例,都是岩浆热液成矿理论所不能解释的,可见该理论或者应当得到修正,或者应当被抛弃。3热液成矿理论岩浆热液成矿理论为什么不能解释上述现象呢?其根本原因是没有认识到岩浆相关矿床成因的本质属性。必须承认,岩浆热液成矿理论成功解释了许多内生成矿现象;但是,也存在大量成矿现象是其所不能解释的。除了上述3个问题之外,诸如成矿作用的构造效应、成矿元素的聚集与分散、区域和深部找矿预测的方法……等一系列科学问题都没有与成矿理论的核心内容(成矿物质的来源)有机地联系在一起。因此,需要从岩浆相关矿床的基本特征出发,重新考察成矿作用的基本属性。3.1小体积岩浆的性质上个世纪中叶,矿床学家已普遍认识到大型、超大型矿床常常与小岩体有关,在中国也掀起了一股研究小岩体与成矿作用关系的热潮。但是,其成矿机理一直没有得到解决,甚至迄今仍没有对小岩体给出一个明确的定义和分类依据。因此,汤中立和汤中立等认为应当重新对小岩体的成矿问题进行研究,并提出了小岩体成大矿学说,该学说具有重要的理论意义和现实意义。理论上,尽管岩浆热液成矿理论解释了很多成矿现象,仍有大量的现象没有得到合理的解释;实践中,该理论并不能有效指导找矿实践。特别奇怪的现象是,尽管普遍承认大型、超大型矿床与小岩体有关,不同比例尺的区调和矿调工作却主要聚焦于大岩体及其相关的地质现象。由于侵入体的产状复杂多变和时空不可及性,对小岩体作出严格的定义是困难的。学者们通常以岩体出露面积的统计特征来阐明含矿岩体的规模。例如:汤中立等指出,岩体的最大变化截面积可以大到n(n<10)km2,小到0.00nkm2,一般在1km2左右或更小。但是,由于产状的变化,同样体积的岩浆体可以具有非常不同的出露面积。例如:1km3的岩浆体呈球形产出时,其最大出露面积约为1.21km2;呈厚度200m、延深2.5km的岩墙产出时,其长度为2km,出露面积为0.4km2;呈厚度200m的饼状水平岩床产出时,其出露面积可达5km2。可见,小岩体的出露面积变化很大,很难据此对小岩体作出严格的定义。由于岩浆侵位涉及到赋存空间问题,小体积岩浆具有与大体积岩浆明显不同的侵位机制。严格说来,小岩体应当根据其体积规模来定义。但是,由于研究对象的空间不可及性,大多数情况下侵入体的延深是不确切的,目前无法根据体积规模对小岩体作出确切的定义。然而,小岩体往往侵位于地壳浅部,围岩温度很低,是岩浆快速固结的产物。因此,小岩体的组成岩石普遍具有淬火结构(如斑状结构、隐晶质结构等),有确定性的岩石学标志。据此,我们建议将小岩体命名为高位侵入体(high-levelintrusion)。高位侵入体的小体积特点表明:①它是高温岩浆快速固结的产物;②与其有关的成矿作用是地质时间尺度上的瞬时过程;③其定位机制应当是岩墙机制而不是底辟机制,因而高位侵入体常侵入于断裂(包括层间拆离构造)中或断裂交汇部位。从理想系统的角度,这样的基本特征显然是自相矛盾的。例如,实验表明高温熔浆的挥发分含量很低,低温岩浆却没有上升潜力。又如,成矿作用是地质时间尺度上的瞬时过程,且需要巨量的含矿流体,岩石圈的渗透率却随深度增加而急剧减小。再如,从岩石学角度来说,液相线矿物是源区岩石的主要造岩矿物之一,因而中酸性岩浆必然起源于地壳。但是,成矿作用常常有地幔的贡献,地幔物质甚至对成矿作用起了主要的控制作用。所有这些矛盾都不可能在岩浆热液成矿理论的框架内得到解决,暗示该理论的基本依据是错误的。3.2岩浆热液成矿理论的缺陷近二三十年来,复杂性科学在国际上取得了重要进展,“非线性”和“复杂性”是当今世界科学的重要前沿领域。与传统科学不同,复杂性科学将所研究的系统看作是动力系统而不是理想系统,因而复杂系统的解不具有加和的特征。根据复杂性科学的基本原理,外部(环境)输入的能量只集中在少数子系统中,也只有最不稳定的子系统才能获得足够的外部能量而获得发展。因此,绝大多数子系统都是平庸的,在系统演化过程中自生自灭,少数子系统之间的强相互作用决定了整个系统的命运。通过多年的研究,於崇文正确地指出,成矿系统是一种复杂性动力系统,而成矿作用则是一种非平衡、非线性过程。结合高位侵入体成矿作用的基本特征,可以说导致非平衡、非线性的主要因素是巨量流体的参与。如前所述,流体的加入可以导致岩浆物理化学性质的戏剧性变化,这种变化不是几倍或几十倍,而是几个数量级。例如,在其它参数保持不变的条件下,岩浆粘度的巨大变化可以导致其上升速率极大地增加。这将使系统内其它过程可以忽略不计。以金的沉淀速率为例,研究表明,流体中金的溶解度强烈依赖于压力和温度,暗示快速上升的深部流体具有更大的成矿潜力。如果含矿岩浆缓慢上升,将导致岩浆中的流体和流体中的成矿金属溶解度双双降低,这样的岩浆即使能够到达地壳浅部也没有成矿潜力。由此可见,岩浆热液成矿理论的致命缺陷在于,该理论一般将成矿系统看作是理想系统,而将成矿作用看作是平衡的线性过程。换句话说,该理论对内生金属矿床成矿作用的基本属性认识错误,不可能逃避失败的命运。需要指出的是,流行的岩浆热液成矿作用的理论体系是在地球科学发展水平总体较低的背景下产生的。虽然经过不断的修改与完善,其结构性缺陷难以避免。多年来,相邻学科取得了许多重要的研究进展,成矿理论体系的知识基础却并没有本质的改变,或者“新瓶装旧酒”。例如,同位素示踪技术为成矿物质来源的确定提供了有效的手段,但测试数据的解释依然基于理想系统的平衡热力学;又如,岩浆起源与岩浆演化都可以导致火成岩多样性,在岩石学领域成为基本常识,矿床学家却仍然将岩浆分异作用看作是揭示成矿机理之谜的唯一钥匙。因此,尽管许多矿床成因模型贴上了当代矿床学的标签,将其内容与相邻学科的发展现状对比,很容易看出成矿理论的落后。3.3成矿系统的演化—进一步发展的方向由于岩浆热液成矿理论具有不可克服的障碍,提出一个新的成矿理论是必须的。新理论必须包括尽可能多的相邻学科研究进展,尽可能多地解释与成矿作用有关的地质现象,并具有较强的预测能力。回顾国内外近年来与内生金属成矿作用有关的研究,主要进展包括以下几个方面:①大规模成矿作用往往与小岩体有关;②成矿作用发生在混沌边缘或地壳中物理化学条件急剧变化的部位;③地球内部含有大量的流体,流体中成矿物质的溶解度强烈依赖于压力,因而成矿作用与深部流体紧密相关;④成矿作用是一种地质时间尺度上的瞬时过程(小于1Ma,实际上位于同位素测年方法误差范围之内),且受控于岩石圈性质,因而岩石圈灾变伴随着成矿作用大爆发;⑤成矿作用的瞬时性和对巨量流体的要求以及岩石圈渗透率随深度下降暗示岩石圈-软流圈系统中存在深部流体库,流体库的位置可能相当于低速高导层和构造滑脱带;⑥在同一能量驱动机制下,形成一系列具有成因联系的矿床类型。这些研究成果从不同的侧面推动了矿床学的发展,为进一步建立整合的内生金属成矿理论奠定了基础。这些研究进展可以用Коржинский早年提出来的透岩浆流体假说整合在一起,构成透岩浆流体成矿理论。该理论将熔浆和含矿流体看作是成矿系统中2个独立的子系统,它们之间的强相互作用导致了成矿物质的输运和在混沌边缘的堆积。使用透岩浆流体这一概念,不仅可以解决小岩体成大矿的物质来源问题,因为可以不再考虑熔浆中成矿元素的溶解度极限问题;也可以解释成矿系统“复杂性”的原因,因为流体的注入可以戏剧性地改变熔浆的性质。透岩浆流体成矿理论可以概述为:①岩浆和流体是成矿系统中2个发生强相互作用的子系统,它们的耦合和解耦主导了整个成矿系统的演化历程;②流体需要岩浆好似钻孔冷却用水需要泥浆,以防成矿流体因地壳浅部构造裂隙太发育而散失;③岩浆需要流体犹如泥石流的发生需要水,以使岩浆可以足够快速度运动,成为有效的“护花使者”;④成矿过程可比作浮选工艺流程,反浮选将成矿金属滞留在岩浆体内,形成正岩浆矿床,正浮选将成矿金属携出岩浆体外,形成其他类型的矿床;⑤在成矿系统演化的时-空结构中,熔浆-流体流可能遭遇不同性质的混沌边缘(物理化学边界层),因而矿床在混沌边缘分形生长,形成有成生联系的矿床系列;⑥流体子系统可以来自一个或多个流体库,与岩浆来源一致或不一致,因而火成岩的成矿专属性是变化的。正如爱因斯坦所言:“一种理论,其前提愈简单,所涉及的事物愈多,其适应范围愈广泛,它给人们的印象就愈深刻。因此,经典热力学给我们以深刻印象。它是仅有的具有普遍意义的物理理论,确信在其基本概念所适应的范围内,它是决不会被推翻的”(转引自文献)。透岩浆流体成矿理论正是基于这个原则构建的,力图将最重要的相邻学科研究进展结合在一起,期望其成为内生金属矿床研究的新起点。4成矿理论研究的前提是:解释或验证了矿标志的出现岩浆热液成矿理论失败的最明显原因则是对成矿预测的作用不大,透岩浆流体成矿理论应当极力避免这一点。新理论诞生的主要目的不在于指出成矿作用与什么因素有关,而是阐明这种关系的属性以及如何利用这种关系推动学科的发展和指导找矿实践。如果说该理论的确将上述与内生金属成矿作用有关的最新研究进展有机地结合在一起,应当说起到了推动学科发展的作用,因为岩浆热液成矿理论不能解释这些问题。但是,仅仅做到这一点是不够的,它还应当具有更强的成矿预测能力。成矿预测的最大困难在于已知矿床和未知矿床之间的信息不对称(叶天竺,2006,私人通讯)。这表明,根据常用的类比法则不能有效地进行成矿预测。在第十届全国矿床学会议上,有人提出这样一个问题:如果从来没有见过大象(比作新的矿床类型),如何根据“摸”到的一部分判断它是大象?这两种不同方式的表述阐明了同一个道理,成矿理论必须具有可演绎的能力:根据零星的而不是完整的地质证据判断成矿潜力或进一步找矿的方向。这种思想符合复杂性科学的基本原理:影响成矿作用的因素可以有很多,但在成矿系统演化的时-空结构的某一具体位置上起主要作用的因素很少。换句话说,复杂性科学不是使问题变得更复杂,而是更简单。成矿理论的另一个重要任务是完成从成矿理论向找矿理论和找矿方法的转化。理论研究可以充分复杂,但结论必须充分简单,因为不可能要求每一个找矿工程师都成为科学家。因此,成矿理论的研究应当推导和验证具体的找矿标志。从哲学的角度来说,矿产是一种客观存在,因而矿产是可以认识的。这就是说,所谓的成矿预测并不是真正意义上的预测,而是将零散的地质证据有机地组合在一起揭示成矿作用的规律,进而判断矿体的赋存位置。要做到这一点,必须对观测对象的科学涵义有清楚的理解。在这个基础上,推导有效的找矿标志是可能的。一个典型的实例是河北涞水安妥岭钼矿的勘查。安妥岭钼矿是华北地质勘查总院近年来发现的一个大型钼矿,并有成为超大型钼矿床的潜力。但是,该矿床自上个世纪80年代发现以来,找矿工作一直围绕安妥岭岩体的外接触带进行,直到2007年底尚未取得突破性的进展。为此,华北地质勘查总院出资与中国地质大学(北京)组成联合科研小组,对安妥岭钼矿进行综合研究。前导性研究表明,宽谱系岩墙群是一种新的火成岩组合,是造山旋回(阶段)结束的标志。从传热学角度考虑,这类岩墙群的产生过程必须有大规模流体活动的参与,因而可以作为成矿预测的指示器。安妥岭钼矿区确实有宽谱系岩墙群的产出,脉岩类型包括煌斑岩、辉绿岩、玄武岩、闪长玢岩、高镁安山岩、二长花岗斑岩、花岗闪长斑岩等。这意味着,安妥岭地区具有找矿潜力。但是,大多数脉岩都不含矿。基于透岩浆流体成矿理论分析,岩脉的作用主要是堵塞流体通道防止成矿物质散失,致矿岩浆体应当是岩墙分布区的斑岩体或出露宽度较大的岩墙,因而安妥岭岩体成为关注的对象。如果是这样,由于流体可以导致