黄金课堂 | 成矿系统的基本要素

成矿系统

成矿系统一词自 70 年代初见于地质文献,什么是成矿系统? 在 1979 年版的英文地质辞典中没有这个术语, 在俄文地质辞典(1973 ,卷 2)中 ,成矿系统被解释为“由成矿物质来源 、运移通道和矿化堆积场所组成的一个自然系统”。以后 , М•П•马祖洛夫(1985)提出 :“成矿系统是导致矿床形成的地质体、地质现象和地质作用的总和。”В•И•森雅克夫(1986)认为:“成矿系统是下列因素的总和:能量和物质的来源、搬运介质、矿质运移的机理和通道、矿石堆积场以及矿石堆积作用 ,这些因素的相互作用导致矿床形成。”Б•М•契克夫(1987)指出:“成矿系统是在一定空间(现在的或地质历史时期的)导致成矿物质高度浓集的构造 物质因素和流体因素相互作用的总和。”上述俄罗斯学者对成矿系统的定义是大同小异的 ,他们比较强调两个方面 ,一是矿源、运移和矿石堆积的作用过程, 二是强调构造、物质 、能量 、流体等控矿因素及其相互联系。这两个方面都是成矿系统的基本内容。澳大利亚的 A•L•贾奎斯(1994)提出 :“成矿系统可定义为控制矿床的形成和保存的全部地质要素,着重在以下作用 :成矿物质从源区的活化、运移, 并以高度富集的形式堆积,以及在以后地质历史中将它们保存下来的作用。”这一定义增加了将矿床保存下来的作用 ,体现了历史演化的思路 ,对找矿有实际意义。

基本要素

主要有：成矿物质;成矿流体;成矿能量;成矿流体的输运通道;矿石堆积场地 。

成矿物质

成矿物质是成矿系统中的物质基础 ,包括金属元素、非金属元素、有机质和它们的化合物。地幔、地壳和水圈是成矿物质的总仓库, 能源源不断地供应成矿物质。按成矿物质来源可分为幔源、壳源、壳幔混源、海水源、大气降水源以及星外源等 ,其中地幔地壳来源是最重要的。成矿物质既可直接来源于一般岩石,也可来源于已初步富集某些矿质的矿源层(岩)。对矿源层研究的大量文献表明 ,具备矿源层(岩)固然有利于成矿 不具备矿源层(岩)但成矿地质作用强烈、持续或反复多次,也能将一般岩石中某些成矿物质反复萃取和高度浓集而形成矿床。矿质来源地可称为矿源场(金属省、地球化学省),它们作为区域性分布 ,并能在较长的地质历史中贡献成矿物质 。一个成矿系统中有一个或若干个矿源场 ,可是同一性质的(如若干个含矿岩系), 也可以是不同性质的(如形成铜矿的铜来自某含矿地层,也来自深源火成岩体)。矿床中的矿质可是单组成的, 如单一的铜矿 ,也可以是多组成的,如 Cu,Au 矿床, Pb,Zn ,Ag 矿床,它们或来自同一个矿源场 ,或来自不同矿源场而在运动汇集过程中实行多组分耦合而形成多矿种矿床。作为矿质直接来源的含矿岩石建造(如某一地层组或某一含矿侵入岩套)比较易于查明,而作为矿质间接来源的原生矿源地 ,因其反复变动或距矿产地很远而不易追溯。现今已有较系统的同位素地球化学和元素地球化学等示踪方法, 用以提供关于成矿物质来源地的线索 。

成矿流体

指各类地质流体经过一定的地质演化而演变为包含和搬运成矿物质的那一部分流体,包括来源于大气降水、海水、地层水、岩浆水、变质水和幔源的流体等, 一些矿化剂如 C, N , F ,Cl, S, P 等也以多种形式被溶于水中参预对矿质的搬运和沉淀作用。成矿流体的功能是萃取、溶解、搬运和沉淀、聚集成矿物质,是沟通矿源场、运移场和储矿场的纽带和媒介, 因而是成矿系统中最为活跃的要素 。流体的稳定、充分供应是成矿系统能否正常运行的关键 。在一个成矿系统中,成矿流体可以是一种类型 、一个来源, 也可以是几种类型、几个来源的耦合。不同类型流体的混合作用(如岩浆热液与大气降水混合)常是促使矿质沉淀的动力机制 。区域尺度的成矿流体经常是多类型和多来源的, 其运动和演化过程较为复杂。

成矿的能量

成矿作用动力学的核心是成矿作用的发生, 即矿化向成矿的转变 ,这就需要自然力的驱动。促使成矿的动力是广义的 ,有热梯度、压力梯度、浓度梯度、速度梯度和化学反应亲合力等。在这些作用力的驱动下,成矿系统这部“机器”得以发动和运行,包括流体的萃取、运移、流体输运过程中的水岩反应(也即系统与环境的耗散作用等)以及流体中有用物质的沉淀堆积等。有了动力的供给,系统内部得以保持运动状态和具有自组织的能力,使从无序向有序演化,从而达到成矿功能。成矿的能量基本上是从环境中汲取的,能量大小决定着成矿作用能否进行 ,能量过小不足以启动成矿或只有微弱矿化 ,使成矿系统走向“夭折 , 能量过大也不利于成矿, 超过临界阈值时,系统将越过非平衡定态而达到“混沌” ,导致成矿物质运动趋于无序状态, 因而破坏了有序的成矿过程。对于区域成矿作用来说 ,成矿所需的能量主要来源于有一定规模的构造运动和岩浆活动。而适度的能量供应一般都位于构造带和岩浆带的边缘转换部位 。

成矿流体通道

指矿质及成矿流体在地质体中输运并趋向富集的渠道和路径, 它是联系矿源场和储矿场的构造网络,也被称为运移场或中介场 。通道包括岩石中的孔隙、裂隙、断层、空洞等形式,具有连通性、方向性和局域性(不太散漫)。运移的主干通道一般是由构造作用形成的 ,如断裂带。但具有一定规模的透水层也可以作为流体的主干通道。成矿通道有多种类型,这在矿田构造学中有较详细的叙述。一个成矿系统中可有若干个相互连通的主干通道 ,它们组成矿化(蚀变)网络。在成矿过程中流体通道是动态的 ,在变化中的 。主要变化表现为裂隙的张开和闭合, 由此影响到流体运移的速度和方向。当含矿流体由多个通道向矿石堆积地汇集时,成矿可达到相当的强度从而有可能形成大型矿床。流体在岩石中孔隙中的主要运动方式是渗流 ,渗流的速度受多种因素的制约。

矿石堆积场地

指矿床定位场所 。在石油地质学中使油气汇集的构造岩石因素称为圈闭在金属成矿学中矿石堆积地也称成矿圈闭或场地准备。形成矿石堆积场地有 3 个条件:一是有足够的矿石堆积空间(可以是原已存在, 也可以是在成矿过程中逐步扩展);二是有利于矿石沉淀的物理化学条件, 常称为地球化学障、地球物理障或构造物理化学障 ,指物理化学性质的突变带 ;三是有封闭矿液使之汇聚而不致分散流失的圈闭(封闭)条件 ,包括岩性圈闭和构造圈闭或二者的复合。氧化还原界面和湖、海、洋的水体底界也可起到圈闭成矿的作用。矿石堆积场地是由岩石构造因素耦合形成的, 又取决于其所在的深度和温度、压力状态。对大量的热液矿床来说, 构造岩相的局部异常并导致各种控矿参量(T,p,Eh,pH,f(O2), f(S2)等)发生突变的地段, 经常是矿石堆积的场所。矿石堆积场地的结构特征制约了矿石类型、矿体产状、形态、矿体与围岩关系等矿化特征, 也影响到矿床的规模 。如产在侵入体与碳酸盐岩接触带上的夕卡岩矿床 ,产于各种岩石断裂中的热液脉状矿床 ,以及经多期成矿叠加改造而成的层控矿床等。在一个成矿系统中,矿石堆积场地一般有多个, 每一个场地可成为一个矿床 , 这些矿床可是同成因类型 ,也可是不同的成因类型,视其具体的构造 岩石环境和成矿方式而定。当大量矿质向一个矿石堆积地汇聚时 ,则可形成较大规模矿床 ;当矿液向多个矿石堆积地分散时,常形成中小型矿床。