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试论矿床成因的基本模型
翟裕生
作者简介：翟裕生
，教授，博士生导师，中国科学院院士，主要从事矿床学、矿田构造和区域成矿学的教学和研究工作
“大道至简“，
基本的原理往往最简单，也最最实用
。
翟裕生院士总结
成矿基本机理
用1
2
个字概括，即
“多因耦合，临界转换，边界成矿”；成矿系统即“源、运、储、变、保”5个字。
掌握矿床成因的基本模型，能够更好的应用矿床学理论指导找矿
和理论创新。
摘要：
简要回顾了作者矿床学研究经历和成果
，
据此探讨了研究矿床成因的基本原则和主要机理
。作者将系统论与历史观相结合，
把成矿系统理论扩展为“源
-
运
-
储
-
变
-
保”五阶段过程，
认为“储”即成矿机理是矿床学研究的核心内容
。成矿基本机理可概括为
“多因耦合，临界转换，边界成矿”
。
多因耦合指控成矿因素在同一时
-
空域中的最佳组合，是成矿的基本条件
。成矿参数的临界转换是导致成矿作用发生，是成矿的决定因素。
边界成矿也称“边缘成矿”或“界面成矿”，是指矿床形成在地质体的边缘或两个地质体的界面，
如板块边缘、盆地边缘
。文中
以多个实例说明
广阔地质时
-
空边界成矿的
普遍性
，还提出了进一步研究成矿机理的建议。
关键词：矿床学；成矿系统；成矿机理；多因耦合，临界转换，边界成矿
矿床学又称矿床地质学、经济地质学
，
是地质科学的主要学科之一
。
它以对国民经济和地质科学发展有意义的矿床为对象
，
研究各类矿床的特征、成因、时空分布及其经济意义
。矿床学作为一门历史悠久的学科
，
是人类对各类矿床实践和认知的经验
与科学总结
，
为人类经济合理地找矿、勘探和开发矿产资源发挥了重要作用
。近年来
，
国内外的地质学家在矿床研究各方面都做过大量的研究工作
，
取得多方面进展
，
在文献中介绍了其中的若干主要成果。
首先是从
1955
年起，以研究矿床个体为重点
，
如河北大庙钒
－
钛
－
磁铁矿矿床，进而研究矿床组合
，如与岩浆侵入体有关的
矽卡岩型
－
斑岩型
－
热液脉型铁
－
铜矿床组合
（铜陵地区）；
再则研究一定区域中由同一地质成矿作用生成的多种矿床组成的矿床系列（或成矿系列）
，如长江中下游成矿带
铁
－
铜
－
金成矿系列
，从而进入
区域成矿学的研究领域
。
在上述工作基础上，
自
20
世纪末期开始
，
笔者又运用系统科学和历史科学相结合的思路研究成矿系统
，
并进而在地球系统科学思路的启发下，于
2007
年提出了
“地球系统
-
成矿系统
-
勘查系统”
的研究理念主张
将成矿系统研究建立在地球系统科学这个大平台上
，并将其研究成果更有效地指导矿产资源勘查系统，
这是
21
世纪初期有关矿床研究的新理念。
成矿系统一词应用已久，对其理解不完全一致，但大同小异
。
笔者认为：
“成矿系统是地球系统的一个组成部分
，它是指在
一定的地球时
－
空域中，控制矿床形成、变化、保存的全部地质要素和成矿作用动力过程
，
以及所形成的矿床系列、矿化异常系列构成的整体
，
是具有成矿功能的一个
自然系统
。” 这一概念中包括了
矿床的形成、变化、保存的全过程
（图
1
），显然，这是对成矿系统一词的广义理解。
图
1
成矿系统及其演变结构图
成矿系统包括五要素，
即“源、运、储、变、保”
。
“源”指矿质、流体、能量的来源，这是矿床形成的物质基础
。
“运”是指携带矿质的成矿流体沿一定通道运移到矿床定位场所的作用过程
。
“储”指在一定地质时
－
空域中矿质富集形成矿床的过程和机理。
“变”指矿床形成后，随着其所在环境的变化
，已有矿床发生种种变化，包括形态、产状和物质组分的变化与改造。
最后，经历了地质沧桑的不断变迁，一部分矿床被保存下来
（“保”），
一部分矿床在地壳运动中已经被破坏消失
。所以，“源、运、储、变、保”这
5
个字反映了矿床形成、变化、保存的来龙去脉，
可以说是矿床学研究的一条主线
。笔者在《成矿系统论》⑷一书中，将传统的矿床形成的“源
－
运
－
储”三阶段过程，
扩展为“源
－
运
－
储
－
变
－
保”五阶段过程，
这可以说是将系统论与历史观相结合研究矿床学的一个进步（图
2
）。
图
2
成矿系统及演变示意图
在“源
－
运
－
储
－
变
－
保”中，最关键的是“储”，
即矿床的形成——成矿机理，
源和运是形成矿床的基础和准备
，变和保是矿床后来的演变，
而储——矿床形成则是矿床学研究的核心内容。
经过上百年来对成千上万个矿床的全面研究，
地质学家们发现了多种成矿机制
，包括
熔离分异、结晶分异、气液分异、动力分异、化学分异、重力分异、热液交代蚀变、热液环流萃取、生物化学作用
等；划分了
几十种矿床成因类型
，如岩浆矿床、热液矿床、火山矿床、沉积矿床、生物成因矿床、变质矿床和风化矿床等；
建立了若干个重要矿床类型的成因模型
，如斑岩型矿床模型、岩浆硫化物矿床模型、火山成因块状硫化物矿床模型、热水喷流矿床模型及其他，
简明地反映了它们各自的地质背景、控矿因素和成因机理，并以上述的矿床成因类型知识和矿床模型为指导
，
在全球各地发现了众多的金属、非金属和能源类矿床，
为经济和社会发展提供了重要的物质基础。
本成矿机理
科学研究的目的之一是发现新的事物
，
并从复杂纷纭的事物中提炼出本质的规律性认识
。春秋时代老子提出
“大道至简
”，爱因斯坦指出“杂乱之中求简，不和之间求谐”，
都说明科学精炼的重要意义
。与其他自然科学学科一样，
地质科学也有一个去粗取精、去伪存真、融会贯通、高度提炼的问题
。但是，地质科学的时空领域无限广阔，内容十分复杂，未知因素很多，
正如恩格斯所言：
“地质学按其性质来说，主要是研究那些不但我们没有经历过，而且任何人都没有经历过的过程。
”而且，从对地球的研究程度来看，当前了解较多的还只是地壳表层的水圈、生物圈和大气圈的一部分，
对于大部分地幔和地核所知甚少
。
对于地球
46
亿年演化过程的研究也还只是处于初级阶段。
在这样的条件下，
要提炼出对地质成矿作用的精确的简约的认识，难度很大
。只能以经验规律为基础，加以概括，作为初步的探索。
基于这种考虑，
笔者归于
2010
年起尝试将多种多样的成矿机理
（矿床成因）概括其共性为
12
个字：
多因耦合、临界转换、边界成矿
。具体分析如下。
矿床与岩石不同，它是地球物质运动过程中有用物质高度富集的结果
。形成岩石的条件相对比较简单，所以岩石常见，而形成矿床的因素则比较复杂，
需要多种有利因素的耦合，因而矿石难寻。
多因耦合（指成矿因素的组合或匹配）是成矿
尤其是大矿生成的基本条件
。
多因是指：
地质的、化学的、物理的、生物的多种成矿因素
，
或是矿源、流体、能量、运移通道、矿质储存定位及其他制约因素
。
耦合是指各种成矿因素处在同一时－空域中，
且通过相互作用而彼此影响，并导致成矿作用的发生。研究表明，
成矿关键是各种成矿因素的匹配
，
而不是矿床产出的环境
。
不同成因的矿床有不同的控矿因素
。
以华北陆块西北缘的狼山成矿带
为例，
该带中元古代的海底热水喷流成矿系统发育
，产出多个大中型铅、锌、铜、硫矿床，
是我国北方著名的有色金属成矿带
。据彭润民等闪对该带内
10
多个矿床的研究
，
确认的成矿因素有
12
个，这
12
个因素完全或基本具备的
，
则成为超大型矿床，大部分具备则形成大型矿床，
欠缺某些重要因素则只形成一般的中小型矿床（表
1
）。
表
1
华北陆块西北缘元古宙热水喷流沉积成矿系统控矿要素
在多种成矿因素中，有主要因素，也有次要因素，应加以区分
。
就狼山地区的中元古代热水喷流矿床而言
，
次级盆地、同生断层、含矿热水系统是主要因素
。又例如，
对斑岩型铜矿来说
，
中酸性斑岩、大量含矿热液及适宜的温
-
压条件是主要因素，
而地层、构造变形等则是次要的。
再以与大陆岩浆作用有关的铜
-
镍矿床为例，
据
Li
等 研究，
其主要成矿因素是：
（
1
）富含铜
-
镍的岩浆；（
2
）在地壳浅部岩浆中硫达到饱和；（
3
）硫化物珠滴在岩浆中的局部富集。
简单地说，临界转换指在临界点上物相的突变
，例如水温达到沸点时转化为汽，达到冰点时就转化为冰，这是物质运动过程中的常见现象。矿床研究表明，
大量的成矿作用是在物质分异过程中发生的
，
而结晶分异、液态分异、气液分异、动力分异、重力分异等成矿作用就是临界转换的几种形式
。在地质运动中，
岩性、构造、流体、温度、压力及其他物理化学参数的临界转换
，
导致含矿介质（主要是流体）中物理化学平衡态的失稳，
促使成矿物质的大量堆积，形成矿床
。例如：含矿流体的温度、压力快速下降；
含矿流体周围岩石化学性质的突变（如硅
-
钙界面、酸
-
碱界面）
；
含矿流体周围应力场性质的突变（如开放、封闭）
；
不同来源、性质、成分的流体的混合（如岩浆水与大气降水的混合）等
，在这些情况下，
最易发生矿质的大量富集
。
例如，
地壳浅部的温度、压力
、
Eh
、
pH
等参数的临界转换是很多热液矿床形成的基本原因
。侵入岩体边缘与地层岩性的界面，
由于不同岩石间物理化学性质的差异，造成物理和化学性质的突变
，因而成为矿液与围岩发生水岩反应并沉淀矿石的有利场所。
地球上的临界转换带有多重尺度
，从宏观看，
地表以下
5
〜
10
km
以上的空间是成矿最有利的临界转换成矿带。
李人澍指出：
“绝大部分热液矿床多集中于此。
来自地幔的基性
-
超基性岩等也在这一区间就位……
这一地段正好是
地球浅层地质
-
地球物理
-
地球化学的过渡转换界面
所在，
主要有氧化
-
还原、脆韧性
-
韧性形变、封闭
-
开放环境、有机
-
无机作用的转换界面
……这些界面相互交错，是各类成矿系统得以发生发展、相互过渡、相互结合、相互影响的大舞台，
也可称之为‘成矿圈
’
。
”
在海
-
陆转换带，
由于海洋和大陆环境的异相差异，形成地球物理、地球化学、生物化学的急变带
，使来自大陆和海洋的成矿物质在海盆边缘汇聚成矿此外，古气候演变中干旱与潮湿的转换、寒冷与炎热的转换，都会导致风化作用、沉积作用等表生作用发生变异，
造成地表环境物质分异过程中的突变因素并诱发有用物质的大量堆积成矿
。
现以变质核杂岩及剥离断层带的临界转换成矿为例
。
在伸展构造动力作用下
产生的变质核杂岩及剥离断层
是促成临界转换成矿的重要因素。
断层下盘岩石埋藏较深，以韧性变形为主
，形成网络状韧性剪切带，使基底岩系或侵入其中的基性岩糜棱岩化，
提供部分变质热液，形成还原环境下的热液循环系统
。
而断层上盘高角度正断层和脆性破裂系为地下水的深循环提供了通道
，异常的热梯度为流体循环提供了热能，
从而形成一个与大气降水体系相连的氧化环境下的水热循环系统（图
3
）
。这样，
剥离断层带就构成了一个构造、流体
、
Eh
值都呈显著差异的临界转换带
，两套不同性质的热水循环系统在剥离断层附近交汇，
形成很好的氧化
-
还原带，成为矿质沉淀的地球化学障，形成了多个矿床
。
图
3
变质核杂岩构造流体成矿系统示意图
1
—碎裂岩带；
2
—糜棱岩化带；
3
—同构造花岗岩；
4
—岩石圈地幔；
5
—沉积岩层
；6—
表生堆积物
；7—
上盘流体系统
；8—
下盘变质热液流体系统
；9—
幔源热及气液系统
；1
0
—
Cu
、
Pb
、
Zn
、
Au
矿床。
侵入岩体与围岩的接触带是常见的临界转换带。
由岩浆侵入进而冷凝成的火成岩与周围岩层在岩性、结构、温度、压力、流体等方面都有显著差异是促使成矿物质临界转换从而大量沉淀的有利地段，
大量的矽卡岩型及有关类型矿床就是在这样的环境中形成的。
如果岩浆侵入在更浅的部位（超浅成），则可形成
与中酸性斑岩有关的
斑岩型铜、钼矿床
，
或与中
-
中基性玢岩有关的玢岩型铁矿，
后者的实例如宁芜玢岩铁矿（图
4
）。
图
4
宁芜玢岩铁矿成矿模式图
1
—
青龙群石灰岩
(T
1-
2
)
；2—
黄马青组砂页岩
(T
2
)
；3—
象山群砂岩
(J
1-2
)
；4—
龙王山、大王山两旋回火山岩
(J
3
/K
1
)
；5—
辉长闪长玢岩；6一辉长闪长岩；7一蚀变分带界线；8一角砾岩化带及角砾状矿石；9一块状矿石；1
0
—
镜铁矿或磁铁矿脉；1
1
—层状铁矿；1
2
—黄铁矿化；1
3
—浸染状磁铁矿化。①一龙旗山式
;
②一竹园山式
;
③一龙虎山式
;
④一梅山式
;
⑤一凹山式
;
⑥一陶村式
;
⑦一向山式
(
黄铁矿
);
⑧一姑山式、凤凰山式。
I
—下部浅色带
；
Ⅱ
—中部深色带
；
Ⅲ
—上部浅色蚀变带。
边界成矿也称“边缘成矿”或“界面成矿”
，
是指矿床形成在地质体边缘或地质体界面及附近
。研究表明，
很多矿床产在地质体的边界
。有些专家对此做过研究，其中，
孙启祯
对边缘成矿的研究比较系统全面。他以大量实例为依据，
划分了边缘成矿的类型，区分了边缘成矿的不同尺度
，
认为地质时空边缘成矿是一个普遍规律
，提出地球内、外部异相差异所产生的成矿边缘效应
是造成边缘成矿的主要原因
，
并以“边缘—差异—成矿”作为总的概括
。
於崇文
深入研究了成矿系统的复杂性，
他应用非线性科学和复杂性理论认识矿床的内禀本质属性，
系统深入地研究成矿的发生、驱动力、动力学机制、时－空结构与定位，
获得了矿床成因和成矿规律的一项重要发现
，
即“矿产资源自发地通过自组织而归宿于自组织临界性与混沌边缘，并且分形生长
”，或者简称为
“矿床在混沌边缘分形生长”
。他还通过典型矿床实例分析，指出该理论对矿床成因与成矿规律研究和矿产勘查具有重要意义。
笔者认为，
从成矿动力学的角度分析，
正因为是临界转换引发成矿作用
，
所以矿床大都定位在地质体的边界。
临界转换成矿明显地发生在地质空间的边缘和界面
，
包括地质体边界、地球化学障和地球物理转换带
。例如
地层界面、岩性界面、不整合面、构造边缘、构造转换、侵入体边缘、盆地边缘、古陆边缘、海陆交会带
等。
从矿床的空间分布规律看，
很多矿床产在地质构造体的边缘
，
翟裕生等
对全球
107
个超大型矿床和中国
73
个大型、超大型矿床所处的构造环境和类型
做了统计分类
，
指出这些矿床大都分布在不同类型大地构造单元或地质体的边缘部位
，包括
板块边缘、海
(
陆
)
盆地边缘、岩体边缘、构造形态边缘和地层及岩相交界面
。
板块构造边缘
经历了漫长的地质作用
，
是壳－幔作用活跃、构造运动复杂、各层圈物质、能量交换频繁、成矿作用显著的大地构造单元
。
全球范围内许多大型、超大型矿床分布在板块边缘和古大陆边缘。
例如，全球主要的斑岩铜矿和浅成低温热液型金矿产在环太平洋板块的边缘地带。
按照板块边缘的构造动力学特征
，
Burchfiel
将板块边缘构造形态
划分为离散型、汇聚型和转换型
3
类
。
每一类板块边缘都有其构造特征和主要的成矿系统和矿床类型，
本文作者将其概括为简表
(
表
2
)
。
表2 古大陆边缘构造成矿系统
以华北陆块为例
，
在其边缘地区产有东升庙和霍各乞铅锌铜硫矿、白云鄂博稀土－铁－铌矿、四子王旗萤石矿、东坪金矿、焦家金矿、玲珑金矿、金川镍
-
铜矿、金堆城和南泥湖钼矿、小秦岭金矿、中条山铜矿等
（图
5
）。
在扬子陆块边缘，
产有昆阳磷矿、东川铜矿、会泽铅锌矿、老王寨金矿、个旧和大厂锡
-
多金属矿、柿竹园钨
-
铋
-
锡
-
钼矿、铜厂铜矿等，
其中有些是世界罕见的特大型矿床。
图
5
华北古陆主要矿集区分布图
图中着色的
7
个块体代表
7
个古陆核
.
在国外，著名的奥林匹克坝铜
-
铀
-
金矿床
（Olympic Dam
）
、
布罗肯希尔铅锌矿
（Broken Hill
）
、
芒特艾莎铅锌矿
（MountIsa）
分布产在澳大利亚克拉通东缘和东北缘
；
全球主要的岩浆型镍
-
铜矿床产在古陆边缘
；还有非洲陆块南部边缘的金、铂、铬、金刚石矿床等。
华北
古陆边缘之所以有利于产出大矿、超大型矿床
，
笔者等曾总结有几个基本要素：
1
）成矿物源丰富多样
；
2
）含矿地质流体汇聚
；
3
）高热动力异常
；
4
）壳
-
幔物质循环作用显著
；
5
）大型构造密集并长期活动
；
6
）多种成矿地质环境
；
7
）漫长的成矿地质历史
：
8
）多种临界转换成矿动力学机制
：
9）
多期叠加成矿
；
（
10
）矿床的适度保存
。
总的认为，古陆边缘存在临界转换的有利条件：
有多个层圈（上地幔、软流圈、下地壳、中地壳、上地壳、水圈、大气圈、生物圈）和各个层圈的交界带（莫霍面、软流圈
-
岩石圈界面、大洋板块
-
大陆板块界面、海
-
陆界面），
它们都是地球物理和地球化学性质的明显转换带即突变带。
在这些带上经常发生物质和能量的显著交换，是大型构造运动、巨量岩浆活动、大规模流体运动的发生地，
也是导致多种成矿作用发生的地质背景条件
。
盆地边缘成矿也具有普遍性。
以鄂尔多斯盆地为例，近年的综合找矿工作在该盆地北缘和东北缘发现了超大型砂岩型铀矿
，与煤系伴生，有重大的经济意义。
边界成矿也发生在地质时间的边缘，而且有不同的尺度
。尺度大者有地球演变历史过程中的转折阶段，
如元古宙与寒武纪之交、中生代与新生代之交、侏罗纪与白垩纪之交，
地球上均有重大事件发生，导致显著的成岩
-
成矿事件及大量矿床的生成
。
尺度小者如侵入岩体就位早期和晚期的转换阶段常产出大量的矽卡岩型矿床。
研究表明，
成矿作用是由低级向高级发展的
。在地球演化过程中，
由于重大地质事件，如古陆聚散、大气和海洋的成分突变、生命活动爆发等的制约和影响
，
成矿的地质环境和矿化特征会出现突然变化，即由渐变到突变
，
也即临界转换。
这些突变使地球历史上总的成矿过程表现为阶段性。
以这种地质成矿过程中的突变为依据，可以区分出地史几个大的成矿阶段
，即太古宙、元古宙和显生宙等，各有其特定的成矿系统和矿床类型。
以水圈、大气圈中的氧化
-
还原状态的突变为例
。
在古元古代和中元古代之交（约在
1800
Ma
）
，
在河流
-
三角洲沉积相中
，
通常的碎屑状黄铁矿和沥青铀矿不再出现
，
苏必利尔型铁矿的比重也明显下降
，
而代之以红层铜矿
（
如著名的赞比亚铜矿带
）
，
而克林顿型铁矿也相继产出。
这一新旧矿床类型的更替
，
与变价元素铁、铜、铀等有关
，
也即与沉积环境中氧的含量剧增
，
氧化
-
还原状态的急剧变化有关。
再以中国
东部白垩纪的成矿大爆发为例
，
在这一时期
，
我国东部的地质构造格局发生突变
，
以东西向为主的构造体制
转变为以北北东
-
南南西向为主的构造体制
，
华北地区的岩石圈强烈减薄
，
大规模的火山
-
侵入岩浆活动频繁
，
沉积盆地广泛发育
，
还有显著的热液环流系统和水岩反应
。受这些因素的共同作用
，
导致了中国东部中生代的成矿大爆发
。笔者认为
，
重大地质事件伴有大规模成矿的原因很复杂
，
其中的重要原因可能是重大的构造转折引发的一系列成矿参数的联动转换作用
，
并导致大量矿床的生成
，
详见参考文献。
需要说明的是
，
边界成矿观点并不意味着所有边界部位
、
边界时期都成矿
，
也并不排除非边界也能成矿
。自然科学史表明
，
一种观点学说经常是重点解释某一种或几种自然现象
，
适用于一定的范围
，
有其局限性
。因此
，
要从
“多因耦合、临界转换、边界成矿”的整体观点
来认识基本的成矿机理。
（
1
）
地质学是一门历史性科学
，
也是一门区域性科学
。
不同时代、不同区域、不同地质环境下的成矿作用明显不同
。不同的成矿系统
，
其“多因耦合、临界转换、边界成矿”的成矿机理有不同的表现形式
，
各有特色。
需要从区域地质结构特征和区域演化历史过程出发
，
进行深入研究
，
以利于认识各自的成矿规律
，
有效地指导区域找矿工作
。同时
，
对各个成矿区域的深入研究所获得的新知对于“多因耦合、临界转换、边界成矿”这一观点也是很好的检验、充实和修正。
（
2
）
现有对成矿基本机理的认识
，
还只限于初步的理性认识
，
需要从复杂性科学的深度
，
进一步研究临界转换、分异富集成矿的动力学机理
，
在方法上由定性分析向定量发展
，
在广度上由地质研究向地球系统科学的整体结合上探索
，
以便提炼出更能深刻揭示成矿作用实质、更具全面指导意义的理论学说。
（
3
）
为了全面、深入地研究成矿规律
，
探索矿床成因的本质
，
需要数学、物理、化学、生物学、非线性科学等与地球科学的融合贯通
；
需要哲学的参与和指导
，
尤其是辩证唯物主义和历史唯物主义的指导
。在这些方面
，
还需要我们长期的学习和实践。
根据作者多年来矿床学研究经历和成果
，
以系统论与历史观的结合，
将成矿系统理论扩展为“源
-
运
-
储
-
变
-
保”五阶段过程，
反映了矿床形成、变化、保存的全过程。
其中“储”，即矿床成因是矿床学研究的核心内容
。
在众多的矿床成因机理中提炼其共性，提出其基本成因模型，是矿床学的重要前沿课题。
本文以大量的矿床研究为基础，
将成矿的基本机理概括为
“多因耦合、临界转换、边界成矿”
，
它全面地反映了多种成矿作用的共性，
对深入研究成矿规律有重要意义。
考虑到成矿作用的复杂性，也考虑到现有矿床学的研究水平，本文提出的认识需要进一步深入，
这一
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字模型的普适性有待在矿床研究和勘查实践中检验，深入的成矿动力学机制也有待进一步探索。
在成文过程中，柳振江博士在图件、文字加工等方面给予很多帮助；蔡克勤、刘家军两位教授对文稿提出修改意见，在此一并深表谢意。
原文来源：
地学前缘2014第1期P1-81005-2321
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