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1、 6 3 曹 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V 0 1 5 6 N o 2 M a r 2 0 1 0 基于透岩浆流体成矿理论 的 GI S矿产预测研究 赵 增 玉 潘 懋 潘 赘 张 志 虎 1 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室 北京 1 0 0 8 7 1 2 北京大学数学科学学院 北京 1 0 0 8 7 1 内容提要 本文以内生金属矿床透岩浆 流体成矿理论为基础 以分级预 测体 制的思想 为指导 认为在成 矿理论 指导下提出的各级预测体制对应的宏观地质标志是连接 透岩浆流体 成矿理论 与 G I S成矿信 息的纽带 并从成 矿地
2、 质背景 成矿作用触发机制和金属大规模 堆积三方 面 分别说 明了各级 预测体制及 可能利用 的宏 观地 质标 志 最 后 通过研究 目前广泛使用的 G I S评价方法 初步建立起透岩浆 流体 成矿理论 应用于宏 观地质标 志矿产 预测 的 G I S预 测系统框架 关键词 透 岩浆流体 成矿理论 GI S 矿产预测 分级体制 自2 0世纪 9 o年代初至今 矿产预测评价信息 化的主要 特征 是应 用高新 技术 和 地理 信 息 系统 G e o g r a p h i c I n f o r ma t i o n S y s t e m GI S 采 集 多 源 地学信息 从地质 矿产 地球
3、物理 地球化学 遥感 等多学科的角度进行综合分析 评价工作全面实行 数字化 数据库化 自动化和网络化 可以克服原有 矿产预测评价方法中数据分散 保存方法落后 操作 原始 要求不统一 资料利用率低 的多种弊病 在 GI S矿产资源评价过程 中 尤其起关键作用的是成 矿信 息 的提取 和高度 综合 B o n h a m C a r t e r 1 9 9 4 肖 克炎等 1 9 9 9 而这项工作的实施需要依赖一个很 好 的理论基础 在基于 GI s的成矿预测中 很多 G I S矿产资源 评价研究者 赵鹏大等 1 9 9 4 姜作勤 1 9 9 9 肖克炎 等 2 0 0 9 一直都在强调 要将
4、 GI S评价技术与成矿 理论相结合 真正将专家的成矿理论 找矿理论知识 应 用于 预测实 践 当然 学 者们 一 直 都在 努 力 做 到 这 一点 如 袁峰 等 2 0 0 4 提 出为 了充 分利 用 领 域 专 家 的知识 一种 可 行 的研究 思 路 是 采 用 层 次 分析 方法 将 矿产资 源预测 的各要 素按 隶 属关 系分 为若 干层 次 而矿产 预测专 家对各 层次 各 因素 的相 对重 要性给出定量指标 然后利用数学方法进行综合分 析 进 而得到 各层 次 各 因 素 的相 对 重 要 性权 值 以 此作为预测评价的一个基础或者一个专题层 肖克 炎等 2 0 0 6 阴江
5、宁等 2 0 0 9 在中国铜金数字矿床 模 型评价 系统 中 通 过建 立 中 国铜金 数 字 矿床 模 型 专家 系统 并 将专 家 系统 与综 合地 学 GI S数 据库 及 MRAS矿产资源 GI S评价系统工具有机结合 初步 实现 了 专 家 系 统 与 GI S技 术 融 合 肖克 炎 等 2 0 0 9 提到将成矿系列理论 程裕淇等 1 9 7 9 陈毓 川等 1 9 9 8 与矿产资源评价结合 综合评述 了如何 将成矿系列理论用于指导找矿评价 及矿产资源评 价如何为成矿系列理论的实际应用提供平台并验证 成 矿系列 理论 在前 人 研究 中指 出 成 矿 系 列理 论解 决 的是
6、 矿 产预测中成矿作用的关键地质共性 问题 是区域矿 产资源预测评价的重要理论依据 肖克炎等 2 0 0 9 数字矿床模型系统是通过专家系统推理出所要预测 的矿床类型 肖克炎等 2 0 0 6 其实质是为 GI S分 析提供评价专题层的选择 而并没有将专家知识与 G I S完全融合 实质上 实现 G I S与专家知识 即专 家对成矿作用 成矿规律的认识 的完全融合在现阶 段几乎不可能 这是由于复杂地质过程导致 的多解 性造成的 不同的专家对地质过程的理解都不一样 为此 需要尝试选择一个先进的 普适性的成矿理论 指导 GI S成矿预测 该成矿理论应 当可以满足从不 同尺度 不同层次研究成矿规律
7、可以对各种异常信 息的提取起指导作用 尤其是对于大比例尺预测 可 以根 据理 论获取 有 效 的找 矿 地质 标 志 从 而 可 以充 分利 用 GI S空 间 数 据 表 达 及 空 间 分 析 功 能 使 得 注 本文为 十一五 国家科技支撑计划重大项 目子课题 编号 2 0 0 6 B AC 0 4 B 0 1 国家 自然科学基金资助项 目 编号 4 0 7 4 2 0 1 5 的成果 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 5 改 回日期 2 0 0 9 1 2 2 8 责任编辑 章雨旭 作者简介 赵增玉 女 1 9 8 4 年生 博士研究生 主要从事基于 GI S的 固体矿产资 源评
8、 价理论与方法研究 通讯 地址 1 0 0 8 7 1 北京大学 逸夫贰楼 3 4 3 9室 E ma i l z e n g y u l 2 0 6 1 6 3 c o rn 通讯作者 潘懋 教授 电话 O 1 O 一6 2 7 5 1 1 6 5 E ma il p a n ma o p k u e d u c n 地质论评 GI S评价工作可以结合领域知识更好地发展 罗照华等 2 0 0 9 以科尔任斯基的透岩浆流体假 说为主线 围绕矿床成 因三大基本 问题 源 流 汇 整合了国内外有关这些问题的最新进展 运用 地质 学 地球 物理 学 地球 化学 岩石学 矿物学 以及 热力学等多学科知
9、识的交叉融合 发展成了透岩浆 流体成矿理论 该理论对 内生金属矿床的成因解 释 成矿规律分析可能具有普适性 并且从热力学 运动学 动力学等不同角度论述 提出了透岩浆流体 成矿作用的地球动力学事件链 及成矿作用的宏观 表现 比较适 合 于成矿 预 测 的 G I S表 达 本文 试 图 以该理 论 及其 分级 预测 体制 为基 础 建立 GI S成 矿 预测框 架 用 以指导 内生金 属矿 的 GI S预测 工作 首先 概略 介 绍 了透岩 浆 流体 成 矿理 论 其 次 从 透岩浆流体成矿作用角度叙述了六级成矿预测体制 及可能的宏观地质标志 接着以预测体制为基础 基 于 G I S 初步建立起
10、了透岩浆 流体成矿理论应用于 宏观地 质标 志成矿 预测 的 G I S应用基 本框架 1 理论基础介绍 罗照华等 2 0 0 7 初步提出了一个透岩浆流体成 矿作用理论的框架模型 根据该模型 岩浆体系和 含矿流体体系是两个完全不 同的地质体系 它们因 相互需要而耦合在一起 当这种耦合关系解体时 就 导致 了成矿作 用 的发 生 该 理论 将矿床 学研究 的重 要进展 如小岩体与大规模成矿 成矿作用发生在混 沌边缘 成矿系统或成矿系列 深部流体成矿作用 岩石圈灾变与成矿作用大爆发等 整合在一起 对成 矿流体的来源 岩浆活动物理化学过程及成矿流体 运移 成矿流体汇聚 含矿物质沉淀等一系列过程进
11、行了详细的阐述 并结合野外地质现象的实际观察 提出透岩浆流体成矿作用理论可能适用于大部分与 内动力地质作用有关的成矿作用 罗照华等 2 0 0 7 透 岩浆流 体成 矿理 论 可 以简 要 描述 如 下 罗 照 华 等 2 0 0 7 由 于地球 各 圈层 的封 闭 效应 在 地 球 内部广泛存在被封存的深部流体 流体中成矿金属 的溶解 度强烈 依赖 于 压力 这 些 深部 流 体 必然 含 有 丰富的成矿物质 当岩浆发生并 向上迁移时 这些 流体就会跟随着岩浆一起上升 并推动岩浆快速侵 位 当岩浆快速侵位并冷却时 深部流体不能或很少 进入岩浆 有可能在岩浆体冷却收缩形成的接触带 构 造裂 隙
12、中堆积 成矿 如果岩 浆上 升速度 与流体 同 步 含矿流体就有可能进入岩浆体内 既降低岩浆的 密度使其得以快速上升 又可以寻求岩浆的保护 使 其成矿元素的浓度不会 因为流体 与围岩接触而降 低 岩浆到达地壳浅部后 成矿流体与硅酸盐熔体 发生不混溶分离 分别形成贫矿的熔体和富矿的流 体 随着温度的下降 在寄主熔体固结成岩之后或 固结过 程 中 成 矿 流体 开 始 析 出有 用 组 分 成 矿 作 用 因此 所有 的矿化作用都限于岩体 内部 如形 成斑岩型矿床 如果成矿流体上升的速度稍快 他 们就有可能从岩浆体中逃逸或逃逸一部分 在岩体 顶部和围岩中成矿 成矿流体上升速度足够快时 它们可以完全
13、穿透岩浆进入围岩或流体通道中 这 时岩浆体仅仅是含矿流体继续上升的驱动热源 该 理论 围绕地 质 过程 的能 量驱 动机 制 提 出了 地球动力学事件链 将深部地质过程作为地球浅部 所有地质 过程发 生 的触 发 器 认 为成 矿 作用 涉及 不 同层级 的地质过 程 既涉及全球 动力 学系统 也 涉及 具体的触发机制 成矿预测过程中既要注意区域模 型 的地质 产物 特征 也 要重 视 小 到矿 物 尺度 的标 型 指示 透岩浆流体成矿理论 根据控制 因素 提出了 一 个六级成矿预测体制 从成矿地质背景 成矿作用 触发机 制到金 属大 规模 堆 积 由大 到 小 依次 为成 矿 带 成矿段 成
14、矿域 矿集区 成矿中心 矿床或矿体 罗照华 等 2 0 0 9 2 分级预测体制划分及宏观地质标志 矿床学研究揭示了矿床及其组合与区域构造背 景 的密切 联 系 包 括 成 矿作 用 的动 力 学联 系 和物 质 联系 动力学联 系 暗示 成矿事 件与其 他地质事 件处 于同一地球动力学系统 的控制之下 成矿系统是地 球 复杂 巨系统 中的 一个 特 殊 子系 统 物质 联 系表 明 成矿物质及其组合与岩石圈 软流圈系统物质结构 有关 因而成矿作用也与区域地质发展史密切相关 但是 构造背景实际阐明了区域成矿的潜力 并不一 定会导致 成矿 因此 成矿 过 程是 一 个 确定 性 随机 事件 过程
15、启动之后体系的性状强烈依赖于随后 出 现的外界约束 理解每一个外界约束的性质及其对 系统 的影响程 度成 为成 矿预测 的关键 根据透岩浆流体成矿理论 深部流体聚集成库 是成矿作用发生的一个先决条件 这将要求岩石圈 具有较长的时间处于平衡运动状态 成矿作用的发 生应当有一个适 当的触发机制 亦即具体的深部动 力学过程 这样的过程应当是地质时间尺度上的瞬 时过程 因为流体中金属的溶解度强烈依赖于压力 深部流体只有快速上升才有可能导致大规模成矿作 用 此外 成矿预测最终需要落实大规模金属堆积 第 2期 赵增玉等 基于透岩浆流体成矿理论的 G I S矿产预测研究 的场所 从 而实现成 矿预 测 的最
16、 终 目标 罗照华等 2 0 0 9 详细阐述了透岩浆流体成矿作 用 提出了地质过程的地球动力学事件链 从内生金 属矿床成因的基本解出发 逐步引申到区域的能量 驱动机制上 是 由小及大的推理网络 根据这一系列 地球动力学链及成矿作用 下文将从成矿地质背景 成矿作 用触发 机制 和金 属 大 规模 堆 积 三个 方 面 详 细介绍各个预测层次 并试 图寻找与其相对应的宏 观地质标志 以期与 G I S成矿信息更好的结合 2 1 成矿 地质 背景 成矿系统的最高阶外部约束是系统运动的驱动 力 地质过程 可 以理 解 为地 球 动力 学 系 统 的做 功 而地球的内动力一般认为来 自地球深部 其最基本 的运动方式是热能和位能耦合导致的地幔对流 这 种对流涉及到巨大的物质系统和能量系统 一经启 动将很难发生改变 因而具有长程时一空结构和可 预测性 这样的动力学系统对岩石圈的约束是巨大 的 可 以导致岩 石圈板块 裂解 生成 倾 没和 碰撞 常 常在地球表层形成巨大 的构造带 金属矿产就宿主 于这样 的构 造带 中 因 而从 成矿 作用 的角度来 说 这 样 的构造带 称为成 矿带 构造带的前身
