Question

　上地壳演化与成矿作用

Answer 1

简单地总结一下上地壳演化与成矿作用的关系，对于我们开阔思路，扩大视野，在更高的层次上，更深刻地理解矿床的成因是很有必要的。

近年来，通过对一些重要矿床广泛地对比研究发现，随着地质历史的发展，矿床类型也有其发展演化的历史，某些原有的类型消失了，并被新的类型取而代之，某些类型变得越加复杂，越加多样化了。因此，把矿床作为独特的和具有特殊意义的岩石类型放在上地壳的发展、演化中去加以研究，就能揭示不同矿床类型间的成因联系；打破矿床类型间是彼此孤立没有联系的旧观念；阐明确定矿床类型，特别是超大型矿床形成的地质条件及其必然性。总之，我们必须遵循一种演化的观点，研究矿床在地质历史中形成及分布的规律。

比如铁建造，阿尔戈马型铁建造主要形成于太古宙，并与金、镍和贱金属矿床伴生。进入元古宙时期，虽然也有阿尔戈马型铁矿产出，但其规模小很多，代之而起的是苏必利尔型铁建造。该类型铁矿床广泛出现于元古宙冒地槽环境，并且局限于大约2200Ma一个非常狭窄的时间间隔内。在此，发人深思的是，形成苏必利尔型铁建造的特殊时间和空间位置是一个全球性的地质现象。与阿尔戈马型铁建造相比，苏比利尔型铁建造则以氧化物相为主，它不与金、镍、贱金属等主要矿床类型相伴生，在较年轻的岩石中也没有重要的再现情况发生。在显生宙的克林顿型和明尼特型富铁岩与前两种类型铁建造完全不同，其物质来源是大陆岩石风化的产物，矿床规模也小得多。

贱金属硫化物矿床在地质特征上，与上地壳演化的关系更为密切。从太古宙开始，最早形成的是Zn-Cu-Au型块状硫化物矿床，并延续到古元古代，同时在古元古代又出现了新的多金属Zn-Pb-Cu型矿床（图1-44）。在中元古代（大约1800～1000Ma）明显缺少以火山岩为主岩的矿床类型，但相应大量出现了以碎屑岩为容矿主岩富Zn-Pb-Ag的超大型层控矿床。继之在新元古代又出现了以碳酸盐为容矿主岩的Zn-Pb-Ag硫化物型矿床，并一直延续到显生宙。较早期的富Cu-Au型的块状硫化物矿床，首先再现于显生宙造山带发育的最早阶段，而后重现年轻的、富Pb-Ag型的矿床。

图1-44　块状硫化物矿床和其他类型硫化物矿床的时间分布及其发育高峰期（据Hutchinson,1980）

上述资料说明，不同金属组合、不同类型矿床的形成与上地壳的演化过程息息相关。比如，两类含铁建造成因的差别是上地壳发展、变化的直接结果。首先，在太古宙3000～2500Ma期间，堆积了巨厚的火山岩系，海水在全球范围内与火山岩发生反应，淋滤出大量的金属。但正如我们所看到的，在太古宙只有少量金属堆积在火山喷口附近，大多数金属被保留在大洋中，当时海洋正处于还原状态，因而铁主要呈二价铁的形式溶解于海水中。到元古宙早期，由于海水演变为相对氧化条件，于是保留在海水中的二价铁处于不稳定状态发生沉淀，形成全球性的规模巨大的苏必利尔型铁矿床。这样，我们便不难理解苏必利尔型铁建造为什么不伴生大量火山岩；为什么仅出现于元古宙早期，而成矿的时限又如此之短暂且不具重现性；为什么出现在浅水冒地槽环境，并形成于相对氧化的条件下，而基本上不出现或很少出现硫化物相、碳酸盐相及磁铁矿相；为什么不与金、镍及贱金属矿床相伴生等等。

各类块状硫化物矿床与上地壳演化关系的具体情况可能如下：

太古宙最早期的构造作用所引起的是来自地幔的超基性-基性岩浆活动。这种岩浆活动是通过断裂或裂谷形成的。它们或者是在原始的薄层地壳内发生的，或者可能是直接从地幔中和地幔上面发生的。这种类型的岩浆活动持续进行，就会造成重力的不稳定性，也会造成强烈的沉降作用或“垂向俯冲”。正如在显生宙俯冲带一样，这种较老的超基性-基性“洋壳”沉降后经过部分熔融会受到改造，从而会发生“第二次地壳分异”，产生似岛弧型火山作用的厚层分异拉斑质到钙-碱质火山岩系。这些岩系含有以加拿大太古宙为最典型的最早期Zn-Cu型块状硫化物矿床。根据这些矿区及其矿床规模很大，数量很多，彼此相距很近来判断，再根据含矿绿岩带火山岩系的厚度和面积来判断，这种火山作用以及与此同时产生的热卤水排放，其规模之大，数量之多，迄今为止地球上都是无与伦比的。

太古宙构造作用的高潮是基诺拉造山运动（2500Ma）的花岗岩深成作用和交代作用。这次造山运动使整个较早期的绿岩带火山岩石隆起、变形和变质。于是，可能首次形成了一种变厚了的硅铝质陆壳，从而给新的演化性的构造旋回开辟了道路。在元古宙，陆壳裂谷作用变成主要的构造作用，这种构造作用是很重要的，它形成了一些古裂谷系（其中有些含碱性杂岩），形成了一些古元古代大型配合沉积盆地（如维特瓦特斯兰德盆地）以及大量的元古宙拉斑玄武质侵入体（后者又形成一些大的岩床、岩墙和岩盖，如尼皮辛辉绿岩，萨德伯里侵入体，布什维尔德杂岩体等等）。

可以认为，在古元古代（2200Ma，阿费布运动早期），地壳裂谷上的位移主要是垂向的，可能仍反映着更早期的以垂向为主的太古宙构造作用。这就导致较老的未成熟的Zn-Cu型矿床的重现，而且因为陆壳增厚的缘故，也导致演变为出现较晚期的Zn-Pb-Cu多金属型矿床。这些矿床中普遍存在硫酸盐，而在较早期的Zn-Cu型矿床中硫酸盐很少，这表明在古元古代地球水圈充氧也是富Pb-Ag多金属型矿床演化的一个因素。

到中元古代（1800～1000Ma），与火山活动有关的早期Zn-Cu型和Zn-Pb-Cu型矿床突然消失了，被称之为“火山成因间断”（Hutchinson,1980）。伴随该间断全球性地发生了以下一些重要地质事件：第一，在中元古时期，地壳强烈的沉降作用变成了沿大陆裂谷系的侧向位移和分离作用，结果形成了大型的堑沟和充满沉积物的深槽；第二，挤压成因的钙碱性安山质火山岩，仰冲上来的蛇绿杂岩显著减少，但大型基性侵入体增多；第三，优地槽型脉状金矿床明显减少，但与镁铁质杂岩有关的Ni-Cu矿床和喷气沉积型的Pb-Zn-Ag矿床增多。这些事实说明了当时地球处于膨胀状态，因此“垂向俯冲”变成了横向分离，火山喷发变成了深成侵入，并且在地球上首次出现了像现代大洋的深洋盆。与火山活动有关块状硫化物矿床的消失，以沉积岩为容矿岩石超大型Pb-Zn-Ag矿床的形成就是在这种地质环境下发生的（Hutchinson,1973）。

前寒武纪最晚期，可能标志着板块构造作用的形成开始，地壳发生大规模侧向运动，大洋和大陆岩石圈板块相互作用，并一直持续到现在。值得指出的是，尽管这些板块格局广泛变化，但所有较早期的矿床类型及其形成的地质环境都曾沿线状板块边界处重复出现（虽然时间间隔和空间比例都小得多）。尤其是现代海底火山岩型块状硫化物矿床为研究古代同类矿床提供了理想的现代实例。对这些矿床的研究表明，现代洋脊裂谷环境形成的矿床（如东太平洋21°N,11～13°N，中大西洋21°N）与古代塞浦路斯型矿床十分相似，弧后盆地环境形成的矿床（如冲绳海槽Jade热田）与古代黑矿型矿床十分相似。特别是Jade热田的矿床形成于陆壳环境，在那里，古代黑矿型矿床一切地质-地球化学特征都得到了很好的解释。然而，从另一方面来看，在新的地质环境下，又出现了新的矿床类型，如密西西北河谷型Pb-Zn矿床和斑岩型Cu矿床。斑岩Cu矿与火山岩型块状硫化物矿体之下的富铜蚀变带之间有很多相似处，这说明前者相当于后者的次火山作用产物。也许，斑岩Cu矿是在延续俯冲的时候并在俯冲的地方发生的。该时该地洋壳被陆壳掩覆，从而阻止喷溢流体到达海底。与此相伴，弧后扩张和弧后盆地也消失了，火山作用从海相改变为陆相。成矿环境这种改变常见于南美安第斯带边缘，那里是世界上最重要的斑岩铜矿区之一。这种情况说明，在上地壳演化过程中，当产生某种特定元素组合矿床的环境消失了，新环境就会容纳这些元素从而演变产生新的矿床类型。

概括地说，矿床的形成及其在地质时期的分布是受上地壳的演化及所处地质环境制约的。太古宙时期是以延续的火山作用为特征；元古宙的构造运动先是以加厚的陆壳的裂开为主，而后沿裂谷产生重大的水平分离；最后大洋块与大陆块水平运动加剧，形成多样化的构造格局；显生宙时期板块环境发生了新的变化，产生了新的板块边界类型。各种不同的矿床类型及大小不等的单个矿床都是在上地壳演化过程中，于特定地质环境下形成的。从这种认识出发，我们就能对矿床中一些更深层次的问题做出更合理的解释。比如，为什么铅的工业堆积发生在22亿年以后？这可能有以下原因：①在古太古代，地幔物质中Pb的含量较少，但随着时间的推移及U、Th衰变反应的进行，Pb的含量逐渐增加；②在地质历史中，在壳幔演化过程中，Pb则倾向于向着陆壳物质中聚集，其在壳幔中的分配比率为0.993∶0.007；③在大约2500Ma时，太古宙构造作用出现了重大事件，此时伴有大规模的花岗岩深成作用和交代作用发生，并可能首次形成了具有一定厚度和硅铝质陆壳。在岩浆作用过程中，Pb主要载体矿物是长石，因此伴随着大规模花岗岩体及硅铝质陆壳的形成，Pb则从幔源物质中被选择性地聚集在壳源物质中，这为Pb的工业堆积提供了特质基础。到古元古代（大约2200Ma），另一次全球性的构造运动使地壳进一步增厚，此时火山岩中长英质组成明显增多，Pb则首次在块状硫化物矿床中达到了工业堆积的规模；④如前所述，在大约2200Ma左右，大气圈、水圈也由还原状态变为氧化状态，这个转变可能也是Zn-Pb-Cu型多金属矿床开始形成的一个重要因素。又比如，在地质历史中，为什么阿尔戈马型铁建造最早形成，这种最早形成的铁矿床为什么总是具有正铕异常；古元古代以前块状硫化物矿床的硫同位素组成为什么都接近零值，而其后有关矿床的硫同位素组成变化则很大，往往出现较高的正值；Sedex型矿床为什么贫Cu而富Ag、Ba等等。无疑，这些问题都应该在成矿作用与上地壳演化关系的研究中找到合理答案。