“深部地质作用及战略性关键矿产”专辑特邀主编寄语——深部过程与地表响应

曾普胜

自然资源部生态地球化学重点实验室, 国家地质实验测试中心, 北京 100037

1 深部地质作用与关键矿产

正如习近平总书记倡导“向地球深部进军是我们必须解决的战略科学问题”, 深部地质作用的研究对于解决深部探测关键科学问题极为重要。

深部地质作用: 深部地质作用是深部探测研究的主要目标之一。这里的深部地质作用是指涉及的地幔与地壳相互作用, 包括地幔来源的深源岩浆作用(金伯利岩、钾镁煌斑岩、地幔橄榄岩、碳酸岩等)以及幔源岩浆与地壳相互作用形成的碱性岩岩浆作用(如碱性玄武岩-碱性流纹岩等)及其相关产物(矿产等)。当然, 还包括由深源岩浆与浅部围岩相互作用而衍生的岩浆岩。这种深部地质作用涉及理解地球层圈对流循环的全新模式, 及对流循环的深度可能涉及到核幔边界(CMB)的尺度(Shiery et al., 2103;Mao and Mao, 2020), 大洋物质的循环的稳定大陆下方, 最深达2970 km深处, 并以惊人的方式返回到大陆表明, 形成大火成岩省, 形成的岩浆活动不同于以往板块构造塑造的较窄的弧形空间——大陆边缘岛弧或洋内岛弧(Sillitoe, 1972), 而是形成面型分布的大火成岩省, 不管在大洋或在大陆上。并且,深部地质作用控制着包括金刚石在内的矿物的形成方式和作用过程也有新的方式和新的类型(杨经绥,2020; 杨经绥等, 2021), 给了研究者认识深部地质作用的新的视觉。

战略性关键矿产: 战略性关键矿产越来越受到重视,中国的战略性关键矿产已被做了重要部署、研究和厘定, 并发表了相关重要成果(侯增谦等, 2008;陈毓川等, 2016; 翟明国等, 2019; 毛景文等, 2019;王登红, 2019; 王学球, 2020)。根据《全国矿产资源规划(2016—2020年)》, 中国的战略矿产资源38种:石油、天然气、铀、铁、锰、铬、钒、钛、铜、铝、镍、钴、钨、锡、铋、锑、铂族、金、稀土、铌、钽、锂、铍、锶、铷、铯、锆、锗、镓、铟、铼、碲、钾盐、硼、萤石、高纯石英、石墨、氦气。涵盖56种关键元素: 56个元素: C, U, Fe, Mn, Cr, V, Ti,Cu, Al, Ni, Co, Wo, Sn, Bi, Sb, PGE (Ru, Rh, Pd, Os, Ir,Pt), Au, REE (Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb,Dy, Ho, Er, Tm,Yb, Lu), Nb, Ta, Li, Be, Sr, Rb, Cs, Zr,Ge, Ga, In, Re, Te, K, B, F, Si, He。本专辑主要涉及金刚石(C)、铀、铂族、金、稀土、铌、钽、锂、铍、铷、铯、锆、铼、碲、硼、萤石等矿产, 属于深部探测中抛砖引玉的探索。

2 深部地质作用的研究

本专辑深部地质作用的研究涵盖的较长地质历史。包括早元古代、泥盆纪、侏罗—白垩纪(燕山期)、第四纪等几个地质时期出现的深部地质作用。

早元古代板内岩浆作用: 鲁西地区早元古代((1817±35) Ma)的角闪石岩揭示的来自板内富集地幔的浆活动与富钛的铁矿等形成有关(王凯凯等,2021)该区这类岩体可与辽东裂谷和豫西地区的熊耳群的岩浆作用对比, 勾画出早元古代华北地台的板内幔源岩浆的活动脉络。

泥盆纪板内伸展: 黔南地区独山的泥盆纪底部的伸展构造控制的海进层序形成的不正面上纪录的热事件及其相关的蚀变岩石指示的潜火山活动(韩雪等, 2021)具有重要意义, 提示地学研究者关注从关系下雷锰矿到黔南地区的金-锑矿, 再到湘鄂地区的宁乡式铁矿, 区域上具有内在演化关系并在泥盆纪有可比性, 预示着一个涉及广泛区域的板内伸展事件的开启。

侏罗纪—白垩纪(燕山期)板内岩浆作用: 郯庐断裂带两侧的(含金刚石)金伯利岩带的研究(王十安等, 2021)和扬子湘黔钾镁煌斑岩带的研究(李睿哲等,2021)揭示出, 金伯利岩带内可能有钾镁煌斑岩产出,而钾镁煌斑岩带内也可有金伯利岩的产出, 因而,郯庐断裂带的金伯利岩带与湘黔钾镁煌斑岩带可能属于白垩纪时期(139—101.6 Ma)金伯利岩带与钾镁煌斑岩带交替出现的两个地段。中国东部燕山期存在的金伯利岩-钾镁煌斑岩±橄榄玄武岩±碳酸岩的幔源岩浆岩与面型分布的规模宏大的双峰式火山岩(特别是大面积的碱性流纹岩、粗面岩等)代表的硅质大火成岩省(SLIPs)构成中国东部燕山期大火成岩省(曾普胜等, 2021a), 为揭开中国东部燕山期大规模形成战略性关键金属的神秘面纱, 掀开一个角落。

新生代板内岩浆作用: 大同及张家口地区板内新生代碱性玄武岩早期的盾火山在当地被称为“坝”,汉诺坝、塞罕坝均属此列。张家口坝缘地区在盾火山的基础上, 再堆积形成的火山锥, 在盾火山及基础上海拔又增加了不少, 可以形成第四纪(2500—11 ka)冰川(刘广等, 2021), 对当地及其邻区的生态气候影响显著。这正是深部地质作用唤起地表相应的典型案例。该火山岩带拓展到北东方向的五大连池地区, 保留有中国纪录最新的火山喷发事件——老黑山、火烧山, 连通其下稍早的火山喷发旋回, 构成一个完整的第四纪火山岩层序(曾普胜等, 2021b),这套火山岩层序代表了大同—大兴安岭幔源火山从西南向东北迁移的最前沿, 记录着地幔流体迁移的轨迹, 是深部探测值得关注的案例; 同时, 这套富钾、磷和微量元素的碱性玄武岩, 是北大荒“黑土地”的优质成土母岩, 对塑造生态多样性有重要贡献。

3 战略性关键矿产的研究

战略性关键矿产主要涉及金刚石、铀矿、金矿、稀土矿、锰矿, 并对铌钽锆铍、铂族元素、铼、钴镍钒钛锰铬、油气、煤等矿产与深部地质作用关系进行了梳理和总结。

金刚石与金伯利岩: 辽宁瓦房店金伯利岩群近年来勘查取得了重大进展, 付海涛等(2021)对瓦房店含金刚石金伯利岩带控矿规律和找矿进展的成果是该区最新总结, 反应在以西侧 1号岩管为中心向东呈扇形展布且金刚石含矿性逐渐变好的总体趋势。冯爱平等(2021)总结近十年来蒙阴金伯利岩带在深部金刚石找矿方面取得的理论和实践总结无疑对其他地区金伯利岩带增强了信心, 三维数字模型对地质-地球物理-地球化学-遥感资料的综合反映为智能找矿提供了借鉴。对山东郯城地区18颗金刚石样品的傅里叶红外光谱和显微激光拉曼光谱的测试结果(吕青等, 2021)表明, 郯城金刚石以Ⅰa型金刚石为主, 有ⅠaA、ⅠaB、ⅠaAB型, 而Ⅱa型仅1粒; 郯城金刚石中柯石英包裹体的出现, 是榴辉岩型金刚石存在的可靠标志。基于对国内外最新金刚石研究现状的梳理, 对金伯利岩内容纳的包括金刚石、镁铝榴石等在内矿物反映的深部信息进行了总结介绍(王十安等, 2021), 以及钾镁煌斑岩带内金刚石含矿指示性矿物的分析及其与战略性关键矿产的关联性和未来的钾镁煌斑岩找矿前景分析(李睿哲等, 2021)的,为这类幔源岩浆在深部探测中应用提供了借鉴。华北、扬子地台内的金伯利岩/钾镁煌斑岩带与金刚石铂族元素等关键矿产内在关系分析, 展现出燕山期大火成岩省的深源岩浆带控制着包括金刚石在内的诸多战略性关键矿产(曾普胜等, 2021a), 是一个值得进一步深入讨论的基础理论问题。

砂岩型铀矿: 铀矿的研究是本专辑的一个亮点。砂岩型铀矿的“双阶段双模式”成矿作用(聂逢君等,2021), 通过中国北方东部巴音戈壁盆地等大型、巨型砂岩型铀矿床的精细解剖, 厘定双阶段的双模式成矿作用模型: (1)早白垩世至晚白垩世早期, 盆地在古太平洋板块高角度俯冲下发生伸展裂陷和拗陷作用, 形成砂岩型铀矿的辫状三角洲、辫状河、曲流河等沉积环境; (2)晚白垩世晚期, 由于古太平洋板块的俯冲由高角度转变为低角度, 盆地由伸展裂陷转变为挤压抬升的正反转演化, 形成早期氧化带型“卷状”铀矿化。始新世以来, 太平洋板块的俯冲再次由低角度转变为高角度, 盆地构造由挤压抬升转变为伸展张裂的负反转演化, 导致正断层与基性岩浆活动, 使铀矿体形态由原来的“卷状”变成了“透镜状”、“囊状”、“板状”, 并伴有高温钛铀矿的出现,形成晚期热液叠加铀矿化。这种突破西方和俄罗斯总结“卷状”铀矿的, 由深部热液参与的两阶段叠加,并出现非卷状矿的高温钛铀矿物可出现的创新模式,对我国铀矿勘查很实用的借鉴意义。钱家店矿床的案例研究(陈梦雅等, 2021)具体展现的热液矿物钛铀矿等与黄铁矿共生的铀矿成矿机制——黄铁矿为铀成矿作用提供了发生还原反应所需要的还原剂, 且黄铁矿和铀矿物的形成与热流体存在紧密联系。这与氧化带的低温还原的“卷状”砂岩型铀矿的矿物组合和成矿过程有很大差别。巴音戈壁盆地塔木素铀矿床的研究(张成勇等, 2021)也客观真实呈现了这类盆地中的砂岩型铀矿床不仅有表生氧化流体作用,还存在深部流体的参与。基于三维地震资料处理的开鲁盆地龙湾筒凹陷构造特征及砂岩型铀矿找矿前景探讨(谈顺佳等, 2021)表明, 对龙湾筒地区的构造形态与含铀层位的地球物理特征对应明显, 铀与油伴生, 成矿远景好, 藉此圈定了有利铀成矿潜力区域, 是地球物理三维成像处理在砂岩型铀矿勘查中的成功应用的案例。

稀土矿: 除了内蒙巴尔哲、山东郗山等与碳酸岩-碱性杂岩有关的稀土矿床(曾普胜等, 2021a)外, 还有云南腾冲龙井山安山岩风化壳型稀土矿床(曾招金等, 2021)的新类型, 其风化母岩是新近纪富含轻稀土辉石安山岩, 很值得关注。

金矿床: 黔西南水银洞金矿长期以来被当作与岩浆岩无关的微细浸染状的“卡林型”的典型代表(夏勇等, 2009; 谢卓君等, 2019)。但金元素超常富集在爆破角砾岩筒中的水银洞金矿(邱小平等, 2021)显著富集金、稀土、亲地幔过渡元素 Ti、Cr、Ni、Co、V等, 以及Zr、Hf等, 明显地区别于围岩, 反映出深源流体快速上升的气液爆破角砾岩的特征。以新的视觉来看待水银洞式的金矿床, 这类矿床将具有相当可观的深部找矿前景。

锰矿: 滇黔桂地区代表性锰矿, 贵州松桃大塘坡锰矿、广西大新下雷锰矿、遵义铜锣井锰矿和云南砚山斗南锰矿的矿相学特征研究(叶太平等, 2021),其沉积微相指示, 这些锰矿床均形成于伸展的构造背景, 而不是简单的铁锰质胶体沉积所能达成的。泥盆纪的下雷锰矿的伸展构造背景得到横向上相近层位的基础地质研究(韩雪等, 2021)的支持。南华纪的松桃大塘坡锰矿、上二叠统的遵义铜锣井锰矿、中三叠统法郎组再进一步研究中也将确认其伸展构造背景, 并且会展示出有深源流体参与的特征。

4 感谢

中国地质调查局/中国地质科学院特别重视深部探测, 部署了“深部探测综合方法技术预研究”项目。本专辑的出版得到了国家地质实验测试中心和东华理工大学领导的支持, 编辑部付出了大量的辛勤劳动。以下专家学者评审了本专辑论文: 杨竹森、邱小平、王敏、杨天南、聂逢君、刘斯文。在此表示衷心感谢。

专辑的绝大部分论文研究工作得到中国地质调查局/中国地质科学院基本科研业务费项目“深部探测综合方法技术”(编号: JYYWF20180101)、国家自然科学基金项目(编号: U2067202; 41772068;41562006)、中国地质调查局地质调查项目(编号:DD20190589; DD20160220; DD20190589; DD20190703;0100123057; DD20190370-34)和国家重点基础研究发展规划 973计划“中国北方砂岩型铀矿流体成矿过程研究”(编号: 2015CB453002)的联合资助。

国家地质实验测试中心教授

“深部探测综合方法技术预研究”项目负责人

《地球学报》常务编委

二〇二一年十一月五日于北京