地学领域一切问题研究的本体是源自壳—幔作用的对全球资源与环境产生深刻影响的物质世界。本文主要研究成矿系统的成矿地球化学问题。成矿地球化学理论认为,成矿物质是成矿系统影响成矿过程的内在因素,也是成矿规律与成矿理论研究的核心问题。以成矿物质为主体研究成矿系统成矿物质与成矿作用问题是成矿地球化学理论的基本含义,贯穿于成矿地球化学研究的全过程。以往较少关于这方面的系统论述。

在数字化与信息化时代,成矿地球化学研究的显著特点是在大调查与大数据发现的科学问题引导下,运用地球系统科学思想研究成矿系统与成矿系列问题,构建成矿地球化学研究的理论框架,为矿产资源勘查、评价与开发技术方法提供理论基础。本文概略地提出成矿地球化学研究的若干科学问题,以及研究这些问题的基本思路。

成矿地球化学理论主要研究成矿系统成矿物质的成因来源、循环演化、分异富集及在成矿作用过程的成矿规律问题,运用微观的成矿地球化学理论揭示宏观的成矿地质问题。中国地球化学大数据展示出成矿物质存在显著的分级分带富集现象,清晰显示全球级、区域级、矿田级及矿床级成矿系统的大规模集群式分级分带分布特征^[1],以及成矿物质在各级次成矿系统成矿作用过程形成相应规模的成矿系列。全球成矿系统主要研究成矿物质在全球成矿作用中成矿域、成矿省及成矿区带系列的成矿过程与成矿关系问题;区域成矿系统主要研究区域成矿作用中矿田系列成矿过程与成矿关系问题;矿田成矿系统主要研究矿田成矿作用中矿床系列成矿过程与成矿关系问题;矿床成矿系统主要研究矿床成矿作用中矿体系列成矿过程与成矿关系问题。

全球各级次成矿系统与成矿系列产生于特定的成矿时代和成矿环境,具有不同特征不同性质的成矿地质—地球化学问题。成矿地球化学理论研究成矿物质与成矿作用问题,主要就是具体研究成矿系统成矿物质在不同成矿时代和成矿地质环境成矿作用过程产生的成矿系列关系问题。

全球成矿地球化学研究全球成矿系统成矿物质的分布、组成及在壳—幔运动过程可能产生的全球性成矿系列问题,研究全球原始年代的成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题。

地球系统是地球上最大的成矿系统。全球成矿系统及其成矿系列的成矿过程与成矿关系问题是地学领域最为重要的科学问题。地壳物质演化源自地幔,地壳成矿元素的分布与组成受地幔物质控制。地幔化学不均一性是20世纪以来地学领域等同于板块构造研究的具有全球意义的重要成就。板块学说成功解释了地壳构造的动力机制问题,地幔化学不均一性理论则解释了地壳物质的分布机制问题。板块运动不仅是构造运动,也是物质的运动。全球成矿地球化学就是研究地壳物质分布机制与地壳构造机制的相互作用关系问题,即是成矿物质在壳幔运动过程中的迁移演化、分异富集和分带成矿问题。地幔物质的不均一性是产生地壳成矿物质不均匀分布及矿产种类巨大差异的主要原因,地幔富集的物质也是地壳大概率成矿的物质^[2-3] 。中国地处亚欧板块、太平洋板块与印度洋板块等全球性跨洲际成矿系统交汇部位,分布古亚洲成矿域、秦祁昆成矿域、滨太平洋成矿域及特提斯—喜马拉雅成矿域等叠置于前寒武纪幔源基底之上的极为独特的成矿域系统^[4]及其成矿省系列,成矿省系统历经不同成矿时代产生成矿区带系列关系。如特提斯—喜马拉雅成矿域在陆—陆碰撞作用过程产生雅鲁藏布江—唐古拉山成矿省、三江成矿省及松潘—甘孜成矿省成矿系列,其中三江成矿省系统又形成三江北段成矿带、白玉—中甸成矿带及腾冲成矿带等贯穿于古生代至新生代的成矿系列^[5]。全球成矿系统及其成矿系列由不同的成矿物质组成,在长期成矿过程演化为全球性成矿地球化学分带分布状态,产生类型迥异的矿产资源及复杂的成矿关系。可以看出(表1),成矿系统成矿系列越是密集,表明成矿作用越是频繁和强烈,成矿物质分异富集越彻底,矿产种类也越丰富。全球成矿地球化学正是研究全球成矿过程与成矿关系问题,也即洲际成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题。

全球成矿系统及其成矿系列反映壳幔物质分布的不均一性。成矿物质可能通过上地幔分熔作用形成幔源型成矿系统^[4],如古亚洲成矿域、秦祁—昆成矿域等。深部地壳部分熔融促使成矿物质分异富集,形成壳源型成矿系统,如滨太平洋成矿域与特提斯—喜马拉雅成矿域。中生代以后,燕山运动在中国东中部导致滨太平洋成矿域与古亚洲成矿域、秦祁昆成矿域叠加,形成壳幔叠加型多源成矿系统,新生代喜马拉雅运动在中国西南部形成壳源型+壳幔同熔型的多源成矿系统。各成矿域内部受大地构造运动影响可能产生不同物质来源的成矿省系列,如古亚洲成矿域东部华北陆块、大兴安岭及吉—黑成矿省等形成幔源型+壳源型+壳幔同熔型成矿系列,西部塔里木陆块成矿省形成幔源型+壳幔同熔型成矿系列,反映各成矿时期构造运动的波及范围与影响程度,导致成矿物质的深度分异演变。在壳幔动力作用过程,一些成矿系统富集某些成矿物质,形成某种成矿元素组合,产出某类矿产成矿系列,而一些成矿系统产出另一类矿产成矿系列(表1),成为划分各级次成矿系统与成矿系列的主要依据。

壳幔物质分布的不均一性与大地构造理论成功解释了全球矿产资源的时空分布规律,全球成矿地球化学主要研究全球成矿系统的成矿过程及其成矿系列的成矿关系问题。所谓成矿过程,主要是从时间维度上研究成矿物质的演变过程,对于全球成矿系统,主要研究成矿域系统、成矿省系统与成矿区带系统及其成矿系列的形成过程。所谓成矿关系,是从空间维度上研究成矿物质的分布关系,对于全球成矿系统,主要研究成矿域系统、成矿省系统与成矿区带系统及其成矿系列的形成关系。一般成矿域系统成矿过程产生成矿省系列,存在成矿省之间的成矿关系问题,成矿省系统成矿过程产生成矿区带系列,存在成矿区带之间的成矿关系问题。以此类推,成矿区带系统成矿过程产生矿田系列,存在矿田之间的成矿关系问题,矿田成矿系统成矿过程产生矿床系列,存在矿床之间的成矿关系问题,矿床成矿系统成矿过程产生矿体系列,存在矿体之间的成矿关系问题。全球各级次成矿系统与成矿系列形成于不同的成矿地质背景环境与构造机制,由一系列具有成因联系的在时空维度交织形成的成矿过程与成矿关系构成。成矿地球化学主要关注成矿过程与成矿关系中的成矿物质与成矿作用问题,探索壳幔形成过程的物质运动轨迹,研究全球成矿系统成矿地球化学过程与成矿地球化学关系及其成矿规律与成矿机制问题。全球成矿系统是地球系统运动的产物,通过研究全球成矿系统可能揭示地球系统的形成过程。

从时—空维度上研究全球成矿过程与成矿关系问题,是在全球成矿系统及其成矿系列之间建立起相互关联的整体性、动态性的研究体系。成矿地球化学研究全球成矿系统时—空关系问题,时间维度主要是研究成矿域系统及其成矿省系列、成矿省系统及其成矿区带系列在各成矿时期的成矿地球化学过程。如滨太平洋成矿域系统产生于太古宙,延续至新生代,主成矿期为燕山期,形成下扬子成矿省、上扬子成矿省、华南成矿省等成矿省系列及其成矿区带系列。特提斯—喜马拉雅成矿域系统产生于古生代,历经古特提斯、新特提斯演化,至喜马拉雅运动达到成矿高峰,形成松潘—甘孜成矿省、西南三江成矿省、雅鲁藏布江—唐古拉山成矿省等成矿省系列及其成矿区带系列^[6]。全球成矿系统空间维度主要研究成矿域系统及其成矿省系列、成矿区带系列成矿地球化学的成矿关系问题。如研究特提斯—喜马拉雅成矿域松潘—甘孜成矿省、西南三江成矿省、雅鲁藏布江—唐古拉山成矿省系列及其相互关系,研究其中三江成矿省三江北段成矿带、白玉—中甸成矿带及腾冲成矿带系列及其相互关系等。与全球大地构造运动相关,全球成矿系统与成矿系列的形成可能集中于某个成矿时代,也可能跨越多个成矿时代,历经各类构造运动,形成各种成矿类型与矿产种类^[4]。成矿地球化学过程产生成矿地球化学关系,成矿地球化学关系寓于成矿地球化学过程之中。不同时代、不同级次及不同方式的成矿过程,产生不同的成矿关系。成矿过程研究为成矿关系研究提供时代依据,成矿关系研究为成矿过程研究提供空间依据。成矿过程对应于成矿时间,成矿关系对应于成矿空间。两者之间,成矿过程产生成矿关系,是成矿关系形成和发展的量变过程;成矿关系链接成矿过程,是成矿过程形成和发展的质变结果。成矿过程的量变导致成矿关系的质变。这就是成矿地球化学理论从时—空两个维度研究全球成矿系统与成矿系列问题的要义所在。

全球成矿过程与成矿关系问题是成矿地球化学研究的基本理论问题和应用实践问题。某一成矿过程如何过渡到另一成矿过程,这就是成矿关系问题,即某一成矿过程与下一个成矿过程的关系问题,需要通过研究其中的成因关系还原相互关联的成矿过程。全球各级次成矿系统与成矿系列是成矿地质历史长期演化的结果。全球各级次成矿系统与成矿系列的成矿过程与成矿关系的成因机制可能完全不同。成矿过程是用成矿时间来计量的,成矿关系是用成矿空间来度量的。成矿地球化学从空间与时间两个维度研究各级次成矿系统和成矿系列的成矿地质—成矿地球化学状态、特征及其形成的全过程。一般首先从时间维度上研究成矿系统和成矿系列的成矿序列与成矿过程,从空间维度上研究成矿系统和成矿系列的分布状态与分布关系,进而综合时—空两个维度研究全球成矿系统从原始状态到最终成矿的演化过程与分布关系,延伸到研究区域成矿系统与成矿系列、矿田成矿系统与成矿系列以及矿床成矿系统与成矿系列的形成过程及其相互关联问题。成矿关系形成于成矿过程之中,成矿关系在成矿过程中发生,成矿过程在成矿关系中演变。成矿系统与成矿系列产生于成矿过程,因而研究成矿过程成矿地球化学问题,就是研究成矿系统与成矿系列形成过程的成矿地球化学问题。成矿过程产生于成矿作用,具有必然性与规律性,而成矿关系具有偶然性与随机性。成矿过程决定成矿关系,成矿关系反映成矿过程。成矿过程的必然性与规律性往往通过成矿关系的偶然性与随机性显示出来。成矿过程必然导致成矿物质的迁移、分异和富集,但是,成矿关系的形成还取决于岩浆构造、围岩性质及物理化学环境等地质背景条件与有利成矿的耦合关系,在矿化程度、矿产类型、规模大小、产状形态等方面又具有偶然性与随机性。这就可以解释掌握一般的成矿规律可以指导找矿,却并不意味着在矿产勘查中可以直接找矿的原因。成矿过程与成矿关系紧密相关。成矿过程研究必须联系到成矿关系问题,从成矿关系中加以佐证,否则成矿过程的研究就是不充分的;成矿关系研究也必须联系到成矿过程问题,从成矿过程中加以证明,否则成矿关系的研究也是不充分的。成矿规律研究必须兼顾成矿过程与成矿关系两个方面。信息时代将成矿过程与成矿关系研究置于地球化学大数据科学系统之中,使所有这方面的研究成为可能。上述构成全球时—空域成矿规律研究的基本框架。

全球成矿地球化学关于全球成矿物质与成矿作用问题的研究具有重要意义。全球成矿物质分布是全球各级次成矿系统成矿物质分布的源产地,全球成矿作用则是全球各级次成矿系统成矿作用的原动力。全球成矿物质的分布格局制约区域、矿田及矿床等各级成矿系统的物质来源、矿产种类、成矿规模及可能形成的成矿系列,全球成矿作用推动全球各级次成矿物质的迁移演化、分异富集与分带成矿。全球成矿地球化学理论是一切关于成矿过程与成矿关系问题研究的起点,也是一切关于成矿地球化学研究的出发点^[3]。

区域成矿地球化学主要研究区域成矿系统成矿物质的分布、组成及在多旋回构造运动过程可能产生的矿田成矿系列问题,研究区域成矿时代的成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题。

全球成矿系统成矿物质的多源性及大地构造运动与地质背景环境复杂的耦合关系,在区域成矿系统形成叠代型、跨代型及同代型等代际成矿过程与成矿关系。但是,成矿关系并不代表成因关系,成矿类型也不完全等同于成因类型。研究区域成矿系统及其成矿系列的时空关系问题必须深入研究产生成矿系统与成矿系列的成因关系,特别是成矿物质在成矿构造旋回作用推动下迁移演化、分异富集的成矿过程与成矿关系问题,也即代际成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题(表2)。

叠代型成矿系统主要研究不同成矿时代叠加形成的矿田系列。区域成矿系统历经多轮成矿旋回,成矿物质发生强烈叠加改造作用,形成新的多源叠代型成矿系列。如长江中下游成矿带铜陵、九瑞、鄂东南等矿田系列成矿物质源自扬子古陆幔源型变质基底,经中生代岩浆热液型成矿系统与晚古生代海底喷流沉积成矿系统叠加复合作用,中生代岩浆热液叠置于晚古生代海底喷流型成矿系统,由热水沉积型含铜黄铁矿成矿系列演变为壳—幔源岩浆热液型铜铁成矿系列,从晚古生代至燕山旋回,成矿种类由单一热水沉积型分异富集演变为多成因多矿种多类型的层控矽卡岩型、斑岩型铜铁硫钼等矿田成矿系列^[3-4]。长江中下游成矿带成矿作用与岩浆侵入活动相关,矿田系列富铁物质与富铜物质分别源于幔源岩浆及壳幔混熔岩浆,在区域成矿过程与古陆变质基底形成叠代型成矿关系,区域成矿地球化学元素呈现亲铁Fe、Co、Ni、V、Ti、Cr组合与亲铜元素Cu、Au、Pb、Zn、W、Mo、Sb组合特征^[7,12]。叠代型成矿系统是中国典型的多旋回成矿作用的产物,成矿物质在成矿旋回过程循环演化,相互叠代,成矿作用越是强烈,叠代程度也越彻底,在时—空上呈现继承、过渡及至替代关系,某些早期成矿旋回成矿系统可能完全转换为晚期成矿旋回成矿系统,如中国东部前寒武纪沉积变质铁矿系统经中生代岩浆重熔作用产生矽卡岩型或火山岩型铁矿系统^[4],基本改变原来的成矿系统及其成矿类型,产生替代型矿田系列关系^[4]。如华南成矿省南岭东—中段锡银铅锌稀有稀土成矿带在元古宙、古生代基底上,经吕梁、晋宁、加里东、印支至燕山旋回大规模岩浆—构造作用过程形成柿竹园、崇余犹为主的壳源叠加的矿田成矿系统^[4⇓-6]。典型叠代型矿田,还如白云鄂博稀土铌铁矿田自太古宙以来经宁晋(1 600~1 000 Ma)、加里东(600~400 Ma)至海西期构造岩浆旋回叠加成矿,晚期成矿物质与早期混合,存在多时代多期次多成因叠加复合成矿作用^[3⇓-5]。云南三江成矿带老厂多金属矿田晚古生代火山喷流沉积型多金属成矿系统与新生代斑岩成矿系统的叠置关系等^[4-5,12]。早期矿田成矿系统与晚期成矿系统产生叠置关系,在我国产生普遍分布的具有多成因特征的叠加型矿田成矿系列^[4]。

跨代型成矿系统研究不同成矿时代并存的矿田系列。如华北陆块北缘太古宙、元古宙、中生代金银铅锌铁成矿带,西天山前寒武纪、古生代、中生代、新生代铀煤铜钼锰铁镍金银稀有金属成矿区,湘中—赣中元古宙、古生代、中生代、新生代铁钨锡锑铅锌稀有成矿区及冈底斯—念青唐古拉中生代—新生代铜钼金铁成矿带等,形成不同成矿时代矿田相间分布的跨代型成矿系统,演绎形成“四代同堂”的跨代际成矿系列,显示不同的区域地球化学异常组合。其中冈底斯中段成矿带成矿于中生代新特提斯洋壳俯冲岛弧环境的雄村—洞嘎铜金矿田,孤悬于新生代区域成矿系统驱龙—甲玛、朱诺等矿田系列之中,与喜山期成矿系统形成跨代关系。跨代型成矿系统研究表明,后期成矿旋回往往没有完全叠加于先期形成的矿田系列,构成区域成矿系统多时代多来源多成因矿田的共生现象。研究跨代型成矿区带(表2)看出,矿田由老至新成矿种类与类型趋于多元化,反映成矿物质在多旋回成矿过程不断活化转移与分异富集,纷纷独立成矿。如华北陆块北缘太古宙与远古宙主要为铁金矿产,中生代出现铅锌银金铜矿产等;西天山成矿带在中生代出现铀石膏矿,湘中—赣中在燕山期形成铌钽矿及在新生代产出风化淋滤型锰矿等。跨代型区域成矿系统成矿物质来源可能为同源型,如冈底斯中段矿田系列均为壳幔同熔型,也可能为多源型,如湘中—赣中成矿区为壳源型+壳幔同熔型等。

同代型成矿系统研究同时代并存的矿田系列,即形成于某个成矿旋回的矿田系列。如产生于喜山期成矿旋回的西南三江北段成矿带玉龙—纳日贡玛—沱沱河矿田系列,这也是成矿时间由早到晚、由东向西的成矿顺序,形成玉龙Cu、Mo、Pb、Zn、Ag等组合,纳日贡玛Cu、Mo、Pb、Zn、Au等组合,沱沱河Pb、Zn、Cd、Cu、Ag等组合矿田成矿系列^[1]。3大矿田同代而不同成因,前两者形成于典型斑岩成矿环境^[12],后者则形成于完全不同的层控中—低温成矿环境。目前研究认为3大矿田成矿物质来源均为壳幔同熔型。应深入研究3大矿田成矿过程及其成因关系问题,如玉龙矿田与纳日贡玛矿田深部成矿过程与成矿关系问题,即成矿过程的内在联系问题;沱沱河碳酸盐岩型矿田与斑岩型矿田的成矿过程与成矿关系问题,即外生矿田和内生矿田成矿过程与成矿关系问题。在更大成矿背景上,三江北段区域成矿系统与周边区域成矿系统的成矿过程及成矿关系问题,即成矿系统之间关系问题等等。三江北段成矿带是研究同代型成矿系统关于特定地质环境条件下成矿地质—地球化学过程与成矿关系问题的典型案例。

不同成矿时代成矿物质来源具有的特定的地球化学谱系脉络,代表不同成矿时代的成矿系统与成矿系列。地球化学谱系等同于生物学基因谱系的唯一性,用以追溯和研究叠代型、跨代型及同代型成矿系统与成矿系列成矿物质的组成类型、迁移演化和成矿过程及其代际关系。由上可以认为,叠代型成矿系统与成矿系列全部受到前后成矿作用的影响,跨代型部分地受到前后成矿作用影响,而同代型较少受到前后成矿作用的影响。纵观地壳漫长的成矿过程,后期新生成的成矿系统总是不同程度以不同方式叠加在前期成矿系统之上,形成多成因多类型的叠合关系与叠加型矿产^[4]。

矿田成矿地球化学主要研究矿田成矿系统成矿物质的分布、组成及在构造—岩浆作用过程可能产生的矿床成矿系列问题,研究矿田成矿时期的成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题。

矿田成矿系统意为矿床集聚地区。在区域成矿系统成矿物质演变及成矿作用推动下,在矿田系统形成同期型、跨期型、叠期型等矿床成矿系列。如研究燕山期矿田成矿系统,其中同期型是指燕山成矿时期某个成矿期次产生的矿床系列,跨期型是指先后出现在燕山早、中、晚多个成矿期次产生的矿床系列,叠期型指燕山晚期矿床系列叠加于早期矿床的成矿系列,具体研究矿田系统成矿时期不同成矿期次成矿物质在构造—岩浆动力作用下矿床系列的成矿过程与成矿关系问题(表3)^{[5⇓⇓-8,10-11]}。

同期型矿田成矿系统主要研究特定成矿时期某个成矿期次成矿作用过程形成的矿床系列,包括成矿物质同源分异、迁移演化、分带规律及成因机制问题等。如长江中下游成矿带矿田系统主要成矿于燕山旋回晚期,主导性成矿作用为燕山晚期大规模构造—岩浆活动,形成九瑞、铜陵等同期型矿田成矿系统及其矿床成矿系列。其中九瑞矿田形成城门山Cu、Mo、Au、W、Zn、Sb组合,武山Cu、Ag、Au、Pb、Sb组合,封山洞Cu、Mo、Ag、W、Pb组合的矿床成矿系列^[9],铜陵矿田形成狮子山Cu、Au、Pb、Zn、As组合,铜官山Cu、Ag、Au、Pb、Zn、Cd、Sb组合的矿床系列^[9]。但东部宁镇铅锌银矿田成矿年代较晚于其他地区,矿床系列又有跨期型特征^[7]。如西南三江北段形成于喜山后期的沱沱河矿田多才玛、楚多曲、约改等铅锌矿床系列。又如西天山形成于华力西早期的阿西矿田伊尔曼得、京希、恰布坎、塔吾尔别克金矿床系列等,总体显示为同源同成因同时期同期次矿田成矿系统与成矿系列(见表3)。同期型矿田成矿系统区域成矿地质背景与成矿模式各不相同,矿床成矿系列成矿类型也差异较大。长江中下游成矿带矿田系统是在叠代型区域成矿背景下形成的包括斑岩型、矽卡岩型、沉积—热液叠加改造型在内的同期型矿床成矿系列,西南三江北段成矿带沱沱河矿田系统为同代型区域成矿背景下形成的碳酸盐岩类型的同期型矿床系列,西天山成矿区阿西金矿田为跨代型区域成矿背景下形成的硅化岩型的同期型矿床系列。与多源型区域成矿系统不同,矿田系统及其矿床系列物质来源通常为同源型,如阿西金矿田系统与矿床系列均为壳源型,鄂东南矿田、铜陵矿田、九瑞矿田及其矿床系列,以及驱龙—甲玛铜多金属矿田系统与矿床系列为壳幔同熔型等。

跨期型矿田系统主要研究成矿时期各期次构造岩浆作用形成的矿床系列,研究矿床之间成矿物质的迁移演化、分异富集过程形成的成矿关系问题。如南岭东段崇余犹矿田在燕山早期形成西华山等W、Bi、Mo、Sn组合矿床系列,燕山晚期形成漂塘等W、Sn组合矿床系列^[13],与燕山多期岩浆活动密切相关,成矿物质显示壳源型特征,均为同源同成因同时期而不同期次的矿田系统与矿床系列。有研究表明,漂塘钨锡矿床同位素年龄从188 Ma一直延续到108 Ma,对应燕山早期、中期到晚期3个构造—岩浆成矿时期,同时伴有晚期矿脉穿插早期矿脉、低温矿脉与高温矿脉叠加形成的多成因复合型矿床,表明崇余犹矿田同时具有叠期型成矿系统特征。又如粤中成矿区三洲矿田长坑金矿、富湾银矿等独立生成的大型矿床先后形成于燕山期早期与晚期,出现在同一构造与地层部位的不同成矿期次、不同成矿类型的矿床系列。有学者研究认为长坑金矿属壳源型,富湾银矿属壳幔同熔型,这在主要为同源型的矿田成矿系统是属少见。三洲矿田在并不很大的时—空范围,成矿物质来源不同,地球化学背景场及构造活动形迹亦不显著,形成如此不相包容的大型独立矿床^[14],都在将两者指向不同成因类型的成矿系统。这也可以解释某些地质时代、地质部位看似不合理的成矿现象,由于处在有利成矿环境与耦合关系等,也可能成矿的原因。三洲矿田还分布成矿于新生代的与幔源物质有关的横江热液型铜多金属矿床,在矿床系列形成跨代关系,为三洲矿田成矿过程与成矿关系研究增添更多变数。

叠期型矿田成矿系统主要研究成矿时期不同期次成矿作用相互叠加、改造形成的矿床成矿系列,即研究矿床成矿期次性叠加关系。如柿竹园矿田成矿物质同源于燕山期黑云母花岗岩,成矿熔体经历温度、压力及物理化学环境变化,发生多期次多重叠加、多重富集与多重分带,从燕山早期至晚期多期岩浆侵入活动过程形成柿竹园、香花岭、瑶岗仙及芙蓉等相应期次的叠加型岩浆热液矿床系列,显示为同源同成因同时期而多期次叠加型矿田系统,各矿床叠期时空、特征不同,形成复杂的叠期关系,是同源岩浆在不同构造方向上形成的时空关系,在大致同步的成矿期次不同的空间部位叠加成矿。矿田系统各类矿床经过不同的叠合成矿过程,显示不同的时空关系,形成以柿竹园为代表的壳源矽卡岩、石英脉型大型超大型矿产地。综合成矿地质特征及同位素测年研究表明,其中柿竹园大体发生三期岩浆热液叠加成矿作用,香花岭、瑶岗仙及芙蓉等不少于两次,瑶岗仙成矿期较早,依次为香花岭、芙蓉及柿竹园,总体延续时间长达数十个百万年。随着研究工作的深入及测年技术进步会进行更为精确的划分与论述。研究表明,叠期型成矿作用具有普遍性,可能发生于代际之间、时期之间及期次之间。叠期型矿田系统一般产生于多旋回多期次构造—岩浆环境,有利于成矿物质循环演化与分异富集。叠期型成矿系统各期次成矿物质与成矿作用往往交织在一起,成矿过程与成矿关系具有复杂性,又因限于当前同位素精度水平与方法手段,研究工作又具有局限性。相对而言,全球性大地构造运动的频率相对于区域构造旋回、矿田构造与矿床构造是依次递减,反之,依次递增。这就意味着叠加成矿作用主要发生在矿床与矿田范围,叠加作用产生的成矿元素的反常分带现象也主要出现在矿田成矿系统与矿床系列,难以撼动全球、区域成矿系统成矿元素分带序列的正常分带规律。

矿床成矿地球化学重点研究矿床成矿系统成矿物质的分布、组成及在岩浆—热液活动过程可能产生的矿体成矿系列问题,研究矿床成矿阶段的成矿过程与成矿关系的成矿地球化学问题。

矿床成矿系统研究一定成矿时期成矿期次与成矿阶段的成矿关系问题,包括同阶型、跨阶型及叠阶型等矿体成矿系列问题,研究成矿阶段矿床系统成矿物质在岩浆—热液活动作用下矿体系列的成矿过程与成矿关系问题(表4)。其中同阶型主要研究某个成矿阶段形成的矿体系列的成矿关系,跨阶型研究多个成矿阶段形成的矿体系列关系,叠阶型研究不同成矿阶段相互叠合形成的矿体系列关系。

同阶型矿床成矿系统主要研究同一成矿阶段形成的矿体系列。如表4所示,沱沱河矿田多才玛铅锌矿床系统矿体系列形成与壳幔同熔型岩浆有关的低温热液作用,研究原生分带序列表明,成矿元素及成矿伴生元素水平方向显示Pb、Cd-Zn、As-Ag分带特征,垂向方向前缘晕为Hg、As、Sb,中部为Ag、Pb、Zn,尾晕为W、Ni分带特征,显示剥蚀程度较浅,同时成矿元素普遍发生复杂的重叠与交织等分带关系^[1],说明矿床是在同一成矿时期、成矿期次与成矿阶段脉动作用过程富集成矿,为同代型区域成矿背景下同期型矿床系列中产生的同阶型矿体系列。西天山成矿带阿西金矿床产于火山期后热液作用,与壳源物质有关,普遍存在黄铁矿、毒砂及玉髓、方解石、高岭石等低温矿物组合,分布Au、Ag、Sb、Hg、Bi、Se、Te等低温热液型组合异常,为跨代型区域成矿背景下同期型矿床系列中产生的同阶型矿体系列^[15]。

跨阶型矿床系统主要研究多个成矿阶段形成的矿体系列关系问题。如西华山、木梓园、漂塘等钨锡矿床“五层楼”矿体系列为燕山期与壳源有关的岩浆期后多期次热液活动^[8]形成的垂向分带的跨阶型矿床系统,原生晕组分分带显示内带W、Mo、Bi强异常,中带W、Bi、Cu、Zn异常及外带W、Bi、Cu、Zn弱异常组合关系^[16]。柿竹园矿床异常自下而上显示W、Sn、Mo、Bi(云英岩带)—W、Sn、Mo(云英岩—矽卡岩带)—W、Bi(矽卡岩带)—Sn(大理岩带)分带组成^[3]。铜绿山矿床经历两期岩浆热液活动,水平方向上形成Cu-Au-Zn-Ag成矿元素组合的铁铜金矿体、W-Mo组合的钼矿体、Pb-Zn组合的铜铁钼矿体的成矿系列关系^[17]。产于冈底斯—念青唐古拉成矿带东部的新生代驱龙斑岩铜矿床由壳幔同熔型岩浆演化形成,矿体分布受花岗斑岩岩株控制,矿床前缘晕为Zn、Cd、As、Sb、Hg等,尾晕为W、Mo、Bi、Cu等^[9],为跨代型区域成矿背景下同期型矿床系列中产生的跨阶型矿体系列。与驱龙斑岩铜矿遥相呼应,西部雄村斑岩铜金矿床产于中生代,成矿时代、成矿环境及大地构造背景等差异较大,与壳幔同熔型岩浆有关,矿床前缘晕为Pb、Zn、Cd等,中部晕Cu、Au、Ag,尾晕Cu、Mo等^[9],分带规律与驱龙斑岩铜矿具有共性特征。

叠阶型矿床系统主要研究不同成矿阶段叠合作用形成的矿体系列关系问题。作为成矿物质富集成矿的主要条件,矿床成矿系统均不同程度地以不同方式存在叠加复合作用,如同阶型主要是成矿阶段的脉动叠加作用^[3],跨阶型主要是成矿阶段的构造叠加作用,而叠阶型主要是不同成矿阶段叠合作用引起的叠加关系,基本改变原来的成矿类型,产生新类型。如铜陵矿田铜官山矿床在燕山期岩浆热液作用过程各成矿阶段成矿物质交替叠加^[7],形成叠加于早期胶状黄铁矿之上的矽卡岩、斑岩矿床。九瑞矿田城门山铜钼矿床经燕山晚期斑岩铜钼矿化与中期斑岩、矽卡岩铜矿化叠加,形成与斑岩有关的广义矽卡岩型矿床^[7]。叠阶型矿床系统成矿元素分带往往产生非常规叠加特征,需具体研究矿床成矿系统叠加性质特征,包括成矿物质源自同源叠加或多源叠加,成矿物质叠加部位、强度、程度及围岩条件与物理化学环境等,研究矿床系统成矿物质在多期多阶段成矿作用过程的成矿关系,厘清成矿期次、成矿阶段与成矿构造关系,建立具有共性特征的矿床分带序次,以辨析特殊性的叠加分带特征。如铜陵矿田铜官山矿床一般分带序次,外围异常为Ag、Pb、Zn,矿体原生晕异常为Cu、Mo、Co,城门山斑岩矿床由外至内分带为Pb、Zn、Ag、As、Sb、Hg-Cu、Au、Co、Ni-Mo、W,矽卡岩矿床由外至内分带为As、Sb、Hg-Pb、Zn、Ag-Cu、Au^[9]等,运用具有共性特征的分带规律研究分析复杂形态的叠加分带现象^[9,16,18]。

成矿地球化学理论研究的基本思路是从全球总体的、系统的、演化的及相互联系的观点认识和分析各级次成矿系统与成矿系列在成壳、成岩、成晕、成矿过程中成矿物质的成因来源、迁移演化、分异富集及成矿分带关系问题,总结成矿规律,探寻成矿机理,指导资源勘查预测。

成因来源主要研究全球各级次成矿系统的成因类型与物质来源问题。成矿物质来源是成矿地球化学研究的基本问题^[19-20]。成矿系统的成矿类型主要取决于成矿作用方式与成矿地质环境,而成因类型主要取决于成矿物质来源,研究成矿过程中如何从成因类型转化为成矿类型问题。

成矿物质按照初始来源主要包括幔源、壳源及壳—幔混合源等^[4]。成矿地球化学关于全球各级成矿系统成矿物质成因来源研究既相互联系又各有侧重。全球成矿物质的分布组成与壳幔作用涉及若干基础理论问题,包括幔源成矿系统、壳源成矿系统及壳—幔源混合成矿系统成矿过程与成矿机制问题。全球成矿系统主要研究幔源、壳源及壳幔混源物质的分布与组成、丰度与背景、富集与亏损及相容与不相容性等存在状态,依据占主体地位的成矿物质来源为原则划分全球成矿系统与成矿系列的成因类型(表1)。如前寒武纪地块成矿域、古亚洲成矿域主体为幔源成矿系统,滨太平洋成矿域、特提斯—喜马拉雅成矿域为壳源型成矿系统,秦祁昆成矿域为壳—幔多源成矿系统等^[4-5,12]。全球成矿域范围也可能在成矿作用过程出现其他成因类型的成矿省与成矿区带系列,如古亚洲幔源型成矿域华北陆块成矿省及其成矿区带经后期燕山成矿旋回,在幔源系统基底上形成多源型成矿省或成矿区带等,表明主成因之中的多成因特征。

全球成矿系统成因类型决定区域成矿系统、矿田成矿系统及矿床成矿系统成因类型的总体态势。如发育于太古宙的华北陆块北缘成矿省北缘成矿带分布司家营铁矿、矾山铁磷矿等幔源型成矿系统,后期成矿作用又作为矿源层与壳源物质融合产生幔源型+壳幔同熔型多源叠加成因的成矿系统,如金厂峪金铁矿、蔡家营铅锌银金铜矿等(表2)。滨太平洋成矿域华南成矿省南岭成矿带产生崇余犹钨锡金矿、柿竹园钨锡铋钼矿等壳源型矿田成矿系统,后期经多源型成矿作用在局部产生壳幔同熔型成矿系统,如水口山铅锌矿田等(表2)。为此,在全球成矿系统主导性成因类型的大背景下,还需具体研究区域成矿系统、矿田成矿系统及矿床成矿系统成因来源问题。区域成矿系统主要研究矿源场成矿物质的分布组成、含量水平及矿田类型等,从区域系统成因类型的总体特征研究具体的矿田系列成矿问题,建立区域成矿地球化学方法理论。矿田成矿系统主要研究矿源地成矿物质共生组合、强度规模及矿床类型等,从矿田系统的总体特征研究具体的矿床系列成矿问题,建立矿田成矿地球化学方法理论。矿床成矿系统主要研究矿源体(成矿地质体)成矿物质组成、富集程度、赋存状态及矿体类型等,从矿床系统的总体特征研究具体的矿体系列成矿问题,建立矿床成矿地球化学方法理论。

成矿物质来源决定成矿系统与成矿系列的成因类型,成矿地质作用决定成矿系统与成矿系列的成矿类型。成矿系统与成矿系列具有成矿物质与成矿作用的双重属性,依此划分全球各级次成矿系统及其成矿系列的成因类型与成矿类型。在全球成矿系统^[5],划分为古亚洲幔源+多源洋陆增生型成矿域与华北陆块北缘、吉—黑及阿尔泰—准噶尔等幔源型+壳源型+壳幔同熔型成矿省系列,滨太平洋壳源+壳幔同熔洋—陆俯冲型成矿域与华南、下扬子及上扬子壳源型+壳幔同熔型等成矿省系列,特提斯—喜马拉雅壳源+壳幔同熔陆—陆碰撞型成矿域与松潘—甘孜、西南三江、雅鲁藏布江—唐古拉山壳源型+幔源型+壳幔同熔型成矿省系列(表1)。其中华北陆块北缘成矿省划分为北缘东段、中段、西段幔源型+壳幔同熔火山—沉积变质型等成矿带系列,华南成矿省划分为粤中、湘中—赣中及南岭东—中段等壳源型+壳幔同熔岩浆热液型成矿带系列,西南三江成矿省划分为三江北段壳幔同熔岩浆热液型成矿带系列等。在区域成矿系统层面,南岭东—中段成矿带划分为崇余犹、柿竹园及水口山等壳源或壳幔同熔岩浆热液型矿田系列,华北陆块北缘中段成矿带划分为金厂峪、司家营幔源或幔源+壳幔同熔火山—沉积变质型矿田系列,矾山幔源碱性岩浆型矿田及蔡家营幔源型+壳幔同熔火山侵入型等矿田系列(表2)。与上述全球性、区域性成矿系统与成矿系列成矿物质来源存在多源并存不同,矿田成矿系统一般稳定于某种成因的成矿物质来源,而基于物质来源的成因类型在不同成矿地质背景条件及成矿耦合关系中可能形成不同的矿床类型(表3),如柿竹园壳源岩浆热液型矿田系统划分出石英脉型矿床、矽卡岩型矿床等成矿系列,冈底斯—念青唐古拉成矿带驱龙—甲玛壳幔同熔岩浆热液型矿田系统划分出矽卡岩型矿床、角岩型矿床、斑岩型矿床等成矿系列(表4),在矿田成矿系统形成由成因类型与成矿类型构成的“双型”矿床系列。成矿物质生成于壳幔分异作用,又在全球各级次成矿系统特定成矿作用过程相互渗透叠加,形成新的成矿物质组合,产生各种新的叠合型成矿系统与成矿系列。矿田成矿系统普遍存在壳源型叠加、幔源型叠加及壳幔多源型叠加等多种状态的叠加型矿床系列。在微观的元素地球化学尺度上,几乎所有矿床系统与矿体系列都不同程度、以不同方式经历多重旋回、多源叠加、多期富集过程,当成矿物质在叠加作用过程产生新的主导性成矿类型或矿产种类,即在矿床成矿系统形成叠加型矿体系列。

成矿物质来源主要研究成矿系统成矿物质的起源与成因,成矿物质迁移演化主要研究成矿元素地球化学的行为方式与循环规律,以及全球各级次成矿系统与成矿系列成矿物质在成矿过程的迁移途径与演变过程,从时间维度上探寻成矿物质在迁移演化过程成矿元素分布、组成及在一定成矿地质背景环境条件下的变化特征,特别是最终形成某类矿种与矿产类型的成矿元素之间及其与物理化学环境指标之间的变化特征。

全球成矿系统主要研究成矿物质在大洋动力与大陆动力作用过程的迁移状态与循环演化问题。幔源物质源于地幔部分熔融产生的铁镁质-超铁镁质岩浆作用,主要富集Fe、Cr、Ni、V、Ti、Cu等亲铁元素及Au、铂族等贵金属^[12,21],一般以富含挥发组分的铁镁质流体为载体进行迁移演化,成矿作用方式与壳幔演变相关,太古宙壳幔形成早期主要是火山岩浆作用,元古宙地壳圈层形成,幔源物质主要沿深大断裂侵入,古生代以后受板块构造或板内造山作用控制^[3-4,12]。壳源物质源自深部硅铝层重熔岩浆或改造型花岗岩,W、Sn、Li、Be、Nb、La、Y等分散于地壳的亲氧元素在成矿作用中被激活,主要以岩浆热液、气成热液等方式迁移演化。壳—幔源物质混熔同熔,Cu、Fe、Au、Pb、Zn、Mo、Sn^[12]等亲硫亲铁元素在各类构造耦合过程以多源混合方式迁移演化。在壳幔物质不均一及动力作用不均衡环境下,成矿物质循环演化产生成矿域、成矿省及成矿区带等全球性成矿系统与成矿系列。成矿物质在迁移演化过程因不同地质背景环境和物理化学条件,可能形成不同的矿产类型,即使同类型矿产在不同成矿地质环境中也存在较大差异。可以认为,某种类型矿床与其他类型矿床最大不同之处,就是这类矿床的最大共性之处。成矿地球化学主要通过研究各地区特殊地质环境各种成矿要素的耦合过程与耦合关系,寻求成矿物质迁移演化的共性特征。

全球成矿系统研究包含区域成矿系统与成矿系列成矿物质的迁移演化问题,区域成矿系统研究包含矿田、矿床成矿系统成矿物质的迁移演化问题,以此类推,矿田、矿床成矿系统亦如此,是一个由宏观到微观的逐步深入研究的过程,也是由微观到宏观的逐步认识的过程。壳—幔地球化学研究表明,全球成矿系统成矿物质的迁移演化行为状态取决于壳—幔相互作用过程所处热动力条件与物理化学环境,成矿物质相容性主要研究岩浆深熔过程在相对封闭环境微量元素迁移的行为方式,成矿物质活动性主要研究成矿热液作用过程在相对开放环境微量元素迁移的行为方式,以及成矿物质在洋壳俯冲、陆块碰撞或板内造山作用等不同构造运动方式的循环途径与演化过程。区域成矿系统、矿田成矿系统及矿床成矿系统延续全球成矿系统成矿物质的迁移演化过程。大地构造运动推动区域成矿旋回,区域成矿系统主要研究成矿物质在成矿旋回过程迁移演化及形成的矿田成矿系列。区域构造旋回引发构造—岩浆活动,矿田成矿系统主要研究成矿物质在构造—岩浆作用过程的迁移演化及形成的矿床成矿系列。构造—岩浆作用产生岩浆—热液活动,矿床成矿系统主要研究岩浆—热液活动过程成矿物质的迁移演化及形成的矿体成矿系列。如前所述,古亚洲成矿域Cu、Ni、Co、Cr、Fe₂O₃等成矿物质在幔源系统基底上历经地壳运动、成矿旋回、构造—岩浆—热液作用迁移演化,形成大兴安岭、吉—黑、华北陆块、阿尔泰—准格尔与天山—北山成矿省及其成矿区带系列、矿田系列与矿床系列。印度—欧亚板块碰撞产生喜马拉雅旋回,形成特提斯—喜马拉雅成矿域系统及雅鲁藏布江—唐古拉山成矿省、三江成矿省、松潘—甘孜成矿省系列,其中三江成矿省系统形成三江北段成矿带、白玉—中甸成矿带及腾冲成矿带系列,三江北段成矿带系统在成矿旋回过程形成矿田、矿床成矿系列,Cu、Mo、Pb、Zn、Au、Ag等成矿物质历经全球壳幔作用、区域构造旋回、构造—岩浆—热液作用迁移演化及至成矿的全过程。又如燕山旋回为太平洋板块与亚洲古陆相互作用的结果,产生影响中国东部广大地域的滨太平洋成矿域及其成矿省系列、成矿区带系列、矿田系列与矿床系列,W、Sn、Bi、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sb等成矿物质历经全球、区域、矿田到矿床矿体不同的成矿作用过程迁移循环,在主成矿元素成矿同时,某些成矿伴生元素亦逐步演化为成矿元素。需要具体研究上述包括内生矿床岩浆作用、热液作用或火山作用以及表生作用、变质作用等不同成矿作用与成矿类型成矿物质的迁移演化方式、途径以及形成的各种成矿系统与成矿系列。

成矿地球化学研究成矿系统成矿物质的迁移演化过程,包括同一层级成矿系统之间成矿物质的迁移演化问题(即成矿洲系统之间、成矿域系统之间、成矿省系统之间、区域成矿系统之间、矿田系统之间及矿床系统之间)与不同层级成矿系统之间成矿物质的迁移演化问题(即成矿洲系统、成矿域系统、成矿省系统、成矿区带系统、矿田成矿系统及矿床成矿系统之间)两个层面。成矿系统又是由成矿系列组成,也包括研究同一层级成矿系统成矿系列之间与不同层级成矿系统成矿系列之间成矿物质的迁移演化问题两个层面。上述成矿系统与成矿系列成矿物质迁移演化过程往往相互交织,呈现复杂的成矿地质—地球化学问题,构成成矿物质迁移演化研究的基本内容。

迁移演化研究成矿物质的运动过程,分异富集主要研究成矿物质的成矿过程。成矿元素地球化学迁移循环经历不同成矿时代成矿旋回与成矿时期多期多阶段成矿过程发生分异富集作用,也即成矿物质的分配、再分配直至富集成矿的过程。成矿物质的分异富集产生于成矿系统之间,也产生于成矿系统内部成矿系列之间。

成矿物质性质上的差异使之随外部地质环境与物理化学条件的变化而不断发生分异富集作用。全球成矿系统主要研究影响全球成矿物质的分异富集问题。全球成矿物质分异源于壳幔作用过程,原始地幔物质的不均一性产生地壳成矿物质的横向分异。原始地幔物质经壳幔部分熔融作用演变为互斥的相容物质与不相容物质,促使大量不相容物质转化为壳型物质,产生壳—幔物质的纵向分异, Fe、Cr、Ni、Co、Ti等亲铁元素存留于亏损的岩石圈地幔, Li、Be、Zr、Nb、La、Y、Sc等亲氧稀有稀土元素随岩浆进入地壳^[4,20-21]。古生代以来在大洋动力与大陆动力作用过程,壳—幔物质的纵向分异与横向分异演变为成矿域、成矿省、成矿区带及相应成矿系列的具有成矿专属性的全球洲际分布格局,产生分布全球的具有较高丰度的地球化学背景。此为一级分异。全球成矿元素的分异富集产生幔源型矿产、壳源型矿产及壳—幔混合型矿产。如古亚洲成矿域基底以幔源物质为主,Fe、Co、Ni等亲铁元素趋于成矿。滨太平洋成矿域长江中下游成矿带以壳幔源为主, Cu、Fe、Pb、Zn、Au、Ag等亲硫亲铁元素趋于成矿^[22-23],南岭成矿带以壳源为主^[5],W、Li、Y、La、Nb、Be等亲氧元素趋于成矿。成矿物质随成矿时代及成矿作用、成矿环境呈规律性演变,总体呈现较高丰度成矿物质早于较低丰度成矿物质成矿,如大丰度的黑色金属主要成矿于元古宙—古生代,中等丰度有色金属矿产主要产于古生代—中生代,低丰度的稀有稀土金属产于中—新生代,一般具有较为清晰的成矿过程与成矿关系。如成矿于元古宙与古生代的甘肃金川、青海夏日哈木、新疆喀拉通克等主要通过熔离作用与结晶分异形成铜镍硫化物矿床,成矿于燕山期南岭西华山、柿竹园、水口山等钨锡、铅锌有色金属矿产形成与岩浆热液活动有关的斑岩型、石英脉型及各种接触交代型矿床^[3],成矿物质迁移演化轨迹、分异富集特征及分布特征具有普遍性与典型性。从分异富集程度可以判断成矿系统成矿成熟度,如华南成矿省成矿物质高度分异、高度富集与高度成矿,矿产种类、类型丰富多样^[5]。成矿物质分异富集受成矿作用与成矿环境影响,在有利成矿耦合条件下若干低丰度元素也可能在较早期从大丰度元素组成的单一矿产种类分异出来,逐步富集形成多矿种矿产类型^[4],如元古宙白云鄂博稀土矿田^[3],经历复杂分异富集过程,具有多成因、多源叠加特点,更需研究具有特殊性的成矿过程与成矿关系。

区域成矿系统成矿物质在区域构造旋回过程发生区域性分异富集,形成矿田成矿系列。正是大地构造旋回产生区域成矿旋回,形成区域系统成矿物质频繁的分异作用,产生同代、跨代或叠代型矿田成矿系列。此为二级分异。区域成矿系统成矿物质在成矿旋回过程分异富集,幔源物质可能沿深大断裂直溢地壳浅表层形成岩浆型铜镍铬金矿产、钒钛铁矿产及海相火山喷流型硫化物矿产等^[3,12]。也可能由陆壳深部物质重熔分异富集形成与花岗岩有关的热液矿产,如南岭东—中段成矿带崇余犹、柿竹园矿田系列^[11-12]。幔源、壳源物质多源混溶也可能分异富集形成铁铜金铅锌钼锡等矿产,如长江中下游成矿带铜陵、九瑞矿田系列^[7]。其中叠代型矿田系列全部受到前后成矿作用的影响,跨代型部分受到影响,而同代型较少受到影响。纵观地壳漫长的成矿过程,后期生成的成矿系统总是不同程度以不同方式叠加在前期成矿系统之上,形成多源多成因多类型的叠合关系与叠加型矿产^[4]。此外,在内生环境中,通过区域变质热流提取分异形成变质类矿田系列,在表生环境中,通过风化淋滤作用次生富集形成红土型铁矿、铝土矿及离子吸附型矿田系列等^[12]。

矿田成矿系统主要研究成矿物质在构造—岩浆作用过程的分异富集问题。区域构造旋回往往伴随强烈的构造—岩浆作用,产生矿田系统成矿物质的分异作用,形成同期、跨期或叠期相关的矿床成矿系列。此为三级分异。矿田系统成矿物质在构造—岩浆活动过程,可能以岩浆为载体通过熔离、结晶作用分异富集形成同期型矿床,如本世纪初发现的大型夏日哈木铜镍钴硫化物矿田及其矿床系列,也可能在岩浆侵入过程由于不同围岩地质环境形成矽卡岩、斑岩类矿床^[7],如铜陵铜金多金属矿田狮子山铜金矿、铜官山铜矿、新桥铜金矿等矿床系列。经多期岩浆活动还可能形成跨期型或叠期型矿床,如崇余犹矿田西华山、荡坪、木梓园矿床系列,如柿竹园矿田柿竹园、香花岭、瑶岗仙矿床系列等。在研究以成矿物质为主导的一般成矿过程的分异富集问题同时,更要研究成矿物质在特殊的成矿环境与成矿作用过程叠加型的分异富集问题。多旋回多期次成矿作用产生多次叠加形成的多成因矿床^[4],成矿物质在不同级次成矿系统特定成矿作用过程相互渗透,形成新的成矿物质组合,产生各种新的叠合型成矿种类与矿床类型^[4],反映不同成矿时代与成矿时期成矿物质的继承、延续和成矿过程^[4]。在成矿空间方面,成矿系统之间、成矿系列之间也可能发生叠加作用^[4],反映成矿物质交错纵横的演变关系。

矿床成矿系统主要研究成矿物质在岩浆—热液作用过程的分异富集问题。矿床系统成矿物质的分异富集作用主要与元素活动的难易程度有关。矿田构造作用引发岩浆—热液活动,产生矿床系统成矿物质的分异作用,形成同阶、跨阶及叠阶相关的矿体成矿系列。此为四级分异。矿床系统成矿物质在岩浆—热液作用过程,主要通过岩浆、火山或变质作用等产生的热液活动迁移演化,在一定围岩地质环境及温度、压力等物理化学条件下分异富集成矿,如沱沱河铅锌矿田多才玛矿床系统形成孔莫陇、查曲怕查等低温热液矿体系列,驱龙—甲玛矿田驱龙铜钼矿床系统形成的斑岩—矽卡岩矿体系列等。岩浆—热液成矿过程具有多期多阶段特点,如在崇余犹矿田柿竹园矿床系统形成云英岩、矽卡岩等跨阶型高温热液矿体系列。岩浆热液多期多阶段成矿作用伴随大量次级分异过程,往往形成叠加成矿系列,如九瑞矿田城门山矿床系统形成叠加型斑岩、矽卡岩型矿体系列等。外生矿床成矿物质分异富集主要受表生成矿机制与沉积环境控制。

不同级次成矿系统与成矿系列成矿物质历经多级成矿作用持续分异富集。成矿物质的分异与富集是同一事物的两个方面,成矿物质的分异产生成矿物质的富集成矿。某些大丰度成矿元素可能在一级、二级分异过程成矿,如早期铁、铬、镍、铜等,某些中等丰度成矿元素可能经三级、四级分异成矿,如铅锌、钨、锡等有色金属,某些低丰度的稀有、稀散、稀土元素还需经历多期多阶段分异成矿过程。从理论上讲,分异越彻底,矿种越单纯,如形成广东长坑、富湾独立金矿、银矿系列等。成矿物质的分异富集产生成矿地球化学分带现象,也是进一步研究成矿地球化学分带关系的基础。

壳幔物质的分异富集产生全球各级次成矿系统及其成矿系列的分带现象。成矿地球化学主要在空间维度上研究全球成矿系统、区域成矿系统、矿田成矿系统到矿床成矿系统的分带关系,包括成矿系统之间,也包括成矿系统内部成矿系列之间的分带关系。

研究成矿系统与成矿系列问题主要是研究成矿分带问题。成矿物质不断的分异富集也是不断的成矿分带过程。成矿地球化学研究成矿过程与成矿关系问题,也即研究时—空关系问题,也就是研究成矿地球化学分带过程与分带关系问题。成矿物质的多来源,成矿作用的多旋回、多时代、多时期及多阶段构成全球各级次成矿过程与成矿关系的普遍现象和基本特征,具有共性特点。而各级次成矿过程形成的洲际关系、时代关系、时期关系及阶段关系又各具有特殊性,成矿过程与成矿关系的普遍性存在于各级次成矿过程与成矿关系的特殊性之中,应在普遍性与特殊性的双重意义上研究成矿过程与成矿关系问题。一般而言,是从成矿洲际关系中研究代际关系,从成矿代际关系中研究时期关系,从成矿时期关系中研究阶段关系问题,从各级次成矿分带关系中研究成矿地球化学分带全过程。

全球成矿系统包括成矿洲系统及其成矿域系列、成矿域系统及其成矿省系列、成矿省系统及其成矿区带系列的分带关系。全球成矿物质分带关系产生于壳幔物质不均一性及大地构造运动过程物质再循环再分异作用(一级分带)。全球成矿系统历经全球性大规模成矿作用,呈现各类成矿系统间复杂的耦合关系与不平衡成矿过程。研究表明(表1),古亚洲成矿域、秦祁昆成矿域某些成矿时代形成“多代共生”的并存型的成矿系列关系,滨太平洋成矿域、特提斯—喜马拉雅成矿域分别在燕山期、喜山期形成“一代独大”的替代型成矿系列关系,又都强烈地与早期成矿域复合叠加,形成全球性叠置型成矿系列关系。成矿域之间、成矿省之间、成矿带之间在全球成矿系统构成此起彼伏、错综复杂的成矿分带关系。各类成矿系统成矿物质在有利成矿地质环境条件下分异分带富集成矿。如古亚洲成矿域在前寒武古老基底上有利于金铜镍铬铅锌锡铁等大量元素分带富集成矿,滨太平洋成矿域在燕山期陆壳大规模岩浆活动过程形成强烈叠置型、替代型成矿系统,有利于铅锌银铜锡锑钨金稀有稀土等微量元素分带富集成矿^[6],特提斯—喜马拉雅成矿域在陆壳碰撞过程形成铜钼铅锌锡银金等分带富集成矿^[5-6]。与之不同,秦祁昆成矿域横亘中国陆壳中部,为南北各大成矿域所夹持,与东西加里东、华力西、燕山及喜山期等成矿旋回叠加,促进金银铅锌铜等分带富集成矿^[5-6]。全球成矿系统、成矿系列及其成矿过程可能具有完全不同的成因类型、迁移演化过程及分异富集方式,形成幔源分带、壳源分带、多源分带等不同的分带关系。成矿作用越是强烈成矿物质的分异分带就越是显著。

区域成矿系统主要研究矿田系列的分带关系问题。全球大地构造运动推动区域多旋回构造及相应成矿作用,在成矿区带系统产生矿田及矿田系列分带关系(二级分带)。长江中下游等较大成矿区带还可划分出成矿亚带系统及其矿田成矿系列。已如前述,区域成矿物质与成矿旋回问题十分复杂,幔源、壳源或多源成矿系统成矿物质可能通过不同的构造运动方式分带富集成矿。大地构造运动发生频率、幅度及能量传导与辐射强度的非均衡性,区域地质背景与热动力环境的巨大差异,区域成矿系统呈现出由矿田成矿系列分带关系所表征的时代印迹,形成代际成矿关系。如表2所示,其中晚期成矿时代产生的矿田成矿系统可能与早期成矿系统发生叠置关系,在我国形成普遍分布的具有多成因复合成矿的叠代型矿田系列,如长江中下游铜金铁铅锌硫成矿带、南岭锡银铅锌稀有稀土成矿带等^[4]。区域成矿系统也可能产生多时代并存的矿田系列,产生跨代型成矿系列,如华北陆块北缘成矿带、西天山成矿区带等,存在太古宙、远古宙至古生代、中生代及新生代矿田成矿系列。区域成矿系统也可能只产生于某个构造旋回及相应的成矿旋回,形成同代型矿田成矿系列,如新生代三江北段成矿带斑岩型玉龙、纳日贡玛铜矿及低温热液型沱沱河铅锌矿等超大型矿田系列等。叠加成矿作用往往不同程度以不同方式存在于代际关系之中。成矿区带系统矿田成矿系列可能产生于同时代,形成同代叠加型区域成矿系统,也可能产生于跨时代,形成跨代叠加型区域成矿系统。同代型成矿区带为同一成矿时代多个构造旋回多次成矿,跨代型成矿区带为多个成矿时代成矿^[4]。依据成矿时代与成矿类型,区域成矿系统还可以划分出同代异类、同代同类及其叠加型矿田系列,以及跨代异类、跨代同类及其叠加型矿田系列。通过成矿类型研究内在的成因关系,其中同源同成因矿田系列,如长江中下游与岩浆热液作用有关矿田,不同源不同成因矿田系列,如南岭成矿带、湘中—赣中成矿带矿田系列等。

区域成矿系统从空间维度上研究矿田成矿系列的分带关系问题,其中同代型成矿系统最能体现成矿物质的非均一性,跨代型成矿系统最能体现成矿作用的非均衡性,叠代型成矿系统最能体现成矿环境的非单一性。但是,无论区域成矿地质环境背景存在多大差异,成矿作用方式如何变幻莫测及成矿关系错综复杂,成矿地球化学过程总是成矿物质从成矿环境中不断提取、提炼与提纯的过程,成矿物质总体呈现大丰度成矿元素先于小丰度元素成矿,矿种及矿产类型由单一化到多元化,成矿分带关系由混沌到清晰,成矿频率由低到高及成矿规模由小到大的变化趋势^[12],成矿过程总体趋向于从初级阶段向高级阶段发展演化。成矿地球化学理论研究主要从成因机理上还原成矿地质过程与成矿分带关系,这也正是成矿地球化学研究成矿物质问题的内涵、特点与优势。

矿田成矿系统主要研究矿床系列的分带关系问题。如同区域成矿系统与成矿系列存在代际关系一样,矿田成矿系统与成矿系列也存在相应的成矿时期关系问题^[3-4]。区域构造旋回推动矿田级次的构造—岩浆活动,促使成矿物质进一步分带富集成矿,形成矿床及矿床系列(三级分带)。矿田成矿系统具体研究特定成矿时期由主导性成矿作用形成的矿床系列的成矿地球化学分带关系问题,包括同期型、跨期型及叠期型等矿床成矿系列关系(表3)。

矿田系统同期型、跨期型、叠期型矿床系列是研究如喜山期、燕山期或印支期等各成矿旋回中相对独立的成矿时期的成矿关系问题,通常经历较长时期的完整的成矿动力过程。一般而言,从全球成矿系统演变为区域成矿系统,洲际关系相对稳定,区域成矿系统主要研究由成矿旋回产生的矿田系列的代际关系问题;从区域成矿系统演变至矿田成矿系统,代际关系相对稳定,矿田成矿系统主要研究由构造—岩浆活动产生的相对活跃的矿床系列的成矿时期关系问题;从矿田成矿系统演变为矿床成矿系统,成矿时期关系相对稳定,矿床系列主要研究由岩浆—热液活动产生的相对活跃的成矿阶段关系问题。如新疆阿西金矿田矿床系列形成于华力西早期火山构造作用,长江中下游九瑞铜金矿田矿床系列形成于燕山晚期岩浆构造作用,青海沱沱河铅锌矿田矿床系列形成于喜山期低温热液作用,均为同期型分带关系。同期型成矿系统一般为同一构造—岩浆旋回成矿^[4]。南岭崇余犹钨锡金矿田为形成于构造岩浆作用的跨期型矿床系列,柿竹园钨锡铋钼铅锌矿田为形成于构造岩浆作用的叠期型矿床系列关系等。矿田成矿物质可能源于幔源、壳源或混合源等,在不同成矿环境产生不同的矿床类型,从成矿类型上显示出矿床系列的分带富集关系,如九瑞矿田形成斑岩型、矽卡岩型、沉积—热液叠加改造型矿床系列关系,崇余犹矿田形成蚀变岩型、石英脉型、矽卡岩型矿床系列关系,柿竹园矿田形成矽卡岩型、云英岩型矿床系列关系等。

矿床成矿系统主要研究矿体系列的分带关系问题。矿床成矿系统成矿关系是全球成矿系统原始分带关系及区域成矿系统代际关系、矿田成矿系统成矿时期关系问题研究的继续,承载着从宏观到微观成矿系统的全部信息,所有成矿物质与成矿作用印迹最后都集中隐匿于矿床成矿系统与矿体系列关系之中。矿床成矿系统在岩浆—热液活动过程引发多期次多阶段成矿作用,成矿物质强烈分带富集(四级分带),在矿床系统形成矿体系列关系。矿床成矿系统主要研究特定成矿时期的成矿阶段矿体系列的成矿关系问题,包括同阶型、跨阶型、叠阶型等矿体系列的成矿地球化学问题(表4)。

成矿地球化学注重从研究成矿物质成因来源、迁移演化及分异富集问题中探寻所有热成矿作用具有共性特征的成矿地球化学的分带关系。矿床成矿类型及其分带关系主要取决于成矿物质在成矿作用过程所处的成矿地质环境。这也是矿田成矿系统通常由不同的矿床类型组成的主要原因。矿床成矿系统具有多期多阶段成矿特征,成矿物质受控矿构造、围岩类型及温压、酸碱性、氧化还原条件等物理化学环境制约,矿体之间大体分为横向分带与纵向分带两种状态。横向分带为空间上矿体的水平分布状态,如铜官山铜矿床形成叠阶型的矽卡岩矿体、层状矿体及细脉浸染状矿体分带系列,铜绿山矿床形成跨阶型铁铜金矿体、钼矿体、铜铁钼矿体分带系列等。纵向分带反映矿体从深部到浅部的垂直分布状态,如西华山、木梓园、漂塘钨锡矿床的“五层楼”矿体分带系列,柿竹园矿床云英岩带—云英岩、矽卡岩带—矽卡岩带—大理岩带分带系列^[3]等,均为跨阶型矿体系列。还如经多期多阶段成矿作用产生的叠阶型矿体系列,如城门山、狮子山矿、冬瓜山等矿床系统矿体分带系列。矿床成矿系统与矿体系列最为显著的标志是伴随成矿及成矿伴生元素的分带序列关系。矿床系统成矿元素分带序列关系,可以按照成矿作用划分为热液型、岩浆型或接触交代型等,按照成矿类型划分为斑岩型、矽卡岩型、碳酸盐岩型及蚀变岩型等,按照成矿环境划分为高、中、低温矿床等,还可以按照成矿时代、成矿时期及成矿阶段划分,按照成矿构造旋回、构造作用方式及成矿地质背景划分,按照成矿系统规模、级次及成矿区域划分等,具体研究矿床成矿元素垂向分带与横向分带特征,研究成矿元素浓度分带与组分分带特征,实践中还需研究各种叠加成矿类型的分带特征等。研究矿床成矿元素分带问题应首先建立矿床成矿元素标准分带序列,进而研究叠加晕问题,包括同阶叠加与跨阶叠加等类型,也包括岩浆—热液型、接触交代型等不同成矿作用类型,以及高、中、低温等不同的成矿物理化学环境的分带序列等,在研究不同类型分带关系基础上建立具有共性特征的分带序列。

成矿地质—地球化学分带关系问题研究分为两级,一级关系为洲际关系、代际关系、时期关系与阶段关系;二级关系为同代关系、跨代关系与叠代关系,同期关系、跨期关系与叠期关系,以及同阶关系、跨阶关系与叠阶关系。成矿地球化学从宏观整体出发研究分带关系问题。具体而言,全球成矿系统是从成矿域之间关系研究全球成矿问题,成矿域成矿系统从成矿省之间关系研究成矿域问题,成矿省成矿系统从成矿区带之间关系研究成矿省问题;区域成矿系统从矿田之间关系研究区域成矿问题,矿田成矿系统从矿床之间关系研究矿田成矿问题,矿床成矿系统从矿体之间关系研究矿床成矿问题。厘清成矿时代、成矿时期及成矿阶段对于研究成矿物质分带关系十分重要。不同成矿时代、成矿时期、成矿阶段成矿物质分布组成、叠加复合及分带关系不同。成矿洲际关系、代际关系、时期关系及阶段关系等各级次分带关系是依据成矿地球化学发育相对完整的成矿过程与成矿关系确定的,作为典型的成矿过程与成矿关系问题进行研究,实际情况则是复杂的。随着成矿地球化学研究逐步深化及同位素定年精度的提高,成矿地球化学的分带过程与分带关系研究也就更加精细,可能发现更多新的分带类型与分带关系,为重溯全球各级次成矿时—空格局提供新的规律性认识。

成矿地球化学属于应用理论研究范畴。综上述关于成矿物质成因来源、迁移演化、分异富集及分带关系问题,是从时—空维度上研究成矿系统与成矿系列的成矿规律问题。成矿地球化学本质上可以归结为研究成矿物质的内在成因联系的科学,即研究成矿物质贯穿于全球、区域、矿田到矿床级次的从成因来源、迁移演化、分异富集及至分带分布成矿全过程的信息传递与信息关系,探讨基于成矿信息之间成因关系建立的具有线性相关的成矿规律。这也是地球系统科学研究的题中之意。

成矿地球化学研究成矿系统成矿物质分带的成因关系问题,在全球、区域、矿田及矿床各级次成矿系统建立基于成因关系的成矿元素分带序列模型,具有层次性、地区性和确定性。成矿物质在全球各级次成矿系统富集成矿的同时,成矿元素在更大范围产生分带序列。成矿及成矿伴生元素分带序列可能在壳幔作用与大地构造运动过程产生于全球成矿系统,在成矿域、成矿省及成矿区带系列形成分带序列,称为全球成矿地球化学分带规律。在成矿构造旋回过程产生于区域成矿系统,在矿田系列形成分带序列,称为区域成矿地球化学分带规律。在构造—岩浆活动阶段产生于矿田成矿系统,在矿床系列形成分带序列,称为矿田地球化学分带规律。在岩浆—热液活动阶段产生于矿床成矿系统,在矿体系列形成分带序列,称为矿床地球化学分带规律。各级次成矿地球化学分带又往往交织、叠加在一起。如长江中下游成矿带,在矿田成矿系统级次上,矿床系列属于同期型成矿关系,在成矿带级次上矿田系统则属于叠代型成矿关系,在全球级次上又属于洋壳俯冲型洲际成矿关系,成矿及成矿伴生元素在各级次成矿系统与成矿系列产生分带序列,成矿地球化学应依据成矿地质—地球化学的普遍规律指导研究不同成矿系统与成矿系列成矿元素的分带特征和分带关系及其分带模式。

成矿物质分异规律是研究分带模式的理论基础。成矿地球化学行为遵循分配定律、结合定律及平衡定律三大定律^[21-22,24]。如果说成矿系统与成矿系列主要取决于成矿物质的分布与成矿作用方式,则成矿系统与成矿系列所显示出的成矿元素分带主要取决于成矿物质的性质及其行为方式。这是在随机、非线性复杂地质作用过程成矿元素分异富集与分带模式具有全球共性的主要原因,也是所有热成矿作用形成的各种成矿类型具有共性的成矿地球化学分带模式的主要原因。又因不同成矿物质来源、组成组合、物理化学环境及地质背景条件而有所差异。成矿物质所展现出的成矿元素的分带序列规律及其成因关系具有的全球共性,是成矿地质作用所有混沌、非线性的不确定因素中唯一确定的因素。成矿元素分带序列存在一般规律与特殊规律。研究表明,不同地质背景条件、构造运动方式及成矿种类存在具有普遍共性特征的垂向分带序列,即由上至下为As、Sb、Bi、Hg-Ag、Pb、Zn、Cu-W、Sn、Mo、Ni、Co、V的分带模式,而不同成矿物质来源及其矿产种类、类型又有自身特殊的成矿元素的分带模式。在全球、区域宏观成矿级次上,自元古宙产生硅铝质地壳,幔源物质主要沿深大断裂侵入成矿,直接形成镁铁质铬、铁、镍、铜等矿产,或与壳源物质混熔形成铁、铜、金、铅锌、钼、锡等矿产^[12],而壳源成矿物质往往在板块内部呈现高背景的成矿域、成矿省或成矿区带,通过深部岩浆重熔作用使分散于地壳的W、Sn、Nb、Ta、Be等亲氧元素富集成矿^[12,24],成矿元素分带序列一般符合具有共性特征的分带规律。在矿田、矿床系统微观级次上,成矿构造旋回推动成矿元素在板块构造边缘密集的多期、多阶段成矿作用过程往往产生叠加型分带现象,成矿元素分带序列呈现交织、叠置或倒置的无序状态。但也正是这种多期次多阶段的多级叠加作用,成矿物质才可能在不断的分异富集过程分带成矿,相比某些分带模式清晰的异常可能更具成矿潜力。成矿地球化学就是在全球、区域共性分带规律指导下,研究具体地区具体地质—地球化学条件下矿田、矿床及矿体特殊的叠加分带现象,通过研究成矿元素一般的具有普遍性的分带序列规律,解析与识别不同矿产类型各种交织叠加的特殊性的分带序列特征,从无序分带特征中找出有序的分带规律,复原规律性的分带序列,进行深部隐伏矿产预测。

针对地学领域纷繁复杂的混沌、非线性现象,成矿地球化学更注重从非线性特征中揭示基于成因联系的线性规律。在特定成矿系统成矿物质的组成、丰度及物理化学环境中,成矿物质分带遵循地球化学行为定律,制约成矿物质的迁移形态、演化方式及相互作用关系,成矿物质总体趋向于从地球化学体系的不平衡、不稳定状态向平衡、稳定状态演化,从混沌、模糊状态向清晰、有序状态转化,从地球化学系统的非线性状态向线性状态发展。其间某些平衡演化过程可能在瞬间完成,某些可能要经过数年、数十年以至数百、数千到数万年^[21]。地球系统从初始的混沌状态向壳幔分异、五圈(岩石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大气圈)分层演化,就是地球系统由原始的不平衡状态向平衡有序状态转化的结果。如前所述,古亚洲成矿域、秦祁昆成矿域、滨太平洋成矿域及特提斯—喜马拉雅成矿域等全球成矿系统,历经古生代、中生代及新生代成矿构造旋回向成矿区带、矿田、矿床及矿体独立成矿方向分异富集与分带成矿,矿产种类与矿床类型增多,成矿频率增高,聚矿能力增强^[3],就是成矿物质从地幔的混沌状态向稳定有序的成矿方向演化的结果,从成矿作用的非线性运动转化为成矿物质线性演化的不可逆过程。后期多期次多阶段构造—岩浆—热液活动的非线性作用在打破成矿物质平衡稳定同时,也在不断推进成矿系统成矿物质向新的更高阶段的平衡有序方向迁移汇聚。如长江中下游成矿带经多轮成矿旋回形成铜陵、九瑞、鄂东南等叠代型矿田系列,在燕山晚期大规模构造—岩浆活动过程形成同期型矿田成矿系统及其矿床成矿系列,继而在岩浆—热液作用过程各成矿阶段成矿物质交替叠加形成矽卡岩、斑岩矿床。这就是成矿地球化学的“演化定律”。成矿物质迁移演化与分异富集方式遵循元素地球化学行为定律,在构造旋回、岩浆热液活动等一系列外部作用因素推动下,成矿物质释放出强大内因动力不断向平衡、有序、线性方向循环演化,形成涵盖各种地质环境、各类热成矿作用的具有共性规律的成矿元素分带序列,指示相关矿产的分布方向与规模特征。众多学者研究证实的成矿元素共性分带序列就是对这种内因动力产生的成矿规律的抽象,可能从成矿地球化学线性成因关系中辨别复杂多样的成矿地质现象,是在诸多成矿地质背景环境中难以确定的成矿因素中能够确定的线性规律。这正是成矿地球化学区别于一般成矿规律研究及预测成矿远景的独到之处。就此而言,正是成矿地球化学元素的“看不见”的微观的成因关系决定“看得见”的宏观的成矿地质现象。

成矿地球化学从成矿过程与成矿关系两个维度研究成矿规律问题。成矿地球化学研究多旋回多期次多阶段迁移演化问题主要是研究成矿过程问题,研究分带分异分布问题主要是研究成矿关系问题。但是,各级次成矿系统成矿规模不同,成矿过程与成矿关系问题也不同。成矿地球化学主要研究与各级次成矿规模和成矿动力机制相应的成矿过程与成矿关系问题,建立成矿地质—地球化学分带模式。其中,区域成矿系统矿田系列主要受全球成矿物质的不均匀性与成矿旋回的不均衡性等因素影响,侧重于研究矿田成矿过程及其成矿系列关系问题,属于成矿代际关系,按照代际关系建立跨代模式、同代模式及叠代模式等;矿田成矿系统矿床成矿系列主要受多期次成矿作用及构造岩浆活动等因素影响^[3],侧重于研究矿床成矿过程及其成矿系列关系问题,属于成矿期次关系,按照时期关系建立跨期模式、同期模式及叠期模式等;矿床成矿系统矿体成矿系列主要受岩浆热液多阶段成矿作用及成矿物理化学环境等影响,侧重于研究矿体成矿过程及其成矿系列关系问题,属于成矿阶段关系,按照成矿阶段建立跨阶模式、同阶模式及叠阶模式等。成矿时间是研究成矿过程的参数,成矿空间是研究成矿关系的参数。成矿地球化学研究成矿物质与成矿作用问题,就是以成矿时间为主线研究成矿物质的迁移演化过程,以成矿空间为主线研究成矿物质的迁移演化关系,从成矿时间与成矿空间维度研究成矿系统与成矿系列及其相互关联性,从内在的成因关系上研究成矿系统与成矿系列的成矿规律问题,建立基于成因规律的成矿地球化学模式。成矿地球化学谓之成矿规律研究的核心是建立成矿地质—地球化学模式,运用成矿地球化学模式进行矿产资源预测。

成矿地球化学针对调查发现的科学问题进行研究工作,必须依据成矿地球化学方法理论研究成矿规律,建立成矿地球化学模式,进行矿产资源潜力预测与预判,取得矿产资源预测效果。

成矿规律是建立成矿模式的理论基础,成矿模式是成矿规律研究的综合集成。成矿地质模型基于成矿地质建造^[25]划分为地质模型、成矿模型与成因模型。依据成矿地质建造岩石(岩相)—构造组合特征建立地质模型,研究成矿地质背景问题。地质模型的关键要素为岩石组合,因而也可称为成岩模型。依据成矿地质建造矿化蚀变矿石—矿物组合特征建立成矿模型,研究成矿地质规律问题。依据成矿地质建造成矿过程及与成矿环境关系建立成因模型,研究成矿物质来源与成矿机制问题。成岩模型(地质模型)、成矿模型与成因模型研究循序深入,相互联系与相互印证。如玉龙、纳日贡玛铜矿田属于西南三江北段区域成矿系统岩浆建造,斑岩型、矽卡岩型矿化蚀变带岩石矿物组合为成矿建造,成矿物质为壳幔同熔型,通过研究成矿建造及与成矿环境之间关系建立成因模型,称为壳幔同熔型岩浆建造斑岩、矽卡岩型铜矿田。沱沱河铅锌矿属于三江北段区域成矿系统沉积建造,层控细碎屑岩—碳酸盐岩型为成矿建造,进一步研究成矿建造及与成矿环境之间关系建立成因模型,称为壳幔同熔型沉积建造层控细碎屑岩—碳酸盐岩型铅锌矿田。三江北段铜钼金银铅锌成矿系统总体属于岩浆建造+沉积建造,称为新生代同代型壳幔多源岩浆建造+沉积建造矿田系列。又如南岭东—中段成矿系统崇余犹、柿竹园属于壳源型岩浆建造矽卡岩、石英脉—蚀变岩型锡金与钨锡铋钼矿田,水口山属于壳幔同熔型岩浆建造接触交代、热液交代型矿田,总体称为南岭东—中段成矿带中生代叠代型壳源+壳幔多源岩浆建造锡银铅锌稀有稀土矿田系列。成矿系统与成矿系列侧重于研究成矿规律与成矿理论问题,成矿地质建造侧重于研究建立勘查预测模型与应用实践问题。如此,成矿系统及其成矿系列成矿过程与成矿关系研究就转化为研究成矿建造成矿过程与成矿关系问题。上述三江北段区域成矿系统与成矿系列研究转化为研究同代型壳幔多源岩浆建造+沉积建造的成矿过程与成矿关系问题,南岭东—中段成矿系统与成矿系列研究叠代型壳源+壳幔多源岩浆建造的成矿过程与成矿关系问题,等等。一般而言,1∶25万区域地质调查主要填制地质建造图,依据岩石构造组合特征与时空关系建立区域地质模型,研究成矿地质背景问题。1∶5万地质调查主要填制成矿建造图,依据矿化蚀变矿石矿物组合特征建立成矿模型,进行矿产资源远景评价预测。1∶2.5万地质调查主要填制成因建造图,依据典型矿床成矿物质、成矿作用及成矿地质环境诸要素相关关系建立成因模型,进行矿产资源潜力评价预测。

成矿地球化学理论是成矿地质理论向前延续与发展的科学。相对于地质意义上的成岩模型、成矿模型与成因模型,成矿地球化学模型划分为地球化学异常模型、地球化学成矿模型与地球化学成因模型。依据地球化学异常分布面积、组成组合、丰度含量及规模强度特征,建立地球化学异常模式,研究全球、区域、矿田及矿床等各级次异常规律。依据成矿元素分布组合、富集状态及分带序列建立地球化学成矿模式,研究地质—地球化学成矿规律。依据成矿物质来源、迁移演化及成矿关系建立地球化学成因模式,研究地质—地球化学成矿机理。对于成矿地球化学而言,主要是研究成矿元素的成矿特征、成矿规律与成矿机理。即首先通过调查取得全面、精确、客观的第一手资料,研究壳幔地球化学丰度与背景,结合成矿地质环境建立基于特征认知的经验性的地球化学异常模型。通过综合研究成矿环境与成矿作用从经验性模型提升到规律性认识,建立基于规律认识的地球化学成矿模型。深入研究成矿物质来源、迁移演化、分异富集及与之相关的成矿地质环境,建立基于内在机理性的成矿信息线性相关的地球化学成因模式。一般在区域化探阶段主要编制区域地球化学图,依据区域地球化学元素丰度、分布组合特征结合成矿地质背景建立区域地球化学异常模式,评价研究区域成矿系统矿源场及与区域成矿作用有关的矿田级异常系列。普查化探阶段编制地球化学普查图件,建立普查地球化学异常模式,评价研究矿田成矿系统矿源地及与岩浆构造作用有关的矿床级异常系列。详查化探阶段(包括钻孔、坑道原生晕)编制地球化学详查图件,建立详查地球化学异常模式,评价研究矿床成矿系统矿源体及与岩浆热液作用有关的矿体异常系列。在上述全球、区域及矿田—矿床不同层级上研究成矿地球化学规律与成因机理,建立地球化学成矿模型与成因模型,进行矿产资源远景预测与潜力评价。

成矿地球化学预测模型产生于成矿地质模型,又超越成矿地质模型,在成矿元素层面研究成矿地质问题。不同成矿物质来源的成矿地质模型可能相似,而成矿地球化学成因模型可能完全不同。成矿地球化学意义上的成因模型是建立在以成矿物质为主体的具有成因联系的各种成矿元素信息与成矿环境信息的线性关系基础上,根据成矿物质的内在成因机理加以确定。如前述全球成矿系统主要依据壳幔物质来源划分幔源型、壳源型及多源叠加型成矿系统,又在后期成矿作用过程逐步演化为区域、矿田及矿床各级成矿系统不同的成因类型。地球化学成因关系决定成因类型与成因模式。成因关系不同,成因类型与成因模式也不同,相应的找矿预测方式方法方向也就不同。如南岭成矿带崇余犹钨锡金矿田壳源岩浆热液成矿系统与长江中下成矿带铜陵铜金多金属矿田壳幔多源岩浆热液成矿系统,两大矿田矽卡岩型矿床源于不同矿源系统,成矿地质模式可能相同,而地球化学成因模式不相同,基于成因模式的预测方法也不同。

成矿类型是成因类型的外在状态。同样的成因类型可能产生不同的成矿类型。如长江中下游多源岩浆成矿系统在岩体内部形成斑岩型矿床,在碳酸盐岩环境中产生矽卡岩型矿床,矿产种类也随之变化(表3)^[7]。同样的成矿类型也可能源于不同的成因类型,如斑岩型矿床可能源于壳源型,也可能源于幔源型或壳幔同熔型岩浆成矿系统等,如南岭成矿带柿竹园矿田瑶岗仙斑岩矿床形成于壳源型成矿系统,长江中下游九瑞矿田城门山矿床形成于壳幔同熔岩浆成矿系统(表3)。所谓成因机理是指源于不同成矿物质的成矿元素之间及成矿元素与成矿环境之间在成矿作用过程产生的相关关系,可以运用函数关系表述的成因模型。不同来源的成矿物质成矿元素分布、组成不同,成因机理也不同,必需分别建立基于成因机理的成因模型,依据成因模型进行矿产预测。如幔源物质成矿元素成因机理及其成因关系不同于壳源物质,更不同于壳幔多源物质,成矿元素的成因模型及基于成因模型的预测模型也就不同,应按照成矿物质来源分为幔源型成矿地球化学模式、壳源型成矿地球化学模式及壳幔多源型成矿地球化学模式等。不同成因来源的岩浆热液矿床成因模式不同,预测模型也不同。如均属滨太平洋成矿域南岭成矿带崇余犹矿田壳源型成矿系统与长江中下成矿带铜陵矿田、九瑞矿田、鄂东南矿田壳幔同熔型成矿系统,以及冈底斯—念青唐古拉驱龙—甲玛矿田壳幔同熔型成矿系统,同为岩浆热液型矽卡岩、斑岩等矿床类型,由于分属不同成矿物质来源、不同成矿地区及成矿时代,基于成因机理的成因模型与预测模型也就不同。即使同源成矿物质系统,也往往产生不同的矿床类型,如崇余犹壳源型矿田产生石英脉型、矽卡岩型矿床,铜陵壳幔同熔型矿田产生矽卡岩型、斑岩型矿床,远在冈底斯成矿带的驱龙—甲玛壳幔同熔型矿田产生矽卡岩型、角岩型或斑岩型矿床等。由于全球成矿物质分布的不均一性,同源型成矿物质系统在不同地区成矿物质分布组成也不同,如铜陵壳幔同熔型矿田产生铜金多金属矿床,在鄂东南产生铜铁多金属矿床,在驱龙产生铜多金属矿床。同样的矿床类型在不同地区也可能形成不同的矿产种类,如形成斑岩铜矿、钼矿及金矿等,矽卡岩铜矿、钨矿及铁矿等,热液矿床更是种类繁多。成矿类型与成矿模式主要取决于岩浆、构造、地层及物理化学环境等外部地质背景条件,成因类型与成因模式则主要取决于成矿物质成因来源、分布组成及分异富集程度等内在因素。

成矿地球化学理论只有实现模式化,才可能实现理论研究向矿产预测应用实践转化。矿产勘查预测可以在不同层面、不同专业领域以不同方式实现智能化预测。按照成矿地球化学方法理论,依据区域化探大数据首先建立地质—地球化学异常模型,在第一波区域化探扫面提供新发现的具有找矿前景的“高大全”异常直接取得找矿成果,主要以浅表层矿产为主,相当于500 m以浅的第一找矿空间。在第二波普查化探依据地质—地球化学成矿模式取得找矿成果,以中等深度矿产为主,相当于500~1 000 m第二找矿空间。第三波详查化探侧重于从微弱的千米以深的第三空间获取找矿信息,主要依据建立成因模式取得找矿成果。成矿元素异常信息特征模型属于地质模型或经验模型,成矿元素异常信息分带模型属于成矿模型或规律模型,成矿元素异常信息相关关系模型属于成因模型或机理模型。智能预测运用地球化学成因模式,也可以同时运用地球化学异常模型、地球化学成矿模型及成矿地质模式相互印证,进行综合判别。这也是面临找矿深度难度日益增大趋势下,成矿地球化学侧重于以成矿物质为主体建立成因模式的要意所在。成矿物质在一定时—空的成矿系统成矿地质环境条件下演化为一定的成矿过程与成矿关系,决定成矿种类、类型及规模等。成矿地球化学以成矿物质为主体,结合岩浆构造活动、围岩岩性及物理化学环境等成矿地质背景条件,通过成因关系引入数学方法模拟成矿过程与成矿关系,研究基于成因联系与成因模型的函数关系,建立成矿元素之间、成矿元素与成矿环境之间基于成因联系的函数关系模型,实现深部矿产资源潜力的智能化预测。成矿地球化学与生态地球化学都遵循地球化学的基本规律。近年来依据生态地球化学方法理论研究西南岩溶景观土壤Se、Cd等元素含量、分布、组成特征及其与生物有效性关系问题,建立具有成因联系的相关性模式与等级评价标准,运用机器深度学习进行智能化预测,在理论上实践上取得具有普遍指导意义的显著成果^{[26⇓⇓-29]},对于成矿地球化学研究具有重要借鉴意义。

正是成矿地球化学的这种基于成因关系的规律性,为找矿地球化学技术方法提供了应用理论基础。各类成矿物质可能由于地质环境的变化产生不同的矿产种类与矿床类型。但是,所有与热事件有关的成矿元素都具有共同的分带序列与分带规律。这是因为成矿元素在所处物理化学环境与热动力条件下遵循共同的化学原理与化学定律,在不同构造、围岩地质背景条件下产生规律性的分带状态,使成矿地球化学分带特征具有超越不同成矿类型与矿产种类的共性与普遍性,为建立基于成因联系和线性相关的成矿模式提供理论基础,在成矿地球化学异常评价方面也更具优势。成矿地球化学的线性规律及与之相关的成矿模型是成矿地质过程不确定因素中最为确定的因素,使运用机器学习进行模式化智能化处理成为可能。运用机器系统进行地球化学异常特征智能化处理,属于深度模仿,进行地球化学异常成因智能化处理,属于深度学习。成矿地球化学通过大数据采集实现信息化,运用信息关联性实现模式化,基于机器深度学习实现智能化,成功实现成矿地球化学信息化转型、模式化升级及智能化预测。着眼未来科技发展,机器学习型人工智能产生模仿式人工智能,机器联想型人工智能产生生成式人工智能,机器创造型人工智能产生超越式人工智能。从更长远发展看,成矿地球化学大数据信息通过机器深度学习进行模式化运用、智能化识别、预测及验证,尚属于被动式人工智能,未来发展到更高层次的通过机器大模型训练及基于对成矿地球化学原理与性质的解析实现主动式人工智能,达到能动性生成模式,运用地球化学成因关系进行模式化推演、预判及至进行程式化预测方案与预测方法设计等,建立地学领域的生成式人工智能,进而可能从学习型人工智能、生成型人工智能实现超越型人工智能,由机器模仿、联想到创造,全景式模拟整个成矿系统成矿过程与成矿关系,创立人类难以企及的更加系统、精准的成矿预测方法理论。成矿系统问题本质上也是地球系统问题,借助人工智能技术完全可能突破人类认知上的局限,从成矿地球化学大数据信息的非线性现象中推导出线性相关的成矿规律与成矿模式,从成矿物质与成矿作用的各类耦合方式中揭示成矿元素及其与成矿环境的成因关系模式,实现矿产资源的智能化预测,破解地球系统科学从长期困扰学界的包括矿产预测在内的基础科学问题与资源环境评价问题。

正如地质科学存在假说一样,矿产预测也存在成功率问题。构造旋回并非必然产生成矿旋回,成矿旋回也并非必然成矿。依据成矿地球化学成矿模式与成因模式进行矿产预测,只是表明预测地区存在矿化活动,并不代表成矿物质的富集程度已经达到人类规定的成矿标准。成矿过程可能止于壳幔运动,仅仅形成高丰度地球化学背景,也可能止于区域成矿旋回,形成区域性地球化学异常,如四川峨眉山地幔柱铜地球化学区域异常,也可能止于成矿时期,或止于多期次多阶段成矿作用,仅仅达到矿化或矿点程度的局部异常,需要进行综合分析、异常评价与工程验证。这就是为什么即使成矿条件有利、成矿元素特征符合分带序列也仍然存在成矿概率问题的原因,形成有利成矿环境还需具备各种有利成矿的耦合条件。成矿过程与成矿关系取决于以成矿物质为主体的各类成矿要素的耦合过程与耦合关系及可能产生的耦合效应。这就存在成矿偶然性问题,尤其成大矿、富矿,更是小概率事件。这就是成矿过程的绝对性与成矿关系的相对性问题,需要应用现代科学技术研究有利成矿的耦合关系及建立精准预测的耦合模式,提供更为有效的矿产预测技术方法。现代社会大数据信息化科学的迅速发展,推动成矿地球化学预测方法理论建立在大数据科学基础上,从而能够在全球、区域、矿田到矿床各级次成矿系统实现矿产资源潜力从大数据信息化、信息模式化到模式智能化的预测预判。所谓大数据信息化包括区分不同成矿物质来源的关联信息,信息模式化主要是建立成矿元素及与成矿环境之间的相关关系,模式智能化是相关关系模式通过机器学习与算力算法运作进行的智能预测,特别是识别来自深部微弱成矿信息,及叠加作用产生的非正常信息,探寻成矿物质运动轨迹,研究成矿物质运动的成因关系,建立从全球、区域、矿田、矿床到矿体各级次成矿地球化学成因模型与成矿模型,实现成矿地球化学全过程模式化、全维度模式化与全信息模式化预测,从全过程、全维度、全信息模式化向更加直观的立体可视化图像智能控制系统发展。

成矿地球化学兼具成矿理论与找矿方法双重作用。在地学领域,只有高质量的地球化学大数据,才可能进行高精度的地球化学预测。通过地球化学成因关系模式化研究建立相应的预测评价指标标准与找矿方法,指导找矿地球化学评价与矿产预测,更加精确、更加智能预测矿产资源规模与潜力。这也是理论地球化学转化为应用地球化学方法的过程。

成矿地球化学理论认为成矿物质是成矿系统影响成矿过程的内在因素。成矿地球化学以大数据发现重大科学问题为导向,主要研究成矿物质在成矿作用中成矿系统与成矿系列的成矿过程与成矿关系问题,包括成矿物质的成因来源、迁移演化、分异富集、分带关系及成矿规律与矿产预测问题,运用地球系统科学思想研究建立全球各级次成矿地球化学理论体系与应用体系。

全球各级次成矿系统成矿物质来源是成矿地球化学研究的基本问题。成矿系统成矿物质的成因来源决定成矿系统与成矿系列的成因类型,成矿作用方式与成矿地质环境决定成矿系统与成矿系列的成矿类型,据此在全球及成矿区带、矿田、矿床各级次划分由成因类型与成矿类型双重属性构成的成矿系统与成矿系列。

成矿物质迁移演化主要从时间维度研究成矿系统与成矿系列的成矿地球化学循环方式与演变过程,包括同一层级成矿系统与成矿系列之间与不同层级成矿系统与成矿系列之间两个层面,深入研究成矿系统与成矿系列成矿物质迁移过程与演化关系,以及成矿物质迁移演化过程相互交织产生的复杂的成矿地质—地球化学问题。

成矿物质的分异富集产生成矿系统与成矿系列,包括成矿系统之间,也包括成矿系统内部成矿系列之间。成矿物质性质上的差异使成矿系统与成矿系列成矿元素的分异富集随外部地质环境与物理化学条件变化而变化,成矿物质经多级成矿作用总体趋向于从分散状态向富集成矿转化。

壳幔物质分异富集产生全球各级次成矿系统及其成矿系列的分带现象。成矿地球化学主要在空间维度上研究全球各级次成矿系统及成矿系列分带过程、分带类型与分带关系,厘清成矿时代、成矿时期及成矿阶段,通过成矿地球化学分带关系研究构建全球成矿地质—地球化学时空分布格局。

成矿地球化学基于成矿信息的成因联系研究具有线性相关的成矿规律问题。成矿地球化学行为遵循分配定律、结合定律及平衡定律三大定律,是在混沌、非线性地质作用过程基于成因关系建立成矿物质分带模式具有全球共性的主要原因,是成矿系统与成矿系列所有不确定因素中唯一确定的因素。

成矿地球化学运用大数据建立基于成因关系的矿产预测模型,进行矿产资源预测。只有高质量的地球化学大数据,才可能进行高精度的地球化学预测。成矿地球化学通过大数据采集实现信息化转型,运用信息关联性实现模式化升级,基于机器深度学习实现智能化预测,发展生成式人工智能与超越式人工智能,破解地球系统科学长期困扰学界的包括矿产预测在内的基础理论问题与资源环境评价问题。