包邮中国学科发展战略·花岗岩成因与成矿机制

**章　科学意义与战略价值 **节　在地球科学研究中的核心地位 花岗岩是地球区别于其他星球的独*岩石类型，是大陆地壳的标志性岩石，与金属成矿关系密切。因此，花岗岩成岩成矿机制是固体地球科学研究中*基础、*重要的内容之一。从大陆形成之初或更早，就有花岗岩的形成，全球花岗岩从太古宙到新生代都有出露，形成于不同的大地构造背景，记录了复杂的陆壳增生和演化历史。同时，花岗岩的形成也与大陆风化过程、板块构造机制、环境变化等相关科学问题密切相关。 当前，国际关系的博弈愈发凸显矿床资源和可持续发展的重要性，而与花岗岩有关的斑岩型矿床提供了世界上*重要的铜、钼资源，与高演化花岗岩有关的“关键金属”（critical metals），如稀有金属、稀土金属和“能源金属”（如锂）提供了现代工业化和国防现代化的保障。因此，研究花岗岩成因与成矿机制，不仅有助于了解地球大陆演化历史，还对保障国民经济发展和国家发展战略具有重要意义。 一、地球科学的核心问题是大陆形成和演化 地球科学是认识行星地球形成和演化的自然科学，以各圈层相互作用的过程、变化、机理及它们的相互关系等为研究内容。以大陆为主的岩石圈是生命存在和延续的重要场所，也是地球内外圈层物质交换的重要纽带。20世纪60年代兴起的板块构造理论是地球科学的一次革命，它很好地解释了洋-洋俯冲带和洋-陆过渡带，但在解释大陆内部构造动力学问题时遇到了困难。因此，如何“超越板块构造”（beyond plate tectonics），通过大陆来研究地球系统演化和动力学机制等基本问题成了现代地球科学研究的主要任务。地球上的大陆可能形成于板块构造作用之前（或称“前板块构造”时期），并在44亿年前就已产生水岩相互作用，35亿年前就已孕育生命，31亿年前就有锡成矿作用，此后经历了多次超级大陆（全球主要大陆聚合在一起而形成）的拼合和裂解过程，逐渐形成全球性的现代板块构造，这些展现出地球与其他行星不同的演化历史。 长期以来，大陆的形成和演化受到国际地球科学界的普遍重视。在欧美发达国家及中国的地球科学领域战略规划中，大陆的形成和演化或以此为核心的系统科学研究都被作为核心前沿而提出。近几年来，美国国家科学基金会又将“大陆动力学领域”（continental geodynamics）改为“集成地球系统”（integrated Earth systems），强调不同系统之间的联系，以阐明大陆系统与整个地球系统的相互作用过程。总的来看，大陆系统的形成和演变历史及动力学机制是地球科学亘古不变的核心研究内容，在未来的科学研究发展中面临着许多机遇和挑战。 二、大陆形成和演化的核心问题是花岗岩 花岗岩是大陆*独*的岩石组成。大陆形成的问题也即花岗质陆壳形成的问题，花岗岩又是大陆分异演化的*终岩浆记录。因此，从物质组成的角度来看，大陆的核心问题就是对花岗岩的研究。 不同于大洋中的洋壳岩石寿命仅2亿～3亿年，陆壳岩石的寿命可长达40亿年，所留下的陆壳物质记录甚至接近已知地球的年龄。*古老的岩石记录已被确定为花岗质岩石，*古老的大陆物质也很可能来自花岗质岩石（图1-1）。在太古宙，花岗质岩石占到太古宙地壳面积的2/3以上（Windley，1995），以长英质（花岗质）片麻岩和弱变形的花岗质岩石为主，通常具有英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（tonalite-trondhjemite-granodiorite，TTG）的岩石地球化学特征，这些TTG花岗岩（片麻岩）地体的成因被认为是大陆地壳生长的根本问题（翟明国，2017）。到了元古宙，花岗岩主要作为大陆地壳演化和改造的岩浆作用产物，在造山带和大陆内部都有广泛的分布，是体量*大的岩浆岩类型，且与许多金属矿产有关。尤其是，显生宙以来，伴随着典型的板块构造运动，大陆演化主要表现为大陆的横向增生和垂向分异（包括大陆的减薄、加厚及克拉通活化或破坏），而该时期新陆壳的形成标志是伴随着造山作用而产生大量岩浆活动和花岗岩（图1-2）。 大规模花岗质岩浆活动还造就了巨量的矿产资源。这些成矿作用还受到重大地质事件，特别是前寒武纪的陆壳巨量生长和大氧化事件、古元古代构造体制转折与早期板块构造、中-新元古代的长期伸展与多期裂谷事件、新元古代超大陆裂解与雪球事件、现代板块构造、中-新生代陆内作用等全球事件的制约与控制（Zhai and Santosh，2013）。陆壳的活化再造及造山带花岗岩和大陆生长在诸多矿产资源的形成过程中起到至关重要的作用（毛景文等，2004；侯增谦等，2012）。 因此，花岗岩成因是研究大陆形成和演化的核心问题，与其相关的矿床成矿机制则是关系国计民生的重要基础应用研究内容。研究花岗岩的形成对于认知地球具有无法替代的关键作用。2015年，由孙枢院士和翟明国院士提议，在北京召开了主题为“花岗岩：大陆形成与改造的记录”的“香山科学会议”，倡导花岗岩研究和大陆的形成演化密切联系，进而推动对大陆演化和大陆动力学研究的进程和突破（翟明国，2017）。然而，目前人们对大陆演化和改造的过程、机理与动力学机制等方面的了解还十分有限。花岗岩作为大陆地壳演化的重要产物，对其研究需要跳出岩石学和岩石地球化学的范畴，这样才能成为理解大陆构造的钥匙。近些年来，中国学者已逐渐把花岗岩研究从岩石学范畴提升到陆壳结构和演化范畴，在大陆形成和演化研究中已取得长足的进步。 三、花岗岩形成的核心问题是成矿元素的循环与再分配 矿床一直是人类关注的焦点之一。人类迄今所探明、了解和研究的矿床，特别是已开发的矿床，绝大多数都在陆地上，其中固体矿产资源中90%以上来自大陆地壳。但是，陆壳中这些成矿金属元素的储量和分布一般较稀少（丰度多为100ppma以下）（Fouquet and Martel-Jantin，2014），如地壳中含有钨（1ppm）、锂（16ppm）、铍（1.9ppm）、钽（0.7ppm）、铌（20ppm）、锡（2ppm）。而花岗质岩浆作用过程可以使钨（W）、锡（Sn）、金（Au）、铜（Cu）、钼（Mo）、铌（Nb）、钽（Ta）、稀土等重要资源富集成矿。因此，成矿元素的循环与再分配成了花岗岩形成的核心问题（图1-3）。 我国稀有金属矿产资源分布较丰富，与花岗岩有关的钨、锡、钼、铋（Bi）等稀有金属矿产都是我国的优势矿产资源（图1-4）。我国的钨储量居世界首位，全球钨的金属总储量是340万t，中国钨的金属储量为190万t，占56%（USGS，2021），主要集中在江西、湖南、河南三省（中华人民共和国自然资源部，2021）。全球锡金属的总储量为430万t，中国锡金属的储量为110万t，占26%，居世界**；而钼在世界上的金属总储量为1800万t，中国排在首位，为830万t，占46%（USGS，2021）。中国铋金属的储量为24万t，约占世界总储量的65%，同样也排在全球首位（USGS，2017）。 稀有金属成矿作用是花岗质岩浆高度结晶分异演化的产物（Linnen and Cuney，2005）。这些花岗岩往往具有如下特征：岩浆作用晚阶段形成钠长花岗岩、稀土元素具四分组效应、锆石铪含量高、熔体挥发分高等。高含量的挥发分，降低了结晶温度，延长了结晶时间，同时也促进了岩浆的高度分异演化。*典型的稀有金属花岗岩包括欧洲海西期花岗岩，如法国的博瓦尔（Beauvoir）花岗岩，捷克的森诺克（Cínovec）花岗岩和中国华南燕山期花岗岩（如江西宜春花岗岩）。近期研究发现，喜马拉雅淡色花岗岩带具有良好的稀有金属成矿潜力，有望成为继华南、新疆阿尔泰之后中国又一个重要的稀有金属矿产资源宝库（Wang et al.，2017）。 斑岩型矿是花岗岩类另外一类重要的金属成矿类型。例如，斑岩型钼矿床产出了世界95%以上的钼金属（Sinclair，2007）。类型包括高氟（F）的Climax型（花岗岩型）和低F的Endako型（石英二长岩或花岗闪长岩型）。前者的经济意义更重要，其成矿岩体花岗斑岩经历了强烈的结晶分异作用，矿体呈矿壳形式分布在高演化花岗岩顶部，成矿潜力巨大，如美国科罗拉多高原东侧的钼储量超过492万t（White et al.，1981），我国东秦岭-大别造山带钼储量超过843万t（Mao et al.，2011）。斑岩型铜矿通常与花岗岩类斑岩体（如花岗闪长斑岩、石英二长斑岩、二长花岗斑岩）有关，呈细脉浸染状，并通常伴生钼、金等有用组分。斑岩铜矿尽管品位低（通常低于0.5%Cu），但是储量大、埋藏浅、易开采（芮宗瑶等，1984；Sillitoe，2010；Sinclair，2007），为世界提供了近75%的铜、50%的钼、20%的金、多数的铼（Re）及少量的其他金属（Sillitoe，2010）。 在科技和经济日益发展的今天，与花岗岩有关的金属矿产的地位愈发重要。其中，稀有金属及其合金是核能、航空航天工业、半导体、特种钢和耐热合金等高科技产品和军事武器的关键原材料，在航空航天国防军工、纺织工业、电子工业、汽车工业、能源密集型工业、新能源等领域有广泛应用（表1-1、图1-5），被誉为“工业维生素”。钼金属及其合金还被广泛应用于冶金、电子、化工、军事及航空航天等领域，