成矿地球化学场时空结构解析及其深部找矿意义

1 成矿（元素）地球化学研究的历史与现状

矿床的形成及演化是地球物质运动的一种表现形式，矿体就是矿区内成矿元素相对集中的区域，其他元素则在矿体之中和周围形成与成矿过程、成矿作用有关的变化，成矿地球化学研究的重要目的之一就是要揭示成矿作用中元素变化的时空规律。这是开展矿床（深部）成矿预测的重要基础。

众所周知，成矿相关元素在成矿作用过程中会在矿体及其外围形成比矿体范围大得多的相对富集，通常将这种现象称为地球化学原生（异常）晕，而将晕中元素的空间排列规律称之为地球化学分带，它包括水平分带和垂直分带。在深部成矿预测中，人们更关注矿体原生晕的垂向分带特征，即原生晕垂（轴）向分带序列，其中还分为头晕、矿体晕和尾晕三部分。原生晕概念的提出对于促进成矿元素地球化学理论研究的深入及在矿床成矿预测中发挥着重要作用。然而，有关原生晕的讨论主要集中在成矿及其相关元素的空间变化特征方面，而对成矿过程的长期性和多期性等问题考虑较少，亦即对成矿元素地球化学行为的时间效应关注不足。

李惠等在研究金矿原生晕轴向分带时，基于中国金矿床普遍存在多阶段叠加成矿的特点，并根据深部成矿预测的需要，提出了多期多阶段叠加成晕，即原生叠加晕的概念，并建立了利用原生叠加晕开展深部成矿预测的一系列标志和准则。实际上就是在原先的空间轴向分带基础上引进了多阶段的时间参数。这是对经典原生晕理解的一个突出贡献和有意义的创新。原生叠加晕的提出对于单期多阶段成矿作用造成的元素成晕特点及其规律研究提供了有力的工具，成功地解决了许多该类型矿床的深部预测问题。应该注意到，即使是具有很多成矿阶段的单期成矿作用，其热液体系都是一致的，同时同一体系中各阶段叠加的性质也可能是不同的。纪宏金等正是注意到这一点在其对山东山城金矿开展成矿地球化学研究时，探讨使用成矿叠加晕分带序列分解的方法开展工作，进一步深化了原生叠加晕的研究。

越来越多的研究表明，矿床，特别是大型―超大型矿床的形成往往是长期多期成矿地质过程的叠加产物，宏上表现为成矿系统叠加，即形成复合成矿成系统。正如翟裕生院士所提出的成矿系统叠加及多成因矿床发育已构成中国区域成矿的重要特色。对于复合成矿系统而言，矿床的形成可能并不仅是单期多阶段成矿叠加的问题，而是涉及到多个成矿期的叠加。即在同一空间域中，先期成矿系统被后期成矿系统所叠加，造成不同矿床类型的重叠和大型矿形成。不同的成矿期对应于不同成矿事件。由于不同成矿事件形成于特定的地质―构造环境，因此会涉及到不同的成矿体系。在这些不同体系中，成矿物质（矿质或流体）来源及其演化均具有各自的地球化学特点，显然每一次成矿事件都会形成与其相对应的地球化学响应，不考虑多期叠加成矿事件的具体过程而针对矿床所建立的地球化学原生晕或叠加晕实际上是多成矿体系元素地球化学响应的综合反映。这种原生晕或原生叠加晕难以再现多体系成矿过程的多期性和复杂性，因而在许多具体应用中会产生相关问题。显然，如果不将这种复杂状态下形成的元素地球化学响应根据成矿期（阶段）的时间序列进行有效分解，便难以开展符合地质情况的成矿预测。为此我们引入成矿元素地球化学场时空结构的概念，其目的在于更全面地将时间因素引入原生晕研究，试图通过对成矿地球化学场时―空结构的精细解析，全面再现成矿元素的地球化学过程，旨在为解决多源成矿体系条件下复合成矿系统中多期成矿叠加矿床深部成矿预测问题探索一条途径。

所谓成矿（元素）地球化学场，是指成矿及其相关元素在成矿作用过程中于特定地区产生的时间分配和空间分布。因此，成矿地球化学场具有随机性和结构性双重属性。成矿作用及其他各类地球化学过程都可理解为地球化学场空间结构随时间的演化，即地球化学场的时－空结构。因此，地球化学场的时－空结构是成矿作用动力学研究的重要内容。在复合成矿系统中，多种地质－地球化学－成矿作用相互叠接，导致成矿地球化学场表现为复杂的叠加场，这使得地球化学场时空结构的统一性是复合成矿系统研究的核心与关键，而通过对地球化学场时空结构的精细解析来研究有关的地质体和地质过程乃是地球化学场研究的核心。

2 关于成矿多期性或成矿多期叠加的理解

在讨论基于成矿多期叠加矿床进行的成矿地球化学场时空结构精细解析之前，有必要对成矿多期叠加的含义做一完整理解。现在看来，绝大部分大型超大型矿床，特别是金矿床都是多种或多个成矿过程综合作用的产物。人们习惯上用多期成矿叠加来说明这一问题。但是从现有发表的成果文献看，“成矿作用叠加或成矿多期性”这同一个名词表达出来的却是多种含义。（1）表达的是同一成矿期多矿化阶段的成矿叠加或者一个内生成矿期与表生期的成矿叠加。如果是前者，可能涉及只是同一期成矿作用内部的多阶段活动历史，而没有涉及到多期成矿作用的问题。因此将这种叠加描述为多期成矿作用叠加是不确切的。后者中的表生作用对于内生矿床成矿而言，严格来说不能看成是一个成矿期。表生作用是对内生期已经形成的矿床的改造（次生富集）甚至破坏作用，属于矿床形成后的改造与保存范畴的问题。尽管矿床形成后的保存与变化也是矿床学家应该倍加关注的问题之一，原则上这已经不属于成矿叠加的范畴。因此我们也不赞成将这种情况描述为多期成矿叠加。（2）表达的是多种成矿作用参与，即所谓多成因叠加。一般情况下发生在同一成矿期的多成因叠加现象是极少见的，更多的是表现为不同期成矿作用参与。问题的核心在于不同成矿期的成矿作用是否真的形成了（具工业价值的）矿床（体）还是只是形成了其基础？显然，如果矿床（体）只是在最后一个成矿期的成矿作用中形成，此前的成矿作用只是形成了其基础（如预富集）的话，在矿床（体）上就看不出多期叠加的直观表现。在开展矿床成因研究时，通过矿床地质地球化学方法，可能示踪出多种成矿作用的痕迹（如早期的变质作用导致矿质预富集à晚期的岩浆活动导致矿床形成）。在这种情况下，实际上是一个长期多个成矿作用参与成矿的过程，可能涉及到区域上的多个成矿系统，但并没发生真正的成矿叠加现象，而只是继承效应。（3）我们对多期成矿叠加的理解建立在对成矿事件的确定之上。将在一定的时空域内（通常与成矿系统的时空域相对应）形成了具经济意义的矿床（体）一种或一组地质（成矿）作用过程称之为一个成矿事件。它与成矿作用的区别在于前者形成了矿床（体）而后者不一定，有可能只是形成了矿质的预富集（远没有达到可以利用的矿床（体）程度）。可以看出，当某成矿作用形成了具经济意义的矿床（体）时，就相当于发了一次成矿事件。因此，尽管在漫长的地质构造演化中，各种各样的地质作用（变质、沉积、岩浆、构造、流体）等频繁发生，其中也可不同程度地伴随着成矿元素的地球化学行为，但真正能称为成矿事件的却相对要少得多。此外成矿事件是相对成矿元素而言的。即同一地质作用对于这种元素没有形成矿床，不是一次成矿事件，但可能形成了其它元素的矿床，因此又可以称之为成矿事件。一次成矿事件一般对应于一个相对完整独立的成矿系统，当然成矿事件还具有其它多种属性特征。只有当至少两个不同地质时代的成矿事件共同作用于一个矿床（体）时，才能称之为多期成矿叠加。

成矿多期叠加对成矿地球化学场时空结构具有重要影响，这正是开展地球化学原生晕研究时必须为什么要成矿多期叠加的关键所在。由于多期成矿的热液体系不同，它们的成矿晕模式（如头晕、矿体晕、尾元素组合）就可能不相同。对于成矿预测而言，判定标志就会不一样。例如，对于主成矿元素au而言，元素ag或者pb在一种体系中可能作为头晕元素出现，这时其异常（分带位置或异常特征）可以作为深部预测的有效标志之一；而在另一体系中则可能作为矿体晕元素出现，这时就不宜将其作为预测的主要标志。当出现这两种体系叠加同一条矿脉或矿体上时，如果仅用空间分带来表达其地球化学场结构，就反映不了它们本身具有的细微意义。另一方面，虽然整个矿区存在着成矿的多期性，但对于具体的矿脉或矿体而言，多期多阶段成矿叠加的强度、方式、位置也会不同，显然针对不同的情况，其地球化学场结构就会有差异。

上面的讨论是针对同种成矿元素多期成矿叠加的情况。由于成矿事件是相对于成矿元素而言的，因此，我们还应该考虑到另外一种情况，即在同一成矿空间中发生的多期叠加作用形成了多种矿种（金和银，或金铜，或金银铜铅等等）共生或伴生的矿床，也就是说，一期成矿作用形成了金矿体，而另一期成矿作用可能形成的是其他元素的矿体，或者仅仅形成矿化，二者在空间上同位叠加，显然这种叠加作用的结果是形成了多金属矿床（化），而没有对早期成矿元素造成更加富集。可以认为，正如大型超大型单元素矿床大多是多期成矿叠加作用的产物一样，许多多金属共生或伴生的矿床也同样是复合成矿系统多期成矿叠加的产物，特别是在地球化学性质上相差较远的多个元素共（伴）生于同一矿区（体）时，更可能如此。对于这类矿床而言，在进行深部成矿预测时，开展其成矿元素地球化学场时空结构的精细解析工作就更加必要。

总之，复合成矿系统地球化学场时空结构的精细解析是成矿地球化学理论研究与找矿勘探发展的共同要求。通过地球化学场时空结构的精细解析，可以解释可能的矿种、揭示可能的成矿作用过程、缩小找矿靶区、确定矿床（体）剥蚀深度、现有矿床的深部预测和找矿前景。对深化矿床学理论认识和隐伏矿体找矿具有重要的理论意义和实用价值。

3 成矿元素地球化学场时空结构解析的研究思路

成矿地球化学时空结构的精细解析虽然主要针对复合成矿系统多期叠加矿床提出来，但它实际上对于所有矿床都可以应用。当矿床成矿不存在多期叠加时，其时间结构就表现在多阶段的叠加上面，即原生叠加晕的范畴。这是由于多阶段成矿只涉及到一个成矿热液体系，每阶段形成的头、矿体、尾晕元素组合基本是相同的，相对于整个成矿期而言是一个自相似过程，因此对于成矿预测而言，对每个阶段形成的时间结构进行离解并无实际意义。但当矿床研究确定成矿具有多期叠加性时，成矿地球化学场时空结构的精细解析便是必须开展的工作。这也就是说，开展成矿地球化学场时―空结构精细解析，首先应在合适的对象上进行，这要求对矿床地质特征以及成矿的基本问题，特别是成矿期成矿阶段的确定等开展细致而深入的观察与研究。否则建立起来的时空结构就失去了依托，地质意义不清。基于上述，提出成矿地球化学场时空结构精细解析的研究思路是：选取由多期叠加成矿作用形成的典型（金）矿床为研究对象，合理部署野外（矿山）地质调查工作，基于翔实的野外第一手资料和实验测试数据，综合运用矿床地质学、矿物学、岩石学、元素地球化学和数理统计学等多种方法手段，以多期叠加成矿过程中元素地球化学行为差异的深入剖析为切入点，通过对成矿期成矿阶段的精细划分，对应的矿石矿物组合的准确厘定以及蚀变分带演化、成矿流体性质等的系统研究，示踪多期成矿叠加过程中元素的时空演化轨迹，提取不同成矿期次的元素地球化学场时空间结构信息，并建立相应的成矿元素地球化学场时间结构模型和空间结构模型。在此基础上，进行复合成矿系统地球化学场时空结构的耦合研究，确立找矿预测准则，为矿山深、边部及外围勘探和开发提供科学依据。

4 成矿地球化学场时空结构解析方法

根据上述研究思路，可以将成矿地球化学场时空结构解析分解为以下几个步骤。

4.1 矿床地质研究

构建成矿地球化学场时空结构首先要开展矿床地质研究，其主要目的在于确定多期成矿作用叠加的强度、方式、位置和性质等，重点是讨论不同成矿期次的矿化特征，如含矿热液、矿物组合、矿化样式及其叠加模式。这涉及到矿床地质学研究的各个方面，如矿脉、矿体和矿石的地质特征、矿物组合、围岩蚀变特征、尤其是成矿期次的精细划分，成矿地质－地球化学事件的确立及其间的对应关系等。这些研究是明确成矿元素地球化学统计规律及时空结构所蕴涵成矿地质意义的前提和基础。

4.2 元素地球化学统计分析

以上述矿床地质研究为基础，就可以通过地面、坑道和钻孔全空间的系统现场取样与相关的实验室分析测试，开展具体矿脉（或矿体）元素地球化学的统计分析，揭示其中蕴涵的地质－地球化学－成矿作用信息。主要包括：（1）原始数据整体特征的研究。主要手段为聚类分析和因子分析，目的在于初步考察研究区成矿地球化学场的基本特征。（2）元素含量水平和组合特征的分析。元素组合特征和元素含量水平是对找矿勘探具有决定意义的特征参数，通过研究各组样品中元素含量水平和组合特征，可以判定可能存在的矿种。

4.3 地球化学场时间结构分解

成矿地球化学场时间结构指的是不同成矿期从早阶段到晚阶段相关元素的活动规律。它主要包括成矿期成矿及相关元素组合、期内不同成矿阶段元素的迁移、沉淀和富集规律等内容。显然对于多期复杂叠加的矿床而言，除非各成矿期的矿化产物特点突出，易于鉴别并适于独立开展研究，否则不同成矿期的元素特征只能从其总体中予以离解，我们将这一过程定义为成矿地球化学场时间结构分解。分解着重于成矿元素地球化学特征与成矿期次间对应关系的研究与剖析，通过研究不同成矿期次的元素组合特征与指示元素的关联和区别，以阐释成矿元素组合的地质－地球化学意义，揭示可能的成矿作用过程。

理论上，成矿元素地球化学场时间结构的分解应在成矿期次精细划分的基础上，分别采集相应成矿期（或成矿阶段）的岩石地球化学样品进行综合分析。但是，对于具体的矿区或矿脉来说，由于不同期矿化产物的叠加和复合，在野外样品采集过程中要准确对它们加以区分往往存在很多困难。为此，在实际应用中常常利用多元统计学的分析方法，如相关分析、聚类分析、因子分析或主成分分析等获取成矿元素地球化学场时间结构的重要信息。

这里要特别提及有关地质上常用的因子分析方法。余金生、李裕伟[12]在《地质因子分析》一书中明确强调指出，因子分析可以从以下三个方面为地质工作者提供重大帮助：1、在不损失地质成因信息的前提下尽可能地压缩原始数据；2、能将庞杂纷乱的地质数据按成因上的联系进行归纳、整理、精炼和分类，理出几条比较客观的成因线索，指示成因推理方向，启发人们思考相应的成因结论；3、分解复杂叠加的地质过程。这是因子分析在地质方面最为经典，同时也是最为巧妙的应用。因为地质现象往往都是多种成因过程的叠加产物，岩浆作用是如此，成矿作用更是如此。这种叠加不仅表现在时间上，也表现在空间上，各种过程相互干扰，互相掩盖，使得每个具体过程的特征都面目不清，造成地质成因的复杂化。如何从这种纷繁复杂的地质过程中去识别每一个单一过程的本来面目是地质人员进行成因（包括成矿叠加）研究时最感棘手却又必须解决的问题。因子分析就是从定量方面解决这一问题最为有效和巧妙的方法之一。此外，我们认为，通过因子分析，还可以从定量的数据方面去对地质成因的复杂过程（如多期成矿叠加等）的理论解释提供最有力的证明。研究已经表明，通过这些统计分析，可以对复杂的成矿作用进行分解并在满足需要的条件下为我们提供足够的信息。很明显，详细而准确的成矿期成矿阶段及其矿物共生组合研究既是开展成矿元素地球化学场结构解析的基础，又是其解释的依据，同时二者之间还可以提供相互映证。

4.4  地球化学场空间结构剖析

成矿地球化学场空间结构即以前所称矿体原生地球化学晕。它表征的是与成矿相关元素组合在成矿作用过程中于矿体及其周围空间形成的相对富集现象，对成矿地球化学场空间结构的探索是地球化学找矿领域重要的基础性课题，到目前为止，它仍是矿床成矿预测，特别是深部预测最有效、最准确的方法之一。因而长期以来被视为提高找矿效果，增大找矿命中率的根本途径。根据矿体原生地球化学晕的性质，成矿地球化学场空间结构主要包括两方面的内容。

其一是建立成矿及其相关元素的地球化学分带，即组分分带特征。从勘查地球化学需要出发，人们在开展成矿地球化学场空间结构研究的过程中，与原生晕研究一样，主要着眼于最佳控矿地球化学标志的垂向或轴向分带研究工作，通过垂向分带特征的研究，并结合其矿体之间的关系，确定矿体前缘晕、矿体晕和尾晕元素组合，探寻它们在垂向上的变化规律，阐明其地质找矿明确意义，从中挖掘深部矿体的定位信息。

其二确定不同元素在矿体周围的含量分带，即浓度分带特征。浓度分带特征是表示相应元素富集强度的重要标志。对于成矿元素而言，当其浓集到一定程度时便构成矿体，由矿体向外一般呈渐变方式逐次降低，形成浓度带。而对于其他成矿相关元素而言，情况往往要复杂得多。首先是这些元素含量尽管（大大）高于背景值，但即使是其浓集中心也多不够成矿体；其次，这些元素浓度的变化并不同主成矿元素完全一致，即主成矿元素含量高的位置，其他相关元素中，有的含量同步增高，但有的却不一定也是最高，相反会可能偏低。主成矿元素和相关元素含量变化间的这种空间结构具有一定的规律性，这正是矿体前缘晕、矿体晕、尾晕划分的重要基础。正是因为存在着这样的差异和规律性，才使得通过元素分带的特征预测矿体成矿为可能。

当前，成矿元素地球化学场空间结构的构建着重于原生晕轴向分带序列的研究。显然，原生晕的轴向分带序列是针对各个具体矿脉或矿体建立的。类似地，还可以通过脉体在矿区内的分布特征以及同一标高矿脉的元素分布规律，总结出不同水平上的水平分带序列。这些分带序列是地球化学场空间结构的重要组成部分，对于整个矿区内深、边部隐伏矿脉的预测有重要意义。与时间结构不同，不同脉体间的空间序列往往由于其成矿作用过程的不同而存在不同程度的差异。

对于薄脉型矿体（脉），元素地球化学场的空间结构是在矿脉（体）纵投影图上建立的，它虽然高度概括地表达了元素在该脉（矿）体上的分布规律，但对成矿元素在脉（矿）体不同部位（如勘探线）的局部变化有所压抑。已有研究表明（李惠等，1998），这种方法完全满足规模（主要指走向延长）不是特别大的矿脉（体）的深部预测要求，对于较长的脉体宜分段开展工作，特别需要时也可对感兴趣地段按勘探线建立元素分带加以配合。对厚大且不规则矿脉（体）则应按联合剖面的形式进行，有条件时可以按一定间隔选择尽可能多的勘探线剖面进行取样，开展剖面原生晕分带研究，以利于更好的预测深部成矿前景。

4.5 成矿元素地球化学场时空结构的成因意义

成矿元素地球化学场时空结构不仅是深部成矿预测的重要手段，它同时还能反映一定的成因信息。因为由不同成矿作用形成的矿床，具有与其相对应的特征标型元素组合，体现出成矿作用与元素组合之间