热液矿床超大比例尺构造

郑义1,2,3,4

1 中山大学地球科学与工程学院

2 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室

3 广东省地球动力与地质灾害重点实验室

4 南方海洋科学与工程广东省实验室

作者简介：郑义，教授，博导，主要从事成矿与资源勘查研究。

导读：

围岩蚀变是热液矿床的标志性特征之一。由于矿体规模小找矿预测难度大，而围岩蚀变范围大易于识别，因此蚀变填图是一种有效的找矿方法，使之成为地质学类专业要求掌握的基本功之一，野外地质工作者和矿床学研究者都高度重视。

在实际填图勘查中，初学者面对复杂的热液矿床往往不知如何下手，对于“填什么”和“如何填”等问题不甚清楚；而成矿环境判别、成矿流体通道与圈闭、热液充填与交代成矿作用以及脉体穿插与成矿期次判别等问题长期被忽略。鉴于此，郑义教授在国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助下，研究提出并阐述了“成矿流体+新鲜围岩→围岩蚀变+矿石”热液矿床形成的基本原理。作者将热液矿床比作有血有肉的生命之躯，成矿构造是热液矿床的骨架，蚀变围岩是热液矿床的血肉，围岩蚀变围绕成矿构造发生和分布，矿石就是一种特殊的围岩蚀变。用通俗易懂的比喻方式阐述了热液矿床构造、流体、蚀变和矿化的形成过程，重点介绍了长期被忽略而又值得注意的热液矿床填图方法，研究成果对指导野外地质找矿工作具有重要参考作用。

------内容提纲------

0 引言

1 矿床研究的空间尺度问题

2 基本原理：A+B→C+D

3 成矿构造：热液矿床的骨骼

4 围岩蚀变：热液矿床的血肉

5 矿石：一种特殊的围岩蚀变

5.1 石英和方解石

5.2 金铜铅锌硫化物

5.3 成矿元素的分带性

6 几个值得注意的问题

6.1 成矿环境的判别

6.2 流体通道与圈闭的判别

6.3 充填与交代作用的判别

6.4 断裂与脉体形成过程

7 结论

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0 引言

野外地质填图是地质学类专业的基本功之一，贯穿于地学工作者的整个职业生涯。本文所指的热液矿床“超大比例尺”填图是指对地表露头、平硐、钻孔和手标本上等记录的各类地质现象进行观察和描述。一方面，热液矿床超大比例地质填图是深入认识矿床地质特征、矿床成因类型和区域成矿规律的基础；另一方面，热液矿床超大比例地质填图的成果对于矿体-矿床-矿田乃至区域尺度的资源潜力评价和勘查工程部署也具有重要意义。由于热液矿床具有分布广、成因类型多、成矿期次和空间分带复杂等特点，在矿区尺度野外调查、填图和研究中，需要观察、描述和甄别的内容复杂，如岩性、构造、流体和蚀变等。经典矿床学教材教学中，多倾向于按矿床成因类型对各类热液矿床的矿床地质特征、成矿过程和成矿模式分门别类进行介绍。这一系统分类对于快速掌握矿床学基础知识具有重要意义。但是，初学者为了将这些复杂的现象简单化，容易直接套用经典成矿模型，导致重要成矿信息的忽略和大量研究成果的同质化。

热液矿床超大比例尺地质填图的概念是什么？野外填图应该重点调查哪些内容？重点关注哪些地质现象？这些地质现象背后的成因启示是什么？笔者结合多年实践经验，对这些问题做了梳理，提出了热液矿床“超大比例尺”填图这一概念。“超大比例尺”是相对于测绘科学中的大比例尺而言，一般大比例尺是指1∶10万甚至更大。而热液矿床中矿区范围一般在几平方千米，所要观察记录的现象一般是1∶1000甚至更大比例尺下肉眼观察到的现象。因此，我们认为热液矿床超大比例尺填图应该从工作目的和科学问题出发，重点调查矿区内肉眼可见的构造、蚀变和矿化等关键特征。同时，需要掌握热液矿床成矿作用的基本原理，挖掘这些现象背后隐藏的成因启示，从而事半功倍达到工作目的。基于此，本文系统总结热液矿床构造-蚀变-矿化超大比例尺填图的基本概念和基本原理。同时，对容易混淆和理解困难的注意事项，例如成矿流体通道和圈闭、充填和交代作用以及热液脉体形成等，做了重点阐释。

1 矿床研究的空间尺度问题

空间尺度是热液研究中经常面临的问题。为了形象直观和准确地反映矿区内陆层、构造和岩浆岩等地质体的分布情况，常用等比例缩小的形式来比较准确地体现地质内容。其中，图件与实际区域的大小比例称为比例尺，又称缩尺。通常，小比例尺地质图覆盖范围相对较大，但测量精度较低，细节不突出；而大比例尺地质图表示的空间范围小，内容细致。

热液矿床研究涉及到一系列的空间尺度，从宏观到微观包括：全球/板块→成矿省/矿集区→矿床/矿体→矿石/矿物→显微/超显微等。本文所讲的“超大比例尺”填图，大致相当于1∶1000及更大比例尺，主要覆盖“矿床/矿体→矿石/矿物”两个尺度(图1)。在这一尺度下，主要工作场所是地表露头、探槽、平硐和钻孔等。研究者可以通过肉眼或放大镜直接进行观察、记录和描述。本文重点探讨的是直接通过野外观察，结合热液矿床的基本原理和形成过程，经过综合分析，得出一些重要的矿床成因启示。

图1 热液矿床研究中的空间尺度问题

以铅锌矿床及共伴生关键金属元素的研究为例(图1)，目前主要工作从宏观到微观主要包括“全球对比→矿集区→矿床/矿体→矿石/手标本→矿物/显微镜→原子/离子”等6个尺度。本文所指的“超大比例尺填图”重点关注的是在矿区露头、平硐和钻孔所直接观察到的各类构造、蚀变和矿化现象，重点查明这些现象的空间分布和时间演化。这项工作对于具体某个矿床的成因认识和矿床尺度的勘查工作具有重要意义。现代测试技术的进步，如各类遥感技术和原位微区测试技术，使得宏观和微观尺度的研究取得了显著进步。但是，野外观察和发现能力，尤其是基于野外调查的超大比例尺填图研究，反而更加薄弱了。因此，本文主要出发点是基于热液成矿作用的基本原理，从野外调查直接观察到的地质现象出发，来介绍这些现象背后的成因启示。

2 基本原理：A+B→C+D

热液矿床成因类型具有多样，如斑岩型、矽卡岩型、造山型、VMS、SEDEX、MVT、卡林型和浅成低温热液型等。每一类热液矿床都具有独特的地质特征、矿物-元素组合、结构构造和控矿因素等。矿床成因类型的分类，对于快速高效掌握和集成表达矿床基本信息具有重要意义，也是现代矿床学研究中的巨大进步。但过度强调矿床成因类型，反而导致一些重要的成矿信息被忽略。实际上，热液矿床的形成是一个非常复杂的过程，尤其是一些超大型矿床，成矿元素的巨量和超常富集是多因素耦合的结果，经历长时间、多期次的叠加富集形成，并在有利的构造部位完成矿体定位。那如何来系统表达这些复杂的成矿过程中元素富集？

复杂的现象和问题解决要从简单的原理入手。从原理上，无论哪一成因类型的热液矿床，一个成矿期或一个成矿阶段的成矿要素都可以用图2的通用性公式(A+B→C+D)表示。成矿过程可以被看作是一个复杂的化学反应过程，即携带着成矿元素的成矿流体沿着一定的通道与围岩反应，从而形成矿石和围岩蚀变带。其中，“A”指的是成矿流体，包括岩浆流体、变质流体、盆地卤水和大气降水等；“B”指的是新鲜无蚀变的围岩，岩浆岩、沉积岩和变质岩均可作为容矿围岩；“C”指的是蚀变带，通常它们的分布范围要比矿体/矿石的范围要大；“D”指的是矿石，即有用元素和矿物达到可以开采利用的水平。此外，成矿流体通道也非常重要，常见的断层和褶皱等构造、沉积岩的孔隙、变质岩的片理面等，都是成矿流体运移和沉淀的绝佳通道。

有了这一认识，对于一些现象的观察和描述就需要分清主次，有的放矢。从空间上看，成矿流体携带着大量金属/成矿物质，沿着一定的流体通道运移，当运移到合适的位置，由于物理条件变化和化学反应等因素，从而导致成矿元素的溶解度急剧下降，进而促进金属沉淀形成矿体/矿石。在具体矿床调查过程中，了解各类成矿元素的空间分布，对于理解矿床形成过程，尤其是布置找矿勘查工程，具有重要意义。在实际调查过程中，由于大规模的地质流体已经基本消耗殆尽，因此我们在一个矿床中实际观察到的是矿石(D)、蚀变带(C)、围岩(B)和部分的流体通道(主要是构造)。如何通过残留的上述信息片段，推测和重建整个成矿过程，是超大比例尺填图和矿床成因研究的重要问题。

3 成矿构造：热液矿床的骨骼

成矿构造，又叫矿田构造，是指控制热液矿床矿体形态、产状、结构、规模以及形成和分布的地质构造要素的总和。成矿构造按照空间的大小分为不同尺度，例如板块构造属性、矿集区、矿田尺度、矿床尺度、矿体尺度和露头尺度等。有些学者将成矿大地构造背景和成矿建造等宏观因素列为成矿构造要素。在本文所指的热液矿床超大比例尺填图中的成矿构造是指可以通过肉眼识别的中小尺度构造要素，尤其是矿体和露头尺度的构造。热液流体的运移需要一定的通道，尤其是断层构造常作为热液运移最重要的通道(图3)。因此，我们认为成矿构造是热液矿床的“骨骼”。查明热液矿床“骨骼”(成矿构造)的几何学和动力学特征，是理解热液矿床元素富集过程和分带机制的基础。

图3 热液矿床形成的构造条件

a~c.3种拉开成矿空间的构造，分别是伸展、水平剪切和垂向剪切；d.同一应力场形成的挤压和伸展构造；e.断层脉；f.伸展脉

通常来讲，成矿构造按照性质分为导矿构造、配矿构造和赋矿构造。除了通道作用，构造最主要的作用是能够为成矿提供大量的成矿空间。因此，应力薄弱位置是元素富集和矿体就位的有利部位，例如背斜鞍部、层间滑脱带等(图3)。这些构造应力薄弱部位往往是通过伸展和剪切作用所形成(图3a~3c)。其中，需要重点强调的是“旋”和“阶”的区别。顺时针相对运动，称之为左旋；反之，逆时针相对运动称之为右旋。面向矿体，升高一侧位于左侧称为左阶，而升高一侧位于右侧称为右阶(图3d)。因此，左旋左阶和右旋右阶等伸展环境是矿体就位的主要部位(图3d)。

除了要查明热液矿床控矿构造的几何学形态，对其运动学和动力学机制的研究以及应力场的反演也是成矿构造解析的重要内容。热液矿床大比例尺填图中，常见热液脉的成因包括断层脉和伸展脉两类(图3e~3f)。其中，断层脉通常平行于断裂带或剪切带，并发育多组平行脉体。断裂脉内常包含一些定向拉长的围岩物质组成碎裂-愈合脉体。断裂脉的总体方向常平行或小角度相交于断裂带或剪切带。脉体内矿物结构构造多与整个脉体方向平行，有时候会呈现复杂的雁列、折尾和菱形结环等现象(图3e)。与之相对的是伸展脉，个体短而弯曲，表现出裂面不平和不规则错开，疏密不规则(代表了应力集中处-张节理密集)。伸展脉体常以中高角度与断裂带或剪切带总体方向相交，与应变椭球最大应力方向斜交。此外，部分伸展脉发育在断裂或剪切带外侧(图3f)。

4 围岩蚀变：热液矿床的血肉

围岩蚀变，又叫热液蚀变，是指围岩发生的矿物、化学成分和结构构造的变化。准确理解蚀变现象背后的地质成因指示，不但对于解决矿床成因和找矿勘查问题具有重要意义，也是后续代表性样品的挑选和测试分析的关键。因此，在观察描述围岩蚀变时，要区分哪些蚀变与成矿作用有关，哪些与成矿无关。本部分重点介绍围岩蚀变的概念、描述方法、影响因素和观察描述的要点等。

如何来描述蚀变作用？总体原则是清晰、准确和一致。围岩蚀变的表达方式通常有3种方式。第1种是基于矿物组成的描述，例如石英、钠长石、绢云母和钾长石等；第2种是基于化学组成的描述，例如钾化、硅化、钙化、钠化和镁化等；第3种是基于成因的描述，例如，青磐岩化、绢英岩化、云英岩化和泥化等。其中，基于化学组成和基于成因的蚀变描述需要对矿物化学成分和成因有扎实的知识背景，入门较难，因此我们推荐基于矿物或矿物组合的蚀变描述。命名蚀变岩的方法有两种，一种是蚀变较弱，常命名为某某蚀变化原岩，类似于变质岩中的“变余”，例如棉花坑铀矿的水云母化花岗岩；另一类是围岩蚀变强烈，基本是由蚀变矿物组成，命名为某某蚀变矿物岩石，类似于变质岩中的“变成”，例如石碌铁矿的透辉石透闪石岩。

影响蚀变作用的因素很多，不同学者总结的也略有差异(图4)。我们基于经验，提出了5个影响因素，分别是温度、渗透率、压力、围岩组成和流体性质。其中，温度是影响热液蚀变最重要的因素，因为大部分化学反应需要较高的温度来提供能量。渗透率控制了成矿流体进入和通过围岩的能力。通常致密岩石具有较低的渗透率，由于不透水，往往只发生轻微蚀变。压力并不是蚀变作用发生的直接因素，但压力往往控制了地质深度，超压控制了流体迁移，降压导致流体沸腾和成矿物质沉淀。原始围岩的组成决定了元素与矿物反应的有效性。通常，流体与造岩矿物反应的难易程度，往往与鲍温反应序列的矿物结晶方向相反。最后，流体的组成和性质(如，氧化还原程度、酸碱度、挥发分组成和阴阳离子组成等)对于热液矿床围岩蚀变的形成也具有重要影响。

图4 热液矿床常见的围岩蚀变组合及指示的成矿条件

那如何来观察描述围岩蚀变？首先是矿物组成，包括矿物种类和组合等；其次是蚀变结构构造，如浸染状、选择性矿物交代和充填脉体等。尤其是重点观察蚀变作用是均匀还是不均匀分布，是普遍分布还是沿片理或断裂等局部构造分布等；第三是蚀变强度方面，通常划分为蚀变微弱、中度和强烈等多个强度级别；第四是围岩蚀变的空间分布，除了垂向和水平的蚀变分布，还需要注意近矿和远矿蚀变；第五是时间因素。野外调查常通过脉体穿插、交代反应和包裹等关系判断蚀变形成的相对时间。

图5 热液矿床主要矿物沉淀的控制因素

a.脉石矿物石英溶解度与深度和温度的相图；b.不同pH和Eh条件下，热液中硫的稳定区间；c.铜、金和锌的溶解度与温度的关系；d.铜、金和锌的溶解度与酸碱度的关系.

图6 热液矿床中流体通道与流体圈闭的示意图

图7 热液矿床中充填成矿作用和交代成矿作用的示意

图8 热液矿床中脉体的形成过程与先后顺序判别

a~c.脉体形成的三部曲，裂隙打开、形成空间→流体流经、保持张开→矿物沉淀、形成脉体；d.A、B和C脉的切穿关系；e.C脉晚于A脉和B脉；f.C脉与A脉和B脉同时形成；g.A脉、B脉和断裂的切穿关系；h.A脉和B脉通过充填交代作用同时形成.

原文来源：郑义，2022. 热液矿床超大比例尺构造-蚀变-矿化填图：基本原理与注意事项. 地球科学，47（10）：3603-3615。