多维度矿床学研究：现状与未来展望

　　多维度矿床学研究：现状与未来展望

　　    现代矿床学研究经历了百年发展，矿床学也已经成为地质学领域中的重要分支学科。矿床学研究不仅能帮助人类认识矿床的形成规律和成矿机制，亦能指导人类开展矿床勘查，是一门非常强调理论与实践相结合的学科。在百余年大量矿床实例研究与找矿勘查实践过程中，人类已经在全球发现了数十种成矿类型，且在厘定其成矿机制的基础上，建立了相应的成矿模式，部分成矿模式已经相对完善，并在矿床勘查工作中起到了重要的指导作用，如斑岩铜矿成矿模式、矽卡岩多金属成矿模式、造山型金矿成矿模式等。但随着近年来矿床勘查难度的不断加大，特别是面对深部矿体勘查难度大、勘查效率（成功率）低等方面的挑战，传统的成矿模式亟需得到进一步完善和发展，同时也促使矿床研究者进一步深入思考：当前的成矿模式研究如何面向未来对矿床更加深入全面认识的需求、更加适应未来矿产勘查的实际需求。

　　    1、成矿模式研究的关键要素

　　    成矿模式研究是矿床学研究中的“皇冠”，也是“集大成者”，几乎所有围绕矿床的研究方向和手段等，其最终目的都是为了准确认识矿床成矿机制并建立正确的成矿模式。长期以来，成矿模式研究主要针对矿床实例，开展其地质特征（如成矿地质体、矿体、蚀变类型与分带、控矿构造等）与成矿物理化学条件（如温度、压力、氧逸度、流体性质等）等研究，从而确定矿床控矿因素、厘定成矿条件、揭示成矿过程。总体而言，成矿模式研究是以实际矿床和相关天然样品为研究对象，通过多种测试手段与方法的结合，综合分析数据来揭示成矿机制。这种研究方式也是当前成矿模式研究最主要、最核心的研究范式，可以视之为“单维度”研究方式。但在相关科学技术飞速发展以及对矿床模型综合性更高的需求的研究背景下，这种传统“单维度”研究方式已经不能完整地揭示和建立准确的矿床模式。

　　    在基于典型矿床解剖的“单维度”成矿模式精细研究之外，我们还需要加强其他几个方面（维度）的研究工作，特别是成矿模拟、矿体剥蚀保存和基于大数据的成矿规律研究等。这些也是建立一个完整、准确的矿床模式所必须具备的几个关键要素。成矿模拟研究将为我们提供更加准确和可验证的成矿物理化学参数，从而更好地反演成矿过程，为成矿模式的建立奠定扎实坚固的理论基础；矿体剥蚀和保存研究将为我们提供成矿后矿体的演化过程信息，从而更准确地厘定矿体深度与保存比例，特别是有助于揭示成矿区带矿体的赋存规律，也能真正实现从单一“成矿模式”到综合“矿床模式”（成矿机制+成矿后演化）的转变，从而更好地适应未来矿床模式研究的发展；基于大数据的成矿规律研究则是受当前迅猛发展的大数据和人工智能技术驱动，为我们揭示全球尺度和成矿省尺度及不同类型矿床的成矿规律提供全新视角，从而获得传统“单维度”成矿模式研究所难以获取的信息。这3个方面（维度）的矿床研究将与已有的基于典型矿床解剖的传统成矿模式研究一起，构成未来“多维度”综合矿床模式研究的几个最为关键的研究单元。

　　    2、基于典型矿床解剖的单维度成矿模式研究

　　    已有成矿模式的建立无不是来源于具体和典型的矿床解剖研究，也只有准确精细的矿床解剖研究才能进一步校正已有的成矿模式，并为发现和建立新的成矿模式提供可能。总体上来讲，经典的矿床解剖研究越多，所建立的成矿模式越完善、稳靠，越能经受得起勘查实践的检验。在全球众多成矿模式中，斑岩型铜矿是当前最重要、最受关注的岩浆热液矿床成矿类型，20世纪70年代被提出以来，不断被完善和丰富，并与全球斑岩铜矿床的勘查紧密相关。目前已建立的斑岩铜矿成矿模式多种多样，按成矿元素组合可分为斑岩铜—钼矿床模式、富金斑岩铜矿床模式、碱性斑岩铜（金）矿床模式等；按成矿构造环境可分为俯冲环境斑岩铜矿模式、大陆碰撞环境斑岩铜矿模式等多种“亚类模式”。这些模式都是基于半个多世纪以来全球数千个斑岩铜矿的典型矿床解剖研究所建立和不断完善的。直到现在，斑岩铜矿成矿机制与成矿模式的研究仍然是全球矿床学研究的热点和前沿。

　　    基于矿床解剖和天然样品的“单维度”成矿模式精细研究是已有矿床研究的必由之路，未来也仍将是成矿模式研究最为核心和关键的内容与方式。半个多世纪以来，这种传统“单维度”成矿模式的研究经历了从早期“简略宏观”到当前“精细微观”的逐渐转变。如对于热液矿床成矿模式中最为重要的部分—成矿流体演化过程的反演和厘定，研究方式和手段从最开始的蚀变带划分与不同矿物组合的指示（如生成顺序与相图分析），到通过流体包裹体测温获取不同阶段温压条件和粗略成分信息，以及利用多种定年方法获得成矿年龄等，再到目前整体呈现“原位微区微量”的发展趋势。特别是得益于矿物原位元素和同位素地球化学测试技术以及纳米一原子尺度微结构观测能力的飞速提高，这些新的技术手段使得我们能够更加精细地刻画成矿流体演化过程，从而进一步完善和丰富已有成矿模式。

　　    3、矿床模式研究的多维度发展趋势

　　    毫无疑问，基于矿床解剖和天然样品的单维度成矿模式研究在过去帮助我们建立了不同类型的矿床模式，并且在未来矿床建模研究中仍将继续发挥着不可替代的重要作用。然而，正如方法技术进步促使单维度成矿模式研究逐步走向精细微观过程一样，科技进步，特别是诸如计算模拟、大数据、人工智能等第四代工业革命代表性技术的迅猛发展，促进了包括成矿模拟、矿床保存反演和大尺度成矿规律挖掘等不同于传统单维度成矿模式研究维度的兴起。

　　    3.1成矿过程实验与计算模拟研究

　　    实验地球化学在地学研究中非常重要，对于认识岩浆演化及其深部过程、元素运移与相态配分等关键地质过程具有重要作用。然而，由于成矿系统和过程的复杂性以及实验难度，关于成矿过程的实验模拟研究相对较少，已有成矿实验研究也多倾向于相对简单系统的模拟，导致实验结果与实际矿床实例的适应性较差。随着近年来实验技术的提高，特别是实验模拟软件的日益成熟和完善，针对热液矿床的重要科学问题，开展细致的实验研究和软件模拟使得准确恢复热液成矿过程成为现实。例如，铁氧化物铜金矿床(IOCG型)是全球最新的一种矿床类型，近年来广受关注，但其成因机制长期争论。例如，外部流体（卤水）对IOCG型矿床中铜矿化的贡献如何限定？针对这个关键科学问题，Li等设计了较为巧妙的实验方案，利用纯净海水和未蚀变的安山岩与玄武岩等进行了一系列的水岩反应实验，并在此基础上对更大温压范围与不同反应介质的实验结果进行了模拟，获得了外部卤水与富铜介质发生反应形成铜矿化的一系列准确参数，相对准确地限定了外部流体对IOCG矿床铜矿化形成的贡献及其物理化学条件。这个实验弥补了通过天然样品开展IOCG成矿机制研究中存在的缺陷，有助于解决IOCG成矿模式争议。此类成矿过程实验模拟研究必将越来越多，并推动成矿模式研究的进一步发展。

　　    理论计算模拟在成矿模式研究中也正在发挥越来越重要的作用，主要方法包括采用近年来国际上兴起的第一性原理分子动力学、量子化学结合统计热力学的方法，模拟计算成矿元素的络合物和相应的固溶体的结构、稳定性和热力学参数；采用多种流体动力学和水岩反应模型结合特定矿床的实际情况，模拟矿床的形成过程，并精确限定矿床形成的关键控制因素。采用三维数值模拟和三维建模技术，反演成矿流体动力学过程，预测成矿三维地质体空间结构，为矿体定位、开展找矿勘查提供理论依据。

　　    3.2成矿后剥蚀保存研究

　　    已有的成矿模式主要建立在对成矿机制研究的基础上，正因如此，这些成矿模式往往只能指示矿床的形成机制，多为“矿床成因模式”，不能直接有效地实际指导矿床勘查，其中最主要的原因之一就是缺乏对矿床剥蚀保存机制的研究。现在发现和看到的矿床现状并非矿床形成时的原始状态，因为矿床在形成后必然受到后期一系列地质作用的影响，越古老的矿床后期被改造的可能性就越大、越明显。现有的成矿模式研究多侧重于矿床的“源、运、储”，而真正的矿床综合模式则还应包括矿床形成后的“变和保”，从而一起构成矿床模式的五大要素：“源、运、储、保、变”。早期矿床保存研究主要通过区域地质对比分析，很难对矿床尺度，特别是矿体赋存位置等做出精确判断。虽然磷灰石裂变径迹方法的出现使得矿床剥蚀保存研究实现了一定程度的定量化，然而由于该方法自身缺陷（应用条件相对比较苛刻）和模拟软件的不足，导致矿床剥蚀保存定量研究的准确性长期没有得到明显提高。近年来，随着锆石和磷灰石U-Th-He技术的出现及其与磷灰石裂变径迹方法的联用，测试方法本身很大程度提高了剥蚀速率等定量研究的准确性。同时，利用低温热年代学数据进行抬升剥蚀演化的数值模拟软件也在近些年得到显著完善，这些均促进了近年来对矿床不同尺度的剥蚀保存精细研究的发展，并对区域勘查起到很好的指示作用。如Gong等利用锆石和磷灰石U-Th-He和裂变径迹方法联测，并借助最新的热演化数值模拟软件，对新疆最大的斑岩矿床——土屋一延东铜矿进行了矿床剥蚀过程反演，揭示出土屋一延东铜矿自晚古生代(约320Ma)形成以来经历的主要改造和剥蚀过程，并据此进一步对东天山构造带和新疆北部地区主要成矿区带的斑岩铜矿保存程度进行了限定，为该区的找矿勘查提供了指导。显然，此类更为精细准确的矿床剥蚀保存研究将成为建立和完善综合矿床模式必不可缺的手段。

　　    3.3基于大数据的成矿规律研究

　　    大数据和人工智能是第四次工业革命的典型标志，此类技术发展也正在改变人类社会工作生活的方方面面，也对基础科学领域产生了巨大影响，形成了“基于大数据的科学研究”第四范式，地球科学领域也不例外。然而，作为地学的重要分支学科，矿床学与大数据人工智能的融合研究还相对比较少。目前已有的矿床大数据研究偏重于靶区预测和潜力评价等，极少开展大数据成矿规律和成矿机制方面的研究，而且也不重视成矿类型的区分。但矿床学研究的核心和基础正是成矿类型，几乎所有的成矿机制研究和成矿模式的建立都是围绕成矿类型展开。因而，加快利用大数据和人工智能技术开展成矿机制和成矿规律研究十分重要。每种成矿类型均存在一些尚未解决的关键科学问题，比如斑岩铜矿中的致矿岩体在不同动力学背景下的成因问题，致矿斑岩体侵位和流体出溶过程中元素的迁移机制等，但这些问题并不是都适合利用大数据人工智能技术来研究解决，比如利用矿物微区微量元素等精细分析方法并辅以实验模拟手段来解决流体出溶机制问题可能更为有效，但类似不同构造背景致矿岩体成因等问题则很适合用大数据手段进行更深入的探讨。已有一些初步的研究成果也证明了利用大数据手段进行此类“大尺度—系统性科学问题”研究的有效性。如Wu等利用超5000件全岩和锆石的元素与同位素地球化学数据探讨了中亚造山带的斑岩成矿规律，圈出了中亚造山带中有利于斑岩铜矿产出的优势区域，提炼出较为精确的判别不同亚类的斑岩铜矿的地球化学标志。这些成果通过传统的矿床实例解剖研究是很难获得的，展现了大数据人工智能研究方法在矿床学研究中的独特性和优越性，也为未来利用大数据人工智能技术进行成矿机制和成矿规律研究提供了研究范例。总体来讲，与其他学科相比，目前大数据与矿床学的融合研究刚刚起步，特别是人工智能手段的利用度还很低，这也意味着矿床学大数据人工智能研究在未来具备光明的发展前景。

　　    4、结论

　　    矿床学研究正面临第四次工业革命科技进步和社会发展的重要变革时期，随着计算模拟和大数据人工智能等新型技术方法的持续发展和不断创新，过去传统基于典型矿床解剖的“单维度”成矿模式研究必将逐渐转变为包括矿床实例解剖、成矿过程实验和计算模拟、矿床剥蚀保存、矿床大数据挖掘等方面综合的“多维度”矿床模式研究，这种转变也是新时期科技与人类社会发展对矿床学研究的必然要求。

　　             摘自：《地质科技通报》2022年第5期