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谈地球深部探测研究与解决国家重大资源战略问题的关系
2017-03-25 | 作者: 中国科学院院士 莫宣学 | 来源: 中国矿业报 | 【 】【打印】【关闭

  习近平总书记在2016年全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会明确指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。李克强总理最近多次批示“推动开展地球深部探测研究”,“可以列为重大专项”,“两个方面,一是地下资源能源问题,二是城市地下基础情况问题。”《“十三五”国家科技创新规划》对地球深部(深地)探测研究也有明确的表述。这表明党和国家对地球深部探测研究高度重视,并指明了方向。

  2012年10月~2014年3月,在科技部原部长徐冠华和科技部基础司的倡导和支持下,以“地球深部过程与成矿作用”为主题的调查研究开始进行。这项研究耗时一年半,参与人员达150余人,含院士8人、教授和研究员30人。为保证调研工作的顺利开展,成立了专家组,组长为莫宣学院士,副组长为马福臣研究员、赵振华研究员,成员包括李曙光院士、金振民院士、张国伟院士、朱日祥院士、华仁民教授、邓晋福教授。秘书为朱弟成、杨立强、王银宏教授。研究完成并提交了《地球深部过程与成矿作用》战略调研总报告及5份分报告(造山带、克拉通、花岗岩省、地幔柱、实验)。在此基础上,于2014年3月召开了以“地球深部过程与成矿作用”为主题的483次香山会议,由孙鸿烈院士、翟裕生院士、滕吉文院士、莫宣学院士、马福臣研究员担任执行主席,来自各方面的40多位专家参加了会议。会后发表了会议简报,向国家有关主管部门提出尽快对“地球深部过程和成矿作用”立项,并列入优先资助领域,给予长时间、大强度的支持。2015年4月瞄准国科发资〔2015〕52号文件中第7个重点方向(面向国家战略需求的基础研究)中的“深地”战略性研究,提出“地球深部过程与成矿作用”的立项建议。

  本文仅对地球深部探测研究与地下资源的关系作一些探讨。

  “地球深部过程与成矿作用”研究的必要性与紧迫性

  确保矿产资源供应是实现我国“两个一百年”发展目标不可缺少的关键要素。目前,我国经济发展进入新常态,对矿产资源的需求总量保持高位态势。据统计,2013年我国21种矿产消费量居世界首位,占全球消费总量的1/3。未来10年~15年,我国矿产资源刚性需求仍将持续,大宗金属矿产需求峰值将陆续来临,对外依存度将大幅攀升,严重超越国家资源安全警戒线。如果未来10年探明资源储量不能大幅度增加,几乎所有的大宗金属矿产将面临消耗殆尽的危险局面,形势危急,前景堪忧。立足国内,开辟新的找矿空间和深度,寻找找矿战略新区,实现找矿重大突破,提高资源保障程度,已成为我国一项紧迫、艰巨而又长期的重大战略任务。

  为了完成这项重大战略任务,必须揭示中国地质结构和演化的复杂性与特殊性,及其导致的中国成矿作用的复杂性和特殊性。中国地处世界三大构造域的复合部位,经历众多离散陆块多期聚合拼贴过程,在中生代、新生代遭受改造与活化,岩石圈结构异常复杂、不同深部过程多期叠加复合,导致成矿金属选择性地巨量堆积,形成金属成矿省和巨型成矿带,造成我国矿种繁多、类型多样,多源复成、破坏再生的禀赋。

  科学家们认识到,虽然资源、环境、灾害问题主要表现在地球的浅表层,然而其推动力却来源于地球深部,地球深部过程控制了浅部运动与变化。例如,青藏高原是地球上最高、最大的高原,蕴含着丰富的自然资源,又对亚洲乃至全球的气候、生态、环境有重大的影响。然而,造成这一切的根本原因却是印度-欧亚碰撞以来青藏高原壳幔各圈层物质和能量的调整和再分配,即印度-欧亚大陆碰撞所引起的青藏高原下面地球各圈层内部及圈层之间(重点是中下地壳、岩石圈地幔、软流圈地幔)的物质与能量的调整和再平衡。正是这个物质与能量的调整和再平衡过程,从根本上控制着青藏高原的隆升、形成演化和资源环境效应。由此可见,只有阐明了地球深部过程,即地球内部的物质组成、性质、运动演化过程及动力学,才能抓住资源环境问题的关键。

  同样,矿产资源虽然主要就位于地球的浅表层,但其驱动力也来源于地球深部。地球深部过程是大规模成矿作用的“发动机”(提供能量和动力)、“供应源”(提供金属和流体)和“开拓者”(提供矿质输运通道和汇聚空间)。在不同动力学体系作用下,地球深部过程(包括地球深部发生的物质-能量交换以及成矿物质活化、调整和再分配)促使深部含矿岩浆和地壳流体运移、聚集,卸载,在地壳的适宜部位形成巨型成矿带和大型-超大型矿床。因此,要从根本上回答我国矿产的分布格局与资源潜力,从深层次上揭示区域成矿规律和金属巨量堆积过程,开辟新的找矿空间和深度,预测找矿战略新区,就必须深入理解地球深部过程,深刻揭示地球深部物质、结构和层圈相互作用,特别是深部物质-能量交换-传输的地球动力学过程,创建全新的成矿理论体系。

  地球深部过程是指地球内部(从地壳到地核)壳-幔物质与能量交换、物质运动行为、轨迹及其动力学响应。地球深部过程与成矿,是指在不同力系作用下,深部物质重新分异、调整,并在特定壳-幔结构空间驱动含矿热液流体运移、富集并在地壳介质的适宜部位,特别是在深部空间(500米~3000米)形成大型、超大型矿床或矿集区的作用过程。主要包括岩石圈尺度(背景场)、Moho界面(壳-幔物质与能量交换的界面)、小于5千米 的“透明”上地壳(理解导矿控矿构造与层序和矿化分带)、500米~3000米深度(本世纪固体矿产勘查开发的主要深度)。地球深部过程及其对成山、成盆、成岩、成矿(包括能源)、成灾的制约和影响,是本世纪地球科学深化认识地球本体的核心科学问题。迄今,我国对矿产资源的利用和勘查工作主要还在500米以上的地球浅部,对地球深部的成矿规律了解得很不够。然而,如果只懂浅部不懂深部,不研究地球深部过程对矿产形成和保存的控制,就不能回答诸如我国急需矿种的成矿潜力究竟如何,在哪里能够找到大型-超大型矿床这样的重大资源战略问题,不能从根本上解决国家的矿产资源保障。

  关键科学问题

  根据中国大陆所具备的独特地质条件,针对国内外研究现状和存在问题,提出下述三大关键科学问题:

  (一)深部物质组成、结构的不均一性和演变及差异成矿作用

  地球深部物质组成和结构的不均一性及深部壳幔作用过程,从根本上控制着矿产的区域性分布、区域优势矿种和成矿潜力的差异,也从根本上控制着矿产资源的形成。但迄今仍然不很清楚中国大陆重要成矿区带的深部结构、物质组成以及深部物质结构的不均一性与成矿元素离散与聚集的关系。因此,需要精细解剖中国大陆重要成矿区带不同尺度(从表层到壳幔过渡带)岩石圈的组成、结构与时空变化特点,深入研究岩浆作用的成因,有效识别幔源物质、壳源物质的贡献,将岩浆作用与成矿作用紧密地联系起来,围绕大矿、富矿形成的源、运、储,开展深入研究,查明成矿物质超常堆积的控制因素(如壳幔不均一性、岩石圈类型与厚度、地壳类型与厚度、软流圈的上隆及侧向运动、壳内和幔内或壳/幔相互作用的程度和方式)和差异成矿的根本原因。

  (二)深部流体过程与物质能量交换

  成矿作用与岩浆过程、岩浆-热液过程或热液过程引起的物质和能量交换密切相关,矿床的形成(成矿物质来源、成矿物质迁移和成矿元素的沉淀)离不开成矿流体,可以说没有成矿流体就没有矿床。深部巨量熔/流体在岩石圈内部的系统循环是金属元素活化、迁移的必要条件,也是大型超大型矿床形成的诱因。但迄今对岩浆和热液体系氧逸度变化的控制因素及其对成矿作用的影响、对金属元素在深部熔/流体中迁移、演化与富集机理的认识还存在很大争议。因此,还需要采用多学科交叉结合的手段,充分考虑流体作用对软流圈地幔的改造和对成矿岩浆的贡献,查明流体的来源、迁移和聚集过程,查明金属元素富集机理和物质能量交换过程。

  (三)成矿系统的深部过程驱动机制

  深部过程应包括构造过程、岩浆过程、流体过程、热化学过程和地球物理过程。如前所述,地球深部过程控制着浅部构造运动与矿产资源的形成和保存,查明地球深部的物质组成、结构和性质,阐明地球深部过程(物质运移-聚集规律、运动-演化过程和动力学机制),是正确理解地球浅表层矿产资源形成、变化与保存等问题的关键。但迄今为止,对岩石圈及壳-幔圈层物质和能量交换的深部动力学过程仍然还停留在概念层次上,对金属元素超常堆积的控制因素和深部驱动机制也缺乏很好约束。因此,需要更新现有的技术和方法,补充新的分析手段(如铁、铜、镁和钙等非传统同位素示踪手段),重视高温高压实验研究,加强同位素示踪和数值模拟,通过地质学、地球化学和地球物理学的综合探测研究,利用合适的地质学和岩石学概念模型、边界条件和物性参数,探讨不同构造体制下的壳幔物质交换、矿源供给、流体迁移、成矿元素堆积和矿床定位等一系列不同层次深部过程的驱动机制,阐明由深部地质过程引发的构造-岩浆-流体-化学作用与元素富集成矿机理。

  长远目标与近期目标

  应当紧紧围绕上述三个关键科学问题开展“地球深部过程与成矿作用”研究,努力达到建立地球深部过程与成矿作用相统一的理论的长期目标,提高矿产资源保障工作的预见性与目的性。

  “地球深部过程与成矿作用”研究的近期目标是:揭示造山带、克拉通、大花岗岩省、地幔柱的深部物质组成、结构、演变及与成矿作用的内在联系,开展相应的实验模拟和方法研究,解剖代表性大型矿集区,查明其深部流体作用与物质能量交换,成矿作用的深部驱动机制,控制大规模成矿的主要因素,提升大型矿床预测效率。在时间上,以中-新生代为重点,兼顾晚古生代;圈层上,以地壳-上地幔为重点,适当探索核幔边界。(标题为编者所加)

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