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矿产资源安全保障已上升为国家战略。铜和锂是我国重要的战略性金属矿产资源,与国民经济建设和国防工业发展密切相关。尽管中国境内铜矿和锂矿资源丰富、储量可观,但中国已连续多年成为全球最大的铜和锂资源消耗国,进口总量逐年增加,对外依存度过高,于2020年铜和锂资源的对外依存度已经分别超过70%和80%。此外,随着国内铜矿和锂矿的持续开采,已有基地的资源逐渐枯竭,后备基地亟需发掘。因此,加强铜矿和锂矿的研究,对增强我国战略性矿产资源安全保障能力具有深远的意义。“丝绸之路经济带”一经提出便得到国际社会的广泛关注,它不但为经济合作提供重要通道,也为缓解中国的资源困境带来机遇。中亚成矿域是世界重要的铜和锂资源产地,其核心区位于中国新疆及其邻区(哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、俄罗斯等国家),与“一带一路”区域广泛重叠。辽阔的地域和丰富的资源使得中亚地区矿产资源的研究具有重大意义。 为了满足国家需求,中国科学院地质与地球物理研究所固体矿产资源研究室申萍研究员带领团队,依托国家“305”项目、国家自然科学基金项目和中国科学院一带一路专项项目等多个项目和课题,对中亚多个国家的多种金属矿床(图1)开展了研究,重点研究了铜矿和锂矿,取得了丰硕的科研成果,发表有关矿床的SCI论文70余篇。
申萍团队在中亚开展研究工作的矿床分布图;右上角图片为团队主要成员,从左到右依次为武阳(博士生)、索青宇(博士生)、李昌昊(博士后)、申萍(研究员)、潘鸿迪(研究员)、冯浩轩(博士后)、罗耀清(博士生)、楚翔凯(博士生)、白应雄(硕士生) 丰富中亚斑岩成矿理论 斑岩铜矿床是世界重要铜矿床类型之一,为世界提供了巨量的铜资源,其成矿理论研究备受关注。通过对环太平洋成矿域和特提斯成矿域中-新生代斑岩铜矿床的研究,岩浆弧背景和碰撞背景的斑岩铜矿床成矿系统已经得到很好的研究和总结。但是,对于古生代斑岩铜矿床的研究则相对有限,中亚成矿域发育大量的古生代斑岩铜矿床,这些矿床形成的关键控制因素是否与环太平洋和特提斯成矿域一致?已有的经典的斑岩铜矿床模式是否适合于中亚成矿域斑岩铜矿床?这些都是需要解决的问题。 2006年以来,申萍研究团队与哈萨克斯坦沙特巴耶夫地质研究所E. Seitmuratova院士团队、蒙古国科技大学O. Gerel院士团队和乌兹别克斯坦科学院地质与地球物理研究所B.S. Nurtaev教授团队合作,并联合中国地质科学院陈宣华研究员团队、合肥工业大学袁峰教授团队、中国地质大学(北京)张招崇教授团队,以中国和哈萨克斯坦的环巴尔喀什-西准噶尔成矿带为重点研究地区,兼顾研究蒙古国和乌兹别克斯坦的巨型斑岩成矿带,探索古生代斑岩铜矿床的形成机制,形成了以“环巴尔喀什-西准噶尔成矿带大型斑岩铜矿成矿机理”为代表的一批研究成果,查明了中亚成矿域典型斑岩成矿系统形成的构造-岩浆-流体条件,建立了3种成矿模式和2类斑岩成矿系统,具体如下:
申萍研究员在哈萨克斯坦野外工作 世界上大多数大型斑岩铜矿床的形成与加厚地壳和埃达克岩有关。与之不同,中亚成矿域除了少数斑岩铜矿床的形成与加厚地壳和埃达克岩有关,多数斑岩铜矿床的形成与较薄地壳和正常的钙碱性岩浆有关,体现了中亚成矿域古生代斑岩铜矿床形成的复杂性,建立了中亚成矿域不同地壳厚度的局部熔融(地壳厚度 >40公里)、MASH+AFC(地壳厚度 <40公里)和局部熔融+AFC(地壳厚度<30-35公里)等三种成矿模式; 世界上斑岩铜矿床的形成与高氧逸度(logfO2>NNO+1~NNO+2)的岩浆有关,中亚成矿域岩浆氧逸度达到多高就能形成大型斑岩铜矿,原先尚不清楚。申萍研究团队对9个不同规模的斑岩铜矿的13个含矿岩体研究发现,含矿岩浆中锆石的Ce4+/Ce3+ > 120可形成大型斑岩铜矿床(>200万吨铜),Ce4+/Ce3+ < 120则形成小型斑岩铜矿床(<100万吨铜),首次建立了划分中亚成矿域斑岩铜矿规模大小的岩浆氧逸度指标(Ce4+/Ce3+>120或logfO2>NNO+2),为定量判别斑岩成矿潜力提供理论依据。 与世界大多数斑岩铜矿床为经典的氧化性斑岩铜矿不同,中亚成矿域除了发育经典的氧化性斑岩铜矿之外,还发育许多还原性斑岩矿床,研究团队首次甄别出新疆西准噶尔矿集区发育5个还原性斑岩矿床,包括包古图、苏云河、宏远、吐克吐克和石屋等,提出还原性斑岩铜矿成矿原始岩浆为氧化岩浆而非还原性岩浆的新认识,发现了含碳质围岩混染和还原物质加入是还原性斑岩矿床金属沉淀聚集的重要机理,建立了富CH4还原流体斑岩成矿系统;创新提出氧化岩浆在成矿过程中,即使有还原物质加入,如果岩浆氧逸度足够高,仍然可形成大型还原性斑岩铜矿床的观点,突破了Rowins(2000)提出的还原性斑岩铜矿规模小,不能成大矿的传统认识。 确定中国新疆西准噶尔和哈萨克斯坦科翁腊德这两个矿集区均发育两期复合成矿系统。石炭纪俯冲体制形成似埃达克质岩浆及斑岩铜矿床,二叠纪碰撞体制形成高分异花岗质岩浆及斑岩钼矿床。查明西准噶尔矿集区还原性斑岩铜矿和钼矿受不成熟洋内弧、新生地壳岩浆源区控制;而科翁腊德矿集区斑岩铜矿和钼矿受成熟陆缘弧、新生和古老两类地壳岩浆源区控制。创新认识了新生地壳源区同样可以形成大型斑岩钼矿床。 上述关于斑岩矿床成矿理论的科学发现丰富和发展了中亚成矿域斑岩系统成矿理论,指导新疆西准噶尔找矿勘查取得新突破,具有显著的社会、经济效益。 破冰稀有金属潜在危机 为了解决我国锂等稀有金属元素供应不足之隐患,申萍研究团队以中国新疆阿尔泰稀有金属成矿带为研究对象,重点对世界著名的可可托海伟晶岩型稀有金属矿床进行了研究,该矿床规模巨大,含有稀有金属种类丰富(Li-Be-Nb-Ta-Rb-Cs-Hf)。该矿床的研究和开发为我国的航空航天和国防事业做出了巨大的贡献,被誉为我国的“功勋矿”。然而,长期以来,该矿床的伟晶岩成因认识不清楚,存在着岩浆分异和深熔作用成因之争;矿山经过多年的开采已于1999年闭坑,资源枯竭多年,找矿工作亟待突破。 申萍研究团队通过地质研究,建立了新的成岩成矿模式,对采坑进行了系统的剖面测量,识别出花岗岩露头三处,包括前人厘定的北部花岗岩和另外两个新发现含矿花岗岩露头;通过岩石学、岩石地球化学和年代学的系统研究,发现这些花岗岩含绿柱石和铌钽铁矿,形成于三叠纪(224.2±2.7 ~ 220.7±4.0 Ma),经历了岩浆结晶分异作用和熔流体相互作用,为高分异淡色含矿花岗岩,该花岗岩与3号伟晶岩脉形成时代一致,二者具有相同的岩浆来源,提出矿区存在花岗岩-伟晶岩成岩成矿系统的新认识,这一认识为中国阿尔泰伟晶岩形成机制研究提供了新的视角,对以后阿尔泰成矿带内的找矿勘察工作具有指导作用。 申萍研究团队还联合不同专业的研究团队,包括中国科学院遥感与数字地球研究所荆林海研究员的遥感团队、中国科学院地质与地球物理研究所何兰芳高级工程师的地球物理团队,对可可托海矿区开展了多种遥感数据解译和深部地球物理测量工作。哨兵2号多光谱图像、ASTER多光谱图像和高分2号多光谱图像识别出矿区发育多个环形构造及其中的热液蚀变;大地电磁测深(MT)显示,矿区15km以下深处发育低电阻率异常体;音频大地电磁测深(AMT)显示,矿区南北环形构造的深部有明显的地球物理异常。基于对可可托海矿区的地质-遥感-地球物理综合研究,提出矿区南部可能存在隐伏矿体。这一预测需要勘探验证;矿区南部遥感和地球物理异常的存在,表明可可托海矿区有再次开发的前景,具有深远意义。 此外,为了“建设一批长期可靠、安全稳定的海外资源基地”,申萍团队系统总结了处于阿尔泰跨境成矿带内的哈萨克斯坦和新疆两个主要稀有金属成矿带在成矿时代、成矿类型和岩浆性质等方面的差异,并探索了造成这些差异的原因,以期为我国矿山企业“走出去”提供科技支撑。
居安思危,将命运握在自己手中。可以确信,在申萍研究团队及多位科学家的共同努力下,我国的战略性关键金属资源研究终会立于世界之巅! |
