关键金属（如钨、锡、锂、铍、铌、钽、稀土等）在高科技材料、新能源和国防系统中的需求日益增加。然而，关键金属元素在地壳中的丰度却很低且分布具有明显的偏在性，其成矿通常需要经历特定的岩石圈演化过程。地壳深部架构如何控制关键金属元素的超常富集和空间就位，是矿床学领域的一个前沿科学问题。华南是世界级关键金属成矿省，拥有全球储量最大的与花岗岩有关的钨锡（W-Sn）资源和离子吸附型重稀土（HREE）资源，同时也拥有巨量的碱性花岗岩/花岗伟晶岩型铌钽（Nb-Ta）、斑岩/矽卡岩型铜金（Cu-Au）、银铅锌（Ag-Pb-Zn）以及硬岩型铀（U）矿等金属资源（图1）。华南强烈的矿化与晚中生代岩石圈减薄和多期大规模的岩浆活动密切相关，形成了盆岭式岩浆–成矿省。那么，为何华南在180–80 Ma爆发性地形成多个巨型金属成矿系统，其空间分布的深部地质控制因素是什么，这些都是值得深入探究的问题。 鉴于此，中国地质科学院地质研究所侯增谦研究团队聚焦华南陆块，以中生代花岗质岩石和长英质火山岩样品（1457件）为研究对象，利用收集和新测的大量岩浆锆石Lu-Hf同位素数据（1096套），首次开展了大陆尺度的锆石Hf同位素填图研究，重新界定了成矿带（省）边界和矿床的空间归属，结合已有的地震速度层析成像结果，给出了华南地壳深部架构“快照”，阐明了新生、再造地壳的形成机制，揭示了华南地壳架构对金属成矿系统的控制。
图1 华南构造–地形图
显示了华南中生代盆岭式岩浆-成矿省，扬子、华夏板块以江山-绍兴断裂（JSF）和郴州-临武断裂（CLF）为界。依据同位素填图结果，重新厘定了长江中下游成矿带（YROB）、江南成矿带（JNOB）、钦杭成矿带（QHOB）、武夷山成矿带（WYOB）、南岭成矿省（NLOP）、紫金成矿带（ZOB）、云开地体（YKT）的边界和范围（黑色虚线）以及各单元的大型-超大型金属矿床。NCB-华北板块，SCB-四川盆地，TLF-郯庐断裂，JNF-江南断裂，ZDF-政和-大埔断裂
主要研究进展包括：
（1）Hf同位素填图结果描绘出华南地壳深部物质组成呈现“马赛克”样式的空间架构
研究表明，华南陆块的锆石Hf同位素在空间上具有显著的不均一性，反映了古老地壳、新生地壳和再造地壳并置的空间结构（图2）。西华夏的武夷山地块具有华南最低的Hf同位素组成，地壳厚度稳定，波速比Vp/Vs与华南地壳平均值接近，指示其为古老地壳的性质；而西华夏的南岭地区却显示εHf值、Vp/Vs比值和地壳厚度均有显著变化的再造地壳特征。东华夏的紫金矿带和云开地体显示为两个高εHf的新生地壳域。扬子板块的长江中下游和钦杭成矿带东段具有变化的新生地壳属性；而江南成矿带具有不同程度的再造地壳特征，呈现低εHf背景下的多“斑块”物质组成样式。
图2 华南岩浆岩锆石εHf和TDMc等值线图
填图结果反映了地壳深部物质架构和多个巨型金属成矿系统的空间关系，浅灰色圆圈为同位素数据点。左侧柱状图显示了不同成矿带（省）的εHf和TDMc频率分布情况，矢量剖面A-A’和B-B’如图3所示
（2）阐明了新生地壳和再造地壳的多阶段、多成因机制
华南新生地壳域主要分布在板块碰撞带或大陆边缘(图2)，都与幔源岩浆底侵作用相关，但底侵时间和形成机制却不尽相同。钦杭矿带东北缘新生地壳的形成与古华南洋的俯冲作用相关。紫金矿带新生地壳形成于白垩纪弧后镁铁质岩浆的底侵（古太平洋板块俯冲）。长江中下游断隆区的新生地壳形成于元古代幔源岩浆底侵作用。 华南再造地壳域主要分布在陆内地区。南岭地壳再造程度极不均一（图2），主要表现在东南缘和西南缘为两个强再造地壳域，与侏罗纪幔源镁铁质岩浆的注入有关，而南岭中部为过渡区和弱再造地壳域。江南成矿带的再造地壳却来自新元古代不同程度的新生组分对下地壳的交代，并在晚侏罗世发生熔融。
（3）揭示了华南地壳架构对巨型金属成矿系统的控制
研究表明，华南陆块内与花岗岩相关的W–Sn–Nb–Ta和REE矿床主要产于再造地壳域，多阶段的地壳改造和中生代熔融事件导致这些关键金属元素被释放到壳源岩浆中。与W–Sn矿床相比，REE矿床主要产于有较多新生幔源物质注入的强再造地壳域中（如南岭成矿省的东南缘和西南缘）（图2，图3）。填图结果证明，矿床中关键金属的种类以及规模受地壳再造强度、源区组分以及金属的可利用性等因素的影响。南岭成矿省和江南成矿带之所以成为世界级关键金属矿产地，主要原因有三方面：①中生代岩石圈薄弱，提供了岩浆通道；②多阶段地壳再造/高温（>750℃）熔融事件，释放关键金属至岩浆熔体中；③先前广泛的沉积和风化作用形成富W–Sn等元素的地壳源区。 斑岩/矽卡岩/浅成低温热液型Cu–Au成矿系统在空间上产于富Cu的新生地壳域（如紫金矿带、钦杭矿带东段以及长江中下游断隆区）（图2），含Cu硫化物在低氧逸度条件下沉淀并被捕获于新生下地壳的岩浆角闪石等矿物中，形成了铜矿床的有利源区。在晚中生代伴随新生下地壳的熔融，硫化物被分解，成矿元素被释放到埃达克质岩浆中，进而形成大型–超大型Cu–Au矿床。 U和Ag–Pb–Zn成矿系统主要发育于改造很弱的古老地壳域及其边缘地带（如武夷山成矿带）（图2，图3）。中生代古老地壳的熔融，可以释放这些金属元素到壳源岩浆中，岩浆沿着断裂系统上升到地壳浅部，流体出溶，形成斑岩Ag–Pb–Zn矿床（如冷水坑）。含CO2的深部流体从源岩萃取金属U，并与贫CO2的大气降水混合，进而形成U矿床（如相山铀矿）。
图3 εHf和TDMc典型矢量剖面图，显示了不同地壳域与金属成矿系统的空间关系
（剖面具体位置参见图2）
本研究示范性地证明，同位素填图技术方法结合地震速度层析成像手段，在刻画地壳架构、划定关键金属勘查远景区、阐明岩石圈演化和成矿系统的形成过程等方面具有巨大的应用潜力。本次研究依据地壳属性、区域构造—岩浆活动史预测南岭以北、钦杭以南的三角区地带具有良好的W–Sn和Nb–Ta找矿前景，云开地体应是Cu–Au矿化的有利靶区，江南成矿带西南缘和东南沿海地区应该分别是W–Sn–Nb–Ta和大型–超大型Cu–Au矿床潜在的有利勘查区（图2）。 本研究精细刻画了华南陆块地壳深部架构，对长期以来存在争议的扬子—华夏板块拼贴位置、六大成矿带（省）边界以及矿床空间归属等问题有了一个全新的梳理和界定。同时以华南为例，从地壳深部物质架构和岩石圈演化过程的角度，揭示了巨量关键金属超常富集的控制因素，提出了地壳再造作用与关键金属成矿密切相关，诠释了华南在晚中生代爆发式形成世界级巨型关键金属成矿省之谜。 以上研究成果由国家自然科学基金项目（92162322）、国家重点研发计划项目课题（2019YFA0708603, 2016YFC0600203）、中国地质调查项目（DD20190001）联合资助。研究成果发表于国际知名地学期刊《Geology》上，论文信息如下： Zhi-Yu Zhang*, Zeng-Qian Hou*, Qing-Tian Lü, Xiao-Wei Zhang, Xiao-Fei Pan, Xian-Ke Fan, Yong-Qian Zhang, Chen-Guang Wang, and Yong-Jun Lü. 2023. Crustal architectural controls on critical metal ore systems in South China based on Hf isotopic mapping. Geology. DOI: 10.1130/G51203.1
原文链接：http://doi.org/10.1130/G51203.1.
