国家自然基金标书-华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿

项目名称：华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿首席科学家：翟明国 中国科学院地质与地球物理研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、关键科学问题通过对国内外研究现状和发展趋势的分析，我们认识到：（1）发展前寒武纪优势矿产成矿理论，是国际矿床研究的重大前沿性科学问题，而解决前寒武纪地质演化过程和重大地质事件对成矿元素巨量聚集的控制机理，则是面向国家需求急待解决的关键科学问题；（2）华北克拉通前寒武纪地质演化与全球典型克拉通的对比，以及矿床类型、成矿机理、矿产的赋存方式和分布规律等方面异同的研究，既是建立华北克拉通前寒武纪成矿理论的需要，也是区域矿产资源潜力评价与找矿的突破口。本项目的关键科学问题：华北克拉通前寒武纪陆壳巨量生长、构造体制转变和环境突变过程中成矿元素巨量聚集的机理和规律。这一关键科学问题的内涵包括：1）前寒武纪与成矿作用有关的重大地质事件的性质、过程及时空格架；2）新太古代地壳物质巨量生长与稳定化过程及其成矿效应；3）表生矿床成矿作用对古元古代环境突变和大氧化事件的响应；4）早期板块构造的建立、超大陆的出现以及相应的聚合-裂解过程对成矿作用的制约机制；5）优势矿产的时空分布、成矿系列与找矿预测。2、主要研究内容围绕上述关键科学问题及其内涵，本项目拟开展的主要研究内容包括：（1）华北克拉通前寒武纪重大地质事件的性质与时空格架厘定华北前寒武纪地壳生长、演化规律及其重大地质事件的性质和序列。系统运用同位素年代学方法，查明重要的岩浆活动、变质作用等构造-热事件的时代、期次和分布；结合野外地质调查、构造地质学、岩石学和地球化学研究，确定这些事件的性质、规模、物质演化关系和构造背景，阐明华北克拉通新太古代陆壳巨量生长及其后的多阶段克拉通化过程，解析华北克拉通元古宙陆块多期拼合-裂解构造历史，探讨其与Columbia和Rodinia超大陆形成演化的联系。（2）新太古代地壳大规模生长过程中的成矿效应重点研究发育有BIF铁矿绿岩带的地幔源区性质和地球动力学背景；查明绿岩带变质-变形特征和年代格架；研究绿岩带火山沉积盆地的发育演化特征，确定其最后阶段是否有稳定的沉积盆地出现等问题，详细研究火山-沉积岩系中BIF铁矿建造形成的时空和物质演化背景；查明BIF铁矿的矿床类型和成矿条件，限定BIF沉积与变质时代，认识它们在含矿岩系中的赋存规律；研究早前寒武纪绿岩带构造变形演化过程，以及变质叠加-构造变形等的改造作用，探讨富铁矿的形成机理。在此基础上，分析华北克拉通BIF铁矿的空间分布规律及其与陆块拼合的联系，探讨BIF铁矿资源潜力。（3）表生矿床成矿作用对表生环境突变和大氧化事件的响应选择辽吉、晋豫、鲁西南等地区的古元古代早期典型沉积岩系，如，含硼-镁-铀矿和石膏矿的辽河群，以及含红层和东焦式磷矿的滹沱群(和嵩山群)，确定典型地层的形成时限；运用稳定同位素和微量元素指标，探讨碎屑沉积物质来源、沉积环境及其变化；运用硼-氧同位素体系判别含硼岩系的成因，揭示沉积环境的变化及裂谷发育过程；运用实验地球化学模拟，揭示环境变化过程中的同位素分馏现象和元素迁移-富集规律；恢复沉积盆地中碳酸盐岩和蒸发岩的序列，综合运用碳-氧-硫等稳定同位素方法，配合细碎屑沉积物稀土元素配分型式的变化规律研究，揭示古元古代环境演化过程。通过与国外典型沉积盆地对比，识别23亿年左右地球表生环境的突变及大氧化事件记录，探讨其成矿效应。（4）大陆裂解-聚合过程对成矿作用的制约机制建立古元古代辽吉、晋豫和丰镇活动带主要构造-岩浆事件的年代框架，明确火山沉积建造的源区性质和相伴的侵入岩体的成因，查明高压高温（超高温）变质事件的成因，探讨古元古代裂解-聚合过程的地球动力学背景；进一步识别华北南北缘中-新元古代裂谷事件的产物，确定岩浆序列与成因，探讨中-新元古代裂谷发育的过程及其与Columbia和Rodinia超大陆演化的关系；对裂解-聚合过程中形成的海底喷流-沉积铅锌铜铁硫化物矿床和岩体型斜长岩中钒钛磁铁矿床等进行同位素示踪与成矿年代学研究，查明成矿物质来源、条件与矿床成因；对白云鄂博超大型稀土矿床及邻区火成碳酸岩-基性岩脉开展年代学和地球化学研究，确定稀土矿化的峰期时代、物质来源、成因机制和构造背景，探讨超大型稀土矿床形成的各种控制因素的耦合关系；最终阐明华北克拉通裂解-聚合事件、岩浆活动及其与成矿作用的联系。（5）优势矿产的时空分布规律、成矿系列与找矿预测在对前寒武纪重大地质事件及其成矿效应研究的基础上，系统总结华北克拉通优势矿产的成矿规律、关键控矿因素、矿床模型，建立华北优势矿产的成矿系列。同时对国外发育而华北不发育（或尚未探明）的矿产类型进行详细的对比研究，明确它们在华北是否有发现和扩大的可能或不发育的原因，并对它们的潜力进行评估，为进一步找矿以及国家资源基地的布局提供依据。采用多种信息提取方法与技术，对典型成矿区带进行地、物、化、遥资料综合分析及二次开发，获取新的找矿信息，建立一套适合本区成矿预测与资源评价的技术方法组合，圈定成矿有利地段，实施矿产资源的科学预测与评价。选择华北前寒武纪BIF铁矿典型矿集区，利用新一代磁力和瞬变电磁探测方法，开展地球物理异常的计算与反演，建立预测靶区深部(隐伏)矿体的地质-地球物理模型；发展以高分辨率电磁扫面技术和测深技术为主，以高精度磁测和高分辨率地震成像技术为辅的浅层地球物理探测技术，开展铁矿深部找矿勘查示范。二、预期目标1总体任务本项目预期将完成的研究任务：(1) 准确厘清华北克拉通重大地质事件与成矿序列，查明金属元素巨量聚集与克拉通演化的耦合关系；(2) 揭示华北前寒武纪优势矿产的元素富集机理，并与国外典型克拉通的地质演化-成矿作用进行对比，创建符合华北陆壳生长、构造体制转变和环境突变特点的前寒武纪成矿理论；(3) 查明华北前寒武纪优、劣势矿产的类型、富集机理和资源潜力，为国家紧缺矿产布局提供科学依据，结合远景评价和地球物理勘查示范，实现找矿预测的重大突破。2具体目标(1) 理论研究成果：解析华北克拉通新太古代-古元古代陆壳巨量生长、构造体系转变和多阶段克拉通化过程；阐明古元古代裂谷-造山过程及地球表生环境突变，寻找大氧化事件记录；厘清中-新元古代多期、持续裂谷事件的岩浆-沉积记录；阐释元古宙重大地质事件和超大陆演化的关联。查明重大地质事件与成矿事件的时空耦合关系，揭示不同地质事件过程中构造-岩浆-沉积-流体等作用对元素超常聚集的控制，建立前寒武纪优势矿产的成矿系列与成矿模型。(2) 成矿预测研究成果：揭示华北前寒武纪重大地质事件中Fe、Cu、Pb-Zn、REE、B、Mg等优势矿产的时空分布规律，同时评价劣势矿产的客观前景，为找矿战略部署提供依据；研发前寒武纪优势矿产勘查预测的关键技术，开展地球物理勘查示范，提供3-5处找矿远景区，建立相应的前寒武纪科研-教学基地。(3) 创新团队建设指标：形成一支活跃在国际前沿领域的优秀科学家群体，培养10名左右中青年学术带头人和80名左右博士、硕士研究生，增强前寒武纪基础地质与矿产资源领域的科研后备力量，提升科研创新能力。(4) 学术成果指标：发表学术论文200篇左右，其中SCI/EI收录学术论文100篇以上，在高水平国际刊物发表学术论文30篇以上；出版学术专著1-2部，专利1-2项；主办1次“前寒武纪地壳演化和成矿”国际学术专题研讨会。三、研究方案1总体研究思路与技术路线 1.1 总体研究思路前寒武纪重大地质事件集中表现为新太古代大陆地壳的巨量生长和稳定化、古元古代表生环境的突变和大氧化事件、古元古代全球性板块体制建立及超大陆的形成和演化。这些重大地质事件造就了全球前寒武纪绝大部分矿产资源，也主导了华北克拉通前寒武纪地质演化和矿产的形成。该项目以华北克拉通前寒武纪重大地质-成矿事件序列为主线，用“比较矿床学”和“成矿系列”理论和方法，紧抓华北克拉通前寒武纪地质演化特点和“暴富暴贫”成矿现象，瞄准优势矿产（Fe、REE、B、Mg等）的成矿作用，研究成矿元素巨量迁移-聚集的机理，阐明华北克拉通前寒武纪主要矿床类型、成矿规律，建立成矿模型。同时对国外重要而华北不发育的弱势矿产的原因进行探讨，对其前景进行实事求是的科学评价，发展前寒武纪成矿理论；研发有效的地球物理勘查技术，建立预测区深部(隐伏)优势矿产的地质-地球物理勘查模型，在成矿有利区带进行找矿勘查示范，圈定找矿靶区，实现找矿突破，并对华北前寒武纪矿产做出资源潜力评估。1.2技术路线 本项目将注重现代科学理论和技术方法的应用，既强调方法的有效性、针对性，更强调多种技术方法和测试手段的有效配置。(1) 在前寒武纪地质演化和重大地质事件研究方面，通过典型地区地质填图、区域对比和地球化学手段，确定关键地质体的构造属性（如，裂谷、岛弧、增生楔、古陆核和古洋壳等）。运用岩相古地理和古地磁资料，恢复华北克拉通在全球超大陆事件中的位置和运动轨迹。采用构造解析、岩石记录和精细地质年代学方法确定重要地质体形成和后期改造的时限及其与重大地质事件的联系。详细查明不同时期、不同类型岩浆岩的成因和分布特征，研究壳-幔过程在大陆形成演化中的作用。运用沉积学和构造地质学方法，恢复盆地的演化历史。(2) 在古元古代表生环境突变事件研究方面，综合运用同位素年代学方法，确定典型地层的形成时限；运用稳定同位素和微量元素地球化学指标，刻画环境性质及其变化；通过同位素和元素地球化学研究，探讨碎屑沉积物的来源、沉积环境；运用硼-氧同位素体系判别含硼岩系的成因，揭示沉积环境变化及裂谷发育过程；运用实验地球化学模拟，揭示环境变化过程中的同位素分馏现象和元素迁移-富集规律；综合运用碳-氧-硫等稳定同位素方法，配合细碎屑沉积物稀土元素配分型式的变化规律研究，揭示古元古代环境演化过程。(3) 在成矿系列与成矿规律研究方面，通过解剖典型矿床、成矿区带，利用先进的测试技术，厘定重要大型矿床的成矿时代及其与重大地质事件的时空耦合关系；比较华北克拉通不同区域、不同时代的成矿类型和成矿系列，探讨构造背景、壳-幔作用与成矿专属性的控制因素；运用矿床学、地球化学、流体包裹体、矿物学、显微构造学等多种手段，研究成矿物质和流体的来源及其物理化学条件；结合成矿实验模拟的研究成果，阐明成矿系统的发育过程和地质环境。(4) 在成矿预测研究方面，运用成矿系列理论和成矿预测方法，集成地质、地球化学、地球物理和遥感资料，建立一套适合华北前寒武纪优势矿产的技术方法组合，对典型成矿区带开展矿产资源定量预测与评价。利用新一代磁力和瞬变电磁探测方法、高分辨率电磁扫面和测深技术，建立预测区深部优势隐伏矿的地质-地球物理勘查模型，开展深部找矿勘查示范，圈定优势矿产找矿靶区。1.3可行性本项目是2006CB403500项目“华北大陆边缘造山过程与成矿研究”的延续，研究积累雄厚，项目组成员已经在研究区取得了大量的研究资料和成果，并充分认识到拟解决关键科学问题的重要性、紧迫性和解决途径。将前寒武纪重大事件与大规模成矿作用研究密切结合，特别是将华北克拉通地壳形成、生长、稳定等地质演化与成矿的独特性相结合，并突出元素迁移聚集成矿的机理和规律，目标明确，研究方法切合实际问题。研究队伍主要来自上一轮项目成员，在优化原有研究队伍的基础上，还吸收了国内前寒武纪研究领域的优秀人员。团队中有中科院院士1人，杰出青年基金获得者7人，和一些国内有声誉的学科带头人。研究队伍学科齐全，搭配合理；学风严谨踏实，勇于创新，乐于奉献，团结协作。以4个国家和6个部门重点实验室为依托，多部门结合，多学科交叉，组成了优势互补、强强联合的技术支撑体系和实验设备，可使实验、观测数据精确可信，保证本项目顺利实施，并获得高水平研究成果。