尋找戰(zhàn)略新區(qū)須深入理解地球深部過程

——談地球深部探測研究與解決國家重大資源戰(zhàn)略問題的關(guān)系

　　引言

　　習(xí)近平總書記在2016年全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會明確指出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。李克強總理最近多次批示“推動開展地球深部探測研究”，“可以列為重大專項”，“兩個方面，一是地下資源能源問題，二是城市地下基礎(chǔ)情況問題。”《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》對地球深部(深地)探測研究也有明確的表述。這表明黨和國家對地球深部探測研究高度重視，并指明了方向。

　　2012年10月~2014年3月，在科技部原部長徐冠華和科技部基礎(chǔ)司的倡導(dǎo)和支持下，以“地球深部過程與成礦作用”為主題的調(diào)查研究開始進行。這項研究耗時一年半，參與人員達150余人，含院士8人、教授和研究員30人。為保證調(diào)研工作的順利開展，成立了專家組，組長為莫宣學(xué)院士，副組長為馬福臣研究員、趙振華研究員，成員包括李曙光院士、金振民院士、張國偉院士、朱日祥院士、華仁民教授、鄧晉福教授。秘書為朱弟成、楊立強、王銀宏教授。研究完成并提交了《地球深部過程與成礦作用》戰(zhàn)略調(diào)研總報告及5份分報告(造山帶、克拉通、花崗巖省、地幔柱、實驗)。在此基礎(chǔ)上，于2014年3月召開了以“地球深部過程與成礦作用”為主題的483次香山會議，由孫鴻烈院士、翟裕生院士、滕吉文院士、莫宣學(xué)院士、馬福臣研究員擔(dān)任執(zhí)行主席，來自各方面的40多位專家參加了會議。會后發(fā)表了會議簡報，向國家有關(guān)主管部門提出盡快對“地球深部過程和成礦作用”立項，并列入優(yōu)先資助領(lǐng)域，給予長時間、大強度的支持。2015年4月瞄準(zhǔn)國科發(fā)資〔2015〕52號文件中第7個重點方向(面向國家戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究)中的“深地”戰(zhàn)略性研究，提出“地球深部過程與成礦作用”的立項建議。

　　本文僅對地球深部探測研究與地下資源的關(guān)系作一些探討。 

　　莫宣學(xué)院士簡介：莫宣學(xué)，巖石學(xué)家，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)教授，中國科學(xué)院院士，1938年12月出生，1960年畢業(yè)于北京地質(zhì)學(xué)院。1981年~1983年美國伯克利加利福尼亞大學(xué)及勞倫斯伯克利國家實驗室訪問學(xué)者。曾任中國地質(zhì)大學(xué)(北京)副校長、中國地質(zhì)大學(xué)研究生院院長、國家自然科學(xué)基金委員會第六、七、十、十一屆學(xué)科評審專家組成員、第30屆國際地質(zhì)大會學(xué)術(shù)委員會副主席、經(jīng)濟地質(zhì)學(xué)會(Society of Economic Geologists)Fellow及負(fù)責(zé)亞洲區(qū)域的副主席?，F(xiàn)任《 地質(zhì)學(xué)報》主編及《Geoscience Frontiers》主編。曾獲國家科技進步獎一等獎。

　　莫宣學(xué)首次提出任意壓力下巖漿氧逸度計算公式及含F(xiàn)e2O3硅酸鹽熔體密度預(yù)測模型，為建立巖漿演化綜合熱力學(xué)理論模型發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他幾十年長期研究青藏高原構(gòu)造-巖漿作用，在揭示印度-亞洲大陸碰撞時間、青藏高原巨厚陸殼成因與增厚機制、深部殼幔物質(zhì)運移等方面，取得了系統(tǒng)成果。他長期堅持“巖漿-構(gòu)造-成礦”方向，研究青藏高原及金沙江-瀾滄江-怒江成礦帶的成礦規(guī)律與具體找礦方向，為開拓西南“三江”和西藏岡底斯國家級礦產(chǎn)資源新基地做出了貢獻。

　　“地球深部過程與成礦作用”研究的必要性與緊迫性

　　確保礦產(chǎn)資源供應(yīng)是實現(xiàn)我國“兩個一百年”發(fā)展目標(biāo)不可缺少的關(guān)鍵要素。目前，我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，對礦產(chǎn)資源的需求總量保持高位態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計，2013年我國21種礦產(chǎn)消費量居世界首位，占全球消費總量的1/3。未來10年~15年，我國礦產(chǎn)資源剛性需求仍將持續(xù)，大宗金屬礦產(chǎn)需求峰值將陸續(xù)來臨，對外依存度將大幅攀升，嚴(yán)重超越國家資源安全警戒線。如果未來10年探明資源儲量不能大幅度增加，幾乎所有的大宗金屬礦產(chǎn)將面臨消耗殆盡的危險局面，形勢危急，前景堪憂。立足國內(nèi)，開辟新的找礦空間和深度，尋找找礦戰(zhàn)略新區(qū)，實現(xiàn)找礦重大突破，提高資源保障程度，已成為我國一項緊迫、艱巨而又長期的重大戰(zhàn)略任務(wù)。

　　為了完成這項重大戰(zhàn)略任務(wù)，必須揭示中國地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化的復(fù)雜性與特殊性，及其導(dǎo)致的中國成礦作用的復(fù)雜性和特殊性。中國地處世界三大構(gòu)造域的復(fù)合部位，經(jīng)歷眾多離散陸塊多期聚合拼貼過程，在中生代、新生代遭受改造與活化，巖石圈結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、不同深部過程多期疊加復(fù)合，導(dǎo)致成礦金屬選擇性地巨量堆積，形成金屬成礦省和巨型成礦帶，造成我國礦種繁多、類型多樣，多源復(fù)成、破壞再生的稟賦。

　　科學(xué)家們認(rèn)識到，雖然資源、環(huán)境、災(zāi)害問題主要表現(xiàn)在地球的淺表層，然而其推動力卻來源于地球深部，地球深部過程控制了淺部運動與變化。例如，青藏高原是地球上最高、最大的高原，蘊含著豐富的自然資源，又對亞洲乃至全球的氣候、生態(tài)、環(huán)境有重大的影響。然而，造成這一切的根本原因卻是印度-歐亞碰撞以來青藏高原殼幔各圈層物質(zhì)和能量的調(diào)整和再分配，即印度-歐亞大陸碰撞所引起的青藏高原下面地球各圈層內(nèi)部及圈層之間(重點是中下地殼、巖石圈地幔、軟流圈地幔)的物質(zhì)與能量的調(diào)整和再平衡。正是這個物質(zhì)與能量的調(diào)整和再平衡過程，從根本上控制著青藏高原的隆升、形成演化和資源環(huán)境效應(yīng)。由此可見，只有闡明了地球深部過程，即地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、性質(zhì)、運動演化過程及動力學(xué)，才能抓住資源環(huán)境問題的關(guān)鍵。

　　同樣，礦產(chǎn)資源雖然主要就位于地球的淺表層，但其驅(qū)動力也來源于地球深部。地球深部過程是大規(guī)模成礦作用的“發(fā)動機”(提供能量和動力)、“供應(yīng)源”(提供金屬和流體)和“開拓者”(提供礦質(zhì)輸運通道和匯聚空間)。在不同動力學(xué)體系作用下，地球深部過程(包括地球深部發(fā)生的物質(zhì)-能量交換以及成礦物質(zhì)活化、調(diào)整和再分配)促使深部含礦巖漿和地殼流體運移、聚集，卸載，在地殼的適宜部位形成巨型成礦帶和大型-超大型礦床。因此，要從根本上回答我國礦產(chǎn)的分布格局與資源潛力，從深層次上揭示區(qū)域成礦規(guī)律和金屬巨量堆積過程，開辟新的找礦空間和深度，預(yù)測找礦戰(zhàn)略新區(qū)，就必須深入理解地球深部過程，深刻揭示地球深部物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和層圈相互作用，特別是深部物質(zhì)-能量交換-傳輸?shù)牡厍騽恿W(xué)過程，創(chuàng)建全新的成礦理論體系。

　　地球深部過程是指地球內(nèi)部(從地殼到地核)殼-幔物質(zhì)與能量交換、物質(zhì)運動行為、軌跡及其動力學(xué)響應(yīng)。地球深部過程與成礦，是指在不同力系作用下，深部物質(zhì)重新分異、調(diào)整，并在特定殼-幔結(jié)構(gòu)空間驅(qū)動含礦熱液流體運移、富集并在地殼介質(zhì)的適宜部位，特別是在深部空間(500米~3000米)形成大型、超大型礦床或礦集區(qū)的作用過程。主要包括巖石圈尺度(背景場)、Moho界面(殼-幔物質(zhì)與能量交換的界面)、小于5千米 的“透明”上地殼(理解導(dǎo)礦控礦構(gòu)造與層序和礦化分帶)、500米~3000米深度(本世紀(jì)固體礦產(chǎn)勘查開發(fā)的主要深度)。地球深部過程及其對成山、成盆、成巖、成礦(包括能源)、成災(zāi)的制約和影響，是本世紀(jì)地球科學(xué)深化認(rèn)識地球本體的核心科學(xué)問題。迄今，我國對礦產(chǎn)資源的利用和勘查工作主要還在500米以上的地球淺部，對地球深部的成礦規(guī)律了解得很不夠。然而，如果只懂淺部不懂深部，不研究地球深部過程對礦產(chǎn)形成和保存的控制，就不能回答諸如我國急需礦種的成礦潛力究竟如何，在哪里能夠找到大型-超大型礦床這樣的重大資源戰(zhàn)略問題，不能從根本上解決國家的礦產(chǎn)資源保障。

　　關(guān)鍵科學(xué)問題

　　根據(jù)中國大陸所具備的獨特地質(zhì)條件，針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在問題，提出下述三大關(guān)鍵科學(xué)問題：

　　(一)深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)的不均一性和演變及差異成礦作用

　　地球深部物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的不均一性及深部殼幔作用過程，從根本上控制著礦產(chǎn)的區(qū)域性分布、區(qū)域優(yōu)勢礦種和成礦潛力的差異，也從根本上控制著礦產(chǎn)資源的形成。但迄今仍然不很清楚中國大陸重要成礦區(qū)帶的深部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成以及深部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均一性與成礦元素離散與聚集的關(guān)系。因此，需要精細(xì)解剖中國大陸重要成礦區(qū)帶不同尺度(從表層到殼幔過渡帶)巖石圈的組成、結(jié)構(gòu)與時空變化特點，深入研究巖漿作用的成因，有效識別幔源物質(zhì)、殼源物質(zhì)的貢獻，將巖漿作用與成礦作用緊密地聯(lián)系起來，圍繞大礦、富礦形成的源、運、儲，開展深入研究，查明成礦物質(zhì)超常堆積的控制因素(如殼幔不均一性、巖石圈類型與厚度、地殼類型與厚度、軟流圈的上隆及側(cè)向運動、殼內(nèi)和幔內(nèi)或殼/幔相互作用的程度和方式)和差異成礦的根本原因。

　　(二)深部流體過程與物質(zhì)能量交換

　　成礦作用與巖漿過程、巖漿-熱液過程或熱液過程引起的物質(zhì)和能量交換密切相關(guān)，礦床的形成(成礦物質(zhì)來源、成礦物質(zhì)遷移和成礦元素的沉淀)離不開成礦流體，可以說沒有成礦流體就沒有礦床。深部巨量熔/流體在巖石圈內(nèi)部的系統(tǒng)循環(huán)是金屬元素活化、遷移的必要條件，也是大型超大型礦床形成的誘因。但迄今對巖漿和熱液體系氧逸度變化的控制因素及其對成礦作用的影響、對金屬元素在深部熔/流體中遷移、演化與富集機理的認(rèn)識還存在很大爭議。因此，還需要采用多學(xué)科交叉結(jié)合的手段，充分考慮流體作用對軟流圈地幔的改造和對成礦巖漿的貢獻，查明流體的來源、遷移和聚集過程，查明金屬元素富集機理和物質(zhì)能量交換過程。

　　(三)成礦系統(tǒng)的深部過程驅(qū)動機制

　　深部過程應(yīng)包括構(gòu)造過程、巖漿過程、流體過程、熱化學(xué)過程和地球物理過程。如前所述，地球深部過程控制著淺部構(gòu)造運動與礦產(chǎn)資源的形成和保存，查明地球深部的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，闡明地球深部過程(物質(zhì)運移-聚集規(guī)律、運動-演化過程和動力學(xué)機制)，是正確理解地球淺表層礦產(chǎn)資源形成、變化與保存等問題的關(guān)鍵。但迄今為止，對巖石圈及殼-幔圈層物質(zhì)和能量交換的深部動力學(xué)過程仍然還停留在概念層次上，對金屬元素超常堆積的控制因素和深部驅(qū)動機制也缺乏很好約束。因此，需要更新現(xiàn)有的技術(shù)和方法，補充新的分析手段(如鐵、銅、鎂和鈣等非傳統(tǒng)同位素示蹤手段)，重視高溫高壓實驗研究，加強同位素示蹤和數(shù)值模擬，通過地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)的綜合探測研究，利用合適的地質(zhì)學(xué)和巖石學(xué)概念模型、邊界條件和物性參數(shù)，探討不同構(gòu)造體制下的殼幔物質(zhì)交換、礦源供給、流體遷移、成礦元素堆積和礦床定位等一系列不同層次深部過程的驅(qū)動機制，闡明由深部地質(zhì)過程引發(fā)的構(gòu)造-巖漿-流體-化學(xué)作用與元素富集成礦機理。

　　長遠(yuǎn)目標(biāo)與近期目標(biāo)

　　應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞上述三個關(guān)鍵科學(xué)問題開展“地球深部過程與成礦作用”研究，努力達到建立地球深部過程與成礦作用相統(tǒng)一的理論的長期目標(biāo)，提高礦產(chǎn)資源保障工作的預(yù)見性與目的性。

　　“地球深部過程與成礦作用”研究的近期目標(biāo)是：揭示造山帶、克拉通、大花崗巖省、地幔柱的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、演變及與成礦作用的內(nèi)在聯(lián)系，開展相應(yīng)的實驗?zāi)M和方法研究，解剖代表性大型礦集區(qū)，查明其深部流體作用與物質(zhì)能量交換，成礦作用的深部驅(qū)動機制，控制大規(guī)模成礦的主要因素，提升大型礦床預(yù)測效率。在時間上，以中-新生代為重點，兼顧晚古生代;圈層上，以地殼-上地幔為重點，適當(dāng)探索核幔邊界。