幔枝構造理論及其應用推廣進展

王云靜，陳 超 ，王 健，王豐翔，張福祥

1. 河北省戰略性關鍵礦產資源重點實驗室，河北 石家莊 050031；2. 河北地質大學 地球科學學院，河北 石家莊 050031；3. 保定金禾礦業有限公司，河北 保定 071066；4. 內蒙古自治區巖漿活動成礦與找礦重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010020；5. 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037

0 引言

板塊構造學說是當代最具影響力的全球構造理論之一，很好地詮釋了板塊邊界區的巖漿活動、構造運動、地震、成礦作用等地質作用，但對于發生在板塊內部強烈地質作用的形成機制依然是板塊構造面臨的重大科學問題，如板塊內部的大火成巖省以及無震脊火山島鏈等。自加拿大Wilson于1963年提出熱點以來，較好地解釋了太平洋板塊中夏威夷等島鏈的成因問題，掀起了探尋地球深部動力的熱潮。例如起源于熱點假說的地幔柱理論認為地幔熱柱的形成實際上是一個源自核幔邊界的熱物質不斷上涌的過程，到達上地幔底界和巖石圈底界時分別衍化出第二、三級次柱。其中，幔枝構造就是地幔熱柱多級演化的第三級構造單元，它的提出和研究很好地繼承和發展了地幔熱柱理論，尤其是將其應用于地質礦產等領域，取得了重要找礦突破。為此，本文主要在前人資料基礎上，系統地總結、分析了幔枝構造理論的主要特征及其應用現狀和推廣進展，愿在構造地質與資源環境交叉領域拋磚引玉。

1 幔枝構造的提出

幔枝構造理論是河北地質大學牛樹銀教授率領科研團隊于1996年原創性提出的一種大地構造理論，它的提出主要經歷了“變質核雜巖”—“一盆一山”—“一盆多山”—“地幔熱柱多級演化”的發展過程。20世紀90年代初期, 牛樹銀科研團隊通過對太行山區的阜平雜巖、贊皇雜巖及其周圍地區的野外考察，首次提出阜平變質核雜巖和贊皇變質核雜巖的概念。20世紀90年代中后期，牛樹銀教授對太行山區阜平變質核雜巖和贊皇變質核雜巖展開深入研究后，發現太行山區與華北斷陷之間存在成因耦合關系[1-3]，是由造山帶與相鄰盆地之間深部物質發生橫向遷移和地層（巖石）風化、剝蝕、搬運、沉積、成巖所致，即“一盆一山”耦合關系[4-5]。在此基礎上，牛樹銀教授將其與地幔熱柱理論相結合，提出了一個全新理論——“幔枝構造”理論。21世紀以來，牛樹銀科研團隊先后通過對華北地區、中國東部開展深入研究，發現我國東部地區以華北盆地為中心，其與北側的燕山、南側的大別山、東側的膠遼山地，甚至以華北裂陷盆地為中心，西與太行山造山帶、北與燕山造山帶、東與朝鮮半島、南與大別造山帶，都存在耦合關系，在“一盆一山”觀點的基礎上拓展提出“一盆多山”耦合關系的觀點，其動力機制與地幔熱柱有關。隨著多年科研視野的擴展和積累，牛樹銀科研團隊率領團隊進一步完善提出了幔枝構造成礦理論，其核心觀點：金銀等金屬成礦物質主要來自地球深部，甚至地核與地幔邊界，隨著地幔熱柱多級演化呈反重力向上遷移，并在地殼淺部有利構造部位（幔枝構造的有利擴容帶）富集成礦[6-8]。幔枝構造成礦理論的提出、應用和推廣，很好地解決了我國眾多老礦山開展“探深摸邊”地質找礦的瓶頸問題，并取得了顯著的社會、經濟效益。

2 幔枝構造的基本特征

幔枝構造是地幔熱柱多級演化的第三級構造單元，一般由三部分組成：核部巖漿—變質雜巖、外圍蓋層拆離滑脫帶、上疊構造斷陷—火山盆地，有時部分單元會有缺失。以華北東部為例，總體以華北地幔亞熱柱為中心，外圍分布著阜平幔枝構造、膠東幔枝構造等，見圖1。

圖1 華北東部幔枝構造示意圖[9]Fig. 1 Schematic diagram of mantle branch structure in eastern North China

核部巖漿—變質雜巖隆起區一般位于幔枝構造的核部，以巖漿巖、變質巖為主，多為渾圓狀、等軸狀，出露面積由幾十到幾百平方千米不等；外圍蓋層拆離滑脫區包括核部巖漿—變質雜巖之上的所有蓋層巖石，巖石組合為中晚元古界及其以上的沉積地層；上疊構造斷陷—火山盆地區主要發育與前兩者之上，其巖性多為火山巖和沉積巖，有時可能不發育。幔枝構造單元具體特征詳見表1。

表1 幔枝構造單元特征[7]Table 1 Characteristics of mantle branch structural units

3 幔枝構造理論的應用

幔枝構造是地幔熱柱多級演化在巖石圈淺部的綜合表現形式，可引起地殼上隆、巖漿活動、變形變質、含礦流體活化遷移以及成礦作用等一系列地質過程。中生代以來，華北東部進入了強烈的構造—巖漿活動，尤其燕山期，在華北地幔熱柱多級演化過程中，形成了阜平、贊皇、張宣、冀東、豐承、魯西、遼西、膠東、小秦嶺等一系列幔枝構造[10]，也為各幔枝構造區帶來了豐富的金銀多金屬礦質，形成了諸多大中型金屬礦床，見表2。

表2 幔枝構造理論研究及應用推廣簡表Table 2 Theoretical research and application of mantle branch structure

該理論最早應用于太行山、燕山、膠東、小秦嶺等地的各幔枝構造區，指導區內金銀多金屬礦山地質找礦工作，取得了突破性進展，其成果得到了很好的推廣應用。

例如，膠東地區的金礦分布不均，已探明的金礦存儲量占我國總量的四分之一以上，尤其是膠西北地區金礦尤其富集，我國的許多大型、特大型金礦都位于此[28-29]。從幔枝構造視角提出膠東地區巨量金礦是受燕山運動所形成的萊陽亞熱柱—郭家店、牟乳等幔枝構造所控制，認為在郭家店幔枝構造形成過程中，因變質核雜巖的隆升，東、西兩側分別形成焦家斷裂以及與之反傾的三山島斷裂、破頭青斷裂。萊陽亞熱柱作為深部礦質向上遷移的主要通道，使成礦物質主要遷移到幔枝構造上述斷裂的擴容帶部位富集成礦形成焦家金礦、三三島金礦、玲瓏金礦等，因而深部找礦前景巨大[30-32]。

張宣地區是我國重要的金、銀多金屬礦化集中區，礦產資源潛力巨大。從幔枝構造成礦控礦的視角分析提出張宣地區多金屬礦床是受燕山運動所形成的河淮亞熱柱——張宣幔枝構造的控制，認為燕山期大規模的巖漿活動致使區域內巖漿—變質雜巖大規模隆升，上部蓋層向外圍拆離，從而形成張宣地區內金外銀、鉛、鋅的礦帶分布特征，因此金礦找礦遠景遠不能局限于金三角范圍[33-34]。

小秦嶺是中國第二大金礦集中區，具有隆升幅度大、剝蝕程度深、構造活動強烈、構造形跡清楚、礦床分布集中的特點[13]。以幔枝構造理論分析，發現小秦嶺金礦數量多且分布集中是受燕山運動所形成的小秦嶺幔枝構造的控制。認為小秦嶺地區經歷了多期褶皺構造，第三期的張扭性韌脆性剪切帶延長很遠、深度較大，是導礦的主通道，從而形成區域內存在一兩條主要礦脈控制礦區50%以上的金屬儲量的現象[35]。

太行山中北段礦床較多，形成礦床近200個，但近年無明顯研究進展。運用幔枝構造理論對該區構造控礦作用進行系統研究發現，太行山中北段多礦床的形成是受燕山運動所形成的阜平幔枝構造所控制，認為成礦物質于幔枝構造不同部位而形成不同類型的礦床，以核部區石湖金礦、拆離帶附近區木吉村銅（鉬）礦、蓋層區支家地鉛鋅銀礦三類礦床為典型。通過對區域的整體分析研究，指出麻棚地區具有很好的深部找礦前景，為進一步找礦指明了方向[36-38]。

4 幔枝構造理論的推廣

近年幔枝構造理論被廣泛應用于河北、山西、山東、河南、遼寧、內蒙古、福建、湖南、青海、海南等地的地礦、冶金、有色、化工、油氣、地熱、武警黃金等系統，找礦效果相當顯著，見表2。

青海五龍溝地區發現了60余處金礦床點，總資源量大于100 t。徐新文等（2017）通過分析，認為五龍溝金礦田位于可可西里—巴顏喀拉地幔亞熱柱東昆侖幔枝構造區，幔枝構造核部區分布15條含金構造破碎蝕變帶，其成礦與幔枝構造有關。在幔枝構造變質核雜巖構造及SN向應力作用下所形成的3條NW向剪切帶是控制金礦集中分布的基本原因[22]。上述控礦規律為區域找礦提供了很好的指導思路。

華南是世界聞名的濱太平洋金屬成礦帶的重要組成部分，我國有色、稀有金屬礦產集中產出的地區。童航壽等（2010）分析認為華南成礦省內的鈾、鎢、銅、 鈮、鉭、鉛、鋅、金、銻等金屬礦產是受華南亞幔柱衍生的內環、中環和外環共計20余處（準）幔枝構造控制[39]。例如湘南多金屬礦集區，位于以南嶺為中心的華南地幔柱的構造區，受湘東南地幔亞熱柱—騎田嶺幔枝構造控制，深源成礦物質遷移至地表淺處有利擴容帶位置富集成礦，從而構成了湘南地區豐富的有色金屬礦產資源[25]。以幔枝構造理論角度分析華南地區多金屬礦床成礦機制，有助于實現華南礦產資源的新突破。

山西五臺山—恒山成礦區是金、銀多金屬礦產富集區，主要有晚太古代綠巖型金礦床和中生代燕山期次火山巖型金、銀多金屬礦床兩大類。真允慶等（2003）通過分析認為，五臺山—恒山成礦區是受中生代燕山期的五臺幔枝構造所控制，區內金、銀多金屬礦床的分布主要受近EW和NE向的韌性剪切帶的影響，整體呈“內金外銀”的空間分布規律[23]。這種控礦規律有助于開啟新的找礦思路。

新疆是我國重要的金屬礦產、石油、煤炭及鈾礦資源礦產地，已發現的礦產有138種，其中9種儲量居全國首位。夏冬等（2015）通過分析，認為新疆金屬礦產呈“8”字形分布，主要受塔里木、準噶爾雙亞幔柱的控制。雙亞幔柱產生后，深源物質橫向遷移致使周圍山脈隆升，成礦物質沿盆地周緣環形斷裂向上遷移形成新疆獨特的“8”字型礦床分布面貌，這些礦床的分布主要由多條近SN向和近EW向斷裂帶所控制 。二疊紀以來，在雙亞幔柱的影響下深源成烴流體與火成巖向上運移，為油氣藏、煤、鈾礦等的形成提供了必要的物源[20]。通過幔枝構造理論的分析，對于尋找新疆多金屬、非金屬礦產資源提供了新思路，進一步發挖掘了找礦新潛力。

遼寧冶金地質勘查局白永俊等（2003）將遼寧地區劃分為綏中幔枝、遼東南幔枝、建平阜新幔枝和四豐幔枝構造，分別著重研究了其核部巖漿-變質雜巖、外圍拆離滑脫層、上疊火山-沉積盆地等單元，探討了幔枝構造與成礦的關系，認為：“遼寧幔枝構造的高度發育，造就了極為豐富、種類繁多的各類礦產”[16]。圍繞幔枝構造，礦產具有明顯的分帶特征。幔枝構造由內而外、由深入淺、由高溫到低溫、由基性到酸性，形成了規模不同、種類不同、成因不同的諸多礦產。

甚至連石油系統孫冬勝等（2004）都多次引文探討華北盆地的構造成因，認為地幔熱柱構造模式較好地解決了華北盆地的形成，并對油氣的形成有明顯的控制作用[40]。

幔枝構造理論被廣泛推廣應用證明了這一理論的正確性，也體現了其適用度之廣，為我國的找礦工作提供了新思路。

5 展望

5.1 存在問題

幔枝構造理論提出至今已被廣大學者所接受認可，但隨著理論不斷應用于諸多地質學領域，發現它仍存在著一些問題尚待解決，特別是現今技術條件的局限性。

5.1.1 地幔柱確立標志方面的問題

地幔亞熱柱是地幔熱柱的二級柱，也是幔枝構造衍化的前身，常形成于上、下地幔邊界處。因其位于一定深度，所以現今技術手段不能直接確立存在的直接標志，只能依靠現有地質、地球化學、地球物理等手段來間接推斷。

（1）地球物理方法的多解性

地幔柱作為幔枝構造的源頭，常用地球物理勘探的技術手段來探尋其深源空間狀態。但物探是一種間接的探測方法，只能通過收集地下各種結構構造等數據，分析數據間的差異來反演出其物理性質，進而推測地幔柱的空間位置，不能直接反映出其真實情況，所以其多解性可能會對結果造成誤差或錯誤。比如物探具有等效性，即使不同的地下結構也可能會反饋出相同的數據，這種情況下就會很難辨明真偽。此外，在計算方面，根據研究所采用的切入點不同，使用的算法也會不同，不同算法會造成計算結果有出入。

（2）地球化學方法的示蹤有效性

巖礦地球化學和流體地球化學也是目前探索深部信息的重要手段之一。例如，目前主要通過Ti、P、K、S、Pb、C-H-O、Si、He-Ar、Nd、Sr、Hf等同位素來研究巖體成因、礦質來源、流體特征等特征，但是即使上述為深源，目前的技術條件也僅僅是更多地推斷出為下地殼源、殼-幔源或幔源特征，仍然對更深的下地幔源、地核源則總體顯得束手無策。

（3）溫壓實驗的模擬真實性：大量理論研究和模擬實驗表明，地幔熱柱具有巨大球狀頂冠、狹長尾柱的形態結構和獨特的熱—化學及速度結構。例如，Griffiths等（1990）實驗表明熱柱由巨大的蘑菇狀柱頭和細長的熱柱尾構成[41]。但是面對溫度、壓力、粘度等十分復雜核幔邊界條件，真實情況果真是實驗那樣嗎？恐怕只有未來很長一段時間通過技術的進步才能揭開地球深部的真實面紗。

5.1.2 幔枝構造應用方面的問題

（1）幔枝構造演化的多期次問題

從地幔熱柱形成到典型幔枝構造在地表出露，需要經歷一個漫長地質過程。現今的幔枝構造區，只能表明是本區構造運動的綜合結果，但該區在地史時期是否發生過多期次幔枝構造演化則需結合區域地質等資料進行更深入的研究。幔枝構造每一期次活動的時間跨度可能很長，多期次的構造演化可能導致古幔枝構造的信息殘留不全或全部改造殆盡，因而使得研究幔枝構造多期次性存在諸多困難。

（2）幔枝構造指導找礦的定量預測問題

隨著我國多數老礦山淺部可采資源的逐漸耗竭而找礦難度不斷增大，深部隱伏礦的勘查已成為當前地質找礦的難點。盡管通過幔枝構造理論指導，為礦山深部找礦指明了方向，但是如何將構造地質與勘查地球化學等深部找礦方法以及計算機技術相結合，進行具體定量預測方面還不夠成熟。

5.2 應用前景

幔枝構造理論不僅在成礦控礦找礦方面發揮了巨大的作用，而在面對廣闊的地質學領域，該理論還被應用于生態環境、地震等方面，以更好地服務社會。

（1）生態環境方面

幔枝構造演化控制著區域生態環境條件，以張宣地區為例。由于張宣幔枝構造的長期活動，使該區殼幔隆升，把深部的金、銀等礦質抬至近地表，同時也導致區域性巖（礦）石、土壤的元素背景值異常, 使得某些農作物、林果“優質高產”或“劣質低產”。而As、F、Hg等有害元素的異常分布也會通過糧食、水果、蔬菜、水等飲食進入人體循環，直接影響人類的身體健康，甚至導致某些地方性疾病蔓延[42]。因而通過總結分析幔枝構造各區地球化學特征，有利于當地生態環境規劃和治理部署。

（2）地震方面

華北地區地震的形成很大程度上與華北斷陷之下的地幔熱柱有關。地幔熱柱多級演化形成幔枝構造的過程中，當該區高導層上覆的上地殼隨高導層向外拆離滑脫到外圍造山帶前受阻、發生與拆離滑脫帶的相對剪切時，會不斷地積聚能量并釋放，從而構成了華北地區一種特殊的地震[43-44]。這種新型地震的發現，對地震的深入研究有著十分重要的意義，為地震成因研究拓寬了思路。基于幔枝構造活動，統計各幔枝構造區所發生的地震數據，有助于理論上研究地震成因。

（3）油氣方面

地幔熱柱多級演化形成的區域盆嶺構造在很大程度上成為孕育油氣成藏的良好場所，以東北及華北地區油氣田為例。日本地幔熱柱的存在使太平洋板塊俯沖擠壓形成了多個裂谷盆地，從而為油氣形成儲藏提供了有利條件：地幔隆升、強烈的巖漿活動為生物繁殖提供生存條件；地殼下隆所形成的泥砂層空間加速有機質的轉化；持續的構造變形有利于油氣的圈閉[45]。此外，從幔枝構造的視角，認為油氣成因可能與深部無機質有關。由此可見，油氣的形成與地幔熱柱多級演化之間有著極為密切的關聯，也為日后油氣勘查提供了更寬闊的找油思路。

（4）地熱方面

地熱能的產生離不開地下強烈的巖漿活動。地幔熱柱向上隆升過程中會伴隨著強烈的巖漿活動，這些巖漿會沿著斷裂部位不斷地向上侵入，再加上低速高導層的存在，使處于地幔柱、幔枝構造之下的區域形成一個具有巨大能量的熱力供給站，熱源會通過幔枝構造各級斷裂散溢地表或儲存成為熱庫。華北地區擁有十分豐富的地熱資源，因而綜合研究華北地區幔枝構造對地熱的控制作用，對于地熱的勘探有著重要的指導意義[46-47]。

（5）鈾礦方面：近年研究發現，許多地區鈾礦圍繞地幔柱分布。以華南地區為例，研究表明圍繞華南亞幔柱分布有20多處幔枝構造，且鈾礦的分布在華南亞幔柱的核部最為密集，推測幔枝構造為深源鈾源提供運移與貯藏通道，這也是華南地區成為我國重要產鈾區的原因[39]。對幔枝構造的成礦控礦有利地段進行深入探索，可為實現我國鈾礦勘查突破提供新思路。

6 結論

（1）幔枝構造是地幔熱柱多級演化的第三級構造單元，一般由核部巖漿—變質雜巖、外圍蓋層拆離滑脫帶、上疊構造斷陷—火山盆地三個單元組成。其理論的提出先后經歷了“變質核雜巖”“一盆一山”“一盆多山”的認識發展階段，并最終基于地幔熱柱的觀點，創新而成。

（2）幔枝構造理論在指導金銀多金屬地質找礦方面取得了顯著效果，并被廣泛地推廣應用，為我國礦產資源的找礦勘查作出了重要貢獻，并在生態、地震、油氣、地熱等地質學領域具有廣闊應用前景。

（3）幔枝構造理論研究和應用目前仍面臨著地幔柱的深源標志、演化期次識別、定量預測等方面的問題。因而，深入完善、發展和推廣幔枝構造理論還需要長期努力！