幔枝构造理论及其应用推广进展

王云静，陈 超 ，王 健，王丰翔，张福祥

1. 河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北 石家庄 050031；2. 河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031；3. 保定金禾矿业有限公司，河北 保定 071066；4. 内蒙古自治区岩浆活动成矿与找矿重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010020；5. 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037

0 引言

板块构造学说是当代最具影响力的全球构造理论之一，很好地诠释了板块边界区的岩浆活动、构造运动、地震、成矿作用等地质作用，但对于发生在板块内部强烈地质作用的形成机制依然是板块构造面临的重大科学问题，如板块内部的大火成岩省以及无震脊火山岛链等。自加拿大Wilson于1963年提出热点以来，较好地解释了太平洋板块中夏威夷等岛链的成因问题，掀起了探寻地球深部动力的热潮。例如起源于热点假说的地幔柱理论认为地幔热柱的形成实际上是一个源自核幔边界的热物质不断上涌的过程，到达上地幔底界和岩石圈底界时分别衍化出第二、三级次柱。其中，幔枝构造就是地幔热柱多级演化的第三级构造单元，它的提出和研究很好地继承和发展了地幔热柱理论，尤其是将其应用于地质矿产等领域，取得了重要找矿突破。为此，本文主要在前人资料基础上，系统地总结、分析了幔枝构造理论的主要特征及其应用现状和推广进展，愿在构造地质与资源环境交叉领域抛砖引玉。

1 幔枝构造的提出

幔枝构造理论是河北地质大学牛树银教授率领科研团队于1996年原创性提出的一种大地构造理论，它的提出主要经历了“变质核杂岩”—“一盆一山”—“一盆多山”—“地幔热柱多级演化”的发展过程。20世纪90年代初期, 牛树银科研团队通过对太行山区的阜平杂岩、赞皇杂岩及其周围地区的野外考察，首次提出阜平变质核杂岩和赞皇变质核杂岩的概念。20世纪90年代中后期，牛树银教授对太行山区阜平变质核杂岩和赞皇变质核杂岩展开深入研究后，发现太行山区与华北断陷之间存在成因耦合关系[1-3]，是由造山带与相邻盆地之间深部物质发生横向迁移和地层（岩石）风化、剥蚀、搬运、沉积、成岩所致，即“一盆一山”耦合关系[4-5]。在此基础上，牛树银教授将其与地幔热柱理论相结合，提出了一个全新理论——“幔枝构造”理论。21世纪以来，牛树银科研团队先后通过对华北地区、中国东部开展深入研究，发现我国东部地区以华北盆地为中心，其与北侧的燕山、南侧的大别山、东侧的胶辽山地，甚至以华北裂陷盆地为中心，西与太行山造山带、北与燕山造山带、东与朝鲜半岛、南与大别造山带，都存在耦合关系，在“一盆一山”观点的基础上拓展提出“一盆多山”耦合关系的观点，其动力机制与地幔热柱有关。随着多年科研视野的扩展和积累，牛树银科研团队率领团队进一步完善提出了幔枝构造成矿理论，其核心观点：金银等金属成矿物质主要来自地球深部，甚至地核与地幔边界，随着地幔热柱多级演化呈反重力向上迁移，并在地壳浅部有利构造部位（幔枝构造的有利扩容带）富集成矿[6-8]。幔枝构造成矿理论的提出、应用和推广，很好地解决了我国众多老矿山开展“探深摸边”地质找矿的瓶颈问题，并取得了显著的社会、经济效益。

2 幔枝构造的基本特征

幔枝构造是地幔热柱多级演化的第三级构造单元，一般由三部分组成：核部岩浆—变质杂岩、外围盖层拆离滑脱带、上叠构造断陷—火山盆地，有时部分单元会有缺失。以华北东部为例，总体以华北地幔亚热柱为中心，外围分布着阜平幔枝构造、胶东幔枝构造等，见图1。

图1 华北东部幔枝构造示意图[9]Fig. 1 Schematic diagram of mantle branch structure in eastern North China

核部岩浆—变质杂岩隆起区一般位于幔枝构造的核部，以岩浆岩、变质岩为主，多为浑圆状、等轴状，出露面积由几十到几百平方千米不等；外围盖层拆离滑脱区包括核部岩浆—变质杂岩之上的所有盖层岩石，岩石组合为中晚元古界及其以上的沉积地层；上叠构造断陷—火山盆地区主要发育与前两者之上，其岩性多为火山岩和沉积岩，有时可能不发育。幔枝构造单元具体特征详见表1。

表1 幔枝构造单元特征[7]Table 1 Characteristics of mantle branch structural units

3 幔枝构造理论的应用

幔枝构造是地幔热柱多级演化在岩石圈浅部的综合表现形式，可引起地壳上隆、岩浆活动、变形变质、含矿流体活化迁移以及成矿作用等一系列地质过程。中生代以来，华北东部进入了强烈的构造—岩浆活动，尤其燕山期，在华北地幔热柱多级演化过程中，形成了阜平、赞皇、张宣、冀东、丰承、鲁西、辽西、胶东、小秦岭等一系列幔枝构造[10]，也为各幔枝构造区带来了丰富的金银多金属矿质，形成了诸多大中型金属矿床，见表2。

表2 幔枝构造理论研究及应用推广简表Table 2 Theoretical research and application of mantle branch structure

该理论最早应用于太行山、燕山、胶东、小秦岭等地的各幔枝构造区，指导区内金银多金属矿山地质找矿工作，取得了突破性进展，其成果得到了很好的推广应用。

例如，胶东地区的金矿分布不均，已探明的金矿存储量占我国总量的四分之一以上，尤其是胶西北地区金矿尤其富集，我国的许多大型、特大型金矿都位于此[28-29]。从幔枝构造视角提出胶东地区巨量金矿是受燕山运动所形成的莱阳亚热柱—郭家店、牟乳等幔枝构造所控制，认为在郭家店幔枝构造形成过程中，因变质核杂岩的隆升，东、西两侧分别形成焦家断裂以及与之反倾的三山岛断裂、破头青断裂。莱阳亚热柱作为深部矿质向上迁移的主要通道，使成矿物质主要迁移到幔枝构造上述断裂的扩容带部位富集成矿形成焦家金矿、三三岛金矿、玲珑金矿等，因而深部找矿前景巨大[30-32]。

张宣地区是我国重要的金、银多金属矿化集中区，矿产资源潜力巨大。从幔枝构造成矿控矿的视角分析提出张宣地区多金属矿床是受燕山运动所形成的河淮亚热柱——张宣幔枝构造的控制，认为燕山期大规模的岩浆活动致使区域内岩浆—变质杂岩大规模隆升，上部盖层向外围拆离，从而形成张宣地区内金外银、铅、锌的矿带分布特征，因此金矿找矿远景远不能局限于金三角范围[33-34]。

小秦岭是中国第二大金矿集中区，具有隆升幅度大、剥蚀程度深、构造活动强烈、构造形迹清楚、矿床分布集中的特点[13]。以幔枝构造理论分析，发现小秦岭金矿数量多且分布集中是受燕山运动所形成的小秦岭幔枝构造的控制。认为小秦岭地区经历了多期褶皱构造，第三期的张扭性韧脆性剪切带延长很远、深度较大，是导矿的主通道，从而形成区域内存在一两条主要矿脉控制矿区50%以上的金属储量的现象[35]。

太行山中北段矿床较多，形成矿床近200个，但近年无明显研究进展。运用幔枝构造理论对该区构造控矿作用进行系统研究发现，太行山中北段多矿床的形成是受燕山运动所形成的阜平幔枝构造所控制，认为成矿物质于幔枝构造不同部位而形成不同类型的矿床，以核部区石湖金矿、拆离带附近区木吉村铜（钼）矿、盖层区支家地铅锌银矿三类矿床为典型。通过对区域的整体分析研究，指出麻棚地区具有很好的深部找矿前景，为进一步找矿指明了方向[36-38]。

4 幔枝构造理论的推广

近年幔枝构造理论被广泛应用于河北、山西、山东、河南、辽宁、内蒙古、福建、湖南、青海、海南等地的地矿、冶金、有色、化工、油气、地热、武警黄金等系统，找矿效果相当显著，见表2。

青海五龙沟地区发现了60余处金矿床点，总资源量大于100 t。徐新文等（2017）通过分析，认为五龙沟金矿田位于可可西里—巴颜喀拉地幔亚热柱东昆仑幔枝构造区，幔枝构造核部区分布15条含金构造破碎蚀变带，其成矿与幔枝构造有关。在幔枝构造变质核杂岩构造及SN向应力作用下所形成的3条NW向剪切带是控制金矿集中分布的基本原因[22]。上述控矿规律为区域找矿提供了很好的指导思路。

华南是世界闻名的滨太平洋金属成矿带的重要组成部分，我国有色、稀有金属矿产集中产出的地区。童航寿等（2010）分析认为华南成矿省内的铀、钨、铜、 铌、钽、铅、锌、金、锑等金属矿产是受华南亚幔柱衍生的内环、中环和外环共计20余处（准）幔枝构造控制[39]。例如湘南多金属矿集区，位于以南岭为中心的华南地幔柱的构造区，受湘东南地幔亚热柱—骑田岭幔枝构造控制，深源成矿物质迁移至地表浅处有利扩容带位置富集成矿，从而构成了湘南地区丰富的有色金属矿产资源[25]。以幔枝构造理论角度分析华南地区多金属矿床成矿机制，有助于实现华南矿产资源的新突破。

山西五台山—恒山成矿区是金、银多金属矿产富集区，主要有晚太古代绿岩型金矿床和中生代燕山期次火山岩型金、银多金属矿床两大类。真允庆等（2003）通过分析认为，五台山—恒山成矿区是受中生代燕山期的五台幔枝构造所控制，区内金、银多金属矿床的分布主要受近EW和NE向的韧性剪切带的影响，整体呈“内金外银”的空间分布规律[23]。这种控矿规律有助于开启新的找矿思路。

新疆是我国重要的金属矿产、石油、煤炭及铀矿资源矿产地，已发现的矿产有138种，其中9种储量居全国首位。夏冬等（2015）通过分析，认为新疆金属矿产呈“8”字形分布，主要受塔里木、准噶尔双亚幔柱的控制。双亚幔柱产生后，深源物质横向迁移致使周围山脉隆升，成矿物质沿盆地周缘环形断裂向上迁移形成新疆独特的“8”字型矿床分布面貌，这些矿床的分布主要由多条近SN向和近EW向断裂带所控制 。二叠纪以来，在双亚幔柱的影响下深源成烃流体与火成岩向上运移，为油气藏、煤、铀矿等的形成提供了必要的物源[20]。通过幔枝构造理论的分析，对于寻找新疆多金属、非金属矿产资源提供了新思路，进一步发挖掘了找矿新潜力。

辽宁冶金地质勘查局白永俊等（2003）将辽宁地区划分为绥中幔枝、辽东南幔枝、建平阜新幔枝和四丰幔枝构造，分别着重研究了其核部岩浆-变质杂岩、外围拆离滑脱层、上叠火山-沉积盆地等单元，探讨了幔枝构造与成矿的关系，认为：“辽宁幔枝构造的高度发育，造就了极为丰富、种类繁多的各类矿产”[16]。围绕幔枝构造，矿产具有明显的分带特征。幔枝构造由内而外、由深入浅、由高温到低温、由基性到酸性，形成了规模不同、种类不同、成因不同的诸多矿产。

甚至连石油系统孙冬胜等（2004）都多次引文探讨华北盆地的构造成因，认为地幔热柱构造模式较好地解决了华北盆地的形成，并对油气的形成有明显的控制作用[40]。

幔枝构造理论被广泛推广应用证明了这一理论的正确性，也体现了其适用度之广，为我国的找矿工作提供了新思路。

5 展望

5.1 存在问题

幔枝构造理论提出至今已被广大学者所接受认可，但随着理论不断应用于诸多地质学领域，发现它仍存在着一些问题尚待解决，特别是现今技术条件的局限性。

5.1.1 地幔柱确立标志方面的问题

地幔亚热柱是地幔热柱的二级柱，也是幔枝构造衍化的前身，常形成于上、下地幔边界处。因其位于一定深度，所以现今技术手段不能直接确立存在的直接标志，只能依靠现有地质、地球化学、地球物理等手段来间接推断。

（1）地球物理方法的多解性

地幔柱作为幔枝构造的源头，常用地球物理勘探的技术手段来探寻其深源空间状态。但物探是一种间接的探测方法，只能通过收集地下各种结构构造等数据，分析数据间的差异来反演出其物理性质，进而推测地幔柱的空间位置，不能直接反映出其真实情况，所以其多解性可能会对结果造成误差或错误。比如物探具有等效性，即使不同的地下结构也可能会反馈出相同的数据，这种情况下就会很难辨明真伪。此外，在计算方面，根据研究所采用的切入点不同，使用的算法也会不同，不同算法会造成计算结果有出入。

（2）地球化学方法的示踪有效性

岩矿地球化学和流体地球化学也是目前探索深部信息的重要手段之一。例如，目前主要通过Ti、P、K、S、Pb、C-H-O、Si、He-Ar、Nd、Sr、Hf等同位素来研究岩体成因、矿质来源、流体特征等特征，但是即使上述为深源，目前的技术条件也仅仅是更多地推断出为下地壳源、壳-幔源或幔源特征，仍然对更深的下地幔源、地核源则总体显得束手无策。

（3）温压实验的模拟真实性：大量理论研究和模拟实验表明，地幔热柱具有巨大球状顶冠、狭长尾柱的形态结构和独特的热—化学及速度结构。例如，Griffiths等（1990）实验表明热柱由巨大的蘑菇状柱头和细长的热柱尾构成[41]。但是面对温度、压力、粘度等十分复杂核幔边界条件，真实情况果真是实验那样吗？恐怕只有未来很长一段时间通过技术的进步才能揭开地球深部的真实面纱。

5.1.2 幔枝构造应用方面的问题

（1）幔枝构造演化的多期次问题

从地幔热柱形成到典型幔枝构造在地表出露，需要经历一个漫长地质过程。现今的幔枝构造区，只能表明是本区构造运动的综合结果，但该区在地史时期是否发生过多期次幔枝构造演化则需结合区域地质等资料进行更深入的研究。幔枝构造每一期次活动的时间跨度可能很长，多期次的构造演化可能导致古幔枝构造的信息残留不全或全部改造殆尽，因而使得研究幔枝构造多期次性存在诸多困难。

（2）幔枝构造指导找矿的定量预测问题

随着我国多数老矿山浅部可采资源的逐渐耗竭而找矿难度不断增大，深部隐伏矿的勘查已成为当前地质找矿的难点。尽管通过幔枝构造理论指导，为矿山深部找矿指明了方向，但是如何将构造地质与勘查地球化学等深部找矿方法以及计算机技术相结合，进行具体定量预测方面还不够成熟。

5.2 应用前景

幔枝构造理论不仅在成矿控矿找矿方面发挥了巨大的作用，而在面对广阔的地质学领域，该理论还被应用于生态环境、地震等方面，以更好地服务社会。

（1）生态环境方面

幔枝构造演化控制着区域生态环境条件，以张宣地区为例。由于张宣幔枝构造的长期活动，使该区壳幔隆升，把深部的金、银等矿质抬至近地表，同时也导致区域性岩（矿）石、土壤的元素背景值异常, 使得某些农作物、林果“优质高产”或“劣质低产”。而As、F、Hg等有害元素的异常分布也会通过粮食、水果、蔬菜、水等饮食进入人体循环，直接影响人类的身体健康，甚至导致某些地方性疾病蔓延[42]。因而通过总结分析幔枝构造各区地球化学特征，有利于当地生态环境规划和治理部署。

（2）地震方面

华北地区地震的形成很大程度上与华北断陷之下的地幔热柱有关。地幔热柱多级演化形成幔枝构造的过程中，当该区高导层上覆的上地壳随高导层向外拆离滑脱到外围造山带前受阻、发生与拆离滑脱带的相对剪切时，会不断地积聚能量并释放，从而构成了华北地区一种特殊的地震[43-44]。这种新型地震的发现，对地震的深入研究有着十分重要的意义，为地震成因研究拓宽了思路。基于幔枝构造活动，统计各幔枝构造区所发生的地震数据，有助于理论上研究地震成因。

（3）油气方面

地幔热柱多级演化形成的区域盆岭构造在很大程度上成为孕育油气成藏的良好场所，以东北及华北地区油气田为例。日本地幔热柱的存在使太平洋板块俯冲挤压形成了多个裂谷盆地，从而为油气形成储藏提供了有利条件：地幔隆升、强烈的岩浆活动为生物繁殖提供生存条件；地壳下隆所形成的泥砂层空间加速有机质的转化；持续的构造变形有利于油气的圈闭[45]。此外，从幔枝构造的视角，认为油气成因可能与深部无机质有关。由此可见，油气的形成与地幔热柱多级演化之间有着极为密切的关联，也为日后油气勘查提供了更宽阔的找油思路。

（4）地热方面

地热能的产生离不开地下强烈的岩浆活动。地幔热柱向上隆升过程中会伴随着强烈的岩浆活动，这些岩浆会沿着断裂部位不断地向上侵入，再加上低速高导层的存在，使处于地幔柱、幔枝构造之下的区域形成一个具有巨大能量的热力供给站，热源会通过幔枝构造各级断裂散溢地表或储存成为热库。华北地区拥有十分丰富的地热资源，因而综合研究华北地区幔枝构造对地热的控制作用，对于地热的勘探有着重要的指导意义[46-47]。

（5）铀矿方面：近年研究发现，许多地区铀矿围绕地幔柱分布。以华南地区为例，研究表明围绕华南亚幔柱分布有20多处幔枝构造，且铀矿的分布在华南亚幔柱的核部最为密集，推测幔枝构造为深源铀源提供运移与贮藏通道，这也是华南地区成为我国重要产铀区的原因[39]。对幔枝构造的成矿控矿有利地段进行深入探索，可为实现我国铀矿勘查突破提供新思路。

6 结论

（1）幔枝构造是地幔热柱多级演化的第三级构造单元，一般由核部岩浆—变质杂岩、外围盖层拆离滑脱带、上叠构造断陷—火山盆地三个单元组成。其理论的提出先后经历了“变质核杂岩”“一盆一山”“一盆多山”的认识发展阶段，并最终基于地幔热柱的观点，创新而成。

（2）幔枝构造理论在指导金银多金属地质找矿方面取得了显著效果，并被广泛地推广应用，为我国矿产资源的找矿勘查作出了重要贡献，并在生态、地震、油气、地热等地质学领域具有广阔应用前景。

（3）幔枝构造理论研究和应用目前仍面临着地幔柱的深源标志、演化期次识别、定量预测等方面的问题。因而，深入完善、发展和推广幔枝构造理论还需要长期努力！