地球科学学科前言丛书·矿产资源形成之谜与需求挑战

矿产资源是大自然对人类的馈赠。
翻开人类发展史，人类进入文明社会的一个重要标志是学会使用、制造工具。第一个工具时代是石器时代，然后是青铜器时代、铁器时代，直到现在的信息时代，人类的发展无不建筑在利用矿产资源的基础上。从某种意义上讲，人类社会发展的历史就是矿产资源开发利用的历史。在当今，矿产资源仍然是并且必将继续是经济和社会可持续发展的重要物质基础，是综合国力的重要组成部分。
然而什么是矿产资源？它为什么能赋存在地球上？它是如何形成和分布的？它是采之不竭用之不尽的吗？资源与环境的关系是怎样的？为什么国际争夺总是围绕着资源和能源展开？中国进入经济发展新时期的资源战略是什么？还有很多类似的问题，其中许多问题已经超出了自然科学和科学技术的范畴，说明矿产资源对于人类来说的确太重要了。
这本书是中国科学院学部和国家自然科学基金委员会共同资助的“大陆成矿学发展战略研究”的研究成果。它力求通俗易懂，又站在学科前沿，引领学术方向，以期引起社会公众对矿产资源的兴趣、对矿产资源发展的关注，以及对国家矿产资源战略的理解与监督。并希望影响科学管理部门和教育部门对学科发展的指导与立项，力争为国家有关部门对资源政策的制定与规划提供科学依据。
矿产资源是指经过地质成矿作用，使埋藏于地下或出露于地表并具有开发利用价值的矿物或有用元素的含量达到具有工业利用价值的集合体。
矿产资源在我们的生活中无处不在，人类用品的９０％都与矿产资源密切相关。比如，当人们欣赏并使用给他们生活带来极大便利的手机时，有谁会想到它竟然是一个“纯粹”的矿产资源“制品”！
矿产资源是一种与生俱来的自然宝藏，它具有地质属性、经济属性和环境属性。矿产资源的地质属性主要涵盖三层意义：①它们是在地球漫长、复杂的形成、演化历史进程中形成的，非人力所能够创造；②它依照地质规律分布，而不是均匀地分布，和国界无关；③以人类进化的历程为时间尺度，这种资源是不可再生的。这就引出来“人类对矿产资源需求的基本规律” “矿产资源开发与环境保护” “矿产资源的全球配置”三个大问题，它们涵盖了我国经济可持续发展与资源的安全保障、经济发展与环境保护、全球协调发展与世界和平等关系到国计民生的大事。
作为资源勘探开发的基础，首先要研究矿产资源是如何形成的。矿床学，又称矿床地质学，在国外称经济地质学（ｅｃｏｎｏｍｉｃｇｅｏｌｏｇｙ），是研究
矿产资源在地壳中的形成条件和分布规律的科学。它是矿产勘查和开发的地质理论基础，又是地球科学的重要分支。矿床学是一门既古老而又新颖的学科，它随着社会生产特别是矿业生产的发展而产生，同时又随着近代科学理论与技术的发展尤其是矿业生产技术的进步而充实、更新，形成了一门技术经济与地质学相结合的综合性学科。目前在大科学、大数据、大技术平台的科学迅猛发展的时期，矿床学面临着学科发展的极大挑战和机遇。矿床是成矿物质异常富集的产物，矿床的形成离不开成矿物质来源、成矿流体的搬运、特殊的成矿过程，以及特定的时间节点。这些方面的科学问题构成了当前矿床学理论研究的前沿，同时也为未来矿床学研究指明了方向。本书把矿床学的前沿科学问题形象地描述为“四谜”，即成矿物质之谜、成矿流体之谜、成矿过程之谜和成矿时控之谜。
成矿物质的来源和聚集过程是揭示成矿规律的切入点，是矿床学研究的核心问题之一。成矿物质主要有三个来源，即地壳、地幔，以及少量的“天外来客”———陨石撞击。但是矿床学发展到今天，一些重要矿床的成矿物质来源仍然不清楚，在很大程度上制约了矿床学的发展。本书简要地回答：究竟是什么地质过程导致了成矿元素如此不均匀地巨量富集？成矿物质来自何处？是地球上原始不均匀性还是地质演化过程造成了成矿物质的富集，还是兼而有之？成矿物质是如何运移、富集并最终聚集成矿的？究竟是哪些地质过程、物理化学条件控制着特定成矿物质的运移、富集？
流体就像地球的血液，广泛发育在地球的各种环境中。而在地质过程中产生的流体常被称为“地质流体”（ｇｅｏｆｌｕｉｄｓ），比如形成于海底喷流系统
的热液流体、火山喷发、侵位形成的岩浆流体等。地质流体的形成及其演化过程对于地球环境变化和元素分布有着重要影响。关于流体如何“携带”成矿元素，如何“搬运”它们，以及如何“卸载”让它们聚集成矿，仍然存在很多谜团，尤其是缺乏直接的实验证据。不同性质的热液流体如何对不同的金属元素进行选择性携带、选择性搬运和选择性卸载等仍然是当前成矿流体研究的前沿科学问题。
决定成矿元素的迁移聚集与矿床的形成的因素是环境温度、压力、酸碱度、氧化还原条件等基本物理化学环境要素。我们将它们比喻为人的呼吸循环系统。引起这些基本物理化学要素变化的外部条件就是地质作用，包括沉积、火山喷发、岩浆侵入、区域变质和大型变形等。决定成矿作用的内因是元素的地球化学特征，外因是地质作用条件。在成矿过程中形成了复杂纷繁的各种地质现象，通过对这些地质现象的探究可以破解成矿过程之谜。
此外，我们的研究还发现，在地球４５亿年的演化历史过程中，一些金属矿床类型及矿种只形成和分布于特定的地质时期，并在地球演化进程中不再重复出现，而且矿种从比较单一变得复杂多样。我们把这种在地球一定历史时期形成的一定种类矿床类型（或矿种）称为成矿的时控性。矿床的时控性像人的生命周期一样，反映了地球由出生到生长的历程，而且也一定会“死亡”，即它的内部能量消耗殆尽，成为像月亮一样的“死亡”星球。这种成矿作用鲜明的时代性是什么因素造成的呢？目前还没有一个完满的科学解释，仍然是地质科学上的待解之谜。
强调“大陆成矿”作用，是因为迄今人们所探明、了解和研究的矿床，特别是开发的矿床，绝大多数都在陆地之上。地球形成约４６亿年，地球上现存陆壳岩石的记录最早始于约４４亿年。虽然始终存在着在地球上先有大洋和先有大陆的争议，但目前始终没有找到古老大洋的证据。地球上现存的大陆可以证明是在几十亿年前形成和演化到现在的，而现存的大洋只有２．５亿年左右的年龄。大陆矿床的研究无疑在时间和空间尺度，特别是人们的能力范围都是极为重要的。
中国地处环太平洋、中亚和特提斯三大成矿域的交汇地区，地质构造复杂，地质记录完整，矿产资源种类多，特色明显，是建立大陆特色成矿的理想地区。中国的特色成矿大致可以归纳为：①陆陆弧陆碰撞型造山成矿（ＡｕＣｕＭｏ矿床）；②远离造山带的大面积低温成矿；③峨眉山塔里木地幔柱型成矿（ＴｉＶＦｅ矿床、ＣｕＮｉ矿床）；④元古代裂谷型成矿（ＲＥＥＮｂＦｅ矿床、ＰｂＺｎＣｕ矿床、ＭｇＢ矿床）；⑤大花岗岩省成矿（多金属矿
床）；⑥中生代克拉通破坏与金爆发型成矿；⑦高原隆升与表生成矿作用。可以预料，在矿产资源的研究中，中国大陆成矿的研究一定会对本学科的发展起到积极的推动作用。
人类生存于地球之上，依靠矿产资源建设文明发达的社会。探索地球的奥秘是人类最早的认知科学，是自然科学的起源，换句话说，没有比认知地球更重要、更基础、更迫切的科学学科。矿产资源的研究对大陆动力学和固体地球科学必然有重要的贡献。我在这里还想强调“大陆成矿作用”的认知科学内涵。把成矿作用加上“大陆”二字，不是简单的修饰，不是把研究的“成矿作用”限定为发生在大陆之上。“大陆成矿作用”是一个崭新的提法，它与“大陆动力学”（ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｄｙｎａｍｉｃｓ）密切关联。板块构造是２０世纪人类最重要的自然科学理论贡献之一，并迅速成为地球科学的主流理论。它很好地解释了
大洋，较合理地解释了洋陆过渡带，但是在解释大陆问题时遇到困难，有些人称之为“板块难以登陆”。大陆动力学是１９８９年在美国地质文献中出现的新名
词，是在当代板块构造新的发展基础上提出的重要科学问题和研究领域。它从大陆尺度研究大陆形成演化和动力学机制等基本问题，其核心是把大陆作为一
个独立的动力学系统来研究，它通过研究大陆形成过程和演化历史等各种基本问题，来阐明大陆与整个地球系统是如何相互作用的。
岩石是大陆演化的物质记录，它记录了大陆的起源、过程、变化和现状。
大陆岩石的记录长达４５．５亿年，几乎与４５．６７亿年的地球同岁，远远老于２亿～３亿年的大洋岩石。矿床作为特殊的岩石，某些记录比普通岩石更“特
殊”。用演化的成矿作用，加上演化的其他岩石，以及印记在岩石上的构造记录，使得对地球的研究进入“演化的地球”阶段，这无疑是破解板块登陆难题的新历程。大陆成矿学科的战略研究其意义远远超过了矿床学的范畴。大陆成矿作用的研究思路是在丰富的研究资料基础之上提出的，有待于更多的科技人员积极讨论，批评、指正、补充，甚至推倒重来，为中国在矿产资源领域科学前沿做出积极贡献而努力。
本书由国内矿床学科学术带头人和青年骨干共同完成，具体的编写分工是：第一章由王安建、代涛执笔；第二章由刘建明、代涛执笔；第三章由孙卫东、陈华勇、凌明星执笔；第四章由范宏瑞、陈华勇执笔；第五章由蒋少涌、梁华英、许德如执笔；第六章由杨晓勇、张连昌执笔；第七章由陈华勇、孙卫东、蒋少涌、秦克章执笔；第八章由陈衍景执笔；第九章由蒋少涌执笔；第十章由宋谢炎、赵太平执笔；第十一章由秦克章执笔；第十二章由胡瑞忠、毕献武执笔；第十三章由刘成林、李子颖执笔；第十四章由孙卫东、蒋少涌、秦克章、陈华勇执笔；第十五章由蒋少涌、孙卫东、秦克章、李建威执笔。全书最后由孙卫东、秦克章、蒋少涌和陈华勇统编定稿。
由于水平和时间有限，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

２０１５年１２月１０日

王安建，王高尚．２００２． 矿产资源与国家经济发展． 北京：地震出版社．
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