翟東興

河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，鄭州 450016

引言

構(gòu)造地球化學(xué)是介于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與地球化學(xué)之間的邊緣學(xué)科，其主要研究對(duì)象是各種地質(zhì)建造和構(gòu)造的物質(zhì)組成特征，地質(zhì)構(gòu)造作用與元素活化遷移，分散富集的關(guān)系、規(guī)律及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制等[1]。關(guān)于構(gòu)造地球化學(xué)，我國學(xué)者做了較為深入的研究[2～8]，并取得了一系列成果。斷裂構(gòu)造地球化學(xué)是構(gòu)造地球化學(xué)的重要組成部分，其主要研究在斷裂構(gòu)造作用下，地殼化學(xué)元素的活化遷移、分散富集特征及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制。孫巖等[9]根據(jù)其研究實(shí)踐，總結(jié)了斷裂構(gòu)造地球化學(xué)研究的7個(gè)步驟, 即宏觀—顯觀—微觀—解釋—實(shí)驗(yàn)—理論—應(yīng)用。微量元素在地質(zhì)作用過程中的地球化學(xué)行為通常受物理化學(xué)中的亨利(Henry) 定律制約，而不參與巖石化學(xué)平衡反應(yīng)，一般不受常量(主量) 元素含量的約束和習(xí)性的影響，在一般的地質(zhì)作用過程中地球化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定[10]。因此，斷裂構(gòu)造的微量元素地球化學(xué)特征常能很好地保存斷裂構(gòu)造其形成、發(fā)展與演化過程中的地球化學(xué)信息,而成為一種獨(dú)特的地球化學(xué)“指紋”[11]。本文從微量元素地球化學(xué)特征角度出發(fā)，研究斷裂構(gòu)的地球化學(xué)特征。

1 斷裂構(gòu)造地球化學(xué)特征的影響因素

1.1 元素自身的性質(zhì)

研究表明，元素的應(yīng)力性（原子半徑、離子半徑、電離能（EI）和電負(fù)性、熵值S0298等）是決定元素聚散程度的內(nèi)因，元素在斷裂帶中的聚散狀態(tài)是構(gòu)造動(dòng)力分異作用結(jié)果，它決定元素于本身的應(yīng)力性和斷裂的力學(xué)性質(zhì)。如在同一應(yīng)力場(chǎng)中，若存在的元素具有不同的離子半徑，則在壓力作用下，元素可發(fā)生分異，離子半徑大和過小的元素一般向壓力低的方向遷移；離子半徑中等的元素，對(duì)壓力的反應(yīng)不明顯，相對(duì)殘留在原地。如K+(1.68)、Na+(1.10)向壓力小的方向遷移；而Fe2+(0.71 )、Mg2+(0.80)、Mn2+(0.75)、Cr3+(0.70)、Ti3+(0.75)等在壓力作用下相對(duì)穩(wěn)定，趨于向壓力大的方向遷移。在斷裂構(gòu)造應(yīng)力作用下，元素離子的壓縮性和原子密度對(duì)其構(gòu)造地球化學(xué)分異起著主導(dǎo)作用，那些壓縮性大、原子密度大的離子相對(duì)惰性，較穩(wěn)定，它們趨于在高壓環(huán)境下富集，而那些壓縮性小的、原子密度小的離子則易于逸散到壓力較低的環(huán)境中去。如對(duì)于壓縮性由大到小順序?yàn)锳u+-Ag+-(Cu+)-Pb2＋-Mo2＋-Zn2＋-Cu2＋-Mo4＋，原子密度由大小到的順序是Au-Pb-Ag-Mo-Cu-Zn的一組元素而言，排在前面的元素趨于在深部、高溫高壓區(qū)富集，而后邊的元素趨于向淺部溫壓較低的部位富集。

1.2 斷裂構(gòu)造中各種構(gòu)造地球化學(xué)作用

由于斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制著斷裂帶及其附近一定范圍內(nèi)化學(xué)元素的再分配與再遷移、再分散與再富集等,不同構(gòu)造部位的巖石化學(xué)組成及其含量必然不同[3,12]。前人研究[13～14]認(rèn)為，影響斷裂構(gòu)造元素分布的斷裂構(gòu)造作用主要有：動(dòng)力分異作用、動(dòng)熱變質(zhì)作用、氧化還原作用及水解脫水作用、構(gòu)造帶內(nèi)流體與巖石交換作用等。對(duì)于微量元素而言，由于斷裂內(nèi)各種構(gòu)造地球化學(xué)的作用，其地球化學(xué)特征在不同的構(gòu)造地球化學(xué)作用下必然發(fā)生一定的分異。同時(shí)鑒于微量元素具有示蹤性的特點(diǎn)，其地球化學(xué)分異特征對(duì)于研究斷裂構(gòu)造的形成環(huán)境及演化歷史等具有重要的指示意義。

2 斷裂構(gòu)造的微量元素地球化學(xué)特征

引起斷裂構(gòu)造的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在空間上常具有不平衡性，不同地域的構(gòu)造變形強(qiáng)度和性質(zhì)亦具有明顯差異，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化常導(dǎo)致地球化學(xué)場(chǎng)的同步變化。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上又具有多旋回性，構(gòu)造變形強(qiáng)度和性質(zhì)交替變化, 造成構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和地球化學(xué)場(chǎng)亦不斷變化，從一種平衡達(dá)到另一種平衡，在此過程中元素的地球化學(xué)特征也將發(fā)生復(fù)雜的變化。對(duì)于斷裂構(gòu)造而言，在其長期的發(fā)展演化過程中，斷裂力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)換、物化環(huán)境的變化及元素性質(zhì)的差異，微量元素的地球化學(xué)特征也將在一定程度發(fā)生變化。在理想狀態(tài)下，斷裂帶的結(jié)構(gòu)水平方向和垂向上具有明顯的分帶，一般水平分帶為：正常圍巖—上盤蝕變帶—上盤礦化帶—破碎帶（角礫、斷層泥帶）—下盤礦化帶—下盤蝕變帶-正常圍巖[15]；在垂向上，斷裂帶的結(jié)構(gòu)可分為：韌性變形帶—韌脆性過度變形帶—脆性變形帶。在實(shí)際中這種現(xiàn)象并不常見，通常是不完全均勻發(fā)育的, 只是常具有這種分帶性變化趨勢(shì)。本文分別從水平和垂向上研究斷裂帶內(nèi)微量元素的地球化學(xué)特征。

2.1 微量元素的水平分帶特征

基于構(gòu)造應(yīng)力和元素性質(zhì)的差別，因此在斷裂帶的不同部位其元素的組合及含量是有差別的。在水平方向上，斷裂帶中各帶中化學(xué)組分的變化規(guī)律反映了各種組分在斷裂的形成過程中遭受了不同的地球化學(xué)作用。斷裂帶中構(gòu)造地球化學(xué)作用通常包括動(dòng)力分異作用、動(dòng)熱變質(zhì)作用、氧化還原作用及水解脫水作用、構(gòu)造帶內(nèi)流體與巖石交換作用等。動(dòng)力分異作用主要表現(xiàn)水平方向上的元素分異，從斷裂帶中心向外，不同類型（應(yīng)力性的差異）的元素分布特征具有一定的差異，如從斷裂帶中心向外離子半徑增大,比重減小的元素含量減小，而離子半徑小、比重大的元素則呈增大的趨勢(shì)。強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力作用引啟動(dòng)熱變質(zhì)作用，使斷裂帶內(nèi)中—高級(jí)變質(zhì)巖發(fā)生動(dòng)力退變質(zhì)作用。伴隨著構(gòu)造帶內(nèi)流體的產(chǎn)生，而發(fā)生微量元素的帶出與帶入，進(jìn)而微量元素的分異。具有不同氧化還原特性的元素在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，由于氧化還原條件的變化，也必然發(fā)生一定程度的分異。如斷裂帶中心及附近構(gòu)造巖中的Fe3+，由于Fe的溶解度很小而只能靠較易溶解和易搬運(yùn)的Fe2+從還原帶搬運(yùn)而來，當(dāng)斷裂帶由還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境時(shí)，F(xiàn)e2+就會(huì)被氧化成Fe3+，發(fā)生沉淀而被留住。隨斷裂的演化發(fā)展，F(xiàn)e2+不斷沿?cái)鄬油ǖ辣话徇\(yùn)而來并被氧化繼而被留住，因而導(dǎo)致了斷裂帶中心Fe3+含量的增高。斷裂構(gòu)造系統(tǒng)中，尤其是在壓性—壓扭性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，構(gòu)造帶內(nèi)流體—巖石相互交換作用十分強(qiáng)烈，當(dāng)流體進(jìn)入斷裂帶中時(shí)，二者由于成分差異很大,其交代作用強(qiáng)烈，進(jìn)而引起微量元素的分異。此外溫度對(duì)元素分布特征也有一定的影響，如斷裂構(gòu)造內(nèi)帶一般聚集中高溫含礦熱液元素組合,如Co、Ni、W、Sn、As、Sb、Bi等，由中心向外趨向富集中低溫含礦熱液元素組合，如U、Cu、Pb、Zn、V、Cr等[16]。

2.2 微量元素的垂直分帶特征

微量元素的垂向分帶特征主要與斷裂構(gòu)造的垂向結(jié)構(gòu)有關(guān)。斷裂構(gòu)造在垂向上，由于物理化學(xué)環(huán)境、受力狀態(tài)、構(gòu)造熱活動(dòng)等都有一定的差異，因此微量元素含量也相應(yīng)地會(huì)表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。隨斷裂由淺到深,其溫度、壓力、濃度、PH值等因素均會(huì)受到體系能量的影響，發(fā)生不同程度的改造[17]。研究表明，斷裂構(gòu)造在垂向的分帶性主要應(yīng)力環(huán)境、溫壓條件及自身性質(zhì)的影響。斷裂活動(dòng)中，斷裂構(gòu)造為流體的運(yùn)移提供了通道，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，使處于深部的流體能沿?cái)嗔淹ǖ郎仙?，沿通道上升的流體由于物理化學(xué)環(huán)境的變化，破壞了元素的平衡，離子半徑大的元素趨向于向張性區(qū)域運(yùn)移，如Sb、As、Au、Hg離子半徑大的元素趨向于分布在斷裂構(gòu)造的上部脆性變形帶中。壓力條件對(duì)于微量元素的分布特征也有重要影響，如Mn、Co、Ni、V、Ti、Mo等鐵族元素多分布于高壓區(qū)，如韌性變形帶；F、As、Sb、Ba等非金屬、堿金屬和半金屬元素則多分布于低壓區(qū)，如脆性變形帶；而 Au、Ag、Cu、Pb等比重大的硫化物元素族則趨向于分布在韌脆性變形的過渡帶。這是因?yàn)锳s、Sb、F等元素外電子層為s、p構(gòu)型，外力極易將s軌道電子激發(fā)到p空軌道上去而產(chǎn)生固定數(shù)目和一定方向的雜化軌道形成共價(jià)鍵，進(jìn)而使元素易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和惰性氣體向低壓區(qū)聚集，而鐵族元素和硫化物元素族外電子層則都為d、s構(gòu)型，前者離子電荷和配位數(shù)較多，離子半徑小，與后者相反，鐵族元素晶格能大于親硫元素，這意味著前者離子結(jié)合成晶體時(shí)釋放能量要者多。因此，比重大的親硫元素易受構(gòu)造應(yīng)力激發(fā)而活化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)流體向上運(yùn)移，而鐵族元素則在強(qiáng)動(dòng)力下相對(duì)穩(wěn)定位于下部[18]。元素的應(yīng)力性（原子半徑、離子半徑、電離能（EI）和電負(fù)性、熵值S0298等）則是決定元素聚散程度的主要原因因，元素在斷裂帶中的聚散狀態(tài)常是構(gòu)造動(dòng)力分異作用結(jié)果，它決定元素于本身的應(yīng)力性和斷裂的力學(xué)性質(zhì)[16]。在斷裂構(gòu)造形成的過程中，受應(yīng)力作用，斷裂帶中的微量元素會(huì)發(fā)生再分配，離子半徑相對(duì)較小的元素趨向于留在原地，而離子半徑大的元素則趨向壓力減小的部位遷移，如脆性變形帶。根據(jù)構(gòu)造地球化學(xué)的動(dòng)力調(diào)整分異原則，原子體積大、密度小、離子半徑大及不穩(wěn)定的元素趨向于向在應(yīng)力較小的部位運(yùn)移，而原子體積小，密度大，離子半徑小及穩(wěn)定的元素則更易于向應(yīng)力較大的部位運(yùn)移，進(jìn)而形成了微量元素在斷裂構(gòu)造中的垂向分布特征。

3 實(shí)例研究

余忠珍[17]系統(tǒng)研究了江西九江—瑞昌銅金成礦帶上斷裂帶內(nèi)微量元素的分布特征，癲痢山斷裂是研究區(qū)內(nèi)主要斷裂帶（北東向斷裂帶）的組成單元，其兩盤圍巖，北盤為二疊系碳酸鹽巖，南盤為志留系砂泥巖。水平方向上，斷裂帶結(jié)構(gòu)由外帶向中心的巖性依次為節(jié)理發(fā)育基巖—構(gòu)造角礫巖—碎裂巖及糜棱巖，其微量元素的分布特征：從外帶向中心，多數(shù)微量元素呈現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，并在局部地段出現(xiàn)高峰值，如在中心糜棱巖與兩側(cè)構(gòu)造角礫巖的過渡部位有兩個(gè)微量元素的峰值，其中在靠近碳酸鹽巖構(gòu)造角礫巖處，Cu、Pb、Ag含量很高，在近砂（泥）巖構(gòu)造角礫巖處，Cu、Pb、Zn、(Co)含量則相對(duì)較低，由此可見這兩個(gè)接觸帶對(duì)親銅性極強(qiáng)的Cu、Pb、Ag、Zn等這些微量元素的富集是有利的，而糜棱巖帶則對(duì)這些微量元素的富集則是不利的，因此則出現(xiàn)這些元素含量低值區(qū)，其原因可能與該區(qū)地表水滲濾作用強(qiáng)烈有關(guān)，由于各種微量元素性質(zhì)的差異，其溶解度不同及構(gòu)造帶內(nèi)流體—巖石水巖作用的強(qiáng)度不同，進(jìn)而形成上述元素的分異特征。而對(duì)于同時(shí)具有親銅硫和親鐵性的Au、As、Co、Mo等元素，從外帶到斷裂中心，則含量變化不大，僅在節(jié)理發(fā)育的砂泥巖區(qū)有一峰值，其原因可與元素本身的性質(zhì)有關(guān)，這些元素性質(zhì)較為穩(wěn)定，在斷裂構(gòu)造發(fā)展過程中不易發(fā)生分異而造成從外帶向中心含量變化微弱。對(duì)研究區(qū)西北部大沖一帶的斷裂中微量元素垂向分布特征的研究表明，隨斷裂深度的增加（其物理化學(xué)條件、變形強(qiáng)度、應(yīng)力環(huán)境等也隨之發(fā)生變化），Au、Ag、Cu、Pb、Zn都有逐漸升高的趨勢(shì)，特別是Au、Ag增加最為顯著，TFe則表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。其原因可能是，隨著斷裂深度的增加，其溫壓條件也隨之升高，還原條件變強(qiáng)，高溫高壓的還原性環(huán)境，易于親硫性較強(qiáng)的Au、Ag、Cu、Pb、Zn等元素的富集，比重較大的Au、Ag常通過側(cè)分泌作用，隨熱液活動(dòng)，更易于在斷裂深部富集。對(duì)上述研究實(shí)例中所得出的斷裂構(gòu)造內(nèi)微量元的分布特征，尚有許多研究者[16,19～24]對(duì)不同地區(qū)的斷裂構(gòu)造內(nèi)微量元素分布特征的研究也得出了相似的結(jié)論，進(jìn)一步佐證了斷裂帶內(nèi)微量元素的分布特征。

4 初步結(jié)論

（1）微量元素自身的性質(zhì)決定其斷裂構(gòu)造帶的分布特征。元素的應(yīng)力性（原子半徑、離子半徑、電離能（EI）和電負(fù)性、熵值S0298等）是決定元素聚散程度的內(nèi)因,元素在斷裂帶中的聚散狀態(tài)是構(gòu)造動(dòng)力分異作用結(jié)果，它決定元素于本身的應(yīng)力性和斷裂的力學(xué)性質(zhì)。

（2）斷裂帶內(nèi)各種構(gòu)造地球化學(xué)作用對(duì)微量元素在水平上和垂向上分布特征具有一定的影響。斷裂帶中構(gòu)造地球化學(xué)作用通常包括動(dòng)力分異作用、動(dòng)熱變質(zhì)作用、氧化還原作用及水解脫水作用、構(gòu)造帶內(nèi)流體與巖石交換作用等，不同構(gòu)造地球化學(xué)作用，其影響也不同，如動(dòng)力分異作用主要表現(xiàn)水平方向上的元素分異，從斷裂帶中心向外，不同類型（應(yīng)力性的差異）的元素分布特征具有一定的差異，如從斷裂帶中心向外元素的離子半徑增大，比重減小的含量減小，而離子半徑小、比重大的元素則呈增大的趨勢(shì)。

（3）諸多研究[16,19,22～27]表明，微量元素在斷裂構(gòu)造內(nèi)的分布（水平和垂向）特征，對(duì)于找礦（尤其是內(nèi)生的有色金屬礦床）具有重要的指示意義。

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