汪勁草, 王方里, 湯靜如, 程雄衛(wèi), 韋安偉, 葉 琳

(桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

弱變形域成礦及其地質(zhì)意義

汪勁草, 王方里, 湯靜如, 程雄衛(wèi), 韋安偉, 葉 琳

(桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

控制熱液礦床的成礦構(gòu)造可分為兩大類, 一類是由構(gòu)造動力破壞(構(gòu)造致裂)為主形成的成礦構(gòu)造——簡稱構(gòu)造型成礦構(gòu)造, 另一類是由流體動力破壞(液壓致裂)為主形成的成礦構(gòu)造——簡稱流體型成礦構(gòu)造。在分解變形構(gòu)造場中,構(gòu)造型成礦構(gòu)造一般受控于面型強變形帶(P域), 而流體型成礦構(gòu)造一般受控于構(gòu)造透鏡體弱變形域(Q域)。通過對典型控礦構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)的解析, 認為在韌性域與脆–韌性域, 剪切帶可以通過變形分解形成由面型強變形帶組成的成礦場與由透鏡狀弱變形域組成的成礦場。當(dāng)剪切帶分別處于韌性、脆–韌性及脆性域時, 強變形成礦場在韌性變形條件下不成礦, 而在脆–韌性及脆性變形條件下則成礦; 弱變形成礦場在韌性域與脆–韌性域時成礦, 而在脆性域時則不成礦。上述既有聯(lián)系又有差別的兩類成礦場的對比研究, 不僅有助于礦床建模、成礦預(yù)測與成礦構(gòu)造、礦床成因等的深入研究, 而且有助于將構(gòu)造動力、流體動力、成礦構(gòu)造、成礦流體等要素有機統(tǒng)一, 建立構(gòu)造透鏡體型成礦系統(tǒng); 有助于揭示變形分解作用、液壓致裂作用、構(gòu)造泵吸作用三者之間的耦合關(guān)系, 豐富成礦構(gòu)造學(xué)的研究內(nèi)容。

構(gòu)造透鏡體系統(tǒng); 弱變形域; 成礦構(gòu)造; 變形分解; 液壓致裂

構(gòu)造透鏡體系統(tǒng), 即由面型強變形帶(P域)與透鏡狀或類透鏡狀弱變形域(Q域)組成的變形分解場,是十分重要和普遍的地質(zhì)現(xiàn)象, 其大者如造山帶環(huán)繞的透鏡狀板塊, 小者如核幔構(gòu)造中的“核”與“幔”和眼球狀構(gòu)造殘斑中的殘斑與基質(zhì)。露頭尺度的構(gòu)造透鏡體主要發(fā)育于變質(zhì)的地質(zhì)體中, 是韌性或脆–韌性剪切帶中的基本構(gòu)造要素。不論是擠壓、走滑還是伸展, 只要巖石存在不均一性, 相對強硬的巖石就可能形成構(gòu)造透鏡體(單文瑯等, 1991)。

前人對構(gòu)造透鏡體的成因已做過詳細研究(劉如琦, 1963; 馬杏垣, 1965; Ramsay et al., 1991; 索書田等, 2001), 認為地質(zhì)體巖性的不均一性(即相鄰巖石的能干性差異)是構(gòu)造透鏡體形成的主因, 其形態(tài)主要可劃分為橢球形、矩形、菱形、藕節(jié)形、梯形及不規(guī)則形等, 而且其形態(tài)可基本反映形成時的力學(xué)性質(zhì)與構(gòu)造層次。對構(gòu)造透鏡體研究做出最大貢獻的是澳洲學(xué)者 Bell, 他首次明確提出了變形分解(Deformation partitioning)的新概念(Bell, 1985, 1986),認為構(gòu)造透鏡體是不均一巖石變形分解的結(jié)果, 并將地質(zhì)體的變形, 分解為遞進剪切變形分量與遞進縮短變形分量, 構(gòu)造透鏡體中央一般無變形, 往外逐漸以遞進縮短變形占主導(dǎo)轉(zhuǎn)到以遞進剪切變形占主導(dǎo), 并用上述理論成功解釋了變質(zhì)巖中礦物在面型強變形帶(P域)內(nèi)溶解、而在透鏡狀弱變形域(Q域)內(nèi)沉淀形成變斑晶并最終發(fā)生旋轉(zhuǎn)與變形的新機制(肖龍和汪勁草, 1993)。

汪勁草等(2003a)通過解析典型控礦構(gòu)造透鏡體,將構(gòu)造透鏡體的邊界類型劃分為過渡型、突變型及復(fù)合型, 其中發(fā)育的成礦構(gòu)造類型劃分為脈型、網(wǎng)脈型及角礫巖型, 并提出了構(gòu)造透鏡體型成礦系統(tǒng)的新概念。

1 變形分解、液壓致裂與構(gòu)造泵吸三者是相互耦合的

自然界的構(gòu)造場相對講可分為強變形應(yīng)變場(P域)與弱變形應(yīng)變場(Q域), 簡單地講, 它們可分別對應(yīng)于構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中的面性強變形帶與透鏡狀弱變形域, 也就是說, 自然界中由破裂構(gòu)造控制的熱液礦床要么受控于強變形應(yīng)變場(P域), 要么受控于弱變形應(yīng)變場(Q域)。對于同一構(gòu)造透鏡體系統(tǒng),目前已見三種成礦現(xiàn)象: ①強變形帶內(nèi)成礦, 而弱變形域內(nèi)不成礦; ②強變形帶內(nèi)不成礦, 而弱變形域內(nèi)成礦; ③強變形帶與弱變形域皆可成礦。汪勁草等(2003a, 2008)發(fā)現(xiàn)上述構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中兩類成礦場的成礦構(gòu)造類型、礦化蝕變類型、礦床成因機制不僅存在明顯差異, 而且似乎存在某種成因聯(lián)系。因此, 以構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中的兩類成礦場作為參照系, 對比研究上述兩類成礦場的成礦作用機制與過程, 不僅可以大大簡化礦床研究的復(fù)雜程度,而且能最大程度地揭示成礦作用的本質(zhì)與機制。

變形分解形成的構(gòu)造透鏡體系統(tǒng), 易于形成于韌性或脆–韌性構(gòu)造層次, 并在構(gòu)造演化中逐漸過渡到脆性構(gòu)造層次。根據(jù)構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中強變形帶的構(gòu)造性質(zhì), 汪勁草等(2003a)將構(gòu)造透鏡體的邊界類型劃分為三種, 即突變型、過渡型與復(fù)合型(最多見)。其中, 過渡型邊界形成于韌性或脆–韌性構(gòu)造層次, 突變型邊界形成于脆性構(gòu)造層次, 而復(fù)合型邊界則是指上述兩類的復(fù)合, 即產(chǎn)生了多次構(gòu)造的疊加。因此, 構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中二類成礦場內(nèi)多種類型成礦構(gòu)造的形成, 有可能是在不同階段、不同構(gòu)造層次下, 由構(gòu)造動力與(成礦)流體動力相互作用而滿足巖石破裂條件時形成的(汪勁草等, 2003a, 2010)。

圖1 雙王金礦床構(gòu)造透鏡體型成礦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of the tectonic lens type ore-forming system in the Shuangwang gold deposit, Shaanxi province

當(dāng)非均一性巖石或巖石組合處于韌性或脆–韌性構(gòu)造層次時, 變形分解作用就會在其中形成不同尺度的構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)(圖1), 此時, P域處于韌性或脆–韌性變形環(huán)境, Q域則處于脆性變形環(huán)境, 也就是說, 因存在應(yīng)變熱與流體熱的差異, P域處于相對高溫高壓的環(huán)境, Q域則處于相對低溫低壓的環(huán)境, 此時, 與流體庫溝通的P域中的成礦流體, 會通過微裂隙向Q域內(nèi)滲透, 即流體會從相對高溫高壓的P域向相對低溫低壓的Q域流動, 當(dāng)流向Q域內(nèi)的流體在P域中構(gòu)造動力的持續(xù)作用下(相當(dāng)于機械做功, 即變形分解作用), 就會在Q域內(nèi)的微裂隙中大量聚積, 并引起局部流體壓力增高, 當(dāng)流體壓力大于或等于巖石在某一方向上的最小抗張強度時, Q域內(nèi)就會產(chǎn)生液壓致裂作用(Hydrofracturing)(李建威和李先福, 1997; 汪勁草等, 2000a; Rubey, 1959; Meere, 1995), 隨之, Q域內(nèi)流體壓力就會因擴容相應(yīng)降低并產(chǎn)生礦物沉淀, 而沉淀又會導(dǎo)致新一輪的壓力升高, 當(dāng)變形分解過程持續(xù)進行時, Q域內(nèi)流體壓力會產(chǎn)生周期性的增加與降低, 并相應(yīng)產(chǎn)生周期性的液壓致裂與裂開–愈合, 此過程稱為構(gòu)造泵吸作用(或稱地震泵吸作用)(Sibson et al., 1975; Fyfe, 1986; Sibson, 1986, 1989; Bonnemaison and Marcoux, 1990)。其間, 就會在Q域內(nèi)形成具有一定規(guī)模的控制脈狀礦床的張性破裂構(gòu)造(脈型成礦構(gòu)造)、可拼合的張性角礫巖構(gòu)造(角礫巖型成礦構(gòu)造)與網(wǎng)脈狀張裂構(gòu)造(網(wǎng)脈型成礦構(gòu)造), 當(dāng)變形分解作用停止時, Q域內(nèi)的構(gòu)造泵吸作用與液壓致裂作用也會相應(yīng)停止。因此, 變形分解作用、構(gòu)造泵吸作用、液壓致裂作用三者在構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中是相互耦合的。

當(dāng)構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)從韌性、脆–韌性構(gòu)造層次演化到脆性構(gòu)造層次時, P域內(nèi)就會產(chǎn)生大量的脆性破裂, 即形成斷裂破碎帶, 由于P域內(nèi)破裂擴容導(dǎo)致溫度、壓力降低, 流體一般很難繼續(xù)維持較高的溫壓條件, 而向弱應(yīng)變域(Q域)內(nèi)滲透, 其結(jié)果就是不能繼續(xù)在Q域內(nèi)產(chǎn)生液壓致裂作用, 而P域內(nèi)無論是在韌性、脆–韌性或脆性, 都難以產(chǎn)生液壓致裂作用(除非有噴涌的超量流體聚積)。因此, 構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中存在由構(gòu)造動力(構(gòu)造致裂)與流體動力(液壓致裂)分別主導(dǎo)控制的兩套構(gòu)造變形場(成礦場), 即在韌性、脆–韌性構(gòu)造層次, 一般易在弱應(yīng)變域(Q域)中形成流體型成礦構(gòu)造, 而在脆性構(gòu)造層次,一般易于在強應(yīng)變帶內(nèi)(P域內(nèi))形成構(gòu)造型成礦構(gòu)造(圖2)。

圖2 三種常見構(gòu)造系統(tǒng)中的成礦構(gòu)造類型Fig.2 Diagram showing the metallostructural types in three common structural systems

2 液壓致裂是弱變形域內(nèi)主要的破裂機制

傳統(tǒng)觀點認為, 熱液礦化作用皆發(fā)生于宏觀的高應(yīng)變帶內(nèi)——斷層中、破碎帶內(nèi)及張開的破裂空間中, 如焦家特大型金礦產(chǎn)于焦家斷裂帶中, 主要受斷裂帶中寬大的構(gòu)造巖帶控制, 礦化類型主要為構(gòu)造蝕變巖型(呂古賢和孔慶存, 1993; 范永香和高秋斌, 1993); 廣東河臺金礦的構(gòu)造蝕變巖型金礦體受控于韌性剪切帶中的高剪應(yīng)變帶(王鶴年等, 1992;段嘉瑞等, 1992); 湖南沃溪鎢銻金礦床主要受控于脆–韌性剪切帶控制的層控斷裂帶中(汪勁草等, 2003b), 礦化類型主要為構(gòu)造脈型與構(gòu)造蝕變巖型。上述成礦熱液沿高應(yīng)變帶沉淀形成礦床的例子不勝枚舉。因此, 長期以來, 地質(zhì)工作者形成了沿斷層帶、破碎帶及剪切帶內(nèi)的高應(yīng)變帶找礦的定勢思維,而且認為變形越強的地段越有利于礦化體的形成。

然而, 近十年來, 筆者在數(shù)十個礦山工作時注意到, 礦體除受上述高應(yīng)變帶控制外, 還有不少礦體并不是受高應(yīng)變帶控制, 而是受由高應(yīng)變帶包繞的構(gòu)造透鏡體弱應(yīng)變域(長軸介于幾十米至幾千米)控制, 并且其構(gòu)造變形機制、成礦構(gòu)造類型與礦化類型也有別于高應(yīng)變帶中的礦體。如青海錫鐵山大型鉛鋅礦床(汪勁草等, 2000b), 90%以上的礦體產(chǎn)于弱應(yīng)變的大理巖構(gòu)造透鏡體中, 受控于液壓致裂形成的張裂空間, 而包繞透鏡體的綠片巖相韌性剪切帶中, 僅有少量破碎帶控制的蝕變巖型礦體; 陜西太白金礦(汪勁草等, 2001), 全部礦體都產(chǎn)于弱應(yīng)變的鈉長巖構(gòu)造透鏡體中, 受控于液壓致裂形成的張性角礫巖體, 而外圍強應(yīng)變的脆–韌性剪切帶內(nèi)則無任何礦體產(chǎn)出(圖1); 河北寬城尖寶山金礦體(汪勁草等, 2003c), 全部礦體都產(chǎn)于由斷層包繞的長城系常州溝組砂巖組成的弱應(yīng)變透鏡體中, 受沒有明顯邊界且無主裂面的小或微的裂隙群(呈透鏡狀分布)控制, 而且構(gòu)造透鏡體邊緣寬大的斷裂帶則無任何礦體形成, 甚至礦化也很弱; 山東焦家斷裂帶下盤的紅布金礦(汪勁草, 2002), 位于望兒山斷裂與焦家斷裂帶所夾的呈弱變形的鉀長花崗巖構(gòu)造透鏡體中, 礦體也受沒有明顯邊界且無主裂面的小或微的裂隙群(呈透鏡狀分布)控制。

廣東河臺金礦發(fā)現(xiàn)了一種有別于石英脈型與蝕變巖型的新的礦化類型——呈透鏡狀分布的“特富礦包”, 平均品位35～75 g/t, 最高大于500 g/t(王斯亮, 2000), 礦體產(chǎn)于韌性剪切帶內(nèi)原來認為無礦的、由發(fā)育脈型與蝕變巖型礦體的強應(yīng)變帶(原來為超糜棱巖帶或千糜巖帶)包繞的相對弱應(yīng)變的初糜棱巖或糜棱巖化構(gòu)造透鏡體中。特別需要指出的是,河臺金礦床特富礦體、紅布金礦床及尖寶山金礦床具有相似的地質(zhì)特征: (1)受控于弱應(yīng)變的構(gòu)造透鏡體中, 單個礦體呈透鏡狀, 礦體中心礦化強, 往邊部礦化逐漸減弱; (2)礦體與圍巖沒有明顯的邊界,從礦體中心往邊緣一般依次出現(xiàn)塊狀(僅出現(xiàn)在河臺金礦特富礦體中心)、網(wǎng)脈狀、浸染狀及星點狀礦化; (3)一系列透鏡狀礦體沿某一方向呈雁列狀分布,有時會被成礦后斷裂切割, 成礦后斷裂帶與礦化帶基本一致, 但其主裂面既可以切過礦體的中心或礦體的邊緣, 也可以不切過礦體。上述構(gòu)造控礦特征完全有別于傳統(tǒng)上高應(yīng)變帶內(nèi)宏觀斷裂構(gòu)造巖與宏觀破裂空間控礦的構(gòu)造型式, 因而被命名為“雛形斷裂”(Embryofracture)控礦(汪勁草等, 2003c)(圖3),筆者認為發(fā)育于構(gòu)造透鏡體中的“雛形斷裂”與控制太白雙王金礦床的張性角礫巖體、控制錫鐵山鉛鋅礦床的張性破裂空間一樣, 也是主要由液壓致裂作用形成的, 它們都是液壓致裂作用的具體表現(xiàn)型式,相互間存在著破裂強度與發(fā)育階段的差別。液壓致裂作用被認為是地殼中除構(gòu)造破裂作用之外的另一種非常普遍的破裂形成機制, 而含礦熱液在成礦構(gòu)造中反復(fù)沉淀形成工業(yè)礦體(床)的過程, 被許多學(xué)者用構(gòu)造泵吸(Tectonic pumping)理論或地震泵吸(Seismic pumping)理論加以解釋(Sibson et al., 1975; Sibson, 1986, 1989)?？梢? 液壓致裂作用是構(gòu)造透鏡體(弱變形域)中流體型成礦構(gòu)造形成的主要變形機制, 而機械破裂作用則是強變形帶中構(gòu)造型成礦構(gòu)造形成的主要變形機制。

圖3 弱變形域中雛形斷裂的形成與演化Fig.3 Formation and evolution of embryo-fault in the weak-deformation domain

3 研究意義

自然界中的成礦作用與成礦場既可發(fā)生和存在于高應(yīng)變帶內(nèi)——主要由構(gòu)造動力破壞形成的斷層帶、破碎帶及張開的破裂空間中, 也可發(fā)生和存在于低應(yīng)變帶內(nèi)——即構(gòu)造透鏡體中由液壓致裂形成的角礫巖、大小不一的張性破裂空間中(圖1)。上述認識突破了傳統(tǒng)上將一些熱液礦床的成礦作用與成礦場簡單地視為“斷裂控礦”的單一模式, 而且擴展了成礦構(gòu)造研究的方向與思路。區(qū)別上述兩類成礦場, 不僅有助于礦床建模、成礦預(yù)測與成礦構(gòu)造、礦床成因等的深入研究, 而且有利于將構(gòu)造動力、流體動力、成礦構(gòu)造、成礦流體等要素有機統(tǒng)一起來。同時, 研究構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)控制熱液礦床沉淀的機制, 可以揭示流體動力作用與構(gòu)造變形場、液壓致裂作用、構(gòu)造泵吸與礦質(zhì)沉淀等之間的耦合關(guān)系, 豐富成礦構(gòu)造學(xué)的研究內(nèi)容。

而且, 構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中兩類成礦場的差別及成礦機理的研究, 有利于認識流體型成礦構(gòu)造與構(gòu)造型成礦構(gòu)造的差別與聯(lián)系, 有利于對控制各種熱液礦床的成礦構(gòu)造進行成因分類。如果熟悉并掌握各式成礦構(gòu)造類型的特征, 就可以對單一構(gòu)造系統(tǒng), 甚或復(fù)合構(gòu)造系統(tǒng)中已知成礦構(gòu)造進行“身份”確定, 然后再把它們進行歸類, 看是否具有“血緣”關(guān)系, 是否能組成一個相互聯(lián)系的、具有一定幾何結(jié)構(gòu)的成礦構(gòu)造“家族”(簡稱“成礦構(gòu)造系列”)(汪勁草等, 2008, 2009), 并根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu), 或者再結(jié)合其他資料, 如物探、化探結(jié)果所顯示的異常結(jié)構(gòu), 對未知成礦構(gòu)造(隱伏礦體)進行可信的預(yù)測。當(dāng)前危機礦山如果要在“攻深找盲”上取得重大突破, 就必需在找礦理論上與方法上實行創(chuàng)新。成礦構(gòu)造研究在危機礦山二輪找礦中占有重要的地位, 這是因為危機礦山經(jīng)過多年開采后, 已知成礦構(gòu)造從三維空間非常便于觀察與研究, 而且成礦構(gòu)造研究也不受深度與干擾因素的影響。因此, 構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)內(nèi)兩類成礦場中成礦構(gòu)造的研究, 對于深化礦床成礦構(gòu)造幾何模型的建立, 對于隱伏礦床的深部預(yù)測皆具有重要的理論與實際意義。

目前, 國內(nèi)一些已知礦床在研究中已經(jīng)遇到上述復(fù)雜的基礎(chǔ)地質(zhì)問題, 并且在諸多問題上——如構(gòu)造變形機制、成礦構(gòu)造類型、礦化蝕變類型、礦床成因類型、流體性質(zhì)與來源等方面存在諸多分歧。由此更進一步說明, 構(gòu)造透鏡體系統(tǒng)中兩類成礦場的差別及成礦機理的研究已經(jīng)刻不容緩。

致謝: 感謝加拿大蒙特利爾大學(xué)工學(xué)院嵇少丞教授和另一位匿名審稿專家對本文提出的寶貴意見與建議。

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Mineralization and its Geological Significance in Weak Deformational Domains

WANG Jincao, WANG Fangli, TANG Jingru, CHENG Xiongwei, WEI Anwei and YE Lin
(Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

The metallogenic structures controlling hydrothermal deposits may be divided into two main categories: (1) metallogenic structure formed by dynamic failure (tectonic fracturing), namely tectonic-type metallogenic structure; (2) metallogenic structure induced by hydro-fracturing, namely fluid-type metallogenic structure. In the partitioning deformational tectonic fields, the tectonic-type metallogenic structures are controlled generally by a planar strong-deformational belt (P domain), and the fluid-type metallogenic structures are developed commonly in a lenticular weak-deformational domain (Q domain). Based on the analysis of typical tectonic lenses, we suggest that shear zones can form by deformational partitioning in ductile domain or brittle-ductile domain, whereas the ore-forming fields consist of planar strong-deformational belts and the ore-forming fields consist of lenticular weak-deformational domains. In the tectonic lens metallogenic systems, the strong-deformational ore-forming fields can have mineralization in ductile domains but not in the brittle-ductile and brittle domains; on the contrary, the weak-deformational ore-forming fields can host mineralization in brittle-ductile and brittle domains but not in brittle domains. Comparative study on the two types of ore-forming fields will shed lights on deposit modeling, metallogenic prognosis, metallogenic structure and ore genesis, as well as the ore-forming tectonics including deformational partitioning, hydrofracturing and tectonic pumping.

tectonic lens system; weak deformational domain; metallogenic structure; deformation partitioning; hydrofracturing

P613

A

1001-1552(2015)02-0280-006

2014-01-28; 改回日期: 2014-04-24

項目資助: 國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 41172089)、廣西自然科學(xué)基金(編號: 桂科自0832251, 2012GXNSFAA053185, 2014GXNSFAA118281)及廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心建設(shè)項目共同資助。

汪勁草(1963–), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師。區(qū)域構(gòu)造與成礦構(gòu)造專業(yè)。Email: wangjc1031@163.com