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摘要
构造对成矿的控制是热液成矿系统的典型特征之一,系统剖析多重尺度控矿构造的几何学、运动学、动力学、流变学和热力学对认识矿床成因和预测找矿至关重要;而如何实现控矿构造格架、渗透性结构、成矿流体通道和矿化变形网络由静态到多尺度时-空四维动态的转变,查明流体通道和矿床增量生长过程与控制因素,揭示热液成矿系统的构造-流体耦合成矿机制和定位规律是亟待解决的关键科学难题。为此,我们在对已有相关成果系统梳理的基础上,提出了科学构建热液成矿系统构造控矿理论的基本要点与对应方法及应用范畴:(1)流体而非构造是构造控矿理论的中心,热液系统的流体流动与成矿作用受控于断裂带格架及其渗透性结构,其中渗透率是将流体流动与流体压力变化联系起来理解控矿构造的核心;(2)不同控矿构造组合的关键控制是构造差应力和流体压力的大小,而矿化类型的变化可能是由于构造应力场引起的容矿构造方位的不同和赋矿围岩之间的强度差异所致;(3)流体通道的生长始于超压流体储库上游围岩中孤立的微裂隙沿流体压力梯度最大的方向、随裂隙发育且相互连结而形成新的长裂隙,并最终连通形成断裂网络内的流体通道,矿床的增量生长发生在高流体通量的短爆发期,断层反复滑动驱动其内流体压力、流速和应力快速变化,当由此诱发的流体通道生长破坏了流体系统的动态平衡时,随之而来的流体快速降压就成为金属沉淀成矿的关键驱动因素;(4)以热液裂隙-脉系统野外地质观测和构造-蚀变-矿化网络三维填图为基础,通过宏观与微观各级控矿构造相结合、地质历史与构造应力分析相结合、局部与区域点-线-面相结合、浅部与深部相结合、时间与空间相结合、定性和定量相结合,对各种控矿因素开展多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,是应遵循的基本原则;(5)通过构造-蚀变-矿化网络填图,将蚀变-矿化体与控矿构造的类型、形态、规模、产状和间距等几何学特征联系起来,利用热液裂隙-脉系统和断裂网络拓扑学及矿体三维几何结构分析等定量方法查明控矿构造格架和渗透性结构并揭示矿化变形网络的连通性与成矿潜力;(6)合理构建地质模型,选取合适的热力学参数和动力学边界条件,利用HCh和COMSOL等方法,定量模拟成矿过程中的流体流动、热-质传递、应力变形和化学反应等的时-空变化,是揭示构造-流体耦合成矿机理和定位规律、预测矿化中心和确定找矿目标的有效途径。进而提出了构造控矿理论的研究流程:聚焦构造-流体耦合成矿机制和定位规律这一关键科学问题,选择热液裂隙-脉系统和构造-蚀变-矿化网络为重点研究对象;通过几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合,厘定控矿构造格架,定位矿化中心,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。以胶东焦家金矿田为例,开展控矿构造理论研究和成矿预测应用实践,证实了其科学性和有效性。
关键词： 热液裂隙-脉系统; 构造-蚀变-矿化网络; 渗透性结构与成矿定位; 流体通道和矿床增量生长; 构造-流体耦合成矿模式
0 引言
成矿系统是指在一定地质时-空域中,控制矿床形成和保存的全部地质要素和成矿作用过程,以及所形成的矿床系列和异常系列构成的整体[1]。热液成矿系统有四个主要组成部分:控制矿床形成的构造动力学体制、成矿流体和成矿物质(如金属和络合剂)的源区、成矿流体从源到汇的运移路径、矿床形成和保存的过程与机制[2⇓⇓-5]。其中热-力-流体-化学反应之间的耦合与互馈作用是控制系统发展的关键[6];而从分子到岩石圈的所有尺度上,构造都是一级控矿因素[7],构造对矿床形成和分布的控制作用无处不在、无时不在[8]。对其研究经历了由单个构造控矿→综合构造控矿→构造-流体-成矿系统→构造-流体耦合成矿动力学的逐步深入过程,已有长期大量积累[8⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-24]。近年来,关于热液成矿系统的构造控矿理论、方法和应用持续推进,特别是新的理论和方法技术飞速发展,催生了一系列成矿动力学模型[25⇓⇓⇓-29],逐渐形成了几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合为主体的技术方法体系,并被广泛应用[30⇓-32]。例如,断层阀模式提出地震或断裂作用诱发的超压流体压力骤降是金属沉淀的主要动力学机制[33⇓⇓⇓⇓-38],合理解释了断裂带中构造-流体耦合作用下成矿元素运移、定位和聚集成矿过程[39-40],建立了地震旋回与成矿作用之间的联系[41⇓-43],并自然导致了应力传递模拟的应用[44-45]。然而,由于部分研究缺乏对控矿构造的详细填图,或未将多尺度构造特征(几何学、应变、应力和流变学等)与成矿作用的构造控制联系起来,或未将控矿构造解析与矿床学、矿床地球化学和成矿年代学等有机结合[46-47],导致对构造控矿的理论认识及其实践应用出现某些偏差[48]。如何实现控矿构造格架、渗透性结构、成矿流体通道和构造-蚀变-矿化网络由静态到多尺度时-空四维动态的转变,查明流体通道和矿床增量生长过程与控制因素,揭示构造-流体耦合成矿机制和定位规律是亟待解决的关键科学难题;而随着多尺度控矿构造填图方法的逐渐成熟、控矿构造与成矿系统相互关联及多学科融合研究思路和方法的广泛应用,特别是构造-流体耦合成矿动力学向多相、多组成和多耦合方向发展[49⇓⇓⇓⇓⇓⇓-56],为提出合理的热液成矿系统构造控矿理论提供了可能机遇。为此,本文在系统梳理热液成矿系统构造控矿机制已有相关成果基础上,阐述了科学建立构造控矿理论的基本要点与对应方法技术体系及应用范畴和研究流程,并以胶东焦家金矿田为例,验证了其科学性和有效性。
1 理论要点
理论(theory)是人类通过概念—判断—推理等思维类型,论题—论据—论证的逻辑推导过程来认识、把握世界的逻辑体系[57];模型(model)则是指通过主观意识、借助实体或者虚拟表现来构成客观阐述物件形态结构的一种表达,它通常比原始物件的规模小。理论和模型的主要区别在于[48]:前者本身是既定的现实,而后者是现实的表征且可能是前者的产物。
构造是控制热液矿床空间分布和矿体几何形态的最重要因素[58],构造控矿理论反映了对其理解的演变。自20世纪50年代以来,系列构造控矿理论、支持理论的一个或一组关键地质特征及其勘探意义先后被提出[33,59-60]。虽然它们大多是描述性的,但是许多理论强调了构造控矿研究是所有矿产勘探的重要组成部分,流体而非构造是热液成矿系统构造控矿理论的中心,控矿构造和矿化体的三维填图是矿产勘探和开采初始阶段的关键手段,构造-流体耦合成矿机制是亟待解决的关键难题[29,48]。
1.1 控矿构造格架与渗透性结构
在热液成矿系统的多重尺度上,构造都是一级控矿因素[7,61]。以胶东金矿为例,NE-NNE向断裂是主控矿构造,郯庐断裂带和五莲—烟台断裂带是区域一级控矿断裂带,其他NE-NNE向断裂被认为是其次级断裂[62-63],它们联合组成了区域岩浆/熔体和含金流体的主要输运通道[64-65]。其中,富金的二级断裂以约35 km的间隔彼此平行均匀分布于胶东半岛,自西向东分别是三山岛、焦家、招平、蓬莱—栖霞、郭城—即墨和牟乳断裂(图1),胶东几乎所有的探明金储量都与这些断裂带有关,形成了六条金矿带[16,20,23,29,66-67]。在矿物尺度上,金主要赋存于黄铁矿和石英的裂隙中,这些裂隙的形成与控矿断裂挤压→伸展构造变形的交替转换演化过程密切相关[68-69]。
图1 胶东区域地质和金矿床分布简图(据文献[23]修改)
GJF—郭城—即墨断裂;HSF—海阳—石岛断裂;JJF—焦家断裂;MRF—牟乳断裂;QHF—青岛—海阳断裂;QXF—栖霞断裂;RCF—荣成断裂;SSDF—三山岛断裂;TCF—桃村断裂;WHF—威海断裂;WYF—五莲—烟台断裂;ZPF—招平断裂。
Fig.1 Simplified geological map of the Jiaodong Peninsula showing the distribution of gold deposits. Modified after [23].
热液成矿系统中,不同控矿构造组合的关键控制因素是构造差应力和流体压力的大小[70],而矿化类型的变化可能是由于区域与局部构造应力场引起的容矿构造方位的不同和赋矿围岩之间的强度差异所致[22-23]。以胶东金矿为例,金矿体主要赋存于切层或顺层的断裂带中(如三山岛、焦家、新城、寺庄、望儿山、台上、大尹格庄、夏甸等金矿床[71⇓⇓⇓⇓⇓⇓-78])和沿断裂带发育的层状石英脉(如牟平、乳山、英格庄等金矿床[79-80])、石英脉群(如玲珑、旧店和黑岚沟等金矿床[20,81-82])和/或角砾岩之中(如蓬家夼、发云夼、辽上等金矿床[83⇓-85]);而在层状赋矿围岩的特殊情况下,金矿体可能具有层控甚至层状几何结构(如留村和平里店等金矿床[86-87])。其中,断裂带容矿的破碎带蚀变岩型(焦家式)金矿的探明储量和产量占绝大多数,特别是近年来的深部和海域找矿突破基本均是针对该类型[88⇓-90]。根据控矿构造的规模、赋矿围岩的均匀性和厚度,单个矿床可能以一种矿化类型为主,也可能包含几种不同的矿化类型;其中沿不同岩性接触带的断裂带中普遍产出大规模的焦家式金矿,而切层的石英脉型(玲珑式)金矿普遍局限于特定岩性之中(如玲珑型黑云母二长花岗岩),证明了岩石强度(能干性)差异在控制金矿化位置和规模方面的重要性[91]。
热液系统的流体流动与成矿作用受控于断裂带格架及其渗透性结构,其中渗透率是将流体流动与流体压力变化联系起来的物质属性、是理解控矿构造的核心[92]。流体在裂隙和渗透性围岩之间的分配受裂隙网络的总体渗透率kf与围岩矿物粒间渗透率km的影响[93-94];裂隙孔径、连通性和间距等因素决定了[95],而围岩矿物粒间连通的孔隙度对km的影响最为显著。在kf/km>105~106.5的特定条件下,流体流动完全局限于裂隙中,随着kf/km值的降低,围岩中的矿物粒间流动容纳了更大比例的流体流动;当kf/km值很低时,裂隙就失去了对流体流动状态的控制[93-94]。因此要促进流体从裂隙进入寄主岩石则需要局部降低kf/km,当渗透率相对恒定的构造与渗透性特别强的岩层相交时,可能会出现kf/km的局部降低。时间累积的流体通量(TIFF)沿流体通道的局部差异实际上是沿流体通道渗透率的差异,这种渗透率差异在本质上可能部分是动态的,反映了流体-岩石沿流体通道相互作用的演变。在通过裂隙-脉为主的渗透网络的高TIFF流体通道中,向外扩展的围岩溶解前缘可能最终与另一条裂隙相交。此外,流体-岩石反应通过矿物溶解和/或沉淀导致围岩质量和体积发生变化继而产生和/或破坏渗透率[10,96]。
由于产生异常高渗透率岩石的最简单方式是将其破碎,因此破碎的岩石(如断裂带)通常被视为大量流体在矿床尺度上(除MVT外)流动的最可能通道[97],而区域性断裂带复杂的非均一渗透性结构对地壳尺度的大规模流体运移具有决定性影响[98]。因此,如果暂不考虑流体内金属高效萃取的相关地球化学问题,那么热液矿床形成的首要控制因素是裂隙系统中的流体动力学问题,即断裂带流体动力学[99]。研究者对热液系统流体流动的驱动力、通道、尺度和样式等开展了大量工作,取得了丰硕成果[100]。近年来越来越多的研究表明,断裂带不仅仅是一个面,而是由不同变形程度岩石组成的、构造变形和流体流动特性随时间演化的复杂四维构造单元[101],其中构造变形最强部位往往最有利于成矿作用的发生[46,91,102]。
含矿流体在流经断裂带时,由于温度和压力的降低,会导致多种矿物(如石英、硫化物等)的沉淀,并因此充填裂隙,从而减小流体通道的渗透率;而在热液矿床形成过程中,断裂带需保持高渗透率,以支撑流体持续流动[103]。实现这一过程最简单且实际的途径是断裂带多次活动使岩石反复破碎,即热液系统的构造控矿作用只发生在与含矿流体输运同时活动的断裂带中。大量研究表明,断裂带具有明显非均一的渗透性结构,持续反复扩张变形部位(如断裂带的弯曲、分支处)的碎裂程度最强,渗透性、局部孔隙度和流体通量最大[104]。由于具有极高的流体通量和压力脉动,断裂带的弯曲或分支可促进水-岩作用、流体混合和相分离,触发含矿流体平衡的周期性破坏,导致流体内的金属沉淀。这是形成热液成矿系统所需构造变形、流体流动、热质输运和化学反应之间极其重要的正反馈过程,往往导致矿床(体)集中产出[50]。
从横剖面上看,断裂带往往由断层核和破碎带两部分组成[105]。断裂带内岩石与未变形围岩的渗透性差异是判断其作为流体通道或遮挡层的重要因素,而断裂带的渗透性结构即流体流动特性受控于断层核中断层泥的数量、破碎带中开放和封闭裂隙的密度与排列方位、未变形原岩的数量[106]。通常,断层破碎带由于次级断裂和裂隙发育,具有比断层核和未变形围岩高得多的渗透性而成为流体运移的通道[107];细粒化和矿物质的沉淀往往导致断层核具有比相邻岩石更低的孔隙度和渗透率,从而使其成为流体流动的遮挡层[108]。据此推测高渗透性的断层破碎带是大量流体流动的最可能通道,而断层核是最不利于流体运移的区域,即热液矿床(体)应该赋存于远离断层核的断层破碎带。然而,实际情况恰好相反——几乎所有热液系统中的矿化体均产出于断层核内及其附近[103]。一种可能的解释是:断层核也可形成短暂的、同形变的流体运移通道,之后迅速愈合成为流体流动的遮挡层[109]。
1.2 成矿流体输运与定位关键因素
传统的矿床成因模式均是基于同位素间接示踪成矿物质来源建立的,结论往往不明确。近年来,通过对多种重要金矿床类型持续探索,获得了大量新的成果认识。例如,对流体包裹体中挥发分的测定发现造山型金矿床中的金来自深埋富碳沉积物中的黄铁矿[110],而对西澳伊尔冈克拉通和加拿大亚比提比克拉通太古宙造山型金矿床多元硫同位素(32S、33S、34S和36S)的分析却得出了金来源于地壳变质围岩[111]和长英质岩浆或地幔[112]的不同认识。利用LA-ICP-MS测定的卡林型金矿床流体包裹体微量元素组成,甄别了受流体源与流体-岩石相互作用影响的地球化学信息,其指示成矿作用与上地壳含水岩浆侵入体密切相关[113]。含矿斑岩中的金属往往被认为来自地幔,但是全球地壳厚度与弧岩浆中铜含量之间的相关性揭示了上覆地壳的重要贡献[114];对克拉通边缘富金斑岩矿床赋矿围岩中角闪岩和石榴石角闪岩包体全岩地球化学(包括Cu-Au含量)和锆石Hf同位素的研究表明,富集金属下地壳的再循环作用是形成非弧富金斑岩矿床的关键原因[115-116]。同时,对巨型成矿省与其下伏岩石圈相互关系的研究,揭示出异常富集的地壳或地幔源区和(或)熔体对巨型矿床及矿集区形成至关重要[24,117-118];尤其重要的是,地幔中自然金的发现,提供了大陆岩石圈地幔的再富集作用是控制巨型金矿床(区)形成与定位关键因素的首个直接证据[119]。
传统观点认为,起源于软流圈的岩浆富含金属,大陆地壳为矿床的最终储存提供了空间,而大陆岩石圈地幔没有贡献。然而,对巨型矿床(区)岩石圈尺度的探测发现,某些类型的岩浆在穿过大陆岩石圈地幔时,会萃取成矿组分(如钻石、金和铂族元素),沿岩石圈块体边缘的世界级矿床可能是有利集中岩浆-流体的上地壳结构单元与地幔交代作用有关的下地壳结构单元耦合作用的产物[120];因此,巨型矿床(区)的形成受控于整个岩石圈的三维结构与组成[121]。巨型斑岩(铜、钼、金、银)矿床(区)的形成局限于俯冲带上方岩浆弧中的特定弧段和有限的时间段,是地壳深部富金属和水的周期性岩浆活动、岩浆中硫化物过饱和促进金属富集、将金属有效地从岩浆转移到热液中、成矿定位过程触发地壳中矿石矿物沉淀四种关键控制因素的部分或全部耦合作用的结果[122]。许多巨型斑岩铜钼金和浅成低温热液金银矿床与其他规模矿床具有一致的成矿作用过程;矿床的巨大规模只是某些特定因素的强化,如复杂的控矿构造形态、强烈蚀变的围岩、集中的流体流动等[123];富金斑岩的金品位受导致含金流体中硫化物沉淀的因素控制[124]。而对不同规模级别和成矿背景的太古宙造山型金矿床的对比研究显示,不同于较小的矿床,巨型矿床(区)的形成可能需要更广泛的物源区和特定的成矿过程[111]。北美西部盆岭省卡林型金矿床的数量和规模之所以如此巨大,是由于俯冲向伸展构造转换引发了特定地质环境异常耦合,导致极其高效的金迁移和沉淀过程发生[125]。
以胶东金矿为例,长期缺乏对整个区域的系统构造解析及其成矿动力学的深入探讨[126],尤其是深部结构与构造变形样式的地球物理约束更是鲜见[127-128],这导致对其控矿构造体制有不同理解[19,129]。不同认识有:①NW-SE向挤压作用[130];②NE-SW向走滑作用[131];③NW-SE向伸展作用[132];④正滑和走滑两种相互独立的构造复合叠加[133];⑤NW-SE向挤压向NE-SW向挤压转换[16];⑥NW-SE向伸展构造体制转换为NW-SE向挤压构造体制[81]。而最近的系统研究揭示出区域控矿断裂带实际上经历了挤压→剪压和剪张→伸展的构造体制转换[23,134];其中成矿前为挤压-剪压构造体制(图2a),成矿后为伸展构造体制(图2c),且这两个阶段的区域主构造应力场都基本均一,与区域形变的均一性特征一致[68,135];而大规模金成矿作用受控于NNW-SSE向主构造应力场引起的韧-脆性形变,形成于剪压-剪张构造体制转换过程中[128-129],且这一阶段的区域主构造应力场在EW向成矿廊带附近向NEE方向发生了约20°的偏转(图2b),这种局部主构造应力场的偏转表明区域控矿的NNE向断裂带向NE方向偏转了约20°~30°。这种偏转是沿该带的成矿前基底构造带再活化的表现,导致控矿断裂带与其交汇形成构造节点,产生局部非均匀应变,增加了其岩石的渗透率,从而有利于成矿流体的汇聚和金的群聚富集[38,136-137]。该认识得到了深部地球物理探测成果的支撑[65,136,138-139]。其中,焦家式金矿控矿断裂倾角一般小于40°,成矿前控矿断裂产状相对平缓且呈拉张状态,有利于在其下盘形成宽阔的含赤铁矿钾化蚀变带,其岩石物理特征(能干性强)和化学组成(富含铁质)提供了随后金成矿作用过程中裂隙生成和硫化反应发生的最佳环境条件[23]。而发育于古元古代变质岩和中生代花岗岩接触带及两期花岗岩体的接触带之上的近南北向更次级断裂往往控制了玲珑式金矿床的产出,可能与由断块旋转和旋扭变形导致的近平行断裂带间先存构造薄弱带的再活化和水压致裂作用有关[140]。
图2 胶东金矿集区晚中生代构造应力场演化(据文献[23]修改)
a—成矿前(>130 Ma);b—成矿期(约130~110 Ma);c—成矿后(<110 Ma)。
Fig.2 Evolution of the structural stress field in the Jiaodong gold province in late Mesozoic. Modified after [23].
1.3 流体通道和矿床增量生长机理
热液成矿系统中,岩石渗透率是影响流体流动和矿质沉淀的主要因素[141-142]。流体压力、应力状态和构造变形过程之间的动态耦合导致了渗透率的升高和流体流动引起的成矿定位,渗透率的不均匀性控制了成矿流体在哪里流动和它们与岩石相互作用的程度及金属储量的分布特征[70]。在大多数热液系统中,流体在开放裂隙(无位移的非胶结脆性破裂)、断层(有位移的裂隙±脉带)和颗粒间孔隙(晶粒之间的孔隙空间)之间来回分配,以创建不同规模的连接路径[97,143]。流体通道的生长始于超压流体储库的上游,并沿着流体压力梯度最大的方向持续推进[70];它往往起源于岩石中孤立的微裂隙,并随着裂隙的发育和相互连结而形成新的较长裂隙,并最终连通形成主干通道;流体沿着该主干通道从源到汇迅速排放,其流动网络可以被认为是一条断裂或多条断裂组成的断裂网络内的流体通道(图3)。
图3 在注入驱动的渗流过程中,受裂隙控制的流体通道生长的概念模型(据文献[70]修改)
a—生长始于超压流体储库的上游,并向流体压力梯度最高的方向持续扩展。网络的所有部分(正方形网格上的黑线)都连接到流体储层,总体流向用蓝色箭头表示。b—流体网络(蓝线)的进一步生长,直到流体网络突破到不同流体的边界(在B点),将超压流体网络与流体压力较低的区域分开。c—不同流体边界的突破建立了一条主干通道(红色突出显示),流体沿着该主干通道从超压储库迅速向上排放,进入较低的流体压力区域(蓝色箭头)。连接到主干通道的网络的所有部分都被称为网络的“悬空”组件。突破不同流体边界并沿主干通道液压梯度的突然增大和流体压力的突然下降,可导致网络的“悬空”组件部分的超压流体向主干通道回流(广义回流方向用棕色箭头表示)。流体流动网络可以被认为是一条断裂或多条断裂组成的断裂网络内的流体通道。
低渗透率围岩中容矿断层内大量超压流体注入的特征响应是地震群活动,并由此提高渗透率,为成矿事件提供动态的热液环境[38]。矿床的增量生长发生在地震群活动过程中高流体通量的短爆发期:断层反复滑动驱动其内流体压力、流速和应力快速变化,当由此诱发的流体通道生长破坏了不同压力状态之间的流体系统的动态平衡时,随之而来的流体快速降压就成为金属沉淀成矿的关键驱动因素[70]。例如,斑岩铜矿是由长英质岩基释放的流体形成的,岩浆房的发育主要受深部岩浆储库的整体注入速率控制,但也受热液对流和流体释放的影响[144]。与斑岩铜矿有关的岩浆房是由岩浆的快速和幕式注入形成的,逐渐增长的岩浆房的稳定流体通量维持了稳定的岩浆流体流动,从而在受限制的空间内形成比大容量岩浆房瞬间释放产生的矿石品位更高的矿体[54];而较慢的岩浆房生长速度更可能导致贫矿的深部岩体,但其产生的岩浆流体脉冲可以到达地壳浅部并形成高硫型浅成低温热液矿床[145]。
1.4 构造-流体耦合成矿模式
热液矿床是构造-流体耦合的产物[3,13],构造-流体耦合成矿机理对于厘定成矿系统时空结构、揭示热液矿床成因和识别找矿标志等具有重要意义[146⇓-148]。热液成矿系统中,控矿构造样式、结构、性质与成矿流体活动共同控制了构造-蚀变-矿化网络结构[136,149],例如:造山型金矿床往往发育于深大断裂旁侧次级断裂-裂隙系统,形成受控于不同级序和性质构造的热液脉状金矿体[150-151];斑岩型铜金矿床受控于裂隙-脉系统,形成围绕成矿母岩的低品位浸染状矿化[54,152];而巨型热液矿集区形成无不是构造-流体等多因耦合作用的结果[123,153-154]。不同构造-流体成矿方式具有明显差异,可据此指示矿床成因,例如:造山型金矿床形成于挤压或压剪构造体制下,脉动式破裂导致流体相分离并诱发金沉淀,形成缓倾剪切脉与近水平的伸展脉组合[70];侵入岩型金矿床则形成于伸展构造背景下,受垂直主压应力和流体降温控制,形成近直立含金席状脉[155];卡林型金矿床形成于弧后伸展构造背景下,水岩反应导致金于沉积地层内层间断裂系统中沉淀成矿[156-157]。热液矿床时空分布不均一性的原因可归结于其本身是有利的构造条件下、流体作用于不均一岩石组合形成的“地球化学异常”[158-159],热液蚀变晕及其控矿构造几何学是开展热液脉状金矿床成矿预测的有效工具[140,160]。
对热液成矿系统的长期研究过程中,提出了系列构造-流体耦合成矿动力学模型,如剪切带内水压断裂模式[161]、滑脱断层模式[162]、断层阀-泵吸-周期性破裂愈合模式[33,163]、深部韧性剪切带氧化变质作用中金的活化迁移模式[164]、剪切带内深部超压流体扩容模式[165]、含金剪切带三阶段模式[166]、变形变质作用下中温热液金矿矿质输运-沉淀模型[167]、压力诱发的金属元素输运-沉淀模式[168]、浅成热液金矿床中沸腾作用诱发的流体流动-矿质沉淀模型[169]等。其中,断层阀-泵吸-周期性破裂愈合模式被认为是解释造山型金成矿过程的最具代表性的模型[40,170]。该模型反映了地震和断裂作用与流体流动之间的相互关系,合理解释了造山作用过程中构造-流体耦合作用下成矿元素运移、定位和聚集成矿过程,并指出地震或断裂作用诱发的流体压力突然释放是金沉淀的主要动力学机制,构造-蚀变-矿化网络结构受控于不同动力学体制下的构造-流体耦合成矿机制(图4):在压剪体制下,通过断层阀模式形成受控于高角度逆断层的破碎带蚀变岩型和含金石英脉型金矿床;而在张剪体制下,通过泵吸模式在扩容空间内形成角砾岩型和网脉型金矿床[38,40]。近期研究表明,在地震作用下,断层中的空间骤然扩大,会导致流体压力大幅度下降,进而引起流体中的水瞬间汽化为水蒸气,促使流体中的SiO2和金析出并附着在断层表面,此瞬态蒸发模型明确了地震与金成矿作用之间的联系[41-42]。
图4 断层阀-泵吸-周期性破裂愈合模式(据文献[11,33,70,163])
a—断层阀模式形成的含金石英脉(西澳大利亚St.Ives金矿田的Defiance富石英断层充填脉与空间伴生伸展脉组成的矿脉系统。上部断裂充填脉结构复杂且含角砾岩带,下部断裂充填脉由块状粗粒石英组成)(据文献[70]);b—泵吸模式中的扩容空间(西澳大利亚St. Ives金矿田Revenge金矿逆断层中的扩容空间)(据文献[11]); c—泵吸模式(据文献[33])(张剪断裂带中的含金矿脉发育于呈“雁列”状相邻断面交接部位的扩容空间内;深部流体进入距地表2~3 km的这些区域,使得流体压力迅速下降,引起流体沸腾;沸腾释放的能量进一步引起流体致裂和角砾岩化,从而提高流体循环和成矿程度);d—断层阀模式(据文献[33]);e—周期性破裂愈合模型(据文献[163])(①高角度逆断层形成并活化已存构造,流体聚集于不渗透区以下,使得流体压力不断增加;②流体压力≥上覆静岩压力,流体会通过活化的断裂破碎带快速释放,破裂的发生使高压流体压力瞬时降低,此时成矿流体物理化学条件发生突变,进而导致流体中的成矿物质在裂隙系统发生沉淀,形成石英脉型金矿;③成矿物质的沉淀会促使裂隙发生愈合,进而降低断层带渗透率;④待断裂发生完全愈合后,流体压力可在封闭的断裂带内再次集中,从而重复以上演化过程)。
2 方法技术
构造对成矿的控制是热液成矿系统的典型特征之一[163,171⇓⇓-174]。以热液裂隙-脉系统野外地质观测和构造-蚀变-矿化网络三维填图为基础,通过宏观与微观各级控矿构造相结合、地质历史分析法与构造应力分析法相结合、局部与区域点-线-面相结合、浅部与深部相结合、时间与空间相结合、定性和定量相结合,以及对各种控矿因素多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,系统剖析多重尺度控矿构造的几何学、运动学、热力学、流变学和动力学,是研究中应遵循的基本原则,对认识矿床成因和预测找矿至关重要[136,175]。
2.1 几何学描述
几何学描述是对热液成矿系统中控矿构造和矿化网络的几何与物理特征的直接观察和测量,是试图鉴定应变和应力历史的第一步[176];其重点是准确厘定控矿构造和蚀变-矿化体的类型、形态、规模、产状和间距,难点是地质与地球物理及三维模型的融合。往往通过构造-蚀变-矿化网络填图,将这些几何与物理特征联系起;并利用热液裂隙-脉系统和断裂网络拓扑学及矿体三维几何学分析等定量方法,查明控矿构造格架和成矿流体通道及矿化中心,揭示构造变形和矿化网络的连通性和成矿潜力[177]。
2.1.1 构造-蚀变-矿化网络填图
构造-蚀变-矿化网络填图是热液成矿系统构造控矿研究的最基本步骤和方法[178],其目的是揭示成矿系统的物质、空间与时间多重维度属性,涉及成矿要素的四维时-空形态、展布、变化及与其他地质体或控矿构造之间的时-空与成因关联[3]。其中,物质属性不仅包括物质组成(地质体类型→岩性→矿物组合→元素与同位素组成),还包括矿化强度、矿种、矿床类型和矿床规模等的有序配置(同源性、多样性、继承性、互补性和非均一性等);空间属性指源-运-储之间的相互关联,是由成矿要素、成矿方式、成矿强度和其他控矿要素的空间分布和变化所形成的有序结构(共生性、分带性、过渡性、集约性和重叠性等),核心是成矿要素和成矿强度的空间分布与变化及所形成的分带和网络结构;时间属性是指成矿物质、成矿方式和成矿强度随成矿作用从孕育、发生到终结过程中的不均一变化所形成的时间关联(时限性、阶段性、渐进性和突发性等),它是洞察成矿过程、揭示主控矿因素和不同因素相互作用并最终导致成矿的“放大镜”,是建立成矿系统与区域深部重大地质事件或壳-幔结构与构造联系的纽带,是厘定成矿动力学的关键。
控矿构造填图的目的是:查明控矿构造的发展历史;构建构造-矿化模式,阐明控矿构造特征和控矿机理;拟定适于该成矿系统的找矿标志[179]。其任务为:厘定矿体形状、产状、规模和数量,矿体/围岩接触界面及蚀变带分布,以及含矿层时代、岩性、产状、分布;确定成矿系统的控矿构造要素,包括构造性质、产状、规模、时代、活动期次以及构造对成矿的控制作用;查明不同岩石单元之间的时空关系以及矿化与岩浆岩的时空关系;构建成矿系统的构造-矿化模式,进行构造成矿预测[180]。根据填图目的与任务,矿床成因类型、控制因素、矿产种类和分布数量以及资料的丰富程度和精确程度,矿田控矿构造填图的比例尺一般为1∶10 000,少数为1∶25 000或1∶50 000,在这种比例尺的图上需要标出厚度≥10 m的含矿层以及长度≥100 m的线性构造要素;矿床控矿构造图的比例尺通常为1∶2 000~1∶5 000或更大,在这种比例尺的图上需要划分出厚度≥1 m的含矿层[181-182]。控矿构造研究的重点:(1)厘定控矿构造几何形态和性质(查明矿区内构造带,特别是断裂的复合错动现象,并重视断面的变形形迹;确定岩体和岩脉的形状、产状和接触关系,并注意岩体内部结构构造;揭示各类地质体构造关系,厘定地质体的构造特征、几何形态和性质);(2)解析各类岩石的内部构造要素(从构造形态、排布、样式及应变状态等方面分析构造几何学和运动学;从单要素发生、发展、复合和转化等变化中,详细研究构造形成过程;特别解析构造置换类型、方式和程度及构造变形分解和变质分异过程);(3)分析赋矿地质体构造变形相(鉴别研究区各地质体,特别是赋矿地质体的构造变形习性和物理及化学性质;确定研究区内各变形岩石及其生成环境对构造变形和成矿作用的影响);(4)联立构建矿床的控矿构造模型(建立矿区构造演化序列,阐明各世代构造变形作用与成矿作用的关系;联系构造序列与成矿序列,建立控矿构造模型,作出找矿远景区的构造评价)。
为此,对典型矿床的填图需聚焦“矿长什么样?在哪?为什么?”的关键问题,以控矿构造为纲、以矿化体为核心、以蚀变分带结构为纽带,通过系统的地表填图(包括露头+平硐+浅井+浅钻系统地质观测和综合地球物理探测及地球化学测量:运用矿物学、岩石学、构造地质学、地层学和矿床学的原理与方法,进行详细的观察、记录、绘图和采样;覆盖层较多时,应进行剥土、探槽、浅井等,获得人工露头;为保证编图精度,对基本观测点应进行仪器测量标定方位;在露头间追溯时,注意矿脉、断层形态产状和物质成分的局部变化,分析造成变化的原因;注意找矿标志[8])、矿山坑道三维填图(了解矿体和围岩向深部的变化,使平面研究发展为立体的研究,建立矿田构造的三维概念;岩石、矿石比较新鲜,构造现象保存较好,便于观察和制图;能提供立体地质现象,能直接观测构造产状变化和矿体空间变化;坑道附近废石堆有坑道掘进过程中的各种岩石,能提供有益信息;坑道的观测和编录必须随着掌子面的推进及时、经常地进行,及时了解所揭露的矿化及构造现象[8])、钻孔岩心编录与三维解释(了解地层、岩石、蚀变、矿体的总体垂向连续变化特征;为破碎带、角砾岩、裂隙密集带和片理化带等控矿构造细节的深入研究提供信息[8]),将蚀变-矿化体与控矿构造的类型、形态、规模、产状和间距等几何与物理特征联系起来(特别是在勘探和开采区段,更应按坑上剖面与坑下穿脉相吻合的布置原则、地表制图与深部不同中段编图相配套的原则,三维地再现其几何形态和位态[183]),厘定从矿物→矿床尺度的物质、空间与时间属性,查明主导成矿机制和主要控矿因素,为揭示矿床成因和成矿规律提供关键证据。
填图工作应当达到以下要求:正确反映研究区各种地质体的物质组成特征和时代;正确标明各构造、蚀变和矿化体的形状、产状与空间分布,如墙状体(岩墙/脉、直立断裂/剪切带、矿脉)、层状体(岩层)、块状体(岩体、矿体);恰当地表达各种地质体的相互制约关系和接触关系;合理地反映研究区的构造-岩浆-成矿热历史[184]。要全面反映一个地区的控矿构造历史,除了需要全面和辩证地综合前述各种解析方法获得的成果外,还必须把与之相关的各种地质事件,如岩浆事件、蚀变事件和成矿事件等,联系起来统一考虑以建立完整的热-构造事件图谱(图5)[185⇓-187]。特别是区分成矿前和成矿后构造与同成矿变形特征,将成矿事件置于完整的地质历史中是至关重要的[188⇓-190]。
Fig.5 Mesozoic-Cenozoic thermotectonic events in the Jiaodong gold province. Modified after [185⇓-187].
建立构造变形序列的步骤如下:把各个露头(或研究小区)上看到的构造要素按其总的特征归入不同的构造样式群;分群的原则是,同一构造样式群中的诸构造要素之间具有密切共生组合关系和共同的几何学和运动学特征,能统一于一个共同的构造变形场,并共同组成一个同一构造变形相的构造群落;根据不同构造样式群之间的叠加、复合、包容、置换、转化和改造等关系的分析,确定不同构造样式群的相对时代,然后通过横向对比,明确各构造样式群的辈分关系,依次建立起总体序列。在构造序列解析中应当注意:建立构造序列的工作必须在多尺度构造综合分析的基础上进行,特别要做到宏观构造序列与微观构造序列的统一;对系列构造变形事件对比分析时,应特别注意聚焦主期构造这一关键事件[191]。
所谓主期构造,一般是指研究区内奠定基本构造格架的那一期构造。这期构造的变形面一般是区域地质填图的基本对象,它可以是原始层理面,也可以是先期构造的新生成层理面,无论属哪一种,它们都具有清楚可认、位态容易测量的特点。因此主期构造很容易通过一定比例尺的系统填图得到完整的表现。主期构造在一个地区最终构造格局的建立上起着主导的和定型的作用,并控制着后继构造的变形行为,在区域构造演化史中则起着承前启后的作用。在一般情况下,先存构造往往表现为被包容在主期构造中,而后继构造则常表现为叠加在主期构造之上,对主期构造有一定的改造或破坏,但又受主期构造的制约。对各岩系间角度不整合的厘定是区分构造旋回的重要依据[192]。
确定构造相对时代顺序的常用几何准则有:被变形的构造老于使其变形的构造,横切的构造晚于被其切割的构造,被限制的构造晚于使其限制的构造,依据已确定的构造变形世代判断[193]。其中,成矿前构造特征为:矿体或蚀变带切过断裂;断裂上盘(或下盘)除见到渗透性差、弱蚀变的断层泥外,找不到任何成矿后标志,而下盘(或上盘)蚀变较强[194-195]。成矿期构造特征为:同一矿体内存在多种(不同成矿阶段)矿石结构构造或交错现象;存在同矿脉充填的共轭节理;存在既错断了矿体又被晚阶段矿化所充填的构造。只有当构造的间歇活动和成矿流体的脉动作用在特定的时间和条件下统一起来时,才能形成单独的一次矿化阶段。因此不同矿化阶段形成的矿脉在时间上表现为穿插关系,而在空间上各占有一定的裂隙体系,不同矿化阶段具有矿物组合、物质组分、结构构造、形成条件和围岩蚀变的特殊性[196]。成矿后构造特征为:断裂纵切被矿液充填的成矿前构造,致使上、下盘的成分、结构构造明显不同;断裂切断矿体/蚀变带,断裂带内有矿石角砾[194]。
2.1.2 热液裂隙-脉系统分析
热液裂隙-脉系统是流体活动的产物和流体通道的主要表现形式之一,其空间分布、化学组成和内部结构等记录了流体通道生长过程与矿床增量生长机理等的重要信息[70,197]。
热液裂隙-脉系统分析方法很多,首先需在区分构造力学性质的前提下来厘定张裂隙、剪裂隙、压裂隙和复合裂隙等类型,一般根据裂隙特点(如产状变化、光滑程度、充填情况)、组合型式及尾端变化(如分叉、折尾、马尾状)等多方面因素综合确定;裂隙若被脉体充填,调查时要尽量收集脉体产状、规模、形态、间隔、充填矿物的成分及其生长方向等;根据裂隙或脉体特性进行分组,根据它们间交切、互切、限制、追踪和矿物生长方向分期配套确定其形成先后顺序,并制作素描图或拍照示其形态和相互关系;在选定地点内对所有裂隙产状进行系统测量,为特殊目的需要,如为确定某一组裂隙与褶皱的关系,尚需测定裂隙与层理、共轭裂隙等交线产状,以判别褶皱几何形态。其中,张性断裂控矿特征为:矿体多赋存于张性断层本身张开空间,矿石胶结断层角砾岩;有用矿物局部富集,矿体内断层角砾较大且多;多为浅成低温热液内生金属矿床;矿体呈上宽下窄的楔形产出,其延长和延深相对较小,且延长≥延深;往往成群出现,有时出现与主矿脉大致平行的细脉带或网状细脉带;当张性断裂穿过脆性岩层时,倾角变陡,产生张开空间,形成富矿段[198-199]。剪性断裂控矿特征为:规模较大时,多控制区域岩浆岩和成矿区带,主带中则很少有工业价值的矿床;与其他构造体系相交时,在两侧一定距离内形成矿床,尖灭处出现隐伏矿体;裂隙张开及与另一组断裂交汇地段,是矿体富集的有利地段;矿体一般是规则的脉状,延续性好,变化较小,长宽近于相等,延深大;平面上主矿脉旁侧发育张性羽状分支小脉,呈雁形状排列[200]。压性断裂控矿特征为:常产生断层泥、片理化和糜棱岩化,应属于一个封闭性的构造而不利于成矿;由于压性断裂面在水平方向和倾斜方向上常呈舒缓波状,断裂两盘相互运动时,在走向和倾角显著变化的地段形成局部的张开空间,为含矿热液和含矿岩体上升和沉淀提供有利场所;矿体平面上呈舒缓波状,成群出现,分支复合,交织成网,呈扁平透镜体状平行排列,剖面上呈多字型斜列,羽状分支小脉发育,显示上盘逆冲的特点;围岩蚀变带比较宽,约相当于幅宽的二分之一,分带性较好。压剪性断裂控矿特征为:具压性和剪性断裂的双重特征;矿体呈狭长透镜状和舒缓波状;在走向或倾向显著改变的地方,矿脉变宽或狭窄;矿脉较规则,延长和延伸较大,有用组分变化相对较小;旁侧常见分支矿脉[20]。张剪性断裂控矿特征为:具张性和剪性断裂双重特征;矿体延长延伸较张性矿体大,但与剪性和压剪性断裂中的矿体相比,矿脉相对宽而短;矿脉有时呈“多”字型排列,单体矿脉走向与斜列矿脉带总体走向交角较大,有时在剖面上也呈“多”字型或反“多”字型排列;根据矿脉呈“多”字型或反“多”字型排列规律,矿脉间距多具有大致相等的特点,这就为进一步找矿勘探工作部署提供了预测依据[200]。
显微构造与组构分析是一套重要的方法,其目的是厘定变形构造性质,测定应变量和应力方向,估算应力大小并测定应力矿物年龄[201⇓-203]。其主要任务是:根据岩石的结构和构造演化,确定岩石的构造变形历史;根据岩石的组构叠加型式,确定构造应力场叠加关系;根据实测应力方向和大小,编制不同时期构造应力场;根据变形与矿化过程关系,划分矿田变形-成矿阶段,研究构造动力作用下岩石和矿物变形与元素聚散规律;用统计方法研究天然岩石及其组成单位在空间上的向量性质,恢复岩石变形时的应力方位和运动型式;以岩组图的形式来表达岩石组构空间方位和排列特征,并可据此研究控矿构造形成和演化历史,恢复古控矿构造应力场特征[204⇓-206]。
微束技术是近年来快速发展的重要方法,是在上述宏观→微观研究基础上,利用扫描电镜(SEM)、能量色散仪(EDS)、透射电镜(TEM)、波长色散仪(WDS)、原子探针(APT)等超微观测技术,分析显微裂隙-脉的形体位态、结构构造、力学性质、变形特征、物质组成和迁移变化等,揭示显微→原子尺度的应力分布、变形相带和时-空演变及其与地震机制、成矿作用和岩体稳定性等的关系[207]。
热液裂隙-脉密度法是用来定量化确定控矿构造系统渗透率空间变化、评估流体通道连通性的直接方法。构造复杂性和裂隙-脉密度被认为是控制矿化潜力的重要因素。变形带网络的几何结构相比单个变形带能在更大的尺度上控制矿化强度[177],即多组断裂和断裂与层理的交汇部位控制了区域尺度上流体通道的连通性,而单个断裂沿走向或倾向上的变化仅仅影响局部范围内的流体通道的连通性。前者对成矿远景区→靶区预测至关重要;而后者对高品位富矿体(矿柱)的位置和几何结构查证更为关键。然而,现有密度等值线分析方法是用来确定二维平面内裂隙-脉密度的非均一性和各向异性的(也就是说在平面图上),尚不能用来说明深度上的变化。实际应用中,注意密度的升高与流体流动之间的关系是一种反馈关系极其重要:热液裂隙-脉系统的分形维数是对增加连通性的潜力和增加渗透率的可能性的度量[188,208],更大的分形维数意味着某个区域有可能产生更多相互连接或高连通性的流体通道[209]。
热液成矿系统由变形围岩内的脉和/或围岩蚀变带组成,具有重要经济意义的高品位矿化体(即矿柱)的体积通常只占其容矿构造系统体积的很小部分,并且在整个热液系统中分布不均[210]。区域尺度变形与成矿流体流动事件之间的关系对于每一个单独的矿床来说都是特定的,并且具有不同的构造控制对成矿作用的表达[211-212]。裂隙与围岩间流体分配的数值模拟表明,裂隙网络的渗透率(kf)与围岩矿物粒间渗透率(km)的比值控制着裂隙容纳了多少总流体量以及有多少流体穿过围岩[93-94]。该方法对于探究流体为何在不同尺度上对一种渗透性结构的利用相对于其他渗透性结构更多、确定渗透率形成和成矿的位置、评估流体-岩石相互作用和不同流体通道间金属储量的变化至关重要[213]。
2.1.3 断裂网络拓扑学分析
通过对断裂网络中每条断裂上的切割数、相互切割的密度、连通效率、节点和分支等拓扑参数的提取和计算,来定量评估断裂网络的复杂程度及其连通性[229⇓-231],揭示断裂网络结构复杂程度及其与流体运移关系[228,232⇓-234]。每一个拓扑参数(如节点和分支)的比例都提供了关于断裂网络体系连通性的信息,根据断裂网络体系中不同类型节点(I、Y、X节点)的比例,可直观反映出其连通性和拓扑结构差异性[228,232]:I角区域说明具有较低的连通性且拓扑结构相对简单,Y和X角上区域则具有较高的连通性且拓扑结构相对复杂(图6)。
断裂网络中的拓扑结构由节点和分支两个参数组成,节点可以分为独立节点(I)和连接节点(C);由于连接方式不同,连接节点(C)又可以分为Y节点(斜交或派生)和X节点(共轭交叉)。I节点不连接任何断裂分支,而Y和X节点分别连接3条和4条分支。因此,根据不同节点的连接方式,将断裂分支分为3类:两个独立节点连接的I-I分支,一个独立节点和一个连接节点连接的I-C分支,两个连接节点连接的C-C分支。
Fig.6 Topographic analysis of fault network. (a) Three-terminal graph of nodes (modified from [228]). (b) Three-terminal graph of splay (modified from [232]).
2.1.4 矿体三维几何学分析
热液成矿系统中矿体的几何学通常由流体流动、围岩类型和控矿构造三者之间的相互作用决定;因此,需要了解矿体的几何形状,以便将其与控制它们的构造和流体过程联系起来[17]。
热液矿体的详细形状可能非常复杂,但许多矿体可以简化为具有最大轴(U)、中间轴(V)和最小轴(W)的椭球体[17]。与应变椭球相似,可以用参数j=(U/V-1)/(V/W-1)来定义矿体形状,将矿体划分为长管状(j>1)和扁平状(j<1),并通过U轴和W轴的走向和倾角来确定矿体的方位。这些描述也可用于了解矿体的演化,例如,通过研究从矿体尺寸推断出的j的变化来了解矿体的演化[17,92]。
围岩的岩石类型(尤其是渗透率)对矿体的几何学有重要的影响,因为其主要决定了W尺寸的大小,较小的W值与渗透率较差的岩石有关。在均质围岩中,矿体几何学、流体流动和构造变形三者之间关系相对较简单,因此矿体几何学特征在一定程度上可以反映较大的范围内(几百米)成矿过程。在同一个控矿构造内,矿体的形状和方位可能会发生变化,这对矿山开采来说极其重要[17,235]。
通过矿体几何学形态可判断流体的输运方式,并确定不同形态矿体中流体运移的主要方位[17,92]。对于发育在平面变形带中同构造的热液矿体来说,有一点是可以预见的,就是其矿体的主要形状是扁平状的。变形带的交汇部位往往是渗透率较大的位置,其内的流体以管状流动为主,其传导率与具有相等截面的裂隙流体相比高出几个数量级,这主要体现在管状流体流动形成的矿体有较大的U/V值。然而,由于矿体形状可能受到成矿前几何形状和成矿前、后变形事件的影响,因此将矿体几何形状与整个构造历史联系起来是很重要的[17,92]。
2.2 运动学判断
运动学判断是在几何学描述基础上追索构成现有构造状态和位置以及相继的内部和外部运动(图7a,b),主要包括:(1)运动方式解析需研究岩石在变形过程中发生的运动是以何种运动要素(直移、旋转、体变、形变)为主导,或采取何种变形组合;(2)运动方向解析即确定构造运动方向,对研究构造变形体制、构造演化历史以及判定构造性质具有重要的理论意义和实际意义;(3)运动过程解析需厘定构造变形的运动历史存在的两种端员状态(岩石的变形过程是在同一动力持续作用下进行的,岩石内部的应变状态随时间的进展而发生性质和方位的系统演变;岩石变形过程中因构造体制发生转化而引起的构造性质(变形方式)的发展变化,可以通过构造叠加、置换及构造序列分析的方法来研究);(4)变形路径解析主要依靠岩石运动过程中遗留下来的相对位移踪迹[195,236⇓-238]。
b图中:当差应力小于4T时,有利的应力条件将导致发生伸展破裂;差应力大于5.66T时,发生压剪破裂;差应力在4T和5.66T之间,将发育张剪破裂。c和d图中:T为沿应变椭球XZ面形成的张裂隙,R为同向低角度Reidel剪切裂隙,S为叶理,R’为反向高角度Reidel剪切裂隙,D为主剪切裂隙(与剪切带边界平行),f为褶轴面,P为P型剪切裂隙;φ为内摩擦角。
容矿构造并无独特的运动型式,断层和剪切带都是特别重要的控矿构造,走滑和斜滑的正断或逆断运动均可能控制矿床的空间定位。剪切带运动学的新观点允许纯剪切与简单剪切的比率可变,这改变了矿化的可能方向:矿化变形带沿主应变轴方向可同时对称形成多个方向(图7b,d)[239⇓⇓⇓-243]。热液脉状矿体通常具有明显的侧伏规律,其侧伏向与赋矿围岩中的矿物拉伸线理近于平行。
2.3 流变学分析
变形(运动学)和应力(动力学)之间的关系构成了流变学,流变学对比对于许多矿床的定位是至关重要的[92]。
流变学分析的主要任务为:根据岩石变形构造的观测和对比,结合岩石力学实验的资料,确定岩石的变形习性,查明同一环境中岩石能干性的差异,揭示岩石的抗变形能力;厘定岩石的变形习性及各种环境因素(包括地热温度、围压、地球化学溶液、应变速率以及受力方式等)与岩石韧性之间的函数关系;在构造几何学和运动学研究,特别是构造样式和岩石应变状态研究基础上,寻找构造形迹与环境之间的成生联系,确定不同构造环境的构造变形相标志;根据类同岩石在类同的变形环境中以类同的方式变形时,必然会产生同一变形相的构造效应并组成一定的构造样式群的原则,把那些同一构造变形环境下所产生的具有成生联系并能组合成一个统一整体的各种构造形迹总合起来,建立起反映当地某一世代构造生态环境的构造群落。不同的构造群落有其不同的主导变形机制,反映出变形岩石周围的物理化学条件的垂直或水平分带,隶属于不同的构造层次;根据同一地质体在不同时期不同构造环境中的应变表现,把具有不同样式的构造群落分开,并确定其多相共存的叠加关系,进而建立起一个地区的变形相序列。变形相序列的划分是构造序列分析的重要组成和发展,它反映着构造演化过程中地壳岩石变形的质的变化[196,238]。
2.4 动力学解析
动力学解析则是鉴定最终所造成的构造几何学和运动学及其位置的相继的力的状态,其目的是要阐明产生构造的力、应力和力学过程,描述引起变形的应力的相对大小和方位,以图建立起研究区的古构造应力场[238]。对于有意义的动力学分析来说,必须能够解释构造运动学的运动方式和构造的物理学及几何学特征[195,244],必须涉及变形材料的变形习性、物理状态和应变的速率以及其他与之相关的边界条件,至于讨论到力源则还涉及采用的大地物理及大地构造假说的问题[195,238]。
动力学解析是对变形、流体流动和矿化的力学理解所必需的,可以采用应力、应变矿物、断裂位移进行应力状态定量或半定量分析,运用构造形迹力学性质及组合规律分析推断构造应力状态并配合相应的地球物理、地球化学资料分析和模拟实验进行研究[245]。
与矿化相关的成矿流体系统规模较大、持续时间较长[69],且是物理(如变形和流动作用)和化学(如交代和蚀变作用)相互作用与共同影响的过程,因此在实验室条件下难以模拟成矿过程[52]。为了更加定量化地再现成矿过程,可借助数值模拟软件进行成矿模型数值模拟计算[246]。目前可使用的商业数值模拟软件有Modflow[247]、Basin2[248]、Tough2[249]、FLAC2D[250]、FLAC3D[251]和COMSOL Multiphysics[252]等。定量数值模拟可通过地质信息仿真构建几何模型,即在控矿的围岩条件和构造框架研究方面,在选取合适的参数和边界条件基础上,求解流体流动、热传递、物质传递、岩石应力变形及化学反应耦合等条件下的偏微分方程[246],计算成矿过程中的流体流动及构造控矿情况,
模拟流体的压力、温度、速度和方向等在地壳不同深度内二维或三维空间的变化情况[251],因此定量数值模拟是目前成矿过程和矿体定位较好的方法之一[253],可通过改变边界条件和参数来模拟计算并确定对成矿较有利的环境条件[254]。近年来越来越多的学者尝试以数值模拟为预测工具,并借助更仿真的数值模型来协助和确定找矿目标[254⇓-256]。例如,使用FLAC3D对Bendigo金矿块状石英脉附近的局部应变和流体流动模式进行了研究[251],通过使用损伤力学公式研究了断层滑动后断层内部和外部破坏的时空演化关系[257],使用FLAC2D研究了澳大利亚北部Isa超级盆地构造反转初始阶段相关的挤压变形期间的流体流动模式[258]。
2.5 热力学综合
热液成矿系统的物理和化学过程可以用非平衡热力学方法综合起来研究。热力学模拟作为一种定量的方式被广泛应用于解释水/岩反应中形成的矿物组合[259-260]、限定热液蚀变的温压条件[261],以及阐释水/岩反应引发的金属元素从流体中沉淀的机制[262-263]。
HCh热力学模拟软件应用最小吉布斯自由能的方法可以计算一定温压范围内(0~1 000 ℃和1~5 kbar)热动力稳定条件下的矿物组合和流体成分[264],与其他热力学模拟软件相比(如THERMOCALC、SUPCRT92等),HCh可计算开放系统的化学活动(如改变水岩比、设定多期流体侵入围岩等),使其与真实成矿条件更接近[260]。应用HCh软件已成功模拟了水/岩反应引发金从流体中的卸载,如通过对比含CO2和不含CO2的流体与一系列围岩发生的水岩反应,发现含CO2流体可以使金发生集中沉淀,更有利于大型矿床的形成[262]。通过模拟不同成分的含金流体与浊积岩发生反应的过程,发现流体总硫含量降低时金沉淀效率显著提升[265]。通过模拟变质流体连续多次与沉积岩围岩发生水/岩反应,发现金和碳质物质均在反应初始阶段沉淀[263]。这些研究表明热力学模拟可以较好地模拟反应过程、金属沉淀时机和沉淀部位,可以为预测矿化中心提供较好的借鉴。
3 研究流程与预测应用
3.1 研究流程
基于上述理论要点和方法技术体系,我们提出了科学构建热液成矿系统的构造控矿理论的研究流程(图8):聚焦构造-流体耦合成矿机制和定位规律这一关键科学问题,选择热液裂隙-脉系统和构造-蚀变-矿化网络为重点研究对象,通过几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合,厘定控矿构造格架,定位矿化中心,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。
图8 热液成矿系统构造控矿理论研究流程
Fig.8 Research methodology flowchart for developing structural control models for hydrothermal metallogenic systems
3.2 预测应用
按照上述流程,我们对胶东焦家金矿田开展了控矿构造理论研究[200,266-267]。在系统控矿构造解析的基础上,通过建立三维有限元模型,运用Coulomb3.3应力转移模拟软件,计算成矿期的库仑破裂应力变化极值(ΔCFS),标定了成矿期断层活动导致的应力变化情况及所形成的高渗透率区间,结果显示ΔCFS以焦家断裂为中心呈现花瓣状图像分布,其中应力增大区间呈28个大小不等的花瓣状分布在断层走向转弯处或多组断层交汇部位,对应于高渗透率区间,已发现的金矿床均位于其中(图9),且已探明的金金属量与其所在区间的ΔCFS极值正相关(图10)。这种金矿床与断层活动导致的ΔCFS在空间分布上的一致性,表明金矿床的形成和产出严格受焦家断裂及其次级断裂控制;断裂带脆性变形过程中,在断层产状变化或多组断层交汇处,ΔCFS增大,形成局部高渗透率空间,为金富集成矿提供了有利场所。据此,圈定朱宋、徐家疃、西良和马埠庄子四处成矿远景区,预测金资源量分别为79 t、66 t、43 t和16 t;而寺庄、望儿山、河西和河东等金矿床深部仍有巨大找矿潜力。近年来焦家金矿田针对这些预测区的找矿不断取得突破,验证了上述研究的科学性和有效性[77,89,268]。
图9 焦家金矿田应力变化分布(a)和虚线圈出的28个高渗透率区域(b)(据文献[266])图10 焦家金矿田各金矿床已探明金金属量和库仑破裂应力变化极值的相关性(据文献[266])
4 结论
在热液成矿系统的多重尺度上,构造都是一级控矿因素;但构造控矿理论的中心是流体,渗透率是理解控矿构造的核心,目的是查明构造-流体耦合成矿机理和定位规律。
科学构建热液成矿系统构造控矿理论需通过对构造几何学的系统观察和描述,查明控矿构造格架和成矿流体通道及矿化中心;通过构造运动学特征判断构造运动方向和路径,厘定构造变形体制、构造性质和演化历史;通过岩石变形与构造应力之间的流变学分析,建立变形相序列,定位矿体在空间上的有利产出部位;通过控矿构造动力学解析,恢复成矿古构造应力场和应力状态;通过热力学模拟技术,将系统的物理和化学过程以非平衡热力学方法综合起来,模拟水岩反应过程并反演金属沉淀机制和成矿部位;综合上述方法成果,建立构造-流体耦合成矿模式。
强调开展多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。
感谢编辑老师的盛情约稿和鼓励。论文的完成得益于与西澳大学David I. Groves院士、科罗拉多矿业学院Richard J. Goldfarb教授和莫纳什大学Roberto F. Weinberg教授的交流讨论,研究生谢东、汪龙、张龙啸等协助完成了图件修编工作,匿名审稿人提出了宝贵修改意见和建议,谨此一并致谢。
参考文献略
本文引用格式
杨立强, 杨伟, 张良, 高雪, 申世龙, 王偲瑞, 徐瀚涛, 贾晓晨, 邓军. 热液成矿系统构造控矿理论[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 239-266 DOI:10.13745/j.esf.sf.2024.1.40
YANG Liqiang, YANG Wei, ZHANG Liang, GAO Xue, SHEN Shilong, WANG Sirui, XU Hantao, JIA Xiaochen, DENG Jun. Developing structural control models for hydrothermal metallogenic systems: Theoretical and methodological principles and applications[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(1): 239-266 DOI:10.13745/j.esf.sf.2024.1.40
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