弱变形域成矿及其地质意义

汪劲草, 王方里, 汤静如, 程雄卫, 韦安伟, 叶 琳

(桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 广西 桂林 541004)

弱变形域成矿及其地质意义

汪劲草, 王方里, 汤静如, 程雄卫, 韦安伟, 叶 琳

(桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 广西 桂林 541004)

控制热液矿床的成矿构造可分为两大类, 一类是由构造动力破坏(构造致裂)为主形成的成矿构造——简称构造型成矿构造, 另一类是由流体动力破坏(液压致裂)为主形成的成矿构造——简称流体型成矿构造。在分解变形构造场中,构造型成矿构造一般受控于面型强变形带(P域), 而流体型成矿构造一般受控于构造透镜体弱变形域(Q域)。通过对典型控矿构造透镜体系统的解析, 认为在韧性域与脆–韧性域, 剪切带可以通过变形分解形成由面型强变形带组成的成矿场与由透镜状弱变形域组成的成矿场。当剪切带分别处于韧性、脆–韧性及脆性域时, 强变形成矿场在韧性变形条件下不成矿, 而在脆–韧性及脆性变形条件下则成矿; 弱变形成矿场在韧性域与脆–韧性域时成矿, 而在脆性域时则不成矿。上述既有联系又有差别的两类成矿场的对比研究, 不仅有助于矿床建模、成矿预测与成矿构造、矿床成因等的深入研究, 而且有助于将构造动力、流体动力、成矿构造、成矿流体等要素有机统一, 建立构造透镜体型成矿系统; 有助于揭示变形分解作用、液压致裂作用、构造泵吸作用三者之间的耦合关系, 丰富成矿构造学的研究内容。

构造透镜体系统; 弱变形域; 成矿构造; 变形分解; 液压致裂

构造透镜体系统, 即由面型强变形带(P域)与透镜状或类透镜状弱变形域(Q域)组成的变形分解场,是十分重要和普遍的地质现象, 其大者如造山带环绕的透镜状板块, 小者如核幔构造中的“核”与“幔”和眼球状构造残斑中的残斑与基质。露头尺度的构造透镜体主要发育于变质的地质体中, 是韧性或脆–韧性剪切带中的基本构造要素。不论是挤压、走滑还是伸展, 只要岩石存在不均一性, 相对强硬的岩石就可能形成构造透镜体(单文琅等, 1991)。

前人对构造透镜体的成因已做过详细研究(刘如琦, 1963; 马杏垣, 1965; Ramsay et al., 1991; 索书田等, 2001), 认为地质体岩性的不均一性(即相邻岩石的能干性差异)是构造透镜体形成的主因, 其形态主要可划分为椭球形、矩形、菱形、藕节形、梯形及不规则形等, 而且其形态可基本反映形成时的力学性质与构造层次。对构造透镜体研究做出最大贡献的是澳洲学者 Bell, 他首次明确提出了变形分解(Deformation partitioning)的新概念(Bell, 1985, 1986),认为构造透镜体是不均一岩石变形分解的结果, 并将地质体的变形, 分解为递进剪切变形分量与递进缩短变形分量, 构造透镜体中央一般无变形, 往外逐渐以递进缩短变形占主导转到以递进剪切变形占主导, 并用上述理论成功解释了变质岩中矿物在面型强变形带(P域)内溶解、而在透镜状弱变形域(Q域)内沉淀形成变斑晶并最终发生旋转与变形的新机制(肖龙和汪劲草, 1993)。

汪劲草等(2003a)通过解析典型控矿构造透镜体,将构造透镜体的边界类型划分为过渡型、突变型及复合型, 其中发育的成矿构造类型划分为脉型、网脉型及角砾岩型, 并提出了构造透镜体型成矿系统的新概念。

1 变形分解、液压致裂与构造泵吸三者是相互耦合的

自然界的构造场相对讲可分为强变形应变场(P域)与弱变形应变场(Q域), 简单地讲, 它们可分别对应于构造透镜体系统中的面性强变形带与透镜状弱变形域, 也就是说, 自然界中由破裂构造控制的热液矿床要么受控于强变形应变场(P域), 要么受控于弱变形应变场(Q域)。对于同一构造透镜体系统,目前已见三种成矿现象: ①强变形带内成矿, 而弱变形域内不成矿; ②强变形带内不成矿, 而弱变形域内成矿; ③强变形带与弱变形域皆可成矿。汪劲草等(2003a, 2008)发现上述构造透镜体系统中两类成矿场的成矿构造类型、矿化蚀变类型、矿床成因机制不仅存在明显差异, 而且似乎存在某种成因联系。因此, 以构造透镜体系统中的两类成矿场作为参照系, 对比研究上述两类成矿场的成矿作用机制与过程, 不仅可以大大简化矿床研究的复杂程度,而且能最大程度地揭示成矿作用的本质与机制。

变形分解形成的构造透镜体系统, 易于形成于韧性或脆–韧性构造层次, 并在构造演化中逐渐过渡到脆性构造层次。根据构造透镜体系统中强变形带的构造性质, 汪劲草等(2003a)将构造透镜体的边界类型划分为三种, 即突变型、过渡型与复合型(最多见)。其中, 过渡型边界形成于韧性或脆–韧性构造层次, 突变型边界形成于脆性构造层次, 而复合型边界则是指上述两类的复合, 即产生了多次构造的叠加。因此, 构造透镜体系统中二类成矿场内多种类型成矿构造的形成, 有可能是在不同阶段、不同构造层次下, 由构造动力与(成矿)流体动力相互作用而满足岩石破裂条件时形成的(汪劲草等, 2003a, 2010)。

图1 双王金矿床构造透镜体型成矿系统的结构模型Fig.1 Structure model of the tectonic lens type ore-forming system in the Shuangwang gold deposit, Shaanxi province

当非均一性岩石或岩石组合处于韧性或脆–韧性构造层次时, 变形分解作用就会在其中形成不同尺度的构造透镜体系统(图1), 此时, P域处于韧性或脆–韧性变形环境, Q域则处于脆性变形环境, 也就是说, 因存在应变热与流体热的差异, P域处于相对高温高压的环境, Q域则处于相对低温低压的环境, 此时, 与流体库沟通的P域中的成矿流体, 会通过微裂隙向Q域内渗透, 即流体会从相对高温高压的P域向相对低温低压的Q域流动, 当流向Q域内的流体在P域中构造动力的持续作用下(相当于机械做功, 即变形分解作用), 就会在Q域内的微裂隙中大量聚积, 并引起局部流体压力增高, 当流体压力大于或等于岩石在某一方向上的最小抗张强度时, Q域内就会产生液压致裂作用(Hydrofracturing)(李建威和李先福, 1997; 汪劲草等, 2000a; Rubey, 1959; Meere, 1995), 随之, Q域内流体压力就会因扩容相应降低并产生矿物沉淀, 而沉淀又会导致新一轮的压力升高, 当变形分解过程持续进行时, Q域内流体压力会产生周期性的增加与降低, 并相应产生周期性的液压致裂与裂开–愈合, 此过程称为构造泵吸作用(或称地震泵吸作用)(Sibson et al., 1975; Fyfe, 1986; Sibson, 1986, 1989; Bonnemaison and Marcoux, 1990)。其间, 就会在Q域内形成具有一定规模的控制脉状矿床的张性破裂构造(脉型成矿构造)、可拼合的张性角砾岩构造(角砾岩型成矿构造)与网脉状张裂构造(网脉型成矿构造), 当变形分解作用停止时, Q域内的构造泵吸作用与液压致裂作用也会相应停止。因此, 变形分解作用、构造泵吸作用、液压致裂作用三者在构造透镜体系统中是相互耦合的。

当构造透镜体系统从韧性、脆–韧性构造层次演化到脆性构造层次时, P域内就会产生大量的脆性破裂, 即形成断裂破碎带, 由于P域内破裂扩容导致温度、压力降低, 流体一般很难继续维持较高的温压条件, 而向弱应变域(Q域)内渗透, 其结果就是不能继续在Q域内产生液压致裂作用, 而P域内无论是在韧性、脆–韧性或脆性, 都难以产生液压致裂作用(除非有喷涌的超量流体聚积)。因此, 构造透镜体系统中存在由构造动力(构造致裂)与流体动力(液压致裂)分别主导控制的两套构造变形场(成矿场), 即在韧性、脆–韧性构造层次, 一般易在弱应变域(Q域)中形成流体型成矿构造, 而在脆性构造层次,一般易于在强应变带内(P域内)形成构造型成矿构造(图2)。

图2 三种常见构造系统中的成矿构造类型Fig.2 Diagram showing the metallostructural types in three common structural systems

2 液压致裂是弱变形域内主要的破裂机制

传统观点认为, 热液矿化作用皆发生于宏观的高应变带内——断层中、破碎带内及张开的破裂空间中, 如焦家特大型金矿产于焦家断裂带中, 主要受断裂带中宽大的构造岩带控制, 矿化类型主要为构造蚀变岩型(吕古贤和孔庆存, 1993; 范永香和高秋斌, 1993); 广东河台金矿的构造蚀变岩型金矿体受控于韧性剪切带中的高剪应变带(王鹤年等, 1992;段嘉瑞等, 1992); 湖南沃溪钨锑金矿床主要受控于脆–韧性剪切带控制的层控断裂带中(汪劲草等, 2003b), 矿化类型主要为构造脉型与构造蚀变岩型。上述成矿热液沿高应变带沉淀形成矿床的例子不胜枚举。因此, 长期以来, 地质工作者形成了沿断层带、破碎带及剪切带内的高应变带找矿的定势思维,而且认为变形越强的地段越有利于矿化体的形成。

然而, 近十年来, 笔者在数十个矿山工作时注意到, 矿体除受上述高应变带控制外, 还有不少矿体并不是受高应变带控制, 而是受由高应变带包绕的构造透镜体弱应变域(长轴介于几十米至几千米)控制, 并且其构造变形机制、成矿构造类型与矿化类型也有别于高应变带中的矿体。如青海锡铁山大型铅锌矿床(汪劲草等, 2000b), 90%以上的矿体产于弱应变的大理岩构造透镜体中, 受控于液压致裂形成的张裂空间, 而包绕透镜体的绿片岩相韧性剪切带中, 仅有少量破碎带控制的蚀变岩型矿体; 陕西太白金矿(汪劲草等, 2001), 全部矿体都产于弱应变的钠长岩构造透镜体中, 受控于液压致裂形成的张性角砾岩体, 而外围强应变的脆–韧性剪切带内则无任何矿体产出(图1); 河北宽城尖宝山金矿体(汪劲草等, 2003c), 全部矿体都产于由断层包绕的长城系常州沟组砂岩组成的弱应变透镜体中, 受没有明显边界且无主裂面的小或微的裂隙群(呈透镜状分布)控制, 而且构造透镜体边缘宽大的断裂带则无任何矿体形成, 甚至矿化也很弱; 山东焦家断裂带下盘的红布金矿(汪劲草, 2002), 位于望儿山断裂与焦家断裂带所夹的呈弱变形的钾长花岗岩构造透镜体中, 矿体也受没有明显边界且无主裂面的小或微的裂隙群(呈透镜状分布)控制。

广东河台金矿发现了一种有别于石英脉型与蚀变岩型的新的矿化类型——呈透镜状分布的“特富矿包”, 平均品位35～75 g/t, 最高大于500 g/t(王斯亮, 2000), 矿体产于韧性剪切带内原来认为无矿的、由发育脉型与蚀变岩型矿体的强应变带(原来为超糜棱岩带或千糜岩带)包绕的相对弱应变的初糜棱岩或糜棱岩化构造透镜体中。特别需要指出的是,河台金矿床特富矿体、红布金矿床及尖宝山金矿床具有相似的地质特征: (1)受控于弱应变的构造透镜体中, 单个矿体呈透镜状, 矿体中心矿化强, 往边部矿化逐渐减弱; (2)矿体与围岩没有明显的边界,从矿体中心往边缘一般依次出现块状(仅出现在河台金矿特富矿体中心)、网脉状、浸染状及星点状矿化; (3)一系列透镜状矿体沿某一方向呈雁列状分布,有时会被成矿后断裂切割, 成矿后断裂带与矿化带基本一致, 但其主裂面既可以切过矿体的中心或矿体的边缘, 也可以不切过矿体。上述构造控矿特征完全有别于传统上高应变带内宏观断裂构造岩与宏观破裂空间控矿的构造型式, 因而被命名为“雏形断裂”(Embryofracture)控矿(汪劲草等, 2003c)(图3),笔者认为发育于构造透镜体中的“雏形断裂”与控制太白双王金矿床的张性角砾岩体、控制锡铁山铅锌矿床的张性破裂空间一样, 也是主要由液压致裂作用形成的, 它们都是液压致裂作用的具体表现型式,相互间存在着破裂强度与发育阶段的差别。液压致裂作用被认为是地壳中除构造破裂作用之外的另一种非常普遍的破裂形成机制, 而含矿热液在成矿构造中反复沉淀形成工业矿体(床)的过程, 被许多学者用构造泵吸(Tectonic pumping)理论或地震泵吸(Seismic pumping)理论加以解释(Sibson et al., 1975; Sibson, 1986, 1989)。可见, 液压致裂作用是构造透镜体(弱变形域)中流体型成矿构造形成的主要变形机制, 而机械破裂作用则是强变形带中构造型成矿构造形成的主要变形机制。

图3 弱变形域中雏形断裂的形成与演化Fig.3 Formation and evolution of embryo-fault in the weak-deformation domain

3 研究意义

自然界中的成矿作用与成矿场既可发生和存在于高应变带内——主要由构造动力破坏形成的断层带、破碎带及张开的破裂空间中, 也可发生和存在于低应变带内——即构造透镜体中由液压致裂形成的角砾岩、大小不一的张性破裂空间中(图1)。上述认识突破了传统上将一些热液矿床的成矿作用与成矿场简单地视为“断裂控矿”的单一模式, 而且扩展了成矿构造研究的方向与思路。区别上述两类成矿场, 不仅有助于矿床建模、成矿预测与成矿构造、矿床成因等的深入研究, 而且有利于将构造动力、流体动力、成矿构造、成矿流体等要素有机统一起来。同时, 研究构造透镜体系统控制热液矿床沉淀的机制, 可以揭示流体动力作用与构造变形场、液压致裂作用、构造泵吸与矿质沉淀等之间的耦合关系, 丰富成矿构造学的研究内容。

而且, 构造透镜体系统中两类成矿场的差别及成矿机理的研究, 有利于认识流体型成矿构造与构造型成矿构造的差别与联系, 有利于对控制各种热液矿床的成矿构造进行成因分类。如果熟悉并掌握各式成矿构造类型的特征, 就可以对单一构造系统, 甚或复合构造系统中已知成矿构造进行“身份”确定, 然后再把它们进行归类, 看是否具有“血缘”关系, 是否能组成一个相互联系的、具有一定几何结构的成矿构造“家族”(简称“成矿构造系列”)(汪劲草等, 2008, 2009), 并根据其几何结构, 或者再结合其他资料, 如物探、化探结果所显示的异常结构, 对未知成矿构造(隐伏矿体)进行可信的预测。当前危机矿山如果要在“攻深找盲”上取得重大突破, 就必需在找矿理论上与方法上实行创新。成矿构造研究在危机矿山二轮找矿中占有重要的地位, 这是因为危机矿山经过多年开采后, 已知成矿构造从三维空间非常便于观察与研究, 而且成矿构造研究也不受深度与干扰因素的影响。因此, 构造透镜体系统内两类成矿场中成矿构造的研究, 对于深化矿床成矿构造几何模型的建立, 对于隐伏矿床的深部预测皆具有重要的理论与实际意义。

目前, 国内一些已知矿床在研究中已经遇到上述复杂的基础地质问题, 并且在诸多问题上——如构造变形机制、成矿构造类型、矿化蚀变类型、矿床成因类型、流体性质与来源等方面存在诸多分歧。由此更进一步说明, 构造透镜体系统中两类成矿场的差别及成矿机理的研究已经刻不容缓。

致谢: 感谢加拿大蒙特利尔大学工学院嵇少丞教授和另一位匿名审稿专家对本文提出的宝贵意见与建议。

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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

项目资助: 国家自然科学基金(批准号: 41172089)、广西自然科学基金(编号: 桂科自0832251, 2012GXNSFAA053185, 2014GXNSFAA118281)及广西矿冶与环境科学实验中心建设项目共同资助。

汪劲草(1963–), 男, 教授, 博士生导师。区域构造与成矿构造专业。Email: wangjc1031@163.com