断裂构造微量元素地球化学特征初步研究

翟东兴

河南省有色金属地质矿产局第三地质大队，郑州 450016

引言

构造地球化学是介于构造地质学与地球化学之间的边缘学科，其主要研究对象是各种地质建造和构造的物质组成特征，地质构造作用与元素活化迁移，分散富集的关系、规律及其动力学机制等[1]。关于构造地球化学，我国学者做了较为深入的研究[2～8]，并取得了一系列成果。断裂构造地球化学是构造地球化学的重要组成部分，其主要研究在断裂构造作用下，地壳化学元素的活化迁移、分散富集特征及其动力学机制。孙岩等[9]根据其研究实践，总结了断裂构造地球化学研究的7个步骤, 即宏观—显观—微观—解释—实验—理论—应用。微量元素在地质作用过程中的地球化学行为通常受物理化学中的亨利(Henry) 定律制约，而不参与岩石化学平衡反应，一般不受常量(主量) 元素含量的约束和习性的影响，在一般的地质作用过程中地球化学性质比较稳定[10]。因此，断裂构造的微量元素地球化学特征常能很好地保存断裂构造其形成、发展与演化过程中的地球化学信息,而成为一种独特的地球化学“指纹”[11]。本文从微量元素地球化学特征角度出发，研究断裂构的地球化学特征。

1 断裂构造地球化学特征的影响因素

1.1 元素自身的性质

研究表明，元素的应力性（原子半径、离子半径、电离能（EI）和电负性、熵值S0298等）是决定元素聚散程度的内因，元素在断裂带中的聚散状态是构造动力分异作用结果，它决定元素于本身的应力性和断裂的力学性质。如在同一应力场中，若存在的元素具有不同的离子半径，则在压力作用下，元素可发生分异，离子半径大和过小的元素一般向压力低的方向迁移；离子半径中等的元素，对压力的反应不明显，相对残留在原地。如K+(1.68)、Na+(1.10)向压力小的方向迁移；而Fe2+(0.71 )、Mg2+(0.80)、Mn2+(0.75)、Cr3+(0.70)、Ti3+(0.75)等在压力作用下相对稳定，趋于向压力大的方向迁移。在断裂构造应力作用下，元素离子的压缩性和原子密度对其构造地球化学分异起着主导作用，那些压缩性大、原子密度大的离子相对惰性，较稳定，它们趋于在高压环境下富集，而那些压缩性小的、原子密度小的离子则易于逸散到压力较低的环境中去。如对于压缩性由大到小顺序为Au+-Ag+-(Cu+)-Pb2＋-Mo2＋-Zn2＋-Cu2＋-Mo4＋，原子密度由大小到的顺序是Au-Pb-Ag-Mo-Cu-Zn的一组元素而言，排在前面的元素趋于在深部、高温高压区富集，而后边的元素趋于向浅部温压较低的部位富集。

1.2 断裂构造中各种构造地球化学作用

由于断裂构造运动控制着断裂带及其附近一定范围内化学元素的再分配与再迁移、再分散与再富集等,不同构造部位的岩石化学组成及其含量必然不同[3,12]。前人研究[13～14]认为，影响断裂构造元素分布的断裂构造作用主要有：动力分异作用、动热变质作用、氧化还原作用及水解脱水作用、构造带内流体与岩石交换作用等。对于微量元素而言，由于断裂内各种构造地球化学的作用，其地球化学特征在不同的构造地球化学作用下必然发生一定的分异。同时鉴于微量元素具有示踪性的特点，其地球化学分异特征对于研究断裂构造的形成环境及演化历史等具有重要的指示意义。

2 断裂构造的微量元素地球化学特征

引起断裂构造的构造运动在空间上常具有不平衡性，不同地域的构造变形强度和性质亦具有明显差异，构造应力场的变化常导致地球化学场的同步变化。由于构造运动在时间上又具有多旋回性，构造变形强度和性质交替变化, 造成构造应力场和地球化学场亦不断变化，从一种平衡达到另一种平衡，在此过程中元素的地球化学特征也将发生复杂的变化。对于断裂构造而言，在其长期的发展演化过程中，断裂力学机制的转换、物化环境的变化及元素性质的差异，微量元素的地球化学特征也将在一定程度发生变化。在理想状态下，断裂带的结构水平方向和垂向上具有明显的分带，一般水平分带为：正常围岩—上盘蚀变带—上盘矿化带—破碎带（角砾、断层泥带）—下盘矿化带—下盘蚀变带-正常围岩[15]；在垂向上，断裂带的结构可分为：韧性变形带—韧脆性过度变形带—脆性变形带。在实际中这种现象并不常见，通常是不完全均匀发育的, 只是常具有这种分带性变化趋势。本文分别从水平和垂向上研究断裂带内微量元素的地球化学特征。

2.1 微量元素的水平分带特征

基于构造应力和元素性质的差别，因此在断裂带的不同部位其元素的组合及含量是有差别的。在水平方向上，断裂带中各带中化学组分的变化规律反映了各种组分在断裂的形成过程中遭受了不同的地球化学作用。断裂带中构造地球化学作用通常包括动力分异作用、动热变质作用、氧化还原作用及水解脱水作用、构造带内流体与岩石交换作用等。动力分异作用主要表现水平方向上的元素分异，从断裂带中心向外，不同类型（应力性的差异）的元素分布特征具有一定的差异，如从断裂带中心向外离子半径增大,比重减小的元素含量减小，而离子半径小、比重大的元素则呈增大的趋势。强烈的构造应力作用引启动热变质作用，使断裂带内中—高级变质岩发生动力退变质作用。伴随着构造带内流体的产生，而发生微量元素的带出与带入，进而微量元素的分异。具有不同氧化还原特性的元素在构造运动过程中，由于氧化还原条件的变化，也必然发生一定程度的分异。如断裂带中心及附近构造岩中的Fe3+，由于Fe的溶解度很小而只能靠较易溶解和易搬运的Fe2+从还原带搬运而来，当断裂带由还原环境变为氧化环境时，Fe2+就会被氧化成Fe3+，发生沉淀而被留住。随断裂的演化发展，Fe2+不断沿断层通道被搬运而来并被氧化继而被留住，因而导致了断裂带中心Fe3+含量的增高。断裂构造系统中，尤其是在压性—压扭性动力学系统中，构造带内流体—岩石相互交换作用十分强烈，当流体进入断裂带中时，二者由于成分差异很大,其交代作用强烈，进而引起微量元素的分异。此外温度对元素分布特征也有一定的影响，如断裂构造内带一般聚集中高温含矿热液元素组合,如Co、Ni、W、Sn、As、Sb、Bi等，由中心向外趋向富集中低温含矿热液元素组合，如U、Cu、Pb、Zn、V、Cr等[16]。

2.2 微量元素的垂直分带特征

微量元素的垂向分带特征主要与断裂构造的垂向结构有关。断裂构造在垂向上，由于物理化学环境、受力状态、构造热活动等都有一定的差异，因此微量元素含量也相应地会表现出一定的变化趋势。随断裂由浅到深,其温度、压力、浓度、PH值等因素均会受到体系能量的影响，发生不同程度的改造[17]。研究表明，断裂构造在垂向的分带性主要应力环境、温压条件及自身性质的影响。断裂活动中，断裂构造为流体的运移提供了通道，由于构造应力的作用，使处于深部的流体能沿断裂通道上升，沿通道上升的流体由于物理化学环境的变化，破坏了元素的平衡，离子半径大的元素趋向于向张性区域运移，如Sb、As、Au、Hg离子半径大的元素趋向于分布在断裂构造的上部脆性变形带中。压力条件对于微量元素的分布特征也有重要影响，如Mn、Co、Ni、V、Ti、Mo等铁族元素多分布于高压区，如韧性变形带；F、As、Sb、Ba等非金属、碱金属和半金属元素则多分布于低压区，如脆性变形带；而 Au、Ag、Cu、Pb等比重大的硫化物元素族则趋向于分布在韧脆性变形的过渡带。这是因为As、Sb、F等元素外电子层为s、p构型，外力极易将s轨道电子激发到p空轨道上去而产生固定数目和一定方向的杂化轨道形成共价键，进而使元素易形成稳定结构和惰性气体向低压区聚集，而铁族元素和硫化物元素族外电子层则都为d、s构型，前者离子电荷和配位数较多，离子半径小，与后者相反，铁族元素晶格能大于亲硫元素，这意味着前者离子结合成晶体时释放能量要者多。因此，比重大的亲硫元素易受构造应力激发而活化，进而驱动流体向上运移，而铁族元素则在强动力下相对稳定位于下部[18]。元素的应力性（原子半径、离子半径、电离能（EI）和电负性、熵值S0298等）则是决定元素聚散程度的主要原因因，元素在断裂带中的聚散状态常是构造动力分异作用结果，它决定元素于本身的应力性和断裂的力学性质[16]。在断裂构造形成的过程中，受应力作用，断裂带中的微量元素会发生再分配，离子半径相对较小的元素趋向于留在原地，而离子半径大的元素则趋向压力减小的部位迁移，如脆性变形带。根据构造地球化学的动力调整分异原则，原子体积大、密度小、离子半径大及不稳定的元素趋向于向在应力较小的部位运移，而原子体积小，密度大，离子半径小及稳定的元素则更易于向应力较大的部位运移，进而形成了微量元素在断裂构造中的垂向分布特征。

3 实例研究

余忠珍[17]系统研究了江西九江—瑞昌铜金成矿带上断裂带内微量元素的分布特征，癫痢山断裂是研究区内主要断裂带（北东向断裂带）的组成单元，其两盘围岩，北盘为二叠系碳酸盐岩，南盘为志留系砂泥岩。水平方向上，断裂带结构由外带向中心的岩性依次为节理发育基岩—构造角砾岩—碎裂岩及糜棱岩，其微量元素的分布特征：从外带向中心，多数微量元素呈现为逐渐升高的趋势，并在局部地段出现高峰值，如在中心糜棱岩与两侧构造角砾岩的过渡部位有两个微量元素的峰值，其中在靠近碳酸盐岩构造角砾岩处，Cu、Pb、Ag含量很高，在近砂（泥）岩构造角砾岩处，Cu、Pb、Zn、(Co)含量则相对较低，由此可见这两个接触带对亲铜性极强的Cu、Pb、Ag、Zn等这些微量元素的富集是有利的，而糜棱岩带则对这些微量元素的富集则是不利的，因此则出现这些元素含量低值区，其原因可能与该区地表水渗滤作用强烈有关，由于各种微量元素性质的差异，其溶解度不同及构造带内流体—岩石水岩作用的强度不同，进而形成上述元素的分异特征。而对于同时具有亲铜硫和亲铁性的Au、As、Co、Mo等元素，从外带到断裂中心，则含量变化不大，仅在节理发育的砂泥岩区有一峰值，其原因可与元素本身的性质有关，这些元素性质较为稳定，在断裂构造发展过程中不易发生分异而造成从外带向中心含量变化微弱。对研究区西北部大冲一带的断裂中微量元素垂向分布特征的研究表明，随断裂深度的增加（其物理化学条件、变形强度、应力环境等也随之发生变化），Au、Ag、Cu、Pb、Zn都有逐渐升高的趋势，特别是Au、Ag增加最为显著，TFe则表现出一定的波动性。其原因可能是，随着断裂深度的增加，其温压条件也随之升高，还原条件变强，高温高压的还原性环境，易于亲硫性较强的Au、Ag、Cu、Pb、Zn等元素的富集，比重较大的Au、Ag常通过侧分泌作用，随热液活动，更易于在断裂深部富集。对上述研究实例中所得出的断裂构造内微量元的分布特征，尚有许多研究者[16,19～24]对不同地区的断裂构造内微量元素分布特征的研究也得出了相似的结论，进一步佐证了断裂带内微量元素的分布特征。

4 初步结论

（1）微量元素自身的性质决定其断裂构造带的分布特征。元素的应力性（原子半径、离子半径、电离能（EI）和电负性、熵值S0298等）是决定元素聚散程度的内因,元素在断裂带中的聚散状态是构造动力分异作用结果，它决定元素于本身的应力性和断裂的力学性质。

（2）断裂带内各种构造地球化学作用对微量元素在水平上和垂向上分布特征具有一定的影响。断裂带中构造地球化学作用通常包括动力分异作用、动热变质作用、氧化还原作用及水解脱水作用、构造带内流体与岩石交换作用等，不同构造地球化学作用，其影响也不同，如动力分异作用主要表现水平方向上的元素分异，从断裂带中心向外，不同类型（应力性的差异）的元素分布特征具有一定的差异，如从断裂带中心向外元素的离子半径增大，比重减小的含量减小，而离子半径小、比重大的元素则呈增大的趋势。

（3）诸多研究[16,19,22～27]表明，微量元素在断裂构造内的分布（水平和垂向）特征，对于找矿（尤其是内生的有色金属矿床）具有重要的指示意义。

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