构造动力成矿作用研究的某些基本问题综述

2015-03-09 02:12:56李志伟
云南地质 2015年4期
关键词:模拟实验

李志伟,田 敏



构造动力成矿作用研究的某些基本问题综述

李志伟,田敏

(1.云南省国土资源厅,云南 昆明650224;2.云南大学资源与环境学院,云南 昆明650214)

摘要:本文通过对构造应力、应变和能量间基本关系的分析,结合野外观察与高温高压变形实验成果,归纳讨论了构造动力对成矿系统中成矿物质活化、迁移与聚散运动过程的制约、控制作用,总结了构造动力形成矿床的判别标志。

关键词:构造动力与成矿作用;模拟实验;判别标志

各类地质构造及其构造系统在控岩控矿中的作用,长久以来受到很多构造地质学家、矿床学家和岩石学家的高度重视,并有不少论著发表。然而,在世界上已发现的若干大型、超大型矿床的形成过程中,不仅仅只存在构造及其构造动力控岩控矿的地质现象和客观事实,更存在构造动力作为一种成矿营力来影响、制约,甚至支配成矿作用的深层次地质问题。二十世纪八十年代初,杨开庆教授[1]提出了“构造动力成岩成矿”的概念,把人们以往对构造动力与成矿系统关系的认识推向了新的台阶。随后,不少地质工作者在探讨这种机理[2-6]。之后,随着透射电子显微术的应用、高温高压变形实验成果的充实以及物理冶金学原理和力学—化学耦合作用原理等被引进到矿床学的研究中,对了解和揭示构造动力与成矿作用间的内在联系和成因机制等提供了有益而丰富的实际资料。构造动力成矿系成矿作用理论研究中的一个新方向,为成矿预测实践、找矿勘探提供了新的思路,其研究内容涉及诸多方面,本文仅对构造动力成矿作用的能量、构造动力驱动矿液运移机制及成矿方式,构造动力成矿的实验模拟和构造动力形成矿床的判别标志等进行讨论和综述。

1构造动力成矿作用的能量

工业矿床的形成过程中,矿质、水和热量是含矿流体组成的三种基本要素,也是热液成矿作用得以发生的基础和前提,三者缺一均不可能形成热液矿床。很显然,在热液矿床形成过程中需要热量。就内生成矿作用的热源而论,已知的热源有岩浆活动、深部地热增温、变质作用和构造动力等来源。基于讨论的是与构造动力相关的成矿作用,所以热量来源应为构造动力或机械力诱发或提供。然而,构造动力能量是如何转化并为矿床形成作出贡献呢?

众所周知,组成地质体的基本单元是矿物和岩石。当岩石或矿物遭受构造动力作用时,其内部要产生应力,应力场中的应力由各向等应力分量(或球性应力)、偏应力分量(或差应力)两部分构成,用行列式表示为:

(1)

构造动力各向等应力分量偏应力分量

式中:δnn-垂直应力,δnm-剪应力(n≠m),P=(δ11+δ22+δ33)/3,P为构造动力所成构造围压。

一般认为,各向等应力促成岩石或矿物发生体积变化,内能增加,使岩石或矿物处于高能状态。偏应

力引起岩石或矿物发生变形。根据弹性理论,如果给一个微元体施加单轴外力Fy=δyy δx δz(图1),外力对微元体做功,且使微元体产生变形。在该外力作用下,微元体伸长∈yyδy,则外力对该弹性微元体所做的功(W)是外力和位移增量乘积的积分,即:

δW=∫(δyy δx δz)δy d∈yy =δyy ∈yy δx δy δz

(2)

图1 承受单轴应力的弹性微元体Fig.1 Elastic Micro-Element Bearing Uniaxial Stress

构造力对弹性微元体所做的功一部分转化为热能,其余部分转化为该物体的形变。但如果外力很小,那么这两种能量或功的分量也是相当的小,则大部分功作为势能(这种势能也称应变能)将贮存在该物体内。由此,可得到应力与应变能的关系式:

V=δyy∈yyδxδyδz

(3)

式中:V—单位体积的应变能,δyy—应力,∈yy—应变。

由于应力状态的叠加服从张量叠加法则,因此,对既承受剪应力又承受垂直应力的微元体可作类似于上述仅承受单轴外力微元体一样的分析,此时总应变能等于各应力分量产生的应变能分量之和。即:

V总=(δxx∈xx+δyy∈yy+δzz∈zz+δxy∈xy+δxz∈xz+δyz∈yz)δxδyδz

(4)

由物质的分子理论可知[7],处于所有物态中的物质都是由称之为分子的微粒所组成。内能可用微观机械能,即物质中各个分子的动能和势能来说明。但从热力学的观点来看,则是不必要的,可用物质的宏观变量(温度、压力、体积、粘度等)来演绎描述所讨论的对象—体系的状态。因此,岩石或矿物体系受构造动力作用时,岩石或矿物的初始平衡态将会遭到破坏,由状态A变到状态B的过程中还伴随有化学势、能量等变化。

根据热力学原理,体系与环境相对应而存在,据体系与环境的关系,体系可分为孤立体系、封闭体系和开放体系。孤立体系中,体系与环境之间无能量交换,也无物质交换,它不受环境变化的影响。

封闭体系,体系内能(U)的增加等于环境对体系所做的功(W)和体系所吸收的热量(Q)。对无限小的构造力作用过程有:

dU=δW+δQ

(5)

对一有限大的构造力作用过程则为:

U=∫(δW+δQ)dt

(6)

开放体系,体系内能(U)的增加除了环境对体系所做的功(W)和体系所吸收的热量(Q)之外,还有物质(M)交换。对无限小的构造力作用过程有:

dU=δW+δQ+δM

(7)

对有限大的构造力作用过程,则为:

U=∫(δW+δQ+δM)dt

(8)

上述式(6)、(8)分别是封闭体系和开放体系内能的总累积值,也是构造力作用于岩石或矿物体系使其发生的效应。可见,做功和热传递都是能量转移的方式。

上述是在弹性范畴内讨论构造动力对岩石或矿物体系的影响,构造动力作用的结果仅仅表现为使体系引起非平衡态,且作用的过程是可逆的。也就是说,一旦构造力解除,岩石或矿物体系就会恢复到原来的状态。但是自然界的许多地质作用过程,包括成矿作用等,虽说进行十分缓慢,然它们都不具备可逆过程的二向重演性,即它们多是不可逆的。不可逆的根本原因,在于一个体系内部一旦具备了温度不均、压强不均和密度不均等这些初始条件,它本身就处于非平衡态。因此,在构造活动期,构造动力的不断作用将会对岩石或矿物体系产生直接影响。当应力积累达到或超过岩石或矿物弹性极限时,岩石或矿物体系将以某种被破坏形式—断裂或塑性变形来释放其内积累的能量。将热力学第一定律应用于受变形岩石或矿物体系,按热功当量化为热能,则有变形体系内能的增量(dU)等于变形能的增量(δE)和热能的增量(δQ)之和。依此可分别建立封闭体系和开放体系内能的增量表达式:

du封=δE+δQ

(9)

dU开=δE+δQ+δM

(10)

综合上述,构造动力持续作用于岩石或矿物体系,体系内部产生应力和变形时其能量要增加(开放体系尚有物质交换),这些增加的能量主要表现为弹性应变能、变形能(包括岩石或矿物颗粒破碎而增加的表面能、位错能等)和热能等。构造动力作用下输入岩石或矿物中的内能以变形能和热能为主,且最终以热能的不断增长(压力也随之增加)来体现;而岩石或矿物中所能贮存的弹性应变能是极其有限的。在脆性变形域,弹性应变能的释放是通过断裂、裂隙的形成而发生,断裂过程中的摩擦、剪切均可生热[8,9],使断裂(带)波及范围内岩石或矿物体系温度升高,增强岩石或矿物中成矿元素的活化、迁移能力。在塑性变形域,贮存在岩石或矿物内的位错能最有意义。在高位错密度的情况下,位错能可以明显地提高变形晶体的吉布斯自由能,从而提高变形晶体在水溶液中的溶解度。变形矿物在水溶液中溶解度的提高将直接或间接地促使成矿作用的发生。由此可见,构造动力作用的最终结果,不仅改变着成矿系统的温度条件,同时也影响着成矿系统的压力条件。也表明构造动力成矿作用中构造动力—应变能或变形能—热能间的内在联系和转化过程。

2构造动力促成原岩中不同金属元素活化转移

从能量的角度看,构造动力成矿过程是能量积累、释放和转化过程。在这一过程中,构造动力成矿作用方式主要反映在构造动力对成矿元素的活化,以及矿液的运移和沉淀等方面。这种作用可以是直接的,即通过构造动力本身发生作用;也可以是间接的,即通过构造动力对环境物理化学条件施以影响从而控制、制约成矿元素地球化学变化过程。

从理论上讲,引起原岩中分散金属元素活化(再活化)转移的动力可分为物理的、(生物)化学的和物理—化学的三种。多数情况下,热液矿床形成过程中往往表现为物理—化学的相互耦合、协同作用,从而导致成矿作用发生与演化发展,形成新的时—空构型矿床。

在构造动力作用过程中,在挤压、拉张、剪切和摩擦的原岩内部,必然引起应力场和应变能或变形能的产生以及热能的增长,导致岩石或矿物从表面到内部的种种宏观的和微观的改变—断裂、变形和组分传输。

表面的宏观改变,多表现在地壳浅部,岩石为脆性变形行为,岩石、单矿物晶体构造不发生畸变。脆性变形中由于裂解及扩容作用,总的体积有增大趋势,形成破裂网络,其地质效应表现为为成矿溶液提供运移的通道和停积的空间。但是,当岩石颗粒挫碎,研磨到一定程度,尤其是粒度小到1mm~100 nm时,则即会出现奇特的纳米效应;此时由于表面积和表面能随粒度细化而呈指数增加,便会大大提高反应的活性,降低反应活化能。同时,随着受冲击和摩擦、剪切矿物颗粒的变形,局部受破坏产生物理缺陷和化学缺陷,这就增加了机械力化学活性点,为固相化学反应的发生和进行创造有利的条件。颗粒与颗粒之间的碰撞、摩擦、剪切还可导致局部温度的升高,加快化学反应速度,从而促进成矿元素的活化、转移。

通常,地震被认为是地壳内积累的弹性应变能的释放,弹性应变能的释放是通过断裂(带)的形成而发生。因此,根据断裂(带)演化过程中地震波能量与断裂(带)有关参数之间的关系(E=1017.2L3,式中:E为断裂释放的弹性波能量,单位:尔格;L为断裂长度,单位:km)以及地震波能占整个应变能输入量的百分比例可以粗略推算断裂活动时的应变能的总量,进而探讨构造动力对原岩中成矿元素活化、转移的影响程度。据张亚雄(1998)[10]的研究资料,焦家剪切带长约120 km,计算得出焦家剪切带活动一次由构造动力作功释放的总能量为5.47738×1024尔格。该数值与实验得出的该区岩石中所能贮存的弹性应变能(0.3~4×106尔格/cm3)相比,说明断裂之后岩石中所能贮存的弹性应变能是有限的,而绝大部分的能量是以热能的形式释放。5.47738×1024尔格的能量能使体积为2.15857×109m3的玲珑花岗岩升温100℃。由Helgeson(1968)金溶解度的热力学模型可知,体系内温度升高100℃,将会使其中金的溶解度增加近两个数量级。由此可见,构造动力引起剪切带两盘的成矿元素活化、转移及对矿床形成的建设性作用。在从全球主要地震带:环太平洋地震带、地中海—喜马拉雅地震带及其亚带(天山—蒙古—贝加尔地震亚带)正好与全球三大成矿带相一致来分析,也无不暗示矿床产出在特定的岩石圈构造环境之中,构造动力对成矿物质活化、转移有着深刻影响。

内部的宏观改变,表现为贮存在岩石单矿物内的变形能(与位错相关的能量最有意义)超过原子或分子的结合能和晶格能时,处于矿物晶格理想点阵平衡位置上的原子或分子受激活化、迁移。迁移方式或在矿物颗粒尺度上进行扩散转移,但也可转移几厘米甚至几米;或呈塑性流动;或迁移出岩石体系进入析出的水溶液中呈络合物或离子状态随水溶液运移。例如,褶皱构造是岩石(层)受力之后发生的弯曲变形,属岩石的塑性变形行为,它在地壳的中深层次分布极为广泛。许多研究资料[1]、[11,12]表明,岩层发生褶皱过程中,由于应力在褶曲不同部位分布的差异和变化,往往会促使化学元素发生局部迁移和重新分配,致使在褶皱的不同部位引起元素的化学分异。引起元素化学分异的是压溶—渗滤作用和扩散作用[13]。一般的规律是:离子半径大的一些元素和一些离子半径虽小但不太稳定的元素从褶皱的强挤压、强剪切区段(如核部的挤压区、翼部及轴面劈理的劈理域中)迁出,进入褶皱的拉伸区和弱挤压(弱剪切区段(如核部的拉伸区和翼部的微劈石域中),或迁移出褶皱体系之外。进一步表明构造动力不仅能激发元素活化、迁移,而且活化、迁移程度与构造动力强度有关。

3构造动力驱动矿液运移与矿质聚集

从时间和空间尺度分析,热液矿床形成过程中,各种成矿物质运移聚集主要是通过热液流体介质的不断流入与流出成矿地段(或称成矿域),同时伴随能量输运与动量传递来实现。构造动力对成矿作用所需的物理化学条件—温度、压力、酸碱度、氧化还原电位等的影响与改变,其中压力对化学过程、化学平衡来说是最为重要的物理化学参变量,对成岩成矿过程发生具有重要的影响。在探讨构造动力驱动矿液运移机制上,不同的研究者强调了由构造动力分解的各向等应力与偏应力所起的不同作用,同时考虑了不同岩石、不同力学性质断裂输导矿液能力的介质流通性。

王子潮等(1987)[14]从构造变形角度探讨热液成矿条件时认为,矿液运移的动力源主要来自成矿期构造应力场及其构造应力,决定矿液运移的主要因素是构造变形过程中的减压作用,并据碎裂介质渗流理论,从有限域矿质守恒定律出发,推导了简化的矿质运移势解析方程:

div(kgr·a·dH)=a∂(H)/∂t,(式中:K-介质流通性,其数值与岩石变形方式和强度有关;a-介质压缩系数,H-岩石变形强度的函数,a和H与应力场特征有关)。王开怡(1991)[15]在进行湖南香花岭地区锡多金属成矿构造应力场的光弹模型实验基础上,进一步推导出计算矿液运移势的具体表达式:Vi= - [exp(δ1-δ3)](δ1+δ3),(式中:Vi-矿液在平面任意点的流速;δ1、δ3-最大、最小主应力)。从表达式看,都是把引起构造变形的偏应力(或差应力)作为矿液的驱动力。西协亲雄(1984)[16]用深矿井及钻孔中实测应力和各向等应力探讨了其对斑岩型铜矿成矿作用的影响。周济元等(1989)[17]在探讨构造动力驱动矿液运移研究中,同样重视各向等应力和偏应力分量的关系,其建立的矿液运移势表达式为:

式中:U-矿液内能,h-矿液在任意点的内能,ni-第i个组分浓度,N-矿液所含组分总数,δx、δy、δz- 平行x、y、z轴方向的应力。

实际上,成矿热液内压力除与自身温度、压力有关外,还与所处构造围压大小有关。流体的流动源于静水压力的侧向梯度变化,而导致静水压力变化的原因主要是渗透率和各向等应力的空间变化。地壳岩石矿物所受外力主要有重力和构造动力(张治洮,1986;吕古贤,1989)[3]、[18]。从力的分解来看,地壳岩石矿物所受外力中总的各向等应力部分系由构造动力分解的各向等应力分量和由重力分解的各向等应力分量联合叠加而成;而总的偏应力部分也是由构造动力分解的偏应力分量和由重力分解的偏应力分量联合叠加而成。由构造动力分解的各向等应力产生的构造附加静水压力叠加在某一深度由重力分解的各向等应力产生的静水压力之上造成的局部总静水压力的不同,是构造动力驱动矿液运移的实质。因此,如果总静水压力与矿液内压力相等,矿液处于封存静止状态;当矿液内压力大于总静水压力而构成压力差时,矿液就发生运移。随着矿液的运移,成矿物质与能量被不断地输入反应区段,成岩成矿逐渐向前移动。因而,构造动力成矿过程实际上是机械能积累、转化和释放,促进化学反应,增强成矿物质输运的一个力学—化学耦合作用过程。这其中物质输运为成矿时的化学反应提供物质基础,能量输运则补偿化学过程中消耗的各种能量并部分转化为物质的内能;同时化学反应在不断地改变岩石格架结构和物质组成,疏通或改变矿液运移通道并反过来促进或制约矿液的运移。

许多实际研究资料表明,在矿带、矿田和矿床范围内,成矿期构造应力场控制着成矿期的变形场、位移场和能量场。矿液总是由高应力、高能位、高温度、高浓度部位向低应力、低能位、低温度、低浓度区段运移。矿液的运移和聚集方式与不同的变形阶段和不同的构造类型有关。对剪切带型金矿的研究表明,金矿化赋存于脆—韧性变形时空转换区段,矿液在断裂通道部位运移,成矿方式以扩散交代为主;在断裂贯通地段,以渗透交代占优势;在断裂完全贯通地段,其成矿方式则由渗透交代转变为以充填方式为主[19]。

4构造动力成矿研究中的模拟实验研究

模拟实验是构造动力成矿研究中的一大特色。除以往采用的普通光弹模拟、激光全息光弹模拟实验以及计算机模拟实验研究之外,最为典型的实验是对实际的含矿岩石进行的高温高压变形实验,其通过观察和测试样品组构和成份的变化,考察一定温压条件下,伴随含矿岩石的构造变形所带来的成矿物质组份的迁移和聚集,进而探讨构造动力成矿作用机理。

国外开展形变—相变实验工作较早,但其兴趣主要在岩石微观变形机制研究方面,而有关构造动力成岩成矿方面的实验却做得不多,二十世纪八十年代以来才逐渐发表了一些定量化的数据和参数。我国学者在这方面的研究取得了较大的进展。杨开庆等(1986)[2]模拟了海南石碌式铁矿床富铁的形变—相变过程:

(1)构造透镜体是在定向压力作用下,由“X”扭裂面分割的菱面体不断压扁拉长而成。

(2)处于同一定向应力作用下的不同岩石,在形成构造透镜体的过程中,由于岩石力学性质的不同,便会出现岩类互相包与被包的关系。

(3)构造应力可导致物质的压溶、扩散作用发生。

摩擦错动可以生热,在应力和温度对物质的调整过程中,铁、铜各自集中于应力不同的作用区。铁集中在低应力区段,铜则集中在应力稍高的区段。李佩兰对压力释放效应与矿化作用的实验研究,说明构造运动所引起的压力改变对元素活化、沉淀的影响和意义[1]。岳石(1990)[5]对产于韧性剪切带中著名的广东河台金矿的变形实验成果揭示了伴随构造变形,物质组份迁移聚集现象是很普遍的。物质组份迁移的方式有塑性流动、扩散与化学反应和热液携带。总之,这些实验模拟成果不仅验证了构造控岩控矿的地质现象,而且还揭示了有关热液成矿理论方面的某些新机理,尤其是对深化脆—韧性剪切带型金矿成矿作用过程中岩石构造破裂、流体流动和矿质聚集等的研究提供了依据。

5构造动力形成矿床的判别标志

尽管越来越多的人认识到了构造动力是导致许多热液矿床形成的重要因素,许多成矿(区)带及其大型、超大型矿床所具有的定位性或定向性也与特定的深部构造相一致,但由于至今尚有某些理论和方法等尚未解决,使得直接判断地质历史上构造运动及其构造力是否参与某一矿床的形成受到了限制,因而仍有许多需要不断探索的课题。就目前在探讨和论证构造动力成矿作用时,有如下一些地质判据。

5.1 矿体几何学特征及地球化学异常产出特征

从矿体与构造的相互空间关系以及矿体的几何学特征上判断,矿体形态复杂多变并局限在构造破碎带之中,在断裂带交叉、转折、复合处,矿体变厚、矿石增富,如滇中昆阳群中大美厂式铜矿床的脉状铜矿体[20];在脆性剪切破碎带中,矿(化)体呈(雁行)平行脉状、细脉状等分布,这些均显示成矿作用与构造活动密切相关。

此外,从构造地球化学的研究来看,原生晕沿(断裂)构造带分布,依构造带宽度而胀、缩,且沿断裂带又没有岩浆活动影响,工程验证原生晕为矿致异常,可作为构造热流体为主形成矿床的判别标志。

5.2 矿石结构构造

在构造动力作用下形成的矿床,可以从矿石的结构、显微构造以及成份的变异中得到反映。常见的矿石变形显微构造有显微裂隙、波状消光、带状消光、扭折带、变形纹、机械双晶、胞状构造、变形砂钟构造、核幔构造、压力影、压溶构造、亚颗粒及应力出溶结构等,虽然它们有着不同的特征,反映不同的形成条件,涉及到不同的成因机制,但均反映系构造动力所为。构造动力成矿作用着重对于处在构造动力影响之下矿石(或含矿岩石)结构、构造与成份特征形成时的物理化学研究。因此,严格说来,从时间尺度区分构造动力对原有矿石的改造与再造是必要的。一般来说,构造动力导致的矿石脆性变形并未产生矿石中物质的调整或重新分配,相应构造动力成矿的标志不显著或不具有构造动力成矿的含义。但如果矿石具有普遍的碎裂结构,并被后期造矿集合体胶结形成含矿角砾状、斑杂状、网脉状构造等,则反映了系多期构造活动和构造动力成矿的结果。塑性变形表现了物质的调整与重新分配,所以,矿石中出现的胞状构造、核幔构造、压溶构造、变形砂钟构造等则直接反映了构造动力成矿的标志。

5.3 岩矿石的包裹体特征

构造动力形成矿床中的矿石或脉石内包裹体犹如“黑匣子”从不同侧面记录了构造变形的环境及演化过程。近年来,国内外一些地质工作者探讨了构造岩流体包裹体在断裂构造研究中的应用(M.A.Hodgkigs等,1995;张文淮等,1993;王桂兰,1989;刘斌,1991)[20—23]。同时也注意研究了层控矿床沉积成岩成矿期与构造改造成岩成矿期矿石或脉石的液体包裹体特点,说明两者的包裹体特征存在差异。例如,发育于滇中中元古界昆阳群内毗邻的狮山铜矿床与凤山铜矿床,狮山铜矿床以层状矿体为主,构造改造微弱,反映沉积成岩成矿作用居主导地位。凤山铜矿床以脉状矿为主,表明以构造动力强改造成矿为主的特点。相比较,两矿床的脉石矿物包裹体在数量上、体积大小上均显示凤山矿床比狮山矿床的多而大,且包裹体液相成份也有差异[25]。

6结语

通过上述分析,归纳总结如下几点供研究时参考应用。

(1)构造动力成矿作用过程是机械能积累、转化和释放过程。在这一过程中,构造动力不仅能为成矿物质提供运移通道和停积空间,而且更重要的是能够促进元素的活化、迁移和聚集成矿。成矿期构造应力场控制着成矿期能量场和物质场。

(2)高温高压变形实验为构造动力成矿提供了某些新的证据,对深化剪切带型金矿等成矿作用机理认识、总结成矿规律,指导成矿预测实践具有重要意义。

(3)构造动力成矿标志在矿体的几何学特征上有表现,同时反映在含矿岩石的结构、构造等多方面。从矿体的空间分布、形态变化以及矿石、含矿岩石的结构、构造、包裹体特征等可以判断构造动力参与成矿作用的程度。

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THE SUM UP OF SOME BASIC PROBLEMS IN TECTONIC DYNAMIC METALLOGENESIS STUDY

LI Zhi-wei1,TIAN Min2

(1.YunnanDepartmentofLandResources,Kunming650224;2.CollegeofResources&Environment,YunnanUniversity,Kunming650214)

Abstract:In this paper,according to the analysis of basic relationship of tectonic stress,strain and energy and in combination with field observation and high T high P deformation experiment,we have the sum up and discussion about the control of tectonic motive force on activization,migration,aggregation,diffusion of metallogenetic material in metallogenetic system and the discrimination criteria in ore deposit formation of tectonic motive force.

Key Words:Tectonic Motive Force and Metallogenesis;Model Experiment;Discrimination Criteria

中图分类号:P611

文献标识码:A

文章编号:1004-1885(2015)4-485-7

作者简介:李志伟(1963~),男,云南石屏县人, 正高级工程师,矿产储量评估师,主要从事矿产资源储量评审及构造地质学研究工作。

收稿日期:2015-08-24

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