李德東,王玉往,王京彬,王莉娟,龍靈利,廖 震
(有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心,北京 100012)
巖脈是最普通最常見的地質(zhì)體,由于它出露規(guī)模相對較小,在地質(zhì)填圖工作中往往被忽略。然而,多數(shù)巖脈或多或少地與一些內(nèi)生金屬礦床有著千絲萬縷的聯(lián)系,特別是造山后脈巖群可能與成礦關系密切,有望成為內(nèi)生金屬成礦作用的宏觀標志體(羅照華等,2007)。大井礦床是一個錫多金屬礦床,礦區(qū)內(nèi)發(fā)育著一系列巖脈,未見規(guī)模較大的深成巖體,這些巖脈有的可見錫石礦化(李國華,1986),有的脈巖中有錫石石英細脈,局部地段可見礦體穿切巖脈現(xiàn)象(黃世乾等,1986),有的巖脈本身就是礦體(李如滿等,2004)。前人對礦區(qū)內(nèi)的礦脈礦石礦物成分(王玉往等,2002a,2002b,2002c;張春華,2004)、礦化元素(趙利青等,2002)、成礦流體(王莉娟等,2000;劉偉等,2002)等進行了詳細的論證,并從金屬礦物與巖脈的鉑族元素分布對比來研究礦脈與巖脈的關系(儲雪蕾等,2002)。然而,限于對巖脈和礦脈侵位機制的重視程度不夠,把成礦潛力寄托在發(fā)現(xiàn)深成巖體上,目前只有王榮全等(2007)報道過可能發(fā)現(xiàn)了深部閃長巖體,但因井故無法繼續(xù)施工,進而無法證實這個深成巖體的規(guī)模。從巖脈與礦脈的緊密關系以及計算的礦脈儲量來看,大井錫多金屬脈狀礦床可能存在新的成礦類型(王玉往等,2010)。本文以大井錫多金屬礦床為例,從巖脈的侵位機制角度探討巖脈與成礦的關系。
巖漿侵入地殼中的裂隙可以形成巖墻或巖脈,在分析巖脈和巖墻的侵位機制時兩者可以等同,本文在討論其侵位機制時把兩者等同看待。以巖脈侵位為例來介紹這種巖漿侵入體的侵位機制。
可以把巖脈簡化為橢圓形的受力體,受力分析如圖1所示。巖脈的寬度與長度和壓力之間的關系可以用下式表示(Rubin,1995):
圖1 巖墻侵位力學分析圖解(據(jù)Rubin,1995)Fig.1 Diagram showing mechanical analysis of dike emplacement(after Rubin,1995)2l-巖墻的長度,2w(0)-巖墻的初始寬度,P(x)-巖漿內(nèi)壓力,σ-圍巖對巖墻的壓應力2l-the length of dikes;2w(0)-the initial thickness of dikes; P(x)-the magmatic pressure;σ-the normal stress to the dike plane
式中w為巖脈寬度的一半,l為巖脈長度的一半,μ為圍巖的彈性剪切模量,v為圍巖材料的泊松比??梢园训仁?1)中的ΔP/M看作一個無量綱變量λ,因此等式(1)就變?yōu)?/p>
等式中的無量綱變量λ,取決于不同構造環(huán)境的圍巖所受力學狀態(tài),對于同一環(huán)境下此值近似為固定值。
巖脈的寬度與長度成線性關系與兩個因素有關,即巖漿內(nèi)壓與圍巖壓力之差(ΔP)和圍巖的彈性剛度(M)。前者與巖漿的供給量和區(qū)域差應力有關(Pollard,1990),而后者取決于圍巖材料的力學性質(zhì)(Rubin,1995)。
巖脈之所以能繼續(xù)延伸(伸展),其關鍵在于裂隙頂部由于拉張產(chǎn)生的應力強度系數(shù)(K)超過了圍巖材料本身所具有的破裂屈服強度系數(shù)(Kc)。裂隙頂部產(chǎn)生的應力強度系數(shù)可以用下式(據(jù)Rubin,1995)表示:
各種圍巖材料本身的破裂屈服強度可以由實驗得出(Pollard,1990),只有當K≥Kc時,裂隙才可以繼續(xù)伸展。事實上,只要存在巖漿的內(nèi)壓與圍巖應力之差大于零(即存在巖漿過壓),裂隙就可以伸展,因為在裂隙頂部產(chǎn)生的拉伸應力為圍巖原位應力屈服強度的2個數(shù)量級倍(Gudmundsson,2000)。
基于(3)式假設圍巖為彈性均質(zhì)體并且為同種介質(zhì),并且假設巖脈長度沒有發(fā)生變化,那么圍巖破裂強度取決于巖漿內(nèi)壓力P和區(qū)域應力(σ)的大小。
巖脈侵位時,巖漿的壓力大于垂直于巖脈面的主應力值(即y軸方向的應力),否則裂隙將閉合。當巖漿壓力大于區(qū)域最小主應力而小于中間主應力值時,巖漿沿xz垂直面侵位;當巖漿超壓(巖漿壓力減去最小主應力值)等于中間主應力值時,巖漿將以近圓柱狀侵位或以共軛面交替侵位;當巖漿的超壓大于中間主應力值時,巖漿沿yz垂直面侵位;當巖漿的超壓大于最大主應力值時,巖漿沿xy水平面侵位,這時巖脈將變成巖床形式。
根據(jù)以上巖脈侵位的力學分析可知,巖脈侵位形式的變化取決于幾個因素:巖漿內(nèi)壓、圍巖應力(區(qū)域應力)和上覆圍巖壓力,此外,還應考慮圍巖的不均一性。這些因素互相制約,互相影響,決定著巖漿以何種形式侵位。
一般來說,巖脈的放射狀分布形式說明巖漿內(nèi)壓為主要控制因素,而巖脈的平行分布則說明以區(qū)域應力為主要控制因素,巖脈與巖床的互相轉(zhuǎn)換或巖脈的不均勻分布是圍巖性質(zhì)不均一的表現(xiàn)。
大井礦床位于大興安嶺褶皺帶南端的黃崗-甘珠爾廟中生代構造成礦帶。礦區(qū)內(nèi)出露地層以單斜為主(圖2),主要為上二疊統(tǒng)林西組一套淡水湖泊相正常沉積的粉砂巖、細砂巖夾中粒雜砂巖及泥灰?guī)r,其中炭質(zhì)板巖、粉砂巖和細砂巖是主要容礦圍巖(據(jù)內(nèi)蒙古區(qū)域地質(zhì)志,1991)。礦區(qū)內(nèi)分布有大量的寬成分譜系的巖脈和礦脈,未見規(guī)模較大的深成巖體。
礦區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育有侏羅紀英安斑巖、霏細斑巖、輝綠玢巖、玄武玢巖、煌斑巖等淺成、超淺成巖脈(王玉往等,2002b)。巖脈分布具有一定的規(guī)律性,霏細斑巖脈,分布于礦區(qū)中部,NW走向,長100余米,厚0.3 m到數(shù)米;中酸性次火山巖(包括英安斑巖、流紋斑巖和花崗斑巖)主要分布于礦區(qū)的中部和西部,有NE和NW向兩組,出露長度10~800 m,厚2~20 m;中基性次火山巖(包括安山玢巖、輝綠玢巖和玄武玢巖)多分布于礦區(qū)東部,呈NW向,出露長度800多米,厚幾厘米到數(shù)米;煌斑巖,見于礦區(qū)西南部,傾向近南北,長不足100 m,厚僅幾厘米到數(shù)米,僅見云斜煌巖出露(王玉往等,2006)。
圖2 大井礦床地質(zhì)構造及巖脈位置簡圖(據(jù)鄭波,2009修改)Fig.2 Simplified geological map showing structure and vein locations(modified from Zheng et al,2009)1-地質(zhì)界線;2-倒轉(zhuǎn)向斜;3-向斜;4-斷層及編號;5-巖脈;6-地質(zhì)產(chǎn)狀;7-礦區(qū)范圍;P2l-林西組二疊系地層1-geological boundary;2-inversion syncline;3-syncline;4-fault and number;5-veins;6-geological occurrence; 7-mine area;P2l-Permian Linxi Formation
相應地,脈巖的粒度粗細也具有一定的規(guī)律性,西部粒度較粗,出現(xiàn)聚斑狀、多斑結構的安山玢巖和和具球粒嵌晶結構的英安斑巖;東部粒度較細,具間隱結構、隱晶質(zhì)結構、暗化邊結構,斑晶較少,包含大量圍巖角礫;中部英安斑巖具球粒結構、無斑球粒結構、霏細結構等。
經(jīng)統(tǒng)計礦區(qū)內(nèi)計有儲量的礦脈,把礦脈大致可以分為3種類型,即銅錫(銀)礦脈、鉛鋅(銀)礦脈和銅(錫)鉛鋅(銀)礦脈(王玉往等,2002b)。銅錫礦脈分布于中部(老區(qū)和北區(qū)南部),特別是NE向F2斷裂兩旁,鉛鋅礦脈分布于東西兩側,二者之間有一個過渡區(qū)。銅錫礦脈在走向上存在著成分的漸變,在傾向上表現(xiàn)為平行分帶。礦體總體呈NW或 NWW向平行排列,在延伸方向上垂直分帶不明顯(王玉往等,2002b)。
根據(jù)600 m標高礦脈水平剖面分布圖(圖3),可以看出礦脈分布是不均勻的,中北部和東部礦脈數(shù)量較多,西部和南部礦脈數(shù)量較少。F1斷裂附近礦脈數(shù)量相比F2斷裂附近礦脈數(shù)量較少,F(xiàn)2斷裂南端礦脈分布不均勻,出現(xiàn)較少礦脈的貧瘠區(qū),所有礦脈的走向并不因斷裂F1、F2的存在而發(fā)生明顯變化,說明礦脈的侵位可能主要受控于區(qū)域應力場的作用。
大興安嶺南段構造活動主要以海西期和燕山期為主,據(jù)張喜周和張振邦(2003)研究表明,早古生代之后區(qū)域主壓應力方向由近SN向擠壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向擠壓,進而轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW-SEE向;王永爭等(2001)也認為大井地區(qū)構造主要受海西期和燕山期兩期構造作用為主,并且認為海西期主要受NW-SE向的擠壓形成一組北東向的褶皺及配套的斷裂構造,而燕山期的構造活動歸因于區(qū)域查干木倫斷裂的左行扭動。
圖3 大井礦床600 m標高礦脈分布圖(據(jù)王玉往等,2002b)Fig.3 Map showing ore vein distribution of 600 m elevation in the Dajing ore deposit(after Wang et al.,2002b)1-勘探圈定PbZn礦體;2-勘探圈定CuPbZn礦體;3-勘探圈定CuSn礦體;4-勘探圈定Sn礦體;5-實際開采礦體;6-地層; 7-地層界線;8-斷層;9-勘探線1-PbZn veins explored;2-CuPbZn ore veins explored;3-CuSn ore veins explored;4-Sn ore veins;5-actual exploited ore veins; 6-stratigraphy;7-stratigraphic boundary;8-fault;9-exploration line
顯然,本地區(qū)區(qū)域構造明顯受海西期和燕山期構造活動影響,并且海西期以褶皺為主,燕山期以斷裂活動為主,這些認識已經(jīng)達成共識,主要分歧在于海西期構造主壓應力方向與燕山期的壓應力方向不同。筆者認為,從構造的力學分析來看,區(qū)域及礦區(qū)內(nèi)的壓應力方向并沒有發(fā)生變化,只是在區(qū)域壓應力控制下塊體發(fā)生了順時針轉(zhuǎn)動的結果。
在海西期,區(qū)域主要受NW-SE向的擠壓應力為主,形成一系列軸向為NE向的褶皺以及伴生的斷裂(如礦區(qū)內(nèi)的主要斷裂F1,F(xiàn)2)。假設林西斷塊主要是由基底斷裂系統(tǒng)所控制,那么區(qū)域上基底斷裂可以形成近似菱形的林西斷塊(圖4a),在海西期受NW-SE向的擠壓應力,NE向的罕烏拉斷裂和嫩江斷裂主要受擠壓作用,形成破碎帶;而NW向的呼虎爾河斷裂由于其走向平行于主壓應力方向,具有張性特征;NEE向的西拉木倫河斷裂同樣也要受到NW-SE向的擠壓應力,根據(jù)力的分解可以把NW-SE向的應力在斷塊四條邊界處進行直交坐標分解,分解成沿斷裂走向和垂直斷裂走向的分力(圖4b)。據(jù)NW向的斷裂和NEE向的斷裂剪切力的方向可以判斷林西塊體必將發(fā)生順時針轉(zhuǎn)動,這可能是使礦區(qū)與區(qū)域上的地層產(chǎn)狀具有極不協(xié)調(diào)特征的原因(王永爭等,2005)。
在燕山期,隨著塊體的旋轉(zhuǎn),NE向斷裂上將產(chǎn)生沿斷裂的分力;NW向斷裂也將產(chǎn)生沿斷裂的分力和垂直斷裂向外的張力;近EW向的斷裂產(chǎn)生的沿斷裂的分力將增大(如圖4c)。根據(jù)區(qū)域應力的力學分析,在海西期向燕山期演化過程中,NE向斷裂主要以壓性為主轉(zhuǎn)變?yōu)閴号ば?NW向斷裂以張性為主轉(zhuǎn)變?yōu)閺埮ば?近EW向斷裂以壓扭性為主向扭性力增加的趨勢。
圖4 區(qū)域構造應力的力學分析圖(詳細說明見正文)Fig.4 Mechanical analysis of regional tectonic stresses(see text for detail)
通過區(qū)域構造應力分析,我們認為區(qū)域上自海西期到燕山期,區(qū)域應力場的方向和力學性質(zhì)并沒有發(fā)生變化,只是林西斷塊發(fā)生了順時針轉(zhuǎn)動的結果。礦區(qū)內(nèi)的構造是隨著林西斷塊的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,因此,礦區(qū)內(nèi)的應力分析與區(qū)域上的大致相同。
根據(jù)巖脈侵位機制分析,礦區(qū)內(nèi)的巖脈主要走向為NW-SE向,與區(qū)域上巖脈走向相近(圖5)。因此,可以初步判斷礦區(qū)范圍內(nèi)當巖脈侵位時主要受NW-SE向的擠壓應力為主,此外還有區(qū)域應力分解形成的近SN向的擠壓應力,這可能是形成礦區(qū)內(nèi)F1,F(xiàn)2斷裂之間的一些近SN向斷裂的主要力源(圖5a)。礦區(qū)在此力系的作用下,形成以西南部(F1、F2斷裂南端附近)以擠壓應力為主,東北部(F1、F2斷裂北端附近)具張性應力為主的局部應力場環(huán)境。巖漿充填這些斷裂或裂隙形成巖脈(圖5b),隨著林西斷塊的順時針旋轉(zhuǎn),礦區(qū)內(nèi)的巖脈和斷裂也發(fā)生旋轉(zhuǎn)(圖5c),NE向的F1、F2斷裂擠壓性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閴号ば?F1、F2之間的近SN向的斷裂由張扭性向壓性轉(zhuǎn)變;NW-SE向的巖脈由張性轉(zhuǎn)變?yōu)閺埮ば?。因此,可以利用巖脈的空間分布初步判斷巖脈侵位時的區(qū)域應力場和局部應力場。
礦區(qū)內(nèi)巖脈的巖石成分主要有霏細(斑)巖、閃長巖、中酸性次火山巖(英安斑巖、流紋斑巖等)、中基性次火山巖(安山玢巖、玄武玢巖)和煌斑巖等(王玉往等,2002a;李如滿等,2004)。這些寬成分譜系的巖脈普遍富硅、堿、鐵、鎂,K2O/Na2O比值變化大,A/CNK比值均大于1,A/NK=1.34~14.3,說明巖脈為鋁過飽和巖類(張會瓊等,2009)。各類脈巖稀土元素配分模式曲線相似,暗示它們可能具有相同的來源(王玉往等,2009;張會瓊等,2009,2011)。寬成分譜系脈巖組合的同時侵位可能意味著巖漿的快速上升和應力環(huán)境的轉(zhuǎn)換(羅照華等,2006),也應伴隨大規(guī)模流體活動(羅照華等,2008)。在泥巖及各類次火山巖(脈巖)中發(fā)現(xiàn)的近礦蝕變帶寬達數(shù)十厘米至數(shù)米(艾永富和劉國平,1998)證實了這一推論。礦石和脈巖的鉑族元素特征也顯示兩者在物質(zhì)來源上具有密切關系(儲雪蕾等,2002),鉛、硫同位素研究表明礦床硫鉛為單源,來源于深部巖漿,并且成巖與成礦同源(馮建忠等,1994)。以上證據(jù)表明,礦漿與寬成分譜系巖脈的源區(qū)是相同的,或者說它們來自相同的層位。
根據(jù)巖脈侵位機制分析,巖脈侵位時,如果圍巖應力為擠壓應力,巖漿壓力與圍巖應力之差應大于寄主巖的彈性破裂強度,巖脈才能伸展;如果圍巖應力為拉張應力并且超過圍巖的彈性破裂強度,那么可以形成垂直拉張力方向的裂隙,巖漿可以充填這樣的裂隙形成巖脈,這種情況并不要求巖漿具有較大的內(nèi)壓力;如果圍巖應力為拉張并且要小于圍巖的彈性破裂強度,則需要巖漿具有一定的內(nèi)壓力。
區(qū)域和礦區(qū)范圍內(nèi)的巖脈走向近于平行,說明巖脈侵位時要么巖漿超壓(巖漿壓力減圍巖應力)波動不大,要么巖漿充填先存裂隙(先存裂隙體現(xiàn)了穩(wěn)定區(qū)域應力場作用產(chǎn)物)。從整體來看,應屬于后者,但不排除局部存在巖漿壓力過大的情況。
圖5 大井礦區(qū)構造應力分析及巖脈侵位示意圖(詳細說明見正文)Fig.5 Diagrams showing regional tectonic stress and dike emplacement in the Dajing ore district(see text for detail)
從林西斷塊的應力分析可以認為,在四條深大斷裂構造成的“菱形”的左下角區(qū)域,主要受擠壓應力為主,在“菱形”中間區(qū)域受NW-SE向擠壓應力(NE-SW向拉張應力)為主。如果擠壓應力環(huán)境暗示著塊體增厚隆升,那么可以推測斷塊從SW向NE方向隆升幅度減小,剝蝕量減小。巖相學西部粒度較粗(結晶時間長)東部粒度較細(結晶時間短)似乎證實了以上的推論。根據(jù)巖脈的冷凝與成礦流體侵位模型(李德東等,2011),含礦流體優(yōu)先進入冷卻較慢的巖體(巖脈),由于西部巖相學粒度較粗(暫且認為其結晶時間長,冷凝需要的時間長),含礦流體易形成斑巖型礦化,我們推測隆升剝蝕量較大的部位(西部)尋找斑巖型礦床潛力較大。
從整體來看,巖脈侵位在前,礦脈侵位在后(王永爭等,2001;鄭波,2009),根據(jù)巖漿熱效應分析,這種先后侵位時間間隔可能會較短(另文發(fā)表)。此外,礦區(qū)局部存在著兩者互相穿插或前者明顯穿插后者的關系,意味著巖脈和礦脈的侵位可能是多期次的,每一期次可能具有不同的礦化階段,或者同一期次具有多個礦化階段(王玉往等,2002a)。
綜上,通過巖脈的侵位機制,分析了大井礦區(qū)巖脈與礦脈的關系,初步得出以下幾點認識:
(1)區(qū)域構造環(huán)境,林西斷塊受NW-SE向擠壓應力作用,從海西期到燕山期,區(qū)域應力場并沒有發(fā)生變化,只是斷塊發(fā)生了順時針轉(zhuǎn)動;礦區(qū)范圍內(nèi),塊體所受應力場與區(qū)域應力場相似,從西南向北東方向,擠壓應力減小,隆升剝蝕量也隨之減小。
(2)巖脈與礦脈的侵位受區(qū)域應力場的控制;礦區(qū)內(nèi)其侵位形式主要受區(qū)域和局部應力場的控制。
(3)巖脈多侵位于先存裂隙,可以用來重塑古構造應力場;通過應力分析認為,西部尋找斑巖型礦床具有較大的潛力。
[注釋]
① 華北有色地質(zhì)勘查局綜合普查大隊第一普查隊.1990.內(nèi)蒙古自治區(qū)林西縣官地鄉(xiāng)大井礦區(qū)銅錫多金屬礦控礦因素和礦床成因等問題的初步研究[R]
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[附中文參考文獻]
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