地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 962-980
引用本文
吕古贤. 构造动力成岩成矿和构造物理化学研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 962-980.
LYU Guxian. RESEARCH ON TECTONIC DYNAMO-PETROGENESIS AND METALLOGENESIS AND TECTONOPHYSICOCHEMISTRY[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 962-980.
构造动力成岩成矿和构造物理化学研究
吕古贤     
中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:动力成岩成矿"的理论是地质力学构造控岩控矿研究方面的重要进展,是上世纪70-80年代初,在构造地球化学领域关于应力矿物、岩石变形-变质关系、构造控矿等研究基础上提出的。应用动力成岩成矿载体的"构造岩相带",在新疆沙尔托海铬铁矿开展深部找矿取得重大突破。后续研究,从"动力成岩成矿"阶段,发展到现今的"构造物理化学"阶段。基于固体力学原理,研究认为变形岩石由偏应力场引起,偏应力场可分为差应力状态和各向等正应力状态两个部分,后者被命名为"构造附加静水压力"。"构造附加静水压力"不仅能引起岩石体积变化,也能影响其中化学平衡,是一个物理化学变量。结合胶东金矿的长期研究发现,元素地球化学分布是化学平衡的结果,物理化学环境才是化学作用的原因,提出"构造力改变压力温度等条件影响化学平衡"的认识。创建"成矿深度构造校正"方法,预测胶东金矿深部"第二富集带"得到证实,促进胶东从危机矿山重灾区转而成为全球第三大金矿区。经过40多年的理论研究、地质调查和找矿实践,构造物理化学取得显著进展,1996年地质力学专业委员会设立"构造物理化学专业学组"。2018年,中国地球物理学会成立"构造物理化学专业委员会"。
关键词构造动力成岩成矿    构造物理化学    构造附加静水压力    构造结合建造    构造地球化学    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.079     文章编号:1006-6616(2019)05-0962-19
RESEARCH ON TECTONIC DYNAMO-PETROGENESIS AND METALLOGENESIS AND TECTONOPHYSICOCHEMISTRY
LYU Guxian     
Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: The theory of "dynamo-petrogenesis and metallogenesis" was proposed in the early 1970s~1980s on the basis of research in the field of tectonogeochemistry such as stress minerals, rock deformation-metamorphism relation and structural control on ore. It represents a significant progress in the aspect of research on structural control on ore in geomechanics field. Applying "tectonic-lithofacies zone", i.e., the carrier of dynamo-petrogenesis and metallogenesis, great breakthroughs have been made in deep ore prospecting of the Shaertuohai chromite deposit, Xinjiang. Subsequent research has developed from the stage of "dynamo-petrogenesis and metallogenesis" to the present-day "tectonophysicochemistry" stage. Based on solid mechanics, research indicates that deformed rocks are formed by deviatoric stress field, which can be divided into differential stress and isotropic stress sections; the latter is named as "additional tectonic hydrostatic pressure". As a physicochemical variable, it can not only arouse rock volume variation but also can affect the chemical equilibrium. Combined with the long-term research on gold deposits in eastern Shandong, it was found that element geochemical distribution is a result of chemical equilibrium and physical chemistry is the cause of chemical action; accordingly, the thought of "The chemical equilibrium is affected by the change of pressure and temperature of tectonic forces" is proposed. The method of "structural correction based on ore-forming depth" has demonstrated the existence of the predicated "secondary enrichment zone" in gold deposits in eastern Shandong, promoting eastern Shandong to become the global third largest gold field from a crisis-mine severely afflicted area. Over more than 40 years' theoretical research, geological survey and prospecting practice, great progress has been made in tectonophysicochemistry. In 1996, the Professional Committee of Geomechanics set up the "Tectonophysicochemistry Professional Group". In 2018, "the Professional Committee of Tectonophysicochemistry" was approved by Chinese Geophysical Society.
Key words: tectonic dynamo-petrogenesis and metallogenesis    tectonophysicochemistry    additional tectonic hydrostatic pressure    tectonics combined with formation    tectonogeochemistry    
0 引言

18世纪,格鲁宾曼提出的变质岩的分类决定于所处地壳的深度,后来,应力矿物、构造变质和构造地球化学等,都属于岩石物理变化与化学变化相关的研究领域[1]

构造变形与变质及成岩成矿等作用密切共生关系的现象非常普遍,但是这一现象的动力学原理尚在探索。关键的科学问题是“构造力通过什么途径和方式影响化学过程”,其力学难点是,固体岩石的变形是差应力的产物,而地球化学反应大部分在液体中发生。可是,固体力学原理揭示差应力不能影响液体,因此差应力也不能影响地球化学平衡。

上世纪60—70年代,李四光提出“构造结合建造”的研究方向[2-3]。后来的研究提出动力成岩成矿理论[4-7]和构造物理化学研究[8]。构造动力成岩成矿与构造物理化学的研究丰富和发展了地质力学的理论。

在不均衡构造外力作用下[9-10],固体岩石产生偏斜应力场,偏斜应力场可以分解成各向等正应力部分和差应力部分。也就是说,应力场中既有引起岩石变形的差应力,也有引起岩石体积变化的各向等正应力部分,后者被称之为“构造附加静水压力”[11]。它是影响流体运移及其中化学过程的物理化学变量。构造带化学元素分布只是成矿作用的结果,而构造带的物理化学条件才是成矿地球化学作用的原因。构造物理化学重点研究构造力对压力、温度、岩石物理性质、地球化学相平衡和水岩体系的相变参量等科学问题。过去几十年,构造物理化学在矿田地质学、地壳深部异常压力、构造对油气长距离水平驱动、成矿深度构造校正测算和预测胶东深部第二富集带,以及超高压变质岩构造增压壳内成因演化模式等方面,取得有重要意义的研究成果和地质找矿效果。动力成岩成矿和构造物理化学理论在认识和开发自然资源环境方面还具有广泛的应用前景[12]

1 构造结合建造理论的发展

李四光在1929年提出构造体系的概念,1941年,应厦门大学校长萨本栋教授之邀在该校数学力学和物理系的讲演时,提出,地质力学作为一门学科。1947年在重庆中华书局出版了《地质力学之基础与方法》。1949年之后,地质力学广泛应用于国家经济建设的多个方面,在国家资源环境等领域作出了重大贡献。应用地质力学服务于国家各方面建设和发展,在大地构造、矿产勘查、工程地质、水文地质和地震地质等领域,也遇到了一些需要深化的构造地质学问题。李四光[3, 13-14]指出,对于一般的地质构造或大地构造的看法,大都分为两大派别:一派是从地壳的组成方面看问题;另一派从地壳的结构方面看问题。为了发展各自的优势,又要达到互相沟通和互相补充的目的,他倡导“构造结合建造”的地质工作和科学研究方向[2]

地质力学逐渐发展为大地构造学派,也需要从建造及其演化方面加以深化[15-16]。李四光提出构造体系的发生、发展、复合、转化并且在旧构造巩固了多少的基础上,又出现新型构造等等继续不断的变化,是从历史的观点来看大地构造发展的过程[17-18]

“构造地球化学”的中文初始概念是由李四光提出来的[19]。1954年,陈国达向李四光部长汇报野外研究工作时提出,秦岭区域岩石构造带显示深部地壳元素组合有明显富集的特点,有深部重元素组合上翻到地表的现象。李四光肯定了深部岩石富含原子量偏大的元素组合,并在秦岭构造带浅部富集的地质现象,指出这是一种“构造带地球化学”特征。在构造地质学领域,地质力学除了研究结构面、地块和构造体系的三重基本概念之外,开始考虑构造作用过程中岩石的组成、建造和地球化学成分的变化问题。李四光在“构造地质学的三重基本概念”一文中首次提出对应于构造“形变”的构造“形质”新概念[20]。构造形变-形质的提出,陆内构造岩浆核杂岩隆起-拆离带成矿问题的研究,不断沿着“构造结合建造”研究的方向发展。

上世纪50年代,国家的战略性矿产紧缺,例如铬、铀等矿种。这些矿种在国外的矿床具有大、浅和密集的发育特征,而这些矿在国内显示小、深和分散的面貌。相当一个时期,地质找矿效果不好。1956年,李四光转达了周恩来总理的意见,表示对于现有高级技术人员要合理使用,特别是为了在12年内,一定要把地质科学的主要方面达到或接近国际的先进科学技术水平,必须要发挥科学家们的潜力,并对他们工作中主要理论方法和技术加以适当的调整。

1956年,李四光邀请杨开庆加盟地质力学的研究工作。1956年6月,杨开庆因工作劳累再次吐血,住进医院(现友谊医院)。6月的一天,李四光带着他的书籍和论文等来到杨开庆的病床边,首先谈到周总理关于重用高级知识分子使用指示的讲话。然后,他一篇一篇介绍,耐心地分析了地质力学面临的问题。李四光请杨开庆加强地质力学构造找矿工作,筹建地质力学相应研究室,并传达科学院的调任决定,调杨开庆开始搞放射性原子能相应工作。李四光比杨开庆大25岁,是前辈、地质学家和导师,又是地质部长。杨开庆对于李四光如此亲临病床看望,又给以如此重大的任务、责任和信任的知遇之恩,感激不尽甚至有点恐慌。1962年,李四光在青岛养病期间,用3个半天时间听取杨开庆的汇报,同时介绍了关于“构造结合建造”的想法。1979年,杨开庆发表了关于构造岩相带划分及其在沙尔托海铬铁矿深部找矿的相关论文;1982年,提出“构造动力成岩成矿”的代表性论文;1988年,在庆祝杨开庆先生70岁的论文专辑中,他“代表各位作者向先师李四光表示无限的怀念和崇敬”,指出“‘动力成岩成矿’观点就是在地质力学构造体系控岩控矿的理论基础上提出来的”[4, 7]。杨开庆没有辜负李四光的信任,出色地开展了具有“构造结合建造”特色的地质工作,发展了地质力学。

在这期间,杨开庆带队,为国家寻找铬铁矿,取得了突破成果,为深部找矿作出了巨大的贡献。新疆萨尔托海铬铁矿,尽管大多专家认为是国内最有前景的矿区,但是截至1965年,9年里没有发现大型铬铁矿。1965年10月19日,由地质部部长、副部长、地科院和地质部党委签发文件:“请李四光指派一个懂构造、地质力学的专家到新疆指导找铬矿”。1965年10月,李四光指派杨开庆任全国铬矿指挥部技术负责(1966—1967年)。1966年7月4日,杨开庆和邵云惠等正式提交萨尔托海布点报告图件,指出22个有利部位。1966年7月15日开钻,并在靶区工程验证见矿。当时根据地质力学所的科研人员对“构造特区”进行找矿验证,布ZK1401—ZK1405多个钻孔,其中ZK1401钻探在330米处见2层矿,厚2.18米。1984年,依据ZK1401见矿孔选定新的预测区,7个钻孔见矿,最厚矿层23米。1993年ZK1401钻探资料再次被使用,发现厚约300米的大脉体。截至1994年该矿区共求得C+D级储量64万吨,主矿体62万吨,是1994年国内最大的铬铁矿。地质力学研究所为该区揭露巨大的铬铁矿储量提供了开创性和突破性的科研成果。

2 动力成岩成矿理论观点和方法

杨开庆1938年就学于西南联大地质系以后,长期致力于矿床学和地球化学方面的研究工作[4-5]。在他带领下,曾发现云贵地区高铝层位和山西某地钼矿床;他运用地质力学理论和方法,预测新疆沙尔托海铬铁矿深部的铬铁矿盲矿体,后经钻探得到了验证,这项工作引导了20年以后的深部找矿突破[4]。另外,他还为填补阿拉善北部地质空白、确立五台山震旦纪与前震旦纪界限等方面做出过出色成绩。

五十年代,开始“构造结合建造”的研究,推动了地质力学的发展把地质力学理论与矿床地球化学相结合,把形变与相变相结合,提出了动力成岩成矿理论和研究方法,在成矿动力学领域开辟了新途径[7]。“动力成岩成矿”理论的核心要点是,“构造不仅控岩控矿,而且具有构造动力成岩成矿作用”[4-6]。在1978年的天津铁矿会议上,他形象地解答了“构造物理作用怎么能影响化学作用”的质疑。

苏联“物理化学地质力学”研究者提出,“研究复杂地质过程中与相界面上的表面互相作用类型,化学成分及矿物结构、温度等要素,依赖岩石结构力学性质而变化规律和机制,是介于扩散体系物理化学和地质学的边缘科学”,其关注固体相界面的物理化学作用与力学性质的关系。法国“化学地球动力学”观点是,把板块构造地质学和地球化学结合起来,地球物质分布和迁移统一的理论,既描述大陆地壳、地幔、地核、大气圈的物质迁移,又用碰撞俯冲作用等动力机制解释这些现象的地球动力学本质。“地质力学”研究固体相界面物理化学作用,而化学地球动力学则探讨大陆岩石圈运动的化学标志,而动力成岩成矿则强调在矿田尺度上开展理论、方法研究和地质找矿实践。

2.1 动力成岩成矿理论的研究

研究思路:地壳物质变化和分布与地壳运动有关;地壳的水平运动是在重力场中进行的,构造力和重力在岩石中产生地应力;地应力是引起物质运移变化的重要因素; 而岩石地球化学组成、分布和变化与外力影响物理化学条件有关;构造动力作用控制物质形态、组成特征及其变化等,是动力成岩成矿研究基础。

理论观点:构造动力引起的物质变化和形成的理论;构造动力地球化学理论;构造物质分布场理论;构造体系成岩成矿理论;构造动力能量转化理论;地球物质的构造动力分异理论。

主要研究内容包括:构造运动密切配合着成岩成矿活动、岩石形变与岩石矿物相变、构造控岩控矿与构造成岩成矿、动力成岩成矿、构造动力作用中地球化学作用、岩石形变中同步地球化学作用、外力对岩浆结晶时所起的控制作用以及构造动力对于岩石组成的调整作用[4-6]。这个理论的演变与发展过程,标志着构造成岩成矿理论观点的逐渐形成,或者说,从研究构造控制矿产分布规律提高到构造控制矿床的形成作用。

构造动力成岩成矿作用表现为两种形式或领域:其一是固体岩石变形时控制的成岩成矿作用,其二是岩浆结晶过程的构造动力成岩作用。构造动力作用控制岩石、矿物和地球化学的建造组成,而且岩石的构造变形发生新的岩石、矿物和地球化学建造组成,这两种构造-建造的原因揭示出一种动力成岩成矿作用的实体,即构造岩相带。

2.2 动力成岩成矿关键研究问题

(1) 构造动力地球化学

构造动力地球化学有许多有影响的研究成果。运用耗散结构(dissipative structure)理论解释元素在断裂带由内向外的顺序,张治洮曾讨论了断裂带垂直动力地球化学问题,认为在中深部断裂带构造岩的元素变化微弱,Na略有增高;深部构造岩,由于流变而使化学变化强烈,Si,K,Na成为活动组分带出。认为地球作为一个统一的动力化学系统,必须建立以构造体系为核心,联系并融合大地构造、岩浆活动、变质作用和矿床形成于一体的多级构造-地球化学体系。

杨开庆归纳了构造动力地球化学的两个研究应用方面或领域。强调岩石变形中同步的地球化学过程(Synchromous geochemical process in rock deformation),指固体岩石形变,发生岩石被压碎-研磨流动-构造重熔过程伴生一系列地球化学作用。后来研究发现,岩浆结晶作用受应力影响塑性流动过程的成矿元素富集的规律(toctono-geochemical process in magma crystallization)[21]

杨开庆善于用小构造揭示构造成岩成矿的观点和关键科学问题,他发现厘米级的小型褶皱,其不同构造部位控制了变形变质过程[7](图 1)。背斜中合面之下,其变质形式是类似花岗岩化或混合岩化成岩作用;中合面之上是拉伸区、层间滑动及张裂隙发育构造成岩成矿区,变质和改造的成岩成矿过程是伸张部位的新成矿物生长区,表明构造应力场与元素地球化学场有关。

图 1 褶皱中物质重新调整方式[7] Fig. 1 Readjustment of materials in folds[7]

西藏罗布莎岩体,发育典型的塑性流变结构的矿石标本(图 2),以铬尖晶石等矿物显示的流动线理和面理是低品位矿石。横断流动方向发育了隐裂,其中大量的铬尖晶石富集为高品位的铬铁矿石[7],该现象显示了结晶过程中的成岩成矿作用。

图 2 流动结晶物质在张裂隙面内集中方式 Fig. 2 The concentration mode of flowing crystalline materials in the tensile fracture surface

构造作用下同步地球化学作用已越来越引起人们的广泛重视。1982年12月,海南岛“第一届全国小型构造与矿田构造学术讨论会”和1983年长沙“全国构造地球化学座谈讨论会”反映了这方面的研究状况。徐光炽认为:构造是地球化学过程的驱动力,它使一些地质作用能够开始,能够运行,能够完成。构造作用在元素地球化学分散聚集中起很重要的作用。陈国达[22]认为:地台活化的地洼阶段,其构造地球化学理论可以揭示各种构造环境下有用物质组份的赋存规律,能有效地指导找矿勘探、开采和进行成矿预测。张文佑等认为:构造不连续面和岩性不连续面是应力集中和释放的部位,也是物理化学性质变化的明显梯度面,这里是成矿元素沉淀的有利场所,成矿元素以络合物、螯合物或真溶液的形式远距离迁移和沉淀。

(2) 构造应力对岩石矿物物理和化学性质的影响

岩石形变与岩石矿物相变的研究是建立矿物物理和矿物化学作用的基础。在这方面应加强应力矿物及其实验研究,探讨应力作用下矿物沉淀、结晶、堆积和组合规律(图 3),从矿物转变的特点去研究矿物对应力的物理稳定性和化学稳定性,并且要与显微构造和实验岩石学结合起来,把矿物形成的整个过程与应力作用相结合,促进应力-矿物研究的发展[6-7]

图 3 张扭性破裂面内矿物动力结晶分异方式 Fig. 3 Dynamic crystallization differentiation of minerals in tensile torsional fracture surface

矿物在应力作用下首先表现出体积的收缩和晶格的位错。体积的缩小使组分粒子更紧密地堆积和排列。由此矿物出现致密结构,原子和粒子的键长缩短和相互电子云最大限度的重叠,这就使矿物晶体的内能强烈地增加而处于高能状态;矿物不仅具有明显的变形能而且伴生较高的化学能,因此能促使在常态环境不能实现化学作用的发生。

矿物变形的物理变化有光轴变化、光性异常、密度变化、导电性、放光性和磁性等的变化,即综合体现出矿物物性的改变;显微构造化学的概念,企图从构造形变的物理和化学过程两个方面的结合来揭示显微构造的形成机理。矿物变形中的物理和化学变化现象在《应力矿物概论》中已有详尽的论述,这是至今仍作为借鉴的蓝本[1]

(3) 岩石的形变与相变

沉积岩、岩浆岩和变质岩的次级岩相显示很明显的变化,就其岩相转化成因而言构造作用力无疑是一个重要因素。岩石在变形中因粒化、软化、玻化、重结晶甚至重熔等作用而留下岩石相遗迹。岩石在剪应力作用下塑性变形并伴有岩石的相变,这是韧性剪切带和深层次变形带的一个重要的特征。但是岩石的韧性变形绝非仅限于在深部环境中,在浅部长期变形岩石中也不乏其例。

岩石变形条件,除了要研究其温度、压力等参数外,还有矿物的组合、氧化物比值、变形时间和空间范围、区域热力场等要素,同时也应该重视因岩石变形相变而成矿问题。新疆超基性岩固态侵位流变相成矿;康滇构造带,从早元古代细碧角斑岩建造的铁铜矿,到晚元古代碎屑-碳酸盐型铁矿铜矿,到早古生代碎屑岩建造的碧鸡山式沉积铁矿,再到晚古生代岩浆性钒钛磁铁矿和晚二叠玄武岩中道坪子式铁铜矿,最后到侏罗—白垩纪陆相含铜砂岩建造,都可以作为构造岩石相变而成矿的典型实例。

动力作用改变煤岩的牌号,也已被多处煤田勘探所证实。含煤岩系在挤压或扭张作用下,通过热的稀出、传导和积聚,分别与特定构造应力场或构造带相协调。区域地热场或地热异常带,往往直接控制着区城性煤变质带的展布。

江西赣南701矿(花岗岩离子吸附稀土矿体)中稀土元素,由于构造应力作用将原来呈类质同像或微包体的稀土矿分解,呈离子状态出现,在后期的风化壳中富集成矿。北京地区石槽铜矿由构造作用形成的大小不等的透镜体周边以及构造带内产出动力变矽卡岩,这些水化矽卡岩的形成对铜矿富集起了重要作用[11]

(4) 岩类固态流动与成岩成矿

岩石固体流动是研究区域构造和区城成岩成矿值得重视的特殊问题。岩类流动的规律是建立在岩石流变性规律之上的,岩石流变性是构造地质、构造变形、构造变质和岩类流动的基础。在三轴应力和高温高压条件下的岩石流变实验,有着长期和困难的研究历程。

杨开庆[4]在吉林、新疆以及云南曾先后多次发现岩类流动,处于深部或下部的岩层和岩体碎块在大规模隆起的侧压作用下,向上侵位或窜层于上覆的岩体或岩层之中而构成“远程异体”的“大蒜头”。研究了云南昆阳群“因民组”底辟构造,海南石碌铁矿富矿的岩类流动现象,石碌铁矿褶皱过程中铁矿体流变特征的高压模拟,剪切带的物质如果快速流动可产生岩相变化层,例如在剪切带主界面附近可出现“假熔融玻璃”,岩石固态流动具有普遍的和特殊的成岩成矿意义。

(5) 元素的应力效应

构造作用是否能影响元素的结构,在“动力成岩成矿”研究中占有重要地位。元素的一些基本参数并非是永恒的值,也已证实它们是可变的。元素的原子半径和离子半径是一个区间的变量,元素在进入晶格和参加反应时,是以有效成键半径完成的。研究认为元素有效半径(结晶成键半径)与其所处的结构和环境有关,同一元素在不同地质条件下常以不同半径进入矿物和反应物,如Fe3+(0.67Å)和Fe2+(0.83Å)就分别集中在不同的构造环境中,前者多出现在强氧化的裂隙开放环境,后者则在强还原环境中富集,各自形成不同的含铁硅酸盐和铁矿物。

苏联科学家的实验说明,在压力条件下,可导致门氏周期系和元素周期的消失。他的实验证明外围电子可被压进内层未充满的轨道上,出现元素的异构体。放射性元素辐射作用可能对岩石变形产生影响。在秦岭曾见到某地巨厚的石英岩,由于发生强烈揉皱而重结晶石英颜色变暗,应该属于这类问题。

(6) 动力成岩成矿实验和模拟研究

动力成岩成矿理论的发展,除了地质观察和研究外,还依赖实验工作。对于岩石脆性、塑性和流变性的特征及转化规律;矿物结晶习性对应力的指示标志;矿物中元素集散规律,产生岩石形变与相变的机理;变质相系与压力环境关系等等问题,都可以开展高温高压、低温高压,低温中压和低温低压等实验。

研究剪切变形与熔融关系的实验和分析表明,构造外力影响岩石弹-塑性变形的转变、矿物光性和光轴的变化,引起矿物发光强度普遍增高,矿物重结晶和矿物重熔,以及同构造的化学成份变化规律,构造应力的富集成矿过程,都需要实验研究和深入分析。

(7) 动力成岩成矿的编图工作

构造岩相带划分,结合构造地球化学特征开展编图,是动力成岩成矿理论基础上的找矿方法。一般来说,逐次进行矿床、矿田的矿带不同比例尺的编图;结合建造地球化学划分成矿构造岩相带;把构造体系及其构造岩相成岩成矿规律落实为成矿预测图。动力成岩成矿的编图工作,将会创造一种别开生面的、构造结合建造的编图方法,为圈定深部外围找矿靶区及研究地壳运动规律探索新的途径。

3 构造附加静水压力的新概念

构造作用在引起地壳岩石矿物的变形, 即产生各种构造形迹等物理变化同时,还引起相应的化学变化——探求构造与地球化学内在联系,就是构造地球化学研究的内容。作为介于构造地质学与地球化学两大领域之间的构造地球化学(tectono-geochemistry), 是一门长期探索的边缘交叉领域[12]

19世纪中期,H. C.索比最早提出了“经受着变形的岩石可以发生化学变化”,在这一科学论断的启示下,地质科学在探讨各种构造活动过程中元素活化迁移、物质重熔分异、流体循环方式、变质温压平衡、动力成岩成矿、高温高压实验等方面,获得了大量的系统的研究成果。

构造地球化学现象在自然界非常普遍;但作为一门分支学科,它的理论和实验基础尚有很大的深化空间。构造力是完成某些地球化学作用的动力的问题被地学界所重视。越来越多的研究表明,构造变形不仅仅是一种物理机械作用,而且影响到某些地球化学作用,它们之间存在着力学-化学的耦合关系。从20世纪30年代构造地球化学思想得到系统的表述开始,在相当长的时间里这种科学思想成为地质科学研究的前沿和关注的核心。80年代,构造地球化学受到中国学者的广泛关注,成为地学界的热点研究领域。

构造地球化学的发展得益于构造与岩石矿物地球化学相关边缘领域的研究和交融。将构造作用与岩石形成及成分变化联系起来的思想由来已久,但提出系统研究和表述的当推哈克和桑德。他们分别将应力矿物和岩石组构变化的形成归因于构造作用。格鲁宾曼把变质岩的分类划分与其所处的深度联系起来,尼格里把变质岩相、温度和压力环境统一起来。哈克通过化学反应中矿物之间体积变化对压力影响的运算,探讨了应力矿物的地球化学问题。陈国达开展构造与地球化学相结合的研究,并提出“构造地球化学”的术语且开设专业课程。日本学者提出了双变质带概念,虽然也有人认为它们可能不是同时出现的,对于双变质带迄今也仍有分歧意见,但都城秋穗认为在板块俯冲带温度梯度和压力梯度都有异常,实际上打破了温度和压力一定与形成深度相配合的旧观念。皮切尔则按构造环境来划分不同的花岗岩岩石类型,大大提高了花岗岩的构造地球化学研究水平。杨开庆[5]研究构造地球化学与成矿作用问题后,在构造控岩控矿研究的基础上提出了“构造动力成岩成矿”理论。弗农出版了有关显微构造与化学物质迁移和分布关系的专著。

在一个比较长的时期里,构造地球化学成为地质科学前缘和热门,但是也不断提出新问题。上世纪70—80年代,很多学者重视构造地球化学的研究,内容逐渐扩大,涉及比较广泛的地质科学领域。但是,试图证明差应力对化学反应具有影响的实验并没有获得成功,典型的应力矿物多数在非应力条件下也可以被合成。英国地质学会在“变形与变质作用关系”学术研讨会议后总结道:如果实验证实化学平衡P/T参量的差别依赖于偏差应力的话,或许要再回到哈克应力和反应力矿物的观点的时候了。在1980年前后,构造地球化学,获得了众多的研究成果,举办过多次很有影响的专业学术会议。1983年,中国在长沙召开过“第一届全国构造地球化学座谈讨论会”,开展了定期的“构造地球化学学术讨论会”,1989、1992、1995年分别在贵阳、昆明、桂林均有召开。可是,上世纪90年代后期,该领域进入低潮阶段,“构造地球化学学术讨论会”停止活动。

关于构造影响化学平衡的问题,王嘉荫曾利用体积比较法来判断构造变质化学反应的平衡方向。后来人们开始注意到构造应力场中平均应力的作用,用褶皱部位不同的平均应力来推断岩矿化学组成差异的原因。西胁亲雄用实测应力及其平均应力研究斑岩铜矿矿床的地质特征和成矿过程,用实验探讨平面各向等应力对矿液的趋动等研究。为了研究矿化流体的运移和成矿机理的动力学问题,许多学者测量、计算了岩石的体积变化和平均应力等参量,结果表明这是一个重要的理论探索方向。该领域的基本问题“构造力能否影响化学平衡”这个争论了150年之久,尚无令人信服的研究进展。

吕古贤选择“构造附加静水压力”开展动力成岩成矿理论研究,并且作为博士论文选题的核心,提出解决这一问题的新思路,认为受力固体岩石引起偏应力场[9-10],构造偏应力状态又可以分解为差应力部分和各向等正应力部分;差应力部分引起岩石的物理变形,而各向等正应力部分不仅是引起体积变化的体变物理量,而且是可以影响化学平衡的物理化学参量[23-24]。构造应力状态的各向等正应力,即是压力或围压概念的不同表达,吕古贤称之为“构造附加静水压力”。构造附加静水压力能引起岩石体积变化并且控制流体压力、流体运移,并且是影响化学反应的独立变量,因此是一个物理化学变量。这一认识,为形成“构造作用力通过压力温度等物理化学条件来影响化学平衡和过程”的思路,为构造物理化学建设奠定了理论基础。

地质力学专业委员会决定支持这一研究方向,在1997年设立了“构造物理化学专业学组”。构造附加静水压力的研究,起始于石槽矽卡岩铜矿矿田构造研究,发展于地质力学所雄厚的数学力学环境,成为地质力学“构造结合建造”研究的重要进展。

3.1 石槽矽卡岩铜矿矿田构造控岩特征

北京石槽铜矿区发育中生代花岗岩,岩体呈“W”形且东西向分布,沿北东向的岩体侵位在偏于挤压的构造带,而另一组岩体沿北西向偏于引张构造带侵位[25-26]。系统测试分析发现,这两个方向的岩体、岩脉由于处在压-张性质的不同构造空间,结晶岩石在结构、构造、矿物组成及岩石化学成分等方面表现出有规律的变化。经研究提出,上述变化的原因是由于局部构造附加静水压力叠加在围压上,使得成岩压力不同而致的重要认识[11, 18]

铜矿区的石槽主岩体中,西半部角闪石含量一般大于黑云母含量,而东半部岩体多是黑云母含量大于角闪石的含量。正长石含量的变化几乎同黑云母含量的变化同步,这似乎与西半部岩体带因受压扭性构造作用有关。不同构造带的霏细斑岩暗色矿物的含量有明显的变化,并且以压扭性结构面中的钙长石含量高为特色。斜长玢岩脉群处于矿区东部,且南部比北部的挤压力更强,南部岩石的暗色矿物含量和斜长石、钙长石含量均比北部岩石的高(图 4)。

霏细斑岩(上)及斜长玢岩(下)的斜长石牌号An(%)(A)变化及暗色矿物含量(%)(B)变化;横坐标为取样点及样品编号 图 4 不同构造岩相带岩石矿物的变化图 Fig. 4 Variation of rock minerals in different tectonic facies zones

压扭性结构面中岩石矿物的暗色矿物相对多一些,其中,角闪石往往多于黑云母,并且斜长石中钙长石含量增高;反之,在引张部位石英含量聚增(图 4)。

霏细斑岩的岩石化学分析结果总体表现出一定的变化规律,如在张裂隙中的岩石SiO2、K2O、Fe2O3的含量相对升高,而Na2O和CaO、MgO相对降低。

而斜长玢岩的构造地球化学分析(图 5)可以发现,随构造应力作用减弱(从压扭性结构带到张性结构带),SiO2、K2O、Fe2O3的含量明显升高,相反Na2O、FeO、CaO、MgO、Al2O3含量降低;同时,结晶水。TiO2、P2O5与MnO含量的变化相反,在压扭性空间的岩石中富集。

图 5 斜长玢岩Ⅲ-Ⅲ′剖面化学成分变化图 Fig. 5 Chemical composition variation of Ⅲ-Ⅲ′ profile in plagiophyre

同一岩浆结晶岩石的化学分析显示,在压扭性结构面相对于张性结构面的岩石更基性一些,且以相应的结晶矿物表现出来;地球化学和温压特征表明,压扭带显示相对封闭的和较低温的结晶环境。其他物理化学参量分析表明,Na2O的增加与降低熔融体结晶温度同步,压扭性结构带的挥发份的含量偏高,也降低了岩石结晶温度,物理化学参数指示挤压空间是相对封闭还原的结晶环境。

岩浆侵入、侵位于不同力学性质的结构面,其结晶过程和结晶岩相呈现有规律的变化,证实杨开庆先生的岩浆岩构造岩相的普遍性。石槽矿区进一步构造岩相研究发展,这一变化的原因不是侵位深度的差别,而是“构造应力作用强度和方式及其所造成的压力——构造附加静水压力”不同而致[11]

可见,从压扭性结构带到张性结构带,构造附加静水压力显示从大到小的变化,因而控制了物理化学环境及其成岩地球化学过程。石槽矽卡岩铜矿矿田构造成岩的研究,继承构造动力成岩成矿理论,提出“构造附加静水压力”新概念,也奠定了构造物理化学的基础。

3.2 构造附加静水压力的数学力学分析

(1) 构造附加静水压力的概念

固体力学认为,对于中浅地壳岩石,无论重力还是构造力都是有方向性的各向不均衡外力,外力一般(在108~106a时间尺度内)都引起偏斜应力场。然而偏应力($ \tilde{\sigma }$)场的差应力(σ′)部分只能引起固体变形,只有偏应力张量中的各向等正压应力($ \tilde{P}$)部分,相当于平均应力,即“各向等压力”,又被形象地称之为“静水压力”的部分则可以引起固体体积改变[27]。压力就是引起物体各向等量变形的各向等正压应力的一般概念。

(2) 地壳岩石应力状态数学解析

构造力产生一部分静水压力,那么,地壳中一点的压力是由重力应力场和构造力应力场的两部分压力组成的。地壳中一点总静水压力P是由两部分叠合而成的,即重力的球应力部分PG和构造力造成的球应力部分PS共同组成。即:

$ P = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {{P_{\rm{G}}}}\\ 0 \end{array}}\\ 0 \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ {{P_{\rm{G}}}} \end{array}}\\ 0 \end{array}} \end{array}} \right.{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left. {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ 0 \end{array}}\\ {{p_{\rm{G}}}} \end{array}} \right) + \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {{P_{\rm{S}}}}\\ 0 \end{array}}\\ 0 \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ {{P_{\rm{S}}}} \end{array}}\\ 0 \end{array}} \end{array}} \right.{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left. {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ 0 \end{array}}\\ {{p_{\rm{S}}}} \end{array}} \right) $ (1)

公式中PG称之为重力附加的各向等正应力,或重力附加静水压力。

$ {P_{\rm{G}}} = \frac{1}{3}\frac{{(1 + \mathit{v})}}{{(1 - v)}}\sigma _{\rm{Z}}^{\rm{G}} $ (2)

PS被称之为构造附加的各向等正应力,又称为构造附加静水压力,ν为泊松比,σZG是垂向压应力:且

$ {P_{\rm{S}}} = \frac{1}{3}(\sigma _x^s + \sigma _y^s + \sigma _z^s) $ (3)

公式中σ'xσ'y为水平方向的压应力。

因此,地壳静水压力是由重力和构造力两部分球应力叠合而成。

$ P = {P_{\rm{G}}} + {P_{\rm{S}}} $ (4)

如果用解析简图表示(图 6),可以形象地展示重力(G)和构造力(F)各自对地壳一点应力状态的贡献,能够对地壳中应力状态的分解作一个形象化的说明。就是说,地壳中应力场T可以看成是一个静水压力场和一个差应力场的复合或合成。

σ1, σ2, σ3, 为三维主应力;p, pG, 和ps依次为三类各向等正应力-总静水压力,重力附加静水压力和构造附加静水压力;σ’是差应力,σGXσX分别为重力和构造力产生的差应力;图中虚点圆表示各向等正应力,即静水压力部分。 图 6 地壳中任意点的应力状态分解示意图 Fig. 6 Schematic diagram of stress state decomposition at arbitrary point in the crust

运用应力叠加分析图表达,地壳深部一点的应力场,可以分解为两部分。其中平均应力P是由两部分组成的,它们分别是重力引起的压力PG和构造力引起的压力PS,后者即是构造附加静水压力。外力引起的差应力也可以分解为两部分,分别是重力应力场的差应力与构造应力场的差应力。

分析表明,当既有重力又有构造力且两者叠加的情况,压力明显增大(图 7)。

图 7 重力叠加水平力形成的三轴应力摩尔圆 Fig. 7 Moore's circle of triaxial stress caused by the superposition of horizontal forces and gravity

当只有重力作用时,摩尔圆由σZ=σ1, σx=σY=σZ构成,有最小围压P(图 7)。当叠加水平应力σx时,产生三轴不等的三个合力:[σx]、[σY]、[σZ]。此时的差应力由Δσ提高为[Δσ],最小围压由P提高到[P]。

3.3 不同构造变形带的构造附加静水压力分布

地质力学的重要概念和基础之一是,构造带力学性质的鉴定和应变-应力的定量化。那么,不同力学性质构造带的构造附加静水压力分布是什么状态,有什么区别与变化,就是非常重要的问题了。

数学模拟证明[24],同一外力作用下,挤压变形带(PC)、压剪变形带(PS)和引张变形带(PT)中岩石承受的构造附加静水压力不同(图 8图 9)。在弹性阶段,|PC|>|PS|>|PT|。

图 8 构造附加静压力在不同的构造带中分布的模拟结果 Fig. 8 Simulation results of the distribution of additional structural static pressures in different tectonic zones

图 9 不同的构造带构造附加静压力分布[13] Fig. 9 The distribution of additional structural static pressures in different tectonic zones[13]
4 构造物理化学研究与发展

构造物理化学[8]建立和发展的基础,是地质力学理论方法和动力成岩成矿理论。

4.1 胶东玲珑-焦家式金矿——构造控矿与构造成矿的研究基地

山东发育石英脉型金矿,被称为“玲珑式”金矿,而脉状蚀变岩金矿即“焦家式”金矿[28-29]。有学者认为两者发育为地壳深度不同的垂直分带关系,前者是中生代浅部地壳成矿,后者是远古深部地壳成矿[30-31]。吕古贤等[32]研究指出,两者是同一热液蚀变矿床,由于成矿构造不同显示为不同矿化形式,两者水平分带为主呈现“入”形构造关系,提出“玲珑-焦家式”金矿的新认识(图 10)。胶东玲珑-焦家式金矿是产于元古—太古代变质岩系范围内,但却是中生代岩浆核杂岩隆起-拆离带岩浆期后热液矿床[33-34]。由于控矿构造的差别,表现为黄铁矿石英脉和细脉浸染状黄铁绢英质蚀变碎裂岩两种主要矿化形式,它们在同位素特征、温度压力状态、化学元素分布和成矿地球化学过程等方面均具有规律性的变化(表 1),是典型构造控矿、构造地球化学和构造物理化学成矿特征的实例[35-36]

a—焦家金矿Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号矿体古差应力分布;b—焦家金矿112勘探线剖面地质图①—胶东群斜长角闪岩;②—绢英岩化斜长角闪岩;③—黄铁绢英岩;④—硅化花岗岩;红化(钾化)花岗岩;⑤—花岗岩;1—焦家断层;2—岩性界线;3—绢英岩矿体及编号;4—黄铁矿石英脉矿体及编号 图 10 焦家金矿112勘探剖面及其勘探构造应力分布 Fig. 10 Exploration section 112 of Jiaojia gold mine and the distribution of exploration tectonic stress

表 1 玲珑-焦家式金矿床成矿模式图 Table 1 The metallogenic model of the Linglong-Jiaojia gold deposit

在深入的研究基础上,于阜山金矿区实施3 km2构造变形岩相填图,测试物理化学参数(压力、温度、Eh、pH、K+、Na+、CO2、lgfs2和lgfo2等)发现,挤压断裂带压力和还原参数等较高,引起K和Si增高而Al和Na氧化物降低的化学变化,形成蚀变岩金矿;而引张断裂的K增高同时Si、Al和Na氧化物降低,发育石英脉金矿的规律。金矿物理化学条件的不同是地球化学变化的原因,因而提出构造力改变物理化学条件而影响化学平衡的认识,开拓了构造物理化学——研究受构造力作用地壳物质发生物理变化与化学变化相互物理化学关联的学科方向。欧阳自远、陈毓川和翟裕生三位院士认为,构造物理化学开拓了金属成矿学新的研究领域[32]

4.2 构造物理化学的理论观点

研究认为,地球化学分布是地质过程的结果,物理化学才是化学平衡控制性原因[37-38],提出构造作用力通过控制压力、温度和其它物理化学条件影响地球化学过程[32]的思路。尽管成矿体系是随时间和空间而变化的,但从某种角度看,控制某些成矿元素运移和沉淀的基本物理化学参数且是不变的。形成矿床的任何元素的聚集都需要一个化学运移过程,而往往这个过程必须有流体参与来完成,这个过程又直接受当时物理化学环境条件控制和影响。

通过理论、实测数据和实验证实构造作用力影响静水压力和构造作用影响温度条件等问题,结合构造变形岩相的概念和观测方法,构造物理化学初步建立了学科框架。

4.3 构造物理化学的基础地质科学问题

(1) 关于构造附加静水压力的研究

前面已提及了构造静水压力的一般概念。目前所测的构造附加静水压力是在一定力学假设前提下获得的,往往用线弹性的假设去计算塑性变形的岩石,因而这种估算所得的压力值需要进一步精确化。如何从地质现象中识别、测算分析出构造附加压力仍然是构造物理化学研究最重要的任务。

(2) 关于构造作用影响温度(热)的研究

岩石在构造作用下相对运动,产生位移和变形。按照能量守恒原理,其机械能可能转变为其它形式的能量,部分转化为热能,会引起受力物体的温度变化,称之为构造热问题。

把构造热问题初步分为三类[32]:构造变形热、构造摩擦热和受构造影响的传导热过程,把不同构造变形局部发生的温度差别作为构造物理化学研究的重要内容和途径。

构造活动经常伴有岩石的脆性破裂和韧性变形。岩石的变形增加了岩石的应变能,破裂增加了岩石表面积,大大扩大了表面能。岩石裂面之间的摩擦也会产生热能。岩石的能量除了产生声响、光电效应和位移功之外,大部分能量都可能以热的形式散发在岩石中,由于岩石大多数是不良导热体,所以能够影响岩石的局部温度场效应。实验表明,处于挤压、剪切和引张的不同环境,它们的热散发过程和轨迹不同[8]

构造拉伸也可产生大量的应变解。刘瑞珣计算1 cm3花岗岩拉应变量最大弹性应变能(σ20/2E)是2.5×10-4 J。而只要破碎的粒度变小,则新增加的表面能就可以大大超过同体积岩石的最大弹性应变能。取石英为例,粒度如果由0.1 cm破碎到0.01 cm,则表面能增大达2.7×10-2 J,这个数字约高于花岗岩的最大拉伸弹性应变能的100倍[33]

(3) 构造应力场转化与成岩成矿特征的研究

构造应力场转化成矿的观点:矿带多数沿着挤压和剪切构造带发育,矿脉-矿条-矿石都普遍显示张性构造特征[39-41]。构造应力场转化成矿的分析表明,热液活动大部分在区域构造断裂带形成交代蚀变作用的后期,此时构造应力场最大主压应力方向发生近乎于90°的转变。热液矿床具有在剪压体制下以物质活化及大量交换运移为特色,而转化为剪张体制后,显示热液析出并在适宜的构造物理化学界面带成矿的演化特征;大型热液矿床的热液蚀变矿化过程伴有强烈的流体浓缩作用,初始浓度较稀薄的含矿流体,通过水岩反应生成大量富水矿物带使热液中自由水而大规模地缩减;流体的减压沸腾又促进成矿热液中自由水的减少,从而使残余流体中金属浓度增高,同时与构造应力场转化为引张特征的耦合作用致使新的低浓度流体加入,造成饱和流体的稀释和电解性质的改变,这样,流体的浓缩与稀释交替作用促进金属硫化物的反复沉淀。

岩矿结晶与流体压力大小有关,而断裂中的流体压力是波动式的低压—高压式的变化的。这个过程可以用Sibson的概图来解释。但是,他认为成矿流体压力在静岩压高压—静水压低压之间变化。而我们倾向,构造应力作用引起断裂的闭合挤压—开裂引张的变化,才是压力波动变化的主要动力。

2002年,在中国地质大学(北京)召开了“流体构造应力场转化成矿学术研讨会”[25]。吕古贤根据玲珑金矿田中多个矿床的节理分析、磁组构分析等资料,指出成矿前期与成矿主期的应力场有较大的转变,而这变化与所处区域板块应力特征一致[40]。胶东地区在208~135 Ma期间受板块向北西西向挤压,导致胶北地体深层次活化,在构造薄弱带发生剪切深熔,使得地壳增厚、花岗岩浆活动显著。主成矿期发生于135~100 Ma,在印-澳板块向北推挤作用影响下,转为板内拉张带断裂由压剪转为张剪,成矿流体进入断裂带,造成含矿热液的大量释放,金的局部进一步浓集,形成了胶东金矿集中区。

(4) 构造作用改变岩石物理性质的问题

科拉深钻孔岩石的物理实验表明,由于压力的作用,岩石不仅发生宏观的变形,在诸多岩石物理性质方面也要发生变化,如岩石的密度、孔隙度、光电磁反应等。由于围限压力的存在,地壳岩石随着压力的增大,岩石的渗透率有着相应变小的规律。

研究者关注深部岩石强度变化。普通岩石的单轴抗剪强度,远小于0.5 GPa,但是,由于深部岩石处在很大的围压下或三轴应力条件下。围压越大,矿物的抗剪、抗拉强度都很高,而其抗压强度在持续增高围压条件下几乎是无限的。对于辉长岩的实验证明,在T=500 ℃,围限压达505 MPa情况下,随着应变率增加〔(1→2→5→10)%〕及差应力变大,辉长岩的强度逐渐增大,最终强度可达817 MPa。实验岩石学表明在高温高压地幔转换带内富石榴子岩石的流变强度大大高于相邻深度的其它矿相。

(5) 构造作用影响PT及其地质相图的问题

成矿体系中物理化学条件的改变,特别是PT条件的改变,会促使化学平衡过程会发生变化,化学成分在各岩石中的分布情况也会随之发生变化。

在构造物理化学研究中,压力(静水压力)状态不仅是指由于地质体所处地壳深浅,所处地质作用(如岩浆或变质作用)位置而具有的温压状态,而且包括由于构造附加参量所引起的温压状态。就一般的地质环境而言,地壳中的温压主要来自上覆岩石的重力和水平方向的构造力。而如果研究的体系大体位于同样的地壳深处和相近的地质作用空间位置,则不同构造部位的温压状态就是体系相状态和变化的主要因素了。因此,在压力变化的系统(图 10表 1)中,构造对地质相图影响呈现出有规律的变化。

4.4 构造变形岩相地质研究与调查方法

在地壳物质的组成和形态同步变化的研究领域,应该遵循李四光构造结合建造的研究方向,必须形成一些基本的地质实体概念,这些概念既应该涵盖构造和建造两方面的状态,又要适应于室内和野外研究,特别具备野外地质工作的可操作性。而以往的构造地球化学研究缺乏野外地质填图的实用方法[30]。在“形变”和“形质”概念[14]基础上,研究提出构造变形岩相的概念。

在矿田尺度,使用构造变形岩相,即“构造变形岩相形迹是能反映构造作用下地壳岩石物质变形及相伴变质和岩相特征的地质实体”的概念。在不同的地质背景和不同研究尺度之中,构造变形岩相形迹的具体涵义有差别,但是,立足于构造变形力学而且渗透于基本的地质作用(沉积、岩浆和变质等)过程之中这两点是不变的、稳定的。构造变形岩相形迹,可以推进到构造变形岩相型式的概念,可以进行填图,成为构造物理化学研究的野外地质工作的方法和基础。进一步讲,这是一种岩石结构结合成分的新的成矿填图和预测找矿方法[32, 41]

开展矿田大比例尺(1:5万~1:1万)的野外地质填图,吕古贤提出了构造变形岩相带新概念和填图方法,通过1:25万、1:5万、1:1万和1:1000等比例尺的填图和成矿分析,发现了多处隐伏矿体。这一方法把找矿标志从十几米扩大到几百~几千米宽,显著提高了预测能力。编制了矿田地质勘查工作指南,按照内生、外生、变质和复成地质作用的具体特点,划分了31种构造岩相矿田类型。依据成矿构造变形岩相为目标的填图找矿方法,构建了建造-构造-成矿作用结合的矿田构造岩相勘查模式[42-43]

中国地质调查局、中煤集团、河南有色地矿局等单位应用构造变形岩相勘查模式,圈定了内蒙古、河南、胶东、甘肃等地区的一批重要找矿远景区和靶区,实现了金、铜、锡等找矿突破或新发现,取得了显著的找矿效果。2007年以来,山东地勘局的多个地勘单位应用“构造变形岩相勘查模式”,在境内外重要矿田发现和评价了多个大型-超大型矿床,涉及:金、银、铜、锌、铅、锡、铁、煤炭和氯化钾等矿产[44]

4.5 构造物理化学的深入发展

科学的发展有本身的规律,或者利用学科交叉发展,或者借助其它学科而深入,如板块学说要借助地球物理学、古地磁等才发展起来。将构造物理化学作为一种新的研究思路来看待,需要在各地学研究领域,以及各发展层次上来研究和考虑它的理论研究、应用问题与发展前景。

(1) 矿田地质学研究

矿田地质学(study of orefield,orefield geology, geology of orefield)是研究矿田范围建造、构造及其矿化形成演化规律的学科,研究各类岩石的组成建造特点、构造要素、矿田的构造建造背景及矿田成矿构造规律[41]

矿田地质研究的次级范畴,主要包括矿田建造、矿田构造和矿田成矿三个主要方面。矿田建造学,研究矿田内具有构造成因联系(沉积、岩浆、变质等三大类)的岩石共生组合,测试其岩石矿物地球化学特征和变化规律。矿田构造学,研究矿田控制岩石矿床形成、改造和空间分布的构造要素。矿田成矿学,研究矿田的矿床及其组合系列的地质构造、地球化学、地球物理和物理化学的形成机理和成因过程[26]

矿田地质学的研究为危机矿山国家项目基本概念、勘查分类、评价标准和综合分类等方面提供了科技支撑[33-36]

(2) 地壳异常压力和地壳深部压力状态研究

构造物理化学的研究可以促进对地壳深部压力状态的深入了解[45]。随着高精度地球物理资料的不断涌现,地球深部非均一性的问题也已得到了广泛的认可。

如果重力是地壳中压力的唯一来源的话,那么在同一深处平面上,压力值应该相等,因而是一种静态的压力状态,相当于静流体状态,符合于帕斯卡(Pascal)原理,又称之为“正常压力”。而当考虑构造作用力也是地壳静压力来源之一,且用固体应力状态为依据去认识地下应力状态的时候,就会发现有许多地壳异常压力地段,并将得到一个受扰动的静水压力等值面,也就是说,在同一水平面上,各处静水压力值是不相等的[42]。根据理论与实验研究,往往受构造挤压力较强区段的静水压力值大于发生拉张区段的值[46]

按受构造扰动的地壳深部压力状态来看,地壳中某点的静水压力不仅与上覆岩石密度及其所处深度有关,而且与它所处的构造受力状况和受热状况有关。因此,地壳中静水压力等值面近于层状静态分布的模型或许要让位于一个受构造扰动的,因而在同一水平深度上并不相等的准层状静水压力状态,称之为地球压力等值面的异常或畸变。

(3) 构造附加静水压力对油气驱动的研究

油气的远距离水平运移是已经被认识的现象。但是它的动力学机制一直用重力与浮力的差值加以解释,另外,关于过剩压力,又称超压的来源问题目前还处于探讨阶段,因而油气水平运移的动力机制也须进一步研究。

油气运移的方向取决于某一方向的过剩压力梯度与渗透率之比,在纵向过剩压力梯度大的地区,油气可能以纵向运移为主,而在纵向过剩压力梯度小且储层渗透率较好的地区则以横向运移为主。无论在横向或纵向上,油气在过剩压差作用下都是从过剩压力相对高的部位向较低的部位运移,然后在压力梯度低的部位富集。例如,陕甘宁盆地庆华地区B6井区长3油层在北部形成一个向西南方向突降的低值区,油气从四周向低值区中心运移,形成局部富集带。南部一带也形成一个极有利的向心式低值区而接受四周的油气运移。上述两区已经勘探获得了高产油流。

除了岩性之外,这部分过剩压力主要是由局部构造造成的。是构造附加静水压力驱动油气的水平运移和富集。

莺歌海油气盆地的“超压囊”现象揭示,有些油气盆地压力系数可达1.2~1.4,压力等值面相差标高达1000~2000 m。用“正常压力”或“重力是静水压力唯一来源”的解释难以理解这些事实。这种相同地壳深处压力并不相等的原因或许正是构造附加静水压力(或张力)作用的结果。构造附加压力是过剩压力的主要来源之一,不同构造局部构造附加静水压力的差别是过剩压力梯度出现的主要原因,构造附加静水压力叠加在相变力和重力产生的静水压力之上,是产生过剩压力的重要条件。不同应力状态下地层渗透系数的变化及其对流体运移影响的数值模型可以把这一状态反应出来。因而构造附加静水压力可能是油气长距离水平运移的主要驱动力。

(4) 成矿深度的构造校正测算和隐伏矿分布研究

构造影响成岩成矿温压状态的研究,对一些地质观念和技术方法提出了新的研究思路和解决途径。

目前被国内外广为采用的成矿深度估算方法是将压力作为上覆岩石重量,而且认为压力是深度的线性函数,然后通过岩石比重换算深度,可简称为压力/比重(W/SW)方法。然而,当考虑到构造附加静水压力时,可以建立新的成矿深度研究测算方法,称为“深度测算的构造校正方法”。这种方法是先从所测算的压力中消除构造附加静水压力值之后再用比重换算深度。

用压力/比重方法估算,吕古贤等[47]依据测到90~150 MPa的压力,建立了矿脉分布的垂直分带模型,认为胶东玲珑金矿田和焦家金矿田形成于4~6 km或更深,属中深成矿,现在而矿体被剥蚀的深度已经很大,深部远景不很乐观。而经构造校正测算的结果第一次表明,胶东玲珑-焦家式金矿成矿深度离地表仅1000~3500 m,且集中于2500 m左右深处成矿,大部分矿体未受剥蚀[35]

这一结果表明,胶东地区玲珑-焦家式金矿属于中浅成矿床,目前正在开采的地段属浅成矿床上部,主要矿量尚在深部,胶东金矿山深部有金矿第二富集带[32, 35]。1996年圈定焦家金矿深部靶区,委托地质队钻探验证,1998年在深部-600~-700 m发现4个新矿体。山东第六地质矿产勘查公司指出,这是胶东首次依据“深部第二富集带”预测理论揭露的隐伏矿体,由此开启胶东深部找矿的广泛勘查活动。山东地质六队后来又在寺庄、夏甸和玲珑等多矿区发现深部金矿第二富集带,新增资源/储量2118吨,占全国同期的45.17%。经过近十几年勘探队和矿山地质队的钻探,该区深部第二富集带逐渐被揭露。例如,在新城、望儿山、台上、夏甸等大型金矿的深部第二富集带求得数百吨的新增储量。胶东从危机矿山重灾区一跃成为全球第三大金矿区[41]

(5) 超高压变质“构造增压壳内成因”的研究

变质岩带形成深度的数据,目前也是采用压力/比重法估算的。大别—苏鲁高压变质带由于发育大量的与陆-陆碰撞造山过程有关的榴辉岩以及岩石中发现有柯石英和金刚石包裹体而引起广泛的重视。金刚石、柯石英、绿辉石等矿物的形成压力大约需要5~2GPa(及相应温度),这已初步被理论和实验所证实。然而,直接断定变质岩形成于-200~-100 km深处并折返于地表的认识值得商榷[39]

在施加外差应力和围岩条件下,在活塞-圆筒式压力容器上进行石英脆塑性转化的研究。在温度500~700 ℃,而压力仅1.20~1.25 GPa,应变率1×105 S-1范围内,样品出现稳定的柯石英,并且柯石英出现在样品的顶底端及与最大主应力夹角30°左右的剪切破裂带内。这一实验证明,该超高压矿物在>2 GPa左右才能出现,而且在较大构造差应力条件下,在远小于2~3 GPa的围岩,在仅1.2~1.25 GPa时,也是可以出现的[39]。显然,是构造附加静水压力叠加在围岩之上而达到柯石英转化的压力。

以构造附加静水压力为基础,用构造校正测算方法,已经测算出大别地区英山县北超高压带中的含柯石英榴辉岩形成深度可能仅为32 km,而不是100 km或更深。这能更好地认识超高压带深俯冲-折返模式中有关同位素和岩石学等方面的问题[39, 48]

大别地区的超高压变质带含柯石英榴辉岩可能发育在约30~55 km深的地壳深处[49],与两大陆块之间强烈的构造挤压作用产生的构造附加静水压力有关,致使局部地段达到高压超高压相变的PT条件,特别是P≥2.8 GPa的变质压力。可以说,这些超高压变质岩是构造叠加于重力压力条件之上的构造物理化学环境的产物,具有“构造增压壳内成因”的新认识[50]

5 小结

构造结合建造、动力成岩成矿理论和构造物理化学,是地质力学的重要发展领域,在深化自然资源与环境可持续发展方面将有广阔应用前景和重要意义。

(1) 构造变形与成岩成矿作用有密切的共生关系,但是其“构造影响建造的动力学机制”尚属未解的地质科学难题。

(2) 偏应力场中既有引起岩石变形差应力,也有引起岩石体积变化的各向等正应力部分,后者被称之为构造附加静水压力,是影响化学平衡的物理化学变量。

(3) 地球化学是结果,物理化学是化学平衡的原因,提出“构造作用力通过控制压力温度等物理化学参量影响地球化学过程”的思路,深入于构造物理化学理论。

(4) 构造物理化学重点研究构造力对压力、温度、岩石物理性质、地球化学相平衡和水岩体系相参量等方面的影响。

(5) 构造物理化学在研究地壳深部异常压力、构造对油气长距离水平驱动、成矿深度的构造校正测算和超高压变质岩构造演化模式等方面,已经取得了重要学术进展,但仍需要更深层次研究和发展。

致谢: 这一系列研究是杨开庆先生创立,并在构造动力成岩成矿理论基础而逐步发展起来的。孔庆存、武际春、刘永堂、孙振左、孙之夫、张文江、参加早期工作。杨开庆的其他研究生董树文、李良辰、侯威、岳石、邱小平、陈柏林等研究成果充实发展了动力成岩成矿理论。构造物理化学的主要发展来自于国家计委科技找矿项目(JG947110)和国家科委项目(GJ94-83)及其课专题成果。李晓波、林文蔚、倪师军、邓军、周绍东、罗元华、曹志敏、张均、陈守余、赖旭龙、冯庆来、王义强、文锦明、郭涛、郭初笋、舒斌、鲁安怀、朱大岗、张成江、孙之夫、丁益民、修瑞芝、孙雄、邱小平、王红才和殷秀兰等人承担完成了大量室内外工作。郭文魁、孙殿卿、宋叔和、杨开庆、陈庆宣、张炳熹、沈其韩、李廷栋、马宗晋、马谨、谢学锦、常印佛、陈毓川、任纪舜、翟裕生、叶大年、欧阳自远、杨敏之、崔盛芹、肖庆辉、刘瑞珣、高执棣、李九玲等师长给与了多年指导与帮助,在此表示衷心的谢意。

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