陳小龍，呂古賢，唐朝永，郭濤，董敏

(1.湖南有色地勘局 二四七隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙410129;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)系，北京102249)

顯微構(gòu)造研究在新城金礦成礦深度測(cè)算中的應(yīng)用

陳小龍1，呂古賢2，唐朝永1，郭濤2，董敏3

(1.湖南有色地勘局 二四七隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙410129;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)系，北京102249)

以山東新城金礦為例，探討了顯微構(gòu)造研究在構(gòu)造類型及期次判別、構(gòu)造變形測(cè)量、構(gòu)造差應(yīng)力換算以及成礦深度測(cè)算中的應(yīng)用，并首次測(cè)算出新城金礦-530 m中段的成礦深度為1781.29 m。

顯微構(gòu)造;成礦深度測(cè)算;新城金礦

0 引 言

礦床成礦深度的測(cè)算是成礦預(yù)測(cè)研究中帶有基礎(chǔ)理論和基本地質(zhì)構(gòu)造背景意義的問(wèn)題。傳統(tǒng)的估算成礦深度的方法有地質(zhì)再造法、礦床地質(zhì)推算法和包裹體測(cè)算法(呂古賢和孔慶存，1993)。其中包裹體測(cè)試換算法較容易，結(jié)果可信度較高，但是，這種方法忽略了巖石在成巖成礦過(guò)程中所受到的古地應(yīng)力的影響，認(rèn)為地下任何深度的壓力狀態(tài)都相當(dāng)于上覆巖柱的重量，這種假設(shè)否定了巖體內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的存在，而研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造應(yīng)力是巖石所受的主要應(yīng)力之一，所以在深度測(cè)算中必須考慮水平方向的構(gòu)造力作用，對(duì)原有的測(cè)算方法進(jìn)行改進(jìn)(呂古賢和孔慶存，1993)。重力和構(gòu)造力各自的應(yīng)力狀態(tài)可以看成是一個(gè)等應(yīng)力狀態(tài)疊加一個(gè)差應(yīng)力狀態(tài)，兩者再疊加成一個(gè)總應(yīng)力狀態(tài)，而各向不等的構(gòu)造差應(yīng)力部分由顯微構(gòu)造如位錯(cuò)密度、亞顆粒構(gòu)造等形成的古應(yīng)力計(jì)所測(cè)得，最后用構(gòu)造差應(yīng)力對(duì)總應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行校正，及得到構(gòu)造校正測(cè)算的成礦深度。

顯微構(gòu)造是研究顯微尺度下，在應(yīng)力作用下巖石、礦物、晶格變形及其變形機(jī)理的一門構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的分支科學(xué)(何永年等，1985;劉瑞珣，1988;鄭伯讓和金淑燕，1989)。以往的顯微構(gòu)造研究(陳國(guó)達(dá)，1985;聶江濤等，2010)往往作為宏觀構(gòu)造研究的一種輔助手段，而未引起足夠的重視，起到它應(yīng)有的作用。成礦深度的構(gòu)造差應(yīng)力校正測(cè)算的關(guān)鍵在于通過(guò)構(gòu)造研究對(duì)巖石所受應(yīng)力進(jìn)行校正，故而在測(cè)算過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力的研究就顯得尤為重要。除了宏觀構(gòu)造的定性觀察外，主要運(yùn)用的是顯微構(gòu)造研究手段，對(duì)較小尺度的構(gòu)造變形樣式、變形期次、變形量大小進(jìn)行分析測(cè)算，從而換算出成巖成礦期構(gòu)造附加靜水壓力值的大小。本文在新城金礦顯微構(gòu)造研究和相關(guān)應(yīng)力測(cè)算的基礎(chǔ)上，對(duì)其成巖成礦深度進(jìn)行了構(gòu)造差應(yīng)力校正測(cè)算。

1 新城金礦地質(zhì)概況

山東省新城金礦是典型的破碎蝕變巖型特大型金礦，是著名的焦家金礦田內(nèi)的主要礦山之一，于20世紀(jì)80年代初建成投產(chǎn)。膠西北地區(qū)是我國(guó)重要的金礦礦集區(qū)，其西側(cè)為郯-廬大型走滑斷裂，斷裂以西為魯西地塊，以東是膠東地塊，兩地塊之間又被稱為魯中地體(李碧樂(lè)等，2004;呂古賢等，2007)。膠西北地區(qū)屬濱太平洋成礦帶西部中-新生代活動(dòng)的大陸邊緣帶，是構(gòu)造作用、變質(zhì)作用、巖漿作用和成礦作用繼承性活動(dòng)地帶(郭濤等，1999;邱連貴等，2008)。

礦區(qū)內(nèi)地層主要出露有新生界第四系松散堆積物和零星的膠東群苗家?guī)r組地層。巖漿巖主要有玲瓏超單元崔召單元的弱片麻狀中細(xì)粒含石榴二長(zhǎng)花崗巖、郭家?guī)X超單元上莊單元的巨斑狀中粒花崗閃長(zhǎng)巖和少量脈巖。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為縱貫全區(qū)的焦家主干斷裂，礦區(qū)范圍內(nèi)控制長(zhǎng)約2100 m，穿切玲瓏超單元展布。斷裂破碎帶寬80～150 m，總體走向40°，傾向北西，傾角26°～34°。還有派生的不同級(jí)別、不同序次的斷裂構(gòu)造。這些斷裂構(gòu)造直接控制了區(qū)內(nèi)的各含礦蝕變帶，使區(qū)內(nèi)的金礦床與斷裂帶有密切的成生關(guān)系。緊鄰主裂面之下的糜棱巖、角礫巖、碎裂巖帶控制了Ⅰ號(hào)礦體，而其下的花崗質(zhì)碎裂巖帶控制了Ⅴ號(hào)礦體。礦石類型主要為黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖型，其次為黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖型。金屬礦物主要有:黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦等，黃鐵礦是金的主要載體礦物。脈石礦物主要為石英、鉀長(zhǎng)石、絹云母、斜長(zhǎng)石、綠泥石、方解石等。石英為金的最主要載體礦物。流體包裹體溫壓條件研究發(fā)現(xiàn)，新城金礦成礦包體的捕獲溫度在220～340℃之間，其壓力值在81～103 MPa之間(陳小龍，2010①陳小龍.2010.膠東新城金礦控礦構(gòu)造解析及分形動(dòng)力學(xué)研究.西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文:64-68.)。

2 顯微構(gòu)造研究及其成礦深度測(cè)算

為了系統(tǒng)研究新城金礦控礦構(gòu)造及巖石變形的顯微特征，作者系統(tǒng)地采集了定向構(gòu)造樣品。樣品采集中，以-530 m中段175穿脈為剖面，進(jìn)行系統(tǒng)的地質(zhì)觀察、蝕變分帶、構(gòu)造測(cè)量和樣品采集(圖1)。其中顯微構(gòu)造定向標(biāo)本采集中，在觀察分析構(gòu)造巖的類型及其分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，盡可能選擇新鮮的巖石，并標(biāo)明其產(chǎn)狀要素。本次顯微構(gòu)造薄片由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所磨制，鏡下觀測(cè)在長(zhǎng)安大學(xué)顯微構(gòu)造實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 構(gòu)造觀測(cè)采樣示意剖面圖Fig.1 The profile showing the locations of observation and sampling for structure

2.1 構(gòu)造變形的類型及期次

通過(guò)對(duì)新城金礦定向薄片的系統(tǒng)觀察，可以大體歸納出新城金礦巖石變形的顯微構(gòu)造類型。主要的顯微構(gòu)造類型有:波狀消光與鑲嵌消光(圖2a)、變形紋(圖2b)、肯克帶(圖2d)、亞顆粒構(gòu)造、構(gòu)造重結(jié)晶(圖2d)、核幔構(gòu)造、旋轉(zhuǎn)碎斑系(圖2e)、顯微裂紋(圖2c，f)等，除以上較典型的顯微構(gòu)造類型外，還發(fā)現(xiàn)有云母魚(yú)、花邊結(jié)構(gòu)等顯微構(gòu)造。

新城金礦的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)總體上可以分為兩期，即早期的塑性變形和晚期的脆性變形。塑性變形的樣式較多，其中主要的有動(dòng)態(tài)重結(jié)晶(圖2d)、變形紋(圖2b)、波狀消光(圖2a)和核幔構(gòu)造等，而次要的還有靜態(tài)重結(jié)晶、旋轉(zhuǎn)碎斑等構(gòu)造。塑性變形期屬于在相對(duì)較高溫壓條件下的構(gòu)造變形，巖石處在相對(duì)較深的構(gòu)造層次中，這個(gè)階段的成礦作用較弱。礦區(qū)的脆性變形有剪切擠壓性的(圖2c)，也有張性的變形(圖2f)及碎裂巖等其他脆性變形。沿著脆性裂隙多有絹云母化蝕變、石英脈充填等現(xiàn)象，其中張性裂隙往往空間較大，石英等充填物多沿兩側(cè)裂隙壁發(fā)育，往中間則為絹云母化和石英晶體的波狀消光，也可以見(jiàn)到黃鐵礦等金屬硫化物晶體。而剪性微裂隙往往延伸較長(zhǎng)，平直而無(wú)充填物，不過(guò)沿裂隙有絹英巖化等蝕變現(xiàn)象?？梢钥闯觯嘈孕巫兤谑菐r漿期后的構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)物，構(gòu)造層次較淺，變形較弱，但是巖漿期后熱液的灌入使其所產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙空間成為很好的容礦場(chǎng)所。這一時(shí)期是較重要的成礦期。

圖2 新城金礦顯微構(gòu)造樣式Fig.2 Microstructure style for the Xincheng gold deposits

2.2 構(gòu)造應(yīng)變測(cè)量

這里所指構(gòu)造變形主要是指巖石在塑性變形過(guò)程中，礦物晶體受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的三維變形。為了從三維空間上實(shí)際測(cè)算巖石應(yīng)變及古差應(yīng)力(圖3)，需要在巖石樣品上選擇兩個(gè)相互垂直、近平行于主應(yīng)變面的切面開(kāi)展觀測(cè)和計(jì)算。本文采用了構(gòu)造地質(zhì)分析軟件Straindesk 1.1對(duì)巖石構(gòu)造形變進(jìn)行人機(jī)交互測(cè)量，在顯微鏡下挑選石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶較發(fā)育的視域進(jìn)行逐一照相，然后將照片導(dǎo)入Straindesk 1.1軟件，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量(圖4)，并通過(guò)加權(quán)平均對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，所得即為變形巖石石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒的長(zhǎng)短軸之比(表1)。

圖3 巖石應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the strain and pressure status of the rocks

圖4 在Straindesk 1.1軟件中的礦物長(zhǎng)短軸測(cè)量切圖Fig.4 Cut chart for the measurements of mineral's main axis at Straindesk 1.1

表1 巖石構(gòu)造變形測(cè)量結(jié)果表Table 1 The measurements table of structure deformation

2.3 成礦期構(gòu)造差應(yīng)力值測(cè)算方法

傳統(tǒng)的古構(gòu)造應(yīng)力值測(cè)算方法主要有:巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)資料的推斷方法、地質(zhì)力學(xué)分析基礎(chǔ)上數(shù)學(xué)解析的估算方法和顯微構(gòu)造的估算方法(劉瑞珣，1988)。顯微構(gòu)造方法又可細(xì)分為礦物機(jī)械雙晶測(cè)算方法、位錯(cuò)密度統(tǒng)計(jì)測(cè)算方法、重結(jié)晶顆粒大小測(cè)算方法和亞顆粒大小測(cè)算方法等等。作者采用石英位錯(cuò)密度測(cè)算方法和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒大小測(cè)算方法來(lái)恢復(fù)成巖成礦期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。位錯(cuò)密度統(tǒng)計(jì)測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為L(zhǎng)BS-2離子減薄儀和日立H8100透射電子顯微鏡。測(cè)得新城金礦-530 m中段構(gòu)造巖的差應(yīng)力大小為82.56～106.28 MPa。

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)恢復(fù)的是地質(zhì)歷史時(shí)期中較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，因?yàn)樵诘刭|(zhì)工作中只能根據(jù)構(gòu)造形跡(永久變形)來(lái)恢復(fù)地史上的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，而所依據(jù)的永久變形，主要是塑性形變。但為了與實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變接近，不宜利用大變形的巖石和礦物(劉瑞珣，1988)。同時(shí)，理論計(jì)算表明，在106～108 a期間可以把地殼當(dāng)作彈性體對(duì)待(王仁等，1982)。在同一應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)，對(duì)于不同構(gòu)造性質(zhì)和部位的地段將采用不同的換算系數(shù)，一般在測(cè)算深度時(shí)應(yīng)盡可能采用擠壓或壓扭性構(gòu)造變形巖帶的樣品和數(shù)據(jù)。

本文采用呂古賢和孔慶存(1993)推導(dǎo)得出的計(jì)算公式進(jìn)行差應(yīng)力計(jì)算。所獲得的應(yīng)力值需要考慮其所在的構(gòu)造變形位置，不同的構(gòu)造變形位置的眾值換算參數(shù)不同。位錯(cuò)構(gòu)造是塑性變形的產(chǎn)物，呂古賢(1991，1997)研究認(rèn)為只有當(dāng)ε1=εe3+εp1，ε3=εe3+εp3，且 εp＞ ＞ εe時(shí)，我們假設(shè)，也就是，式中εe、εp分別為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，才可能聯(lián)立方程。式中ν為泊松比:

2.4 成巖成礦期構(gòu)造附加靜水壓力值的計(jì)算

通過(guò)對(duì)石英位錯(cuò)密度的最高分布值區(qū)測(cè)量所得的主應(yīng)力值，接近于最高限值。為了得到應(yīng)力強(qiáng)度的眾值，需要進(jìn)行相關(guān)的換算。巖石中所保留的構(gòu)造變形形跡是構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)的印記，而一般熱液礦床的金屬硫化物是在構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)松弛的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化期間形成的，因此測(cè)算的應(yīng)力值要進(jìn)行再一次的換算。需要再給定一個(gè)系數(shù)，呂古賢和孔慶存(1993)給定的膠東地區(qū)蝕變巖金礦的經(jīng)驗(yàn)值為0.618。對(duì)所得應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行降階處理，處理后的應(yīng)力值大體上相當(dāng)于成礦期間的構(gòu)造主應(yīng)力。

將前文方程組所測(cè)算出的三個(gè)構(gòu)造主應(yīng)力值的平均應(yīng)力定義為構(gòu)造附加靜水壓力PS:

該值即為所需的構(gòu)造附加靜水壓力值，即使前面測(cè)量的應(yīng)變面和測(cè)算差應(yīng)力的切面不是很準(zhǔn)確的主應(yīng)力面，也不會(huì)影響得到同樣的值。

2.5 地質(zhì)作用深度推算

深度即所研究對(duì)象到地表的垂直距離，這是一個(gè)不斷變化的值，因?yàn)椴煌傻V時(shí)期地表的起伏不同。一般所稱深度，即是指上覆巖石的厚度。地質(zhì)作用深度實(shí)際上也涉及成礦深度及成巖深度。因?yàn)镻和PS的量綱及物理意義是一致的，從總成巖成礦的壓力P值中可以消除構(gòu)造附加靜水壓力部分PS。所謂經(jīng)構(gòu)造矯正的方法計(jì)算深度就是利用P=PS+PG關(guān)系獲得這部分剩余的壓力PG，即僅用重力附加靜水壓力PG來(lái)?yè)Q算上覆巖石厚度。前人研究認(rèn)為地殼巖石的重力并不是完全形成各向等正壓應(yīng)力——靜水壓力狀態(tài)，為了更接近于地殼中的實(shí)際情況，本文按呂古賢和孔慶存(1993)采用的算式的推導(dǎo)值來(lái)?yè)Q算深度數(shù)據(jù)。

2.6 測(cè)算結(jié)果分析

在前期相關(guān)資料準(zhǔn)備的前提下，以-530 m中段所采樣品為基礎(chǔ)，對(duì)新城金礦的成礦深度進(jìn)行了構(gòu)造校正測(cè)算。首先對(duì)相關(guān)參數(shù)測(cè)算:

設(shè)ν值為0.25，用公式計(jì)算得到三維主應(yīng)力值為:

則構(gòu)造附加靜水壓力值(PS)為:

取蝕變巖密度的均值為2.81 g/cm3，由此，取每100 m高且底面積為1 cm2的巖柱產(chǎn)生的重力為:

經(jīng)過(guò)壓力的構(gòu)造校正，新城金礦-530 m中段所承受的重力附加靜水壓力的實(shí)測(cè)值PR為:

則計(jì)算形成的深度HR為:

這里的深度即所研究對(duì)象到地表的垂直距離，即上覆巖石的厚度?？紤]到采樣深度為-530 m中段，可以據(jù)此推算新城金礦上覆巖石剝蝕量為:1251.29 m。其成巖成礦深度比玲瓏金礦的3454.97 m(呂古賢等，1999a)更淺，而與同礦田的焦家金礦2243.6 m(呂古賢等，1999b)相當(dāng)。因此，新城金礦地表剝蝕量小，礦體保存良好，往深部應(yīng)有很好的資源前景。

3 結(jié) 論

(1)本文在新城金礦構(gòu)造巖石的顯微構(gòu)造系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，采用位錯(cuò)密度法測(cè)算得到新城金礦-530 m中段構(gòu)造巖的差應(yīng)力大小為82.56～106.28 MPa。

(2)測(cè)算了新城金礦-530 m中段成巖成礦的三軸應(yīng)力值分別為:

(3)通過(guò)顯微構(gòu)造研究及構(gòu)造差應(yīng)力校正測(cè)算，測(cè)得新城金礦 -530 m中段的成礦深度為1781.29 m。

(4)在成礦深度測(cè)算過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)被測(cè)量巖石的顯微構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)變研究，無(wú)疑會(huì)使測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)。

致謝:在論文寫(xiě)作中，得到新城金礦趙海工程師的熱情幫助，在此謹(jǐn)致謝意。

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Microstructure Study in Estimating the Depth of Mineralization for the Xincheng Gold Deposit

CHEN Xiaolong1，LV Guxian2，TANG Chaoyong1，GUO Tao2and DONG Min3
(1.247Geological Party，Hunan Bureau of Nonferrous Geological Exploration，Changsha410129，Hunan，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100081，China;3.Department of Geoscience，China University of Petroleum，Beijing102249，China)

The traditional method of estimating the depth of mineralization ignores the ancient stress for the rocks at the time of diagenetic mineralization.So Lv Guxian proposed the tectonic stress correction for the method of estimating the depth of mineralization.It is based on the recovery of the tectonic stress of the deformed rocks，which means，first of all，we should eliminate the additional hydrostatic tectonic stress，the hydrostatic pressure of diagenetic mineralization，then，measure the thickness of the covered rocks.This method emphasizes the importance of microstructure study of the deformed rocks in measuring the tectonic stress and the size of tectonic deformation.The calculated results of the depth for diagenetic mineralization is corrected by studying of microstructure.This article discusses the use of microstructure study in measuring the depth of diagenetic mineralization for the Xincheng gold deposit，the usefulness of microstructure study for structure type，stage，tectonic deformation，tectonic differential stress，and measure the depth of mineralization.Finally，we get the result of the measure for the depth of mineralization for the Xincheng gold deposit for the first time.It was 1781.29 m at the-530 m mid segment.

microstructure;measure the depth of mineralization;Xincheng gold deposit

P542;P612

A

1001-1552(2011)04-0612-006

2010-09-25;改回日期:2011-06-16

項(xiàng)目資助:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972061)和危機(jī)礦山新技術(shù)方法示范項(xiàng)目(200799095)聯(lián)合資助。

陳小龍(1982-)，男，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)碩士，現(xiàn)在從事礦床地質(zhì)工作。Email:hascoff@163.com