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)

0 引言

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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)系。

1 巖脈的侵位機制

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(guān)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(yīng)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(gòu)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(guān)系與兩個因素有關(guān)，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(yīng)力有關(guān)(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(guān)鍵在于裂隙頂部由于拉張產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力為圍巖原位應(yīng)力屈服強度的2個數(shù)量級倍(Gudmundsson，2000)。

基于(3)式假設(shè)圍巖為彈性均質(zhì)體并且為同種介質(zhì)，并且假設(shè)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(yīng)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(yīng)力值(即y軸方向的應(yīng)力)，否則裂隙將閉合。當巖漿壓力大于區(qū)域最小主應(yīng)力而小于中間主應(yīng)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(yīng)力值)等于中間主應(yīng)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(yīng)力值時，巖漿沿yz垂直面侵位;當巖漿的超壓大于最大主應(yīng)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(yīng)力(區(qū)域應(yīng)力)和上覆圍巖壓力，此外，還應(yīng)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(yīng)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)。

2 大井礦區(qū)巖脈與礦脈

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(gòu)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。

2.1 巖脈分布規(guī)律

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(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的安山玢巖和和具球粒嵌晶結(jié)構(gòu)的英安斑巖;東部粒度較細，具間隱結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、暗化邊結(jié)構(gòu)，斑晶較少，包含大量圍巖角礫;中部英安斑巖具球粒結(jié)構(gòu)、無斑球粒結(jié)構(gòu)、霏細結(jié)構(gòu)等。

2.2 礦脈分布規(guī)律

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(cè)，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(yīng)力場的作用。

3 討論

3.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析

大興安嶺南段構(gòu)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(yīng)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(gòu)造主要受海西期和燕山期兩期構(gòu)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(gòu)造，而燕山期的構(gòu)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(gòu)造明顯受海西期和燕山期構(gòu)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(gòu)造主壓應(yīng)力方向與燕山期的壓應(yīng)力方向不同。筆者認為，從構(gòu)造的力學分析來看，區(qū)域及礦區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力方向并沒有發(fā)生變化，只是在區(qū)域壓應(yīng)力控制下塊體發(fā)生了順時針轉(zhuǎn)動的結(jié)果。

在海西期，區(qū)域主要受NW－SE向的擠壓應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，根據(jù)力的分解可以把NW－SE向的應(yīng)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(yīng)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(gòu)造應(yīng)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)

3.2 礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力分析及巖脈侵位

通過區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析，我們認為區(qū)域上自海西期到燕山期，區(qū)域應(yīng)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(jié)果。礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)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(yīng)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(yīng)力為主，此外還有區(qū)域應(yīng)力分解形成的近SN向的擠壓應(yīng)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(yīng)力為主，東北部(F1、F2斷裂北端附近)具張性應(yīng)力為主的局部應(yīng)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)閺埮ば浴Ｒ虼?，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(yīng)力場和局部應(yīng)力場。

3.3 巖脈與礦脈的侵位過程

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(yīng)力環(huán)境的轉(zhuǎn)換(羅照華等，2006)，也應(yīng)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(guān)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(yīng)力為擠壓應(yīng)力，巖漿壓力與圍巖應(yīng)力之差應(yīng)大于寄主巖的彈性破裂強度，巖脈才能伸展;如果圍巖應(yīng)力為拉張應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力場作用產(chǎn)物)。從整體來看，應(yīng)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(gòu)造應(yīng)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(yīng)力分析可以認為，在四條深大斷裂構(gòu)造成的“菱形”的左下角區(qū)域，主要受擠壓應(yīng)力為主，在“菱形”中間區(qū)域受NW－SE向擠壓應(yīng)力(NE－SW向拉張應(yīng)力)為主。如果擠壓應(yīng)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(jié)晶時間長)東部粒度較細(結(jié)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(jié)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(yīng)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(guān)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)。

4 結(jié)論

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(guān)系，初步得出以下幾點認識:

(1)區(qū)域構(gòu)造環(huán)境，林西斷塊受NW－SE向擠壓應(yīng)力作用，從海西期到燕山期，區(qū)域應(yīng)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(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場相似，從西南向北東方向，擠壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力場的控制。

(3)巖脈多侵位于先存裂隙，可以用來重塑古構(gòu)造應(yīng)力場;通過應(yīng)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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