王偲瑞 楊立強 成浩 李大鵬 單偉 袁建江

1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 1000832. 山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，萊州 2614003. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，濟南 2500134. 中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 1000395. 自然資源部稀土稀有稀散礦產(chǎn)重點實驗室，武漢 4300341.

金是地殼中普遍存在的金屬元素，但是世界上大型-超大型金礦田(床)的空間分布有明顯的空間選擇性。從全球成礦動力學(xué)演化歷史看，巨型金礦集區(qū)多位于造山帶、克拉通邊緣等構(gòu)造活動頻繁且劇烈的部位，其形成與地質(zhì)歷史上的構(gòu)造-巖漿事件緊密相關(guān)(Sibson, 1994; Goldfarbetal., 2001; 翟裕生等, 2011)。金礦集區(qū)內(nèi)大型-超大型金礦床多位于地殼尺度的深大斷裂帶或剪切帶內(nèi)，而次級的構(gòu)造內(nèi)發(fā)育中型-小型的金礦床(Hickmanetal., 1995; Dengetal., 2003, 2011; Goldfarbetal., 2007)?？死ㄟ吘壘哂袕?fù)雜的構(gòu)造演化歷史，成礦物質(zhì)在構(gòu)造-巖漿的作用下沿邊緣深大斷裂活化遷移，并在地殼淺部的特定部位實現(xiàn)再活化并富集成礦(Zhangetal., 2016; Guoetal., 2017)。

在地球環(huán)境中，滲透率是一個可以在較短時間尺度內(nèi)變化5～10個數(shù)量級的動態(tài)參數(shù)(Wibberley and Shimamoto, 2003)。斷裂帶或剪切帶的變形和活動被廣泛認為是導(dǎo)致地殼中滲透率瞬時增強的關(guān)鍵因素(Blenkinsop, 2002;Constantinetal., 2004)。滲透率的瞬時增強會導(dǎo)致巨量流體通過狹窄的通道匯聚，導(dǎo)致熱液礦床形成(Micklethwaiteetal., 2015)。目前通過地質(zhì)地球化學(xué)等方面的研究，淺表構(gòu)造對礦床礦體定位和滲透率改變導(dǎo)致成礦流體運移-成礦過程的控制已有較好的約束(Arndtetal., 2014)。通過構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬，Cox and Ruming(2004)和Micklethwaite and Cox(2006)等研究者發(fā)現(xiàn)在澳大利亞伊爾岡地塊的太古代地層中的造山型金礦床的空間分布與斷裂帶引起的高滲透性結(jié)構(gòu)的空間分布高度一致，證明了庫倫破裂應(yīng)力的增大會導(dǎo)致余震活動的發(fā)生，進而提高局部滲透率，為金成礦提供有利場所。對澳大利亞、美國西部的中溫脈狀金礦床的研究進一步顯示，受構(gòu)造控制的熱液礦床的形成與控礦斷裂帶活動導(dǎo)致庫倫破裂應(yīng)力變化有關(guān)，通過構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬計算庫倫破裂應(yīng)力變化和滲透率結(jié)構(gòu)的方法，適用于世界范圍內(nèi)成礦流體輸運的主要驅(qū)動力是壓力梯度的熱液礦床(Micklethwaiteetal., 2016)。但是由于對深部基底構(gòu)造帶難以直接觀察和獲取樣品，即使通過地球物理手段識別出了基底構(gòu)造，也不能明確其對成礦的貢獻。本文的研究通過庫倫破裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的數(shù)值計算方法，對基底構(gòu)造帶和礦床空間分布之間的關(guān)系做系統(tǒng)研究，以期對大陸地殼數(shù)十至上百千米尺度的斷裂帶范圍內(nèi)滲透性有初步的控制，并與礦床的形成和分布在空間上進行整合。

位于華北克拉通東南緣的膠東礦集區(qū)是我國最重要的黃金生產(chǎn)基地，膠東由前寒武基底巖石、超高壓變質(zhì)巖塊和中生代中酸性巖漿侵入巖體組成，約130～110Ma在中生代構(gòu)造-巖漿作用下發(fā)育大規(guī)模的內(nèi)生熱液金礦床(Yangetal., 2016a)。區(qū)域內(nèi)發(fā)育古老的EW向基底構(gòu)造，且成礦期NE-NNE向斷裂帶與這些基底構(gòu)造的交匯部位多有大型-超大型金礦床形成與定位，但是這些基底構(gòu)造是如何控制礦床的就位，逼近客觀實際的構(gòu)造模型尚未被揭示。長期以來，大量的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)研究和探查工作為膠東礦集區(qū)取得深部找礦突破和成礦理論構(gòu)建奠定了堅實基礎(chǔ)，積累了大量有價值的數(shù)據(jù)資料，這使得膠東地區(qū)成為研究基底構(gòu)造對金礦床定位的控制作用的理想選區(qū)。本文在大量的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，選擇膠西北的焦家斷裂帶為研究區(qū)域，結(jié)合野外調(diào)查、數(shù)據(jù)分析，進行庫倫應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬，建立逼近地質(zhì)實際的構(gòu)造模型，查明斷裂帶滲透性結(jié)構(gòu)的空間變化，分析區(qū)域基底構(gòu)造格架與金礦床空間分布特征，探討基底構(gòu)造對成礦作用的控制作用，以期為區(qū)域找礦提供新思路和理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

山東省是我國第一大黃金生產(chǎn)基地，其黃金年產(chǎn)量約占全國的1/4，連續(xù)43年居全國首位，探明金資源儲量超過4500噸(Dengetal., 2019)。膠東金礦集區(qū)坐落在華北克拉通東南部膠東半島，太平洋板塊西緣，西以郯廬斷裂帶為界，南臨大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶(Yangetal., 2016b; Dengetal., 2017a)。膠東半島以五蓮-煙臺斷裂為界分為膠北地體和蘇魯?shù)伢w。膠北地體內(nèi)發(fā)育了大量中生代構(gòu)造-巖漿作用形成的熱液金礦床，有“南北成帶，東西成行”的分布規(guī)律，NE-NNE向的三山島斷裂帶、焦家斷裂帶、招平斷裂帶構(gòu)成東西向成礦廊帶，其內(nèi)群聚發(fā)育大型-超大型金礦床，已探明金儲量占整個膠東地區(qū)黃金儲量的80%(Dengetal., 2017b; 楊立強等, 2019)。在膠北地體沿著主要斷裂帶發(fā)育蝕變巖型和石英脈型金礦床，并且向東石英脈型金礦更發(fā)育，二者成礦年代相近，成礦峰期集中在120Ma，而在膠北地體與蘇魯?shù)伢w的縫合帶附近發(fā)育蝕變礫巖型礦床，蘇魯?shù)伢w內(nèi)金成礦年代更年輕，多集中在114Ma(Goldfarbetal., 2019; Dengetal., 2020a; 楊立強等, 2020)(圖1)。

膠東金礦省以其獨特的成礦背景、環(huán)境和地質(zhì)特征聞名世界。膠東是地球上唯一已知的賦存在前寒武紀變質(zhì)地體中，并于區(qū)域變質(zhì)事件2億年后的晚中生代(130～120Ma)形成的巨型金礦集區(qū)(鄧軍等, 2010; 黃濤等, 2014; 李瑞紅等, 2014; Yangetal.; 2017)。Goldfarbetal.(2001)將膠東金礦歸類為造山型金礦，但有學(xué)者根據(jù)構(gòu)造背景將發(fā)育有獨特的“玲瓏式”石英脈型金礦化和“焦家式”蝕變巖型金礦化的膠東金礦歸為“膠東型”金礦(楊立強等, 2014; Dengetal., 2015a; Lietal., 2015)；另一些學(xué)者則認為膠東地區(qū)金礦化與克拉通破壞導(dǎo)致的俯沖板塊回撤有關(guān)，將其歸類為克拉通破壞型金礦(Zhuetal., 2015)。目前的研究普遍認為，板片俯沖和巖石圈拆沉及其后續(xù)的軟流圈上涌是晚侏羅世到早白堊世膠東地區(qū)的大規(guī)模巖漿活動、區(qū)域的壓性至張性構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換和金成礦事件的最有可能驅(qū)動機制(Grovesetal., 2018)。

膠東地區(qū)的金礦化主要可以分為以張性含金石英脈為特征的“玲瓏式”石英脈型金礦化和以金屬硫化物充填微細裂隙和浸染狀礦化為特征的“焦家式”蝕變巖型金礦化(郭林楠等, 2014; Zhangetal., 2019)。盡管膠東金礦在構(gòu)造背景和成礦物質(zhì)來源等問題上與典型的造山型金礦有所區(qū)別，但在礦石特征、圍巖蝕變、流體包裹體特征、穩(wěn)定同位素地球化學(xué)等方面與造山型金礦極為相似(張良等, 2016; Weietal., 2019)。

焦家金礦田位于膠東半島西北，北起龍口市黃山館，南至萊州市朱橋鎮(zhèn)徐村院，總長約50km，寬1～2km，由NE-NNE向的焦家主斷裂、分支斷裂及次級斷裂和這些斷裂所控制的眾多金礦床、金礦體組成(王中亮, 2012; Dengetal., 2015b)(圖2)。礦田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的大型-超大型金礦床全部集中產(chǎn)于焦家斷裂和望兒山斷裂之間的地段。焦家金礦田內(nèi)主斷裂下盤蝕變巖發(fā)育獨特的細脈浸染狀“焦家式”礦化，但破碎帶蝕變巖中的礦體不僅在中發(fā)育浸染型-細脈型礦化，同時也發(fā)育有角礫巖型礦化、石英脈型礦化(宋明春等, 2010; Yangetal., 2016c)。目前，中國已探明的資源儲量超過100噸的大型金礦床中有一半以上是“焦家式”金礦，該類型金礦床是膠東乃至全國最重要的金礦床之一(Deng and Wang, 2016)。焦家金礦帶內(nèi)斷裂/裂隙構(gòu)造非常發(fā)育，在平面及剖面上構(gòu)成不同尺度的“菱形格狀”斷裂-裂隙網(wǎng)絡(luò)，控制著了金礦帶及礦床(體)的空間分布(Zhangetal., 2016; Wangetal., 2019)。

圖1 膠東金礦床空間分布地質(zhì)圖(據(jù)Deng et al., 2019)Fig.1 Sketch geological map of Jiaodong gold province showing the distribution of gold deposits (after Deng et al., 2019)

1.2 基底構(gòu)造帶

膠東地區(qū)基底片麻巖廣泛分布，膠東幾個典型地區(qū)的長英質(zhì)片麻巖的地球化學(xué)性質(zhì)差異顯示，萊西-棲霞一帶的片麻巖具太古宙長英質(zhì)片麻巖類特征；文登-威海地區(qū)的長英質(zhì)片麻巖也與棲霞地區(qū)相當(dāng)，被認為是華北陸塊的一部分；以五蓮-青島-榮成斷裂為界，蘇魯超高壓變質(zhì)帶的榮成等地區(qū)基底具火山弧花崗巖類地球化學(xué)特征，是揚子陸塊的一部分(徐學(xué)思和胡連英, 1988; 賽盛勛等, 2016)。膠東地區(qū)片麻巖基底由華北陸塊和揚子陸塊拼接而成，這種差異性導(dǎo)致了基底在膠東地區(qū)后續(xù)構(gòu)造演化發(fā)展中的活動性(Songetal., 2015), 基底的非均質(zhì)性有利于基底構(gòu)造帶的產(chǎn)生(Brock and Engelder, 1997)。

膠東地區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，地表斷裂構(gòu)造主要以NE-NNE向和NW-NNW向構(gòu)造系統(tǒng)為主(Millsetal., 2015)。區(qū)域內(nèi)基底構(gòu)造主要表現(xiàn)為EW向的古老基底褶皺及與之伴生的斷裂構(gòu)造共同組成的褶斷帶, 它們是在前中生代EW 向基底褶皺帶基礎(chǔ)上發(fā)展起來長期活動的構(gòu)造帶。它們并非以簡單、連續(xù)、穩(wěn)定的構(gòu)造形式表現(xiàn)出來, 而是以EW 向花崗巖帶、斷陷盆地和斷裂帶等斷續(xù)體現(xiàn), 主要包括37°50′N 左右的蓬萊-龍口、37°20′N 左右的棲霞、36°50′N 左右的平度-石島3 條EW 向區(qū)域構(gòu)造帶, 這些構(gòu)造帶從北向南呈間距約60km 似等間距近平行展布(圖1)。其形成與早中生代華北板塊與揚子板塊之間陸陸碰撞造成的南北向擠壓作用有關(guān), 與大別-蘇魯超高壓變質(zhì)巖同時形成(Qiuetal., 2019; 楊立強等，2019)。

圖2 焦家金礦田地質(zhì)簡圖(據(jù)王中亮等, 2014)Fig.2 Simplified geological map of the Jiaojia gold orefield (after Wang et al., 2014)

圖3 膠東重力異常(a)和航磁異常(b)顯示的EW向基底構(gòu)造帶(據(jù)徐貴忠等，2002修改)Fig.3 The EW trending basement structure indicated by gravity anomalies (a) and aeromagnetic anomalies (b) in Jiaodong (modified after Xu et al., 2002)

東西向構(gòu)造整體構(gòu)造形跡出露較少，在主要金礦區(qū)基本沒有出露，在膠西北地區(qū)以棲霞東西構(gòu)造帶，黃縣-蓬萊東西向構(gòu)造帶的形式出露。東西向斷裂帶是在東西向褶斷帶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的長期活動構(gòu)造帶，既包含了中生代金成礦作用之前的斷裂構(gòu)造，也包含了中生代以來再活動的基底構(gòu)造帶。其表現(xiàn)形式并非是簡單連續(xù)穩(wěn)定的構(gòu)造，而是以東西向花崗巖帶、斷陷盆地及構(gòu)造形跡綜合體現(xiàn)。根據(jù)地表地質(zhì)及深部物探重磁等資料(圖3)，該地區(qū)有如下特征：(1)膠西北花崗巖體在膠東群中的殘留體呈東西向分布，石英和方解石脈常沿東西向片理穿插(Zhangetal., 2020a)；(2)膠西北區(qū)域內(nèi)片麻理主要為東西向(Dengetal., 2018)；(3)存在節(jié)理面光滑，延伸較長，限制在一個狹長帶內(nèi)，表現(xiàn)出擠壓、剪切破裂性質(zhì)的東西向密集節(jié)理帶(Dengetal., 2020b)；(4)區(qū)內(nèi)含金石英脈雁列式展布，存在東西向的構(gòu)造形跡(于學(xué)峰等，2018)；(5)區(qū)域布格重力異常圖上，顯示出明顯的東西向低重力值帶和梯度帶；(6)遙感影像顯示東西向展布的線性構(gòu)造和環(huán)形構(gòu)造(圖3)(徐貴忠等，2002)；(7)東西向展布的棲霞復(fù)背斜及其伴生斷裂可見東西向褶皺構(gòu)造表象(Lietal., 2006)。這些地質(zhì)、地球物理特征表明膠西北東西向構(gòu)造是受南北向水平擠壓、在同一構(gòu)造應(yīng)力場作用下的產(chǎn)物，它在古生代或更早的地質(zhì)年代就已經(jīng)存在，并存在多次構(gòu)造活動。

東西向構(gòu)造奠定了膠西北區(qū)域的構(gòu)造基礎(chǔ)，對后續(xù)構(gòu)造演化及金成礦存在明顯的制約，金礦床普遍分布于NE-NNE向控礦構(gòu)造與EW構(gòu)造帶的交匯處，同時，深部重力資料表明膠西北金礦床位于不同深部斷裂構(gòu)造的交叉部位(鄧軍, 1992)。

1.3 金礦床構(gòu)造特點

區(qū)域性斷裂往往是巖漿和熱液的活動通道，存在控巖和控礦作用，世界上大型-超大型金礦多沿斷裂帶發(fā)育。膠東地區(qū)金礦床主要賦存于NNE向的區(qū)域性控礦斷裂下盤，其空間群聚分布特征明顯。膠西北金成礦帶包括了從平度到蓬萊的北東向狹長區(qū)域，控制了三山島、焦家、玲瓏三個膠東最重要的金礦帶(Lietal., 2019)。金礦床的空間展布沿北東向成帶，東西向成行，近等間距產(chǎn)出(宋明春等, 2008)。

膠西北的金礦床主要發(fā)育有“焦家式”蝕變巖型浸染-網(wǎng)脈狀礦化和“玲瓏式”充填石英脈型礦化，它們在時間上、空間上和成因上有密切聯(lián)系，屬于同一個成礦系列(Liuetal., 2019)。兩類礦化在同一礦區(qū)內(nèi)具有同一的地質(zhì)環(huán)境、成礦物質(zhì)來源，具有相似的圍巖蝕變及礦化階段、成礦溫度、同位素和微量元素等地球化學(xué)特征，在礦體形態(tài)、產(chǎn)狀規(guī)模、礦化形式、礦石類型等方面的差異來源于控礦構(gòu)造部位、級序和性質(zhì)的差異(Chenetal., 2019)。

北東向控礦斷裂帶在平面上和剖面上均呈波狀起伏，并與金礦化存在對應(yīng)關(guān)系(Yangetal., 2016d; Saietal., 2020)。焦家金礦帶內(nèi)主要礦床(體)發(fā)育在斷裂由北東向北北東變化而導(dǎo)致的局部引張部位，剖面上斷裂產(chǎn)狀由陡變緩的部位也會產(chǎn)生局部應(yīng)力狀態(tài)的變化，形成礦化局部富集，導(dǎo)致礦體、礦脈發(fā)育(李士先等, 2007)。

2 應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬

2.1 庫倫破裂準則和數(shù)據(jù)模擬方法

地殼中的斷裂帶和剪切帶被認為擁有高效形成流體遷移路徑的能力，對全球不同成礦省的研究也顯示礦床的空間分布與斷裂帶或剪切帶的幾何學(xué)形態(tài)緊密相關(guān)(Blenkinsop, 2004)。脈狀金礦床的形成需要在斷裂帶或剪切帶在因構(gòu)造活動保持高滲透性的時間內(nèi)巨量的成礦流體通過(Yangetal., 2015a; Grovesetal.,2020; Qiuetal., 2020)。

對于地殼中的斷裂構(gòu)造，其構(gòu)造活動是構(gòu)造應(yīng)力累積并最終失衡導(dǎo)致巖石破裂的過程，這一現(xiàn)象往往作為地震被觀測和記錄(Miller and Wilson, 2004; Yangetal., 2015b)。世界上不同地區(qū)的造山型金礦中脈體產(chǎn)出形態(tài)也顯示了地震活動對成礦的控制作用(Yang, 2019; Yuetal., 2020)。地震活動對成礦的控制作用來源與應(yīng)力場變化導(dǎo)致的巖石滲透性結(jié)構(gòu)變化和流體通量變化。

現(xiàn)代地震學(xué)通過地震序列中余震的空間分布和后續(xù)構(gòu)造破裂的研究證實，巖石靜應(yīng)力的突然改變會導(dǎo)致地震活動，并導(dǎo)致巖石滲透性和地下水巖層水的流體通量產(chǎn)生急劇變化(Kingetal., 1994)。同時，古斷層活動也被認為是古應(yīng)力改變失衡的結(jié)果(Steven and Cox, 2006)。

在基于地質(zhì)體基本物理參數(shù)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模型中，斷層的活動在彈性半空間中被視作一種位錯(Matsumura,1981)。在該情況下，庫倫破裂準則可以用于定量地描述與斷層破裂面上的應(yīng)力變化：

ΔσF=Δτ+μ′(Δσn)

(1)

其中ΔσF為庫倫破裂應(yīng)力的變化值，Δτ是剪切應(yīng)力的變化值，Δσn為等效正應(yīng)力的變化值。巖石表觀摩擦系數(shù)μ′采用兩相假設(shè)，乘以巖石等效正應(yīng)力的變化值得到流體壓力的變化值。應(yīng)力轉(zhuǎn)移模型可以用于確定斷裂-節(jié)理網(wǎng)絡(luò)中瞬時應(yīng)力變化的破裂效應(yīng)。

庫倫破裂應(yīng)力(CFS)是一個用于衡量巖石破碎可能性的重要參數(shù)，在巖石最初的破碎發(fā)生后，附近區(qū)域的次級破碎序列的出現(xiàn)與庫倫破裂應(yīng)力的變化有著直接關(guān)系。庫倫破裂應(yīng)力的值為剪切應(yīng)力與剪切強度的差值，庫倫破裂應(yīng)力的變化值能夠顯示巖石是趨于破碎或穩(wěn)定，在特定斷層上的庫倫破裂應(yīng)力變化值可以表示為：

ΔCFS=Δτ-μ(Δбn-ΔPf)

(2)

其中Δτ是斷層上剪切應(yīng)力的變化值，Δбn是正應(yīng)力的變化值，ΔPf是斷層上流體壓力的變化值，μ是通常假設(shè)為固定值的摩擦系數(shù)。

庫倫破裂應(yīng)力的變化值，可以有效估計次級破碎發(fā)生的可能性。當(dāng)庫倫破裂應(yīng)力變化值為正時，更有發(fā)生破碎，從而在地質(zhì)上產(chǎn)生高滲透性的碎裂巖或裂隙-網(wǎng)脈系統(tǒng)；當(dāng)庫倫破裂應(yīng)力變化值為零或負值的時候，巖石更趨于穩(wěn)定，不易于發(fā)生破碎，導(dǎo)致區(qū)域滲透性低，不利于流體流動和匯集。據(jù)此，我們將庫倫破裂應(yīng)力的變化值做為指標，判斷斷裂帶的滲透性空間結(jié)構(gòu)。

如今有多種計算方法和模擬程序通過有限元模型耦合變形-流體，都基于庫倫破裂應(yīng)力模型。在本研究中，我們使用了開源的Coulomb 3.3代碼模擬三維空間內(nèi)斷裂位移和變形導(dǎo)致的庫倫破裂應(yīng)力。Coulomb 3.3軟件是基于Matlab的應(yīng)變和應(yīng)力變化計算軟件，可用于計算斷層滑動、脈巖侵入引起的靜應(yīng)力、庫倫破裂應(yīng)力和應(yīng)變，地震學(xué)中常使用其來計算地震活動如何促進或遏制斷層附近的破裂；應(yīng)力的結(jié)果計算平面可以設(shè)置成任何深度，方便我們對基底構(gòu)造帶的研究，其可視化、處理速度快、參數(shù)調(diào)整方便的特征方便我們對模型和結(jié)果進行及時確認修改。

2.2 理想模型中基底構(gòu)造的影響

通過在三維空間中建立包含有巖石物理性質(zhì)參數(shù)的有限元模型，設(shè)置斷層活動大小和方向，可以計算出三維空間中庫倫破裂應(yīng)力的變化值，由于我們研究的是斷裂結(jié)構(gòu)對金礦空間分布的影響，因此截取模型計算結(jié)果的平面視圖和礦床在區(qū)域地質(zhì)圖上的分布來做對比參考。圖4顯示了一條40km長的斷層發(fā)生了1m的右行滑動時，在5km深度處造成的庫倫破裂應(yīng)力變化值。當(dāng)我們改變模型有關(guān)物理參數(shù)時，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果對表觀摩擦系數(shù)并不敏感，但是當(dāng)斷層上的滑動幅度、滑動方向、應(yīng)力場的方位、差應(yīng)力的大小發(fā)生改變時，庫倫破裂應(yīng)力的計算結(jié)果會有較大的改變。

圖4 40km長的垂直斷層發(fā)生1m右行位移時庫倫破裂應(yīng)力變化的平面示意圖Fig.4 Plan view of changes in CFS for 1m of slip on a 40-km-long vertical dextral strike-slip fault

在圖4所模擬的情形中，低位移走滑斷層的構(gòu)造活動引發(fā)的次級破裂最可能發(fā)生在斷層兩端終點處發(fā)育的庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的弧瓣內(nèi)。庫倫破裂應(yīng)力變化值為負的區(qū)域內(nèi)次級破碎和高滲透性構(gòu)造將顯著減少。當(dāng)其他參數(shù)不變，斷層由右行變?yōu)樽笮袝r，庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的弧瓣的分布與圖4形成對稱。由于庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的的弧瓣主要位于破裂沿斷層傳播受到阻滯的斷層的起點和終點兩端，成功模擬斷層系統(tǒng)中應(yīng)力傳遞導(dǎo)致的次級破碎分布的關(guān)鍵在于識別在斷層位移體系中破裂受阻的位置。對于單一平直斷層，這樣的位置就是斷層終端處，正值弧瓣位于該終端斷層位移方向的反方向；對于產(chǎn)狀變化，存在分支的復(fù)雜斷層，除了斷層終端處，斷層產(chǎn)狀變化處和支斷裂相交匯處也容易阻滯破裂導(dǎo)致庫倫破裂應(yīng)力增大。

基底構(gòu)造是否會導(dǎo)致淺表斷層活動引起的破裂在特定位置的阻滯是本研究的重點，為此我們調(diào)查了不同模型中因基底構(gòu)造帶性質(zhì)和參數(shù)不同時對計算深度上庫倫破裂應(yīng)力變化的影響。在圖4模型的基礎(chǔ)上建立包含基底構(gòu)造帶的理想模型(圖5)，設(shè)置在淺表40km長、20km深的斷裂之下存在100km長，深20～0km的基底構(gòu)造，斷層的產(chǎn)狀均為垂直，固定應(yīng)力場為最大主應(yīng)力(σ1)方向為45°，中間主應(yīng)力(σ2)垂直，最小主應(yīng)力(σ3)方向為135°，差應(yīng)力(σ1-σ3)為100MPa，表觀摩擦系數(shù)為0.4，在設(shè)定淺表斷層發(fā)生1m的右行位移情況下，觀察基底構(gòu)造帶在不同活動情景下對在10km深度平面上庫倫破裂應(yīng)力變化的影響。

圖5 基底和淺表斷裂的三維實驗?zāi)Ｐ虵ig.5 Example model of the three-dimensional configuration of basement and shallow fault

圖6是我們選出的有代表性意義的結(jié)果。圖6a顯示了基底構(gòu)造帶不活動時應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果；圖6b顯示基底構(gòu)造帶發(fā)生了1m右行位移的模擬結(jié)果；圖6c顯示基底構(gòu)造帶發(fā)生了1m左行位移的的模擬結(jié)果；圖6d顯示基底構(gòu)造帶發(fā)生了1m逆斷活動的模擬結(jié)果；圖6e顯示了基底構(gòu)造帶發(fā)生了1m正斷活動的模擬結(jié)果；圖6f顯示了同圖6b模擬情形，在15km深度處的結(jié)果；圖6g顯示了同圖6b模擬情形，在0km深度處的結(jié)果；圖6h顯示了顯示基底構(gòu)造帶發(fā)生了5m右行位移在10km處的模擬結(jié)果；圖6i顯示了在摩擦系數(shù)為0.2情況下基底構(gòu)造帶發(fā)生了1m右行位移的模擬結(jié)果。

理想模型結(jié)果中最突出的一點是，庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的區(qū)域的大小和其中變化值的極值隨基底構(gòu)造帶活動的性質(zhì)有很大差異。當(dāng)基底構(gòu)造帶在淺表斷層活動時并不同一時期活動，對應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果沒有可見的影響(圖6a)。同時，對于摩擦系數(shù)的變化，對模擬結(jié)果的影響也不可見(圖6i)。但是當(dāng)基底構(gòu)造帶發(fā)生活動時，和原本單一斷層破碎導(dǎo)致的應(yīng)力轉(zhuǎn)移會有較明顯的區(qū)別。以圖6b所示的淺表斷層為右行走滑的情況為基礎(chǔ)，對比其他結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于基底構(gòu)造帶和淺表斷層運動方向在同一水平面上且指向同一象限時，基底構(gòu)造帶和淺表斷層相交的位置附近庫倫應(yīng)力變化值的會相對減小(圖6c)，而基底構(gòu)造帶和淺表斷層運動方向在同一水平面上而不指向同一象限時，基底構(gòu)造帶和淺表斷層相交的位置附近庫倫應(yīng)力變化值的會有相對增大(圖6d)。當(dāng)基底構(gòu)造帶的運動并非走滑而是正逆斷活動，淺表斷層和基底構(gòu)造帶的活動方向在垂直面上時，基底構(gòu)造帶相對運動往上的一盤的庫倫破裂應(yīng)力變化值會相對增大(圖6e, f)。

同時，基底深度和應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬計算結(jié)果所在水平面的垂直距離也有關(guān)系。當(dāng)模擬結(jié)果水平面和基底構(gòu)造帶埋深間距增大時，基底構(gòu)造帶的影響明顯減小(圖6g)；當(dāng)模擬結(jié)果水平面和基底構(gòu)造帶埋深間距減小時，基底構(gòu)造帶的影響明顯增大(圖6h)?；讟?gòu)造帶頂部深度與計算平面深度一致時庫倫破裂應(yīng)力的變化受基底構(gòu)造主導(dǎo)，基底構(gòu)造帶與計算平面深度相差10km時，基底構(gòu)造帶的效應(yīng)幾乎不可見。基底構(gòu)造帶的底部的深度對結(jié)果沒有影響。

為了量化基底構(gòu)造帶活動造成的影響，我們對比淺表斷層和基底構(gòu)造帶二者同時存在時的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果和二者獨自造成的庫倫破裂應(yīng)力變化(圖7)。對比淺表斷層發(fā)生1m右行走滑(圖7a)、基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右行走滑(圖7b)和二者同時存在并發(fā)生1m右行活動(圖7c)時模擬結(jié)果中庫倫破裂應(yīng)力變化等值線和每個網(wǎng)格中的庫倫破裂應(yīng)力變化值，發(fā)現(xiàn)淺表斷裂和基底構(gòu)造帶同時活動的結(jié)果等于淺表斷裂和基底構(gòu)造帶分別單獨活動結(jié)果的和。說明對于復(fù)雜的包含了淺表斷層和基底構(gòu)造帶的情況，可以視作淺表斷層活動和基底構(gòu)造帶活動結(jié)果的疊加，在淺表斷層導(dǎo)致的應(yīng)力轉(zhuǎn)移確定時，通過計算基底構(gòu)造帶活動引起造成的庫倫破裂應(yīng)力變化并進行疊加，可以得到真實的含基底構(gòu)造帶的模擬結(jié)果。

通過對理想模型的研究，我們發(fā)現(xiàn)了當(dāng)基底構(gòu)造帶發(fā)生活動時對存在淺表構(gòu)造和基底構(gòu)造的斷裂帶系統(tǒng)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果存在影響。因此，對于實際礦區(qū)礦帶尺度的斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬應(yīng)該考慮是否存在基底構(gòu)造帶，以及其是否在成礦期發(fā)生活動。對于基底構(gòu)造帶的活動性質(zhì)、方向和位移大小，因為埋深等原因無法獲得時，我們可以根據(jù)對比基底構(gòu)造帶不同參數(shù)下的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)事實，反推出基底構(gòu)造帶的活動特征。對于本研究的研究區(qū)焦家斷裂帶，其淺表焦家斷層引起的庫倫破裂應(yīng)力變化可以確定，基底構(gòu)造帶活動性質(zhì)和位移大小不明，可以在模擬過程中固定淺表焦家斷裂帶有關(guān)參數(shù)，調(diào)整基底構(gòu)造帶相關(guān)參數(shù)，對比成礦地質(zhì)事實和構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬中得到的高滲透性區(qū)域，從而獲取基底構(gòu)造帶在成礦期的運動情況。

2.3 焦家斷裂帶應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬

對于焦家斷裂帶的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬已存在研究，模擬發(fā)現(xiàn)庫倫破裂應(yīng)力正值弧瓣內(nèi)分布著焦家金礦帶內(nèi)所有已知的金礦床，且各金礦床已探明的金金屬量和其所在弧瓣的庫倫破裂應(yīng)力變化極值呈正相關(guān)關(guān)系(王偲瑞等，2016)。但是在模型建立過程中沒有考慮到膠西北地區(qū)在淺表斷裂之下的變質(zhì)基底中存在先存的基底構(gòu)造帶，并可能在成礦期發(fā)生活動，模擬結(jié)果也存在部分解釋困難的部分，如在焦家斷裂帶東側(cè)遠離主斷裂的區(qū)域存在礦化點，與模擬結(jié)果顯示的庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域不完全吻合。本次的研究擬通過設(shè)置不同的基底構(gòu)造帶活動，探討基底構(gòu)造帶是否對成礦有貢獻，并對以往的模型進行部分改進，以期獲得更符合成礦地質(zhì)事實的結(jié)果和認識。

圖6 在淺表斷裂發(fā)生右行活動時基底構(gòu)造帶對庫倫破裂應(yīng)力造成影響的水平面示意圖(a)基底構(gòu)造帶不活動，計算深度10km上的圖像；(b)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右行活動，計算深度10km上的圖像；(c)基底構(gòu)造帶發(fā)生基底構(gòu)造帶發(fā)生1m左行活動，計算深度10km的圖像；(d)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m逆斷活動，計算深度10km的圖像；(e)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m正斷活動，計算深度10km的圖像；(f)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右斷活動，計算深度15km上的圖像；(g)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右行活動，計算深度0km的圖像；(h)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右行活動，計算深度5km的圖像；(i)基底構(gòu)造帶發(fā)生1m右行活動，摩擦系數(shù)0.2，計算深度10km的圖像. 紅線表示基底構(gòu)造帶，綠線表示淺表斷裂Fig.6 The effect of basement structure on the change of CFS in horizontal plane while shallow fault has a dextral movement(a) at the depth of 10km with an inactive basement structure; (b) at the depth of 10km, while the basement structure has a 1m dextral movement; (c) at the depth of 10km, while the basement structure has a 1m sinistral movement; (d) at the depth of 10km, while the basement structure has a 1m reverse movement; (e) at the depth of 10km, while the basement structure has a 1m normal movement; (f) at the depth of 15km, while the basement structure has a 1m dextral movement; (g) at the depth of 0km, while the basement structure has a 1m dextral movement; (h) at the depth of 5km, while the basement structure has a 1m dextral movement; (i) at the depth of 10km, while the basement structure has 1m dextral movement with a friction coeffcient of 0.2. Red lines stand for basement structure; green lines stand for shallow fault

焦家斷裂帶的淺表斷裂及基底構(gòu)造帶幾何學(xué)形態(tài)來自于區(qū)域地質(zhì)圖、野外實地調(diào)查和已有地質(zhì)地球物理資料。模型將焦家斷裂帶分為了42個平直斷層片段，這些片段的節(jié)點是斷裂帶產(chǎn)狀發(fā)生變化處或斷層分支處。模型建立在東西寬12km，南北長16km，最深40km的三維有限元空間模型中，用作計算的空間網(wǎng)格大小為100m×100m×100m。建立模型需要的物理參數(shù)還需要巖石的力學(xué)參數(shù)包括泊松比、楊氏模量，每個斷層片段的位移大小和方向以及成礦期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的方位和差應(yīng)力的大小。

巖石力學(xué)的參數(shù)來自實驗室物理測試(許錫昌和劉泉聲, 2000)，表觀摩擦系數(shù)通常不大于0.75不小于0.1，在該范圍內(nèi)摩擦系數(shù)數(shù)值變化對于結(jié)果的整體影響十分有限，諸多的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的研究顯示，較低的表觀摩擦系數(shù)μ′符合大多數(shù)情況下，破裂發(fā)生后次級破碎的空間分布情況(Curewitz and Karson, 1999)。μ′=0.4的情況下，壓力變化導(dǎo)致巖石趨于破碎時，微裂隙和破裂平行于最大主應(yīng)力的方向發(fā)育，這種假設(shè)可能最吻合礦床形成時流體飽和巖石中發(fā)育破碎的情況，因此絕大多數(shù)有關(guān)流體-巖石體系中都采用0.4的表觀摩擦系數(shù)。本次應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬中表觀摩擦系數(shù)μ′的值設(shè)置為0.4。斷裂帶的位移方向通過大量的野外實地調(diào)研和已有地質(zhì)資料獲得， 焦家斷裂帶主成礦期的活動以右行走滑為主。斷裂帶的位移大小因為無法完全確認每個斷層片段具體的滑動距離，采取了中國東部地震震級與地表斷裂尺度和震時位移的經(jīng)驗公式分別對每個斷層片段的滑動大小進行估算(陳達生，1984)，并且根據(jù)焦家、寺莊、新城等礦床所在斷層分段在礦床中測量得到的具體滑動距離，修改得到焦家斷裂帶的斷裂尺度-位移大小的經(jīng)驗公式：

圖7 單一淺表斷層、基底構(gòu)造帶和二者同時存在時庫倫破裂應(yīng)力變化等值線(a)單一淺表右行斷裂；(b)基底右行構(gòu)造帶；(c)淺表斷裂和基底構(gòu)造帶Fig.7 The change of CFS caused by single slip shallow fault, basement structure and both of them(a) single dextral shallow fault; (b) dextral basement structure; (c) shallow fault with basement structure

表1 模型設(shè)置所用參數(shù)

lg(L)=-1.40+0.45Mlg(D)=-2.66+0.54M

(3)

其中，L為斷裂發(fā)生地震時的位移大小，D為地表斷裂長度(單位km)，M為對應(yīng)的地震活動震級。

已有的區(qū)域構(gòu)成礦動力學(xué)研究表明，焦家斷裂帶金成礦期的構(gòu)造活動是疊加在早期的韌性變形之上的，形成了一系列共軛構(gòu)造，利用共軛節(jié)理和顯微構(gòu)造分析，查明成礦期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力(σ1)為NW-SE向，最小主應(yīng)力(σ3)為NE-SW向。在應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬中應(yīng)力差(σ1-σ3)也是重要的參數(shù)，根據(jù)成礦期結(jié)晶重熔石英的動態(tài)重結(jié)晶顆粒統(tǒng)計得成礦期差應(yīng)力值為56.73～135.68MPa(鄧軍等，2006)，根據(jù)自由位錯密度得差應(yīng)力值為82.56～168MPa(龍昱等，1992)。

設(shè)置模型所用的參數(shù)具體如表1所示：

本研究首先對深度范圍在0～20km的焦家斷裂帶進行應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬，考慮到焦家斷裂帶成礦深度和中生代到現(xiàn)在整體隆升剝蝕，模擬了15km深處焦家斷裂帶在成礦期因為右行走滑活動導(dǎo)致的區(qū)域上的庫倫破裂應(yīng)力的變化情況，認為其能夠反映成礦期焦家斷裂帶在成礦深度上的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬情況(圖8)。

圖4顯示的理想單一右行走滑斷裂造成的庫倫破裂應(yīng)力變化以斷裂帶為中心呈現(xiàn)八象限的玫瑰弧瓣花紋，其中庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣分布在斷層末端滑動開始方向的四個象限，指示這些區(qū)域內(nèi)應(yīng)力受到阻滯并聚集；其余四個象限中分布破裂應(yīng)力減小的弧瓣，指示應(yīng)力相對離散，不容易發(fā)生破碎。對于焦家斷裂帶，存在復(fù)雜的支斷裂和菱形格狀斷裂帶系統(tǒng)，其應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬形成的圖樣受斷裂帶空間形態(tài)影響，但斷裂帶庫倫破裂應(yīng)力變化值整體上也是以NE向的焦家主斷裂帶為中心的八象限玫瑰弧瓣花樣。

圖8b中暖色弧瓣對應(yīng)了焦家斷裂帶內(nèi)庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的區(qū)域，在焦家斷裂帶發(fā)生右行走滑事件后，這些區(qū)域中巖石更趨向于發(fā)生次級破裂，并形成高滲透性的結(jié)構(gòu)。圖像中冷色弧瓣對應(yīng)了焦家斷裂帶內(nèi)庫倫破裂應(yīng)力變化值為負的區(qū)域，這些區(qū)域受到焦家主斷裂帶活動的影響不明顯，所受到的應(yīng)力狀態(tài)并沒有發(fā)生趨向于破裂的改變，導(dǎo)致巖石穩(wěn)定不會而維持低滲透性。

焦家斷裂帶內(nèi)已知礦床的位置和庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的弧瓣區(qū)域有著較好的空間對應(yīng)關(guān)系，庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域主要位于焦家主斷裂南北終點附近及焦家斷裂分段節(jié)點或與支斷裂的交匯點的寺莊、東季、新城、高家莊子、望兒山等處，這些地方斷層走向都發(fā)生了明顯的變化。而庫倫破裂應(yīng)力變化值為負的區(qū)域主要分布在焦家主斷裂帶內(nèi)部新城-高家莊子段為中心的東西向?qū)?km，南北向長12km的空間范圍，其內(nèi)幾乎沒有礦床和礦化點。

圖8 焦家斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬模型和結(jié)果示意圖Fig.8 The stress transfer modeling and Coulomb stress changes induced by the movement of Jiaojia fault

在毗鄰主斷裂帶的空間之外也存在礦化點，如洼孫家雖然距焦家斷裂帶有約3km的距離，但是仍位于庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣內(nèi)，并發(fā)育有礦化點，也驗證了斷裂帶應(yīng)力轉(zhuǎn)移引起的高滲透性區(qū)域在空間上與礦化的關(guān)系。但是，該處的庫倫破裂應(yīng)力變化值相對于其他礦床所在區(qū)域過小，其他有相當(dāng)庫倫破裂應(yīng)力變化值的區(qū)域并沒有成礦；在望兒山支斷裂的東側(cè)3km處的前孫家金礦位于焦家斷裂帶應(yīng)力轉(zhuǎn)移引起的庫倫破裂應(yīng)力減小的范圍內(nèi)，這兩個小型礦床的存在使淺表焦家斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果與地質(zhì)事實有所出入。這兩個礦化點的下方存在隱伏的EW向基底構(gòu)造，地質(zhì)事實與模擬結(jié)果的不一致的原因可能來自于基底構(gòu)造活動造成的庫倫破裂應(yīng)力變化，我們以此為切入點，探討這兩個礦床的出現(xiàn)是否是受基底構(gòu)造帶活動的影響。

結(jié)合深源地球物理信息、中生代中酸性巖漿侵入體厚度、巖性巖相的橫向陡變，可以識別出多條EW向基底構(gòu)造帶(圖2)，這些基底構(gòu)造帶發(fā)育在膠西北中生代巖漿巖侵入體下覆的變質(zhì)巖基底中，其埋藏深度，應(yīng)大于上覆的中生代花崗巖侵入體，根據(jù)對玲瓏花崗巖和郭家?guī)X花崗巖巖體的侵位深度測算，結(jié)合從中生代到現(xiàn)今膠西北地區(qū)的隆升剝蝕歷史，基底構(gòu)造帶的頂端深度應(yīng)不淺于20km(Zhangetal., 2020b)。據(jù)此設(shè)置基底構(gòu)造帶的深度在20～40km的垂直空間范圍內(nèi)。

基底構(gòu)造帶在地球物理解譯的圖像上顯示，其被焦家斷裂帶左行錯動，但并非意味著焦家斷裂帶在成礦期發(fā)生的是左行活動，這是因為基底構(gòu)造帶的形成早于焦家斷裂帶，焦家斷裂帶在其形成的時候發(fā)生了左行走滑，并對基底構(gòu)造造成了一定程度的改造。在地表和礦床井下的實地觀察中并不能直接發(fā)現(xiàn)基底構(gòu)造帶，但是可以觀察到有關(guān)的成礦前構(gòu)造，并且在產(chǎn)狀、運動學(xué)性質(zhì)上與基底構(gòu)造相匹配。這些介觀尺度的構(gòu)造在礦床內(nèi)被成礦期構(gòu)造右行錯動，說明了成礦期焦家斷裂發(fā)生了右行活動并錯動成礦前已存在的基底構(gòu)造及其相配套的次級構(gòu)造。在成礦期焦家斷裂帶發(fā)生了右行為主的滑動事件，導(dǎo)致了成礦作用，應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬以成礦期的活動為基準。我們對于成礦期基底構(gòu)造的活動性質(zhì)和位移大小并不清楚，基于添加了基底構(gòu)造的構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果和地質(zhì)事實的對比，我們可以得到一個相對合理的模型。

我們就基底構(gòu)造帶發(fā)生左行、右行、逆斷、正斷位移活動的情況分別進行了數(shù)據(jù)模擬，斷層位移大小均按照1m計算，結(jié)果如圖9所示。

圖9a顯示了基底構(gòu)造發(fā)生1m左行滑動時的焦家斷裂帶的庫倫破裂應(yīng)力變化情況，雖然在此情況中焦家主斷裂帶東側(cè)的洼孫家和前孫家礦化點均位于庫倫破裂應(yīng)力增大的暖色弧瓣內(nèi)，但是圖像中焦家主斷裂帶東側(cè)出現(xiàn)了大規(guī)模的暖色弧瓣，且這些區(qū)域大多位于焦家主斷裂上盤的變質(zhì)巖中，不存在礦化點，與地質(zhì)事實不符。同時，在焦家主斷裂東側(cè)的基底構(gòu)造附近出現(xiàn)了大范圍的暖色弧瓣，這些地點也不存在與弧瓣指示的庫倫破裂應(yīng)力變化值相對應(yīng)的礦床或礦化點。

圖9 基底構(gòu)造帶活動時焦家斷裂帶庫倫破裂應(yīng)力變化示意圖(a)基底構(gòu)造帶發(fā)生左行滑動；(b)基底構(gòu)造帶發(fā)生右行滑動；(c)基底構(gòu)造帶發(fā)生正斷活動；(d)基底構(gòu)造帶發(fā)生逆斷活動Fig.9 The change of CFS of Jiaojia fault when basement structure moved as sinistral fault (a), dextral fault (b), normal fault (c) and reverse fault (d)

圖9b顯示了基底構(gòu)造發(fā)生1m右行滑動時的焦家斷裂帶的庫倫破裂應(yīng)力變化情況，在此情況中中焦家主斷裂帶東側(cè)的洼孫家和前孫家礦化點均位于庫倫破裂應(yīng)力增大的暖色弧瓣內(nèi)，同時和圖8b相比，對新城、焦家附近的騰家、馬塘等深部礦體有更好的對應(yīng)。

圖9c和圖9d分別顯示了基底構(gòu)造發(fā)生1m正斷和逆斷活動時的焦家斷裂帶的庫倫破裂應(yīng)力變化情況，二者的區(qū)別很有限，共有的最大特征是由于基底構(gòu)造帶的正斷或逆斷活動，相較于圖8b焦家斷裂帶內(nèi)庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域被局限在主斷裂附近的區(qū)域內(nèi)，最主要的暖色弧瓣位于主斷裂的南北端點處。焦家主斷裂帶東側(cè)的前孫家、洼孫家礦化點均在庫倫破裂應(yīng)力減小的冷色區(qū)域內(nèi)，這與成礦地質(zhì)事實不相吻合。

通過對比圖9a和圖9b，我們認為焦家斷裂帶下覆的基底構(gòu)造在成礦期更可能發(fā)生了右行走滑的活動。正值弧瓣存在于焦家主斷裂西側(cè)的空間內(nèi)，是因為焦家斷裂帶整體是向北西傾的，礦體發(fā)育在主斷裂帶的下盤，應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果均顯示的是15km深的成礦深度上庫倫破裂應(yīng)力應(yīng)力變化情況，正值弧瓣位于地表斷裂帶的西側(cè)與礦體產(chǎn)狀相符。假設(shè)基底構(gòu)造發(fā)生左行活動時得到的應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬圖像顯示的焦家斷裂帶東側(cè)的大范圍的庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域出現(xiàn)的原因不是焦家主斷裂帶的活動，而是基底構(gòu)造活動的結(jié)果，該模擬的結(jié)果顯示在焦家主斷裂焦家-馬塘段東側(cè)約3～8km的范圍內(nèi)存在可能比主斷裂帶上更好的成礦遠景區(qū)，但是這與區(qū)域上的地質(zhì)勘探和鉆孔數(shù)據(jù)不相符，故此排除了基底構(gòu)造帶發(fā)生左行的假設(shè)。

圖9c和圖9d顯示了基底構(gòu)造的正斷或逆斷活動對淺表構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果的影響，包含了前孫家、洼孫家等小型礦床在內(nèi)的，焦家主斷裂帶以外的大范圍空間內(nèi)庫倫破裂應(yīng)力變化值都減小了，巖石更趨向于穩(wěn)定，不發(fā)生破碎?；讟?gòu)造的正斷或逆斷活動會遏制斷裂帶庫倫破裂應(yīng)力增大的趨勢，但也不能說明基底構(gòu)造活動沒有垂直分量?；讟?gòu)造在右行走滑的同時也有可能發(fā)生了逆斷或正斷的垂直方向位移，二者疊加導(dǎo)致的庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域可能與焦家斷裂帶內(nèi)的礦床和礦化點有更好的對應(yīng)，為此也需要計算基底構(gòu)造并非單純右行走滑，而同時具有垂直方向位移情況下的庫倫破裂應(yīng)力變化。

3 討論

對于長壽斷層，在其形成演化歷史中可能存在多期構(gòu)造活動，每次發(fā)生地震和破裂時，斷裂帶形態(tài)和其運動學(xué)形跡都會有所記錄。使用構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的方式來確定斷裂在某一階段引起的庫倫破裂應(yīng)力變化時，應(yīng)該考慮現(xiàn)存形跡中哪些對應(yīng)了該階段的活動；當(dāng)存在多期成礦事件時，應(yīng)對不同期次的構(gòu)造活動事件分別進行模擬計算，并將多期的結(jié)果進行疊加，這樣才能反映礦產(chǎn)真實的發(fā)育保存情況。焦家斷裂帶是從中生代開始就存在的長壽斷層，其形成年代幾乎與成礦期同時，并且因為大規(guī)模的構(gòu)造活動形成了菱形格狀斷裂帶系統(tǒng)，焦家金礦田120Ma發(fā)生的金成礦作用導(dǎo)致成礦，其后焦家斷裂帶并沒發(fā)生大的構(gòu)造活動并因此改變形態(tài)(王中亮，2012)，我們認為現(xiàn)今的焦家斷裂帶形跡能夠反映成礦期的構(gòu)造活動。

對于基底構(gòu)造我們無法同時野外實地調(diào)研查明其成礦期活動位移的大小，不能夠確定其位移和斷層片段長度是否也能適用經(jīng)驗公式(3)，一個可行的驗證手段是查明前孫家、洼孫家附近的基底構(gòu)造帶片段的位移大小，重新擬合位移量與斷層片段長度關(guān)系的經(jīng)驗公式。

焦家斷裂帶滲透性結(jié)構(gòu)的研究顯示焦家金礦田內(nèi)礦床在10km以淺的金資源儲量與其所在的庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣區(qū)域內(nèi)變化值的極值成正比(王偲瑞等，2016)。焦家金礦田內(nèi)金礦床1000m以淺金金屬量(Q)與庫倫破裂應(yīng)力(ΔCFS)之間的經(jīng)驗關(guān)系式如下：

Q=4.526×ΔCFS-83.27

(4)

其中，Q是金礦床的金金屬儲量，單位是噸；ΔCFS是庫倫破裂應(yīng)力變化的極值，單位是bar。經(jīng)驗公式的95%置信區(qū)間分別為：a∈(2.768，5.622)，b∈(-109.54，-53.28)；標準差為29.2，確定系數(shù)R2為0.8905，校正確定系數(shù)R2為0.8978。從擬合優(yōu)度看，擬合結(jié)果有極大可靠性能反應(yīng)真實的關(guān)系。據(jù)經(jīng)驗公式(4)，當(dāng)庫倫破裂應(yīng)力增大弧瓣內(nèi)的極大值小于18.39bar時，雖然在應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果圖像顯示出正異常，但是其內(nèi)不成礦，這導(dǎo)致了圖7和圖9中部分小型正值異常的弧瓣內(nèi)沒有對應(yīng)礦床的產(chǎn)出。同時，也因為勘探和鉆孔施工程度不同，我們也不能完全把握焦家斷裂帶內(nèi)所有空間內(nèi)的金資源埋藏情況，圖9結(jié)果中應(yīng)力增大弧瓣內(nèi)的極大值大于18.39bar的未存在已知礦床的區(qū)域具有找礦潛力，可視為找礦勘查的靶區(qū)。

基于經(jīng)驗公式(4)，圖9模擬結(jié)果中我們得到前孫家和洼孫家所在的庫倫破裂應(yīng)力變化值為正的弧瓣內(nèi)應(yīng)力變化的極值應(yīng)為28bar和26bar。

我們改變基底構(gòu)造位移的大小來查驗當(dāng)前孫家和洼孫家金礦床所在庫倫破裂應(yīng)力增大弧瓣內(nèi)應(yīng)力變化極值與經(jīng)驗公式相吻合時，基底構(gòu)造帶的位移情況。

當(dāng)洼孫家所在庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣內(nèi)應(yīng)力變化極值為26bar，前孫家所在庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣內(nèi)應(yīng)力變化極值為28bar時，二者所對應(yīng)的基底構(gòu)造帶片段長度分別為1.89km和2.74km，斷層位移大小分別為0.74m和1.76m。并按照根據(jù)此得到的基底構(gòu)造位移-斷層片段長度擬合直線公式：

L=-1.528+1.2D

(5)

其中，L為基底構(gòu)造帶發(fā)生活動時的位移大小(單位m)，D為基底構(gòu)造帶長度(單位km)。

對于其他基底構(gòu)造帶片段使用該擬合直線公式計算位移大小，并最終獲得與實際礦產(chǎn)地質(zhì)相吻合的圖像圖10所示。基底構(gòu)造的位移大小略大于同樣長度淺表斷裂的發(fā)生位移。前文中提及基底構(gòu)造也可能發(fā)生的并非是單一右行走滑活動，存在垂直方向上的位移分量，從模擬結(jié)果上看，如果基底構(gòu)造帶活動垂向位移分量有水平分量一半以上的話，其總位移大小將大于淺表斷層的兩倍以上，這樣的話在成礦深度上庫倫破裂應(yīng)力變化受基底構(gòu)造的活動的影響將大于淺表構(gòu)造，從而焦家金礦帶內(nèi)滲透率結(jié)構(gòu)將以基底構(gòu)造的空間形態(tài)為基準，與地質(zhì)事實不符合。故我們認為如果基底構(gòu)造存在垂直方向的位移，垂向位移分量也小于水平分量一半，即位移方向的側(cè)伏角也應(yīng)小于30°。

圖10 吻合經(jīng)驗公式的構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬圖像Fig.10 The imagine of stress transfer modeling matching with the empirical equation

在圖10中焦家斷裂帶主斷裂范圍內(nèi)及遠離主斷裂的東側(cè)，已探明的礦床和礦化點均位于庫倫破裂應(yīng)力增大的弧瓣內(nèi)，同時滿足金資源儲量和庫倫破裂應(yīng)力的變化值滿足經(jīng)驗公式(3)。

根據(jù)經(jīng)驗公式(3)，只有在庫倫破裂應(yīng)力增值大于16bar的區(qū)域才有可能成礦。如前文所述，造成焦家金礦帶庫倫破裂應(yīng)力增大的存在兩方面因素，一方面是淺表斷裂活動導(dǎo)致的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，另一方面是基底構(gòu)造帶活動導(dǎo)致的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。前孫家和洼孫家兩個小型金礦床的存在和圖10的模擬結(jié)果說明，焦家金礦帶內(nèi)單純由淺表焦家斷裂引起庫倫破裂應(yīng)力變化值不足以成礦的區(qū)域也有可能因為基底構(gòu)造帶構(gòu)造的活動而成礦。那么該如何量化同時存在淺表斷裂和基底構(gòu)造帶的區(qū)域庫倫破裂應(yīng)力變化中基底構(gòu)造帶的貢獻呢？

對于同時存在淺表斷裂和基底構(gòu)造帶活動的區(qū)域，其范圍內(nèi)某點的庫倫破裂應(yīng)力變化值可以表示為：

ΔCFS=ΔCFS淺表+ΔCFS基底

(6)

淺表斷裂引起的庫倫破裂應(yīng)力變化值在確定了其空間形態(tài)、活動性質(zhì)和位移大小時可以視作一個依存于空間的固定值Q。當(dāng)區(qū)域內(nèi)某處基底構(gòu)造帶活動導(dǎo)致的庫倫破裂應(yīng)力增大變化值和該值之和大于16bar時，該點就有可能成礦，即：

ΔCFS基底+Q>16bar

(7)

對于基底構(gòu)造帶，其埋深往往大于成礦深度，和淺表構(gòu)造不一樣在成礦深度處不是一個連續(xù)的活動面，從而導(dǎo)致在成礦深度上決定的不僅有基底構(gòu)造帶的空間展布、活動方向、位移大小，還有基底構(gòu)造帶埋深與成礦深度的間距。

圖11顯示了其他參數(shù)不變，右行1m的基底構(gòu)造帶，其埋深和應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬計算水平面間距分別為15km、10km、5km時的庫倫破裂應(yīng)力變化變化情況?？梢悦黠@看出當(dāng)基底構(gòu)造帶埋深和計算深度間距增大時，基底構(gòu)造活動引起的庫倫破裂應(yīng)力變化幅度減小；當(dāng)基底構(gòu)造帶埋深和計算深度間距減小時，基底構(gòu)造活動引起的庫倫破裂應(yīng)力變化幅度增大。這是因為庫倫破裂應(yīng)力變化不僅在水平面上，同時在剖面上也是以斷層末端為中心的弧瓣圖樣(圖11d)?；“甑那€公式不明，但根據(jù)橢圓曲線一般規(guī)律，在計算平面深度H處紅點的庫倫破裂應(yīng)力變化值應(yīng)是與計算深度和基底構(gòu)造帶埋深間距x及該點到基底構(gòu)造帶水平投影的距離y的平方呈反比。

具體的庫倫破裂應(yīng)力變化值取決于基底構(gòu)造帶的位移大小、圍巖的物理參數(shù)等。即：

ΔCFS基底=aΔCFSmax(M-b(x+y)2)

(8)

其中a，b是固定的系數(shù)，ΔCFSmax是在給定位移大小情況下基底構(gòu)造活動能引起的庫倫破裂應(yīng)力變化的最大值，M是和巖石物理參數(shù)、區(qū)域應(yīng)力場有關(guān)的系數(shù)。ΔCFS基底的正負值取決于基底構(gòu)造運動的方向及計算點相對基底構(gòu)造帶所在的空間象限。同時，通過公式可知，當(dāng)一點庫倫破裂應(yīng)力變化值增大時，其所在異常區(qū)域的面積會指數(shù)性倍增，從而導(dǎo)致了礦區(qū)范圍比庫倫破裂應(yīng)力變化正異常的空間要小。在判斷構(gòu)造活動引起的滲透性空間變化時，比起庫倫破裂應(yīng)力變化的正值弧瓣的大小，變化值本身更能反應(yīng)滲透性的變化。

庫倫破裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬計算的高值區(qū)域反應(yīng)了活動斷層引起的次級破裂活動形成新構(gòu)造的可能性，因此作為基準的構(gòu)造應(yīng)是在成礦期主活動斷層。焦家斷裂帶在成礦期發(fā)生了構(gòu)造活動并導(dǎo)致了庫倫破裂應(yīng)力在空間上特定的變化規(guī)律，在斷層終端、產(chǎn)狀變化處等特殊位置斷層活動更容易受到阻滯，導(dǎo)致庫倫破裂應(yīng)力增大，巖石破裂形成次級高滲透性裂隙-網(wǎng)脈結(jié)構(gòu)。東西向的基底構(gòu)造帶在這一過程中，在與NE向的焦家主斷裂帶交匯處形成了構(gòu)造節(jié)點，二者的活動導(dǎo)致的應(yīng)力轉(zhuǎn)移效應(yīng)疊加，在節(jié)點處庫倫破裂應(yīng)力增大幅度更高，形成了更高滲透性的區(qū)域，通過更大流量的成礦流體，從而發(fā)育了諸如焦家、望兒山、新城等大型-超大型金礦床；另一方面由于其基底構(gòu)造帶自身的走滑活動，在遠離焦家主斷裂，單純淺表焦家主斷裂成礦期活動不足使導(dǎo)致庫倫破裂應(yīng)力增大達到16bar的成礦閾值的區(qū)域內(nèi)，疊加上基底構(gòu)造帶引起的庫倫破裂應(yīng)力增大，形成了高滲透性區(qū)域，發(fā)育前孫家、洼孫家等金礦化點，但是因為主斷裂帶活動在這些區(qū)域造成的庫倫破裂應(yīng)力變化不大，這些部位庫倫破裂應(yīng)力變化值的絕對值小于主斷裂帶，其成礦潛力和金資源儲量相對主斷裂帶上的礦床較小，只能形成中-小型的金礦床。

在本次研究中，我們以流體通量為媒介研究了基底構(gòu)造與地殼較淺部位金礦化的關(guān)系。應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬結(jié)果顯示基底構(gòu)造的成礦期走滑活動對十到上百千米為單位的斷裂帶中特定部位的金礦床定位有積極作用。但是基底構(gòu)造的對斷裂帶范圍內(nèi)的庫倫破裂應(yīng)力變化影響力受其成礦深度和基底構(gòu)造埋深限制，基底構(gòu)造與主成礦斷裂帶的交匯處庫倫破裂應(yīng)力增大同時基底構(gòu)造也能提供深源流體的上升通道，在這些構(gòu)造節(jié)點處流體大量通過并能夠在淺表成礦；焦家金礦帶應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果顯示在焦家主斷裂中段新城-東季一帶，南段焦家-寺莊以南，北段小澇洼以北，深部仍有較大潛力。

圖11 基底構(gòu)造帶活動在不同深度和剖面上引起的庫倫破裂應(yīng)力變化(a-c)分別為對應(yīng)深度平面示意圖；(d)為剖面上示意圖并標出了(a、b、c)所在深度Fig.11 The change of CFS caused by basement structure movement in different calculation depth and in profile (a-c) show the corresponding depth plan schematic diagram respectively; (d) the schematic diagram on the section where (a), (b) and (c) are marked at their depths

單純的基底構(gòu)造帶活動形成的庫倫破裂應(yīng)力增大的區(qū)域在沒有淺表大型的斷裂構(gòu)造作為流體向上運移的二級通道和容礦構(gòu)造時，成礦潛力明顯受到限制?；讟?gòu)造帶對區(qū)域上庫倫破裂應(yīng)力變化影響的程度和基底構(gòu)造帶埋深與成礦深度垂直距離成反比，當(dāng)間距超過10km時，基底構(gòu)造在成礦深度水平面上造成的庫倫破裂應(yīng)力變化就很難被識別出來。焦家金礦帶成礦深度為15km的，距離基底構(gòu)造帶頂部20km深度的間距為5km，在成礦深度上基底構(gòu)造導(dǎo)致的庫倫破裂應(yīng)力變化仍不及在淺表0～20km的焦家主斷層。但在望兒山支斷裂東側(cè)38°25′06″N、38°24′30″N、38°23°50″N，焦家主斷裂西側(cè)38°24′58″N、38°23′50″N、38°22°43″N三條近EW向基底構(gòu)造帶所在的EW向廊帶上有可能存在中-小型金礦床(點)，模擬結(jié)果圖像顯示，120°34′06″E的小羅山、許家村附近，存在兩個庫倫破裂應(yīng)力增大極值大于18.39bar的找礦靶區(qū)，對應(yīng)的增大值極值分別為20bar和19bar。根據(jù)經(jīng)驗公式(4)，這兩處可能分別發(fā)育有資源量7噸和3噸左右的金礦床。這兩處雖然在遠離焦家主斷裂帶的花崗巖中，但有研究指出均發(fā)育有少量石英脈，區(qū)域礦產(chǎn)評估中這兩處位于B、C級靶區(qū)范圍內(nèi)，與應(yīng)力轉(zhuǎn)移模擬的結(jié)果相吻合(倪振平等，2013；王海芹等，2018)。

通過本文的研究，可以認為基底構(gòu)造的空間形態(tài)也能被視作區(qū)域成礦潛力評估的要素，對于焦家金礦帶，EW向基底構(gòu)造帶與淺表NE-NNE向斷層的交匯部位是重點靶區(qū)，且基底構(gòu)造帶埋深與成礦深度的間距越小，發(fā)育金礦床的概率和規(guī)模越大。對于世界范圍內(nèi)其他受斷層構(gòu)造控制的熱液金礦區(qū)(帶)，如果在淺表的控礦斷裂帶深部隱伏有基底構(gòu)造帶，同樣可通過航磁、地球物理等手段獲取的基底構(gòu)造帶的展布，查明淺表斷層與基底構(gòu)造帶相交匯處的空間位置，這些構(gòu)造節(jié)點由于庫倫破裂應(yīng)力變化值的疊加更容易形成大型-超大型的礦床。基底構(gòu)造帶埋深與成礦深度的間距越小，該成礦帶內(nèi)離主控礦斷裂帶較遠的區(qū)域也越容易發(fā)育因基底構(gòu)造帶活動引起的庫倫破裂應(yīng)力變化形成的中-小型金礦床(點)。

4 結(jié)論

焦家斷裂帶在成礦期發(fā)生了脆性破裂，導(dǎo)致區(qū)域庫倫破裂應(yīng)力的異常變化；在庫倫破裂應(yīng)力增大部位發(fā)育高滲透性次級斷裂，控制了金礦床(點)的產(chǎn)出?；讟?gòu)造帶的再活動會引起區(qū)域庫倫破裂應(yīng)力的變化，從而改變局部地段的滲透性結(jié)構(gòu)和成礦能力：基底構(gòu)造帶和淺表斷層運動方向指向不同一象限時，基底構(gòu)造帶和淺表斷層的交匯部位庫倫應(yīng)力變化值相對增大、有利于金等成礦物質(zhì)的大量聚集。深部隱伏的近東西向基底構(gòu)造帶成礦期發(fā)生右行活動并在其與淺表NE-NNE向斷裂帶交匯部位形成構(gòu)造節(jié)點，控制了大型-超大型的焦家、寺莊和新城金礦床的產(chǎn)出?；讟?gòu)造帶的再活動導(dǎo)致在焦家主斷裂帶下盤3～5km形成高滲透性區(qū)域，控制了前孫家、洼孫家等中-小型金礦床和礦點的產(chǎn)出。

基底構(gòu)造帶的空間形態(tài)及其埋深與成礦深度的差值可以作為區(qū)域成礦潛力評估的重要指標。對于焦家金礦帶，望兒山支斷裂東側(cè)38°25′06″N、38°24′30″N、38°23°50″N，焦家主斷裂西側(cè)38°24′58″N、38°23′50″N、38°22°43″N三條近EW向基底構(gòu)造帶所在的EW向廊帶上與焦家主斷裂交匯處發(fā)育了焦家、新城、望兒山等大型-超大型金礦床；在遠離主斷裂帶的區(qū)域的小羅山、許家村附近，可能分別發(fā)育有金資源量7噸和3噸左右的礦床。

致謝研究工作得到中國地質(zhì)大學(xué)(北京)鄧軍教授的指導(dǎo)；野外工作得到了山東黃金礦業(yè)股份有限公司焦家金礦相關(guān)工作人員與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)魏瑜吉博士、汪浩碩士的支持和幫助；與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王中亮講師、張良博士后就文章內(nèi)容進行了討論和交流；數(shù)值模擬使用了美國地質(zhì)調(diào)查局免費公開的COULOMB 3.3軟件；兩位審稿人為本文提供了寶貴的修改意見；在此一并致以誠摯的感謝！