顯微構造研究在新城金礦成礦深度測算中的應用

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，湖南 長沙410129;2.中國地質(zhì)科學院 地質(zhì)力學研究所，北京 100081;3.中國石油大學(北京)地球科學系，北京102249)

顯微構造研究在新城金礦成礦深度測算中的應用

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，湖南 長沙410129;2.中國地質(zhì)科學院 地質(zhì)力學研究所，北京 100081;3.中國石油大學(北京)地球科學系，北京102249)

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

顯微構造;成礦深度測算;新城金礦

0 引 言

礦床成礦深度的測算是成礦預測研究中帶有基礎理論和基本地質(zhì)構造背景意義的問題。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)推算法和包裹體測算法(呂古賢和孔慶存，1993)。其中包裹體測試換算法較容易，結果可信度較高，但是，這種方法忽略了巖石在成巖成礦過程中所受到的古地應力的影響，認為地下任何深度的壓力狀態(tài)都相當于上覆巖柱的重量，這種假設否定了巖體內(nèi)構造應力的存在，而研究發(fā)現(xiàn)，構造應力是巖石所受的主要應力之一，所以在深度測算中必須考慮水平方向的構造力作用，對原有的測算方法進行改進(呂古賢和孔慶存，1993)。重力和構造力各自的應力狀態(tài)可以看成是一個等應力狀態(tài)疊加一個差應力狀態(tài)，兩者再疊加成一個總應力狀態(tài)，而各向不等的構造差應力部分由顯微構造如位錯密度、亞顆粒構造等形成的古應力計所測得，最后用構造差應力對總應力狀態(tài)進行校正，及得到構造校正測算的成礦深度。

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

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80年代初建成投產(chǎn)。膠西北地區(qū)是我國重要的金礦礦集區(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-新生代活動的大陸邊緣帶，是構造作用、變質(zhì)作用、巖漿作用和成礦作用繼承性活動地帶(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粒含石榴二長花崗巖、郭家?guī)X超單元上莊單元的巨斑狀中粒花崗閃長巖和少量脈巖。區(qū)內(nèi)主要構造為縱貫全區(qū)的焦家主干斷裂，礦區(qū)范圍內(nèi)控制長約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°。還有派生的不同級別、不同序次的斷裂構造。這些斷裂構造直接控制了區(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系。緊鄰主裂面之下的糜棱巖、角礫巖、碎裂巖帶控制了Ⅰ號礦體，而其下的花崗質(zhì)碎裂巖帶控制了Ⅴ號礦體。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、鉀長石、絹云母、斜長石、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造解析及分形動力學研究.西安:長安大學碩士論文:64-68.)。

2 顯微構造研究及其成礦深度測算

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

圖1 構造觀測采樣示意剖面圖Fig.1 The profile showing the locations of observation and sampling for structure

2.1 構造變形的類型及期次

通過對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造類型。主要的顯微構造類型有:波狀消光與鑲嵌消光(圖2a)、變形紋(圖2b)、肯克帶(圖2d)、亞顆粒構造、構造重結晶(圖2d)、核幔構造、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造類型外，還發(fā)現(xiàn)有云母魚、花邊結構等顯微構造。

新城金礦的構造運動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，其中主要的有動態(tài)重結晶(圖2d)、變形紋(圖2b)、波狀消光(圖2a)和核幔構造等，而次要的還有靜態(tài)重結晶、旋轉(zhuǎn)碎斑等構造。塑性變形期屬于在相對較高溫壓條件下的構造變形，巖石處在相對較深的構造層次中，這個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，也可以見到黃鐵礦等金屬硫化物晶體。而剪性微裂隙往往延伸較長，平直而無充填物，不過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漿期后的構造活動產(chǎn)物，構造層次較淺，變形較弱，但是巖漿期后熱液的灌入使其所產(chǎn)生的構造裂隙空間成為很好的容礦場所。這一時期是較重要的成礦期。

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

2.2 構造應變測量

這里所指構造變形主要是指巖石在塑性變形過程中，礦物晶體受構造應力作用所產(chǎn)生的三維變形。為了從三維空間上實際測算巖石應變及古差應力(圖3)，需要在巖石樣品上選擇兩個相互垂直、近平行于主應變面的切面開展觀測和計算。本文采用了構造地質(zhì)分析軟件Straindesk 1.1對巖石構造形變進行人機交互測量，在顯微鏡下挑選石英動態(tài)重結晶較發(fā)育的視域進行逐一照相，然后將照片導入Straindesk 1.1軟件，進行系統(tǒng)測量(圖4)，并通過加權平均對測量結果進行處理，所得即為變形巖石石英動態(tài)重結晶顆粒的長短軸之比(表1)。

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

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

表1 巖石構造變形測量結果表Table 1 The measurements table of structure deformation

2.3 成礦期構造差應力值測算方法

傳統(tǒng)的古構造應力值測算方法主要有:巖石力學實驗資料的推斷方法、地質(zhì)力學分析基礎上數(shù)學解析的估算方法和顯微構造的估算方法(劉瑞珣，1988)。顯微構造方法又可細分為礦物機械雙晶測算方法、位錯密度統(tǒng)計測算方法、重結晶顆粒大小測算方法和亞顆粒大小測算方法等等。作者采用石英位錯密度測算方法和動態(tài)重結晶顆粒大小測算方法來恢復成巖成礦期的構造應力場。位錯密度統(tǒng)計測試在中國地質(zhì)大學(北京)地學實驗中心完成，實驗設備為LBS-2離子減薄儀和日立H8100透射電子顯微鏡。測得新城金礦-530 m中段構造巖的差應力大小為82.56～106.28 MPa。

構造應力場恢復的是地質(zhì)歷史時期中較強的構造應力場，因為在地質(zhì)工作中只能根據(jù)構造形跡(永久變形)來恢復地史上的構造應力場，而所依據(jù)的永久變形，主要是塑性形變。但為了與實際應力應變接近，不宜利用大變形的巖石和礦物(劉瑞珣，1988)。同時，理論計算表明，在106～108 a期間可以把地殼當作彈性體對待(王仁等，1982)。在同一應力場范圍內(nèi)，對于不同構造性質(zhì)和部位的地段將采用不同的換算系數(shù)，一般在測算深度時應盡可能采用擠壓或壓扭性構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)推導得出的計算公式進行差應力計算。所獲得的應力值需要考慮其所在的構造變形位置，不同的構造變形位置的眾值換算參數(shù)不同。位錯構造是塑性變形的產(chǎn)物，呂古賢(1991，1997)研究認為只有當ε1=εe3+εp1，ε3=εe3+εp3，且 εp＞ ＞ εe時，我們假設，也就是，式中εe、εp分別為彈性應變和塑性應變，才可能聯(lián)立方程。式中ν為泊松比:

2.4 成巖成礦期構造附加靜水壓力值的計算

通過對石英位錯密度的最高分布值區(qū)測量所得的主應力值，接近于最高限值。為了得到應力強度的眾值，需要進行相關的換算。巖石中所保留的構造變形形跡是構造強烈活動的印記，而一般熱液礦床的金屬硫化物是在構造應力相對松弛的構造應力場轉(zhuǎn)化期間形成的，因此測算的應力值要進行再一次的換算。需要再給定一個系數(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)驗值為0.618。對所得應力數(shù)據(jù)進行降階處理，處理后的應力值大體上相當于成礦期間的構造主應力。

將前文方程組所測算出的三個構造主應力值的平均應力定義為構造附加靜水壓力PS:

該值即為所需的構造附加靜水壓力值，即使前面測量的應變面和測算差應力的切面不是很準確的主應力面，也不會影響得到同樣的值。

2.5 地質(zhì)作用深度推算

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

2.6 測算結果分析

在前期相關資料準備的前提下，以-530 m中段所采樣品為基礎，對新城金礦的成礦深度進行了構造校正測算。首先對相關參數(shù)測算:

設ν值為0.25，用公式計算得到三維主應力值為:

則構造附加靜水壓力值(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)過壓力的構造校正，新城金礦-530 m中段所承受的重力附加靜水壓力的實測值PR為:

則計算形成的深度HR為:

這里的深度即所研究對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。因此，新城金礦地表剝蝕量小，礦體保存良好，往深部應有很好的資源前景。

3 結 論

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

(2)測算了新城金礦-530 m中段成巖成礦的三軸應力值分別為:

(3)通過顯微構造研究及構造差應力校正測算，測得新城金礦 -530 m中段的成礦深度為1781.29 m。

(4)在成礦深度測算過程中，加強對被測量巖石的顯微構造的應力應變研究，無疑會使測量結果更加精準。

致謝:在論文寫作中，得到新城金礦趙海工程師的熱情幫助，在此謹致謝意。

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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

項目資助:國家自然科學基金項目(40972061)和危機礦山新技術方法示范項目(200799095)聯(lián)合資助。

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