由金礦床證明的地震期間的瞬態(tài)蒸發(fā)

Dion K.Weatherley　Richard W.Henley

由金礦床證明的地震期間的瞬態(tài)蒸發(fā)

Dion K.WeatherleyRichard W.Henley

摘要世界上大部分已探明的黃金源自于一系列石英脈。這些石英脈是在約30億年前造山運動期間從沿深大地震活動斷層流動的大量水中沉淀而成1-3。石英脈是在地震期間6的震蕩壓力下形成的4，5，但是其壓力震蕩的幅度以及對礦床形成的影響尚不清楚。在此我們用一個簡單的熱動力學(xué)活塞模型，模擬計算在地震期間充填流體的斷層空穴所經(jīng)歷的流體壓力下降。模型的幾何形態(tài)由典型斷層割階的大小限定，如在西澳大利亞的雷文奇(Revenge)金礦床7以及世界其他金礦中的斷層割階。我們發(fā)現(xiàn)空穴的擴張會引起割階中封閉流體壓力的急劇下降，從而膨脹為很低濃度的蒸汽。這種流體的瞬態(tài)蒸發(fā)作用導(dǎo)致了硅和一系列痕量元素同時迅速地沉淀，形成富金石英脈。隨著瞬態(tài)蒸發(fā)作用的繼續(xù)，更多流體流入新擴張形成的空穴，直至孔隙壓力與環(huán)境壓力一致。多次地震逐漸形成了達到工業(yè)品位的金礦。

黃金資源支撐全球經(jīng)濟的主體純屬歷史的偶然。黃金資源長期困擾我們的問題是這些黃金是如何從(2×10-9)的地殼豐度富集形成幾千倍高度聚集的可開采礦床。大約1/3的黃金資源8賦存于中溫含金石英脈中(圖1)。中溫含金石英脈的形成一般認為是沉積-火山巖系經(jīng)過深埋、變質(zhì)以及抬升、侵蝕作用9的造山旋回中釋放流體的結(jié)果，并且常伴有明顯的巖漿作用。這些含金石英脈常伴有大規(guī)模的硅化以及碳酸鹽-黃鐵礦化圍巖蝕變，其形成明顯與裂隙滲透率的周期性變化有關(guān)，是沿主斷層系反復(fù)出現(xiàn)脆性或脆性-剪切破壞以及礦物沉淀阻塞新生斷裂的結(jié)果10。這些局部循環(huán)破裂和增加的流體通量與地震及余震序列破裂導(dǎo)致的流體壓力的變化密切相關(guān)6，致使含金石英脈的形成。然而，壓力變化的程度或者金礦化推進的過程尚不清晰。由于在任何規(guī)模下流體的通量是滲透率和壓力梯度的函數(shù)，所以我們從一個簡單的問題開始。圖2(a)為在斷層相關(guān)金礦化中典型的被石英充填的割階7。從礦物相的關(guān)系可估算出巖石破裂之前的溫壓條件，在約11km深度溫度約為390℃(根據(jù)巖石靜水壓約為290MPa估算)11，但是破裂后瞬間斷裂中流體壓力是多少呢？

圖1　張性含金石英脈。典型復(fù)合脈照片(西澳大利亞東金礦區(qū)圣埃夫斯迪法恩斯礦脈系6)記錄了由斷層連續(xù)破壞引起的流體多期流動。引自S.F.Cox(澳大利亞國立大學(xué))。(原圖為彩色圖——譯注)

圖2　地震期間斷層割階的開口顯示了滑移時側(cè)壁的相對運動7。(a)太古代雷文奇金礦剪切脈中石英充填擴張割階的例子(原圖為彩色圖——譯注)；(b)分析由地震滑動引起的體積以及流體壓力變化速率的簡單塊體模型。有關(guān)塊體以及滑移距離的注釋見方法部分。引自S.F.Cox(澳大利亞國立大學(xué))

圖2(b)為一個含割階走滑斷層的簡單活塞模型，割階的長軸方向垂直于斷層滑動方向(詳見方法部分)。如果斷層上的破裂起始遠離初始割階，并且在達到克服摩擦阻力極限之前破裂的驅(qū)動主要受構(gòu)造應(yīng)力的積累所決定，我們就可以估算出由設(shè)定地震矩的地震活動所引起的含割階部位的體積變化12。假設(shè)水完全充填了初始割階體(初始孔寬d~100μm)，其壓力Pf會隨著4級地震的位移(位錯D=0.13m)而變化，流體壓力在斷層破裂后立即從290MPa降到0.2MPa(圖3a)。相反，通常假設(shè)破裂后最小流體壓力(Pfm)嚴(yán)格受靜水壓力限制(在此例中為110MPa)。這一假設(shè)對于在發(fā)生地震的地殼上部幾千米內(nèi)流體填充連續(xù)區(qū)的開放斷層系是合理的，但并不適用于造山期間形成的更深處的變質(zhì)巖。圖3(b)對比了相對于初始流體靜巖壓力的一系列地震震級所對應(yīng)的最小流體壓力。這些數(shù)據(jù)表明，在震級較低時，即使是很小的位移也會使流體主壓力發(fā)生明顯的下降。因此，活塞模型為震后流體壓力恢復(fù)的詳細模型初始化提供了更合適的基礎(chǔ)，這比零流體壓力13以及不可壓縮流的假設(shè)更合適。

石英脈中詳細的流體包裹體數(shù)據(jù)證明了脈體形成期間壓力的波動4，5。我們的一階分析表明在割階部位擴張引起的體積變化(相對于斷裂初始的空隙體積)，從2級地震相應(yīng)的130倍到6級地震的13 000倍。圖4(a)為此例中流體壓力下降的程度。相對于破裂前的溫壓環(huán)境，流體相膨脹了幾個數(shù)量級，轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅５蜐舛鹊目蓧嚎s流，這個不可逆的單相過程在化學(xué)工程術(shù)語中被稱為瞬態(tài)蒸發(fā)作用。在割階及其周圍范圍，由于巖石的熱容量以及與圍巖大面積接觸，這個過程是等溫的。

由滑動引起的瞬態(tài)蒸發(fā)在此之前一直沒有被認為是成礦的主要機制。瞬態(tài)蒸發(fā)適用于走滑斷層、正斷層、逆斷層中的張性脈，與流體來源無關(guān)。此外，因為沿主斷層瞬時的超低壓水注入，在局部和區(qū)域尺度上聯(lián)合斷層破壞及其他破裂，必然會形成對應(yīng)力擾動高度敏感的更大網(wǎng)狀破裂，進而通過這個網(wǎng)狀破裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇p壓波和響應(yīng)的流體的流動，所以瞬態(tài)蒸發(fā)作用并不僅限于割階本身的有限小體積6，14，15。由每次滑動引起的極端流體壓力振蕩也很可能是流體混合16及氧化還原反應(yīng)變化過程的根本原因，這些變化過程導(dǎo)致斷層控制的礦床中礦物的沉淀。

瞬態(tài)蒸發(fā)是由斷層系滑動引起壓力急劇變化的結(jié)果。這種極端的流體壓力的變化，通過等效的流體密度極端變化，立即在減壓流體中轉(zhuǎn)化為級聯(lián)耦合非線性化學(xué)反應(yīng)，而正是這些變化導(dǎo)致了脈狀礦物集合體的生成并使之具有結(jié)構(gòu)上的特征。最近的實驗數(shù)據(jù)表明，貴金屬的溶解度強烈依賴于流體壓力17，在每次地震期間由壓力瞬變引起的過飽和使金、銀與二氧化硅快速高效地共沉淀。含金碳酸鹽脈通常也含有金紅石、白鎢礦(CaWO4)，黃鐵礦(FeS2)和毒砂(FeAsS)以及鉍和碲，因此，作為地殼中主要水流的示蹤劑，金的沉淀也記錄了與變質(zhì)巖中礦物組合不相容的微量和痕量元素(Au，Ag，As，Sb，B，Se，Te，Bi，W以及Mo)的分布18。在中地殼的條件下，大多數(shù)普通的造巖礦物和成礦礦物在水溶液中的溶解度主要取決于水的密度19，在脆性破壞的循環(huán)過程中這套巖脈的成分通過溶解的As(OH)3，B(OH)3，H2MoO4和H2WO4等分子種類的不穩(wěn)定與最小流體壓力(Pfm)直接相關(guān)。

瞬態(tài)蒸發(fā)是脈體形成時二氧化硅和金屬共沉積特有的一種高效機制。由于溶劑分子Si(OH)4，aq的密度很大，所以石英的溶解性依賴于壓力(圖4b)，這主要歸因于水分子聚合度的變化。在300MPa和450℃，假設(shè)石英的溶解度約為4 200mg/kg，在瞬間降壓到1MPa以下時，其溶解度降到0.03mg/kg19。正是這種石英的極度過度飽和(是石英溶解度的140 000倍)促使二氧化硅沉淀，在每次脈體形成的降壓循環(huán)中，二氧化硅沉淀為含氫氧化硅在內(nèi)的一系列亞穩(wěn)態(tài)多晶20。二氧化硅的急速沉淀最先形成納米級顆粒21，隨之變?yōu)榫酆衔镱w粒22，23，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒕w。這個序列嚴(yán)格地限制了流體包裹體數(shù)據(jù)在確定破壞后壓力—溫度—組合條件的應(yīng)用。保存在巖脈及其周圍的礦物集合體和結(jié)構(gòu)以及流體包裹體和不同的穩(wěn)定同位素分布，記錄了流體壓力的恢復(fù)以及退變24，而不是記錄了原生沉淀條件。例如，一些脈體的包裹體中封閉的富CO2流體可能是在壓力恢復(fù)和二氧化硅重結(jié)晶過程中從初始的低CO2相中局部相分離的結(jié)果，并不是巨大的富CO2流體儲庫的有效證據(jù)。

圖3　地震期間流體壓力瞬變。(a)4級地震過程中流體壓力的瞬變。在破裂前階段，相對于破裂發(fā)生前的靜巖壓力(Pl)，地殼中的偏應(yīng)力增加了在初始破裂中的孔隙流體壓力(Pf)。瞬態(tài)蒸發(fā)作用伴隨流體開始膨脹的開始，并立即在割階滑移的空間內(nèi)達到最小流體壓力(Pfm)。在恢復(fù)階段，來自圍巖的流體向極低壓的割階部位流入，直到流體壓力恢復(fù)到與周圍環(huán)境的靜巖壓力一致時，即Pf=Pl。在恢復(fù)期的大部分時段，輸入的流體在割階和分支裂隙系中發(fā)生瞬態(tài)蒸發(fā)。標(biāo)注的靜水壓力等于初始壓力僅供參考。(b)緊隨斷層割階擴張的最小流體壓力是地震震級的函數(shù)。這些曲線表示的是地殼中的巖石密度下限(ρ=2 000kg/m3)，上限(ρ=3 000kg/m3)用290MPa的初始條件表示

圖4　地震時流體密度和石英溶解度的瞬變。(a)純凈水的壓力—摩爾體積關(guān)系。這些數(shù)據(jù)近似典型中溫巖脈的熱液環(huán)境的流體(?8wt%1)的NaCl溶液以及10mol%以下的CO2)。(b)純凈水中石英(SiO2)的溶解度是壓力和溫度的函數(shù)。Pfi和Pfm為與圖2a所示的割階有關(guān)的流體壓力，表示破裂過程中由于瞬態(tài)蒸發(fā)引起的極度過飽和(~105)。在高過飽和情況下，二氧化硅起始形成納米級(<100nm)顆粒，這些微粒隨之成熟為一系列可能的亞穩(wěn)態(tài)硅水合物相。在圖(a)、(b)中，寬箭頭表示大體減壓方向

當(dāng)然單次滑動不會產(chǎn)生經(jīng)濟上可開采的金礦。假設(shè)初始割階中封閉的石英飽和流體中的金含量為0.1~1mg/kg10，每次滑動中金的沉積量與滑動體積和斷層上破裂帶長度直接相關(guān)(單位滑動面的金10-2~10-1mg/m2)，即與地震震級相關(guān)。因此，滑移產(chǎn)生的瞬態(tài)蒸發(fā)作用只會產(chǎn)生富金的二氧化硅—金礦薄層(約25~250g/t)，只是經(jīng)濟意義上的高品位(約28~283g/t)。隨后的恢復(fù)階段，流體從周圍環(huán)境中流經(jīng)割階，一次次循環(huán)逐漸形成了大量的礦脈。正是由于斷層系在區(qū)域尺度上不斷重復(fù)的滑動—恢復(fù)循環(huán)，從瞬態(tài)蒸發(fā)開始，最終形成了經(jīng)濟上可開采的金礦。這種關(guān)系能夠用來粗略地估算一個在造山旋回期間形成大型中溫金脈礦床(Au：100t)需要的大致時間。例如，假設(shè)一個地震活動序列與新西蘭南阿爾卑斯山阿爾卑斯斷層系活動歷史相似25，這樣一個大型金礦床的形成時間遠少于100 000年。

位于斷層范圍內(nèi)的多次反復(fù)滑動和高效瞬態(tài)蒸發(fā)是了解黃金如何從極低的地殼豐度富集形成具有經(jīng)濟意義礦床的關(guān)鍵。例如，烏茲別克斯坦晚古生代穆龍?zhí)拙薮笮偷V床是多次破裂形成的，沉淀了黃金6 000t；其中的80%產(chǎn)于小規(guī)模位錯中，20%產(chǎn)于大型張性脈體中26。地殼中金的平均豐度為2×10-9，這些質(zhì)量的黃金等于1 000km3以上的地殼巖石的含金量，但已富集在一個不到10km3高度硅化的巖石中。如果考慮到成礦只是抽提了地殼百分之幾的金或缺少有效的化學(xué)沉淀，源巖的體積還要大幾個數(shù)量級。

1)表示重(質(zhì))量比為15%(每100質(zhì)量單位含有15質(zhì)量單位)。wt(weight)是指質(zhì)量百分數(shù)，15wt%是指質(zhì)量百分比是15%。質(zhì)量分數(shù)是指某物質(zhì)中某種成分的質(zhì)量與該樣品中總物質(zhì)質(zhì)量之比的百分數(shù)——譯注

對于活斷層系中極端的壓力瞬變和瞬態(tài)蒸發(fā)作用的認可，甚至可以推廣到解釋在古老造山帶中形成工業(yè)開采的礦脈的原因。南非的威特沃特斯蘭德盆地的黃金以前占全球金資源的31%，現(xiàn)在可以達到45%以上，這無疑是來源于早期山脈中的巖脈27。另外10%的金出現(xiàn)在巖脈系中，如印度尼西亞巨大的格拉斯伯格斑巖型銅金礦床(Au：>2 700×106t，Cu：30×106t)。這些巖脈系與主巖漿相關(guān)的流體通量有不同程度的關(guān)聯(lián)，流體穿過了古火山下方應(yīng)力作用下地震活躍的地殼。因此，隨地震滑移發(fā)生的瞬態(tài)蒸發(fā)可能因此為世界上80%金礦床的形成奠定基礎(chǔ)，這是一個與每日地震發(fā)生相關(guān)的簡單重復(fù)過程。

研究方法

運用構(gòu)建好的關(guān)系式，我們建立了一個簡單的模型，模擬給定地震矩的地震運動引起的在斷層割階內(nèi)的體積變化。假設(shè)在破裂之前割階內(nèi)充滿流體，在地震破裂面上的體積變化可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w壓力的變化。

圖2(b)為含階梯狀垂直割階的走滑斷層的簡化塊體模型，并用符號定義塊體以及錯距。割階方向垂直于斷層的滑動方向，意指沿斷層滑移，即地震破裂會導(dǎo)致割階的打開。在此假設(shè)斷層上發(fā)生的初始破裂遠離割階，并且在達到斷層的抗摩擦阻力強度極限之前主要受累積的構(gòu)造應(yīng)力的驅(qū)動。我們旨在估算由給定地震矩的地震引起的割階內(nèi)的體積變化，

(1)

式中μ是含礦圍巖的剪性剛度(在此設(shè)為30GPa，下地殼巖石的標(biāo)準(zhǔn)值)，A為破裂的表面積，s為跨斷層面的滑動量(錯動)，取破裂區(qū)的平均值。由于地震矩(單位牛頓米，N·m)對于一些讀者來說可能較為陌生，在此將地震矩轉(zhuǎn)化為等效的矩震級28，

MW=2/3logM0-10.7

(2)

對于震源深度在3.5~45km之間的走滑型小地震(MW<4)，用經(jīng)驗公式29可以計算地震震源參數(shù)。破裂長度L由下式給出：

logM0=2.5logL+7.85

(3)

或者用矩震級表示：

2.5logL+7.85=1.5(MW+10.7)

(4)

計算破裂長度后，破裂的寬度(W)根據(jù)已建立的經(jīng)驗公式計算得出：小地震(MW<4.0)，W=L；中等地震(4.06.0)的平均地殼孕震寬度，W=17km。

平均位移(s)是破裂長度的函數(shù)：

logs=0.833logL-3.84

(5)

附表S1(譯文從略——譯注)列出了不同矩震級的破裂長度、破裂寬度及平均位移的估算值，同時還包括了相應(yīng)體積變化：

(6)

ΔV=WDs

(7)

式中W是割階的垂直距離，取值與破裂的下傾寬度相同；D為階躍距離(割階長度)，并在隨后的計算中假設(shè)D約為1m；d為初始孔隙的有效寬度(約為100μm)。

為方便這個模型的一階分析，假設(shè)流體相與理想氣體一致，其狀態(tài)方程PV=nRT，因此在溫度為Ti時發(fā)生等溫膨脹，

PfVf=PiVi

(8)

Pi和Vi分別為初始壓力和破裂前水的摩爾體積。相應(yīng)的壓力變化為：

(9)

附表S2(譯文從略——譯注)列出了割階中流體等溫膨脹的最終壓力，對應(yīng)斷層不同的矩震級以及埋藏深度(z)。對于震后流體恢復(fù)模型，相較假定地震后立刻變?yōu)榱懔黧w壓力，這些所列出的壓力作為初始條件更加合適13。忽略微小的拉力組成，地震前流體的初始壓力以及溫度計算為：

(10)

式中ρ為地殼巖石的下限，即2 000kg/m3，g約為9.81m/s2。

(11)

地?zé)崽荻?dT/dz)大致取為40℃/km。

在割階及其周圍尺度范圍內(nèi)認為該模型是等溫膨脹的。這種假設(shè)由深度小于4 000m的高焓地?zé)峋a(chǎn)生的數(shù)據(jù)驗證30，即在此深度初始蒸汽飽和的液態(tài)水發(fā)生相分離。在這種壓力極低的環(huán)境下，兩相邊界發(fā)生等焓膨脹。由于相變引起溫度下降，繼而隨溫度下降圍巖傳熱給流體，所以等焓膨脹是長期持續(xù)的。在更深的高壓深成巖脈的環(huán)境中，認為在微小尺度上封閉流體的膨脹是瞬間的、不可逆轉(zhuǎn)的，但由于巖石和流體大面積接觸導(dǎo)致迅速傳導(dǎo)，溫度很快就恢復(fù)了30。

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原題：Flash vaporization during earthquakes evidenced by gold deposits

(中國地震局地震預(yù)測研究所孫鳳霞譯，杜建國校；李世愚復(fù)校)

孫鳳霞(1990-)，女，中國地震局地震預(yù)測研究所構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)碩士研究生，主要從事高溫高壓實驗研究，Tel：15600625157，E-mail：396425908@qq.com。

譯 者 簡 介

doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201504003 譯自：Nature Geoscience.2013.10.1038/NGEO1759