遼東鞍山地區(qū)太古代構(gòu)造樣式及其數(shù)值模擬*

劉昕悅 李偉民 劉永江戴黎明 董昊 李婧 趙英利

1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 1300612. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，海洋高等研究院，海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 2661003. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，青島 2662374. 東北亞礦產(chǎn)資源評價自然資源部重點實驗室，長春 1300615. 內(nèi)蒙古自治區(qū)第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，呼和浩特 0100006. 吉林大學(xué)古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心，長春 130026

板塊構(gòu)造理論自1968年誕生以來經(jīng)歷了長足的發(fā)展和完善，合理的解釋了地球表面剛性塊體的水平運動，建立了包括大洋演化、板緣地震/火山活動、礦產(chǎn)資源等方面的全球構(gòu)造格架，成為被廣泛接受的大地構(gòu)造學(xué)理論(Morgan, 1968; Park, 2005; Tomecek, 2009; 張國偉等，2011)。板塊構(gòu)造機制啟動是地球演化過程中重大的地質(zhì)事件，因為板塊構(gòu)造控制了地球隨后的水圈、大氣圈和巖石圈，及至地幔的演化(李三忠等，2015a, b)。然而關(guān)于板塊俯沖何時、何地、何因啟動？一直是地學(xué)界迫切關(guān)注的熱點科學(xué)問題(Komiyaetal., 1999; Cawoodetal., 2006; Condie, 2011)。換而言之，有關(guān)地球太古宙地殼演化的認識也存在分歧，目前人們基于太古宙變形以及地殼生長過程提出了垂向構(gòu)造和水平構(gòu)造兩大不同的構(gòu)造模型，其中垂向構(gòu)造主要以地幔柱、地幔對流方式為主，太古宙花崗-綠巖帶內(nèi)發(fā)育的穹脊構(gòu)造(dome and keel structure)是太古宙垂向構(gòu)造的典型代表之一(Ramberg, 1981; Collins, 1989; Hippertt and Davis, 2000; Zhaoetal., 2001; van Kranendonketal., 2004, 2007; Lin, 2005; Moyenetal., 2006; Parmenteretal., 2006; Linetal., 2007; 趙國春, 2009; van Kranendonk, 2011; Lin and Beakhouse, 2013)。與之相對的水平構(gòu)造則與現(xiàn)代板塊構(gòu)造作用有關(guān)，是一種均變過程，主要表現(xiàn)為俯沖、碰撞、島弧巖漿作用等地質(zhì)特征(Kr?ner, 1981; de Wit, 1998; Kusky and Polat., 1999; Calvert and Ludden, 1999; Zhaoetal., 2001; Zhaietal., 2003)。

圍繞加拿大Superior克拉通(Lin, 2005; Linetal., 2007; Parmenteretal., 2006)、南印度Dharwar克拉通(Bouhallieretal., 1995; Chardonetal., 1996)和西澳Pilbala克拉通(van Kranendonketal., 2004)內(nèi)的花崗-綠巖帶構(gòu)造演化的最新研究成果顯示，太古宙早期地殼可能以垂向構(gòu)造樣式為主，即花崗巖的底辟穹窿(Diapirism)和綠巖帶的拗沉作用(Sagduction)，并提出了相關(guān)的“錢口袋” (Synclinal keel)構(gòu)造模型(Linetal., 2007; Lin and Beakhouse, 2013)和“水滴” (Drip tectonics)構(gòu)造模型(van Kranendonketal., 2007)，同時解釋為上覆高密度的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石(綠巖)與下伏相對低密度的硅鋁質(zhì)巖石(花崗質(zhì)巖石)的密度差是促使垂向構(gòu)造發(fā)生的直接因素。

華北克拉通是我國出露最古老的克拉通，主要由太古代TTGs和發(fā)育有含鐵建造(BIF)的綠巖帶組成。在東部遷安、太平寨、青龍安子嶺、清源、鞍山-本溪等地區(qū)發(fā)育有典型的太古代穹脊構(gòu)造(李三忠等，2015c)。我們近年來對遼東鞍山地區(qū)太古宙花崗-綠巖帶的構(gòu)造變形研究成果證實了華北克拉通東部新太古代末期也存在大規(guī)模的垂向構(gòu)造(Lietal., 2017; 劉昕悅等，2017)。前人提及的密度差是否是地殼早期垂向構(gòu)造啟動的主控因素？還是受地幔柱構(gòu)造的響應(yīng)？基于此，本文利用I2VIS有限元差分方法模擬了鞍山地區(qū)新太古代花崗-綠巖帶的構(gòu)造變形過程，進一步探討了早前寒武紀的地球動力學(xué)演化機制。研究成果也為查明鞍本地區(qū)BIF鐵礦的賦存狀態(tài)提供重要的線索。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖(a)華北克拉通構(gòu)造單元劃分: EB-東部陸塊;WB-西部陸塊;COB-中部造山帶；(b)鞍山地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)沈保豐等，2005修改): 1-第四系；2-白堊系；3-寒武系；4-震旦系；5-元古界遼河群浪子山組；6-太古宙鞍山群櫻桃園組；7-太古宙混合巖，混合花崗巖；8-白堊紀花崗巖；9-閃長巖；10-石英斑巖；11-鐵礦體或磁鐵石英巖；12-斷裂；13-韌性剪切帶；14-東鞍山-齊大山(A-B)剖面位置(圖1c)；15-本次研究剖面位置；(c)花崗-綠巖帶構(gòu)造剖面示意Fig.1 Geological map of research area(a) simplified tectonic division of the North China Craton; (b) geological map of Anshan area (modified after Shen et al., 2005); (c) schematic profile of the granite-greenstone belt

鞍山地區(qū)位于華北克拉通東北部，膠-遼-吉古元古活動帶的北側(cè)(圖1)，經(jīng)歷了漫長的早前寒武紀演化歷史，保存了較為完整的太古宙地質(zhì)記錄，是世界上為數(shù)不多的3.8Ga古老巖石的出露地之一，也是我國太古宙地殼演化及早期構(gòu)造機制研究的絕佳場所(伍家善等，1989；Liuetal., 1992, 2008; Songetal., 1996; Zhaoetal., 1998, 1999, 2000, 2001, 2005; 萬渝生等, 2001，2018; Wanetal., 2005, 2012；Nutmanetal., 2009; 趙國春, 2009; 吳福元等, 2008; 翟明國, 2008)。鞍山地區(qū)存在多期太古宙重大巖漿-熱事件記錄(3.80～3.65Ga、3.35～3.30Ga、3.14～2.96Ga以及～2.5Ga)，最古老的3.8Ga始太古代年齡記錄主要包括了白家墳奧長花崗片麻巖(Liuetal., 1992, 2008；Wuetal., 2007)、東山條帶狀奧長花崗巖(Songetal., 1996)和變質(zhì)石英閃長巖(Wanetal., 2005)、深溝寺條帶狀奧長花崗巖(萬渝生等, 2012)以及鍋底山奧長花崗巖(Wangetal., 2015)。古太古代片麻雜巖是一套具有成因聯(lián)系的巖石組合，主要以包體的形式，呈透鏡狀、兩端尖滅的樣式分布在中太古代立山奧長花崗巖和鐵架山花崗巖中，在東山雜巖帶、深溝寺雜巖、立山、鍋底山以及營城子地區(qū)均有出露(周紅英等, 2007, 2008；Wanetal., 2005, 2012; 張家輝等，2013)，反映了華北克拉通～3.3Ga的重要巖漿熱事件。中太古代花崗質(zhì)巖石包括立山花崗巖(3.13～3.14Ga；Songetal., 1996; 周紅英等, 2008; 張家輝等, 2013)和鐵架山花崗巖(2.96～2.99Ga；Liuetal.，1992；Songetal.，1996；萬渝生等，2007)，二者在鞍山地區(qū)出露面積最廣。新太古代齊大山花崗巖(～2.50Ga；Songetal., 1996)為中粗粒白云母花崗巖，主要分布在齊大山-西大背BIF鐵礦帶的東部以及東西向BIF鐵礦帶的北部，向東可延伸至遼陽地區(qū)，與弓長嶺花崗巖相連。

鞍山地區(qū)也是我國最大的條帶狀鐵建造(BIF)成礦區(qū)，主要分布在東、西鞍山、黑石砬子、大/小孤山、關(guān)門山、砬子山、眼前山、齊大山、祁家溝、胡家廟子和西大背等地。鐵礦被分為南北、東西兩條鐵礦帶，這些礦帶彼此獨立，并被大面積多期形成的花崗質(zhì)巖石所包圍(圖1)。除個別小型鐵礦(如陳臺溝鐵礦)賦存于古太古宙地層中外，絕大多數(shù)條帶狀鐵礦賦存于晚太古宙的鞍山群茨溝組內(nèi)基性-超基性鎂鐵質(zhì)巖系(綠巖帶)中(萬渝生等, 1993; 萬渝生等，2012；Zhangetal., 2012; 沈保豐等，2005；張連昌等，2012, 2014)。大多數(shù)條帶狀鐵建造不僅經(jīng)歷了低-中級的變質(zhì)作用, 而且發(fā)育強烈的構(gòu)造變形。高精度同位素地質(zhì)年代學(xué)和地球化學(xué)研究表明，鞍山地區(qū)BIF鐵礦屬典型的阿爾戈瑪型(Algoma)，其成礦物質(zhì)主要來源于海底高溫?zé)嵋号c海水的混合溶液，鐵礦形成時代不晚于新太古代(～2.55Ga)，構(gòu)造背景屬于低硫、缺氧火山弧相關(guān)構(gòu)造環(huán)境(萬渝生等，2012；李厚民等，2012；代堰锫等，2012, 2013；張連昌等，2014；Lietal., 2016)。

2 鞍山地區(qū)花崗-綠巖帶的構(gòu)造變形特點

近年來，筆者對鞍山地區(qū)太古宙花崗質(zhì)巖石與其上覆的鞍山群(綠巖帶)進行了詳細的野外觀察和構(gòu)造解釋，先后對鞍山東部齊大山-西大背BIF型鐵礦帶兩側(cè)發(fā)育的NNW向的白家墳韌性剪切帶(Lietal., 2017)和齊大山韌性剪切帶(劉昕悅等，2017；圖1)開展了系統(tǒng)的構(gòu)造解析。韌性剪切帶內(nèi)太古宙TTG巖石，以及具有綠巖性質(zhì)的鞍山群變質(zhì)層狀巖系均具有明顯的韌性剪切特征。兩條韌性剪切帶表現(xiàn)出面理產(chǎn)狀相對的陡傾滑運動學(xué)特征，推測二者的形成可能與綠巖帶內(nèi)條帶狀硅鐵建造(BIF)的向下拗沉作用相關(guān)，反映了太古宙花崗-綠巖帶典型的垂向構(gòu)造運動。

2.1 白家墳韌性剪切帶構(gòu)造變形特征

白家墳韌性剪切帶位于齊大山-西大背BIF鐵礦帶的西側(cè)(圖1b)，沿綠巖帶與太古宙花崗巖接觸部位分布，剪切帶走向NNW，傾向NEE，沿走向延長約3km，寬度約為500m(圖2a)。該剪切帶內(nèi)主要發(fā)育兩大巖石單元：陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖和白家墳片麻巖，白家墳片麻巖位于陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖的東側(cè)，二者呈斷層接觸關(guān)系，斷層面產(chǎn)狀為60°∠60°，由于后期風(fēng)化嚴重，故斷層性質(zhì)難以判斷。構(gòu)造變形特征表明白家墳韌性剪切帶內(nèi)發(fā)育強弱變形帶，總體的變形程度自陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖向白家墳片麻巖(從西向東)呈逐漸增強的趨勢。陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖受后期韌性剪切作用改造，巖石糜棱組構(gòu)發(fā)育，具有殘斑與基質(zhì)組成的似斑狀巖石組構(gòu)特征，殘斑(40%～50%)主要以中粗粒的長石為主，并表現(xiàn)為受剪切變形而形成的旋轉(zhuǎn)殘斑結(jié)構(gòu)。基質(zhì)(～50%)主要由細粒、定向拉長的長英質(zhì)礦物和云母等礦物組成，塑性的基質(zhì)礦物圍繞在剛性的殘斑周圍(圖2b)。宏觀構(gòu)造樣式顯示了類似S-C組構(gòu)特征，其中堿性長石旋轉(zhuǎn)殘斑的長軸構(gòu)成S面理(糜棱面理)，細粒的基質(zhì)礦物定向拉長分布，構(gòu)成C面理(剪切面理)，二者的銳夾角以及殘斑拖尾方向指示巖石經(jīng)歷了SEE方向(右行剪切)的傾滑剪切作用改造。白家墳片麻巖主要由奧長花崗質(zhì)片麻巖組成，局部夾有薄層的黑云母片巖，以及少量的石英脈、花崗巖脈。與陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖相比，白家墳片麻巖具有更加強烈的塑性流變特征。白家墳奧長花崗質(zhì)片麻巖中的長石、石英礦物定向拉長明顯，構(gòu)成條帶狀構(gòu)造。長英質(zhì)礦物粒度明顯減小，細?；卣黠@著，巖石中殘斑含量相對較少，僅局部可見少量長石旋轉(zhuǎn)殘斑。不對稱長石旋轉(zhuǎn)殘斑拖尾方向指示巖石經(jīng)歷了SEE方向傾滑剪切作用(圖2c)。根據(jù)野外巖石變形強度的變化，推測白家墳韌性剪切帶內(nèi)巖石應(yīng)變強度總體具有向東逐漸增強的趨勢，且白家墳片麻巖應(yīng)處于剪切帶強應(yīng)變區(qū)內(nèi)。

圖2 鞍山地區(qū)韌性剪切帶宏觀構(gòu)造變形特征及構(gòu)造要素產(chǎn)狀特點(a-c)白家墳剪切帶:(a)白家墳采石場野外照片，白家墳片麻巖與陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖呈斷層接觸關(guān)系；(b)陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖，長英質(zhì)礦物定向拉長，長石旋轉(zhuǎn)殘斑、S-C組構(gòu)指示巖石經(jīng)歷了SEE方向傾滑剪切作用；(c)白家墳奧長花崗質(zhì)片麻巖，礦物細?；卣髅黠@，長石旋轉(zhuǎn)殘斑指示巖石經(jīng)歷了SEE方向傾滑剪切作用); (d-f)齊大山剪切帶: (d)鐵礦采坑，BIFs與云母片巖呈正斷層接觸關(guān)系；(e)云母片巖、云母石英片巖發(fā)育陡傾面理，不對稱褶皺指示近W方向的向下剪切作用；(f)齊大山花崗質(zhì)片麻巖發(fā)育規(guī)則的陡傾片麻理，礦物定向拉長明顯，不對稱殘斑指示近W方向的向下剪切作用.圖a和d中赤平投影為構(gòu)造面理和線理的統(tǒng)計結(jié)果Fig.2 The representative macro-fabrics of ductile shear zone and their occurrences in Anshan area

野外詳細的構(gòu)造要素產(chǎn)狀統(tǒng)計分析(圖2a)結(jié)果表明，陳臺溝似斑狀花崗質(zhì)片麻巖與白家墳奧長花崗質(zhì)片麻巖片麻理產(chǎn)狀基本一致。片麻理主要由長英質(zhì)條帶構(gòu)成，產(chǎn)狀集中在50°～70°∠55°～65°，傾向為NEE向，傾角中等偏大(圖2a)。黑云母片巖中礦物拉伸線理產(chǎn)狀約為98°∠53°，片理產(chǎn)狀與奧長花崗質(zhì)片麻巖的片麻理產(chǎn)狀基本一致，二者銳夾角方向同樣指示巖石經(jīng)歷了SEE方向陡傾滑剪切作用(圖2b, c)。

2.2 齊大山韌性剪切帶構(gòu)造變形特征

齊大山韌性剪切帶位于齊大山-西大背BIF鐵礦帶的東側(cè)(圖1b)，為一走向NNW的狹窄剪切帶，沿鞍山群與齊大山花崗巖的接觸界面連續(xù)分布，沿走向可延伸近5km。宏觀構(gòu)造樣式顯示鐵礦帶東側(cè)花崗-綠巖接觸界面附近的齊大山花崗巖與鞍山群櫻桃園組云母片巖均發(fā)生了強烈的韌性變形，礦物定向拉長明顯，片麻理、礦物拉伸線理構(gòu)造發(fā)育。韌性剪切變形只局限于花崗-綠巖接觸帶內(nèi)，向東側(cè)遠離鐵礦帶，隨著距離的增加齊大山花崗巖變形程度逐漸減弱，直至過渡為塊狀構(gòu)造。貧、富鐵BIF層以及鞍山群變質(zhì)沉積巖系之間存在斷層接觸關(guān)系，斷層產(chǎn)狀與BIF礦體條帶產(chǎn)狀一致。斷層面產(chǎn)狀為250°～260°∠73°～88°，斷層面上擦痕線理產(chǎn)狀為240°～263°∠71°～85°，傾伏角較陡，反映了近W方向的正滑移特征。礦體圍巖櫻桃園組云母片巖受韌性剪切作用，白云母等片狀礦物定向排列，石英顆粒塑性拉長明顯，片理近于直立，沿花崗-綠巖接觸面走向方向產(chǎn)狀變化很小，基本保持一致，集中在265°～330°∠69°～88°，片理面上礦物拉伸線理產(chǎn)狀豎直(270°～296°∠64°～81°)，部分云母片巖、云母石英片巖中發(fā)育不對稱褶皺，反映了近W方向向下的剪切正滑作用(圖2e)。齊大山花崗質(zhì)片麻巖中發(fā)育花崗質(zhì)細脈，受韌性剪切作用，脈體局部被拉斷，并顯示了“σ”型的布丁結(jié)構(gòu)，同樣指示了上盤向W的正滑移特點(圖2f)。此外，沿韌性剪切帶向東側(cè)遠離剪切帶方向，齊大山花崗質(zhì)巖石還具有細?；卣髦饾u減弱、礦物顆粒粒度逐漸增大的趨勢的特點。上述巖石-構(gòu)造變形特點顯示齊大山韌性剪切帶內(nèi)巖石變形強弱與距離鐵礦帶的遠近密切相關(guān)：越靠近鐵礦帶，巖石變形程度越強，面理化特征越明顯，線理發(fā)育越好；反之，越弱。

2.3 鞍山地區(qū)花崗-綠巖帶陡傾滑剪切變形作用

齊大山和白家墳韌性剪切帶沿齊大山-西大背BIF鐵礦帶東西兩側(cè)線性對稱分布，二者位于綠巖帶向斜構(gòu)造的兩翼與花崗巖接觸部位，其中白家墳韌性剪切帶內(nèi)巖石面理構(gòu)造傾向為NEE方向，傾角中等，與綠巖帶向斜構(gòu)造南西翼產(chǎn)狀一致，礦物拉伸線理向SEE傾伏，傾伏角中等偏大，指示了向斜南西翼一側(cè)向SEE陡傾下滑剪切作用；齊大山韌性剪切帶內(nèi)變形巖石發(fā)育向NWW陡傾(～90°)的面理構(gòu)造，與向斜構(gòu)造北東翼礦體的產(chǎn)狀一致，礦物拉伸線理產(chǎn)狀反映了向斜北東翼一側(cè)近NWW的陡傾下滑剪切作用，東西兩側(cè)相向的陡傾滑運動學(xué)特征與綠巖帶向形的幾何學(xué)特征相吻合。因此，推測綠巖帶兩側(cè)巖石強烈剪切變形很可能與花崗-綠巖帶垂向穹脊構(gòu)造(dome and keel structure)的形成作用相關(guān)，巖石變形的運動學(xué)特征與垂直構(gòu)造模式所涉及的底辟作用和拗沉作用相一致，反映了向形綠巖帶內(nèi)的垂向構(gòu)造作用，韌性剪切作用應(yīng)發(fā)生于花崗-綠巖帶垂向穹脊構(gòu)造的形成過程中，主要表現(xiàn)為密度較輕的花崗質(zhì)巖石與上覆密度較重的含鐵綠巖建造之間存在一定程度的重力不均衡，在區(qū)域性地質(zhì)運動與巖漿作用的驅(qū)動下，發(fā)生了花崗質(zhì)巖石向上的底辟作用和含鐵建造向下的拗沉作用(Collins, 1989; Van Kranendonketal., 2004; Lin, 2005; Moyenetal., 2006; Parmenteretal., 2006; Linetal., 2007; Van Kranendonk, 2011; Lin and Beakhouse, 2013)。為了進一步驗證這一構(gòu)造模型及其發(fā)生過程，我們對上述構(gòu)造模型進行了數(shù)值模擬。

3 模擬方法及模型建立

3.1 模擬方法及控制方程

基于2D有限差分(I2VIS)并結(jié)合marker-in-cell技術(shù)，建立有限元差分數(shù)值模型(Gerya, 2003；Daietal., 2017, 2018；劉澤等，2017)，利用MATLAB軟件進行求解模型計算滿足連續(xù)性方程、動量守恒及能量守恒等，并根據(jù)地質(zhì)條件建立模型。此方法構(gòu)建的地質(zhì)模型可以研究巖石圈-應(yīng)變及盆地演化中的一些特殊現(xiàn)象，如隨時間演化、溫度變化過程中、部分熔融等。通過求解給定材料參數(shù)和一定邊界條件下的基本方程，得到不同時間、不同位置及不同深度物質(zhì)運動和變形的結(jié)果。模型將遵循以下三種平衡關(guān)系方程：

(1)遵守不可壓縮的連續(xù)性方程(物質(zhì)守恒方程)：

(2)遵守Navier-Stokes方程(動量守恒方程)：

(3)遵守?zé)崾睾惴匠蹋?/p>

qi=-k(C,P,T)?T/?xi

數(shù)值模擬程序可以計算包括地殼和地幔的各部分的物質(zhì)熔融。物質(zhì)熔融過程分別與侵入巖石類型、密度和流變學(xué)參數(shù)相關(guān)。如果在恒定壓力下，根據(jù)關(guān)系式隨溫度線性增加的溶體體積分數(shù)M>0.1時，近似認為部分熔融體積比例與溫度存在如下線性關(guān)系：

M=0,T

M=1,T>Tliquidus

Tsolidus和Tliquidus分別代表特定巖性的固相線溫度和液相線溫度。

部分熔融巖石的有效密度取決于如下熔融比例：

ρeff=ρsolid-M(ρsolid-ρmolten)

ρsolid和ρmolten分別代表固相巖石和熔融巖石的密度，他們同時也是關(guān)于溫度和壓力的函數(shù)，遵循著如下公式：

ρP,T=ρ0[1-α(T-T0)][1+β(P-P0)]

式中，ρ0代表巖石在P0=0.1MPa和T0=298K溫壓條件下的標準密度；α和β分別代表熱膨脹系數(shù)和可壓縮系數(shù)。

3.2 模型構(gòu)建

為了研究太古代花崗-綠巖帶能否在密度差的條件下發(fā)生拗沉作用。本文基于研究區(qū)域的動力學(xué)過程、地質(zhì)特征及演化背景，建立初始數(shù)值模型。模型剖面長度為100km，深度為100km。網(wǎng)格經(jīng)過不規(guī)則網(wǎng)格離散化處理，其分辨率為501×181，同時，設(shè)置了共2.5×106個隨機分布的marker點。

圖3 模型一：物質(zhì)場(左側(cè))和速度場(右側(cè))變化情況紅色層是富鐵BIF層，黃色層是沉積巖，棕色層為地殼；坐標y為模型縱向厚度，不是實際深度Fig.3 Model 1, changes of material field (left side) and velocity field (right side)The red layer is BIFs, the yellow layer is sedimentary rocks, and the brown layer is crust; the coordinate y is the vertical thickness of the model, not the actual depth

結(jié)合現(xiàn)有地震剖面的地殼結(jié)構(gòu)特征和巖石物性參數(shù)，確定了模型的邊界條件(表1、表2、表3)。其中，設(shè)定上地殼平均厚度為17.5km，下地殼平均厚度為15km。設(shè)定上地殼的密度為2.7g/cm3,下地殼采用密度為2.9g/cm3作為密度參數(shù)。在模型的地殼表面，設(shè)置了低密度的“黏性空氣層”，平均厚度為7km，用于在表面和模型頂部之間形成自由的地殼表面。粘性空氣層和上地殼之間的接觸表面模擬地貌變化，該接觸面的變化代表了近似的地表侵蝕和沉降。

模型中，不同的顏色代表不同的地質(zhì)體，區(qū)分了沉積物、鐵礦層和花崗質(zhì)地殼。其中，白色代表空氣層，黃色代表沉積物，紅色代表鐵礦，棕色代表上地殼。每個網(wǎng)格節(jié)點均被分配了特定的材料參數(shù)和物理參數(shù)，初始材料、溫度場和速度場如圖3、圖4所示，各種巖石類型和性質(zhì)見表1、表2、表3。

圖4 模型二：物質(zhì)場(左側(cè))和速度場(右側(cè))變化情況紅色層是富鐵BIF層，黃色層是沉積巖，棕色層為地殼；坐標y為模型縱向厚度，不是實際深度Fig.4 Model 2, changes of material field (left side) and velocity field (right side)The red layer is BIF, the yellow layer is sedimentary rock, and the brown layer is crust; the coordinate y is the vertical thickness of the model, not the actual depth

根據(jù)需要研究的地質(zhì)問題加載具體的邊界條件。模型中的初始溫度在不同梯度的地殼和巖石圈地幔中線性地增加。溫度場從地表的0℃線性增加到巖石圈基底處的1300℃。(大約為模型的45km深度處)，模型底部邊界的溫度為1600℃(100km處)。模型的速度邊界條件設(shè)置為0。模擬結(jié)果圖(圖3、圖4)只截取了上地殼部分。

此外，野外地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鞍山地區(qū)BIF鐵礦常與太古代花崗質(zhì)片麻巖直接(斷層)接觸，偶爾也見BIF夾持在鞍山群櫻桃園綠泥/絹云千枚巖中(原巖可能為基性-中酸性火山沉積和泥質(zhì)巖-硅鐵質(zhì)沉積建造)。因此，根據(jù)上述實際地質(zhì)情況，本文假設(shè)了兩種模型和不同的邊界條件。模型一為BIF直接與基底TTG巖石接觸，設(shè)定的條件為富鐵礦層400m，之上為沉積層5km；模型二為BIF夾持在沉積層中，同樣選取富鐵礦層400m，之上為沉積蓋層，鐵礦與TTG上地殼之間存在2.5km沉積層。

表1鞍山地區(qū)巖礦石密度統(tǒng)計表(據(jù)范正國等，2013；Fanetal., 2014)

Table 1 Density statistics of rocks and ores in Anshan area (data from Fanetal., 2013, 2014)

巖礦石名稱密度值(g/cm3)變化區(qū)間平均值赤鐵富礦3.04～4.704.5磁鐵石英巖3.13～3.623.44赤鐵貧礦2.77～3.803.43致密富礦3.32～4.644.24有空隙富礦2.68～4.453.92蜂窩狀富礦2.40～3.832.92太古宙花崗巖2.46～2.692.57閃長巖2.74～3.082.93千山花崗巖2.48～2.622.56石英巖2.50～2.722.61千枚巖2.58～3.102.74變粒巖2.51～2.692.6片麻巖2.58～2.682.68斜長角閃巖2.98～3.073.04

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 模型一

對于模型一的初始模型的設(shè)定，認為BIF鐵礦直接沉積在基底TTG之上，對應(yīng)于鐵礦形成的早期階段。根據(jù)一般狀態(tài)下的地溫梯度，初始設(shè)定模型的13km處大約為200℃，此時鐵礦層沒有相對速度(圖3a)?？紤]到太古代時期總體地溫梯度相對較高，同時太古代末期伴有大規(guī)模的巖漿活動，因此，對模型底部加熱，使等溫面迅速上升，此時TTG與BIF接觸部位溫度可達700～800℃(圖3b)，該狀態(tài)下TTG上地殼發(fā)生部分熔融，導(dǎo)致其粘度變小，密度變小。模型模擬結(jié)果顯示，由于密度差，鐵礦開始出現(xiàn)拗沉作用，同時，兩側(cè)的TTG顯示向上的速度場，形成穹窿構(gòu)造。在模擬演化后期(1.5～2Ma)，鐵礦大規(guī)模沉降，形成垂向拗沉構(gòu)造模式(圖3c, d)。

表3二維數(shù)值模擬實驗物性參數(shù)公式(據(jù)Li and Gerya, 2009; Lietal., 2010, 2011, 2013, 2016; Li, 2014)

Table 3 Physical property parameter formula used in 2-D numerical experiments (data from Li and Gerya, 2009; Lietal., 2010, 2011, 2013, 2016; Li, 2014)

物性參數(shù)標號物性參數(shù)公式K1[0.64+807/(TK+77)]×exp(0.00004×P)T1889+17900/(P+54)+20200/(P+54)2, P<1200MPaT2831+0.06×P, P>1200MPa1394+0.132899×P-0.000005104×P2T31262+0.09P

3.3.2 模型二

模型二為鐵礦夾持在沉積層中。鐵礦沉積初期，等溫面同樣很低(圖4a)，在0.2Ma時由于大規(guī)模的巖漿活動同樣影響了TTG地殼上的沉積蓋層，使得等溫面上升。溫度的變化同樣造成了沉積巖的密度/粘度改變，使得鐵礦層開始下沉(圖4b)。模型模擬結(jié)果顯示，1.5～2Ma后，鐵礦拗沉作用明顯(圖4c, d)，同樣形成垂向的構(gòu)造樣式。

上述兩個模型的模擬結(jié)果表明，在太古代時期由于相對較高的地溫梯度和上地殼巖石相對較低的粘度，鐵礦與TTG和沉積巖存在較大的密度差，在重力作用下高密度的鐵礦主要發(fā)生垂向坳沉運動，形成垂向發(fā)育的拗沉構(gòu)造和TTG穹窿構(gòu)造樣式。從模型一的模擬結(jié)果(圖3d)可以看出，隨著鐵礦的重力坳沉(sagduction)逐漸形成了典型的拗沉構(gòu)造(圖3d-A)。當這一過程繼續(xù)發(fā)展鐵礦夾帶部分沉積巖進一步下沉并開始聚集，形成更大的密度差加速沉降(圖3d-B)，如果沉降過程一直持續(xù)下去，最初下沉的鐵礦和夾帶的部分沉積物就會進入下地殼(圖3d-C)甚至到達上地幔，隨后很可能發(fā)生熔融。這一模擬結(jié)果可能指示了太古代垂向拗沉構(gòu)造體制很可能是地球演化早期的一種殼-幔物質(zhì)交換循環(huán)的重要機制。

圖5 鞍山東部花崗-綠巖帶的形成與構(gòu)造演化模式圖Fig.5 Formation and tectonic evolution of the granite-greenstone belt in the eastern Anshan area

4 討論

4.1 鞍山地區(qū)花崗-綠巖帶基底構(gòu)造樣式的形成與演化

鞍山花崗-綠巖帶早前寒武紀構(gòu)造演化過程復(fù)雜，經(jīng)歷了多期次、強度不同的變質(zhì)變形及構(gòu)造熱事件的改造(Liuetal., 1992, 2008; Songetal., 1996; Wanetal., 2005; Nutmanetal., 2009; 李婧等，2016；朱凱，2016)。根據(jù)前人研究成果及野外地質(zhì)特征來看，研究區(qū)花崗-綠巖帶基底樣式的形成在太古宙期間已基本完成，古元古代(呂梁運動)及其后的構(gòu)造運動對花崗-綠巖帶基底樣式的形成貢獻并不大。其主要原因在于區(qū)域上下元古界遼河群與新太古界鞍山群呈角度不整合覆蓋關(guān)系(李婧等，2016)，而上覆的遼河群產(chǎn)狀較緩，呈寬緩的向斜構(gòu)造產(chǎn)出，證實研究區(qū)在古元古代區(qū)域構(gòu)造變形并不十分強烈。因此，推測花崗-綠巖帶的垂向構(gòu)造可能形成于新太古代末，盡管區(qū)域上還沒有更精確的變形年齡限定。

綜合上述研究并結(jié)合前人建立的區(qū)域年代學(xué)格架成果，本文認為鞍山東部花崗-綠巖帶基底構(gòu)造樣式的形成和演化過程主要包括以下兩大階段(圖5)。

(1)原始BIF鐵礦沉積階段

該時期主要表現(xiàn)為研究區(qū)內(nèi)缺氧的還原性深海盆地中劇烈的海底火山活動并伴有大量火山碎屑物的噴發(fā)-沉積作用，同時也為沉積型BIF鐵礦的形成提供了充足的鐵硅質(zhì)物源，在相對穩(wěn)定的鐵架山花崗巖(～2.96Ga；萬渝生等，2007)結(jié)晶基底上形成了延伸穩(wěn)定的多層含鐵沉積建造(圖5a)。

(2)齊大山花崗巖侵位及變質(zhì)變形階段

新太古代末期齊大山花崗巖(2.47Ga；Songetal., 1996)的就位是鞍山地區(qū)一期重要的構(gòu)造巖漿熱事件，其伴隨的變質(zhì)、變形作用改造了原有太古宙的構(gòu)造格局，改變了原始含鐵建造的分布特征。

新太古代末期，在區(qū)域性地質(zhì)活動(鞍山運動)和大規(guī)模巖漿熱事件的擾動下，原始TTG上地殼重新活化，等溫面上升促使地殼巖石粘度降低，密度變小?；◢徺|(zhì)巖石與上覆高密度含鐵建造之間的重力不均衡(Rayleigh-Taylor-type instabilities；瑞麗泰勒不穩(wěn)定性)觸發(fā)了(含鐵)綠巖建造向下拗沉作用以及同時期花崗質(zhì)巖石的底辟隆升。底辟-拗沉過程的初始階段，含鐵建造發(fā)生差異性滑動，局部形成一些不對稱層間褶皺和揉流褶皺構(gòu)造，同時綠巖帶向斜構(gòu)造的雛形開始形成(圖5b, c)。隨著花崗巖底辟隆升以及含鐵建造綠巖體拗沉作用的持續(xù)進行，二者接觸部面附近的巖石發(fā)生強烈的韌性剪切作用，并具有相向的運動學(xué)特征，形成規(guī)則、平行化的陡傾或近直立的葉理。伴隨順層剪切作用形成礦物拉伸線理構(gòu)造，以及局部形成一些同斜褶皺。最終形成了鞍山東部花崗-綠巖帶的穹脊構(gòu)造樣式(圖5d)。

4.2 鞍山地區(qū)鐵礦富礦體的成因與賦存狀態(tài)

鞍山式鐵礦石類型主要為假象赤鐵石英巖，磁鐵石英巖，透閃-陽起磁鐵石英巖，碳酸鹽磁鐵石英巖，綠泥磁鐵石英巖。假象赤鐵富礦，磁鐵富礦，褐鐵假象赤鐵富礦。鐵礦石中全鐵(TFe)含量一般在28%至42%之間，全礦床平均為34.22%。局部地區(qū)，在一些貧鐵礦層中存在厚度數(shù)米至數(shù)十米，延伸<250m的塊狀富鐵礦體(全鐵含量高達60%；如櫻桃園、王家堡子鐵礦；沈其韓和宋會俠， 2015)。這些富鐵礦層產(chǎn)狀與貧鐵礦層，千枚巖、綠泥石英片巖等圍巖產(chǎn)狀一致，均表現(xiàn)為陡傾的面理。

關(guān)于鞍山式富鐵礦的成因機理長期存在爭議(程裕淇, 1957; 張秋生，1984；王守倫，1986；Li, 2014；沈其韓和宋會俠，2015；許德如等，2015)，但是硅鐵分離、去硅存鐵過程卻是鐵富集的本質(zhì)。沈其韓和宋會俠(2015)總結(jié)了前人關(guān)于富礦成因的四種主要類型：(1) 由貧鐵礦經(jīng)含鐵熱液交代富集而成富鐵礦，這是大型富鐵礦最主要的一種類型; (2) 變質(zhì)的原生富礦; (3) 由貧鐵礦經(jīng)熱液淋濾而生成的富鐵礦，以赤鐵礦為主; (4) 由貧鐵礦經(jīng)天水溶蝕去除硅質(zhì)而成的褐鐵-赤鐵礦。但據(jù)以往研究成果分析，構(gòu)造改造和/或流體疊加對鞍山式富鐵礦的成因可能起關(guān)鍵控制作用。許德如等(2015)指出鞍山地區(qū)大多數(shù)BIF不僅經(jīng)歷了中-低級、甚至更高級的變質(zhì)作用，而且與強烈的構(gòu)造變形和大規(guī)模流體活動密切相關(guān)。由于巖石流變行為存在差異，褶皺變形及伴隨的韌性剪切和高溫塑性流動是高品位BIF型富鐵礦床形成的關(guān)鍵。

圖6 鞍山東部花崗-綠巖帶結(jié)構(gòu)構(gòu)造模式圖(據(jù)范正國等，2013)1-磁鐵礦體；2-磁鐵貧鐵礦；3-赤鐵貧礦體；4-第四系；5-寒武系；6-震旦系；7-元古代或太古宙片巖，千枚巖；8-太古宙混合巖，奧長花崗巖；9-太古宙斜長角閃巖；10-白堊紀花崗巖Fig.6 Structural pattern of the granite-greenstone belt in the eastern Anshan area (after Fan et al., 2013)

最新研究表明，太古宙花崗-綠巖帶內(nèi)垂向構(gòu)造模式與礦體富集作用密切相關(guān)，如Hippertt and Davis(2000)在研究巴西Quadrilátero Ferrífero地區(qū)穹脊構(gòu)造形成機制中指出，含鐵建造綠巖體向下剪切流動過程中，巖石內(nèi)發(fā)生差異性塑性流變，進而導(dǎo)致富鐵礦體的形成；Lin and Beakhouse(2013)在關(guān)于Superior克拉通內(nèi)Hemlo金礦床成礦成因指出，Hemlo金礦床所賦存的綠巖帶為兩個花崗巖穹隆之間的倒轉(zhuǎn)向斜，礦體呈拗沉構(gòu)造樣式產(chǎn)出，其礦化富集作用與太古宙克拉通化晚期花崗-綠巖帶內(nèi)的底辟和拗沉作用(垂直構(gòu)造作用)以及同期的區(qū)域性水平剪切作用(水平構(gòu)造作用)密切相關(guān)。

通過上述分析，筆者認為鞍山齊大山鐵礦地區(qū)新太古代花崗巖的侵位隆升為綠巖帶內(nèi)成礦作用帶來了富鉀堿性熱液，熱液活動以及強烈的變質(zhì)變形作用對原始貧鐵的沉積型BIF鐵礦進行了改造，可能形成了鐵礦的初步富集。代堰锫等(2013)也指明鞍本地區(qū)的富鐵礦體往往與巖體相伴生，且富鐵礦石中多發(fā)育黃鐵礦化，表明磁鐵富礦的形成與熱液作用有關(guān)。而進一步的垂向傾滑構(gòu)造引起的順層韌性剪切作用，使原始貧鐵的沉積型BIF鐵礦發(fā)生體系內(nèi)組分擴散，因壓溶作用(變質(zhì)分異)實現(xiàn)去硅存鐵，鐵質(zhì)條帶加寬，鐵礦體垂向運動中不斷增厚，形成富鐵礦層。通過野外礦區(qū)的實地觀察可以發(fā)現(xiàn)，平面上拗沉構(gòu)造呈透鏡狀，垂向剖面上呈下大上小的不對稱透鏡狀，在三維空間上通常為一個壓扁的橢球狀。當然，這種構(gòu)造的具體形態(tài)還會受到兩側(cè)TTG穹窿形態(tài)的影響。當含鐵建造被夾持在三個穹窿中間時，其平面形態(tài)呈尖三角形，垂向上仍為下大上小的不對稱透鏡狀形態(tài)。

最新的重磁交互反演結(jié)果顯示鞍山地區(qū)具有典型的穹脊構(gòu)造特征，以鐵架山穹隆(背斜)為中心，北東、南西側(cè)分別為齊大山、東鞍山向斜構(gòu)造，發(fā)育含鐵建造的綠巖體均分布在這些向斜構(gòu)造內(nèi)，且控制了鐵礦體的分布及產(chǎn)狀，研究區(qū)內(nèi)SW方向倒臥的齊大山向斜構(gòu)造北東翼礦體產(chǎn)狀近于直立，南西翼礦體向NE方向傾斜，傾角(約45°～65°)中等(圖6；范正國等，2013；Fanetal., 2014)。根據(jù)前人研究資料及空間分布關(guān)系可知，出露于地表的齊大山、胡家廟子以及西大背鐵礦應(yīng)位于向斜構(gòu)造的北東翼一側(cè)，而隱伏于地下的陳臺溝鐵礦應(yīng)分布于南西翼一側(cè)。這種鐵礦的分布規(guī)律與數(shù)值模擬給出的結(jié)果基本吻合，可以為進一步的鐵礦勘探與開采提供重要的理論支撐。

5 結(jié)論

通過野外宏觀構(gòu)造解析、數(shù)值模擬，結(jié)合前人的研究成果，得到如下認識：

(1)鞍山東部的白家墳、齊大山陡傾滑韌性剪切帶的發(fā)育與硅鐵建造向下拗沉以及同時期花崗巖底辟隆升作用密切相關(guān)，很可能是早期地殼垂向構(gòu)造運動機制下產(chǎn)物。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，鞍山地區(qū)花崗-綠巖帶垂向拗沉構(gòu)造成因應(yīng)受控于新太古代末期大規(guī)模的巖漿活動造成的TTG上地殼巖石活化，粘度降低，密度變小，(含鐵)綠巖建造與TTG巖石的密度差所引起的拗沉作用。同時，模擬結(jié)果顯示太古代垂向拗沉構(gòu)造體制很可能是地球演化早期殼-幔物質(zhì)交換循環(huán)的一種重要機制。

(3)花崗-綠巖帶整體的基本特征、形態(tài)分布及構(gòu)造變化規(guī)律與世界上其他花崗-綠巖帶地體是可以類比的。垂向構(gòu)造機制下含鐵建造綠巖體向下拗沉過程中伴隨的礦體富集特征以及綠巖帶向斜構(gòu)造的形成演化過程為今后沉積變質(zhì)型鐵礦向斜控礦模式的研究以及鞍山地區(qū)開展深部找礦的戰(zhàn)略部署提供了一定的理論依據(jù)。