構(gòu)造物理化學(xué)學(xué)科建設(shè)回顧、應(yīng)用與展望

呂古賢

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)

1 構(gòu)造物理化學(xué)的發(fā)展歷程

(1)構(gòu)造物理化學(xué)學(xué)科定義

構(gòu)造物理化學(xué),是研究地殼物質(zhì)受構(gòu)造作用產(chǎn)生物理化學(xué)變化的交叉學(xué)科,是構(gòu)造作用力改變物理化學(xué)條件進(jìn)而影響地球化學(xué)過(guò)程的領(lǐng)域,即地質(zhì)構(gòu)造力與成巖成礦物理化學(xué)條件相關(guān)性的研究領(lǐng)域。構(gòu)造物理化學(xué),是研究構(gòu)造力改變地殼巖石壓力、溫度等物理化學(xué)條件,由此影響地球化學(xué)作用的理論和方法。構(gòu)造物理化學(xué)是物理學(xué)-化學(xué)-物理化學(xué)交叉的地質(zhì)學(xué)科領(lǐng)域,是地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造動(dòng)力成巖成礦理論的繼承和發(fā)展。

(2)構(gòu)造物理化學(xué)學(xué)科形成思路

構(gòu)造物理化學(xué)的提出和學(xué)科建設(shè)過(guò)程中,發(fā)展出礦田地質(zhì)學(xué)的新概念。研究發(fā)現(xiàn),盡管地質(zhì)環(huán)境和成巖成礦條件,是隨時(shí)間和空間而變化的,但從成巖成礦的角度看,控制元素運(yùn)移和沉淀的基本物理化學(xué)參數(shù)是不變的。形成巖石和礦床的化學(xué)過(guò)程,往往有流體參與來(lái)完成,這個(gè)過(guò)程直接受當(dāng)時(shí)物理化學(xué)環(huán)境條件的控制和影響。因此認(rèn)為,如果能夠說(shuō)明物理化學(xué)條件受構(gòu)造作用的制約,如果能從理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)“構(gòu)造作用力影響靜水壓力”“構(gòu)造作用影響溫度條件”等科學(xué)問(wèn)題,則構(gòu)造地球化學(xué)各層次研究所揭示的巖石形變作用與變質(zhì)交代作用的地球化學(xué)過(guò)程密切共生,不同變形帶及部位的巖相特征與不同深度的巖相有一定對(duì)應(yīng)性等現(xiàn)象將得到較合理的解釋。據(jù)此提出新思路,即“構(gòu)造作用力通過(guò)控制壓力溫度和其它物理化學(xué)條件來(lái)影響成巖成礦地球化學(xué)過(guò)程”,這實(shí)際上深入到了一個(gè)新的學(xué)科研究領(lǐng)域,即地質(zhì)構(gòu)造作用力與成巖成礦物理化學(xué)條件相關(guān)性領(lǐng)域,稱之為地質(zhì)構(gòu)造物理化學(xué)或構(gòu)造物理化學(xué)。

“構(gòu)造影響物理化學(xué)條件而控制地球化學(xué)過(guò)程”的研究思路,是構(gòu)造物理化學(xué)的理論基礎(chǔ),也是構(gòu)造物理化學(xué)的主要研究方法。

(3)構(gòu)造物理化學(xué)學(xué)科建設(shè)歷程

構(gòu)造物理化學(xué)是在繼承和學(xué)習(xí)構(gòu)造動(dòng)力成巖成礦理論、開展礦田構(gòu)造研究過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。在“構(gòu)造如何影響成巖成礦地球化學(xué)”研究中,呂古賢提出“構(gòu)造改變物理化學(xué)條件影響化學(xué)平衡”的研究方向和構(gòu)造物理化學(xué)的概念。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)在1999年認(rèn)為,構(gòu)造物理化學(xué)是我國(guó)科學(xué)家提出、倡導(dǎo)和發(fā)展起來(lái)的學(xué)科研究領(lǐng)域,不僅在構(gòu)造附加靜水壓力方面取得基礎(chǔ)創(chuàng)新成果,而且建立了深部構(gòu)造校正測(cè)算技術(shù)和構(gòu)造變形巖相填圖方法,在膠東金礦深部第二富集帶預(yù)測(cè)和勘查方面做出開創(chuàng)性的貢獻(xiàn),業(yè)已形成了理論方法系統(tǒng),值得繼續(xù)深入發(fā)展。

潘立宙在1976年指出,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可以分解成各向等應(yīng)力和差應(yīng)力兩部分,這一認(rèn)識(shí)奠定了構(gòu)造物理化學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。劉瑞珣闡述了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)差應(yīng)力和各向等正應(yīng)力分解的數(shù)學(xué)關(guān)系;王連捷等建立“應(yīng)變-差應(yīng)力”計(jì)算三維主應(yīng)力的聯(lián)立方程方法。在此基礎(chǔ)上,呂古賢創(chuàng)建了成礦深度的構(gòu)造校正測(cè)算方法,更系統(tǒng)地形成了“構(gòu)造改變物理化學(xué)條件影響化學(xué)平衡”的研究方法和構(gòu)造物理化學(xué)的概念。

構(gòu)造物理化學(xué)的發(fā)展得到地學(xué)界前輩的大力支持與肯定。馬宗晉曾在1989年指出,構(gòu)造物理化學(xué)在地質(zhì)資料和構(gòu)造研究基礎(chǔ)上,高度綜合出“構(gòu)造改變物理化學(xué)條件影響地球化學(xué)反應(yīng)”新思路,是地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造地球化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展;歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、翟裕生和陳毓川認(rèn)為,“構(gòu)造物理化學(xué)在成礦學(xué)和找礦學(xué)之間開拓了一個(gè)新的研究領(lǐng)域”。

中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)于1992年召開第一次“構(gòu)造物理化學(xué)研究和膠東金礦深部找礦”小型理論研討會(huì)。在孫殿卿支持下,1996年地質(zhì)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)設(shè)立“構(gòu)造物理化學(xué)專業(yè)學(xué)組”,并委派黃慶華和王連捷具體了解“構(gòu)造附加靜水壓力”的概念、數(shù)學(xué)力學(xué)依據(jù)和實(shí)測(cè)方法;1996年陳慶宣與呂古賢就構(gòu)造物理化學(xué)學(xué)科屬性究竟是“構(gòu)造物理+化學(xué)”還是“構(gòu)造+物理化學(xué)”進(jìn)行了細(xì)致分析討論,并確定了構(gòu)造物理化學(xué)的英文名詞;2002年中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)批文,同意舉辦“地殼深部壓力狀態(tài)與地質(zhì)作用國(guó)際會(huì)議”;中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)2018年批準(zhǔn)成立“構(gòu)造物理化學(xué)專業(yè)委員會(huì)”。

2 構(gòu)造物理化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容

(1)構(gòu)造物理化學(xué)的地質(zhì)研究

構(gòu)造物理化學(xué)研究需要的地質(zhì)資料——展示不同構(gòu)造變形構(gòu)造帶的巖石、礦物和地球化學(xué)特征,顯示擠壓帶、剪切帶和引張帶在礦物、巖石、化學(xué)成分和物理化學(xué)條件等方面的差別,研究它們規(guī)律性的變化。研究提出受力巖石構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的各向等壓應(yīng)力部分——“構(gòu)造附加靜水壓力”,是影響巖石形成的構(gòu)造物理化學(xué)參量和地球化學(xué)分布的重要原因。有了這樣的地質(zhì)基礎(chǔ),構(gòu)造物理化學(xué)才能探討“構(gòu)造力通過(guò)改變物理化學(xué)條件進(jìn)而控制地球化學(xué)反應(yīng)”的過(guò)程。

構(gòu)造物理化學(xué),研究“構(gòu)造結(jié)合巖相” “構(gòu)造結(jié)合建造”和“構(gòu)造地球化學(xué)”的特點(diǎn),需要合適的地質(zhì)現(xiàn)象和概念。這些地質(zhì)概念必須既包含巖石組成特征又呈現(xiàn)巖石形態(tài)的地質(zhì)現(xiàn)象,既要涵蓋結(jié)構(gòu)和組分兩方面的狀態(tài),也要在室內(nèi)外地質(zhì)工作中可以使用。多年的研究探討和實(shí)踐認(rèn)為,“構(gòu)造變形巖相”的概念能夠適應(yīng)于野外觀測(cè)、填圖勘查和室內(nèi)測(cè)試分析等方面的要求。構(gòu)造變形巖相是能夠顯示巖石變形、巖石地球化學(xué)分布以及形成巖相環(huán)境的地質(zhì)實(shí)體。在不同的地質(zhì)背景中,構(gòu)造變形巖相形跡的涵義是有差別的,但其立足于構(gòu)造變形基礎(chǔ)和地質(zhì)建造(沉積、巖漿、變質(zhì)及成礦等),這兩點(diǎn)是不變的。構(gòu)造變形巖相的概念與方法,成為構(gòu)造物理化學(xué)研究的地質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)構(gòu)造附加靜水壓力的研究

這部分研究主要涉及構(gòu)造附加靜水壓力的數(shù)學(xué)和力學(xué)表達(dá),構(gòu)造力改變巖石壓力的研究,擠壓、剪切和引張構(gòu)造變形帶內(nèi)構(gòu)造附加靜水壓力的有限元模擬等。

①構(gòu)造附加靜水壓力的力學(xué)表達(dá)

地下某處的固體巖石,在重力、熱力或其它地質(zhì)作用下,會(huì)產(chǎn)生一定的偏應(yīng)力狀態(tài)。而當(dāng)其受到構(gòu)造力的作用時(shí),固體巖石會(huì)在其他偏應(yīng)力狀態(tài)上疊加一種構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。這種應(yīng)力疊加后的總應(yīng)力狀態(tài)可以分解為差應(yīng)力和各向等正應(yīng)力兩個(gè)部分。前者是改變巖石形狀的差應(yīng)力,后者即為靜水壓力(亦可稱之為圍限壓力),能夠影響化學(xué)平衡。

對(duì)于固體巖石,尤其是賦存于中淺部地殼的巖石,重力和構(gòu)造力都是有方向性且各向不均衡的外力,這種外力(在108～106a時(shí)間尺度內(nèi))能夠使巖石處于偏斜應(yīng)力場(chǎng)。這種偏應(yīng)力(σ～)場(chǎng)中的差應(yīng)力(σ′)部分只會(huì)引起巖石變形;而偏應(yīng)力場(chǎng)中的各向等正壓應(yīng)力(P～)的部分,可以看作是平均壓應(yīng)力,也被稱之為“靜水壓力”的部分才能夠使固體巖石發(fā)生體積變化,并導(dǎo)致巖石圍壓發(fā)生變化。這種“構(gòu)造附加靜水壓力”,既是導(dǎo)致巖石發(fā)生體積變化的圍限壓力,也是控制地球化學(xué)反應(yīng)的各向等正壓應(yīng)力。

②構(gòu)造力改變巖石壓力的研究

這項(xiàng)研究從概念上改變了經(jīng)典的地下巖石“靜水壓力模型”和認(rèn)識(shí),建立了“構(gòu)造力和重力復(fù)合的巖石壓力模型”。可以證明,構(gòu)造力的疊加,明顯改變了巖石的(圍限)壓力。

用固體力學(xué)原理分析地殼中構(gòu)造力和重力的應(yīng)力場(chǎng)疊加表明,巖石的應(yīng)力狀態(tài)可以看成是一個(gè)各向等正應(yīng)力狀態(tài)疊加一個(gè)差應(yīng)力狀態(tài),這種普遍的巖石應(yīng)力狀態(tài)是,既有重力產(chǎn)生的圍限壓力又有構(gòu)造力疊加的壓力。

研究在同樣外力條件下,擠壓帶、剪壓帶和引張帶內(nèi)的構(gòu)造附加靜水壓力分布規(guī)律。構(gòu)造變形帶構(gòu)造附加靜水壓力的變化理論、數(shù)學(xué)模擬和實(shí)測(cè)資料還表明,同一外力作用下,擠壓變形帶(PC)、剪壓變形帶(PS)和引張變形帶(PT)中巖石承受的構(gòu)造附加靜水壓力不同,且PC>PS>PT。

(3)深部“構(gòu)造力與重力復(fù)合的巖石壓力”模型

這項(xiàng)研究涉及了地質(zhì)科學(xué)的一個(gè)根本問(wèn)題,就是地下巖石壓力模型,將影響地質(zhì)學(xué)的各個(gè)方面。經(jīng)典的認(rèn)識(shí)是地下巖石處于“靜水壓力”狀態(tài),認(rèn)為地下一點(diǎn)的壓力與上覆巖石重力有關(guān),沒有構(gòu)造干擾和差應(yīng)力作用。然而,地下的“靜水壓力”狀態(tài)的認(rèn)識(shí)不符合現(xiàn)代的研究和實(shí)測(cè)資料。

研究提出了“構(gòu)造力復(fù)合重力的巖石壓力”——深部地殼巖石壓力既包含上覆巖石重力的壓力,又包含水平構(gòu)造力的壓力。地殼深部巖石的受力主要源自重力和構(gòu)造力,相對(duì)應(yīng)的概念分別為重力附加靜水壓力和構(gòu)造附加靜水壓力。其中,構(gòu)造力產(chǎn)生的部分靜水壓力,改變了巖石的靜水壓力或圍壓的受力條件。因此,地殼中巖石受到的壓力是由重力和構(gòu)造力的兩部分球應(yīng)力疊合而成。

(4)構(gòu)造附加壓力與巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

隨著圍壓的變化,巖石的各方面特征都發(fā)生變化。科拉半島深鉆各類巖石的密度、孔隙度、光電磁反應(yīng)等的實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果顯示,隨著深度和壓力逐步增大,巖石諸多物理性質(zhì)產(chǎn)生了規(guī)律性變化。

巖石的強(qiáng)度與巖石圍壓大小有關(guān)。已有的巖石強(qiáng)度測(cè)定,多在常溫常壓的環(huán)境條件下進(jìn)行,大部分結(jié)果表明普通巖石單軸抗剪強(qiáng)度小于0.5 GPa。但問(wèn)題關(guān)鍵在于,深部巖石并不是處于單軸應(yīng)力狀態(tài)中,而是處在很大的圍壓或三軸應(yīng)力條件下。Handing在1966年的實(shí)驗(yàn)證明,巖石所受的圍壓越大,其抗剪和抗拉強(qiáng)度就越高;當(dāng)圍壓持續(xù)增高時(shí),其抗壓強(qiáng)度幾乎是無(wú)限的。綜上所述,在研究巖石力學(xué)性質(zhì)的時(shí)候,不僅要分析巖石的礦物組成特點(diǎn),還要考慮圍限壓力的影響,如果構(gòu)造力存在,那就應(yīng)該研究構(gòu)造附加壓力的作用。

(5)構(gòu)造動(dòng)熱過(guò)程與溫度效應(yīng)

構(gòu)造作用可以使地下巖石發(fā)生位移和變形。根據(jù)能量守恒定律,機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?例如部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,可導(dǎo)致受力對(duì)象的溫度產(chǎn)生變化,即構(gòu)造熱過(guò)程。

構(gòu)造熱可以分為3種類型:構(gòu)造變形熱、構(gòu)造摩擦熱以及構(gòu)造條件下的熱傳導(dǎo)過(guò)程。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)能夠引起巖石脆性破裂和變形。巖石受構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生變形,進(jìn)而提高了巖石的應(yīng)變能,擴(kuò)大了巖石的表面積,顯著增加表面能,巖石破裂面之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量除了使巖石產(chǎn)生聲響、光電效應(yīng)和位移之外,大部分以熱的形式傳遞到巖石中。由于巖石多為熱能的不良導(dǎo)體,因此,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)能夠造成巖石的局部溫度場(chǎng)效應(yīng)。

(6)構(gòu)造物理化學(xué)成巖成礦的研究——以膠東金礦研究為例

如果構(gòu)造產(chǎn)生一部分壓力的話,構(gòu)造力也能影響成巖成礦的地球化學(xué)平衡。這一部分內(nèi)容既是構(gòu)造物理化學(xué)的基礎(chǔ),也是構(gòu)造物理化學(xué)應(yīng)用方向的橋梁。

①構(gòu)造物理化學(xué)成巖成礦模式研究

經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造研究,結(jié)合巖石、地球化學(xué)、物理化學(xué)和同位素等多方面測(cè)試分析資料,建立膠東玲瓏-焦家式金礦的構(gòu)造物理化學(xué)成礦模式。

以膠東金礦構(gòu)造變形巖相填圖為基礎(chǔ),研究巖石、地球化學(xué)和物理化學(xué)條件的分布。開展礦區(qū)面積性物理化學(xué)參數(shù)(P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)了構(gòu)造影響物理化學(xué)參數(shù)及成礦的地質(zhì)證據(jù):擠壓斷裂帶的物理化學(xué)條件下,發(fā)生K和Si增高而Al和Na氧化物降低的化學(xué)反應(yīng),形成蝕變巖型金礦;引張斷裂帶的物理化學(xué)環(huán)境下,發(fā)生K增高而Si、Al和Na氧化物降低的化學(xué)過(guò)程,發(fā)育石英脈型金礦。

②構(gòu)造物理化學(xué)地質(zhì)基礎(chǔ)——構(gòu)造變形巖相研究

構(gòu)造變形巖相測(cè)量擴(kuò)大了預(yù)測(cè)目標(biāo),不僅研究金礦化標(biāo)志,還把遠(yuǎn)礦蝕變,甚至弱鉀化花崗巖也歸為蝕變巖相帶,將蝕變帶整體作為預(yù)測(cè)的目標(biāo),從而把找礦標(biāo)志從幾米寬擴(kuò)大為幾百米甚至上千米寬,突破了“就礦找礦”的局限性,大大提高了找礦效果。

③ 構(gòu)造物理化學(xué)場(chǎng)與成巖成礦分析

在1∶1萬(wàn)構(gòu)造變形巖相填圖基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石、地球化學(xué)及物理化學(xué)參數(shù) (P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)資料,進(jìn)行面積性編圖。

礦化分布處于成礦構(gòu)造物理化學(xué)參數(shù)突變的區(qū)帶。由此進(jìn)一步提出,地球化學(xué)分布是成礦作用的結(jié)果,而物理化學(xué)條件才是成礦的動(dòng)力原因,為“構(gòu)造力通過(guò)改變物理化學(xué)條件影響化學(xué)平衡”的思路提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。

④構(gòu)造物理化學(xué)的界面帶成礦研究

物理化學(xué)參數(shù) (P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)的突變帶,顯示出一定規(guī)模的界面帶,這些界面帶不僅與成礦帶分布相關(guān),而且與成礦元素分布有關(guān)。研究揭示“構(gòu)造物理化學(xué)參數(shù)界面帶成礦”的新認(rèn)識(shí)。

各構(gòu)造物理化學(xué)參數(shù)都有高值和低值分布區(qū)。在應(yīng)力集中和松弛的交接部位,發(fā)育物理化學(xué)參數(shù)的劇變帶。在金礦成礦中,各構(gòu)造物理化學(xué)參數(shù)的劇變帶,是最有利于金礦成礦的界面帶。

⑤構(gòu)造物理化學(xué)臨界成礦的熱力學(xué)分析

我國(guó)東部中生代發(fā)生大規(guī)模成礦作用,膠東金礦區(qū)尤其典型,但是其成礦構(gòu)造機(jī)理一直處于探討階段。胡寶群等較早探討流體臨界大規(guī)模成礦的物理化學(xué)成因問(wèn)題,認(rèn)為主要受控于水的臨界奇異性,即在溫壓同時(shí)達(dá)水的臨界值時(shí)發(fā)生臨界二級(jí)相變而控礦。他們建立了大規(guī)模成礦作用的構(gòu)造物理化學(xué)“深斷裂臨界成礦”的初步模型,認(rèn)為由于巖石圈深斷裂帶中的壓力急劇下降,形成壓力的凹陷等值面,而深部巖漿及其熱液等沿?cái)嗔褞锨?發(fā)育溫度上隆凸起等值面。壓力面凹陷和溫度面凸起,在上地殼淺部一定區(qū)段就可能形成溫壓同時(shí)達(dá)到水發(fā)生臨界二級(jí)相變區(qū)域。從而在這個(gè)臨界區(qū)段就發(fā)生非線性、短時(shí)限和大規(guī)模的成礦作用。簡(jiǎn)言之,由于深斷裂引起壓力下降和溫度上升,在淺部地殼能夠形成臨界區(qū)帶,控制著大規(guī)模成礦作用。

該研究表明,化學(xué)元素的分布只是成礦作用的結(jié)果,而物理化學(xué)條件的變化才是成礦的原因,成為“構(gòu)造改變物理化學(xué)條件影響化學(xué)平衡”的熱力學(xué)基礎(chǔ)。

3 構(gòu)造物理化學(xué)的應(yīng)用與展望

(1)成巖成礦深度研究測(cè)算方法和深部預(yù)測(cè)

構(gòu)造物理化學(xué)研究,對(duì)一些地質(zhì)認(rèn)識(shí)、觀念和方法提出了新的思路。如成礦深度的測(cè)算方法,經(jīng)典方法是壓力/比重,而“構(gòu)造校正測(cè)算方法”卻是首先從壓力剔除“構(gòu)造附加靜水壓力”之后,再測(cè)算成礦深度。經(jīng)典方法認(rèn)為膠東金礦形成于4～6 km深處,而運(yùn)用構(gòu)造校正方法,獲得膠東金礦的成礦深度為1～3.5 km,且集中在2.5 km左右深處形成。同時(shí)發(fā)現(xiàn)膠東金礦是淺成礦床。這一新的研究成果表明,主要的礦體在深部賦存,現(xiàn)有大型礦山深部的金礦資源遠(yuǎn)景非常樂(lè)觀。據(jù)此在1993年和1996年分別預(yù)測(cè)焦家礦田和玲瓏礦田發(fā)育“深部第二富集帶”。后經(jīng)勘探,證明膠東金礦深部較普遍存在“深部第二富集帶”。

(2)超高壓變質(zhì)“構(gòu)造增壓殼內(nèi)成因”的深入研究

超高壓變質(zhì)的“構(gòu)造增壓殼內(nèi)成因”研究,不僅具有全球構(gòu)造的意義,也是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的前沿問(wèn)題。超高壓變質(zhì)的廣泛深入研究,帶動(dòng)了深部地質(zhì)、巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)等多個(gè)學(xué)科的研究與發(fā)展,同時(shí)也涌現(xiàn)出新的觀點(diǎn)。如超高壓變質(zhì)的“深俯沖-折返”模式和“構(gòu)造增壓殼內(nèi)成因”模式等。前者認(rèn)為超高壓形成于超過(guò)100 km的深度;而“構(gòu)造增壓殼內(nèi)成因”模式認(rèn)為,超高壓的形成深度介于33～55 km。運(yùn)用構(gòu)造物理化學(xué)的新認(rèn)識(shí)開展變質(zhì)巖構(gòu)造研究,能夠發(fā)現(xiàn)和開拓新的科學(xué)問(wèn)題,促進(jìn)地質(zhì)科學(xué)理論方法的創(chuàng)新與發(fā)展。

(3)構(gòu)造作用下液體改變巖石變形性質(zhì)的研究

①地震災(zāi)害過(guò)程流體-巖石系統(tǒng)的構(gòu)造物理化學(xué)約束

根據(jù)目前的認(rèn)識(shí),關(guān)于流體-巖石系統(tǒng),在時(shí)間尺度,地震斷層至少經(jīng)歷以下變形階段:間震期斷層蠕滑與斷層閉鎖、準(zhǔn)靜態(tài)失穩(wěn)與地震成核、亞臨界失穩(wěn)、同震滑動(dòng),以及震后斷層余滑與松弛階段的非穩(wěn)態(tài)蠕變。研究巖石變形特征和斷層滑動(dòng)方式隨深度的變化規(guī)律,同時(shí)要考慮構(gòu)造力引起的局部構(gòu)造超壓和溫度效應(yīng),也是認(rèn)識(shí)地震活動(dòng)規(guī)律性的重要內(nèi)容。斷層滑動(dòng)的穩(wěn)定性與地震的孕育和發(fā)生,是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)、物理和化學(xué)作用,研究流體-巖石系統(tǒng)的構(gòu)造物理化學(xué)影響,也是分析強(qiáng)震孕育條件、探索震前機(jī)理和預(yù)測(cè)的研究方向。

②水巖系統(tǒng)的構(gòu)造作用,能夠改變巖石變形性質(zhì)

流體活動(dòng)與巖石相互作用始終貫穿斷層變形時(shí)空的各個(gè)階段,對(duì)斷層強(qiáng)度與變形機(jī)制和地震誘發(fā)機(jī)制有重要影響。流體對(duì)地震活動(dòng)的影響,體現(xiàn)在物理作用和化學(xué)作用兩個(gè)方面。流體對(duì)斷層帶的物理影響包括:(a)流體對(duì)斷層流變強(qiáng)度的弱化;(b)流體增加了孔隙壓力,降低了有效壓力,降低了斷層摩擦強(qiáng)度;(c)流體促進(jìn)了斷層的非穩(wěn)定滑動(dòng),有利于斷層地震成核。然而,流體的化學(xué)作用影響斷層強(qiáng)度和地震孕育方面尚未引起重視。實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí),流體對(duì)斷層帶的化學(xué)影響包括:(a)流體與巖石發(fā)生反應(yīng),生成了含水的環(huán)狀和層狀礦物,從而降低了斷層的強(qiáng)度;(b)流體促進(jìn)了斷層帶裂縫的愈合,增加了斷層的強(qiáng)度,但同時(shí)也提高了斷層帶內(nèi)流體壓力,改變了構(gòu)造巖帶強(qiáng)度和脆塑性轉(zhuǎn)化的深度。因此,開展流體對(duì)于斷層帶構(gòu)造、物理和化學(xué)的綜合研究,分析流體-巖石系統(tǒng)的構(gòu)造物理化學(xué)約束條件,是斷層力學(xué)與地震孕育機(jī)制、地震預(yù)測(cè)研究中非常重要的研究?jī)?nèi)容。

(4)礦田構(gòu)造變形巖相填圖和深部外圍找礦

“就礦找礦”是深部外圍找礦的常用方法,目標(biāo)是尋找達(dá)到工業(yè)品位的礦脈。但是,多數(shù)礦山的礦體已經(jīng)采空,深部預(yù)測(cè)沒有找礦標(biāo)志,如何找礦?這成為深部找礦的問(wèn)題,也是礦山普遍的生產(chǎn)難題。

礦田“構(gòu)造變形巖相”填圖,能夠彌補(bǔ)這一缺陷。 “構(gòu)造變形巖相”用來(lái)顯示構(gòu)造變形的礦化地質(zhì)體,就是說(shuō),成礦構(gòu)造變形巖相不僅包括金礦脈,還把近礦-遠(yuǎn)礦的蝕變,甚至蝕變的圍巖也歸為蝕變巖相帶。由于構(gòu)造蝕變帶整體作為預(yù)測(cè)的目標(biāo),從而把找礦標(biāo)志從幾米寬擴(kuò)大為幾百米甚至上千米寬,大大提高了找礦效果。提出“構(gòu)造變形巖相”的成因分類,建立了“構(gòu)造變形巖相”的識(shí)別地質(zhì)標(biāo)志,劃分了31種構(gòu)造變形巖相類型,形成了適用于野外觀測(cè)、室內(nèi)研究的找礦預(yù)測(cè)方法。該方法加快了圈定靶區(qū)的速度,顯著提高了預(yù)測(cè)能力。

近年,在海南抱倫金礦、內(nèi)蒙柴胡欄子金礦、豫西欒川鉬礦、贛南鎢礦等地,用構(gòu)造變形巖相填圖方法取得找礦重要進(jìn)展。

(5)巖漿成巖構(gòu)造測(cè)量和流變結(jié)構(gòu)幾何研究

經(jīng)過(guò)10多年的花崗巖構(gòu)造巖相野外填圖和室內(nèi)測(cè)試研究,建立了巖漿巖構(gòu)造巖相的分類方案,劃分出3類巖漿巖構(gòu)造巖相:剪切構(gòu)造巖相、引張構(gòu)造巖相、擠壓構(gòu)造巖相。對(duì)于膠東成礦花崗巖,可以考慮:

①剪切構(gòu)造巖相的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

例如,玲瓏型似片麻狀黑云母花崗巖。最明顯的巖石結(jié)構(gòu)特征是普遍發(fā)育韌性變形的C-S組構(gòu),變形礦物不是軸面對(duì)稱,而具有斜方對(duì)稱特征。依據(jù)構(gòu)造測(cè)量的要求,可以開展野外構(gòu)造填圖,推測(cè)應(yīng)力的大小和運(yùn)動(dòng)的方式。

②引張構(gòu)造巖相的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

例如,欒家河型中粗粒等粒二長(zhǎng)花崗巖。巖漿在開放性構(gòu)造環(huán)境侵入成巖。巖石結(jié)構(gòu)與圍巖組構(gòu)不協(xié)調(diào),內(nèi)部無(wú)明顯定向性,產(chǎn)于較穩(wěn)定的成巖環(huán)境,這是典型張裂帶區(qū)巖漿巖相。

③擠壓巖相的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

例如,郭家?guī)X型粗粒似斑狀花崗閃長(zhǎng)巖。受定向擠壓應(yīng)力作用結(jié)晶-堿交代成巖的典型構(gòu)造特征,還有暗色礦物和基質(zhì)礦物平行于主擠壓面定向的流動(dòng)狀分布,以長(zhǎng)石斑晶為代表的礦物組成典型的共軛排列,共軛鈍夾角約為135°。它們的鈍交角平分線指向擠壓應(yīng)力方向,且平行最大主應(yīng)力方向往往發(fā)育引張斷裂和空間,也說(shuō)明受到定向擠壓應(yīng)力。

(6)油氣田成藏構(gòu)造應(yīng)變-應(yīng)力場(chǎng)的定量化研究

油氣在一定的地質(zhì)環(huán)境中可以產(chǎn)生遠(yuǎn)距離運(yùn)移,該運(yùn)移過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制可以用浮力與重力之間的差值進(jìn)行解釋。該現(xiàn)象是油氣構(gòu)造中出現(xiàn)過(guò)剩壓力造成的。油氣在過(guò)剩壓力的作用下發(fā)生運(yùn)移的過(guò)程中,過(guò)剩壓力的梯度與滲透率之比決定了運(yùn)移方向。油氣在垂向過(guò)剩壓力梯度大的區(qū)域,運(yùn)移方向可能為垂向;而當(dāng)油氣在垂向過(guò)剩壓力梯度較小且儲(chǔ)層滲透率較好的區(qū)域,則會(huì)出現(xiàn)以水平運(yùn)移方式為主的遷移過(guò)程?？傊?油氣的運(yùn)移都是受到過(guò)剩壓力差的影響,從高壓值區(qū)域向低壓值的方向運(yùn)動(dòng)。以陜甘寧盆地慶華地區(qū)的B6井區(qū)長(zhǎng)3油層為例,盆地的油氣從四周的相對(duì)高壓值區(qū)向低壓值區(qū)運(yùn)移,最終在低壓值區(qū)域形成了局部的油氣富集區(qū)。上述案例中,地殼同一深處的壓力值并不相等。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,可能正是由于地殼中存在的構(gòu)造附加壓力(張力)。因此在研究油氣長(zhǎng)距離水平運(yùn)移的時(shí)候,構(gòu)造附加靜水壓力可能是油氣運(yùn)移富集的重要驅(qū)動(dòng)力來(lái)源。

近年來(lái)有關(guān)剪切變形使頁(yè)巖物理性質(zhì)(如溫度、壓力、氧化-還原條件、元素活度等物理化學(xué)條件)的改變,控制頁(yè)巖氣富集規(guī)律的研究成果,已經(jīng)形成了構(gòu)造改變巖石的物理特征-巖石的物理化學(xué)條件-油氣運(yùn)移富集的思路和技術(shù)路線。

(7)煤變質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)演化的構(gòu)造物理化學(xué)研究

煤對(duì)溫度、壓力等地質(zhì)環(huán)境因素的變化十分敏感,各類構(gòu)造-熱事件會(huì)使煤發(fā)生物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等變化,如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)能夠破壞煤的結(jié)構(gòu),形成各類構(gòu)造煤,從而影響到煤層氣的產(chǎn)生,增加瓦斯突出危險(xiǎn)性,是制約煤炭和煤層氣資源開采和生產(chǎn)安全的重要問(wèn)題。

曹代勇等人的研究顯示,構(gòu)造動(dòng)力變形不僅是一種物理作用,同時(shí)也起著化學(xué)作用,促進(jìn)了煤大分子結(jié)構(gòu)變化,揭示了構(gòu)造應(yīng)力,特別是剪切應(yīng)力所導(dǎo)致的煤結(jié)構(gòu)裂解、聚合、異構(gòu)、芳構(gòu)等化學(xué)效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,提出了應(yīng)力降解和應(yīng)力縮聚兩種機(jī)制,強(qiáng)調(diào)了構(gòu)造應(yīng)力在煤化作用中的“催化”意義。未來(lái),定量化測(cè)試由構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的溫度、壓力和其他物理化學(xué)條件變化引起的各類效應(yīng),將是煤變形-變質(zhì)化學(xué)作用的研究方向。

(8)地?zé)崽锓植寂c發(fā)育過(guò)程的構(gòu)造物理化學(xué)研究

以陸內(nèi)構(gòu)造體系研究成果為基礎(chǔ),把應(yīng)變應(yīng)力規(guī)律的研究方法,用于研究地?zé)岬臉?gòu)造物理化學(xué)分布規(guī)律。

新華夏構(gòu)造體系發(fā)育NWW 300°方向(長(zhǎng)江式構(gòu)造)橫張構(gòu)造,其控制了中國(guó)東部?jī)蓷l巨大地?zé)釡厝植紟?。?shí)際上,這一重要方向的斷裂帶,基本上是地幔隆起帶切地殼的深斷裂,是中新生代以來(lái)的構(gòu)造巖漿巖帶,是新構(gòu)造的活動(dòng)帶。新華夏構(gòu)造體系的分布和演化研究,將會(huì)對(duì)中新生代資源、環(huán)境和地震災(zāi)害的控制影響作用具有巨大的推動(dòng)力。

西藏地?zé)嵫芯堪l(fā)現(xiàn),地?zé)岱植紟躈NE30°方向構(gòu)造控制。根據(jù)西藏反S形弧形構(gòu)造體系分析,認(rèn)為該組控制地?zé)岬腘NE30°方向構(gòu)造是一組張性構(gòu)造,為西藏S形壓扭性構(gòu)造帶的橫張斷裂。

(9)地球物理的構(gòu)造巖相勘查

地球物理探測(cè)和深部鉆探結(jié)果表明,地殼物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)隨深度變化很大,地表地質(zhì)圖不能代替深部地質(zhì)體特征,地球物理異常圖不等同地質(zhì)圖。而礦床地質(zhì)的復(fù)雜性及成礦類型多樣性,嚴(yán)重制約了深部預(yù)測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確和數(shù)學(xué)模型的有效性。需要加強(qiáng)構(gòu)造變形巖相帶為基礎(chǔ)的綜合研究,包括地質(zhì)模型、巖石礦石的物性參數(shù)和數(shù)學(xué)模型等方面的綜合研究,才能推進(jìn)和提高地球物理勘查的有效性和精確性。

近些年來(lái),綜合發(fā)展“地物化三場(chǎng)異常耦合”理論和方法,提出了“構(gòu)造巖相帶為基礎(chǔ)的地球物理勘查分類”,將“構(gòu)造變形巖相帶”作為物探目標(biāo)體,實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)確立構(gòu)造蝕變巖相獨(dú)立的物性參數(shù),依此提高了地球物理勘探的成礦預(yù)測(cè)能力。

研究強(qiáng)調(diào),構(gòu)造變形變質(zhì)的巖石物性和地球物理勘查要依賴地質(zhì)工作:(a)確定目標(biāo)的地質(zhì)研究比例尺,再選擇適用的物探方法組合和精度。由于地質(zhì)體物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究的精細(xì)程度,已經(jīng)遠(yuǎn)高于地球物理勘查,地質(zhì)勘探的要求決定了地球物理方法和工作設(shè)計(jì);(b)研究構(gòu)造應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài),分析礦區(qū)擠壓帶導(dǎo)礦和引張帶富礦的規(guī)律,注重張性蝕變相巖石的物理參數(shù)和勘查信息研究,提高預(yù)測(cè)勘查效果;(c)地震勘探是識(shí)別不同地質(zhì)體界面的最好方法。從分析地震相特征入手,建立構(gòu)造巖相帶的判別標(biāo)志,乃是深部資源和地震災(zāi)害勘探的有效途徑。

(10)構(gòu)造蝕變巖相的地球化學(xué)勘查

馬生明等在海量的化探資料基礎(chǔ)上,結(jié)合構(gòu)造變形巖相地質(zhì)填圖開展焦家金礦區(qū)勘查地球化學(xué)研究。這一工作將推進(jìn)地質(zhì)認(rèn)識(shí)達(dá)到勘查地球化學(xué)的量化階段,是區(qū)域地質(zhì)找礦新的探索。

焦家式金礦屬于復(fù)成構(gòu)造蝕變巖型金礦,礦床的形成受初始礦源巖、直接礦源巖的聯(lián)合控制。礦源巖系研究顯示,變質(zhì)巖與交代重融成礦花崗巖,在元素成分上有明顯的區(qū)別。而構(gòu)造蝕變巖是花崗巖經(jīng)歷構(gòu)造蝕變后形成的,巖石的化學(xué)成分與原巖相比發(fā)生較大變化,這就為地球化學(xué)勘查提供了應(yīng)用前提和條件。

(11)陸內(nèi)巖漿核雜巖隆起-拆離構(gòu)造的特征

膠東地區(qū)發(fā)育卵狀或穹窿狀成礦花崗雜巖體,稱為“巖漿核雜巖隆起構(gòu)造”。膠東巖漿核雜巖穹窿構(gòu)造組合非常典型,金礦受控于“巖漿核雜巖隆起-拆離構(gòu)造作用”?！皫r漿核雜巖隆起”構(gòu)造在中國(guó)復(fù)合大陸中可能較普遍發(fā)育,在中新生代并不發(fā)育變質(zhì)核雜巖構(gòu)造。膠東“巖漿核雜巖隆起-拆離帶蝕變巖金礦床”,在全球已知金礦床類型中是獨(dú)特的。

(12)構(gòu)造體系的“米字型”結(jié)構(gòu)面特征

新華夏系“米字型”構(gòu)造,由NNE 25°方向擠壓斷裂和褶皺帶、NNW 345°方向(大義山式)張扭斷裂、NEE 75°方向(泰山式)壓扭構(gòu)造和NWW 300°方向(長(zhǎng)江式)的橫張構(gòu)造組成。其演化經(jīng)歷了共軛剪切構(gòu)造、擠壓構(gòu)造和張性剪切構(gòu)造三個(gè)階段?！懊鬃中汀睒?gòu)造樣式的識(shí)別,為研究構(gòu)造體系的應(yīng)力-應(yīng)變成因,探討構(gòu)造體系的形成演化提供了新的研究思路。

① 共軛構(gòu)造階段:發(fā)育NNW 340°方向(大義山式)張扭斷裂和NEE 75°方向(泰山式)壓扭構(gòu)造,控制基性-中性脈巖及相關(guān)金屬礦產(chǎn)形成。

② 擠壓構(gòu)造階段:發(fā)育NNE 25°方向的褶皺-斷裂帶和隆起-沉降帶,組成構(gòu)造體系的主體,對(duì)于油氣、煤炭和鈾鋁等沉積型礦床具有重要的控制作用。

③ 橫張構(gòu)造階段:發(fā)育NWW 300°方向(長(zhǎng)江式)的張裂構(gòu)造。它們強(qiáng)烈改造了地區(qū)構(gòu)造格局,發(fā)育有大規(guī)模的張扭性斷裂構(gòu)造帶,控制形成了重要的與巖漿巖有關(guān)的多種金屬礦床、礦帶,并且進(jìn)一步造成大型地塊的移位變動(dòng),對(duì)于研究區(qū)域地殼穩(wěn)定、分析地震活動(dòng)、探尋地?zé)豳Y源等方面都有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

“構(gòu)造作用力如何影響化學(xué)平衡”依然是個(gè)難題,地質(zhì)學(xué)家們從不同角度對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究。從20世紀(jì)80年代起,呂古賢等開展地質(zhì)力學(xué)礦田構(gòu)造研究,注重以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)力學(xué)研究為起點(diǎn),提出了“構(gòu)造附加靜水壓力”的新概念,逐步興起、發(fā)展成為構(gòu)造物理化學(xué)的新學(xué)科研究領(lǐng)域。近幾年,在煤田地質(zhì)、油氣田構(gòu)造、水巖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、物探和化探勘查、成巖成礦熱力學(xué)、地?zé)岷蛶r漿巖構(gòu)造等方面,應(yīng)用、推廣和發(fā)展了構(gòu)造物理化學(xué)理論方法,并產(chǎn)生了重要的學(xué)術(shù)影響。

構(gòu)造物理化學(xué)是李四光地質(zhì)力學(xué)理論的新發(fā)展,是楊開慶構(gòu)造動(dòng)力成巖成礦理論的繼承和發(fā)展。近四十多年來(lái),構(gòu)造物理化學(xué)的研究和實(shí)踐得到郭文魁、宋叔和、孫殿卿、陳慶宣、陳國(guó)達(dá)、涂光熾、曹國(guó)權(quán)、劉寶珺、張炳熹、董申保、沈其韓、張本仁、馬宗晉、歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、翟裕生、李廷棟、葉大年、常印佛、任紀(jì)舜、裴榮富、何繼善、古德生、岳光溪、歐陽(yáng)曉平、邱愛慈、李焯芬、張鐵崗、郭仁忠、多吉、王雙明和毛景文等院士的鼎力支持與熱情幫助。近20年期間,劉瑞珣、王方正、胡寶群、郭濤、張寶林、王宗秀、王紅才、周永勝、曹代勇、許德如、劉建朝、楊興科、方維萱、韓潤(rùn)生、王翠芝、劉建民、焦建剛、申玉科、韋昌山、馬立成、劉向沖、劉貴和馬越等,協(xié)同開展了大量的研究工作,還有30多名博士研究生和碩士研究生參加了野外地質(zhì)、室內(nèi)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究,在此表示衷心的謝意。