黔西南地區(qū)中?新生代構(gòu)造變形特征及應(yīng)力場(chǎng)模擬分析

陳友智, 楊貴來(lái), 唐 永

黔西南地區(qū)中?新生代構(gòu)造變形特征及應(yīng)力場(chǎng)模擬分析

陳友智1, 楊貴來(lái)2, 唐 永3*

(1.貴州理工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550003; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610000; 3.長(zhǎng)江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430100)

黔西南地區(qū)位于揚(yáng)子克拉通西南緣, 是世界著名的卡林型金礦集中區(qū), 中?新生代受特提斯域構(gòu)造域和濱太平洋域構(gòu)造域疊加復(fù)合影響, 區(qū)域構(gòu)造變形過(guò)程不清, 控礦機(jī)理不明。針對(duì)這些問(wèn)題, 本文對(duì)區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂縫的幾何形態(tài)、主要構(gòu)造期次及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析, 并運(yùn)用Abaqus有限元軟件模擬了各構(gòu)造期應(yīng)力與應(yīng)變分布。研究獲得下列認(rèn)識(shí): (1) 晚三疊世?早白堊世: 受古特提斯構(gòu)造域與早燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E-SW, 應(yīng)力強(qiáng)度西強(qiáng)東弱, 形成NW向構(gòu)造, 先存的NE向斷層多表現(xiàn)為走滑性質(zhì), 為成礦構(gòu)造的主要形成時(shí)期; (2)古新世: 受晚燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW-SSE, 形成新的NE向構(gòu)造, 構(gòu)造變形強(qiáng)度較大, 對(duì)早期形成的金礦床有較強(qiáng)的改造作用; (3) 始新世: 受太平洋板塊向亞洲大陸俯沖的影響, 最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻鼥|西向, 應(yīng)力強(qiáng)度東強(qiáng)西弱, 該期構(gòu)造對(duì)金礦床改造較弱; (4) 基于上述研究預(yù)測(cè), 隱伏金礦床存在于青山變形區(qū)中部、興仁?貞豐變形區(qū)北部及南部東側(cè)。聯(lián)合野外地質(zhì)調(diào)查及Abaqus有限元模擬, 開(kāi)展復(fù)雜構(gòu)造區(qū)構(gòu)造演化與金屬礦床形成關(guān)系研究, 為卡林型金礦勘探提供依據(jù), 并為隱伏礦床預(yù)測(cè)提供新方法。

黔西南; 中?新生代; 構(gòu)造變形; 有限元; 金礦床

0 引 言

黔西南位于揚(yáng)子克拉通與華南褶皺帶過(guò)渡區(qū), 被揚(yáng)子克拉通、越北地塊和華夏地塊所夾持, 是受深斷裂控制形成的三角區(qū)(胡瑞忠等, 1995; 陳本金, 2010)。區(qū)內(nèi)盛產(chǎn)卡林型金礦, 其構(gòu)造變形受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注(毛建全等, 1990; 何豐勝等, 1997; 胡斌等, 2004; 郝家栩, 2007; 胡煜昭, 2011; 胡煜昭等, 2012; 吳松洋等, 2016; 曾國(guó)平, 2018)。由于本區(qū)屬于特提斯構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域疊加復(fù)合區(qū)(王硯耕等, 1994; 曾允孚, 1995; 張國(guó)偉等, 2013; 李三忠等, 2013; 徐容等, 2018), 中?新生代以來(lái)經(jīng)歷多期構(gòu)造變動(dòng), 致使構(gòu)造變形極為復(fù)雜, 不同構(gòu)造變形期的動(dòng)力學(xué)背景難以判定, 構(gòu)造控礦機(jī)理難以厘清。

構(gòu)造動(dòng)力的多源性, 導(dǎo)致研究者對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一: 晚三疊世(T3)、晚侏羅世?早白堊(J3-K1)受NE-SW向擠壓(Chen et al., 2011; 李學(xué)剛, 2012); 早侏羅世(J1)、晚白堊世末期?古近紀(jì)早期(K2-E1)與印支期末?燕山早期(T3-K1)受NW-SE向擠壓(Chen et al., 2011; 李學(xué)剛, 2012; 曾國(guó)平, 2018); 晚白堊世?古新世末(K2-E1)受SN向擠壓(萬(wàn)天豐, 2004; 曾國(guó)平, 2018), 伸展構(gòu)造發(fā)育于晚白堊世(K2)、晚三疊世(T3)與晚侏羅世?早白堊世(J3-K1)(貴州省地質(zhì)調(diào)查院, 2017; 靳曉野, 2017; 徐容等, 2018)。

研究缺少對(duì)全區(qū)范圍的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析, 而中、小型尺度構(gòu)造的應(yīng)力場(chǎng)研究是解決區(qū)域構(gòu)造問(wèn)題的有效方法(Fossen, 2016)。本文試圖通過(guò)系統(tǒng)研究全區(qū)野外露頭的構(gòu)造裂縫發(fā)育特征及分布規(guī)律, 建立區(qū)域動(dòng)力環(huán)境與礦區(qū)構(gòu)造的聯(lián)系, 區(qū)分黔西南地區(qū)中?新生代主要構(gòu)造期次, 明確不同期次應(yīng)力作用的強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力機(jī)制; 并開(kāi)展構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬, 預(yù)測(cè)全區(qū)構(gòu)造變形強(qiáng)度分布, 為更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)研究區(qū)構(gòu)造控礦機(jī)理提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

黔西南地區(qū)在泥盆紀(jì)時(shí)位于古特提斯洋東緣(鄭榮才和張錦泉, 1989), 區(qū)內(nèi)發(fā)育近岸臺(tái)地?濱岸相、斜坡?盆地相黑色黏土及碳酸鹽巖。石炭紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)減弱, 沉積淺海臺(tái)地、臺(tái)緣?斜坡相碳酸鹽巖及少量碎屑巖。早?中二疊世發(fā)育淺海臺(tái)地相碳酸鹽巖與濱岸沼澤相碎屑巖(貴州省地質(zhì)調(diào)查院, 2017)。晚二疊世受西部康滇古陸和東南云開(kāi)古陸物源供給的影響, 發(fā)育海陸交互相含煤地層(馮增昭, 1994)。早三疊世處于被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境, 沉積臺(tái)地相碳酸鹽巖與斜坡?盆地巖相碎屑巖(梅冥相等, 2002)。中?晚三疊世研究區(qū)為前陸環(huán)境(劉本培, 1986; 秦建華等, 1996; 杜遠(yuǎn)生等, 2009), 中三疊世研究區(qū)撓曲沉降, 沉積淺海?潟湖相碳酸鹽巖夾泥巖, 向東過(guò)渡為斜坡相碎屑巖夾碳酸鹽巖。晚三疊世進(jìn)入磨拉石超補(bǔ)償階段, 晚三疊世晚期上升成陸, 為湖泊與河流相沉積(梅冥相等, 2003)。

研究區(qū)中新生代構(gòu)造變形強(qiáng)烈, 發(fā)育北東向、北西向、北西西向和近南北向構(gòu)造, 不同分區(qū)構(gòu)造形跡各異。本次研究沿用胡煜昭(2011)構(gòu)造變形區(qū)劃分方案, 將黔西南劃分為四個(gè)變形區(qū): 盤(pán)縣(Ⅰ)、青山(Ⅱ)、興仁?貞豐(Ⅲ)和紫云?六盤(pán)水(Ⅳ)變形區(qū)(圖1)。

I. 盤(pán)縣變形區(qū); II. 青山變形區(qū); III. 興仁?貞豐變形區(qū); IV. 紫云?六盤(pán)水變形區(qū)。斷裂名稱: ①. 師宗?彌勒斷層; ②. 紫云?羅甸斷層; ③. 坡坪斷層; ④. 豬場(chǎng)?上寨斷層; ⑤. 盤(pán)縣斷層; ⑥. 珠東斷層; ⑦. 花魚(yú)井?dāng)鄬? ⑧. 青山鎮(zhèn)斷層; ⑨. 馬場(chǎng)斷層; ⑩. 海馬谷斷層; . 上河壩斷層; . 木科斷層; . 安龍斷層; . 大丫口斷層; . 興仁斷層; . 核桃樹(shù)斷層; . 大山?者相斷層; . 董崗斷層; . 泡通灣斷層; . 永寧鎮(zhèn)斷層; . 楊家大坡斷層; . 戛戛寨斷層; . 上本咱斷層; . 龍朝樹(shù)斷層; . 塊擇河斷層; . 普安?盤(pán)關(guān)斷層。紅色粗實(shí)線代表分區(qū)邊界斷層或區(qū)域性大斷裂。

盤(pán)縣變形區(qū)西部以師宗?彌勒斷裂帶與滇東臺(tái)褶帶相鄰, 東部以珠東斷層為界與青山變形區(qū)相隔, 區(qū)內(nèi)發(fā)育北北東向、北東向以及北西西?東西向構(gòu)造, 南部出現(xiàn)多期構(gòu)造復(fù)合形成的三角區(qū)。青山變形區(qū)與興仁?貞豐變形區(qū)以馬場(chǎng)斷層為界, 南界和北界分別為豬場(chǎng)?上寨斷層和楊家大坡斷層, 主要發(fā)育北東向斷層。上述兩區(qū)發(fā)育先存構(gòu)造: 盤(pán)縣斷層、青山鎮(zhèn)斷層、花魚(yú)井?dāng)鄬雍婉R場(chǎng)斷層, 形成時(shí)間早于二疊紀(jì)。興仁?貞豐變形區(qū)東部邊界大致與揚(yáng)子克拉通和華南褶皺帶邊界一致, 南、北邊界與青山變形區(qū)相同, 區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育北東向、北西西向以及近南北向構(gòu)造。紫云?六盤(pán)水變形區(qū), 其南界和北界分別為楊家大坡斷層和紫云?羅甸斷裂, 東部構(gòu)造走向北西, 局部北東向斷層切割北西向斷層, 西部主要發(fā)育北北東向構(gòu)造, 切割早期北東東?南西西向構(gòu)造(王硯耕等, 1994; 胡煜昭, 2011)。

2 裂縫特征與應(yīng)力地質(zhì)分析

本次研究設(shè)計(jì)了七條觀測(cè)路線: 興義七舍?關(guān)嶺(Qg)、關(guān)嶺?晴隆花貢(Gl)、晴隆?盤(pán)縣(Qp)、安龍?冊(cè)亨(Ac)、冊(cè)亨?望謨(Cw)、盤(pán)縣?興義(Px)、普安地瓜?興仁(Dg)和興仁?安龍(Xa)(圖1)。野外調(diào)查路線共計(jì)約600 km, 觀測(cè)點(diǎn)251個(gè)。

2.1 不同變形區(qū)裂縫特征與優(yōu)勢(shì)方位

本次研究利用共軛剪裂縫的幾何形態(tài)來(lái)分析最大主應(yīng)力方向。由于研究區(qū)中?新生代應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生多次更迭, 首先要將裂縫進(jìn)行分期與配套。本次研究裂縫組的分期原則為: ①早期裂縫組限制晚期裂縫組, 晚期裂縫組切割早期裂縫組; ②裂縫組相互交切, 且發(fā)育規(guī)模相似, 為共軛關(guān)系; ③利用各期裂縫脈體充填情況來(lái)判斷裂縫形成時(shí)序。

筆者在研究區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地觀測(cè), 共獲得了574組裂縫的幾何學(xué)參數(shù)(圖2)。在測(cè)量地層和裂縫產(chǎn)狀之后, 將巖層旋轉(zhuǎn)至水平, 獲得旋轉(zhuǎn)后的裂縫產(chǎn)狀, 最后利用Tectonics FP1.7.8軟件計(jì)算最大主應(yīng)力方向。

盤(pán)縣變形區(qū)裂縫走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W300°～ 320°、NNW340°～360°、EW260°～280°、NE0°～40°(圖3a)。青山變形區(qū)裂縫走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镋W260°～ 280°、NE40°～60°、NW300°～320°、NE20°～40°(圖3b)。紫云?六盤(pán)水變形區(qū)裂縫走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W320°～ 340°、NW300°～320°、NW340°～360°, 其他方向分布比較平均(圖3c)。興仁?貞豐變形區(qū)裂縫走向優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W300°～340°、NW340°～360°、NNE20°～40° (圖3d)。

(a) 盤(pán)縣變形區(qū)觀測(cè)點(diǎn)Qp32(盤(pán)縣紅果)關(guān)嶺組灰?guī)r裂縫1、2和3產(chǎn)狀分別為10°∠70°、210°∠85°和350°∠66°; (b) 青山變形區(qū)觀測(cè)點(diǎn)Dg1(普安地瓜)飛仙關(guān)組砂巖裂縫1和2產(chǎn)狀分別為269°∠85°和181°∠89°; (c) 興仁?貞豐變形區(qū)觀測(cè)點(diǎn)Qg31(興仁縣順發(fā)煤礦)飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖裂縫1和2產(chǎn)狀分別為185°∠31°和85°∠70°; (d) 紫云?六盤(pán)水變形區(qū)觀測(cè)點(diǎn)Qg42(回龍鎮(zhèn))永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r裂縫1和2產(chǎn)狀分別為290°∠74°和49°∠83°。

2.2 應(yīng)力地質(zhì)特征

盤(pán)縣變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為NNW340°～ 360°、NE40°～60°(圖4a)。青山變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為EW260°～280°、NNW320°～340°和NNE20°～ 40°(圖4b)。紫云?六盤(pán)水變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為NW300°～320°、NWW280°～300°、NNW340°～ 360°和NE40°～60°(圖4c)。興仁?貞豐變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為NNW320°～340°和NWW280°～ 300°、NNW340°～360°和NNE0°～20°(圖4d)。

總體上, 黔西南地區(qū)中?新生代四個(gè)構(gòu)造變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向不盡相同, 但仍有共同點(diǎn)(表1)。NE-SW和NNE-SSW向應(yīng)力(表1中帶C方向值)主要作用于盤(pán)縣、青山和紫云?六盤(pán)水變形區(qū), 興仁?貞豐變形區(qū)較弱。NNW-SSE和NW-SE向應(yīng)力(表1中帶B方向值)在研究區(qū)作用普遍較強(qiáng), 在不同的區(qū)域應(yīng)力稍有偏轉(zhuǎn)。NWW-SEE向和近東西向應(yīng)力(表1中帶A方向值)主要作用于青山、紫云?六盤(pán)水和興仁?貞豐變形區(qū), 盤(pán)縣變形區(qū)該方向應(yīng)力作用較弱, 暗示構(gòu)造作用自東向西擴(kuò)展。紫云?六盤(pán)水變形區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向是300°～320°, 由于該區(qū)東部以北西向構(gòu)造占優(yōu), 而西部以北北東向構(gòu)造為主, Gl線路更靠近西部, 主要統(tǒng)計(jì)了北西?南東向應(yīng)力。

(a) 盤(pán)縣變形區(qū); (b) 青山變形區(qū); (c) 紫云?六盤(pán)水變形區(qū); (d) 興仁?貞豐變形區(qū)。n為裂縫組數(shù)量。

(a) 盤(pán)縣變形區(qū); (b) 青山變形區(qū); (c) 紫云?六盤(pán)水變形區(qū); (d) 興仁?貞豐變形區(qū)。n為共軛剪裂縫計(jì)算出的最大主應(yīng)力數(shù)量。

表1 黔西南地區(qū)最大主應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)表

本次研究利用濟(jì)南礦巖試驗(yàn)儀器有限公司HSW- 1000B巖石三軸儀測(cè)得11個(gè)樣品的抗壓強(qiáng)度和初始抗剪強(qiáng)度, 后續(xù)計(jì)算中相同巖性采用相同測(cè)試數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)學(xué)公式3–1=(c–2)/cos, 其中3為最小主應(yīng)力,1為最大主應(yīng)力,c為巖石抗壓強(qiáng)度,為巖石初始抗剪強(qiáng)度,為共軛角, 求解可以獲得最大差應(yīng)力值(陳慶宣等, 1996)。該方法應(yīng)用于黔西南地區(qū), 結(jié)果見(jiàn)表2。NE-SW向(包含NNE-SSW向)優(yōu)勢(shì)應(yīng)力最大差應(yīng)力介于30.5～140.0 MPa, 平均值84.3 MPa; NNW- SSE向優(yōu)勢(shì)應(yīng)力最大差應(yīng)力介于71.0～126.8 MPa, 平均值94.4 MPa; 近東西向(包含NWW-SEE向)優(yōu)勢(shì)應(yīng)力最大差應(yīng)力介于48.3～77.1 MPa, 平均值73.6 MPa?？梢钥闯鲎畲蟛顟?yīng)力由大到小依次是NNW-SSE向、NE-SW向和近EW向, 與前述NNW向應(yīng)力在全區(qū)作用最強(qiáng), 近EW向應(yīng)力表現(xiàn)較弱的情況相吻合。

3 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析

為了預(yù)測(cè)應(yīng)力與應(yīng)變, 學(xué)者們常利用褶皺和斷層相關(guān)褶皺的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行相關(guān)的研究(Suppe, 1983; Jamison, 1987; Suppe and Medwedeff, 1990)。這些模型能夠預(yù)測(cè)地質(zhì)體幾何形態(tài), 但是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變形部位的巖石力學(xué)行為。巖石力學(xué)屬性和構(gòu)造位置控制斷裂帶的應(yīng)變過(guò)程(Ferrill and Dunne, 1989; Hickman et al., 2009), 巖石力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)則與中、小尺度變形的發(fā)育相關(guān)(Smart et al., 2012), 僅利用幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 無(wú)法準(zhǔn)確獲取變形構(gòu)造類型和演化過(guò)程。所以, 本次研究考慮地層巖石力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力?應(yīng)變演化史, 采用Abaqus有限元數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)研究本區(qū)構(gòu)造演化。

3.1 幾何模型

考慮到金礦所賦存區(qū)域, 本次模擬對(duì)象不包含紫云?六盤(pán)水變形區(qū), 設(shè)計(jì)為北西向矩形, 長(zhǎng)邊164 km,短邊90 km, 面積14760 km2。該區(qū)元古界?泥盆系多未揭露, 巖性與厚度不清, 模擬僅針對(duì)石炭系及其上覆地層。三個(gè)變形區(qū)內(nèi)有兩套重要的滑脫層: 石炭系與泥盆系界線附近地層以及龍?zhí)督M煤系地層(胡煜昭, 2011)。為了提高計(jì)算速度和模擬結(jié)果的精度,筆者按照巖性特征將整個(gè)目的層段進(jìn)行簡(jiǎn)化合并, 將研究區(qū)劃分為4個(gè)力學(xué)層, 從下至上: ①B1層: 下石炭統(tǒng)巖關(guān)組底面?上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底面, 主要為灰?guī)r和白云巖, 厚度約3150 m。②B2層: 上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底面?下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組底面, 主要為黏土巖夾灰?guī)r、粉砂巖及煤層, 厚度約500 m。③B3層: 下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組底面?上三疊統(tǒng)賴石科組底面, 研究區(qū)中、下三疊統(tǒng)存在相變, 飛仙關(guān)組至竹桿坡組, 下部為細(xì)砂巖和粉砂巖夾泥巖, 中、上部為白云巖和灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖; 夜郎組至邊陽(yáng)組, 下部為泥質(zhì)粉砂巖和泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r, 中部為白云巖夾泥巖和泥質(zhì)白云巖, 上部為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖夾鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r, 厚度約900 m。④B4層: 上三疊統(tǒng)賴石科組底面?龍頭山組頂面, 主要為泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖和泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖、巖屑石英砂巖、含礫砂巖和煤層, 厚度約1800 m。侏羅系?新生界因分布局限, 沒(méi)有進(jìn)入力學(xué)分層序列(圖5)。

表2 共軛角計(jì)算各優(yōu)勢(shì)方向最大差應(yīng)力值

3.2 物理模型

3.2.1 材料屬性

本次研究材料屬性參數(shù)賦值所遵循的原則: 每層以含量大于70%的巖石類型的物理力學(xué)性質(zhì)為主, 為主要的計(jì)算參數(shù), 其他巖石類型力學(xué)性質(zhì)作為參考; 若一個(gè)力學(xué)層中多種巖石類型的含量相差不大, 模型的計(jì)算參數(shù)則為這幾種巖石力學(xué)數(shù)據(jù)的平均值。

本次研究的材料力學(xué)參數(shù)確定主體根據(jù)露頭區(qū)三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 考慮各個(gè)力學(xué)層的厚度, 以及不同構(gòu)造形態(tài)和構(gòu)造部位, 運(yùn)用加權(quán)平均的方式和類比法, 綜合分析而獲得的。將研究區(qū)斷裂兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)的巖石力學(xué)參數(shù)按照一定比例(60%左右)降低, 具體的數(shù)據(jù)可以根據(jù)研究區(qū)實(shí)際的巖性組合以及斷層規(guī)模予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整(表3)。

C1y. 巖關(guān)組; C1d. 大塘組; C1b. 擺佐組; C2h. 黃龍組; C3m. 馬平組; P1p. 平川組; P2q. 棲霞組; P2m.茅口組; P3l. 龍?zhí)督M; P3c.長(zhǎng)興組; T1f.飛仙關(guān)組; T1yn. 永寧鎮(zhèn)組; T1y. 夜郎組; T1a. 安順組; T2g. 關(guān)嶺組; T2y. 楊柳井組; T2z. 竹桿坡組; T2x.新苑組; T2b. 邊陽(yáng)組; T3ls. 賴石科組; T3b.把南組; T3h. 火把沖組; T3l. 龍頭山組。

表3 黔西南地區(qū)力學(xué)物理模型材料參數(shù)值

3.2.2 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

黔西南地區(qū)受到不同期次與不同強(qiáng)度構(gòu)造活動(dòng)的影響, 使得構(gòu)造形態(tài)較為復(fù)雜。采用人工控制與自動(dòng)相結(jié)合的方法較為適宜。研究區(qū)依據(jù)CPS8R單元, 兼顧計(jì)算機(jī)容量和復(fù)雜程度, 從地質(zhì)模型中抽象出力學(xué)模型, 劃分網(wǎng)格30000個(gè), 節(jié)點(diǎn)42610個(gè)(圖6)。

3.2.3 邊界條件

黔西南地區(qū)中?新生代不同時(shí)期分別受NE-SW向、NNW-SSE向和近EW向擠壓應(yīng)力, 依據(jù)表1應(yīng)力方向的統(tǒng)計(jì), 選擇占比高的應(yīng)力方向NE-SW向45°～225°、NNW-SSE向140°～320°和近EW向100°～280°施加應(yīng)力。依據(jù)差應(yīng)力大小的計(jì)算, 上述三個(gè)方向分別施加84.3 MPa、94.4 MPa和73.6 MPa應(yīng)力。應(yīng)力方位邊界和數(shù)值模擬邊界條件見(jiàn)表4和圖7。

圖6 黔西南地區(qū)中部晚三疊世?早白堊世有限元分析網(wǎng)格化模型

表4 黔西南地區(qū)中部構(gòu)造模型邊界條件

(a) NE-SW向施力; (b) NNW-SSE向施力; (c) 近E-W向施力。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 晚三疊世?早白堊世

3.3.1.1 最大主應(yīng)力

3.3.1.2 最大主應(yīng)變與最大剪應(yīng)力

3.3.2 古新世

3.3.2.1 最大主應(yīng)力

3.3.2.2 最大主應(yīng)變與最大剪應(yīng)力

圖8 黔西南地區(qū)中部晚三疊世?早白堊世最大主應(yīng)力分布圖(“”代表金礦床)

圖9 黔西南地區(qū)中部晚三疊世?早白堊世最大主應(yīng)變和最大剪應(yīng)力分布圖

圖10 黔西南地區(qū)中部古新世最大主應(yīng)力分布圖

圖11 黔西南地區(qū)中部古新世最大主應(yīng)變和最大剪應(yīng)力分布圖

3.3.3 始新世

3.3.3.1 最大主應(yīng)力

3.3.3.2 最大主應(yīng)變與最大剪應(yīng)力

圖12 黔西南地區(qū)中部始新世最大主應(yīng)力分布圖

圖13 黔西南地區(qū)中部始新世最大主應(yīng)變和最大剪應(yīng)力分布圖

4 討 論

區(qū)內(nèi)金礦田深部均存在提供成礦流體的巖體(曾國(guó)平, 2018), 且重力資料顯示其分布廣泛(胡煜昭, 2011), 構(gòu)造作用為成礦的主控因素。研究人員發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)變控制褶皺的形成, 最大剪應(yīng)力則與斷裂的發(fā)育相關(guān)(唐永等, 2012)。此次有限元模擬顯示晚三疊世?早白堊世最大主應(yīng)變高值區(qū)主要發(fā)育于青山變形區(qū)中部和西南部以及興仁?貞豐變形區(qū)北部, 最大剪應(yīng)力高值主要出現(xiàn)在興仁?貞豐變形區(qū)南部西側(cè)。青山變形區(qū)南部泥堡、樓下金礦位于先存的北東向馬場(chǎng)斷層附近, 該時(shí)期最大剪應(yīng)力中等, 斷裂破碎帶為容礦構(gòu)造。變形區(qū)西部架底金礦床靠近先存的區(qū)域性大斷裂盤(pán)縣斷層, 與NE-SW向構(gòu)造應(yīng)力低角度相交, 可能表現(xiàn)為走滑性質(zhì), 產(chǎn)生NW-SE向擠壓分量, 模擬顯示最大主應(yīng)變較高, 褶皺層間滑動(dòng)帶富集礦體(曾國(guó)平, 2018)。先存構(gòu)造對(duì)礦床的發(fā)育有明顯的控制作用。

興仁?貞豐變形區(qū)南部西側(cè)大丫口金礦最大剪應(yīng)力較大, 含礦層受近東西向斷層控制。該區(qū)南部東側(cè)戈塘金礦最大主應(yīng)變中等, 金礦床受穹狀背斜影響。變形區(qū)北部紫木函和水銀洞金礦最大主應(yīng)變高, 富礦層位發(fā)育于背斜軸部和近軸部的層間滑動(dòng)帶。

5 結(jié) 論

中?新生代黔西南受特提斯構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域疊加復(fù)合影響, 各變形區(qū)受力狀態(tài)、變形特征以及構(gòu)造控礦型式不同: ①晚三疊世至早白堊世研究區(qū)受古特提斯域和早燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 產(chǎn)生NE-SW向應(yīng)力, 應(yīng)力強(qiáng)度表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱, 青山變形區(qū)容礦構(gòu)造受先存的NE向構(gòu)造控制, 而興仁?貞豐變形區(qū)容礦構(gòu)造則受NW和NWW向構(gòu)造影響。②古新世研究區(qū)受晚燕山運(yùn)動(dòng)的影響, 全區(qū)范圍受NNW-SSE向應(yīng)力作用, 產(chǎn)生新的NE向構(gòu)造, 該期構(gòu)造對(duì)礦床改造較強(qiáng)。③始新世研究區(qū)受太平洋板塊向西俯沖的影響, 產(chǎn)生近東西向應(yīng)力, 變形強(qiáng)度表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱, 該期構(gòu)造對(duì)礦床改造較弱。④青山變形區(qū)中部、興仁?貞豐變形區(qū)北部及南部東側(cè)存在隱伏金礦床。

致謝:感謝昆明理工大學(xué)董有浦副教授和另外一位匿名審稿人對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn)。感謝西北大學(xué)劉池陽(yáng)教授、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)沈傳波教授與葛翔副教授在寫(xiě)作過(guò)程中的指導(dǎo)。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給恩師梅廉夫教授60歲華誕。

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Characteristics of Meso-Cenozoic Tectonic Deformation and Simulation of Stress Field in Southwest Guizhou Province

CHEN Youzhi1, YANG Guilai2and TANG Yong3*

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, Guizhou, China; 2.Chengdu Geological Survey Center of China Geological Survey, Chengdu 610000, Sichuan, China; 3.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China)

Southwest Guizhou, located in the southwest of the Yangtze craton, is a famous Carlin-type gold province. Being controlled by both Tethys and Pacific tectonic domains, this district featured complex tectonic characteristics, and the relationship between the tectonic evolution and gold mineralization is actively disputed. To delineate the relationship between the tectonics and gold deposits, the geometry of structural fractures, and stresses of the main tectonic periods are analyzed. In addition, the stress and strain characteristics in each tectonic period are simulated by the Abaqus finite element software. We gained the following results: (1) Under the control of the Paleotethys domain and early Yanshan movement, the principal stress was NE-SW direction during Late Triassic-Early Cretaceous with a eastward decline in strength, which resulted in a series of NW structures, whereas the pre-existing NE faults exhibit strike slipping features. The structures formed in this stage are the main ore-bearing structures; (2) Due to the late Yanshan movement, the principal stress direction changed to NNW-SSE during Paleocene, and the newly formed NE structures deformed the previously formed gold deposits; (3) The subduction of the Pacific plate beneath the Asian continent in Eocene triggered the principal stress of W-E direction, its strength declines from east to west. The relatively weak deformation has little effect on these gold deposits; (4) Based on these understanding, areas like the middle of the Qingshan area and both north and southeast of the Xingren-Zhenfeng areas were suggested for future gold prospecting. In summary, the combined field geological survey and Abaqus finite element simulation demonstrate that the gold mineralization is closed related to the tectonic evolution, and can be used as a new method for the gold prospecting especially for the Carlin-type gold deposit.

Southwest Guizhou; Meso-Cenozoic; structural deformation; finite element; gold deposit

2020-03-20;

2020-06-07

貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合基礎(chǔ)[2018]1065)、黔西南州科技計(jì)劃課題(2018QXN79225)、貴州省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(ZDXK[2018]001)和湖北省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目(T201905)聯(lián)合資助。

陳友智(1982–), 男, 博士, 講師, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。Email: cugchenyz@126.com

唐永(1981–), 男, 博士, 講師, 主要從事構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究。Email: water_0820@163.com

P542

A

1001-1552(2021)04-0667-014

10.16539/j.ddgzyckx.2021.04.003