甘肅金川礦區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場恢復(fù)及演化研究

趙遠方， 施 煒， 張 宇

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；

2.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點實驗室，北京 100081；

3.自然資源部活動構(gòu)造與地質(zhì)安全重點實驗室，北京 100081；

4.自然資源部深地科學(xué)與探測技術(shù)實驗室，北京 100037

0 引言

金川礦區(qū)地處中國甘肅省金昌市，是世界上最大的銅鎳硫化物礦床之一，在長期的研究過程中積累了豐富的地質(zhì)資料（湯中立，1990；湯中立和李文淵，1995；李文淵等，2004；Li et al.，2004；高亞林等，2009）。研究顯示，金川銅鎳硫化物礦床的成礦過程與基性—超基性巖巖漿作用密切相關(guān)，而斷裂構(gòu)造是關(guān)鍵的控礦因素，不僅控制了含礦巖體的侵位過程、為成礦提供空間，還在后期改造了含礦地質(zhì)體的展布方向和深部結(jié)構(gòu)，最終控制了礦體的分布格局（湯中立和白云來，1999，2000；湯中立等，2006；曾認宇等，2013；宋謝炎等，2023）。

學(xué)者們通過對金川礦區(qū)開展年代學(xué)、構(gòu)造變形和成礦機理等方面的研究，解析了構(gòu)造和成礦作用之間的聯(lián)系，認為礦區(qū)的構(gòu)造演化經(jīng)歷了多階段不同方向的擠壓和伸展過程（湯中立和李文淵，1995；湯中立和白云來，2000；米文滿等，2011，2018）。隨著構(gòu)造解析工作的不斷深入，提出了更全面的構(gòu)造演化階段。例如，廖文建（2016）根據(jù)成礦作用時代將礦區(qū)主應(yīng)力方位劃分為成礦前、成礦期和成礦后等3期6個階段，并通過計算獲得各期次的準確應(yīng)力值；和秋姣等（2019）通過統(tǒng)計和總結(jié)共軛剪節(jié)理特征解析了礦區(qū)的構(gòu)造變形及應(yīng)力場特征，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化歷史，確定了礦區(qū)經(jīng)歷的南北向擠壓、北東—南西向擠壓等4期應(yīng)力場演化階段；蘇哲等（2023）借助空間距離分析、形態(tài)分析等定量分析手段對礦區(qū)的構(gòu)造控礦規(guī)律進行研究，解析了特定斷層在成礦過程中的具體作用，提出了斷層—巖漿多階段成礦模式。此外，一些研究者通過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)和大地構(gòu)造分析方法確定了金川礦區(qū)及周緣經(jīng)歷的構(gòu)造熱事件，從宏觀視角討論了礦區(qū)的構(gòu)造變形階段和演化過程，為礦區(qū)的構(gòu)造演化史研究提供了更全面 的 依 據(jù)（Zhang et al.，2017；Zhang et al.，2021a，2021b；Tao et al.，2023）。

上述研究表明，金川礦區(qū)具有長期的地質(zhì)演化歷史，經(jīng)歷了多期構(gòu)造熱事件，其演化過程主要表現(xiàn)為不同性質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場作用下的多階段疊加變形。然而，由于金川礦區(qū)的構(gòu)造變形特征復(fù)雜，并且在成礦期之后經(jīng)歷了非常強烈的變形改造作用，現(xiàn)有研究成果在構(gòu)造變形、應(yīng)力場演化和成礦作用關(guān)聯(lián)等方面仍然存在分歧（曾南石等，2013；曾認宇等，2013；和秋嬌等，2019；蘇哲等，2023；Tao et al.，2023），尤其是對研究區(qū)成礦期后的構(gòu)造變形特征和應(yīng)力場轉(zhuǎn)換過程缺乏精細剖析和準確劃分，從而限制了對金川礦區(qū)成礦期后的演化階段和晚期構(gòu)造對礦體改造的認識，也影響了新遠景區(qū)的勘探與開發(fā)。

此次以金川銅鎳硫化物礦區(qū)為研究區(qū)域，以地表基巖發(fā)育的斷裂構(gòu)造為研究對象，通過觀測和研究斷層、擦痕的幾何學(xué)特征和運動學(xué)指向，確定了不同方向斷層的構(gòu)造性質(zhì)；通過統(tǒng)計和分析斷層相關(guān)的構(gòu)造要素數(shù)據(jù)，重點利用赤平投影法反演斷層的古構(gòu)造應(yīng)力場，以斷層交切關(guān)系和擦痕疊加關(guān)系判定了構(gòu)造次序；通過分析古構(gòu)造應(yīng)力場特征和構(gòu)造序列綜合厘定了古構(gòu)造應(yīng)力場演化階段，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)演化歷史確定了成礦期后的構(gòu)造演化過程。此次研究將為金川礦區(qū)的找礦工作提供理論支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層和巖漿巖

金川銅鎳硫化物礦床位于阿拉善地塊西南緣，北側(cè)與潮水盆地相鄰，南側(cè)與河西走廊盆地相接，西側(cè)與祁連早古生代造山帶相連（宮江華，2013；閆海卿等，2015；圖1a）。礦區(qū)出露地層主要包括龍首山群下部的白家嘴子組（Pt1b）和塔馬子溝組（Pt1t），地層呈北西—南東向延伸，整體形成傾向南西的單斜構(gòu)造。巖漿巖主要為侵入白家嘴子組地層中的超基性巖體（圖1b）。

a—研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖（據(jù)Wan et al.，2009修改）；b—研究區(qū)地層和構(gòu)造格架簡圖（據(jù)湯中立和李文淵，1995修改）圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置和地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map and tectonic setting of the study area(a) Map of the tectonic setting in the study area (modified after Wan et al., 2009)；(b) Geological map of the study area (modified after Tang and Li, 1995)

白家嘴子組（Pt1b）是礦區(qū)出露的最老地層，南側(cè)被塔馬子溝組不整合覆蓋（圖1b），主要由大理巖夾黑云母片麻巖、含石榴子石二云母石英片巖和斜長角閃巖組成，是一套以海相碎屑巖-富鎂碳酸鹽建造為主的低角閃巖相變質(zhì)巖組合，原巖沉積時代為古元古代中期（宮江華等，2011；宮江華，2013；閆海卿等，2015）。

塔馬子溝組（Pt1t）分布于礦區(qū)南側(cè)，不整合覆蓋于下伏的白家嘴子組之上（圖1b）。巖石組合主要包括云母石英片巖、斜長角閃巖夾石墨大理巖、黑云斜長片麻巖和石英巖等，是一套以海相碳酸鹽巖或類復(fù)理石建造為主的高綠片巖相-角閃巖相變質(zhì)巖系，原巖沉積時代為古元古代中晚期（宮江華等，2011；閆海卿等，2015）。

礦區(qū)巖漿巖以基性—超基性巖體最為顯著，其中白家嘴子超基性巖體的規(guī)模最大（圖1b）。根據(jù)原巖類型和產(chǎn)狀特征可將基性—超基性巖分為3組：第1組是發(fā)育于白家嘴子組和塔馬子溝組地層裂隙中的變質(zhì)基性巖脈和巖枝，形成時代為～1800 Ma（宮江華等，2011）；第2組是侵入白家嘴子組地層內(nèi)的北西走向超基性巖巖墻，形成時代為～827 Ma（李獻華等，2004；田毓龍等，2007）；第3組為侵入泥盆系前所有層位中、基本未變質(zhì)的晚期輝綠巖脈或輝綠巖墻（曾南石等，2013）。

1.2 斷層特征及期次

根據(jù)礦區(qū)斷層的展布方向和性質(zhì)可將其分為4組，分別為北西向逆沖斷層、北西向正斷層、北東東向走滑斷層和北東向走滑斷層（曾認宇等，2013）。

北西向逆沖斷層主要包括F1、F2、F3、F9和F18等（圖1b）。該組斷層規(guī)模較大，斷層面以傾向南西為主，傾角為45°～65°，主要表現(xiàn)為上盤向北東的逆沖。其中斷層F1延伸長度達200 km，總體走向北西、傾向南西，剖面呈上陡下緩的形態(tài)，在長期演化過程中由多條斷裂連接貫通而成（米文滿等，2018）。沿著斷層部分區(qū)域可見變質(zhì)巖逆沖到下盤第四系松散沉積物之上，顯示出活動構(gòu)造的特征，被認為是龍首山地塊與北側(cè)中—新生代潮水盆地的構(gòu)造界線（曾認宇等，2013；米文滿等，2018）。該組斷層中F1與F3均被晚期的F8錯斷，F(xiàn)18則被晚期的F23錯斷（圖1b）。

北西向正斷層主要包括F4、F5和F6等。該組斷層地表延伸長度為300～600 m，普遍傾向南西，傾角為45°～60°，主要表現(xiàn)為上盤向南西下滑。這組斷層在早期地殼中深層次韌-脆性構(gòu)造帶的基礎(chǔ)上發(fā)育，控制了含礦超基性巖的侵位，是重要的成礦期構(gòu)造（湯中立和白云來，1999）；其中，斷層F5被斷層F2錯斷，F(xiàn)6被晚期的F16錯斷（圖1b）。

北東東向走滑斷層主要包括F8、F16、F23和F24等。斷層傾向南南東或南，傾角為65°～85°，性質(zhì)以左旋走滑為主，代表了成礦期后的破壞構(gòu)造（李佐，2009）。其中，斷層F8（左旋斷層）規(guī)模最大，延伸長度超過2000 m，走向為北東東向或近東西向、傾向南東或南，傾角70°～85°，顯著錯斷了白家嘴子組地層及超基性巖體，局部造成第四系松散沉積物錯動，表明第四紀以來其仍然在活動（米文滿等，2011）。其中斷層F8錯斷了F1與F3，可能也錯斷了F7，斷層F16錯斷了F6和F20兩組不同性質(zhì)的斷層，斷層F23則同時錯斷了F17和F18兩組不同性質(zhì)的斷層（圖1b）。

北 東 向 走 滑 斷 層 主 要 包 括F10、F12、F17、F19、F20和F21等。斷層面傾向南東或北西，傾角為70°～85°，部分斷層錯斷了含礦超基性巖體并控制礦體的空間展布，代表成礦期后的破壞性構(gòu)造（曾認宇等，2013）。其中斷層F17規(guī)模較大，呈北東向或近東西向延伸，傾向南東或南，傾角為70°～80°，延伸長度約為1200 m，性質(zhì)以右旋走滑為主，被斷層F23錯斷，而斷層F20則被F16錯斷（圖1b）。

根據(jù)上述斷層的空間展布、性質(zhì)以及交切關(guān)系，可以初步劃分金川礦區(qū)的斷層期次。首先，最早期的斷層為北西向正斷層，分布局限并且普遍被晚期的走滑斷層錯斷，導(dǎo)致現(xiàn)今正斷層及含礦巖體在平面上分布不連續(xù)（圖1b），并可能存在多期活動和構(gòu)造反轉(zhuǎn)。其次，北西向逆沖斷層的形成時代也較早，斷層延伸較遠，并且被北東向走滑斷層錯斷，但部分斷層（F1）在第四紀以來仍然持續(xù)活動。另外，北東向走滑斷層在礦區(qū)內(nèi)分布廣泛且均勻，但規(guī)模不大；斷層性質(zhì)包括左旋走滑和右旋走滑，部分斷層直接錯斷了含礦地質(zhì)體。最后，北東東向走滑斷層規(guī)模較大、延伸較遠并且斷層面連續(xù)，以左旋走滑性質(zhì)為主，這些斷層均明顯錯斷了含礦地質(zhì)體，并且在不同位置截切了上述其他性質(zhì)的斷層，表明其形成時代最晚。然而，由于研究區(qū)成礦期后的變形疊加作用非常復(fù)雜，因此斷層序列仍然需要進一步分析。

2 古構(gòu)造應(yīng)力場恢復(fù)

2.1 應(yīng)力反演方法

以金川礦區(qū)地表基巖中發(fā)育的斷層為研究對象，開展了詳細的野外構(gòu)造解析和室內(nèi)分析。通過調(diào)查基巖中不同類型斷層的幾何學(xué)和運動學(xué)特征，依據(jù)斷面擦痕及礦物生長方向、階步指向以及地質(zhì)體錯動方向等標志綜合判定斷層運動性質(zhì)，利用斷層交切關(guān)系初步確定礦區(qū)的斷層序列。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)測量斷層面及擦痕的產(chǎn)狀要素，包括斷層走向、傾角以及斷層面上擦痕的側(cè)伏向、側(cè)伏角，利用 Faultkin 軟件（開發(fā)者Richard W.Allmendinger，軟件版本Faultkin 7.4.1，下載地址https://macdownload.informer.com/faultkin/）輸入構(gòu)造要素數(shù)據(jù)計算并獲得下半球赤平投影圖。應(yīng)力場由最大（σ1）、中間（σ2）和 最 ?。é?）3個 主 應(yīng) 力 軸 表 示，應(yīng) 力 比R=（σ2-σ3）/（σ1-σ3），0≤R≤1，通常通過對從不同露頭獲得的大量斷層滑動矢量進行斷層運動學(xué)分析來重建（Angelier，1984；Mercier et al.，1991；Ritz and Taboada，1993）。

研究表明，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場通常能夠持續(xù)一段時間，通過上述斷層運動學(xué)分析和計算，能夠獲得不同性質(zhì)斷層的主應(yīng)力軸方位，并恢復(fù)古應(yīng)力場及方向（Angelier，1984；Ratschbacher et al.，2003）。而古應(yīng)力場序列的重建主要是通過分析單個斷層面上多組滑動矢量（如擦痕）的疊加關(guān)系，結(jié)合斷層交切關(guān)系解釋應(yīng)力場的相對次序（Mercier et al.，1991；Ratschbacher et al.，2003），已 有 研 究 提 出 修 正 的Anderson模型可以更好地解釋先存斷層的再活化和疊加過程（Tong and Yin，2011；鄭亞東等，2022）。

值得注意的是，在野外統(tǒng)計構(gòu)造數(shù)據(jù)過程中，要求構(gòu)造點上的斷層面和擦痕均清晰可見，能夠準確測量必要的構(gòu)造要素數(shù)據(jù)，并準確判定每組擦痕所指示的運動學(xué)方向，應(yīng)盡量保證構(gòu)造點在研究區(qū)內(nèi)均勻分布，避免在某條斷層附近重復(fù)采集。另外，此次研究中統(tǒng)計和分析的構(gòu)造數(shù)據(jù)均為地殼淺層次發(fā)育的破裂面及滑動矢量，而構(gòu)造應(yīng)力反演的可信度受限于斷層形成時代，根據(jù)應(yīng)力反演和分析方法，恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力場的有效時限基本在中生代之后（Shi et al.，2019，2020）。

2.2 古構(gòu)造應(yīng)力特征及期次

在野外觀測和室內(nèi)整理基礎(chǔ)上，此次研究共獲得30組有效數(shù)據(jù)（圖2），這些數(shù)據(jù)分別來自23個構(gòu)造點（圖1），由于部分構(gòu)造點具有兩組斷層面和擦痕的組合，其數(shù)據(jù)在圖2中以點號-1和點號-2進行區(qū)分。此外，LS10等6個構(gòu)造點具有典型的斷層疊加特征，對其變形特征、應(yīng)力方位和疊加關(guān)系單獨進行統(tǒng)計分析（表1）。

表1 金川礦區(qū)疊加變形構(gòu)造點的斷層性質(zhì)及應(yīng)力特征Table 1 Geometry, kinematics and stress features of faults on structural points with superimposition deformation in the Jinchuan mining district

σ1、σ2和σ3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力軸，數(shù)字代表應(yīng)力軸傾向和傾角（°）；P代表擦痕；L代表斷層面；N為統(tǒng)計數(shù)量，（下圖同）；紅色箭頭代表擠壓方向；橙色箭頭代表伸展方向圖2 不同構(gòu)造點的古構(gòu)造應(yīng)力特征Fig.2 Features of paleo-tectonic stress at different pointsσ1, σ2 and σ3 represent the maximum, intermediate and minimum principal stress axes respectively, the number represents inclination and dip angle of the stress axis; P represents striation, L represents fault plane, N represents statistical quantity; The red arrows represent the direction of compression, and the orange arrows represent the direction of extension.

通過恢復(fù)的古構(gòu)造應(yīng)力特征可以看出，金川礦區(qū)成礦期后的古構(gòu)造應(yīng)力場主要包括北東—南西向擠壓、北西—南東向擠壓以及和北東—南西向伸展。

北東—南西向擠壓應(yīng)力場主要來自走滑斷層和逆斷層，該組應(yīng)力場在不同構(gòu)造點出現(xiàn)頻率最高、分布最廣泛，是礦區(qū)最顯著的古構(gòu)造應(yīng)力場，其最大主應(yīng)力軸（σ1）傾向的數(shù)值區(qū)間為20°～60°，部分應(yīng) 力軸傾向為210°～230°，傾角為2°～15°，極少數(shù)的傾角達到20°以上，最小主應(yīng)力軸（σ3）的傾向集中在130°～145°，部分應(yīng)力軸傾向為300°～320°，傾角為1°～20°，極少數(shù)的傾角達到60°以上，顯示出逆斷層的應(yīng)力特征。

北西—南東向擠壓應(yīng)力場主要來自走滑斷層和逆斷層，也在多個構(gòu)造點出現(xiàn)，代表了區(qū)域另一期較強的應(yīng)力場，其最大主應(yīng)力軸（σ1）傾向的數(shù)值區(qū)間包括兩組，分別為130°～160°和310°～340°，傾角為1°～20°，最小主應(yīng)力軸（σ3）的傾向數(shù)值區(qū)間包括40°～70°和210°～245°，傾角為2°～10°，少數(shù)構(gòu)造點的傾角值達到15°以上。

另外一組北東—南西向伸展應(yīng)力場與正斷層相關(guān)，其最大主應(yīng)力軸（σ1）傾向的數(shù)值區(qū)間波動較大，主要包括15°～60°和290°～310°，部分應(yīng)力軸傾向南西，傾角多為70°～85°，最小主應(yīng)力軸（σ3）的傾向集中在200°～220°和25°～50°，傾角多為5°～20°，極少數(shù)構(gòu)造點的傾角數(shù)值大于20°。

野外調(diào)查確認了不同構(gòu)造點的斷層交切關(guān)系或擦痕疊加關(guān)系（圖3，表1）。其中，構(gòu)造點LS10發(fā)育傾向北西的斷層面及兩組擦痕，早期斜向擦痕顯示為左旋斜滑運動，指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力場，晚期水平擦痕顯示為左旋走滑運動，指示了另一期北東—南西向擠壓應(yīng)力場（圖3a）。構(gòu)造點LS12發(fā)育3組斷層，斷層交切關(guān)系顯示：第1期為近東西向右旋走滑斷層，指示了北西—南東向擠壓應(yīng)力場；第2期為北西向右旋走滑斷層，指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力場；第3期為北東向正斷層，指示北東—南西向伸展應(yīng)力場（圖3b）。構(gòu)造點LS13發(fā)育傾向南西的斷層面，早期陡傾擦痕顯示為上盤向南西下滑，指示了北東—南西向伸展應(yīng)力場，晚期緩傾擦痕顯示為右旋走滑運動，指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力場（圖3c）。構(gòu)造點LS21發(fā)育2組斷層，地層牽引褶皺及擦痕特征顯示早期為傾向南東的逆沖斷層，指示北西—南東向擠壓應(yīng)力場，晚期為傾向北東東的正斷層，指示北東—南西向伸展應(yīng)力場（圖3d）。構(gòu)造點LS28發(fā)育傾向南西的斷層面及3組擦痕：第1期擦痕顯示為右旋走滑運動，指示了北西—南東向擠壓；第2期擦痕顯示為左旋走滑運動，指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力場；第3期擦痕顯示了上盤向北東的逆沖，指示了另一期北東—南西向擠壓應(yīng)力場（圖3e）。構(gòu)造點LS46發(fā)育傾向北東的斷層面，早期擦痕顯示為上盤向北東下滑，指示北東—南西向伸展應(yīng)力場，晚期擦痕顯示上盤向南逆沖，指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力場（圖3f）。

長箭頭代表擦痕和對盤運動方向，數(shù)字①、②和③分別代表對應(yīng)照片中的斷層或擦痕期次；赤平投影圖中紅色箭頭代表擠壓方向，橙色箭頭代表伸展方向a—LS10大理巖中傾向北西的斷層面，早期擦痕顯示為左旋斜滑運動，晚期擦痕顯示為左旋走滑運動；b—LS12大理巖中發(fā)育3組斷層，第1期為近東西向右旋走滑斷層，第2期為北西向右旋走滑斷層，第3期為北東向正斷層；c—LS13大理巖中向南西陡傾的斷層面，早期陡傾擦痕顯示為上盤向南西的下滑，晚期緩傾擦痕顯示為右旋走滑運動；d—LS21云母石英片巖中發(fā)育2組斷層及牽引褶皺，早期為傾向南東的逆沖斷層，晚期為傾向北東東的正斷層；e—LS28大理巖中向南西陡傾的斷層面發(fā)育3組擦痕，新生礦物為方解石，第1期擦痕指示右旋走滑運動，第2期擦痕指示左旋走滑運動，第3期擦痕指示向北東的逆沖；f—LS46云母石英片巖中傾向北東的斷層面，早期擦痕指示上盤向北東下滑，晚期擦痕指示上盤向南的逆沖圖3 斷層交切關(guān)系和疊加擦痕特征Fig.3 The characteristics of fault intersection and superimposed striation(a) LS10 shows the fault dip to the NW developed in metamorphosed ultramafic rocks; the early striation indicates sinistral strike-slip motion associated with normal faulting, and the late striation indicated sinistral strike-slip motion; (b) LS12 shows three groups of faults developed in marble; the first group of faults with near E–W orientation shows dextral strike-slip motion, the second group of faults with NW orientation indicated dextral strike-slip motion, and the third stage is normal faults on NE orientation; (c) LS13 shows the fault dip to the SW developed in marble; the early striation indicated the top-to-the-SW downslide of the hanging wall, and the late striation show the dextral strike-slip motion;(d) LS21 shows two groups of faults with traction folds developed in mica-quartz schist; the early fault indicated the top-to-the NW thrust of the hanging wall, while the late fault indicated the top-to-the NEE downslide of the hanging wall; (e) LS28 shows three groups of striation developed on the fault dip to the SW with mineral represented by calcite in marble; The striation of the first stage indicated dextral strike-slip motion, the striation of the second stage indicated sinistral strike-slip motion, and the striation of the third stage indicated the top-to-the-NE thrust; (f) LS46 shows the NE trending fault developed in mica-quartz schist, early striation indicated the top-to-the NE downslide of the hanging wall, late striation indicate the top-to-the S thrust of the hanging wall.The long arrow represents the direction of striation and the motion of fault wall; Number ①, ② and ③ represent the stages of faults or striation in corresponding photo; In the stereographic projection, the red arrow represents the direction of compression while the orange arrow represents the direction of extension.

根據(jù)上述斷層交切關(guān)系和擦痕疊加關(guān)系，將多個構(gòu)造點的斷層數(shù)據(jù)反演獲得的主應(yīng)力方位進行統(tǒng)計、整合和梳理，根據(jù)各點位所呈現(xiàn)出的疊加次序重新排序。綜合分析疊加擦痕特征及其應(yīng)力特征顯示，最早期的古應(yīng)力場為北西—南東向擠壓，在構(gòu)造點LS12、LS21和LS28上，該組應(yīng)力場形成的擦痕均在第1期出現(xiàn)，在其之后疊加了其他不同類型的擦痕。第2期古應(yīng)力場為北東—南西向擠壓，該組應(yīng)力場在區(qū)域上最為顯著，構(gòu)造點LS12和LS28的疊加特征顯示，其晚于第1期的北西—南東向擠壓應(yīng)力場，構(gòu)造點LS12和LS21的疊加特征則表明其早于北東—南西向伸展應(yīng)力場。然而，構(gòu)造點LS10和LS28顯示出兩期北東—南西向擠壓應(yīng)力場的疊加，結(jié)合構(gòu)造點LS12、LS13和LS46的疊加關(guān)系，北東—南西向伸展應(yīng)力場應(yīng)處于兩期北東—南西向擠壓應(yīng)力場之間。綜上，金川礦區(qū)成礦期后的古構(gòu)造應(yīng)力場至少可以劃分為4期，從早到晚依次為北西—南東向擠壓、北東—南西向擠壓（早期）、北東—南西向伸展和北東—南西向擠壓（晚期）。

3 不同期次應(yīng)力場與變形特征

野外觀察和室內(nèi)分析結(jié)果顯示，不同構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成斷層的延伸方向、規(guī)模和性質(zhì)存在明顯差異，相應(yīng)的運動學(xué)標志如擦痕、階步、牽引褶皺和構(gòu)造面等特征也不盡相同。

3.1 北西—南東向擠壓

最早期的北西—南東向擠壓應(yīng)力場主要形成了北西向走滑斷層和北東向逆沖斷層。走滑斷層總體走向為120°～160°，以傾向北東為主，傾角為70°～85°，常見直立斷層面。斷層普遍發(fā)育構(gòu)造破碎帶，構(gòu)造角礫以片麻狀花崗巖和大理巖為主，圍巖多發(fā)生綠泥石化、綠簾石化和絹云母化蝕變。斷層面上普遍發(fā)育擦痕構(gòu)造，產(chǎn)狀多為緩傾或近水平延伸，部分斷層面上形成新生礦物，主要包括方解石、綠泥石以及石棉等，常見發(fā)育正階步，局部形成斷層鏡面（圖4a）。部分區(qū)域兩組走滑斷層以共軛形式出現(xiàn)，兩組斷層規(guī)模相近、近垂直相交且無明顯截切關(guān)系，二者的斷層運動方向相反（圖4b、4c），形成于統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場中。逆沖斷層以傾向北西為主，傾角為40°～65°，沿著斷層形成破碎帶，部分斷層面可見低角度擦痕，局部可見兩盤相對運動形成的不對稱透鏡體，指示上盤向南東方向的逆沖過程（圖4d）。

長箭頭代表擦痕方向，①和①’代表共軛斷層的兩組斷層面；赤平投影圖中的紅色箭頭代表擠壓方向，橙色箭頭代表伸展方向a—LS17片麻狀花崗巖中發(fā)育北西向右旋走滑斷層，可見斷層鏡面和近水平擦痕構(gòu)造；b—LS18片麻狀花崗巖中近南北向左旋走滑斷層和近東西向右旋走滑斷層組成共軛斷層；c—LS20大理巖中北西向右旋走滑斷層和近東西向左旋走滑斷層組成共軛斷層；d—LS25大理巖中的不對稱透鏡體構(gòu)造，指示上盤向南東方向逆沖圖4 北西—南東向擠壓應(yīng)力場形成的變形特征Fig.4 Typical deformation features under the NW–SE compression(a) LS17 shows the NW-trending dextral strike-slip fault developed in granitic gneiss with fault polish and low-angle striation; (b) LS18 shows the conjugated fault consists of the NS-trending sinistral strike-slip fault and the EW-trending dextral strike-slip fault developed in granitic gneiss; (c) LS20 shows the conjugated fault consists of the NW-trending dextral strike-slip fault and the EW-trending sinistral strike-slip fault developed in marble; (d) LS25 shows the asymmetric lens developed in marble indicated the top-to-the SE thrust of the hanging wall.The long arrow represents the direction of striation and the motion of fault wall; Number ① and ①’ represent the striation of the conjugated fault; In the stereographic projection, the red arrow represents the direction of compression while the orange arrow represents the direction of extension.

3.2 北東—南西向擠壓（早期）

北東—南西向擠壓（早期）應(yīng)力場主要形成北東向走滑斷層和北西向逆沖斷層。其中，走滑斷層總體走向為40°～75°，傾向南東或北西，傾角為70°～85°，局部形成直立斷層面，斷面附近常形成構(gòu)造破碎帶。斷層面上常發(fā)育緩傾的擦痕構(gòu)造，部分擦痕傾角可達35°～45°，常見兩盤基巖相對運動形成的斷層擦槽和正階步構(gòu)造（圖5a），部分斷層面發(fā)育新生方解石等礦物。走滑斷層的破碎帶內(nèi)局部可見多米諾構(gòu)造及S-C組構(gòu)，指示左旋走滑運動（圖5b）。北西向逆沖斷層延伸較遠但分布較為局限，以傾向南西為主，傾角為25°～50°，擦痕側(cè)伏向與斷層面傾向基本一致，沿斷層形成構(gòu)造破碎帶，局部可見斷層泥（圖5c）。在片麻巖地層中發(fā)育露頭尺度的連續(xù)褶皺（圖5d），顯示了地層在區(qū)域應(yīng)力場作用下沿北東—南西方向的縮短效應(yīng)。

長箭頭代表擦痕及對盤運動方向；赤平投影圖中紅色短箭頭代表擠壓方向，橙色箭頭代表伸展方向a—LS16-2片麻狀花崗巖中左旋走滑斷層，斷面上可見緩傾擦痕及正階步構(gòu)造；b—LS27大理巖中北東向左旋走滑斷層帶內(nèi)的多米諾構(gòu)造，斷面發(fā)育緩傾擦痕；c—LS22大理巖中北西向逆沖斷層組成破碎帶和斷層泥； d—LS11片麻巖夾大理巖地層中形成軸向南東的褶皺。圖5 北東—南西向擠壓應(yīng)力場（早期）形成的變形特征Fig.5 Typical deformation features under the NE–SW compression (early stage)(a) LS16-2 shows the sinistral strike-slip fault developed in granitic gneiss with fault step and low-angle striation on the fault plane; (b) LS27 shows the NE-trending sinistral strike-slip fault developed in marble with domino structures and low-angle striation; (c) LS22 shows the NWtrending thrust fault developed in marble with fracture zone and fault gouge; (d) LS11 shows the fold with axis dip to SE developed in gneiss with marble.The long arrow represents the direction of striation and the motion of fault wall; In the stereographic projection, the red arrow represents the direction of compression while the orange arrow represents the direction of extension.

3.3 北東—南西向伸展

北東—南西向伸展應(yīng)力場形成的構(gòu)造以北西向正斷層為主。該組斷層總體規(guī)模不大，多被晚期斷層面截切，部分斷層面可能源自早期正斷層的重新活動。斷層總體走向為110°～160°，傾向南西為主、傾向南西次之，極少數(shù)傾向北西，斷層傾角普遍為55°～75°。在大理巖和變質(zhì)超基性巖中局部形成斷層鏡面（圖6a），斷層破碎帶內(nèi)的構(gòu)造角礫以大理巖、片巖和變質(zhì)超基性巖為主，部分超基性巖強烈蝕變，斷層泥不發(fā)育，偶見發(fā)育密集節(jié)理帶。斷層面上常發(fā)育擦痕和正階步構(gòu)造，擦痕側(cè)伏向與斷層傾向基本一致，新生礦物主要包括方解石和石棉（圖6b、6c）。部分正斷層的斷面呈階梯狀斷續(xù)延伸，晚期出現(xiàn)的石棉和絹云母等礦物疊加在早期方解石之上（圖6d），顯示斷層活動過程中形成了顯著的張性裂隙。在以片巖、片麻巖和大理巖為主的地層中，局部可見正斷層上下兩盤相對運動形成的牽引褶皺（圖3d）。

長箭頭代表擦痕及對盤運動方向；赤平投影圖中橙色箭頭代表伸展方向a—LS24大理巖中北西向的正斷層局部組成斷層鏡面；b—LS13大理巖中北西向正斷層，出現(xiàn)石棉和方解石等新生礦物；c—LS30大理巖中北西西向正斷層發(fā)育方解石為主的新生礦物，正階步指示上盤向北東方向下滑；d—LS35大理巖中北西西向正斷層及擦痕，具新生的石棉、絹云母和方解石等礦物圖6 北東—南西向伸展應(yīng)力場形成的變形特征Fig.6 Typical deformation features under the NE-SW extension(a) LS24 shows the NW-trending normal fault developed in marble with fault polish; (b) LS13 shows the NW-trending normal fault developed in marble with new-born minerals of calcite and asbestos; (c) LS30 shows the NWN-trending normal fault developed in marble with new-born mineral of calcite, the positive fault step indicated the top-to-the NE downslide of the hanging wall; (d) LS35 shows the NWW-trending normal fault developed in marble with new-born minerals of asbestos, sericite and calcite.The long arrow represents the direction of striation and the motion of fault wall; The orange arrow represents the direction of extension in the stereographic projection.

3.4 北東—南西向擠壓（晚期）

北東—南西向擠壓應(yīng)力場（晚期）形成的構(gòu)造主要包括北東東向走滑斷層和北西向逆沖斷層。其中逆沖斷層規(guī)模較大、延伸較遠，但分布較局限，總體走向130°～180°，傾角為35°～60°，部分斷層面發(fā)育擦痕構(gòu)造，擦痕側(cè)伏角與斷層面傾向基本一致，下盤的地層中常見牽引褶皺（圖7a）。走滑斷層總體走向為80°～125°，傾向北東或北北東，斷層傾角普遍為65°～80°，局部形成直立的斷層面，部分斷層延伸較遠并形成大規(guī)模構(gòu)造破碎帶。斷層面上普遍發(fā)育擦痕構(gòu)造，多數(shù)呈近水平延伸，但少數(shù)側(cè)伏角可達30°～40°，常見兩盤摩擦形成的斷層擦槽以及正階步構(gòu)造（圖7b），斷層面新生礦物以方解石為主，偶見灰黑色炭質(zhì)條帶（圖7c）。同一斷層面上形成兩組擦痕，代表不同性質(zhì)斷層的運動方向，二者具有顯著的疊加關(guān)系，但都指示了北東—南西向擠壓應(yīng)力，顯示存在兩期北東—南西向的擠壓應(yīng)力場（圖7d）。

長箭頭代表擦痕及對盤運動方向，數(shù)字①和②代表擦痕期次；赤平投影圖中紅色短箭頭代表擠壓方向，橙色箭頭代表伸展方向a—LS16-1 片麻狀花崗巖逆沖到大理巖之上，主斷層面傾向南西；b—LS24花崗巖中北西向左旋走滑斷層面及斜向擦痕構(gòu)造；c—LS37大理巖中北西西向左旋走滑斷層面和緩傾的擦痕構(gòu)造，新生礦物為方解石，局部形成灰黑色炭質(zhì)；d—LS29大理巖中北西西向斷層面上疊加了兩組不同方向的擦痕，早期指示左旋走滑而晚期指示上盤向北東的逆沖作用，顯示存在兩期北東—南西向擠壓應(yīng)力圖7 北東—南西向擠壓應(yīng)力場（晚期）形成的變形特征Fig.7 Typical deformation features under the NE–SW compression (late stage)(a) LS16-1 shows the thrust of the granitic gneiss as the hanging wall to the marbles as the footwall, the main fault plane dips to the SW; (b)LS24 shows the NW-trending sinistral strike-slip fault developed in granite with oblique striation; (c) LS37 shows the WNW-trending sinistral strike-slip fault and gentle striation developed in marble with new-born calcite and carbon; (d) LS29 shows the superimposition of two groups of striation on the NWW-trending fault plane, the early striation indicated the sinistral strike-slip faulting and the later one indicated the top-to-the NE thrust which showed the existence of two stages of NE–SW compression.The long arrow represents the direction of striation and the motion of fault wall; In the stereographic projection, the red arrow represents the direction of compression while the orange arrow represents the direction of extension.

4 討論

金川礦區(qū)位于阿拉善地塊南緣，其古老基底為古元古代龍首山群（宮江華等，2011；宮江華，2013；閆海卿等，2015）。巖漿、變質(zhì)和碎屑鋯石年齡分布特征對比結(jié)果表明，阿拉善地塊在古元古代與華北克拉通具有明顯的親緣性（宮江華等，2011；閆海卿等，2015），早期受近南北向擠壓應(yīng)力控制，礦區(qū)形成傾向南西的單斜構(gòu)造，晚期受北東—南西向擠壓應(yīng)力控制形成北西向的深大斷裂（和秋姣等，2019）。新元古代中期在Rodinia超大陸裂解背景下，含礦超基性巖體沿著北西向構(gòu)造裂隙侵位，成礦作用基本完成（湯中立和白云來，2000；李文淵等，2004）。早古生代在祁連洋向北俯沖過程及造山背景下，礦區(qū)形成一系列逆沖斷層和緊閉褶皺，形成北東向韌脆性構(gòu)造且礦體被破壞，基本奠定了現(xiàn)今的構(gòu)造格局（曾認宇等，2013）。

中生代以來，阿拉善地塊經(jīng)歷了多期構(gòu)造熱事件（Zhang et al.，2017，2021a）。早—中侏羅世阿拉善地塊處于伸展環(huán)境中，形成了潮水、雅布賴以及銀根–額濟納等伸展盆地，可能是由于歐亞板塊南緣碰撞造成的擠壓作用減弱造成的（鄭孟林等，2003；Zhang et al.，2021a）。晚侏羅世，歐亞板塊東部的重大構(gòu)造事件導(dǎo)致阿拉善地塊遭受來自多個方向的強烈擠壓，包括蒙古–鄂霍次克洋閉合事件（Yang et al.，2015）、古太平洋板塊低角度西向俯沖（Faure et al.，2012；Zhu et al.，2017）以及拉薩和羌塘地塊沿班公湖-怒江縫合帶發(fā)生低角度俯沖和碰撞（Li et al.，2016；Zhang et al.，2017）。早白堊世阿拉善地塊再次處于伸展環(huán)境中，早期斷層發(fā)生活化和性質(zhì)反轉(zhuǎn)并控制盆地發(fā)育，古太平洋板塊俯沖過程中板片回彈和向東的地幔流作用是區(qū)域伸展的重要原因（Zhang et al.，2021a）。晚白堊世以來阿拉善地塊處于強烈擠壓環(huán)境中，磷灰石裂變徑跡實驗和熱模擬結(jié)果顯示，地塊南緣在晚中生代至新生代早期和新生代晚期分別經(jīng)歷兩次重要的剝露事件，早期（～130～50 Ma）可能源于拉薩地塊與羌塘地塊的持續(xù)擠壓和新特提斯洋殼的平板俯沖，晚期（～50～25 Ma）的持續(xù)隆升可能是由于印度–歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)所致，而新生代晚期（～5 Ma）的擠壓過程則與青藏高原北東向持續(xù)擴展有關(guān)（Zhang et al.，2017）。

通過解析金川礦區(qū)基巖斷層的幾何學(xué)和運動學(xué)特征，確定了構(gòu)造疊加次序，利用斷層運動學(xué)數(shù)據(jù)恢復(fù)了古構(gòu)造應(yīng)力及方向，厘定了礦區(qū)的古構(gòu)造應(yīng)力場演化階段（圖8）。

Ⅰ期（J1-2）：北西—南東向擠壓（圖8a）。早—中侏羅世，隨著歐亞板塊南緣碰撞造成的擠壓作用減弱，阿拉善地塊內(nèi)部處于區(qū)域性伸展過程（Zhang et al.，2021a）。地塊內(nèi)部形成一組北西或北西西向大型正斷層，作為邊界斷層控制了北西—南東或近東西軸向斷陷盆地的發(fā)育，這些盆地在中侏羅世隨著斷裂活動而持續(xù)接受沉積，最終形成南北成帶狀分布的大型斷陷盆地組合（鄭孟林等，2003），如雅布賴盆地和潮水盆地（吳茂炳等，2007；趙宏波等，2013），此階段礦區(qū)的古應(yīng)力場恢復(fù)結(jié)果顯示，其最小主應(yīng)力軸傾角很小，這可能對應(yīng)了北東—南西向伸展構(gòu)造的形成。礦區(qū)主要形成北西向走滑斷層和北東向的逆沖斷層，部分早期斷層在此階段活化。

Ⅱ期（J3）：北東—南西向擠壓（圖8b）。晚侏羅世阿拉善地塊在北東—南西向擠壓作用下開始隆升，正斷層控制斷陷盆地的階段結(jié)束，早期正斷層部分或全部被改造為逆沖斷層，斷層上盤在侏羅系遭受剝蝕，造成早侏羅統(tǒng)與早白堊統(tǒng)之間形成顯著的角度不整合（鄭孟林等，2003；趙宏波等，2013），這可能是蒙古–鄂霍茨克洋閉合、古太平洋板塊西向俯沖等不同構(gòu)造事件聯(lián)合作用的結(jié)果（Zhang et al.，2017，2021a）。此階段龍首山前緣向北東向逆沖，礦區(qū)形成一系列北西向逆斷層和北西—南東向的緊閉褶皺，造成礦體沿北東方向縮短（俞晶星，2017）。部分早期北東向逆斷層被改造為走滑斷層，導(dǎo)致北西向斷層被錯斷，含礦地質(zhì)體遭受破壞。

Ⅲ期（K1）：北東—南西向伸展（圖8c）。早白堊世阿拉善地塊處于伸展環(huán)境中，伸展方向與整個歐亞大陸東部相同，早期北東向斷層可能再次活化成為正斷層并控制沉積盆地的發(fā)育，其他斷層則轉(zhuǎn)換為走滑斷層并控制拉分盆地的發(fā)育（Zhang et al.，2021a）。阿拉善地塊自北山至河西走廊一帶形成了一系列北東向展布的斷陷盆地，疊加在早中侏羅世斷陷盆地之上，沉積中心位于控盆斷層一側(cè)，盆地剖面形態(tài)普遍呈楔狀（Meng，2003；Meng et al.，2003），表明阿拉善地塊整體處于北東—南西向伸展環(huán)境中，這可能與華北克拉通及周緣同期的區(qū)域性拉張過程相關(guān)（Zhang et al.，2021a）。此階段礦區(qū)內(nèi)部早期北西向正斷層發(fā)生活化，而北西向逆斷層轉(zhuǎn)換為正斷層性質(zhì)，少數(shù)走滑斷層持續(xù)發(fā)育。

Ⅳ期（K2）：北東—南西向擠壓（圖8d）。阿拉善地塊南緣在晚白堊世（～130Ma）開始經(jīng)歷重要的剝露事件，主要受控于其南側(cè)的兩階段強烈擠壓過程（Zhang et al.，2017），導(dǎo)致阿拉善地塊內(nèi)缺失了晚白堊世地層。中新生代以來，隨著青藏高原向北東方向的持續(xù)擴展，弧形構(gòu)造帶北緣處于北東—南西向的強烈擠壓環(huán)境中（Shi et al.，2015；董曉朋等，2023）。晚新生代青藏高原向北東方向擴展的邊界已到達河西走廊北緣，其周緣山體快速隆升，并形成以走滑性質(zhì)為主的活動斷層（Zhang et al.，2017，2021b）。強烈擠壓作用導(dǎo)致龍首山向北東方向逆沖，形成龍首山前緣斷裂及反沖斷裂，礦區(qū)內(nèi)北西向斷層普遍轉(zhuǎn)換為逆沖性質(zhì)，一組北東東向左旋走滑斷層開始發(fā)育，最終導(dǎo)致含礦巖體被分割成獨立的塊體。礦區(qū)北側(cè)的龍首山前緣斷裂重新活動，最終導(dǎo)致上盤的含礦地質(zhì)體及圍巖向北東方向逆沖至新生代沉積物之上。

5 結(jié)論

（1）金川礦區(qū)在成礦期后形成了4組重要的斷層組合：北東向逆沖斷層和北西向走滑斷層、北東向走滑斷層和北西向逆沖斷層、北西向正斷層以及北東東向走滑斷層。早期斷層在晚期變形過程中經(jīng)歷活化和構(gòu)造反轉(zhuǎn)過程。

（2）應(yīng)力場反演結(jié)果顯示，金川礦區(qū)在成礦期后經(jīng)歷了4期古構(gòu)造應(yīng)力場作用，表現(xiàn)為多階段不同方向的擠壓或伸展過程，分別響應(yīng)了區(qū)域中生代以來的一系列構(gòu)造熱事件。4期古構(gòu)造應(yīng)力場依次為：Ⅰ期早—中侏羅世的北西—南東向擠壓應(yīng)力場，Ⅱ期晚侏羅世的北東—南西向擠壓應(yīng)力場，Ⅲ期早白堊世的北東—南西向伸展應(yīng)力場，Ⅳ期晚白堊世以來的北東—南西擠壓應(yīng)力場。

致謝：野外工作期間得到金川集團股份有限公司領(lǐng)導(dǎo)及工作人員的大力支持，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所崔建軍副研究員協(xié)助完成了野外考察工作、金詠潔碩士協(xié)助完成資料整理工作。謹向上述單位和人員表示誠摯的感謝！