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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2022, 30(3): 352-365 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.018

矿产勘查与资源评价

胶东三山岛金矿带构造几何特征控矿作用:来自数值模拟的启示

钟伶志,1,2, 毛先成,1,2, 刘占坤1,2, 肖克炎3, 王春锬1,2, 陈武1,2

1.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083

2.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南 长沙 410083

3.中国地质科学院矿产资源研究所,自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037

Ore-controlling Effect of Structural Geometry Features in the Sanshandao Gold Belt,Jiaodong Peninsula,China: Insights from Numerical Simulation

ZHONG Lingzhi,1,2, MAO Xiancheng,1,2, LIU Zhankun1,2, XIAO Keyan3, WANG Chuntan1,2, CHEN Wu1,2

1.School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China

2.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring(Ministry of Education), Central South University, Changsha 410083, Hunan, China

3.MNR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China

通讯作者: 毛先成(1963-),男,湖南常德人,教授,从事矿产资源三维预测研究工作。mxc@csu.edu.cn

收稿日期: 2022-01-07   修回日期: 2022-04-06  

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“矿床时空结构定量表征与智能理解”.  42030809
国家自然科学基金面上项目“面向隐伏矿体三维预测的地质体形态控矿特征深度学习”.  41972309
“顾及可迁移性成矿特征的深部矿三维预测研究”.  42072325
国家重点研发计划专项课题“深地成矿构造三维分析与建模预测”.  2017YFC0601503

Received: 2022-01-07   Revised: 2022-04-06  

作者简介 About authors

钟伶志(1998-),女,湖南岳阳人,硕士研究生,从事成矿过程数值模拟研究工作lingzhi_zhong@qq.com , E-mail:lingzhi_zhong@qq.com

摘要

胶东半岛三山岛金矿带矿体形态、规模及产出空间与断裂关系紧密。基于三山岛金矿带地质模型,利用FLAC3D数值模拟软件,开展力—热—流耦合的数值模拟分析,探讨断裂构造几何特征对矿体就位的控制作用。模拟结果表明:在走向上,三山岛断裂拐弯处容易积累更大的剪切应变和正体积应变(张性),形成扩容空间,使断裂拐弯处形成局部的厚大金矿体;在倾向上,断裂带由陡倾向缓倾转换的部位及倾角平缓部位形成扩容空间,而陡倾部位挤压效果明显,形成压缩区,这种不同坡度部位的差异性应变分布控制了矿体沿倾向间断分布的特征。根据新立地区与三山岛、西岭地区的模拟流体方向差异推测,新立地区SE向深部、三山岛和西岭地区NE向深部具有较大成矿潜力。

关键词: 构造几何 ; 矿体就位 ; 数值模拟 ; 三山岛金矿带 ; 矿体侧伏 ; 成矿流体 ; 胶东地区

Abstract

The morphology,amounts and location of orebodies in the Sanshandao gold belt,Jiaodong Peninsula are closely related to fault.The orebodies are mostly hosted by the fault parts with the characteristics of gentle or dip changing from gentle to steep.In oder to explore the control effect of fault geometry on gold mineralization,the geological model (e.g.,fault zone,orebodies,wall rocks and cover) of the Sanshandao belt was constructed,and the numerical simulation was carried out by FLAC3D software.The simulation results show that the corners of the Sanshandao fault are prone to accumulate greater shear strain (up to 8% than wall rocks) and volumetric strain (up to 2% than wall rocks) in the striking direction,where occurs an expansion space. This results in the formation of local thick gold orebodies at the corner where with a included acute angle of the fault and the NE-SW principal compressive stress.In terms of the dip direction,the gentle parts where the fault zone changes from steep (dip angle greater than 60°) to gentle (dip angle in 30°~40°) occur the dialation (volume strain:1%~2%),while the steep parts occur the compression characteristics (volume strain:-1%~0). This differential stress distribution at different dip parts controls the discontinuous and intermittent distribution of orebodies along the dip direction.From a view of 3D,the ore-forming fluids in the Xinli segment,southern part of the Sanshandao belt,migrates from the SE areas at depth to NW at shallow,while the Sanshandao,Xiling,and Beibuhaiyu segments show a trend of flowing from NE to SW.This difference in fluid flow direction may be attributed to the bending fault intersurface formed by the co-operative deformation in strike and dip directions at Xinli controlling the SE dipping of the expansion zone.Therefore,the SE areas at depth in the Xinli segment,and the NE areas at depth in Sanshandao and Xiling segment have the good metallogenic potential.

Keywords: structural geometry ; orebody location ; numerical simulation ; Sanshandao gold belt ; orebody laterallly ; ore-froming fluid ; Jiaodong region

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本文引用格式

钟伶志, 毛先成, 刘占坤, 肖克炎, 王春锬, 陈武. 胶东三山岛金矿带构造几何特征控矿作用:来自数值模拟的启示[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(3): 352-365 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.018

ZHONG Lingzhi, MAO Xiancheng, LIU Zhankun, XIAO Keyan, WANG Chuntan, CHEN Wu. Ore-controlling Effect of Structural Geometry Features in the Sanshandao Gold Belt,Jiaodong Peninsula,China: Insights from Numerical Simulation[J]. Gold Science and Technology, 2022, 30(3): 352-365 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.018

胶东半岛地处华北克拉通东南缘,是世界第三大金矿集区,累计探明的金资源储量超过5 000 t,其中,三山岛金矿带已探明金资源量超过1 200 t,是胶东半岛最重要的成矿带之一(杨立强等,2019Zhang et al.,2020a;Song et al.,2021a)。胶东半岛内的金矿床集中形成于晚白垩世(~120 Ma),是岩石圈大规模减薄伸展背景下的产物(Groves et al.,2016),这些矿床具有相似且显著的构造控矿特征(Goldfarb et al.,2014宋明春,2015),表现为矿体形态、规模及产出空间与特定的构造界面几何形态特征有关(如:断裂走向拐弯和倾向变化部位,构造体系或形迹的分支、复合部位)(Deng et al.,2015Wilkins et al.,2021)。厘清构造几何特征与矿化分布的空间关系,将有助于理解矿体就位规律并指导三山岛金矿的勘查工作,在矿床成因和成矿预测过程中具有重要理论和实践意义(Mao et al.,2019Liu et al.,2021b邓浩等,2021)。通常,构造面产状变化、多组构造叠合及交会可能反映或促进构造应力的转变,增强构造带次级构造(如节理、裂隙)的发育,形成成矿热液迁移或矿体就位的高渗透断裂网格(Tripp et al.,2004Ford et al.,2009),进而提高岩石渗透率,为成矿流体的滞留、交代和矿质沉淀提供有利条件(Liu et al.,2021d)。查明断裂构造几何特征的控矿作用的本质在于确定构造变形如何在空间和时间上影响岩石的渗透率,形成可供成矿流体迁移和汇聚的扩容空间(Zhao et al.,2012Zhang et al.,2013Ord et al.,2020),这属于典型的力—热—流多物理场的耦合问题(肖凡等,2021安文通等,2021)。成矿动力学数值模拟是一种基于固体力学、热力学和流体力学等经典定律和方程模拟成矿系统中构造、岩石变形和流体迁移的有效方法,能够模拟构造变形背景下高渗透扩容空间的发育情况和流体迁移路径,再现成矿系统的演化进程(Li et al.,2017Eldursi et al.,2020Liu et al.,2022)。因此,成矿动力学数值模拟研究将会进一步提升对构造几何特征控制矿体就位的理解。

三山岛金矿带位于胶东半岛的西端,已探明金资源量超过1 400 t,代表性矿床有三山岛、北部海域和新立等金矿。三山岛金矿带内金矿化在垂向和走向上呈舒缓波状分布,呈现出与断裂面的特殊形态特征具有紧密的空间联系(宋明春,2015毛先成等,2019)。为查明三山岛断裂对金矿化的控制作用,前人在该区开展了大量研究工作。如:杨奎锋等(2017)通过分析三山岛断裂的力学性质和活动特征,认为三山岛断裂带呈压扭性,左行压应力在成矿期控制了金矿分布,在成矿期后受到多期构造活动的影响。刘日富等(2019)通过构造岩组合与矿石构造特征分析,提出NEE向张性构造控制着矿体延长大于延深的产出特征,而NE向张剪性构造控制着矿体延深大于延长,断裂带内垂向上呈“S”型或反“S”型的构造蚀变带的张裂处为成矿提供了有利的成矿空间。Yang et al.(2018)通过分析倾角、倾向与金矿的空间分布特征,指出断裂走向和倾向变化处有利于水—岩反应,且水—岩反应导致的体积变化进一步提升了岩石渗漏率,促进裂隙发育,形成厚大金矿体。尽管上述研究已从构造演化、构造空间特征等方面探讨了三山岛断裂带的构造控矿作用,但是这些研究是基于宏观的演化过程或二维地质剖面开展的,未能从构造变形—流体活动—矿体就位的动态演化过程理解三山岛断裂带几何特征对矿体就位的控制作用。

本文运用数值模拟方法,以地质勘探数据为基础,建立三山岛金矿带地质模型(包括断裂带、矿体、围岩和剥蚀层等),开展应力场、流体场和温度场耦合过程数值模拟,分析在构造变形演化的不同阶段模型内体积应变和剪切应变的分布情况以及流体运移规律,建立断裂构造几何特征与扩容空间发育之间的关系,探讨构造几何特征对金矿就位的控制作用,理解三山岛金矿带的形成过程,深化对三山岛金矿带构造控矿机理的认识。同时,为构造控矿显著的热液型矿床控矿规律与机制研究提供示范。

1 地质背景

胶东半岛位于华北克拉通东缘,西部以郯庐断裂为界与鲁西相邻,南部临近华南克拉通北缘,东部为太平洋俯冲带,是多构造单元复合部位[图1(a)]。区内地层主要有新太古界胶东岩群,古元古界荆山群、粉子山群等前寒武纪变质基底和晚侏罗世花岗岩、早白垩世花岗岩闪长岩以及中—基性脉岩等中生代岩浆岩(杨立强等,2019)。胶西北地区金矿床按矿化产出特征划分为蚀变岩型和石英脉型,前者资源量占据了胶西北矿集区金资源量的80%以上,绝大多数大型、超大型金矿床均属于蚀变岩型金矿(Wang et al.,2021)。

图1

图1   胶东半岛金矿区(a)和三山岛金矿(b)地质简图(据杨立强等,2019Liu et al.,2021c修改)

1.古近纪沉积物;2.白垩纪沉积物和火山岩;3.新元古代蓬莱群变质岩(1.1~0.8 Ga);4.古元古代荆山群变质岩(2.2~1.9 Ga);5.新太古代胶东群变质岩(2.9~2.5 Ga);6.超高压变质岩(变质年龄约为230 Ma)7.艾山花岗岩类(约为115 Ma);8.郭家岭花岗闪长岩(130~125 Ma);9.玲珑/昆嵛山花岗岩(160~155 Ma);10.晚三叠世花岗岩(230~205 Ma);11.岩石圈断层;12.区域断层;13.金矿体

Fig.1   Geological map of the Jiaodong Peninsula gold district(a) and Sanshandao gold deposit(b)(modified after Yang et al.,2019Liu et al.,2021c


三山岛金矿带位于胶东金矿集区的西端,区内岩石主要为新太古代胶东群、晚侏罗世玲珑花岗岩、早白垩世郭家岭花岗闪长岩及少量基性脉岩(宋英昕等,2021)。三山岛断裂带是区内的控矿断裂,其大部分被第四系覆盖,局部出露于地表,断裂主要由糜棱岩、碎裂岩和碎裂状岩石组成,发育连续而稳定的主裂面,呈舒缓波状,显压扭性特点[图1(b)]。断裂带总体呈NE向,走向约40°,局部走向发生大角度偏转,显张性特征,整体呈反“S”型展布(刘日富等,2019),反映出断裂带具有右行走滑特征[图1(b)]。在北部海域段平均走向为35°,到三山岛—新立段走向转为62°,在新立段走向转为20°延入渤海,而后在仓北以78°走向延至仓南,从仓南以走向13°往南西延长2 km,逐渐转为55°,至潘家屋子延入渤海(Zhang et al.,2020a)。倾向上,断裂带倾角平缓,平均约为40°,主要集中在35°~50°范围内,北部海域矿区局部倾角可达80°,整体向南东倾斜。断裂带严格控制着矿带内矿体和蚀变带的空间产出(陈玉民等,2019)。断裂带在北部海域矿区倾角变化较大,缓倾部位约为40°,陡倾部位可达85°。三山岛断裂带具有多期活动的特征,构造形迹经多次构造活动叠加改造,成矿前右行剪切应力场控制了断裂带的平面组合形态,断裂带早期以压扭性构造活动为主,成矿期构造应力场转变为左行压扭,主断裂整体具有挤压逆冲的特征,成矿后区域应力场发生多期转变,对前期构造、蚀变和矿化进行了切错和改造(杨奎锋等,2017)。

在上述构造变形作用下,矿体具有尖灭再现的空间分布特征,矿体主要产于断裂拐弯部位[图1(b)],如:三山岛和新立地区。剖面上,金矿体主要沿断裂倾角平缓部位分布(图2),在产状无明显变化的平缓部位,矿体连续性较好,矿化分布较均匀(郭彬等,2010);断裂陡缓变化部位常形成厚大矿体,如图2中Ⅳ剖面所示的北部海域矿床,断裂由陡变缓的缓倾段赋存有厚大矿体,深部与浅部矿体之间存在无矿间隔(宋明春,2015)。含矿段蚀变岩带较宽,发育有较多不规则、网脉状和细脉状硫化物脉体,见不规则状早期蚀变岩或石英角砾岩,呈张性变形作用特点,无矿间隔表现为蚀变岩带宽度变窄,主要发育绢英岩化蚀变,与矿化相关的脉体发育有限。三山岛矿带金矿石以黄铁绢英岩型和蚀变岩型为主,呈浸染状或细脉浸染状。矿体形态相对简单,呈似层状、透镜状或不规则状产出,常具有多处分支复合、膨胀夹缩的现象,整体矿化连续稳定。矿体倾角一般为20°~50°,矿体延伸(可超过3 km)远大于延长(多小于200 m),在同一断裂带具有相似的侧伏方向。

图2

图2   胶东三山岛金矿带勘探线剖面图(据宋明春,2015修改)

1.断裂;2.金矿体;3.勘探线编号

Fig.2   Profile of exploration line in Sanshandao gold belt,Jiaodong Peninsula(modified after Song,2015


2 原理和模型设置

2.1 FLAC3D数值模拟原理和方法

FLAC3D是一款基于显式有限差分算法的数值模拟软件,应用于模拟成矿系统中热对流、变形—流体流动和力—热—流耦合研究(Li et al.,2017Eldursi et al.,2020Liu et al.,2022)。上地壳岩石的弹塑性变形可由Mohr-Coulomb 本构模型(弹性—塑性)描述,流体流动遵循达西定律,流体流动模式受热力和变形的驱动,各量之间的耦合关系如图3所示。

图3

图3   FLAC3D力热流耦合模型原理

Fig.3   Principle of FLAC3D stress deformation-heat transfer-fluid flow coupling model


热流耦合满足傅里叶定律和线性Boussinesq近似方程,由傅里叶方程和达西定律计算由流体密度变化引起的流体流速和温度分布。首先,由傅里叶方程计算热传导条件下的温度分布,所计算出的温度,在下一模拟时间步中被用来计算流体密度,流体密度则在达西定律中被用来计算流体流速,而温度分布又可在热力方程中通过流体流速计算得到,进而在下一个模拟循环中计算流体密度和流体流速。

傅里叶方程为

qt=-KtT

式中:qt为热通量向量(W/m2);Kt为饱和岩石的热传导率(W/(m));T为温度梯度。

温度与流体密度关系方程可表示为

ρf=ρ0[1-βfT-T0]

式中:ρ0ρf分别为标准密度和由温度计算得到的流体密度(kg/m3)βf为液体的体积热膨胀系数(-1)。

达西定律为

q=-kμf[P+ρfgz]

式中:q为孔隙介质中的流体流量(m/s);k为渗透率(m2);μf为流体动力黏度(kg/ms);g为重力加速度(m/s2);P为压力梯度(Pa);z为竖直向下的单位向量。

在固流耦合过程中,使用Mohr-Coulomb本构模型模拟地壳的弹塑性变形。变形模型可以耦合流体流动和热传递。形变会改变各个块体单元的体积,这将导致孔隙压力的变化,而孔隙压力通过改变水头控制流体流速。孔隙压力变化也将导致有效应力改变,进而在下一个计算步中影响弹塑性变形。

液体质量守恒定义为

-qx+Qfv=ζt

式中:Qfv为体积流体源强度(1/s);q为特定点(x)的达西流向量;ζ为单位体积多孔介质流体体积的变化。流体压力和体积应变与流体体积模量的关系可表示为

Kf=-ΔPεv

式中:ΔP为流体孔压变化;εv体积应变。

动量守恒定律为

σijxi+ρgi=ρduidt

式中:σij为特定点的应力;xi为特定点的位置坐标;ui为动量。

2种驱动力的耦合(热对流和变形)涉及质量守恒方程,可表示为

Pt=M-q-αεvt+[βf+1-βs]Tt

式中:εv为体积应变;t为时间(s);M为比奥模量(等于Kf/Kf是流体体积模量);α为比奥系数。

2.2 模型设计

数值模拟的可靠性依赖结构精细的几何结构模型。为此,本文从基本的地质认识和现存的钻探数据出发,充分利用浅部数据,基于地质勘探数据(包括地质勘探剖面图和钻孔数据)开展了三山岛断裂带、矿体和矿体品位的三维建模[图4(a)],并结合深部信息与知识,基于重力勘探数据(重力等值线图)、大地电磁测深法数据(视电阻率剖面图等)和断裂带的结构特征对断裂带进行推断建模(毛先成等,2020),以保持断裂空间的完整性。根据断裂带上下盘岩石岩土分析数据对上下盘围岩进行整合建模[图4(b)],确保围岩模型能够反映真实的上下盘岩石性质差异。但实际岩性分布不严格以断层为界,本文在设置模拟参数时,在分析数据误差范围内取较为相近的上下盘物理参数,并通过了敏感性测试。

图4

图4   三山岛金矿带和地质体三维模型

Fig.4   3D model of the Sanshandao gold belt and geology body


成矿期三山岛金矿带地质体三维模型主要由上盘围岩、断层破碎带和下盘围岩组成[图4(b)],其中剥蚀层厚度设置为5 km(王偲瑞等,2020),当前勘探深度范围为3 km[图 4 (a)、4(b)]。

2.3 初始条件和边界条件

为理解三山岛断裂带构造几何特征对成矿流体迁移、沉淀成矿的影响,本研究选择三山岛矿区地应力原位应力测试数据和成矿期构造应力场推测数据作为模型的初始条件依据,其中区域内最大主应力方向为 NNW-SSE向(图5)(杨奎锋等,2017Li et al.,2018a杨立强等,2019)。

图5

图5   三山岛金矿带数值模拟模型构造应力背景

σH-水平最大主应力;σh-水平最小主应力;σv-垂直主应力

Fig.5   Tectonic stress background of numerical simulation model of the Sanshandao gold belt


本文将岩体孔隙压力设置为静水压力,所有孔隙都被水饱和,饱和度设置为1;在与东西两垂直边界上应用均匀对称给予向内收缩的压缩速度,模拟成矿期NNW-SSE向挤压的构造背景(杨奎锋等,2017杨立强等,2019);除地表外,模型的其他5个边界设置为不传热不透水边界(赵鹏飞等,2017);以地温梯度25 ℃/km作为初始温度梯度。

根据研究区岩石样品物理性质的测试数据,并参考《岩石和矿物的物理性质》手册及FLAC3D帮助文档的部分参数,本文中模型物理参数设置如表1所示。

表 1   模型物理参数

Table 1  Model physical parameters

属性胶东群变质岩花岗岩断层破碎带
密度/(kg·m-32 6802 6502 6001 000
体积模量/Pa5.2×10105.5×10102.3×10102×109
剪切模量/Pa3.4×10103.8×10103×107
黏度/Pa3×1075×1063×103
内摩擦角/(°)30302030
膨胀角/(°)253
孔隙度0.10.10.2
渗透率/m22.6×10-162.1×10-161×10-12
热导率/(J·m-1·℃-12.22.74.00.6
热膨胀系数1.6×10-52.4×10-53×10-51.85×10-3
比热/(J·kg-1·℃-1803.0803.0803.04 185.0

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3 模拟结果和讨论

考虑到三山岛金矿带成矿作用是构造变形与热液活动耦合作用的产物,本文在模拟思路的设计上采用变形和热对流2种驱动力同时驱动的耦合模拟方法,该方法能使各个物理特性(流体密度、温度和孔压)在这些计算中同时被模拟。本文选取变形初始阶段(压缩量为0.1%)和强烈阶段(压缩量为2%)来动态理解构造几何特征在构造变形过程中对矿体产出的控制作用。

3.1 断裂走向对矿体就位的控制作用

在水平方向上,三山岛金矿带存在矿化不均一分布的特征,矿化常见于断裂带拐弯处,并存在间断分布的特点(Zhang et al.,2020a)[图6(a)],这种分布可能反映了断裂在水平方向上的变形对矿体的产出具有控制作用。为查明内在控制机制,本文对比了-1 000 m中段剖面的矿化分布和剪切应变、体积应变分布特征(图6)。

图6

图6   三山岛断裂-1 000 m中段地质简图与应变模拟结果

(a)三山岛断裂-1 000 m中段地质简图;(b)体积压缩量为0.1%时,-1 000 m中段剖面剪切应变图;(c)体积压缩量为2%时,-1 000 m中段剖面剪切应变图;(d)体积压缩量为0.1%时,-1 000 m中段剖面体积应变图;(e)体积压缩量为2%时,-1 000 m中段剖面体积应变图

Fig.6   Geological sketch and strain simulation results of -1 000 m middle section of Sanshandao fault


由-1 000 m中段剖面剪切应变图[图6(b)、6(c)]可知,当体积压缩量为0.1%时,断裂带剪切应变发育不连续,主要发育在新立和西岭断裂拐弯处,且积累了较大的正体积应变[图6(d)]。随着模拟时间步的增加,断裂拐弯处的体积应变和剪切应变继续积累,应变值持续增大,当体积压缩量达到2%时,新立和西岭断裂拐弯处仍是剪切应变的极大值部位,金矿带内各矿区剪切应变与体积应变的积累区开始相互联通,在北部海域断裂拐弯处也出现了明显的应变高值[图6(c)、6(d)]。通过剪切应变和体积应变的发育情况可以判断剪切带、裂隙的发育部位,进而推断有利于成矿的空间位置(Zhang et al.,2011)。这说明随着构造演化(挤压)的推进,断裂带内部及其附近围岩裂隙继续发育,断裂的拐弯可以促进围岩裂隙的发育,形成破碎带或分支断裂等高渗透性构造。数值模拟结果所揭示的剪切带、裂隙显著发育的位置与大型金矿床的发育位置能够很好地吻合,揭示了断裂拐弯处是应变较大的部位,在构造活动过程中更易发育高渗透性构造,控制着矿体的就位。

3.2 断裂倾角对矿体就位的控制作用

三山岛金矿带在垂向上的矿化多产于倾角平缓或断裂陡缓转换部位(杨奎锋等,2017宋英昕等,2021),北部海域存在矿化间断分布于断裂平缓部位的特点(图2)。本节对比分析了三山岛金矿带的4条模拟结果剖面,以查明断裂倾角对矿体就位的机制。

模拟结果显示:当体积压缩量为0.1%时,断裂带与围岩剪切应变发育不明显,断裂带内剪切应变分布无明显差异,其值较围岩略大(图7),随着模拟时间步的增加,断裂带及靠近断裂带下盘的围岩剪切应变值显著增大,所形成的剪切应变高值分布区呈现浅部宽深部窄、宽度随断裂带深度的增加而逐渐收窄的趋势(图8),与韧性变形随深度增加而变强的规律一致(Zhang et al.,2020b)。剪切应变高值分布区在无明显陡缓变换的Ⅱ号剖面中收窄速率放缓[图8(b)],在Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ号剖面的显著陡倾部位迅速收窄[图8(a)、8(c)、8(d)]。该现象说明断裂倾角可能会影响剪切带的发育,即:在NNW-SSE向构造挤压的应力背景下,高倾角断层不利于剪切应变向围岩发展,导致难以形成宽大的剪切破碎带,故矿体常在该部位尖灭;低倾角断层则有助于剪切应变的传递,从而形成更宽大、破碎程度更高的剪切带,在成矿流体的共同作用下形成厚大矿化蚀变带(程南南等,2021Liu et al.,2021a)。

图7

图7   体积压缩量为0.1%时不同典型剖面剪切应变图

Fig.7   Shear strain maps of different representative sections with 0.1% volume compression


图8

图8   体积压缩量为2%时不同典型剖面剪切应变图

Fig.8   Shear strain maps of different representative sections with 2% volume compression


从体积应变分布图来看,当体积压缩量为0.1%时,断裂带及其附近围岩体积应变分布不均一,正体积应变(张性)发育于断裂带倾角发生变化或倾角平缓的部位,负体积应变(压性)发育于断裂陡缓转换的陡倾部位(图9),随着模拟时间步的增加,断裂带上盘围岩相对上移,断裂带倾角发生变化和倾角平缓部位的正体积应变增大,陡倾部位的负体积应变减小。在Ⅲ号和Ⅳ号剖面中,正体积应变极大值随断裂带转折交替分布于缓倾部位,在西岭、北部海域金矿体产状缓倾处加厚,陡倾处尖灭,与交替分布于断裂缓倾部位的矿化特征吻合[图10(c)、10(d),图2]。分别对比Ⅰ、Ⅱ号剖面[图10(a)、10(b)]与Ⅲ、Ⅳ号剖面[图10(c)、10(d)],断裂倾角较小的Ⅲ号和Ⅳ号剖面相比断裂倾角较大的Ⅰ号和Ⅱ号剖面,体积应变值更大,体积应变高值分布区(黄色及红色区)更大,并且Ⅰ号和Ⅱ号倾角变化相对较小,正体积应变分布较为均匀,这与图4所示的Ⅰ号和Ⅱ号剖面简图中矿体分布均匀的规律一致。对比Ⅱ号和Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号剖面,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号剖面中断裂倾角超过60°的陡倾部位体积应变小于0,而Ⅱ号剖面中陡倾部位的断裂倾角值约为55°,没有明显的负体积应变区。这说明断裂带体积应变值与其倾角大小存在关联,即:倾角较小的缓倾断裂的发育可能会促进围岩地层破碎产生裂隙,增大渗透率,而倾角较大的陡倾断裂的发育则促进裂隙愈合,减小渗透率。因此,成矿流体更容易长时间汇聚、赋存于断裂带缓倾部位,从而发生矿化。

图9

图9   体积压缩量为0.1%时不同典型剖面体积应变图

Fig.9   Volume strain maps of different representative sections with 0.1% volume compression


图10

图10   体积压缩量为2%时不同典型剖面体积应变图

Fig.10   Volume strain maps of different representative sections with 2% volume compression


3.3 构造几何特征控制矿体就位的综合分析

上述模拟结果显示,三山岛矿带金矿化的定位与断裂构造关系密切,体积应变较大的位置往往是金矿化的主要产出部位(图6图10)。本文进一步从三维空间中全面理解构造几何形态特征与矿化产出之间的关系。

在构造变形初期[图11(a)],体积压缩量和断裂带变形量较小,正体积应变主要在倾角和走向同时变换的新立、西岭区域积累。随着模拟时间步的增加,体积压缩量增大至2%时,新立和西岭地区的体积应变值仍显著大于仅有倾向或走向变化的三山岛和北部海域地区[图11 (b)],说明构造几何在走向和垂向变化的耦合会产生水平和垂直变形累加的效果,且随着构造活动演化,体积应变增大,暗示着剪切带和裂隙的进一步发育,可能容易发育为分支断裂和交叉断裂。

图11

图11   三山岛断裂面体积应变、流体与金矿关系

(a)体积压缩量为0.1%时体积应变、流体与金矿关系;(b)体积压缩量为2%时体积应变、流体与金矿关系;(c)新立矿区细节;(d)三山岛矿区细节;(e)北部海域矿区细节

Fig.11   Relationship among volumetric strain,fluid and gold deposits in Sanshandao fault surface


流体迁移模拟结果显示,流体流动方向随着模拟时间的增加变化不大,三山岛金矿带内三山岛、西岭和北部海域地区流体迁移方向主要为由北东深部向南西浅部运移[图11(b)、11(d)、11(e)],新立地区表现为自南东深部向北西浅部运移[图11(b)、11(c)],这可能与新立矿区走向和倾角均变化较大有关。新立地区断裂走向自南向北出现NE-EW-NE向的转变,倾向上由陡变缓,这种组合变化促进正体积应变叠加发育,形成了较大规模的体积应变大于2%的扩容空间,控制流经新立地区的部分流体自南东深部向北西浅部的大型扩容区汇流。而三山岛、西岭和北部海域地区走向、倾向的联合变化所形成的扩容空间控制了三山岛地区流体自北东深部向南西浅部的运移趋势[(图11(b)、11(d)、11(e)]。因此,正体积应变值大,不仅意味着剪切带和裂隙的显著发育,而且会影响流体迁移方向,促进流体向体积应变较大的区域汇流(Li et al.,2018bPoh et al.,2020Liu et al.,2021a)。已探明金矿床的分布位置与正体积应变的极大值区域吻合较好,北部海域的无矿段与负体积应变相吻合[图11(b)、11(e)],在断裂带走向和垂向同时发生变化的新立和西岭地区金品位较大[图4(a)],表明金矿化的定位受控于容矿构造的空间位置。断裂带走向和垂向形变的时空匹配,有利于围岩及断裂带裂隙进一步发育,促使成矿流体持续汇聚并成矿。

流体迁移方向往往与矿体的侧伏规律一致,以往研究常用矿体的侧伏规律来推断深部流体的运移方向(王偲瑞,2020Ma et al.,2021Song et al.,2021b)。在三山岛金矿带,以往研究普遍认为矿体侧伏方向为NE向(宋明春,2015张宝林等,2020),因而深部勘探工程多布置在已知矿体的北东侧。本文建立的矿体三维模型显示,三山岛金矿带的矿体具有明显的分支复合特征,空间结构较为复杂,特别是南部的新立矿区,未表现出明显的NE向侧伏[图4(a)]。模拟结果显示:三山岛矿带内三山岛、西岭和北部海域的深部成矿流体来源方向为NE向[图12(b)、12(d)、12(e)],而新立地区为SE向[图 12(b)、12(c)],这可能与新立地区断裂走向自南向北具有NE-NEE-NE向转变,倾向上由陡变缓的构造组合促使流体迁移方向自深部向浅部发生NE向偏转有关。因此,根据体积应变及流体运移方向,推断在新立矿区SE向深部及三山岛、新立和北部海域NE向深部有较大成矿潜力[图11(b)]。

4 结论

(1)三山岛断裂带在构造变形过程中,断裂倾角和走向变化处是应力和应变较发育的部位,在断裂缓倾部位容易形成扩容区,体积膨胀,在断裂陡倾部位容易形成压缩区(不利于成矿),压缩区与陡倾部位相间分布形成圈闭,成为金成矿的有利空间。不同方向的产状变化耦合作用于同一部位,能达到部分应变叠加的效果,成为局部最大剪切应变和正体积应变(张应变)积累区,对断裂分支复合及多条断裂交叉的控矿作用有一定启示意义。

(2)三山岛断裂倾角和走向变化程度影响着剪切应变的大小和分布,倾角或走向变化越大,其所形成的与主压应力成锐角的部位(垂直方向的缓倾部位,水平方向的拐弯处)的剪切应变和体积应变越大,且与主压应力垂直的部位(垂直方向的高倾角部位)不利于围岩发育剪切应变。当断层产状变化不大时,断层内缓倾部位正体积应变发育较均匀。

(3)三山岛断裂面内流体运移方向容易受断裂面构造几何特征影响,倾向于向构造转折端汇流,三山岛断裂面流体多自北东深部向南西浅部运移,在新立地区流体自南东深部向北西浅部运移。三山岛矿带内新立地区SE向深部,以及三山岛、西岭和北部海域NE向深部为有利成矿部位,宜作为未来深部勘探的重点区。

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http://www.goldsci.ac.cn/article/2022/1005-2518/1005-2518-2022-30-3-352.shtml

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