显微构造研究在新城金矿成矿深度测算中的应用

陈小龙，吕古贤，唐朝永，郭涛，董敏

(1.湖南有色地勘局 二四七队，湖南 长沙410129;2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081;3.中国石油大学(北京)地球科学系，北京102249)

显微构造研究在新城金矿成矿深度测算中的应用

陈小龙1，吕古贤2，唐朝永1，郭涛2，董敏3

(1.湖南有色地勘局 二四七队，湖南 长沙410129;2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081;3.中国石油大学(北京)地球科学系，北京102249)

以山东新城金矿为例，探讨了显微构造研究在构造类型及期次判别、构造变形测量、构造差应力换算以及成矿深度测算中的应用，并首次测算出新城金矿-530 m中段的成矿深度为1781.29 m。

显微构造;成矿深度测算;新城金矿

0 引 言

矿床成矿深度的测算是成矿预测研究中带有基础理论和基本地质构造背景意义的问题。传统的估算成矿深度的方法有地质再造法、矿床地质推算法和包裹体测算法(吕古贤和孔庆存，1993)。其中包裹体测试换算法较容易，结果可信度较高，但是，这种方法忽略了岩石在成岩成矿过程中所受到的古地应力的影响，认为地下任何深度的压力状态都相当于上覆岩柱的重量，这种假设否定了岩体内构造应力的存在，而研究发现，构造应力是岩石所受的主要应力之一，所以在深度测算中必须考虑水平方向的构造力作用，对原有的测算方法进行改进(吕古贤和孔庆存，1993)。重力和构造力各自的应力状态可以看成是一个等应力状态叠加一个差应力状态，两者再叠加成一个总应力状态，而各向不等的构造差应力部分由显微构造如位错密度、亚颗粒构造等形成的古应力计所测得，最后用构造差应力对总应力状态进行校正，及得到构造校正测算的成矿深度。

显微构造是研究显微尺度下，在应力作用下岩石、矿物、晶格变形及其变形机理的一门构造地质学的分支科学(何永年等，1985;刘瑞珣，1988;郑伯让和金淑燕，1989)。以往的显微构造研究(陈国达，1985;聂江涛等，2010)往往作为宏观构造研究的一种辅助手段，而未引起足够的重视，起到它应有的作用。成矿深度的构造差应力校正测算的关键在于通过构造研究对岩石所受应力进行校正，故而在测算过程中，构造应力的研究就显得尤为重要。除了宏观构造的定性观察外，主要运用的是显微构造研究手段，对较小尺度的构造变形样式、变形期次、变形量大小进行分析测算，从而换算出成岩成矿期构造附加静水压力值的大小。本文在新城金矿显微构造研究和相关应力测算的基础上，对其成岩成矿深度进行了构造差应力校正测算。

1 新城金矿地质概况

山东省新城金矿是典型的破碎蚀变岩型特大型金矿，是著名的焦家金矿田内的主要矿山之一，于20世纪80年代初建成投产。胶西北地区是我国重要的金矿矿集区，其西侧为郯-庐大型走滑断裂，断裂以西为鲁西地块，以东是胶东地块，两地块之间又被称为鲁中地体(李碧乐等，2004;吕古贤等，2007)。胶西北地区属滨太平洋成矿带西部中-新生代活动的大陆边缘带，是构造作用、变质作用、岩浆作用和成矿作用继承性活动地带(郭涛等，1999;邱连贵等，2008)。

矿区内地层主要出露有新生界第四系松散堆积物和零星的胶东群苗家岩组地层。岩浆岩主要有玲珑超单元崔召单元的弱片麻状中细粒含石榴二长花岗岩、郭家岭超单元上庄单元的巨斑状中粒花岗闪长岩和少量脉岩。区内主要构造为纵贯全区的焦家主干断裂，矿区范围内控制长约2100 m，穿切玲珑超单元展布。断裂破碎带宽80～150 m，总体走向40°，倾向北西，倾角26°～34°。还有派生的不同级别、不同序次的断裂构造。这些断裂构造直接控制了区内的各含矿蚀变带，使区内的金矿床与断裂带有密切的成生关系。紧邻主裂面之下的糜棱岩、角砾岩、碎裂岩带控制了Ⅰ号矿体，而其下的花岗质碎裂岩带控制了Ⅴ号矿体。矿石类型主要为黄铁绢英岩质碎裂岩型，其次为黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩型。金属矿物主要有:黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿等，黄铁矿是金的主要载体矿物。脉石矿物主要为石英、钾长石、绢云母、斜长石、绿泥石、方解石等。石英为金的最主要载体矿物。流体包裹体温压条件研究发现，新城金矿成矿包体的捕获温度在220～340℃之间，其压力值在81～103 MPa之间(陈小龙，2010①陈小龙.2010.胶东新城金矿控矿构造解析及分形动力学研究.西安:长安大学硕士论文:64-68.)。

2 显微构造研究及其成矿深度测算

为了系统研究新城金矿控矿构造及岩石变形的显微特征，作者系统地采集了定向构造样品。样品采集中，以-530 m中段175穿脉为剖面，进行系统的地质观察、蚀变分带、构造测量和样品采集(图1)。其中显微构造定向标本采集中，在观察分析构造岩的类型及其分布规律的基础上，尽可能选择新鲜的岩石，并标明其产状要素。本次显微构造薄片由中国地质科学院地质力学研究所磨制，镜下观测在长安大学显微构造实验室完成。

图1 构造观测采样示意剖面图Fig.1 The profile showing the locations of observation and sampling for structure

2.1 构造变形的类型及期次

通过对新城金矿定向薄片的系统观察，可以大体归纳出新城金矿岩石变形的显微构造类型。主要的显微构造类型有:波状消光与镶嵌消光(图2a)、变形纹(图2b)、肯克带(图2d)、亚颗粒构造、构造重结晶(图2d)、核幔构造、旋转碎斑系(图2e)、显微裂纹(图2c，f)等，除以上较典型的显微构造类型外，还发现有云母鱼、花边结构等显微构造。

新城金矿的构造运动总体上可以分为两期，即早期的塑性变形和晚期的脆性变形。塑性变形的样式较多，其中主要的有动态重结晶(图2d)、变形纹(图2b)、波状消光(图2a)和核幔构造等，而次要的还有静态重结晶、旋转碎斑等构造。塑性变形期属于在相对较高温压条件下的构造变形，岩石处在相对较深的构造层次中，这个阶段的成矿作用较弱。矿区的脆性变形有剪切挤压性的(图2c)，也有张性的变形(图2f)及碎裂岩等其他脆性变形。沿着脆性裂隙多有绢云母化蚀变、石英脉充填等现象，其中张性裂隙往往空间较大，石英等充填物多沿两侧裂隙壁发育，往中间则为绢云母化和石英晶体的波状消光，也可以见到黄铁矿等金属硫化物晶体。而剪性微裂隙往往延伸较长，平直而无充填物，不过沿裂隙有绢英岩化等蚀变现象。可以看出，脆性形变期是岩浆期后的构造活动产物，构造层次较浅，变形较弱，但是岩浆期后热液的灌入使其所产生的构造裂隙空间成为很好的容矿场所。这一时期是较重要的成矿期。

图2 新城金矿显微构造样式Fig.2 Microstructure style for the Xincheng gold deposits

2.2 构造应变测量

这里所指构造变形主要是指岩石在塑性变形过程中，矿物晶体受构造应力作用所产生的三维变形。为了从三维空间上实际测算岩石应变及古差应力(图3)，需要在岩石样品上选择两个相互垂直、近平行于主应变面的切面开展观测和计算。本文采用了构造地质分析软件Straindesk 1.1对岩石构造形变进行人机交互测量，在显微镜下挑选石英动态重结晶较发育的视域进行逐一照相，然后将照片导入Straindesk 1.1软件，进行系统测量(图4)，并通过加权平均对测量结果进行处理，所得即为变形岩石石英动态重结晶颗粒的长短轴之比(表1)。

图3 岩石应变和应力状态示意图Fig.3 Schematic diagram of the strain and pressure status of the rocks

图4 在Straindesk 1.1软件中的矿物长短轴测量切图Fig.4 Cut chart for the measurements of mineral's main axis at Straindesk 1.1

表1 岩石构造变形测量结果表Table 1 The measurements table of structure deformation

2.3 成矿期构造差应力值测算方法

传统的古构造应力值测算方法主要有:岩石力学实验资料的推断方法、地质力学分析基础上数学解析的估算方法和显微构造的估算方法(刘瑞珣，1988)。显微构造方法又可细分为矿物机械双晶测算方法、位错密度统计测算方法、重结晶颗粒大小测算方法和亚颗粒大小测算方法等等。作者采用石英位错密度测算方法和动态重结晶颗粒大小测算方法来恢复成岩成矿期的构造应力场。位错密度统计测试在中国地质大学(北京)地学实验中心完成，实验设备为LBS-2离子减薄仪和日立H8100透射电子显微镜。测得新城金矿-530 m中段构造岩的差应力大小为82.56～106.28 MPa。

构造应力场恢复的是地质历史时期中较强的构造应力场，因为在地质工作中只能根据构造形迹(永久变形)来恢复地史上的构造应力场，而所依据的永久变形，主要是塑性形变。但为了与实际应力应变接近，不宜利用大变形的岩石和矿物(刘瑞珣，1988)。同时，理论计算表明，在106～108 a期间可以把地壳当作弹性体对待(王仁等，1982)。在同一应力场范围内，对于不同构造性质和部位的地段将采用不同的换算系数，一般在测算深度时应尽可能采用挤压或压扭性构造变形岩带的样品和数据。

本文采用吕古贤和孔庆存(1993)推导得出的计算公式进行差应力计算。所获得的应力值需要考虑其所在的构造变形位置，不同的构造变形位置的众值换算参数不同。位错构造是塑性变形的产物，吕古贤(1991，1997)研究认为只有当ε1=εe3+εp1，ε3=εe3+εp3，且 εp＞ ＞ εe时，我们假设，也就是，式中εe、εp分别为弹性应变和塑性应变，才可能联立方程。式中ν为泊松比:

2.4 成岩成矿期构造附加静水压力值的计算

通过对石英位错密度的最高分布值区测量所得的主应力值，接近于最高限值。为了得到应力强度的众值，需要进行相关的换算。岩石中所保留的构造变形形迹是构造强烈活动的印记，而一般热液矿床的金属硫化物是在构造应力相对松弛的构造应力场转化期间形成的，因此测算的应力值要进行再一次的换算。需要再给定一个系数，吕古贤和孔庆存(1993)给定的胶东地区蚀变岩金矿的经验值为0.618。对所得应力数据进行降阶处理，处理后的应力值大体上相当于成矿期间的构造主应力。

将前文方程组所测算出的三个构造主应力值的平均应力定义为构造附加静水压力PS:

该值即为所需的构造附加静水压力值，即使前面测量的应变面和测算差应力的切面不是很准确的主应力面，也不会影响得到同样的值。

2.5 地质作用深度推算

深度即所研究对象到地表的垂直距离，这是一个不断变化的值，因为不同成矿时期地表的起伏不同。一般所称深度，即是指上覆岩石的厚度。地质作用深度实际上也涉及成矿深度及成岩深度。因为P和PS的量纲及物理意义是一致的，从总成岩成矿的压力P值中可以消除构造附加静水压力部分PS。所谓经构造矫正的方法计算深度就是利用P=PS+PG关系获得这部分剩余的压力PG，即仅用重力附加静水压力PG来换算上覆岩石厚度。前人研究认为地壳岩石的重力并不是完全形成各向等正压应力——静水压力状态，为了更接近于地壳中的实际情况，本文按吕古贤和孔庆存(1993)采用的算式的推导值来换算深度数据。

2.6 测算结果分析

在前期相关资料准备的前提下，以-530 m中段所采样品为基础，对新城金矿的成矿深度进行了构造校正测算。首先对相关参数测算:

设ν值为0.25，用公式计算得到三维主应力值为:

则构造附加静水压力值(PS)为:

取蚀变岩密度的均值为2.81 g/cm3，由此，取每100 m高且底面积为1 cm2的岩柱产生的重力为:

经过压力的构造校正，新城金矿-530 m中段所承受的重力附加静水压力的实测值PR为:

则计算形成的深度HR为:

这里的深度即所研究对象到地表的垂直距离，即上覆岩石的厚度。考虑到采样深度为-530 m中段，可以据此推算新城金矿上覆岩石剥蚀量为:1251.29 m。其成岩成矿深度比玲珑金矿的3454.97 m(吕古贤等，1999a)更浅，而与同矿田的焦家金矿2243.6 m(吕古贤等，1999b)相当。因此，新城金矿地表剥蚀量小，矿体保存良好，往深部应有很好的资源前景。

3 结 论

(1)本文在新城金矿构造岩石的显微构造系统分析的基础上，采用位错密度法测算得到新城金矿-530 m中段构造岩的差应力大小为82.56～106.28 MPa。

(2)测算了新城金矿-530 m中段成岩成矿的三轴应力值分别为:

(3)通过显微构造研究及构造差应力校正测算，测得新城金矿 -530 m中段的成矿深度为1781.29 m。

(4)在成矿深度测算过程中，加强对被测量岩石的显微构造的应力应变研究，无疑会使测量结果更加精准。

致谢:在论文写作中，得到新城金矿赵海工程师的热情帮助，在此谨致谢意。

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Microstructure Study in Estimating the Depth of Mineralization for the Xincheng Gold Deposit

CHEN Xiaolong1，LV Guxian2，TANG Chaoyong1，GUO Tao2and DONG Min3
(1.247Geological Party，Hunan Bureau of Nonferrous Geological Exploration，Changsha410129，Hunan，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100081，China;3.Department of Geoscience，China University of Petroleum，Beijing102249，China)

The traditional method of estimating the depth of mineralization ignores the ancient stress for the rocks at the time of diagenetic mineralization.So Lv Guxian proposed the tectonic stress correction for the method of estimating the depth of mineralization.It is based on the recovery of the tectonic stress of the deformed rocks，which means，first of all，we should eliminate the additional hydrostatic tectonic stress，the hydrostatic pressure of diagenetic mineralization，then，measure the thickness of the covered rocks.This method emphasizes the importance of microstructure study of the deformed rocks in measuring the tectonic stress and the size of tectonic deformation.The calculated results of the depth for diagenetic mineralization is corrected by studying of microstructure.This article discusses the use of microstructure study in measuring the depth of diagenetic mineralization for the Xincheng gold deposit，the usefulness of microstructure study for structure type，stage，tectonic deformation，tectonic differential stress，and measure the depth of mineralization.Finally，we get the result of the measure for the depth of mineralization for the Xincheng gold deposit for the first time.It was 1781.29 m at the-530 m mid segment.

microstructure;measure the depth of mineralization;Xincheng gold deposit

P542;P612

A

1001-1552(2011)04-0612-006

2010-09-25;改回日期:2011-06-16

项目资助:国家自然科学基金项目(40972061)和危机矿山新技术方法示范项目(200799095)联合资助。

陈小龙(1982-)，男，构造地质学专业硕士，现在从事矿床地质工作。Email:hascoff@163.com