剪切带断层泥特征及其在胶东金矿床研究中的应用

高帮飞，杨立强

（1．中铁资源地质勘查有限公司，北京100039；2．中国地质大学（北京），北京100083）

0 引言

世界上许多金矿床产于剪切带构造中，在我国胶东和小秦岭，加拿大Abitibi、西澳Yilgarn、印度Hutti－Maski等地区都发现大量此类金矿床。由于剪切带演化及成矿过程中强烈的构造、流体叠加改造，许多早期构造形迹已无法恢复，使得剪切带构造－流体－成矿作用研究显得十分困难。

细粒化和断层泥的形成是地壳大中型断裂带的重要特征［1］。研究表明，作为断裂活动的重要载体，断层泥研究可以获得断裂活动时代［2］、断裂方式［3－4］和物理环境［5］方面的大量信息。更重要的是，热液蚀变过程中伊利石（绢云母）、伊－蒙混层的形成温度集中于300～100℃［6］，正好对应着中低温热液金矿床形成的温度范围。同时，由于断层泥具有组成和结构上的特性，可以影响剪切带水－力性质［6－12］，进而制约剪切带构造变形、流体输运及水－岩反应等物理化学作用，这无疑对剪切带金矿床的形成和分布产生重要影响，而前人缺乏对这方面的讨论。本文在综述前人对剪切带断层泥组成、结构特征的基础上，以胶东金矿集中区为例，探讨断层泥的演化对剪切带构造－流体作用、脆－韧性变形转换以及金矿化形成和分布的控制作用。

1 断层泥的成分特征

黏土是断层泥的主要成分［13］。一般认为，断层泥中黏土矿物组成与蚀变过程的物理化学环境有关［8］。Klima等［14］通过对东阿尔卑斯地区247块断层泥样品的统计分析表明，尽管断层泥矿物组成对母岩有一定的依赖，但整体组成还是显示出相似性。断层泥组成主要为黏土矿物和少量石英、长石和极少量的碳酸盐矿物。对粒度＜2×10－6m的黏土矿物的统计分析发现，黏土矿物相对含量由高到低依次为：伊利石（49．0%）、蒙脱石（24．9%）、绿泥石（18．4%）、高岭石（5．9%）、混层矿物（1．5%）和蛭石（0．2%）。

黏土矿物因其层状结构、颗粒细小以及带电粒子表面等特征而具有许多特殊性质。由于不同种类 黏土矿物颗粒的各向异性程度和层电子数不同，其力学性质也存在差异。大量实验研究表明，不同种类黏土矿物具有不同的剪切强度［14］。干的纯黏土矿物的剪切强度由高到低大致为：高岭石＞伊利石＞绿泥石＞伊－蒙混层＞绿泥石－蒙脱石混层＞蛭石＞蒙脱石。由于层状硅酸盐均含有结晶水或结构水，在断裂的过程中，它们可通过以下方式改变剪切带水－力学行为［8］：①增强各向异性，降低剪切强度；②改变孔隙度和渗透率；③储存或释放大量流体；④增加剪切过程中流体压力。

2 断层泥的粒度分布

断层泥的粒度分布包含断裂作用的重要信息。归纳起来，剪切带内断层泥粒度分布的一般性规律［3，15］为：①粒度分布具有分形特征；②垂向上，随着深度增加，断层泥平均粒度呈减小趋势；③横向上，剪切带内靠近滑动面，断层泥平均粒度减小。断层泥的细粒化和粒度分形分布被认为与剪切带力学作用有关［8－9］。尽管不同断裂带的母岩特征、断裂作用的时间长短和作用方式不同，但断裂带碎裂岩和断层泥形成都经历了碾磨和旋转等类似的力学过程。这种力学作用存在于不同尺度，从而造成了颗粒粒度分布的自相似［4］。

Billi and Storti［10］系统探讨了剪切带力学过程与断层泥粒度分维值（D）之间的关系。对意大利南亚平宁 Mattinata断裂的研究发现，在4．0～0．125 mm内，断层泥粒度分布具有分形特征，分维值在2．091～2．932之间，集中于2．5左右。研究认为，断裂带破碎演化主要经历了3期：①早期破裂作用（fracturing）是颗粒粉碎的主要机制，D值多小于2；②中期强制碾磨（constrained comminution）和剪切滑动局部化（slip localization），D值为2．58左右；③晚期大颗粒旋转磨损，D值在2．7左右。Billi（2005）进一步研究发现，断层泥粒度分维值与断层泥厚度呈正相关关系。当断层泥厚度为断裂带厚度的3%时，D值为2．2；角砾岩带破碎、磨损、旋转进一步细粒化，并逐渐与相邻的断层泥混合，断层泥不断加厚，原有的角砾带不断减薄；当断层泥厚度增加到断裂带厚度的90%时，D值增加到3．0。

因此，断层泥粒度分维值可作为剪切带力学作用时空演化的重要指标。断层泥的粒度变化往往从母岩的碎裂开始，随着磨损、旋转作用的增强，其粒度逐渐变小。也就是说，断层活动时间越长，强度越大，断层泥的厚度越大，成熟度越高，其粒度分维值越低。据此，剪切带断裂面上的断层泥粒度分维值大于断裂面两侧断层泥粒度分维值；主断裂断层泥粒度分维值大于次级（分支）断裂断层泥粒度分维值［3］。由于剪切带总位移增加时，次级裂隙的数量也增加，若每个次级裂隙都产生断层泥，那么断层泥的总厚度就可用来推断剪切带的位移量［15］。

3 蒙脱石－伊利石转化

3．1 转化机制

蒙脱石的硅铝层间最多可以包含3层水分子（图1）。蒙脱石的水化作用受温度、压力和流体成分的影响。层间水的丢失，会使蒙脱石高度活化而倾向于吸收K＋，并转化为伊利石。断裂作用、温度升高、应力导致的黏土颗粒缺陷、变形生成孔隙、水／岩比增大，都会促使蒙脱石的伊利石化［16］。

图1 蒙脱石结构与有效应力的关系［9］Fig．1 Relationship between smectite texture and the imposed effective stress

研究表明，有效应力增加可促使蒙脱石脱水，从18．5×10－10m 向15．4×10－10m 状态转变（图1），这一过程只需1．3MPa的有效应力［17］；Casciello et al［9］研究发现，剪切带高应变区泥质岩中的黏土矿物主要为伊利石，而弱变形泥质岩则以伊－蒙混层为主，据此认为是剪切应变导致了蒙脱石脱水和向 伊利石转变；Vrolijk and van der Pluijm［13］的研究也发现，从断裂上盘的弱应变带靠近主变形带，断层泥样品中的伊利石／伊－蒙混层比例由30%增加到80%以上；Ho et al［18］认为，初始蒙脱石向伊利石的转化同高应变条件下层状硅酸盐的优选定向有关；此外，断层泥粒度分维值总体与断层泥中伊利石含量存在一定正相关关系［3］，也从侧面反映了应力和应变在伊利石形成过程中的重要作用。

蒙脱石向伊利石转化主要有稳态转化和溶解－重新结晶2种方式［16］。转化过程中释放大量流体，这些自由水可以降低剪切带有效应力从而促使断裂滑动。同时，黏土体积变化形成了良好的孔－渗条件，提供了流体输运通道；随着水／岩比的增大，又进一步促进黏土矿物的溶解和重新结晶［19］。

3．2 对剪切带水－力行为的影响

断层泥中黏土矿物不仅仅是作为力学或者断裂局部化的产物，黏土矿物反应和断裂力学的相互作用应是同一过程。蒙脱石向伊利石的转化也影响着剪切带的水－力性质。

一般来说，断层泥的摩擦强度与黏土矿物的种类、比例和颗粒结构有关［5］。纯蒙脱石为最弱的矿物，内摩擦系数为0．08～0．14，伊利石的内摩擦系数较高，为0．22～0．48［20］。蒙脱石向伊利石转化会影响断层泥的内摩擦系数和变形强度，可能导致断裂从稳滑变到黏滑［21］。从蒙脱石的结构（图1）可以看出，蒙脱石成岩过程中会释放3次层间水。蒙脱石不同的水合阶段可导致流体压力的波动，强烈影响剪切带岩石变形和有效应力变化。一旦成岩作用过程中黏土没有发生脱水，那么将会导致孔隙流体压力超过静水压力。如果存在超压流体周期性迁入并且在断裂带内循环，将伴随着有效应力的降低，进而引发断裂作用［22］。

4 断层泥孔、渗结构

断层泥遭受剪切变形时，其体积和渗透率降低，形成沿剪切带的渗透率各向异性［7］。黏土颗粒定向排列形成的物理障，对流体的水力传导性有着显著影响。平行于剪切面方向流体的传导性可能比垂直方向上高出几个数量级［23］。Faulkner and Rutter［24］的测量结果表明，断层泥不同方向的渗透率相差3个数量级，平行于剪切面方向渗透率为n×10－18，而垂直于剪切面方向渗透率为n×10－21。Zhang et al［25］的实验研究发现（图2）：①伴随着剪切位移的增加，断层泥应变增强，渗透率逐渐降低；②相同有效应力条件下，平行断裂带的渗透率要比垂直断裂带的渗透率高出1～2个数量级，而当有效应力从25MPa增加到100～125MPa时，2个方向上的渗透率都降低1～2个数量级。

图2 断层泥渗透率与剪切位移关系［25］Fig．2 Permeability as a function of shear displacement

断层泥孔、渗结构还受剪切带流体压力和水－岩化学反应的影响。矿物的溶解可以增加孔隙度和渗透率，而新生黏土矿物的生成则缩小了空隙空间，使流体压力提高，有利于发生断裂作用，造成孔隙扩张，导致下一轮热液蚀变作用的发生［26］。利用圆形剪切装置，对压实的水饱和沉积物进行缓慢地加载（2～800mm／d）也发现，剪切过程中出现周期性的孔隙扩张、孔隙水压力降低和剪切带强度增加。之后，孔隙压力恢复，剪切带强度又降低［27］。

5 在剪切带型金成矿中的应用：以胶东金矿床为例

胶东地区是我国著名的剪切带型金矿床集中区［28－29］。该区大多数矿体都赋存于NNE向断裂带中，主断裂断层泥之下。矿床形成被认为与成矿期断裂带从左行压剪向右行张剪转换阶段的脆－韧性构造叠加作用有关［30－31］。矿石类型主要为破碎带蚀变岩型和石英脉型。

5．1 断层泥厚度与矿化强度

NNE向控矿剪切带在平面和剖面上都呈现舒缓波状，显示了断裂带不同部位可能存在变形差异。以招平断裂带为例，断裂带北段的大磨曲家金矿断层泥厚度一般5～20cm，相邻的台上金矿断层泥厚 度最大为50cm；南段的夏甸金矿，主断裂带断层泥厚度均为数米以上；断裂带中段大尹格庄金矿的断层泥厚度一般为5cm，很少超过10cm。反映了断裂带南、北段变形较强，而中段变形较弱。磁组构各向异性P值常用来刻画岩石的变形强度［32］。研究发现，大磨曲家和夏甸金矿断裂岩磁组构各向异性P值较高，平均值分别为1．119和1．085；大尹格庄金矿较低，平均为1．032。表明后者变形相对前者弱，这与招平主断裂带断层泥厚度所揭示的变形强弱结果基本一致。

招平断裂带断层泥厚度差异可能反映局部地段断裂活动时间、频数和强度的差异。断裂的多期次活动，可以引起流体多次汇聚以及矿质的不断叠加。研究表明，断层泥厚度与矿石品位大体呈正相关关系。无断层泥或断层泥厚度＜0．5cm的地段含矿很差；断层泥越厚，矿石品位越高［33］。

5．2 断层泥形成演化与剪切带脆－韧性转换

300°C左右热液条件下［6］，破碎带岩石中的长石被细粒石英和绢云母所交代。后期的剪切构造变形集中于这些含黏土的破碎带，致使新生层状矿物强烈定向，彼此连通［12］，导致应变局部化和宏观的韧性变形的形成。而含黏土破碎蚀变带旁能干性较强的岩石以脆性变形为主，形成构造透镜体带或者密集节理带。也即剪切带不同部位形成了脆－韧性2种不同性质的变形。在招平主断裂面下盘可见大量强－弱层相间、脆－韧性共存的现象（图3）。韧性带形成后，如果蒙－伊转化和流体涌入，又可造成断裂带内流体压力增加和有效应力降低，促使断裂作用、矿质沉淀和应变硬化，致使韧性向脆性变形的转换。

图3 夏甸金矿－652m中段的脆－韧性变形共存Fig．3 Co－existence of brittle and ductile shearing at level 652m，Xiadian gold deposit

5．3 断层泥各向异性与矿化蚀变网络

研究表明，长石被层状绢云母（或伊利石）交代过程中会引起变形岩石体积亏损和流体的大量汇聚［34］。其反应为：

反应式中，括号中的数值为各成分的摩尔体积Vm／cm3·mol－1。

该反应将自发进行，因为新的孔隙空间的形成会增加渗透率，促使进一步的化学反应，又生成新的孔隙，如此反复。黏土矿物的大量生成，增强了剪切带的各向异性。定向排列的绢英岩化蚀变岩石，形成线性强应变带，而夹于线性强应变带之间的是透镜状或长条状的破碎围岩组成的弱应变域（图4）。垂向上，流体可以通过断层泥和破裂围岩透镜体（破裂围岩的渗透率比断层泥任何一个方向的渗透率都要高）；水平方向上，由于断层泥平行断裂带的渗透率比垂直断裂带的渗透率低很多，流体横穿断层泥的速率受到很大限制［24］，因而形成了沿断裂带方向的蚀变网络。

图4 焦家－新城断裂带构造－蚀变网络示意图Fig．4 Schematic representation of structural－mineralizing networks of Jiaojia－Xincheng fault zone，Shandong province

图5 夏甸金矿不同类型的矿石Fig．5 Two different kinds of ores in Xiadian gold depsist，Shandong province

强应变带以剪切作用为主。由于主剪切变形带是热流量大、岩石破碎程度和渗透率高、水／岩比值最大的区域，是主要的输矿通道和储矿场所，成矿物质首先在这里沉淀，形成浸染状矿石。野外还发现黄铁矿沿绢英岩面理大量沉淀而形成致密块状矿石（图5a）。与之相对，弱应变带则遭受不均匀缩短变形，在张裂隙中充填石英、黄铁矿等载金矿物，形成石英脉型矿石。从图5b可以看出，绢英岩旁侧的钾化花岗岩中充填了含矿石英脉，而后期石英－黄铁矿细脉又叠加在早期石英脉之上。

6 结论与讨论

断层泥形成演化与剪切带水－力行为间存在强烈的作用与反馈。一方面，断层泥是断裂带岩石反应弱化的产物，断层泥厚度、粒度与矿物组成受剪切带构造变形强度制约。另一方面，断层泥的形成造成了剪切带力学性质和孔、渗结构的各向异性，从而影响流体运输；黏土矿物的相互转化可以改变主变形带的剪切强度，引起剪切带内流体压力波动，导致应变增强或弱化。

图6 大尹格庄金矿－332m中段受次级断裂控制的黄铁绢英岩矿石Fig．5 Disseminated ores controlled by the secondary faults at level 332m，Dayingezhuang gold deposit，Shandong province

剪切带构造变形、流体输运－反应以及断层泥的这种耦合作用影响着剪切带流变学性质，并对矿化分布起着重要控制作用。从区域来看，胶东金矿床多产于主断裂面之下，即可能与断层泥等强韧性变形带岩石渗透率较低，造成侧向封堵有关。矿床尺度上，断裂发育部位，强烈水岩反应生成的层状硅酸盐彼此相连形成面理，载金矿物沿面理充填，形成浸染状矿石（图6）。随着变形和流体作用的持续，断裂内黏土含量增加，粒度减小；断裂构造蚀变带不断扩展过程中，不断有新的容矿空间产生，矿质可以发生多次沉淀。表现为断层泥厚度越大，矿石品位越高。而断裂两侧的钾化花岗岩以宏观的节理和裂隙发育为特征，多形成网脉状、团块状石英脉型矿石。此外，韧性变形域岩石体积亏损导致流体汇聚，如果石英和黄铁矿等矿物大量沉淀，也可以造成岩石的应变硬化，韧性变形中止。进一步的破碎和流体作用则可以在早期黄铁绢英岩之上叠加网脉状矿化，形成富矿石。因而，某种程度上，胶东地区的破碎带蚀变岩型和石英脉型金矿不存在决然的空间分带性。二者的分异，是由于赋矿岩石力学性质和容矿空间差异所致。整体而言，蚀变岩型矿石是矿质沿弱化带充填形成的，明显受主干断裂的次级断裂控制；而石英脉型金矿多产于能干性较强的岩石（钾化花岗岩或产生了硬化的绢英岩）中，为更次级的裂隙所控制。

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