河北木吉村斑岩型铜矿床构造应力场数值模拟

□解少宏 马宝军 申方乐

木吉村斑岩型铜矿床位于河北省保定市涞源县杨家庄镇，该区受太行山深断裂带控制，处于太行山北段山西断窿与燕山台褶带的过渡地带、上黄旗-乌龙沟深断裂带中。本文通过野外地质勘察收集相应的地质数据及参数，对矿区成矿期构造应力场进行了数值模拟分析，以期进一步明确构造控矿的规律。

一、矿区地质特征

区内地层相对简单，主要呈现块状或片状分布特征，有沉积岩和变质岩两大类岩系，其中沉积岩即盖层岩系，主要包括中上元古界、下古生界、中生界和新生界;而变质岩即基底变质岩系，主要由上太古界石咀岩群和中太古界陈庄岩群组成。

研究区发育有较多的断裂构造，各种断裂形迹表明，NE向断裂构造起主控作用，其次为NW向和NNE向的断裂构造。NE向断裂的倾向为南东方向，倾角在60～80°之间，是一组先张后压，左行扭动的正断层，主要包括上黄旗-乌龙沟深断裂与紫荆关-灵山深断裂。该组断裂的剧烈活动切穿了中生界以前的地层和岩体，发育了台阶式构造格局。矿床即产于本组断裂带中。

二、构造应力场数值模拟

根据节理和其它构造进行应力场恢复时受限于测量点的位置及数量，只能进行定性的分析。本文在提取实测地质参数的基础上进行了构造应力场数值模拟，从而使理论分析与实际构造相验证，达到定量分析的目的。

(一)地质模型的建立。根据木吉村中部矿化最佳的特征，本次构造应力场选择过钻孔ZK8、ZK9、ZK7803、ZK7402的纵剖面作为主要模拟区域。剖面线总体走向NW28°，垂向范围自海拔300m向上至地表，剖面比例尺选择1:5000。本文把构造应力场分为成矿前、成矿期和成矿后三个期次，重点研究的是成矿期构造应力场特点。木吉村斑岩铜钼矿床的成矿年龄约应为142．24 Ma，成矿时限可厘定为燕山期晚侏罗世(高永丰，2011)。

岩石的物性参数实验数据是在石家庄经济学院岩石力学实验室测得的，分别为闪长玢岩岩系(E=22．00，μ=0．28)、青磐岩化闪长玢岩岩系(E=27．50，μ=0．26)、矽卡岩岩系(E=20．00，μ=0．29)，碳酸岩岩系(E=26．88，μ=0．27)。其中，E为弹性模量，单位为103MPa;μ为泊松比，无量纲。

(二)数学模型的建立。本文将研究区的变形介质划分为闪长玢岩系、青磐岩化闪长玢岩系、矽卡岩系和碳酸盐系四个部分，以它们的边界线作为地质界线来进行研究。对目标区共划分了286个三角形单元，包含169个节点，并按照程序规则给每个单元坐标赋物性标号。为了避免在计算中发生大幅度的“漂移”，本文在模型中预设了2个约束点，将剖面模型左上部边角和右下部边角的2个节点(7，165节点)设为约束点，实验允许2个约束点在X和Y方向上分别有0．5cm的位移。在设计边界外荷作用力时，沿X轴与Y轴边界上分别施加40个外荷作用力。

此外，考虑到塑性变形过程在应力一应变图中大部分是抛物线形，在对外荷作用力的选择上，以总外荷作用力的70%作为第一次增量、20%作为第二次增量、10%作为第三次增量。变形采用“平面应变”方式，容重值分别为闪长玢岩岩系2．51×104N/m3，青磐岩化闪长玢岩岩系2．65×104N/m3，矽卡岩岩系3．04×104N/m3，碳酸岩岩系2．83×104N/m3。

图1

(三)数值模拟。以张扭变形方式进行了成矿期变形模拟，根据区域资料及应力分析在模型东侧下方8°左右的角度向模型西侧上方施加外荷作用力。经过调试、计算，使得模型外荷作用力系平衡，得到相似度较高的构造应力场数值及结果，复杂的成果数据可以用全区剪应力等值线图来反映(图1)。

三、讨论与结论

(一)实验结果分析。通过模拟，我们得到了全部单元的剪应力值，再利用Surfer软件即可获得模拟区域内的剪应力等值线图。图中显示大部分区域剪力变化较为均匀，显示整体变形特征。全区剪应力值的有效范围在40～120MPa之间。模拟结果中两约束点处应力值符合精度要求，各点模拟值与实测值最大误差为10MPa，也符合实验精度要求。

从全区剪应力等值线图可以看到，碳酸岩岩系和矽卡岩岩系剪应力值相对较大，之所以会出现这种情况是因为该区域的大理岩和矽卡岩强度大，和闪长玢岩相比，更难破裂，因此应力难以释放，剪应力值相对较高。

同时，内部相带某些区域剪应力值相对较低，最明显的低值区位于寒武系地层不整合面以下中部地段，构成轴向北西的应力降低区，剪应力值在40～60MPa之间。说明在成矿期造应力场的作用下，该地带是应力释放较多的地段，岩石强度较小，易于破碎，裂缝容易连通，岩石的渗透率较高，也预示沿着这一方向深层矿液易于流动，沿近于平行成矿期最大主应力方向。这种特征对矿液运移、矿体形成意义重大，也与实际铜矿所在位置吻合。

(二)构造控矿分析及成矿模式。木吉村斑岩型铜矿床断裂构造发育有NNE、NE、NEE、近SN、NW向等多组，其中以NNE、SN、NW向断裂系为主，是主要控岩控矿构造。燕山运动中期，由于受到远程板块构造俯冲的缓解，加上阜平幔枝构造的隆升及涞源杂岩体的脉动式侵入，木吉村斑岩型铜矿床受到北西向挤压，并且在区域上有从挤压作用转换为拉张作用的过程。边界断裂主导的左行挤压变形形成了区内的EW和NNE向共轭节理，后期断裂的右行拉张变形则会连通深部的岩浆，沿断裂通道向上运移，与NE向断裂交会处运移。又由于节理叠加在背斜的转折端部位，矿床内断层上盘破碎程度较高，容易被岩脉充填并形成流体运移的低势区，从而为金属矿产的沉淀成矿提供了较好的条件。结合模拟结果和构造分析可建立矿床成矿模式。

本区岩浆活动受EW向及NNE向断裂交汇带控制，含矿流体随岩浆运动到达地幔浅层，沿断裂带向上运移，其方向应是由深向浅，由南东向北西方向运移，由于应力环境作用，到木吉村地区时会在NNE、EW向节理中成矿。由此，断裂带上盘节理发育的区域就成为了较好的容矿空间，遇到合适的物化条件就可沉淀成矿。

［1］马国玺．河北涞源大湾锌钼矿床地质特征［J］．华北地质矿产杂志，1995

［2］曲凯．太行山北段木吉村铜(钼)矿床地质特征与成矿作用［D］．石家庄经济学院，2012

［3］马宝军，陈超，牛树银．冀西石湖金矿田古构造应力场数值模拟［J］．黄金科学技术，2014