由金矿床证明的地震期间的瞬态蒸发

2015-03-15DionWeatherleyRichardHenley

地球与行星物理论评(中英文) 2015年4期

Dion K.Weatherley　Richard W.Henley

由金矿床证明的地震期间的瞬态蒸发

Dion K.WeatherleyRichard W.Henley

摘要世界上大部分已探明的黄金源自于一系列石英脉。这些石英脉是在约30亿年前造山运动期间从沿深大地震活动断层流动的大量水中沉淀而成1-3。石英脉是在地震期间6的震荡压力下形成的4，5，但是其压力震荡的幅度以及对矿床形成的影响尚不清楚。在此我们用一个简单的热动力学活塞模型，模拟计算在地震期间充填流体的断层空穴所经历的流体压力下降。模型的几何形态由典型断层割阶的大小限定，如在西澳大利亚的雷文奇(Revenge)金矿床7以及世界其他金矿中的断层割阶。我们发现空穴的扩张会引起割阶中封闭流体压力的急剧下降，从而膨胀为很低浓度的蒸汽。这种流体的瞬态蒸发作用导致了硅和一系列痕量元素同时迅速地沉淀，形成富金石英脉。随着瞬态蒸发作用的继续，更多流体流入新扩张形成的空穴，直至孔隙压力与环境压力一致。多次地震逐渐形成了达到工业品位的金矿。

黄金资源支撑全球经济的主体纯属历史的偶然。黄金资源长期困扰我们的问题是这些黄金是如何从(2×10-9)的地壳丰度富集形成几千倍高度聚集的可开采矿床。大约1/3的黄金资源8赋存于中温含金石英脉中(图1)。中温含金石英脉的形成一般认为是沉积-火山岩系经过深埋、变质以及抬升、侵蚀作用9的造山旋回中释放流体的结果，并且常伴有明显的岩浆作用。这些含金石英脉常伴有大规模的硅化以及碳酸盐-黄铁矿化围岩蚀变，其形成明显与裂隙渗透率的周期性变化有关，是沿主断层系反复出现脆性或脆性-剪切破坏以及矿物沉淀阻塞新生断裂的结果10。这些局部循环破裂和增加的流体通量与地震及余震序列破裂导致的流体压力的变化密切相关6，致使含金石英脉的形成。然而，压力变化的程度或者金矿化推进的过程尚不清晰。由于在任何规模下流体的通量是渗透率和压力梯度的函数，所以我们从一个简单的问题开始。图2(a)为在断层相关金矿化中典型的被石英充填的割阶7。从矿物相的关系可估算出岩石破裂之前的温压条件，在约11km深度温度约为390℃(根据岩石静水压约为290MPa估算)11，但是破裂后瞬间断裂中流体压力是多少呢？

图1　张性含金石英脉。典型复合脉照片(西澳大利亚东金矿区圣埃夫斯迪法恩斯矿脉系6)记录了由断层连续破坏引起的流体多期流动。引自S.F.Cox(澳大利亚国立大学)。(原图为彩色图——译注)

图2　地震期间断层割阶的开口显示了滑移时侧壁的相对运动7。(a)太古代雷文奇金矿剪切脉中石英充填扩张割阶的例子(原图为彩色图——译注)；(b)分析由地震滑动引起的体积以及流体压力变化速率的简单块体模型。有关块体以及滑移距离的注释见方法部分。引自S.F.Cox(澳大利亚国立大学)

图2(b)为一个含割阶走滑断层的简单活塞模型，割阶的长轴方向垂直于断层滑动方向(详见方法部分)。如果断层上的破裂起始远离初始割阶，并且在达到克服摩擦阻力极限之前破裂的驱动主要受构造应力的积累所决定，我们就可以估算出由设定地震矩的地震活动所引起的含割阶部位的体积变化12。假设水完全充填了初始割阶体(初始孔宽d~100μm)，其压力Pf会随着4级地震的位移(位错D=0.13m)而变化，流体压力在断层破裂后立即从290MPa降到0.2MPa(图3a)。相反，通常假设破裂后最小流体压力(Pfm)严格受静水压力限制(在此例中为110MPa)。这一假设对于在发生地震的地壳上部几千米内流体填充连续区的开放断层系是合理的，但并不适用于造山期间形成的更深处的变质岩。图3(b)对比了相对于初始流体静岩压力的一系列地震震级所对应的最小流体压力。这些数据表明，在震级较低时，即使是很小的位移也会使流体主压力发生明显的下降。因此，活塞模型为震后流体压力恢复的详细模型初始化提供了更合适的基础，这比零流体压力13以及不可压缩流的假设更合适。

石英脉中详细的流体包裹体数据证明了脉体形成期间压力的波动4，5。我们的一阶分析表明在割阶部位扩张引起的体积变化(相对于断裂初始的空隙体积)，从2级地震相应的130倍到6级地震的13 000倍。图4(a)为此例中流体压力下降的程度。相对于破裂前的温压环境，流体相膨胀了几个数量级，转变为非常低浓度的可压缩流，这个不可逆的单相过程在化学工程术语中被称为瞬态蒸发作用。在割阶及其周围范围，由于岩石的热容量以及与围岩大面积接触，这个过程是等温的。

由滑动引起的瞬态蒸发在此之前一直没有被认为是成矿的主要机制。瞬态蒸发适用于走滑断层、正断层、逆断层中的张性脉，与流体来源无关。此外，因为沿主断层瞬时的超低压水注入，在局部和区域尺度上联合断层破坏及其他破裂，必然会形成对应力扰动高度敏感的更大网状破裂，进而通过这个网状破裂转变为减压波和响应的流体的流动，所以瞬态蒸发作用并不仅限于割阶本身的有限小体积6，14，15。由每次滑动引起的极端流体压力振荡也很可能是流体混合16及氧化还原反应变化过程的根本原因，这些变化过程导致断层控制的矿床中矿物的沉淀。

瞬态蒸发是由断层系滑动引起压力急剧变化的结果。这种极端的流体压力的变化，通过等效的流体密度极端变化，立即在减压流体中转化为级联耦合非线性化学反应，而正是这些变化导致了脉状矿物集合体的生成并使之具有结构上的特征。最近的实验数据表明，贵金属的溶解度强烈依赖于流体压力17，在每次地震期间由压力瞬变引起的过饱和使金、银与二氧化硅快速高效地共沉淀。含金碳酸盐脉通常也含有金红石、白钨矿(CaWO4)，黄铁矿(FeS2)和毒砂(FeAsS)以及铋和碲，因此，作为地壳中主要水流的示踪剂，金的沉淀也记录了与变质岩中矿物组合不相容的微量和痕量元素(Au，Ag，As，Sb，B，Se，Te，Bi，W以及Mo)的分布18。在中地壳的条件下，大多数普通的造岩矿物和成矿矿物在水溶液中的溶解度主要取决于水的密度19，在脆性破坏的循环过程中这套岩脉的成分通过溶解的As(OH)3，B(OH)3，H2MoO4和H2WO4等分子种类的不稳定与最小流体压力(Pfm)直接相关。

瞬态蒸发是脉体形成时二氧化硅和金属共沉积特有的一种高效机制。由于溶剂分子Si(OH)4，aq的密度很大，所以石英的溶解性依赖于压力(图4b)，这主要归因于水分子聚合度的变化。在300MPa和450℃，假设石英的溶解度约为4 200mg/kg，在瞬间降压到1MPa以下时，其溶解度降到0.03mg/kg19。正是这种石英的极度过度饱和(是石英溶解度的140 000倍)促使二氧化硅沉淀，在每次脉体形成的降压循环中，二氧化硅沉淀为含氢氧化硅在内的一系列亚稳态多晶20。二氧化硅的急速沉淀最先形成纳米级颗粒21，随之变为聚合物颗粒22，23，最终转变为石英晶体。这个序列严格地限制了流体包裹体数据在确定破坏后压力—温度—组合条件的应用。保存在岩脉及其周围的矿物集合体和结构以及流体包裹体和不同的稳定同位素分布，记录了流体压力的恢复以及退变24，而不是记录了原生沉淀条件。例如，一些脉体的包裹体中封闭的富CO2流体可能是在压力恢复和二氧化硅重结晶过程中从初始的低CO2相中局部相分离的结果，并不是巨大的富CO2流体储库的有效证据。

图3　地震期间流体压力瞬变。(a)4级地震过程中流体压力的瞬变。在破裂前阶段，相对于破裂发生前的静岩压力(Pl)，地壳中的偏应力增加了在初始破裂中的孔隙流体压力(Pf)。瞬态蒸发作用伴随流体开始膨胀的开始，并立即在割阶滑移的空间内达到最小流体压力(Pfm)。在恢复阶段，来自围岩的流体向极低压的割阶部位流入，直到流体压力恢复到与周围环境的静岩压力一致时，即Pf=Pl。在恢复期的大部分时段，输入的流体在割阶和分支裂隙系中发生瞬态蒸发。标注的静水压力等于初始压力仅供参考。(b)紧随断层割阶扩张的最小流体压力是地震震级的函数。这些曲线表示的是地壳中的岩石密度下限(ρ=2 000kg/m3)，上限(ρ=3 000kg/m3)用290MPa的初始条件表示

图4　地震时流体密度和石英溶解度的瞬变。(a)纯净水的压力—摩尔体积关系。这些数据近似典型中温岩脉的热液环境的流体(≪8wt%1)的NaCl溶液以及10mol%以下的CO2)。(b)纯净水中石英(SiO2)的溶解度是压力和温度的函数。Pfi和Pfm为与图2a所示的割阶有关的流体压力，表示破裂过程中由于瞬态蒸发引起的极度过饱和(~105)。在高过饱和情况下，二氧化硅起始形成纳米级(<100nm)颗粒，这些微粒随之成熟为一系列可能的亚稳态硅水合物相。在图(a)、(b)中，宽箭头表示大体减压方向

当然单次滑动不会产生经济上可开采的金矿。假设初始割阶中封闭的石英饱和流体中的金含量为0.1~1mg/kg10，每次滑动中金的沉积量与滑动体积和断层上破裂带长度直接相关(单位滑动面的金10-2~10-1mg/m2)，即与地震震级相关。因此，滑移产生的瞬态蒸发作用只会产生富金的二氧化硅—金矿薄层(约25~250g/t)，只是经济意义上的高品位(约28~283g/t)。随后的恢复阶段，流体从周围环境中流经割阶，一次次循环逐渐形成了大量的矿脉。正是由于断层系在区域尺度上不断重复的滑动—恢复循环，从瞬态蒸发开始，最终形成了经济上可开采的金矿。这种关系能够用来粗略地估算一个在造山旋回期间形成大型中温金脉矿床(Au：100t)需要的大致时间。例如，假设一个地震活动序列与新西兰南阿尔卑斯山阿尔卑斯断层系活动历史相似25，这样一个大型金矿床的形成时间远少于100 000年。

位于断层范围内的多次反复滑动和高效瞬态蒸发是了解黄金如何从极低的地壳丰度富集形成具有经济意义矿床的关键。例如，乌兹别克斯坦晚古生代穆龙套巨大型矿床是多次破裂形成的，沉淀了黄金6 000t；其中的80%产于小规模位错中，20%产于大型张性脉体中26。地壳中金的平均丰度为2×10-9，这些质量的黄金等于1 000km3以上的地壳岩石的含金量，但已富集在一个不到10km3高度硅化的岩石中。如果考虑到成矿只是抽提了地壳百分之几的金或缺少有效的化学沉淀，源岩的体积还要大几个数量级。

1)表示重(质)量比为15%(每100质量单位含有15质量单位)。wt(weight)是指质量百分数，15wt%是指质量百分比是15%。质量分数是指某物质中某种成分的质量与该样品中总物质质量之比的百分数——译注

对于活断层系中极端的压力瞬变和瞬态蒸发作用的认可，甚至可以推广到解释在古老造山带中形成工业开采的矿脉的原因。南非的威特沃特斯兰德盆地的黄金以前占全球金资源的31%，现在可以达到45%以上，这无疑是来源于早期山脉中的岩脉27。另外10%的金出现在岩脉系中，如印度尼西亚巨大的格拉斯伯格斑岩型铜金矿床(Au：>2 700×106t，Cu：30×106t)。这些岩脉系与主岩浆相关的流体通量有不同程度的关联，流体穿过了古火山下方应力作用下地震活跃的地壳。因此，随地震滑移发生的瞬态蒸发可能因此为世界上80%金矿床的形成奠定基础，这是一个与每日地震发生相关的简单重复过程。

研究方法

运用构建好的关系式，我们建立了一个简单的模型，模拟给定地震矩的地震运动引起的在断层割阶内的体积变化。假设在破裂之前割阶内充满流体，在地震破裂面上的体积变化可以转变为流体压力的变化。

图2(b)为含阶梯状垂直割阶的走滑断层的简化块体模型，并用符号定义块体以及错距。割阶方向垂直于断层的滑动方向，意指沿断层滑移，即地震破裂会导致割阶的打开。在此假设断层上发生的初始破裂远离割阶，并且在达到断层的抗摩擦阻力强度极限之前主要受累积的构造应力的驱动。我们旨在估算由给定地震矩的地震引起的割阶内的体积变化，

(1)

式中μ是含矿围岩的剪性刚度(在此设为30GPa，下地壳岩石的标准值)，A为破裂的表面积，s为跨断层面的滑动量(错动)，取破裂区的平均值。由于地震矩(单位牛顿米，N·m)对于一些读者来说可能较为陌生，在此将地震矩转化为等效的矩震级28，

MW=2/3logM0-10.7

(2)

对于震源深度在3.5~45km之间的走滑型小地震(MW<4)，用经验公式29可以计算地震震源参数。破裂长度L由下式给出：

logM0=2.5logL+7.85

(3)

或者用矩震级表示：

2.5logL+7.85=1.5(MW+10.7)

(4)

计算破裂长度后，破裂的宽度(W)根据已建立的经验公式计算得出：小地震(MW<4.0)，W=L；中等地震(4.06.0)的平均地壳孕震宽度，W=17km。

平均位移(s)是破裂长度的函数：

logs=0.833logL-3.84

(5)

附表S1(译文从略——译注)列出了不同矩震级的破裂长度、破裂宽度及平均位移的估算值，同时还包括了相应体积变化：

(6)

ΔV=WDs

(7)

式中W是割阶的垂直距离，取值与破裂的下倾宽度相同；D为阶跃距离(割阶长度)，并在随后的计算中假设D约为1m；d为初始孔隙的有效宽度(约为100μm)。

为方便这个模型的一阶分析，假设流体相与理想气体一致，其状态方程PV=nRT，因此在温度为Ti时发生等温膨胀，

PfVf=PiVi

(8)

Pi和Vi分别为初始压力和破裂前水的摩尔体积。相应的压力变化为：

(9)

附表S2(译文从略——译注)列出了割阶中流体等温膨胀的最终压力，对应断层不同的矩震级以及埋藏深度(z)。对于震后流体恢复模型，相较假定地震后立刻变为零流体压力，这些所列出的压力作为初始条件更加合适13。忽略微小的拉力组成，地震前流体的初始压力以及温度计算为：

(10)

式中ρ为地壳岩石的下限，即2 000kg/m3，g约为9.81m/s2。

(11)

地热梯度(dT/dz)大致取为40℃/km。

在割阶及其周围尺度范围内认为该模型是等温膨胀的。这种假设由深度小于4 000m的高焓地热井产生的数据验证30，即在此深度初始蒸汽饱和的液态水发生相分离。在这种压力极低的环境下，两相边界发生等焓膨胀。由于相变引起温度下降，继而随温度下降围岩传热给流体，所以等焓膨胀是长期持续的。在更深的高压深成岩脉的环境中，认为在微小尺度上封闭流体的膨胀是瞬间的、不可逆转的，但由于岩石和流体大面积接触导致迅速传导，温度很快就恢复了30。

参考文献

1.Sibson，R.H.，Robert，F.& Poulsen，K.H.High-angle reverse faults，fluid-pressure cycling，and mesothermal gold-quartz deposits.Geology16，551-555(1988).

2.Boullier，A.M.& Robert，F.Paleoseismic events recorded in Archaean gold-quartz vein networks，Val d’Or，Abitibi，Quebec，Canada.J.Struct.Geol.14，161-179(1992).

3.Goldfarb，R.，Baker，T.，Dube，B.，Groves，D.I.，Hart，C.J.& Gosselin，P.Distribution，character and genesis of gold deposits in metamorphic terranes.Econ.Geol.100th Anniversary Volume，407-450(2005).

4.Wilkinson，J.J.& Johnston，J.D.Pressure fluctuations，phase separation，and gold precipitation during seismic fracture propagation.Geology24，395-398(1996).

5.Parry，W.T.Fault-fluid compositions from fluid-inclusion observations and solubilities of fracture-sealing minerals.Tectonophysics290，1-26(1998).

6.Cox，S.F.& Ruming，K.The St Ives mesothermal gold system，Western Australia—A case of golden aftershocks?J.Struct.Geol.26，1109-1125(2004).

7.Nguyen，P.T.，Cox，S.F.，Harris，L.B.& Powell，C.McA.Fault-valve behaviour in optimally oriented shear zones：An example at the Revenge gold mine，Kambalda，Western Australia.J.Struct.Geol.20，1625-1640(1998).

8.Frimmel，H.E.Earth’s continental crust gold endowment.EarthPlanet.Sci.Lett.267，45-55(2008).

9.Phillips，G.N.& Powell，R.Formation of gold deposits：A metamorphic devolatilization model.J.Metamorph.Petrol.28，689-718(2010).

10.Cox，S.F.，Knackstedt，M.A.& Braun，J.inStructuralControlsonOreGenesisVol.14(eds Richards，J.P.& Tosdal，R.M.)1-24(Society of Economic Geologists Review，Society of Economic Geologists，2001).

11.Clark，M.E.，Carmichael，M.D.，Hodgson，C.J.& Fu，M.inTheGeologyofGoldDeposits：ThePerspectivein1988(eds Keays，R.R.，Ramsay，W.R.H.& Groves，D.I.) 445-459(Economic Geology Monograph，Vol.6，Society of Economic Geologists，1989).

12.Aki，K.Generation and propagation of G waves from the Niigata earthquake of June 14，1964.Part 2.Estimation of earthquake moment，released energy and stress-strain drop from G wave spectrum.Bull.Earthq.Res.Inst.44，73-88(1966).

13.Sheldon，H.A.& Ord，A.Evolution of porosity，permeability and fluid pressure in dilatant faults post-failure：Implications for fluid flow and mineralization.Geofluids5，272-288(2005).

14.Cox，S.F.Coupling between deformation，fluid pressures and fluid flow in ore-producing hydrothermal environments.Econ.Geol.100th Anniversary Volume，39-75(2005).

15.Shelly，D.R.Migrating tremors illuminate complex deformation beneath the seismogenic San Andreas fault.Nature463，648-653(2010).

16.Boiron，M.C.，Cathelineau，M.，Banks，D.A.，Fourcade，S.& Vallance，J.Mixing of metamorphic and surficial fluids during the uplift of the Hercynian upper crust：Consequences for gold deposition.Chem.Geol.194，119-141(2003).

17.Migdisov，A.A.& Williams-Jones，A.E.A predictive model for metal transport of silver chloride by aqueous vapour in ore-forming magmatic-hydrothermal systems.Geochim.Cosmochim.Acta104，123-135(2013).

18.Pitcairn，I.K.，Teagle，D.A.H.，Craw，D.，Olivo，G.R.，Kerrich，R.& Brewer，T.S.Sources of metals and fluids in orogenic gold deposits：insights from the Otago and Alpine Schists，New Zealand.Econ.Geol.101，1525-1546(2006).

19.Dolejs，D.& Manning，C.E.Thermodynamic model for mineral solubility in aqueous fluids：Theory，calibration and application to model fluid-flow systems.Geofluids10，20-40(2010).

20.Tanner，D.，Henley，R.W.，Mavrogenes，J.A.& Mernagh，T.in XVI Congreso Peruano de Geologia SEG 2012 Conf.Lima，September 23-26，Poster 100(Society of Economic Geologists，2012).

21.Kind，M.& Kaiser，R.Flash Crystallization—A new process for designing crystalline powders.17thInt.Symp.IndustrialCrystallizationVol.1，111-118(Society of Economic Geologists，2008).

22.Kind，M.Colloidal aspects of precipitation processes.Chem.Eng.Sci.57，4287-4293(2002).

23.Herrington，R.J.& Wilkinson，J.J.Colloidal gold and silica in mesothermal vein systems.Geo-logy21，539-542(1993).

24.Vityk，M.O.& Bodnar，R.J.Textural evolution of synthetic fluid inclusions in quartz during reequilibration，with applications to tectonic reconstruction.Contrib.Mineral.Petrol.121，309-323(1995).

25.Robinson，R.Potential earthquake triggering in a complex fault network：The northern South Island，New Zealand.Geophys.J.Int.159，734-748(2004).

26.Drew，L.J.，Berger，B.R.& Kurbanov，N.K.Geo-logy and structural evolution of the Muruntau gold deposit，Kyzylkum Desert，Uzbekistan.OreGeol.Rev.11，175-196(1996).

27.Frimmel，H.E.& Minter，W.E.L.Recent deve-lopments concerning the geological history and genesis of the witwatersrand gold deposits，South Africa.Soc.Econ.Geol.SpecialPubl.9，17-45(2002).

28.Hanks，T.C.& Kanamori，H.A moment magnitude scale.J.Geophys.Res.84，B2348-B2350(1979).

29.Leonard，L.Earthquake fault scaling：Self-consistent relating of rupture length，width，average displacement，and moment release.Bull.Seismol.Soc.Am.100，1971-1988(2010).

30.Henley，R.W.& Hughes，G.O.Underground fumaroles：‘Excess heat’effects in vein formation.Econ.Geol.95，453-466(2000).

原题：Flash vaporization during earthquakes evidenced by gold deposits

(中国地震局地震预测研究所孙凤霞译，杜建国校；李世愚复校)