华南褶皱系典型成矿区多期次构造演化与控矿机制数值模拟

于淼， 梁锋， 陈建平， 龚建华， 李海龙， 王继春

1 中国科学院遥感与数字地球研究所， 遥感科学国家重点实验室， 北京 1001012 中国地质科学院矿产资源研究所， 北京 1000373 中国地质大学（北京）， 北京 1000834 中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081



华南褶皱系典型成矿区多期次构造演化与控矿机制数值模拟

于淼1， 梁锋2， 陈建平3*， 龚建华1， 李海龙4， 王继春3

1 中国科学院遥感与数字地球研究所， 遥感科学国家重点实验室， 北京 1001012 中国地质科学院矿产资源研究所， 北京 1000373 中国地质大学（北京）， 北京 1000834 中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081

本文基于流-固耦合模型对研究区主要控矿构造的发育演化过程和控矿机制进行数值模拟研究.根据研究区不同构造期次下形成的最大主应力、体积应变、剪切应变、岩层渗透率变化、孔隙压力以及流体流动样式等成矿地质环境的定量结果，分析个旧超大型成矿系统的构造-岩浆-流体要素的相互作用机制.模拟结果显示，在成矿期构造应力场作用下，在先存背斜构造部位形成了强烈的张应力环境，构成了一系列沿北北东走向的有利侵位通道和空间.岩浆反复侵位于此并产生巨大浮力作用，控制了背斜构造发育并形成了低压力、高渗透的扩容空间，促进矿液长效聚集成矿.另一方面，根据东西向断裂组的应力-应变状态及共轭剪切断裂成生发育情况，剖析了该组断裂的形成机制以及在成矿期的性质、运动状态及导矿容矿作用.

构造演化； 控矿机制； 流固耦合； 数值模拟； 个旧矿区

1 引言

将构造-流体-成矿及动力学机制作为复杂成矿系统的耦合整体，为成矿学系统化研究提供一个新的思路和途径（Fyfe and Kerrich，1985；Nield and Bejan，1992；翟裕生，1996；邓军等，2000）.数值模拟方法可综合利用地质勘探研究成果，建立不受时空限制的地质模型，模拟成矿演化过程并分析其动力机制，是解决复杂成矿系统问题的重要方法之一.已有很多学者针对多因素耦合模拟研究进行了理论和实践的探索，并应用于地质构造演化、成矿过程及动力学研究（Ord and Oliver，1997；Hobbs et al.，2000；Deng et al，2004；Lin et al.，2005；Zhang et al．，2007，2011；陈建业等，2009；胡善政等，2009；Liu et al.，2012；贾蔡等，2014；周斌等，2014；蒙伟娟等，2015）.这些成功案例表明多相耦合模拟手段有助于解决复杂成矿系统地质问题，对于地质构造演化、成矿过程及成矿动力学研究（Lü et al.,2013; 吕庆田等，2014）具有重要参考价值和指导意义，在提高找矿勘探效率方面有很大的应用潜力和广泛的发展前景，是一种有效且值得推广的手段.

云南个旧锡矿是以锡为主的超大型多金属矿集区，蕴藏丰富的锡、铜、铅、银等多种有色金属、稀有金属矿产，乃中外闻名的中国最大的锡矿区，处于经济和科学重要地位，是华南褶皱系典型成矿区.多年来对于该矿区的研究多侧重于地球化学和与花岗岩有关的成矿年代学研究，而对于矿区构造格局形成和控矿特征研究较少.一些学者对研究区构造行迹进行实测统计，阐述了个旧矿区的构造演化期次和特点（方维萱等，2002；孙绍有，2004；高阳和 张寿庭，2007；李宝龙等，2012）；对矿区控矿特征研究主要是矿田-矿段级别，多为断裂的控矿特征分析（孙家聪等，1986；Jiang et al．，1997；马德云等，2004；蒋顺德等，2006；尚北川，2013）.勘探资料显示，矿区隐伏花岗岩体形态与上覆褶皱性质和轴部轨迹空间分布一致，矿体位于上有背斜或穹窿构造，下有花岗岩突起的构造-岩浆组合环境中，尤其在东西向断裂所夹持的褶皱及附近更是成群成带地产出；成矿期北西、北东向断裂在矿田内大量发育，是重要的容矿控矿构造，而先存东西向深大断裂组没有大规模矿体产出.目前对于个旧矿区级褶皱和断裂的构造格局形成和演化以及多要素耦合控矿机制等问题缺乏系统化定量化研究，制约了矿区各大矿田进一步找矿勘查.因此，针对矿区典型构造-岩浆-成矿耦合系统，本文利用FLAC3D的流固耦合模块，通过对成矿期前构造模型进行单一变量边界条件的模拟对比实验，得到研究区成矿期所处的成矿地质条件以及构造叠加改造过程中应力、应变、岩层性质和流体流动样式分布和演化的定量结果，深入和系统研究个旧超大型矿区宏观构造格局形成过程和对成矿作用的内在控制机制，对于深化构造-成矿规律认识、细化成矿模式以及矿区找矿预测等有重要意义.

2 矿区地质背景

个旧锡铜多金属矿区地处太平洋构造域与特提斯构造域的交界部位，位于扬子板块与华夏地块过渡带的右江褶皱带西缘.右江褶皱带北以弥勒—师宗岩石圈断裂与扬子地块相接，西南以红河超岩石圈断裂与印支地块相连（图1）.

二叠系是个旧东矿区内出露最老的地层，中三叠纪个旧组为个旧矿区出露最广的地层，也是锡多金属矿的最主要容矿层（庄永秋等，1996）.燕山期发生了大规模岩浆侵位事件，为成矿提供了主要物源和热源.花岗岩隐伏于地表以下200～1500 m，形成于77～83 Ma，成岩与成矿时代近于同步（程彦博等，2009）.侵位机制属于岩浆底拱作用，进入以中三叠统为主碳酸盐岩地层褶皱带中，向上顶托围岩并促进形成宽缓背斜（赵晶晶等，2011）.近东西向褶皱呈基本平行等距展布，轴向近东西，两翼开阔平缓，倾角20°～40°，卷入地层主要为中三叠个旧组；大规模北北东向背斜覆盖整个矿区，两翼倾角约20°，轴脊宽而平，卷入地层为下二叠到中三叠.矿区东西向、北西向和北东向三组断裂相互切错，指示了构造多期性.东西向断裂呈约200 m平行等距分布，走向矿区经历了不同时代地质演化过程，褶皱和断裂构造发育，为该区域热液型矿床成矿提供了优越的成矿地质条件.与成矿密切相关的构造-岩浆活动期次包括：印支晚-燕山早期，南北向压应力作用使已固结成岩的碳酸盐岩发生构造变形形成一系列近东西向的褶皱、穹隆和断裂，为成矿前构造；燕山中晚期，北西-南东向构造应力场伴随剧烈的中酸性岩浆侵位活动，形成叠加在东西向褶皱之上的北东向褶皱和北西、北东向断裂，为同成矿构造.喜山早期和晚期，分别为南北和东西向挤压应力作用，断裂构造重新活化，为成矿后构造（图2）.

图1 个旧东矿区构造地质简图

75°～105°，倾向间错北或南，倾角40°～87°，成矿期前已形成.北西向和北东向断裂相互穿插呈共轭“X”型展布.总体表现为垂向上北盘上错断距约100 m，平面上北盘东移错距约1000 m.

图2 矿区构造体系成生发展组合图

3 模拟方法和实验设计

3.1 物理模型

本研究利用FLAC3D流-固耦合计算模块，采用摩尔库伦模型表达地壳应力-应变行为、达西定律描述流体流动模式，模拟分析矿区成矿期形成的应力-应变场与成矿流体流动和汇聚的耦合作用.

FLAC3D是基于拉格朗日差分法的三维显式有限差分程序，可用于连续多孔介质的变形、流体流动的模拟，具有较强的解决复杂力学问题的能力（Cundall and Board, 1988）.经典的摩尔-库伦（Mohr-Colomb）弹塑性材料适合模拟中、上地壳的流变性特征（Vermeer and de Borst，1984；Ord，1991）.且热液成矿作用主要发生在岩体基本冷却固化后，此时整个岩体和围岩体系可以看作黏弹性多孔介质，其力学行为遵循摩尔-库伦本构定律（Jaeger and Cook, 1979）.FLAC3D中流体在有孔介质中流动遵循达西定律，由流体压力梯度和渗透率控制（Bear and Verruijt 1987），流体主要包括岩浆热液，变质热液、地下水等.岩层孔隙度和渗透率改变与岩层变形的函数关系遵循Carman-Kozeny方程.物理模型还包括流体质量守恒和动量守恒（Itasca Consulting Group，2002）.连续介质中摩尔库伦塑性与达西流体的耦合可用于模拟地壳脆塑性部分热液成矿系统的流体流动，有助于理解变形驱动流体机制（Gessner，2009）.FLAC3D中的流-固耦合模型中，流体总量与孔隙压力、饱和度、机械体积应变等关系如下：

（1）

其中，M为比奥模量，P为孔隙压力，n为孔隙度，s为饱和度，ζ为流体数量变化，ε为应变量，α为比奥系数.流固耦合特征是两相介质之间的相互作用：变形或运动导致孔压和渗透率改变，影响流体流动样式；流体载荷分布发生改变又反过来影响固体变形或运动，从而形成耦合循环系统.

3.2 模拟模型

矿区经过多期叠加改造，成矿期的构造格局已经面目全非，需要对成矿前岩层模型进行了简化和复原.通常包括以下工作步骤：根据研究区地质背景和矿床特征，明确主要研究对象和研究尺度并提出假设；全面收集研究区地表和深部的构造行迹，结合区域构造演化背景，分析研究对象的空间形态和时空分布特征；根据现今野外勘测的岩层性质设置模拟模型的物理属性.

本研究建立了倾角为30°，包括三个背斜和两个向斜的相似褶皱三维模型，作为成矿前矿区模型（图3）.对应研究区覆盖范围，模型长20 km，宽10 km；根据研究区褶皱卷入地层时代、层间氧化矿赋存深度（200～1000 m），以及褶皱波长和厚度存在比例关系（Currie，1962；Ramsay and Huber，1987），模型厚度设置为1 km.建立贯穿地层模型的长10 km，宽200 m，倾角为70°的“软弱带”表示断裂模型.物理性质根据研究区已有实测样品结果（於崇文，1988）设置和调整，包括摩尔库伦模型的7个力学参数以及渗流模拟的2个水文参数（表1），流体性质（如可压缩性和黏度）简化为常量.考虑模型的特征、计算精度和效率，剖分块体尺寸设置为500 m×500 m×200 m，包括4000个单元.

3.3 模拟实验设计

针对矿区-矿田级别的褶皱和断裂构造的成生发育过程和控矿作用和机制问题，模拟实验分为三组（图4）： 1）模拟印支期构造应力作用下，初步形成的褶皱模型进一步发生纵弯褶皱作用，即在南北向顺层挤压载荷作用下发生缓慢变形过程； 2）模拟先存东西向褶皱和断裂构造在燕山成矿期的复合叠加改造过程，分析构造-岩浆组合的形成过程及控矿作用； 3）在实验2的基础上，进行不包括东西向断裂组的模拟实验对比，研究先存构造对应力场分布的影响及矿田北东、北西向断裂组的成生发育条件和过程.为避免应力载荷存在空缺或重叠，燕山期北西-南东构造应力场的边界条件设置方法如图中所示，并将岩浆底拱作用力转化为沿底面中线向上挤压应力，忽略了模型与相邻岩层的静岩压力.

表1 模型的物理性质

图3 成矿期前矿区模拟模型（深灰色为断裂模型）

图4 模拟实验边界条件示意图

4 模拟结果与分析

根据计算得到的地层形变、最大主应力、体积应变、剪切应变、渗透率、流体流速等模拟结果，剖析岩浆侵位、破碎和裂隙构造发育、导矿容矿空间形成和流体汇聚成矿的过程和机制.

4.1 实验1结果

印支期区域南北向挤压构造应力场作用下模拟

结果如图5所示.褶皱构造在南北向顺层挤压应力场持续作用下，发生进一步闭合变形，表现为水平距离缩短同时振幅非线性增加（图5a）.最大主应力沿褶皱轴向分布，且在模型中部的应力值高于南北两侧.转折端外侧为张力，核部为压力，从背斜到向斜轴部表现为张力最大-张力减小-无明显应力-压力增加的应力分布特征（图5b）.褶皱的轴部为体积膨胀，两翼为体积压缩，尤其模型中部背斜形成较大扩容空间（图5c）.褶皱形态使水平压应力转换为局部垂直张应力，翼部拐点处产生垂向张应力高值带，其特征与个旧东西向断裂形成的位置和产状一致（图5d）.4.2 实验2结果

在印支期形成的东西向褶皱和断裂构造的基础上，在燕山期区域北西-南东挤压构造应力场和岩浆侵位共同作用下的模拟结果如图6所示.地层褶皱形变表现为沿南北向产生较大规模背斜隆起，形成类似于Ramsay划分的第一类叠加改造型式的褶皱行迹（图6a）.在先存背斜构造部位尤其中间的背斜构造，形成了沿北北东方向的较大范围的张应力环境（图6b）.体积应变增量高值仍然集中在叠加背斜处，在向斜和断裂带产生较小体积正应变（图6c）.剪应变集中在叠加背斜和断裂处，在断裂处没有形成整体贯通剪应变，而是表现为相邻断裂在背斜轴两侧交错产生剪应变高值的分布规律（图6d）.孔压为流体流动的直接驱动力，负孔压是由于土体体积膨胀引起压差形成负值，对流体产生吸附作用.负孔压高值集中在叠加背斜，且断裂带岩层高渗透率性质，促进流体大规模从围岩经断裂导流向叠加背斜构造处汇聚，流速达到最大值1.429×10-12m·s-1（图6e和图6f）.

4.3 实验3结果

仅先存褶皱构造在构造应力场和岩浆侵位作用下，最大主应力集中在两期褶皱轴相交部分形成北北东走向分布的张应力环境且范围较均匀（图7a）.沿模型的北东（为主）和北西向出现小幅度剪应变并环形包围中间背斜，呈“X”型展布（图7b）.体积应变增量，集中分布在叠加背斜隆起处外弧（图7c）.岩层体积膨胀通常会导致渗透率增加，渗透率值在背斜处较周围地层高.流体从高压区流向低压区，主要汇聚于渗透率较高的叠加背斜位置，流速最大值达到3.35×10-13m·s-1（图7d）.

5 讨论

对于矿区褶皱构造发育机制，多数观点认为，在燕山中晚期的北西-南东向的挤压应力作用下，形成叠加在东西向褶皱之上的北东向五子山复式背斜，其轴部具纵断裂破碎带性质（李宝龙，2012）；也有学者提出没有地层层系证据及明显的褶皱轴迹证据，认为五子山复背斜并不存在（吕宝善，2005）.另外，已有研究表明，仅构造应力无法克服重力形成大规模（波长大于30 km）褶皱，需岩浆浮力同时起作用（Ramberg，1970）.根据模拟结果分析，推测矿区褶皱-岩浆岩构造组合的形成机制为：印支期形成的东西向褶皱构造在燕山成矿期北西-南东向挤压构造应力场作用下，在已形成的张应力-应变集中的背斜和向斜构造处进一步形成了沿北北东走向的拉张环境，利于岩浆被动底拱侵位；构造运动同时伴随强烈岩浆活动，岩体沿形成的最大张应力面和前期褶皱作用形成的有利通道和空间反复侵位并产生一定的横弯褶皱作用，对先期背斜和向斜进行改造；褶皱构造又对岩体进行了有效圈闭，尤其在背斜构造处应力集中、应变强度大，形成了隆起空间，导致了复合褶皱及伴生构造的成生发育，为岩浆侵位提供了有利通道和空间，控制马松、老卡、新山等花岗岩体产出，从而形成了沿北北东走向的上背斜-下岩脊协调分布格局，有效圈闭了成矿物源和热源.因而，对于广泛提到的五子山复背斜构造，从发育演化角度更为准确的定义为，燕山期构造应力和岩浆侵位共同作用下，受先存东西向褶皱构造的控制，形成了一系列沿北北东走向不连续的岩体-背斜复合构造组合.

图5 印支期南北挤压作用力下模型水平缩短长度2%的计算结果

图6 燕山期区域构造应力场与岩浆侵位共同作用下模型缩短长度10%的计算结果

图7 仅先存褶皱模型水平缩短10%的计算结果

矿区断裂构造具有多期次特点，东西向断裂组是在印支期南北压应力作用，地层形变由韧性发展到脆性变形而形成（高建国等，2004）.该组断裂在成岩早期具压扭性，成岩晚期逐步转化为张扭性质，因而相对富集中低温铅锌银-锡多金属矿床（韩冬梅和谭敏，2014）.模拟实验1结果显示，东西向褶皱雏形形成使南北水平构造压力转换为局部垂直张应力，在褶皱翼部形成了垂向张应力高值，东西向断裂组是在这个过程中调节局部应力差异引发拉裂脆性变形并在挤压应力作用下形成了逆断层，为褶皱相关断裂.先存断裂构造通常控制着应力场分布，从而控制后期断裂构造的成生发育.实验2结果显示，成矿期区域构造应力场在先存断裂处产生了东西向水平剪应变，同时岩浆上侵在断裂中部产生垂向剪应变，在两个外力场共同作用下，该组断裂在背斜轴两侧不一致的剪应变状态及压扭性质导致无法发生明显走滑运动.实验3结果显示，在不考虑东西向断裂的力学影响条件下，模拟得到了“X”型共轭剪应变，这与矿区燕山期发育北东、北西向断裂组情况相符.由此推断东西向断裂组的存在没有削弱构造-岩浆作用力，从而形成了共轭剪应力促进矿田内北东、北西向张扭性剪切断裂组的成生发育.同时东西向断裂组的压扭性质也不利于岩浆侵位，导致东西向断裂带覆盖地段的岩体形态呈岩槽发育.

矿区多期次构造-岩浆活动形成的构造动力驱动了一个长效的热液系统，使得成矿元素再分配得到浓集，从而形成超大锡铜多金属矿化系统.1）多期构造活动为成矿物质运移提供长效驱动力.矿区岩层经历多期构造叠加改造发生形变，褶皱、断裂构造大量发育导致不同部位形成应力差，驱动含矿流体从高压向低压流动，从而促进矿源层成矿物质随着流体向叠加背斜、断裂带等负高压或低压部位迁移.矿液大量汇聚集中，孔隙压力增加也会导致局部岩层应力-应变加剧，并形成各种伴生构造增强矿液汇聚作用，从而形成了构造-矿液耦合循环系统促进成矿元素大量富集； 2）褶皱-岩体复合构造为成矿提供导矿和容矿空间，是矿区形成层间氧化矿的主要部位，对成矿定位有直接的控制作用.印支-燕山多期次构造-岩浆活动，在褶皱特征部位尤其是背斜构造反复形成强烈的应力-应变，利于伴生构造发育和岩浆侵位，对富集成矿具有递进和继承性.因此，在复合背斜部位形成高体积应变带，加剧了复合背斜处裂隙、层间破碎、虚脱等伴生构造的发育，导致局部岩层结构和性质发生改变，形成高渗透率岩层和扩容空间，促进矿液流通运移，提供容矿空间，是矿化富集有利部位.且多期改造背斜处变形构造松弛，加强了岩石化学活动性，有利于成矿热液充分进行交代和充填作用，也利于形成从高温到低温不同类型的矿化分布.

6 结论和展望

本研究根据数值模拟实验结果，分析了个旧矿区多期次的成矿地质条件，将矿区复杂的构造成生演化过程和控矿内在机制，用定量可视化的模拟结果表达并进行系统深入的讨论与剖析.模拟结果具有时间-空间双重属性特征，既验证了已有的成矿规律认识，又弥补了地质构造的演化过程、成因联系和控矿机制.本文主要研究了控矿构造体系中的矿区-矿田级别的控矿要素，有待对矿区不同尺度的控矿特征进一步系统剖析，从而对个旧超大型金属矿床的成矿模式有更详细深入的认识.

致谢 感谢个旧云锡公司莫国培高工、陈兴寿高工为本研究提供的资料支持.感谢中国地质科学院资源研究所吕庆田研究员、成都理工大学曾敏副教授、中国地质科学院地质力学研究所孙炜峰博士、广州地球化学所黄埔鹏鹏博士、黄金武警部队赵鹏飞对本研究的指导和支持.

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（本文编辑 汪海英）

Numerical simulation of multi-stages tectonic evolution and ore-controlling mechanism of the typical metallogenic province of the South China fold system

YU Miao1, LIANG Feng2, CHEN Jian-Ping3*, GONG Jian-Hua1, LI Hai-Long4, WANG Ji-Chun3

1StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,P．O．Box9718,Beijing100101,China2InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China4InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China

The Gejiu ore district in Yunnan Province, southwestern China, is a world-class super large tin-polymetallic ore-concentrated area. The aim of this study is to reveal quantitatively the process and mechanism of mineralizing fluids and controlling factors of the study area.The mathematical model, simulation model and boundary conditions were constructed according to the geological setting and experimental objectives. In the research three groups of numerical simulation experiments with various boundary conditions on a simplified regional-scale 3D model, that is based on the geological tectonic evolution of the study area, were carried out on a fluid-solid coupling model in FLAC3D.On the basis of calculated quantitative results, including maximum principal stress, volume strain, shear strain, rock permeability, pore pressure and fluid flow pattern, under different geological conditions, we analyzed comparatively and attained more systematic and in-depth understanding of metallogenic geologic conditions in the metallogenic epoch, the development of multi-stages structural compounding and combination, and the ore-forming process. The simulation results show that high tensile stress values are concentrated upon the existing anticline zone and distributed along the NNE direction under horizontal tectonic stress at metallogenic epoch．This type of structure provided the favorable channel and space for magmatic emplacement．With the great buoyancy effect，a series of superimposed anticline zones with low pore pressure, high permeability and expansion space were formed and promoted the ore fluid long-term gathering and metallogenesis．In addition, according to the stress-strain of the E-W faults and the development of the conjugate shear fracture，we analyze the formation mechanism, property and state in metallogenic epoch and the formation of the fracture-rock groove structure, and the ore conducting role of the faults.The results provide insights into the multi-stages composite structures which may have controlled localization of mineralization in the Gejiu ore district and may be of significance for future exploration in the study area and analogous regions elsewhere. These research findings with space-time dual attributes not only verify the existing understanding of the metallogenic regulation, but also have clear implications for complementing knowledge on the evolution process of geologic structures, genetic relationship and internal mechanism.

Tectonic evolution; Ore-controlling mechanism； Fluid-solid coupled； Numerical simulation； Gejiu ore district

国家“深部探测技术与实验研究”专项课题（SinoProbe-03-02）和国土资源部公益性行业科研专项（201011002）联合资助．

于淼，女，1984年生，博士，主要从事成矿过程数值模拟研究．E-mail:yumiaolf@gmail.com

*通讯作者 陈建平，男，1959年生，教授，主要从事定量地学、矿产资源预测评价和“3S”技术集成应用相关研究．E-mail:3s@cugb.edu.cn

10.6038/cjg20151216

P631

2015-05-23，2015-10-28收修定稿

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