黔西南地区中‒新生代构造变形特征及应力场模拟分析

陈友智, 杨贵来, 唐 永

黔西南地区中‒新生代构造变形特征及应力场模拟分析

陈友智1, 杨贵来2, 唐 永3*

(1.贵州理工学院 资源与环境工程学院, 贵州 贵阳 550003; 2.中国地质调查局 成都地质调查中心, 四川 成都 610000; 3.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430100)

黔西南地区位于扬子克拉通西南缘, 是世界著名的卡林型金矿集中区, 中‒新生代受特提斯域构造域和滨太平洋域构造域叠加复合影响, 区域构造变形过程不清, 控矿机理不明。针对这些问题, 本文对区内构造裂缝的几何形态、主要构造期次及应力状态进行了分析, 并运用Abaqus有限元软件模拟了各构造期应力与应变分布。研究获得下列认识: (1) 晚三叠世‒早白垩世: 受古特提斯构造域与早燕山运动的影响, 最大主应力优势方向为NE-SW, 应力强度西强东弱, 形成NW向构造, 先存的NE向断层多表现为走滑性质, 为成矿构造的主要形成时期; (2)古新世: 受晚燕山运动的影响, 最大主应力优势方向为NNW-SSE, 形成新的NE向构造, 构造变形强度较大, 对早期形成的金矿床有较强的改造作用; (3) 始新世: 受太平洋板块向亚洲大陆俯冲的影响, 最大主应力优势方向为近东西向, 应力强度东强西弱, 该期构造对金矿床改造较弱; (4) 基于上述研究预测, 隐伏金矿床存在于青山变形区中部、兴仁‒贞丰变形区北部及南部东侧。联合野外地质调查及Abaqus有限元模拟, 开展复杂构造区构造演化与金属矿床形成关系研究, 为卡林型金矿勘探提供依据, 并为隐伏矿床预测提供新方法。

黔西南; 中‒新生代; 构造变形; 有限元; 金矿床

0 引 言

黔西南位于扬子克拉通与华南褶皱带过渡区, 被扬子克拉通、越北地块和华夏地块所夹持, 是受深断裂控制形成的三角区(胡瑞忠等, 1995; 陈本金, 2010)。区内盛产卡林型金矿, 其构造变形受到学者们的广泛关注(毛建全等, 1990; 何丰胜等, 1997; 胡斌等, 2004; 郝家栩, 2007; 胡煜昭, 2011; 胡煜昭等, 2012; 吴松洋等, 2016; 曾国平, 2018)。由于本区属于特提斯构造域和滨太平洋构造域叠加复合区(王砚耕等, 1994; 曾允孚, 1995; 张国伟等, 2013; 李三忠等, 2013; 徐容等, 2018), 中‒新生代以来经历多期构造变动, 致使构造变形极为复杂, 不同构造变形期的动力学背景难以判定, 构造控矿机理难以厘清。

构造动力的多源性, 导致研究者对区域应力场认识不统一: 晚三叠世(T3)、晚侏罗世‒早白垩(J3-K1)受NE-SW向挤压(Chen et al., 2011; 李学刚, 2012); 早侏罗世(J1)、晚白垩世末期‒古近纪早期(K2-E1)与印支期末‒燕山早期(T3-K1)受NW-SE向挤压(Chen et al., 2011; 李学刚, 2012; 曾国平, 2018); 晚白垩世‒古新世末(K2-E1)受SN向挤压(万天丰, 2004; 曾国平, 2018), 伸展构造发育于晚白垩世(K2)、晚三叠世(T3)与晚侏罗世‒早白垩世(J3-K1)(贵州省地质调查院, 2017; 靳晓野, 2017; 徐容等, 2018)。

研究缺少对全区范围的构造应力场分析, 而中、小型尺度构造的应力场研究是解决区域构造问题的有效方法(Fossen, 2016)。本文试图通过系统研究全区野外露头的构造裂缝发育特征及分布规律, 建立区域动力环境与矿区构造的联系, 区分黔西南地区中‒新生代主要构造期次, 明确不同期次应力作用的强度及其对应的动力机制; 并开展构造应力场模拟, 预测全区构造变形强度分布, 为更准确地认识研究区构造控矿机理提供依据。

1 地质背景

黔西南地区在泥盆纪时位于古特提斯洋东缘(郑荣才和张锦泉, 1989), 区内发育近岸台地‒滨岸相、斜坡‒盆地相黑色黏土及碳酸盐岩。石炭纪构造活动减弱, 沉积浅海台地、台缘‒斜坡相碳酸盐岩及少量碎屑岩。早‒中二叠世发育浅海台地相碳酸盐岩与滨岸沼泽相碎屑岩(贵州省地质调查院, 2017)。晚二叠世受西部康滇古陆和东南云开古陆物源供给的影响, 发育海陆交互相含煤地层(冯增昭, 1994)。早三叠世处于被动大陆边缘环境, 沉积台地相碳酸盐岩与斜坡‒盆地岩相碎屑岩(梅冥相等, 2002)。中‒晚三叠世研究区为前陆环境(刘本培, 1986; 秦建华等, 1996; 杜远生等, 2009), 中三叠世研究区挠曲沉降, 沉积浅海‒潟湖相碳酸盐岩夹泥岩, 向东过渡为斜坡相碎屑岩夹碳酸盐岩。晚三叠世进入磨拉石超补偿阶段, 晚三叠世晚期上升成陆, 为湖泊与河流相沉积(梅冥相等, 2003)。

研究区中新生代构造变形强烈, 发育北东向、北西向、北西西向和近南北向构造, 不同分区构造形迹各异。本次研究沿用胡煜昭(2011)构造变形区划分方案, 将黔西南划分为四个变形区: 盘县(Ⅰ)、青山(Ⅱ)、兴仁‒贞丰(Ⅲ)和紫云‒六盘水(Ⅳ)变形区(图1)。

I. 盘县变形区; II. 青山变形区; III. 兴仁‒贞丰变形区; IV. 紫云‒六盘水变形区。断裂名称: ①. 师宗‒弥勒断层; ②. 紫云‒罗甸断层; ③. 坡坪断层; ④. 猪场‒上寨断层; ⑤. 盘县断层; ⑥. 珠东断层; ⑦. 花鱼井断层; ⑧. 青山镇断层; ⑨. 马场断层; ⑩. 海马谷断层; . 上河坝断层; . 木科断层; . 安龙断层; . 大丫口断层; . 兴仁断层; . 核桃树断层; . 大山‒者相断层; . 董岗断层; . 泡通湾断层; . 永宁镇断层; . 杨家大坡断层; . 戛戛寨断层; . 上本咱断层; . 龙朝树断层; . 块择河断层; . 普安‒盘关断层。红色粗实线代表分区边界断层或区域性大断裂。

盘县变形区西部以师宗‒弥勒断裂带与滇东台褶带相邻, 东部以珠东断层为界与青山变形区相隔, 区内发育北北东向、北东向以及北西西‒东西向构造, 南部出现多期构造复合形成的三角区。青山变形区与兴仁‒贞丰变形区以马场断层为界, 南界和北界分别为猪场‒上寨断层和杨家大坡断层, 主要发育北东向断层。上述两区发育先存构造: 盘县断层、青山镇断层、花鱼井断层和马场断层, 形成时间早于二叠纪。兴仁‒贞丰变形区东部边界大致与扬子克拉通和华南褶皱带边界一致, 南、北边界与青山变形区相同, 区内广泛发育北东向、北西西向以及近南北向构造。紫云‒六盘水变形区, 其南界和北界分别为杨家大坡断层和紫云‒罗甸断裂, 东部构造走向北西, 局部北东向断层切割北西向断层, 西部主要发育北北东向构造, 切割早期北东东‒南西西向构造(王砚耕等, 1994; 胡煜昭, 2011)。

2 裂缝特征与应力地质分析

本次研究设计了七条观测路线: 兴义七舍‒关岭(Qg)、关岭‒晴隆花贡(Gl)、晴隆‒盘县(Qp)、安龙‒册亨(Ac)、册亨‒望谟(Cw)、盘县‒兴义(Px)、普安地瓜‒兴仁(Dg)和兴仁‒安龙(Xa)(图1)。野外调查路线共计约600 km, 观测点251个。

2.1 不同变形区裂缝特征与优势方位

本次研究利用共轭剪裂缝的几何形态来分析最大主应力方向。由于研究区中‒新生代应力场发生多次更迭, 首先要将裂缝进行分期与配套。本次研究裂缝组的分期原则为: ①早期裂缝组限制晚期裂缝组, 晚期裂缝组切割早期裂缝组; ②裂缝组相互交切, 且发育规模相似, 为共轭关系; ③利用各期裂缝脉体充填情况来判断裂缝形成时序。

笔者在研究区进行野外实地观测, 共获得了574组裂缝的几何学参数(图2)。在测量地层和裂缝产状之后, 将岩层旋转至水平, 获得旋转后的裂缝产状, 最后利用Tectonics FP1.7.8软件计算最大主应力方向。

盘县变形区裂缝走向优势方向为NW300°～ 320°、NNW340°～360°、EW260°～280°、NE0°～40°(图3a)。青山变形区裂缝走向优势方向为EW260°～ 280°、NE40°～60°、NW300°～320°、NE20°～40°(图3b)。紫云‒六盘水变形区裂缝走向优势方向为NW320°～ 340°、NW300°～320°、NW340°～360°, 其他方向分布比较平均(图3c)。兴仁‒贞丰变形区裂缝走向优势方向为NW300°～340°、NW340°～360°、NNE20°～40° (图3d)。

(a) 盘县变形区观测点Qp32(盘县红果)关岭组灰岩裂缝1、2和3产状分别为10°∠70°、210°∠85°和350°∠66°; (b) 青山变形区观测点Dg1(普安地瓜)飞仙关组砂岩裂缝1和2产状分别为269°∠85°和181°∠89°; (c) 兴仁‒贞丰变形区观测点Qg31(兴仁县顺发煤矿)飞仙关组泥质粉砂岩裂缝1和2产状分别为185°∠31°和85°∠70°; (d) 紫云‒六盘水变形区观测点Qg42(回龙镇)永宁镇组灰岩裂缝1和2产状分别为290°∠74°和49°∠83°。

2.2 应力地质特征

盘县变形区最大主应力优势方位为NNW340°～ 360°、NE40°～60°(图4a)。青山变形区最大主应力优势方位为EW260°～280°、NNW320°～340°和NNE20°～ 40°(图4b)。紫云‒六盘水变形区最大主应力优势方位为NW300°～320°、NWW280°～300°、NNW340°～ 360°和NE40°～60°(图4c)。兴仁‒贞丰变形区最大主应力优势方位为NNW320°～340°和NWW280°～ 300°、NNW340°～360°和NNE0°～20°(图4d)。

总体上, 黔西南地区中‒新生代四个构造变形区最大主应力优势方向不尽相同, 但仍有共同点(表1)。NE-SW和NNE-SSW向应力(表1中带C方向值)主要作用于盘县、青山和紫云‒六盘水变形区, 兴仁‒贞丰变形区较弱。NNW-SSE和NW-SE向应力(表1中带B方向值)在研究区作用普遍较强, 在不同的区域应力稍有偏转。NWW-SEE向和近东西向应力(表1中带A方向值)主要作用于青山、紫云‒六盘水和兴仁‒贞丰变形区, 盘县变形区该方向应力作用较弱, 暗示构造作用自东向西扩展。紫云‒六盘水变形区最大主应力优势方向是300°～320°, 由于该区东部以北西向构造占优, 而西部以北北东向构造为主, Gl线路更靠近西部, 主要统计了北西‒南东向应力。

(a) 盘县变形区; (b) 青山变形区; (c) 紫云‒六盘水变形区; (d) 兴仁‒贞丰变形区。n为裂缝组数量。

(a) 盘县变形区; (b) 青山变形区; (c) 紫云‒六盘水变形区; (d) 兴仁‒贞丰变形区。n为共轭剪裂缝计算出的最大主应力数量。

表1 黔西南地区最大主应力方向统计表

本次研究利用济南矿岩试验仪器有限公司HSW- 1000B岩石三轴仪测得11个样品的抗压强度和初始抗剪强度, 后续计算中相同岩性采用相同测试数据。应用数学公式3–1=(c–2)/cos, 其中3为最小主应力,1为最大主应力,c为岩石抗压强度,为岩石初始抗剪强度,为共轭角, 求解可以获得最大差应力值(陈庆宣等, 1996)。该方法应用于黔西南地区, 结果见表2。NE-SW向(包含NNE-SSW向)优势应力最大差应力介于30.5～140.0 MPa, 平均值84.3 MPa; NNW- SSE向优势应力最大差应力介于71.0～126.8 MPa, 平均值94.4 MPa; 近东西向(包含NWW-SEE向)优势应力最大差应力介于48.3～77.1 MPa, 平均值73.6 MPa。可以看出最大差应力由大到小依次是NNW-SSE向、NE-SW向和近EW向, 与前述NNW向应力在全区作用最强, 近EW向应力表现较弱的情况相吻合。

3 应力场数值模拟分析

为了预测应力与应变, 学者们常利用褶皱和断层相关褶皱的几何学和运动学模型来进行相关的研究(Suppe, 1983; Jamison, 1987; Suppe and Medwedeff, 1990)。这些模型能够预测地质体几何形态, 但是无法准确预测变形部位的岩石力学行为。岩石力学属性和构造位置控制断裂带的应变过程(Ferrill and Dunne, 1989; Hickman et al., 2009), 岩石力学性质和应力场则与中、小尺度变形的发育相关(Smart et al., 2012), 仅利用几何学和运动学模型, 无法准确获取变形构造类型和演化过程。所以, 本次研究考虑地层岩石力学性质和应力‒应变演化史, 采用Abaqus有限元数值模拟技术来研究本区构造演化。

3.1 几何模型

考虑到金矿所赋存区域, 本次模拟对象不包含紫云‒六盘水变形区, 设计为北西向矩形, 长边164 km,短边90 km, 面积14760 km2。该区元古界‒泥盆系多未揭露, 岩性与厚度不清, 模拟仅针对石炭系及其上覆地层。三个变形区内有两套重要的滑脱层: 石炭系与泥盆系界线附近地层以及龙潭组煤系地层(胡煜昭, 2011)。为了提高计算速度和模拟结果的精度,笔者按照岩性特征将整个目的层段进行简化合并, 将研究区划分为4个力学层, 从下至上: ①B1层: 下石炭统岩关组底面‒上二叠统龙潭组底面, 主要为灰岩和白云岩, 厚度约3150 m。②B2层: 上二叠统龙潭组底面‒下三叠统飞仙关组底面, 主要为黏土岩夹灰岩、粉砂岩及煤层, 厚度约500 m。③B3层: 下三叠统飞仙关组底面‒上三叠统赖石科组底面, 研究区中、下三叠统存在相变, 飞仙关组至竹杆坡组, 下部为细砂岩和粉砂岩夹泥岩, 中、上部为白云岩和灰岩夹泥质灰岩和泥岩; 夜郎组至边阳组, 下部为泥质粉砂岩和泥岩夹泥质灰岩, 中部为白云岩夹泥岩和泥质白云岩, 上部为泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩夹钙质粉砂岩、钙质泥岩、泥质灰岩和灰岩, 厚度约900 m。④B4层: 上三叠统赖石科组底面‒龙头山组顶面, 主要为泥质粉砂岩、钙质泥岩和泥岩夹泥质灰岩、砂岩、岩屑石英砂岩、含砾砂岩和煤层, 厚度约1800 m。侏罗系‒新生界因分布局限, 没有进入力学分层序列(图5)。

表2 共轭角计算各优势方向最大差应力值

3.2 物理模型

3.2.1 材料属性

本次研究材料属性参数赋值所遵循的原则: 每层以含量大于70%的岩石类型的物理力学性质为主, 为主要的计算参数, 其他岩石类型力学性质作为参考; 若一个力学层中多种岩石类型的含量相差不大, 模型的计算参数则为这几种岩石力学数据的平均值。

本次研究的材料力学参数确定主体根据露头区三轴岩石力学实验结果, 考虑各个力学层的厚度, 以及不同构造形态和构造部位, 运用加权平均的方式和类比法, 综合分析而获得的。将研究区断裂两侧适当范围内的岩石力学参数按照一定比例(60%左右)降低, 具体的数据可以根据研究区实际的岩性组合以及断层规模予以适当的调整(表3)。

C1y. 岩关组; C1d. 大塘组; C1b. 摆佐组; C2h. 黄龙组; C3m. 马平组; P1p. 平川组; P2q. 栖霞组; P2m.茅口组; P3l. 龙潭组; P3c.长兴组; T1f.飞仙关组; T1yn. 永宁镇组; T1y. 夜郎组; T1a. 安顺组; T2g. 关岭组; T2y. 杨柳井组; T2z. 竹杆坡组; T2x.新苑组; T2b. 边阳组; T3ls. 赖石科组; T3b.把南组; T3h. 火把冲组; T3l. 龙头山组。

表3 黔西南地区力学物理模型材料参数值

3.2.2 网格单元划分

黔西南地区受到不同期次与不同强度构造活动的影响, 使得构造形态较为复杂。采用人工控制与自动相结合的方法较为适宜。研究区依据CPS8R单元, 兼顾计算机容量和复杂程度, 从地质模型中抽象出力学模型, 划分网格30000个, 节点42610个(图6)。

3.2.3 边界条件

黔西南地区中‒新生代不同时期分别受NE-SW向、NNW-SSE向和近EW向挤压应力, 依据表1应力方向的统计, 选择占比高的应力方向NE-SW向45°～225°、NNW-SSE向140°～320°和近EW向100°～280°施加应力。依据差应力大小的计算, 上述三个方向分别施加84.3 MPa、94.4 MPa和73.6 MPa应力。应力方位边界和数值模拟边界条件见表4和图7。

图6 黔西南地区中部晚三叠世‒早白垩世有限元分析网格化模型

表4 黔西南地区中部构造模型边界条件

(a) NE-SW向施力; (b) NNW-SSE向施力; (c) 近E-W向施力。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 晚三叠世‒早白垩世

3.3.1.1 最大主应力

3.3.1.2 最大主应变与最大剪应力

3.3.2 古新世

3.3.2.1 最大主应力

3.3.2.2 最大主应变与最大剪应力

图8 黔西南地区中部晚三叠世‒早白垩世最大主应力分布图(“”代表金矿床)

图9 黔西南地区中部晚三叠世‒早白垩世最大主应变和最大剪应力分布图

图10 黔西南地区中部古新世最大主应力分布图

图11 黔西南地区中部古新世最大主应变和最大剪应力分布图

3.3.3 始新世

3.3.3.1 最大主应力

3.3.3.2 最大主应变与最大剪应力

图12 黔西南地区中部始新世最大主应力分布图

图13 黔西南地区中部始新世最大主应变和最大剪应力分布图

4 讨 论

区内金矿田深部均存在提供成矿流体的岩体(曾国平, 2018), 且重力资料显示其分布广泛(胡煜昭, 2011), 构造作用为成矿的主控因素。研究人员发现最大主应变控制褶皱的形成, 最大剪应力则与断裂的发育相关(唐永等, 2012)。此次有限元模拟显示晚三叠世‒早白垩世最大主应变高值区主要发育于青山变形区中部和西南部以及兴仁‒贞丰变形区北部, 最大剪应力高值主要出现在兴仁‒贞丰变形区南部西侧。青山变形区南部泥堡、楼下金矿位于先存的北东向马场断层附近, 该时期最大剪应力中等, 断裂破碎带为容矿构造。变形区西部架底金矿床靠近先存的区域性大断裂盘县断层, 与NE-SW向构造应力低角度相交, 可能表现为走滑性质, 产生NW-SE向挤压分量, 模拟显示最大主应变较高, 褶皱层间滑动带富集矿体(曾国平, 2018)。先存构造对矿床的发育有明显的控制作用。

兴仁‒贞丰变形区南部西侧大丫口金矿最大剪应力较大, 含矿层受近东西向断层控制。该区南部东侧戈塘金矿最大主应变中等, 金矿床受穹状背斜影响。变形区北部紫木函和水银洞金矿最大主应变高, 富矿层位发育于背斜轴部和近轴部的层间滑动带。

5 结 论

中‒新生代黔西南受特提斯构造域和滨太平洋构造域叠加复合影响, 各变形区受力状态、变形特征以及构造控矿型式不同: ①晚三叠世至早白垩世研究区受古特提斯域和早燕山运动的影响, 产生NE-SW向应力, 应力强度表现为西强东弱, 青山变形区容矿构造受先存的NE向构造控制, 而兴仁‒贞丰变形区容矿构造则受NW和NWW向构造影响。②古新世研究区受晚燕山运动的影响, 全区范围受NNW-SSE向应力作用, 产生新的NE向构造, 该期构造对矿床改造较强。③始新世研究区受太平洋板块向西俯冲的影响, 产生近东西向应力, 变形强度表现为东强西弱, 该期构造对矿床改造较弱。④青山变形区中部、兴仁‒贞丰变形区北部及南部东侧存在隐伏金矿床。

致谢:感谢昆明理工大学董有浦副教授和另外一位匿名审稿人对本文提出的宝贵修改意见。感谢西北大学刘池阳教授、中国地质大学(武汉)沈传波教授与葛翔副教授在写作过程中的指导。谨以此文献给恩师梅廉夫教授60岁华诞。

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Characteristics of Meso-Cenozoic Tectonic Deformation and Simulation of Stress Field in Southwest Guizhou Province

CHEN Youzhi1, YANG Guilai2and TANG Yong3*

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, Guizhou, China; 2.Chengdu Geological Survey Center of China Geological Survey, Chengdu 610000, Sichuan, China; 3.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China)

Southwest Guizhou, located in the southwest of the Yangtze craton, is a famous Carlin-type gold province. Being controlled by both Tethys and Pacific tectonic domains, this district featured complex tectonic characteristics, and the relationship between the tectonic evolution and gold mineralization is actively disputed. To delineate the relationship between the tectonics and gold deposits, the geometry of structural fractures, and stresses of the main tectonic periods are analyzed. In addition, the stress and strain characteristics in each tectonic period are simulated by the Abaqus finite element software. We gained the following results: (1) Under the control of the Paleotethys domain and early Yanshan movement, the principal stress was NE-SW direction during Late Triassic-Early Cretaceous with a eastward decline in strength, which resulted in a series of NW structures, whereas the pre-existing NE faults exhibit strike slipping features. The structures formed in this stage are the main ore-bearing structures; (2) Due to the late Yanshan movement, the principal stress direction changed to NNW-SSE during Paleocene, and the newly formed NE structures deformed the previously formed gold deposits; (3) The subduction of the Pacific plate beneath the Asian continent in Eocene triggered the principal stress of W-E direction, its strength declines from east to west. The relatively weak deformation has little effect on these gold deposits; (4) Based on these understanding, areas like the middle of the Qingshan area and both north and southeast of the Xingren-Zhenfeng areas were suggested for future gold prospecting. In summary, the combined field geological survey and Abaqus finite element simulation demonstrate that the gold mineralization is closed related to the tectonic evolution, and can be used as a new method for the gold prospecting especially for the Carlin-type gold deposit.

Southwest Guizhou; Meso-Cenozoic; structural deformation; finite element; gold deposit

2020-03-20;

2020-06-07

贵州省科技计划项目(黔科合基础[2018]1065)、黔西南州科技计划课题(2018QXN79225)、贵州省重点学科项目(ZDXK[2018]001)和湖北省教育厅计划项目(T201905)联合资助。

陈友智(1982–), 男, 博士, 讲师, 主要从事构造地质学研究。Email: cugchenyz@126.com

唐永(1981–), 男, 博士, 讲师, 主要从事构造应力场研究。Email: water_0820@163.com

P542

A

1001-1552(2021)04-0667-014

10.16539/j.ddgzyckx.2021.04.003