东昆仑祁漫塔格虎头崖铜多金属矿田构造应力场分析

刘渭，杨兴科，江万，何虎军，王鲲鹏，于恒斌，马晓鹏

(1.新疆庆源格仁地热能工程有限公司，新疆 昌吉 831100；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；4.中陕核工业集团地质调查院有限公司，陕西 西安 710199；5.陕西省矿产地质调查中心，陕西 西安 710061)

青海祁漫塔格地区位于东昆仑西段北侧，北邻柴达木盆地，西为阿尔金走滑剪切带所截，南与巴颜喀拉造山带相接。由于该区是区域大断裂-昆北断裂方向由北西西向变为近东西向的地段，因此成矿构造条件优越，已成为西北地区实现地质找矿重大突破最有希望的地区。

虎头崖矿田就处于整个祁漫塔格成矿带的中心附近，对于该矿床岩石学、成矿地质条件及矿化蚀变特征已有了大量研究，然而对成矿构造条件的研究却较为欠缺，特别是在进行区域构造理论认识、矿田构造与成矿规律方面遇到瓶颈，直接影响勘探工作，也导致了在深部和外围找矿的一系列问题。构造应力场是矿田构造研究的重要方面，也是区域地质找矿预测的基础。构造应力场研究中最主要的就是对应力进行定时、定向和定量分析。定时是确定各构造应力状态的形成时代；定向是确定某一时期内构造应力的方位，即3个主应力轴方位；定量是确定主应力的大小。

1 地质概况

1.1 地质背景

祁漫塔格大地构造位置(图1)处于古亚洲与特提斯构造域结合部位的东昆仑多岛弧盆造山系的西段，处于柴达木地块、东昆仑造山带、阿尔金断裂所夹持的三角地带。构造演化上，从北到南可以划分为4个三级成矿带：北祁漫塔格岩浆弧带、祁漫塔格结合带、北昆仑岩浆弧带、南昆仑俯冲消减带(王秉璋，2004；伍跃中，2011)。成矿区带隶属祁漫塔格结合带，秦祁昆成矿域、昆仑成矿省、东昆仑成矿带之祁漫塔格铁-钒-钛-金-铜-铅-锌成矿亚带。

1.边界断裂；2.区域性断裂；3.区域性韧性断裂；4.构造单元；5.虎头崖矿田Ⅰ.柴达木盆地；Ⅱ.北祁漫塔格岩浆弧；Ⅲ.祁漫塔格结合带；Ⅳ.北昆仑岩浆弧；Ⅴ.南昆仑俯冲削减带图1 区域构造单元划分略图Fig.1 The sketch map of regional tetonic units

研究区(图2)内出露地层由老至新有：中元古界蓟县系狼牙山组(Jxl)、奥陶—志留系滩间山群(OST)火山岩组、下石炭统大干沟组(C1dg)、上石炭统缔敖苏组(C2d)、上三叠统鄂拉山组(T3e)火山碎屑岩等(丰成友，2011)。与成矿有关的地层主要为狼牙山组上岩段大理岩夹硅质岩、滩间山群火山岩(OSTb)凝灰岩与安山岩、下石炭统大干沟组(C1dg)生物碎屑岩和上石炭统缔敖苏组(C2d)大理岩夹白云质灰岩。

岩浆岩有似斑状二长花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、闪长玢岩脉及新发现的石英斑岩体。

1.2 构造特征

虎头崖矿田区内的构造按照构造形迹及展布方向主要有北西西、近东西向、北东向、北东东向和近南北向5组。不同尺度和规模的构造形成以轴向近东西向的褶皱构造和以近东西向、北东东向和北西西为主的断裂构造，有F1、F2、F3、F5、F6,、F7和F8，褶皱构造有景忍东背斜和狼牙山向斜。

图2 虎头崖矿田构造纲要简图Fig.2 Simplified structural outline map of Hutouya ore field

景忍东背斜：背斜轴向近东西向，位于景忍东IV矿带(科特勒高勒)一楚鲁套海高勒一带，长大于6 km，北翼倾角为40°左右，南翼为40°～50°，枢纽具有向东缓倾伏的趋势，核部及翼部均为石炭统缔敖苏组，向东隐伏于柴达木盆地西南缘。

F1断裂:位于景忍东背斜核部偏南侧，长度大于12 km，宽为50～150 m，断层性质为压扭性逆冲断层，断裂面主体倾向南，局部北倾，倾角陡立。

F5脆性断层：位于虎头崖崖壁附近，断层带长大于8 km，断面普遍近于直立，断层走向为160°～190°，倾角为70°～88°。沿着断裂带，断层在浅部主要发育于蓟县系狼牙山组。

1.3 矿产分布

矿床类型为典型的与印支期中酸性岩体有关的矽卡岩型铜铁铅锌钼多金属矿床(刘云华，2004；丰成友，2011)。研究区8个矿带具体情况见表1。

表1 虎头崖矿田主要矿床类型一览表Tab.1 Main ore deposit types in Hutouya orefield

2 构造应力场分析

2.1 区域构造分析

2.1.1 区域褶皱构造分析

区域内褶皱包括祁漫塔格十字沟南复背斜、肯德可克向斜、野马泉向斜、景忍-楚鲁套海背斜、狼牙山复式向斜、喀雅克登塔格西段褶皱群。褶皱轴向主要有近东西向及东西—北东东向。褶皱变形地质体主要涉及的构造层有：①元古界基底构造层：中元古界蓟县系狼牙山组。②下古生界构造层：奥陶—志留系滩间山群。③上古生界构造层：晚石炭统缔敖苏组。④中生界构造层：晚三叠统鄂拉山组。

根据与褶皱相关的变形特征、轴向分布及与之相关构造层的研究，可分为：①轴向近东西的褶皱变形，卷入下古生界构造层，并被上古生界泥盆系地质体呈角度不整合覆盖，反映加里东期的近南北向主压应力。②东西—北东东向褶皱变形，卷入上古生界构造层——晚石炭统缔敖苏组，受褶皱核部裂隙控制，发育印支期侵入体，褶皱局部被晚三叠系鄂拉山组火山岩呈角度不整合覆盖，反映华力西晚期—早印支期近南北—北北西向主压应力。③北西向褶皱变形，卷入鄂拉山组火山岩，与新生界角度不整合，反映燕山期北东向主压应力。

2.1.2 区域断裂构造分析

(1)区域北西西断裂带属加里东造山运动(尹福光，2008)。由于受边界条件、构造级序和后期构造叠加作用的影响，其在矿田尺度范围内表现为北西西、近东西和北西向断裂构造，所以在加里东晚期本区主压应力方向为北北东—近南北。

(2)近东西—北西西向断裂带属华力西—印支期叠覆造山运动的影响，该期主压应力的方向为近南北向。

(3)北东向断裂常表现出左行走滑性质，其对印支中晚期地质体具有一定改造作用，结合后期所叠加的构造，认为在燕山期应有一次北西向的主压应力活动(图2)。

(4)区内近南北向断裂常表现出张性性质，且尚叠加于先期华力西—印支期构造之上，常充填具有一定宽度的方解石脉体，反映燕山—喜马拉雅期具有一次近南北向压应力活动。

2.2 矿田断裂构造解析

矿田尺度范围内断层作为区域大断裂的低级别构造往往是重要的研究对象(陈柏林，2000；陈正乐，2011)。在虎头崖矿田区主要发育一系列北西西、近东西、北东—北东东向以及近南北向断裂带。在不同的矿带内由于所受力学性质的变化，各组断裂的发育情况和特点有所差异。对露头上的断层进行观察研究，鉴定其力学性质、相对运动、切割其他地质要素或被其他地质要素切割的关系，确定本区的主应力方向,最后共对59条断裂所受主应力σ1进行投图。

从图3中可以看出，59条断层求得的主应力方向可以分为6组：①北东东向主应力共11条。②北东向主应力共7条。③主应力呈近南北向共12条。④主应力呈北西向共18条。⑤主应力呈北西西向共8条。⑥主应力呈近东西向共3条。

综合上述，区域构造和不同矿带控矿断裂构造力学性质的变化，显示出矿田加里东晚期至今至少经历了6期不同方向的应力作用。

图3 断层特征求解的σ1方向玫瑰花图(N=59)Fig.3 Rose-diagram of the principal stress direction of faults(N=59)

2.3 节理分析

节理分期配套是从时间、空间和形成力学上研究一个地区节理的形成发展史和分布规律，可以为研究区的构造和恢复古应力场提供一定依据(翟裕生，1993；孙叶，2011)。

在虎头崖矿田区内岩体和地层内节理十分发育，常具有压性或张扭性，属良好的测试对象。设计测量点数10个，遍及整个矿带内。根据矿带所属范围内的构造发育情况，分为Ⅱ矿带东、Ⅲ矿带、Ⅳ矿带、Ⅴ矿带东、Ⅴ矿带西、Ⅶ矿带东、Ⅶ矿带西及楚鲁套海-狼牙山8个测区。对统计结果，利用吴氏网进行投图分析，得到节理走向玫瑰花图及节理法线极点等密度图(图4)，并总结出节理优势走向方位列表(表2)。

在节理法线极密图(图4)上，节理法线主要发育点极密。观察点Ⅱ矿带东段：200°∠40°；Ⅲ矿带：165°∠5°和247°∠6°；Ⅳ矿带：250°∠3°和80°∠0°；Ⅴ矿带东：79°∠21°和268°∠14°；Ⅴ矿带西：296°∠56°；Ⅶ矿带东：80°∠20°和100°∠12°；Ⅶ矿带西： 93°∠17°；楚鲁套海-狼牙山：150°∠30°和100°∠25°。统计结果显示，对于点极密比较靠近大圆环带的Ⅲ矿带、Ⅳ矿带、Ⅴ东矿带、Ⅶ矿带东及Ⅶ矿带西，其法线倾角较缓，表明节理产状较陡，即σ1和 σ3方向都为近水平，而σ2方向为近直立，而对于Ⅱ矿带东、Ⅴ矿带西以及楚鲁套海-狼牙山实测区，其法线具有一定的倾角，但也不是很陡，表明主应力σ1、σ2和σ3均处于倾斜状态。

从表3和图4可看出，在矿田区内Ⅱ矿带东节理走向主要集中在2个区间北东东70°～80°和走向北东30°～40°，节理多具有压性，结合法线极密图，推测该区经历挤压应力为北东东；Ⅲ矿带节理主要集中在走向北西300°～310°和走向北东25°～35°，推测主应力为北北西向；Ⅳ矿带节理主要集中在走向东西80°～90°和北北西340°～350°，推测主应力为北西向；Ⅴ矿带东节理主要集中在3个区间，即走向近南北355°～10°，多表现为张性断裂，而走向北东30°～40°和北西315°～325°表现为压型、压扭性剪节理。因此，结合野外观察，推测该矿带受主压应力为近南北向，引起北东和北西的具有共轭性质的剪节理，以及近南北向的张节理；Ⅴ矿带西节理主要集中在走向北西西285°～300°和走向北东25°～40°，推测主应力为北东东向；Ⅶ矿带东节理主要集中在走向北西300°～310°和走向南北350°～10°，推测主应力为北北西—北西向；Ⅶ矿带西主要形成走向南北350°～10°的张节理和走向北西320°～330°的剪节理，根据对野外节理发育情况分析，推测地质体接受近南北向压应力，形成近南北向张节理及北北东和北北西向的共轭剪节理；楚鲁套海-狼牙山节理集中在走向东西80°～90°、走向北东40°～50°，推测主压应力为北东东向。

根据节理的集中优势方位、节理法线的点极密发育情况，可以推测研究区内主要存在近南北、北西西、北东东、北北西向4个方向的主压应力。

2.4 共轭剪节理分析

共轭节理一般是指在一定应力作用下岩石受剪切应力破裂形成的裂隙，沿着2组最大剪切面发育的节理。共轭剪节理具有特定的剪切滑动面，常成对出现，互相切割，或者节理呈节理叉、锯齿状追踪张节理或雁列张节理等特点。折尾及菱形结环一般就能代表2组共轭剪节理。利用共轭剪节理的组合关系，并辅以节理发育的总体特征及其有关的地质构造关系可以确定统一应力场中形成的各组节理。2组剪节理的夹角为共轭剪裂角，2组剪节理的交线代表σ2，2组剪节理的夹角平分线分别代表σ1和σ3，共轭剪节理与主应力轴的关系是进行分期、配套、分析应力状态和探求应力场的基础和依据。据此，在野外根据剪节理发育特点进行分期配套研究，可以分析主应力方向和进行构造应力场分析。虎头崖矿田脆性变形极为发育，是测量共轭剪节理的良好地区。对区内的共轭剪节理进行实测统计分析(表2)，并利用赤平投影法作出共轭剪节理的主应力方向空间分析图(图5)。例如，Ⅶ矿带实测Ⅰ剖面一组共轭剪节理发育于下石炭统大干沟组的大理岩中，节理产状分别为116°∠43°和270°∠46°，在该组节理两侧发育走向北东东向的伴生雁列张节理，据此得出σ1为北北东20°向，σ2较缓，σ3方向为96°。

图4 虎头崖矿田节理走向玫瑰花图和节理法线极点图Fig.4 Rose-diagram of the strike and polar-diagram of the normal line of joints in the Hutouya ore field

表2 节理走向优势方位表Tab.2 The dominant orientation of the strike of joints

表3 共轭剪节理及其确定的主应力方向表Tab.3 Principal stress direction inferred from conjugated shear joints

根据实测的14对共轭剪节理特征，结合野外判断的运动方向和相互切割关系，可求得主应力方向(不同期次)主要分为5组：北东30°～52°、近南北351°～355°、北西130°～148°、北东东20°、东西270°～275°方向，按照应力方向从构造序次和配套的关系上分析，应有5期构造应力作用。

2.5 化石应变测量统计分析

有限应变测量是指根据变形岩石中各应变标志物变形状态多种测量数据与其原始未变形状态比较，定量给出构造变形区各点岩石的应变状态，求取各点应变椭球体的主轴方位、轴比、弗林指数和应变强度等(John, et al., 1987；Phillips,1986)，进而可建立区域应力变化变场、推算剪切带。

在区内选取韧性剪切带北侧边界的下石炭统大干沟组中的海百合茎为研究对象，由于其近圆形、椭圆形,且具有随机分布的特点，因此可使用长短轴法进行分析。在野外借助岩层中发育的劈理方向,选择韧性变形带走向方向为X轴,垂直X轴的切面为YZ切面,垂直Y轴的切面为XZ切面(王云斌，2004；王宇明，1991),共在4个测量点统计标志体98组。在上述XZ,YZ两个切面上依次测量获得每个应变标志体的X、Y、Z值,通过对统计的海百合茎沿着韧性变形带走向和倾向截面上的测量数据投影于长轴为纵轴、短轴为横轴的坐标系中(图6)，过原点作最合适的直线求得斜率，求得轴率分别1.67和1.77。结合野外判定为左行韧性剪切变形带，性质具有很好的吻合性，生物化石变形是宏观逆冲推覆构造的微观响应，再结合地质分析，反映出区域上由南向北的推覆运动，而该变形带则受次级北东—南西上挤压应力，变形带上由此发生左行剪切，从而致使带内岩石转化为动态性构造岩。除剪切带外，还发育有扁豆体、构造透镜体、变形捕虏体等。因此,可以用化石变形的长短轴法来进行有限应变测量、韧性剪切带性质以及构造应力场的研究。

图5 共轭剪节理的主应力方向分析图Fig.5 The analysis diagram of principal stress direction of the conjugate shear joints

2.6 韧性变形分析

韧性剪切变形带发育在岩石圈中具剪切应变的强烈变形带(聂江涛，2009)。在剪切带分别沿着无数微细滑动面做微小滑移，从而引起地质块体的错位(Phillips et al,1986；Robert et al,1986)。根据对韧性剪切带相伴生的劈理、线理、节理、裂隙、多米勒骨牌、“Q”型剪切褶皱、S-C面理和旋转碎斑系等研究(杨兴科，1998；朱光谢，2005)，可对其剪切方向和构造应力进行分析。

图6 石炭系中的海百合茎长短轴法应变测量图解Fig.6 Date plot of short and long axis of encrinte in the carboniferous strata

祁漫塔格断裂为祁漫塔格地区的大型主干断裂，总体呈北西西—近东西向舒缓波状沿阿达滩北缘—野马泉—格尔木一线分布，是划分三级构造单元祁漫塔格结合带和北昆仑岩浆弧的分界断裂(潘桂棠等，2008)。该断裂为一多期活动的复合断裂(郭通珍，2011)，早期和中期具有中浅层次的韧性变形特征，剪切带出露数百米，晚期具有表部构造层次的脆性变形特点。

该断裂在虎头崖矿田内主要发育在石炭系和蓟县系狼牙山组中，剪切带宽度一般为100～300 m，剪切带内部有透入性糜棱面理。该断裂主期变形时限为晚奥陶世，在那棱格勒河两岸奥陶—志留纪地层多见(郭通珍，2011)；而在华力西期，主断层受近南北向挤压运动，在景忍—楚鲁套海一带上石炭统缔敖苏组、呼都森花岗岩上发育方向为北西的右行剪切的变形带(郭通珍，2011)；华力西末—早中印支期，在虎头崖地区的下石炭统和蓟县系接触带上发育左旋剪切变形带，沿该透入性糜棱面理有矽卡岩型矿体产出；燕山—喜山期断裂主要表现为由南向北的逆冲推覆。

景忍东F1两侧糜棱面理总体向北倾，倾角为50°～85°(图7)，拉伸线理发育，主要由拉长的石英及定向排列的黑云母、白云母组成，糜棱面理面上发育的拉伸线理向北西方向倾伏，其倾伏角为50°～60°，具有右旋性质；虎头崖韧性变形带糜棱面理南倾居多，倾向为160°～210°，倾角为60°～85°(图7)，为左行顺层剪切，S面理35°∠70°。根据对带内糜棱面理、角砾岩、碎裂岩、流劈理、破劈理等面理构造和与节理的交切关系、共轭剪节理的分期配套等，认为第一期主应力为北西向拉张力，形成近东西向左行剪切带；第二期主应力为近南北—北西西向，形成北西西向右行剪切变形带。

2.7 构造应力场的划分和时代的确定

根据区域构造分析、矿田断裂构造解析、节理分析、共轭剪节理分析、化石应变测量统计分析及韧性变形分析，可将研究区构造应力场主应力(σ1)的方向划分为：北北东—南北→北北东→北北西→北东—北北东→南北—北北西→北西—北西西→北东东—东西→南北，共8期次。

在进行构造应力场分析研究时，定时是指研究各地质时期构造形变的相对次序以及确定各构造应力状态的形成时代，是研究矿田构造最关键的问题。确定构造应力场的时代可以依据地质方法，也可以依据构造年代学方法。因此，依据区域构造与不整合关系和岩浆侵位关系、地层时代、韧性剪切变形时代、地质体变形疲劳关系和断裂切割关系等确定原则，可以确定本区构造应力场的先后关系和时代，即主应力(σ1)方向的变化秩序是：(第一期)北北东—南北→北北东→北北西→(第二期)北东—北北东→南北—北北西→(第三期)北西—北西西→北东东—东西→南北，其对应的时间大致为(第一期)加里东晚期→华力西早期→华力西晚期→(第二期)早中印支期→印支中晚期→(第三期)燕山期→燕山—喜山期→喜山期。

图7 景忍东韧性剪切带中糜棱面理的统计图Fig.7 Statistical charts of mylonitic foliation in ductile shear zone in Jingrendong

3 构造应力场演化

综上所述，结合铀矿成矿作用特征及其成矿时代的确定，研究区的构造应力场可以划分为3期8个阶段(表4、图8)。

3.1 成矿前构造

(1)基底变形阶段。褶皱变形基底为前寒武纪地层及早古生界滩间山群，变形时代属加里东晚期构造，变形性质为韧脆性褶皱变形，最大主压应力呈近南北—北北东向，形成的主要构造形迹是近东西—北西西向的褶皱和断裂构造带，属于成矿前构造。

(2)火山活动。分布于矿田南侧至肯德可克一带的牦牛山组，时代应该为晚泥盆纪，主要的构造活动为岩浆侵位相和火山喷发作用。根据火山喷发特征，主应力(σ1)方向为北北东向。

(3)盖层变形。晚古生代盖层受区域性动力变质作用控制而发生韧脆性变形，形成北西西向右旋斜冲韧性剪切带以及北东东向褶皱系，推测主应力方向为北北西向。

3.2 成矿期构造

(1)成矿早阶段。时代为华力西晚期—早中印支期，变形性质为脆韧性阶段，发生一系列北西西向、近东西向的逆冲推覆构造，形成多条脆性断裂带，最大主应力方向为北北东—南北向。该断裂最后发育为矿田内的二级构造带，切割蓟县系、石炭系，并被中晚印支期岩体侵入及晚三叠统火山岩覆盖，沿着断裂带发育与印支晚期中酸性岩体有关矽卡岩铜、铁、铅、锌矿床。

图8 虎头崖矿田构造主应力方位演化图Fig.8 The evolution diagram of principal stress direction in Hutouya ore field

(2)成矿晚阶段。时代为中晚印支期，主要为脆性变形阶段，最大主应力方向为近南北—北北西向，主要形成近东西、北东东向脆性断裂带，断裂具有压扭性质。这都是与Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ矿带有关的控矿构造，属同期次成矿构造，主要形成矽卡岩型矿床。在靠近岩体附近矿体受接触带构造控制，而远端表现为断控热液型矿化特点，均是找矿的重要标志。沿着断裂带发育与中印支期中酸性岩体有关矽卡岩铜、铁、铅、锌矿床。因此，北西西向和近东西向控矿构造，及与中酸性岩体接触部位的构造是重要的构造找矿标志。

3.3 成矿后构造

(1)成矿后早阶段。推测属燕山期，变形性质为脆性破碎，最大主应力方向为北西向，形成北东向具左行平移性质断裂，对整个区域地层、岩体甚至矿体改造明显。

表4 构造应力场演化特征表Tab.4 The tectonic evolution characteristics of stress field

续表4

(2)成矿后中阶段。主应力方向为北东东—东西向，推测时代为晚燕山—喜山期，形成近南北向和北北西向脆性断裂，区内普遍发育，但断裂规模不大。

(3)成矿后晚阶段。属喜山期造山运动的产物，形成近南北向的主压应力，构造行迹为近南北向张性断裂、近东西向断裂复活以及北东—北西共轭剪切断裂。

4 结论

(1)根据区域构造分析结果指示区域上4期次的应力作用；矿田断裂构造解析法显示了6期次的应力作用；根据节理的集中优势方位、法线的点极密发育情况和共轭剪节理的分析，至少发育5期次不同方向的主压应力作用；对化石应变测量和韧性变形带的分析也表明经历2次区域性主压应力作用。总体划分为8个期次应力作用：北北东—南北→北北东→北北西→北东—北北东→南北—北北西→北西—北西西→北东东—东西→南北。

又通过对区域和矿田区构造与不整合的关系、岩体侵位关系、地层时代、地质体变形疲劳关系、韧性剪切变形时代以及断裂切割关系的梳理，为研究区构造应力场的判定制定了原则，并厘定出其形成时代，认为主应力的演化共分3期，成矿前：(加里东—华里西期)北北东—南北→北北东→北西→北北西；成矿期：(华里西—印支期)北北东—南北→北北西；成矿后期：(燕山—喜山期)北西—北西西→北东东—东西→南北。

(2)该矿床以矽卡岩型多金属矿化为主，在成矿期构造北西西、近东北、北东东向断裂交汇部位及其派生断裂附近是寻找矿体的有利构造部位。

(3)虎头崖矿田的构造应力场演化与区域上早古生代以来两阶段的构造-岩浆演化活动密切相关，后期又受到燕山期构造活动和喜山期强烈造山运动的影响，形成构造演化的多阶段性、多期次性和多次叠加性，这在早期是有利于成矿的，在后期却是不利于保存矿体的。

致谢：感谢青海省第三地质矿产勘查院、云铜矿业公司对项目野外工作的支持，以及陈正乐、郭涛、王世峰等老师的指导交流。