幔枝构造成矿理论及其找矿实践

牛树银,陈 超,张福祥,孙爱群,王丰翔,马宝军,张建珍,李凤友,王宝德,许传诗

1.河北地质大学,河北 石家庄 050031;2.承德市地质队,河北 承德 067000

地幔热柱最初源于“热点”。1963 年,板块构造创始人之一威尔逊最先提出热点假说,用于解释夏威夷群岛火山链的成因[1];Morgan (1971) 认为他所指的固定热地幔源区实际上是一个产于地幔底部热边界附近的热幔柱(Plume,也有人译作地柱、热点、地幔羽、地幔柱)[2];Anderson (1975) 则著文说地幔热柱与其说是热柱,不如说是一种化学柱[3]。继而,发源自核—幔界面的“地幔热柱” 被认为是继“大陆漂移”、“板块构造” 之后的第三次地学革命,引起地质学家的广泛关注和研究热潮。

1 幔枝构造成矿理论的提出

幔枝构造(mantle-branch structure) ——地幔热柱的第三级构造单元(Maruyama 等称三次柱),是地幔热柱多级演化在岩石圈浅部的综合表现形式[4-6]。幔枝构造一般由核部岩浆—变质杂岩、外围盖层拆离滑脱层和上叠构造断陷—火山盆地等三个单元组成。它可引起地壳上隆、岩浆活动、变形变质等作用,以及含矿流体活化迁移、围岩蚀变、成矿作用等一系列地质过程。

1.1 地幔热柱多级演化

地幔热柱[7,8]多级演化——Ⅰ级地幔热柱(Wilson,1963)—Ⅱ级亚热柱[9]—Ⅲ级幔枝构造[10]。需要从新的视角看待幔壳运动和成矿作用(图1)。

地幔热柱起源于核—幔界面,由于界面内、外分别是液态内核、固态下地幔。据地球物理学探测资料分析,核—幔界面存在着厚约2km 的差异旋转层,而差异旋转过程中,一旦由于核—幔旋转出现凸起或物质成分不均匀分布,则在凸起处构成薄弱环节,便会形成上涌热地幔物质流,随着热物质流的不断上涌,逐渐形成头大尾小向上涌动的地幔热柱。

图1 地幔热柱多级演化及成矿类型模式图Fig.1 Model map showing the multiple evolution of mantle plume and metallogenic types

当地幔热柱不断上涌而达到上、下地幔界面时,由于上下地幔界面亦存在着差异旋转形成的界面,上升地幔热物质流逐渐集聚,形成蘑菇状地幔热柱。随着地幔热物质不断的集聚,地幔热柱的热物质流上涌力达到或超过界面的封阻力时,便会突破界封阻力,穿越上、下地幔间存在的界面,形成若干个地幔亚热柱。

类似地幔热柱一样,地幔亚热柱上涌遇到软流层的阻挡,亦在顶部形成呈蘑菇状顶冠,也需要积累能量,穿过阻挡层进入地壳,构成了地幔热柱—地幔亚柱—幔枝构造系统。值得强调的是地幔热柱—地幔亚柱—幔枝构造系统的连续上涌,沟通了地核、地幔与地壳的通道。与地幔热柱体系沟通的冷物质流可能就是板块构造俯冲带,两者连续构成地球物质的循环。

地幔热柱上涌过程中也会向外围拆离滑脱,加之地幔物质的高温度、高压力、低粘度特征,使地幔物质不仅沿岩石圈底部向外围大规模拆离,同时还会沿壳幔过渡带、中地壳低速带、不同层次原有拆离滑脱带等薄弱部位向外拆离。而这种地幔物质沿薄弱带的拆离,容易使薄弱带扩大,甚至与岩石圈脱落,成为下落残块。这也可能是造成岩石圈拆沉的方式之一。

向外拆沉的地幔物质,一旦被外围陡倾韧性剪切带所切割,或者由于地幔物质向外拆离过程中导致的液压致裂作用,使新生断裂与上部活动断裂连通,便可导致地幔物质减压释荷,使原本具有一定熔融性质的低速软化物质转变成为深熔岩浆源。如果韧性剪切带直达地表且通畅性较好,则岩浆直接喷出地表形成火山爆发。火山活动旋回往往以基性、中基性岩浆喷发开始,以酸性或酸性偏碱性岩浆活动为结束,总体表现出基性→中基性→中性→酸性(偏碱性) 的完整岩浆活化序列。火山活动特征,往往早期以基性喷流为主,多表现为裂隙式溢流,晚期逐渐演化为酸性岩浆中心式喷发。究其原因,除岩浆自身演化序列外,早期壳源物质的同化混染少,而晚期同化混熔加强亦是岩浆成分变化的原因之一。火山喷发的方式则主要与岩浆的粘度有关[11]。

此外,凡火山喷发异常强烈的地区,往往形成多期次火山—沉积盆地,这也可能与深部大量火山喷发造成地下亏空,导致重力塌陷作用有关,如冀北的宁城盆地、滦平盆地等均属此类。

如果区域构造应力场处于挤压体制,韧性剪切带较为紧闭,则岩浆活动缓慢,活动时期漫长,并以岩浆侵入活动为主。主要侵入岩浆类型从早到晚可为辉长岩、闪长岩、石英闪长岩、花岗岩,即总趋势由偏基性→偏中性→偏酸性演化。岩浆侵位深度由深成→浅成→超浅成演化,侵位强度由弱→强→弱,构成完整的侵入旋回。

1.2 岩浆—变质杂岩热隆

这种岩浆—片麻岩穹窿式幔枝构造抬升的速度和幅度,取决于构造活动强度和花岗岩浆的规模,如果构造活动不强,岩浆侵位规模不大,那么其隆升幅度也有限,多只是一般的隆起,甚至连深部片麻岩也尚未出露于地表;如果构造活动强烈,岩浆侵位规模亦大,则基底变质—岩浆杂岩呈揭顶式裸露,盖层就会发生大幅度拆离滑脱,形成典型的幔枝构造(相当于变质核杂岩阶段);如果构造活动十分强烈,并导致大规模岩浆活动,片麻岩基底也会大幅度快速隆升,以至于盖层岩石完全被剥蚀殆尽,基底片麻岩系和深成岩体直接裸露地表,构成大面积变质—岩浆杂岩地块。胶东地区与冀东、阜平幔枝相比,便属于后者。

此外,岩浆侵入作用不仅是幔枝构造形成的主要动力机制,它还可使糜棱岩化及其变质作用具有分带性,或出现与区域变质作用不一致的构造变质(接触变质) 作用。糜棱岩前锋带可由一个大型岩体的侵入所引起,这样的实例如亚利桑那州的南山核杂岩,也是由多个、多期次岩浆活动引起,使糜棱岩前锋远远偏离正常温压曲线而出现在较浅部,而远离深成岩体韧性变形便会迅速减弱。这种与幔枝形成同期的深成岩浆作用有关的局部应变软化在地幔热柱活动区是一种普遍现象。这种情况在美国西部科迪勒拉变质核杂岩发育区亦很普遍[12,13]。

1.3 幔枝构造的形态特征

幔枝构造的形态是指幔枝构造现今在地表的出露形态及剖面形态。从剖面上观察,实际上是在构造控制下,岩浆的侵位及其带动片麻岩隆升的过程。侵位初期,幔枝构造可能仅仅表现为局部地区的隆升;随着岩浆活动的增强及片麻岩穹窿的抬升,变质—岩浆杂岩隆升至地表,呈揭顶式裸露,上盘盖层向外拆离滑脱,这一时期相当于传统的变质核杂岩构造;当变质—岩浆杂岩体隆升幅度更大时,盖层岩石剥蚀殆尽,成为广义的变质—岩浆杂岩区,并可进一步发育成稳定的地盾区。

从平面上看,幔枝构造可表现为穹状、等轴状或长垣状,这取决于控制岩浆活动的韧性剪切带。如果两组或多组韧性剪切带交汇部位控制着岩浆活动,则幔枝构造可表现为穹状,如张宣幔枝就是尚义—赤城韧性剪切带与乌龙沟—上黄旗韧性剪切带交汇部位控制岩体,幔枝表现为近等轴状的穹状隆起,并发育较为规则的环状构造体系和放射状构造体系。如果某一方向的韧性剪切带为主控制着岩浆活动,则可能构成线状构造—岩浆带,则幔枝构造的出露形态就可能为长垣状,如冀东、秦岭、阜平幔枝构造等。

因此,鉴定幔枝构造特征的关键不是其出露形态如何,更主要的标志为是否在特定的构造环境下,由地幔亚热柱派生,并具典型的几何学、运动学、动力学特征。

2 幔枝构造的单元划分

幔枝构造一般由三个地质单元组成:核部岩浆—变质杂岩、外围拆离滑脱层、上叠火山—沉积盆地,它们一起构成相互关联的统一整体。但实际上几个单元可能发育不全,这取决于不同演化阶段(图2)。

幔枝构造出露于地壳浅部,较易于识别,其基本特征列于表1。

2.1 核部岩浆—变质杂岩

核部岩浆—变质杂岩一般位于幔枝构造的核(轴)部,出露形态多与起控制作用的主干韧性剪切带密切相关,多为等轴状、浑圆状、长垣状等形态。出露面积可大可小,从几十平方千米至几百平方千米。

图2 幔枝构造平、剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of plane and section of mantle-branch structure

表1 幔枝构造不同单元的主要特征Table 1 Characteristics of different unit for mantle branch structure

核部杂岩一般由变质岩和岩浆岩组成。变质岩往往为前寒武纪变质结晶岩系,在河北多为下元古界—太古宇变质岩系。变质程度多为绿片岩相至麻粒岩相。老变质岩系之上往往叠加明显的退变质作用。

在变质岩系中,往往分布若干岩浆岩体。岩体多沿轴部韧性剪切带成串展布,或出露在多组韧性剪切带的交汇部位,单个岩体可小可大,多为几至几百平方千米。岩体往往呈现出多期次侵入的环带构造。岩性从基性岩至中酸性岩均可发育。从岩浆演化序列上看,往往从基性岩浆侵入开始,逐渐演化到中性、中酸性、酸性。此外,在岩体附近,还往往发育大量脉岩,它们构成统一的岩浆演化序列。

至于岩体在变质岩系中所占比例,则视不同幔枝构造而有所不同,可以占到核部岩浆—变质杂岩的30%～80%。一般地讲,幔枝发育的早期,或者说幔枝构造被剥蚀较浅时,岩浆岩所占比例少些,如冀东幔枝、阜平幔枝构造等,一般占到20%～40%。但如果发育到幔枝构造的晚期,或者说幔枝构造剥蚀的较深时,岩浆岩可占到岩浆—变质杂岩的80%,如胶东幔枝构造,发育了大面积岩浆岩。

2.2 外围拆离滑脱层(带)

外围拆离滑脱层(带),指的是幔枝核部岩浆—变质杂岩之上的所有盖层岩石。在幔枝构造尚未形成时,盖层与基底岩系往往呈不整合接触。两者间可以是角度不整合,也可以断层接触。盖层则可以是中元古界及其以上任何沉积地层单元,包括中晚元古界、古生界,甚至中生界下部沉积盖层。

当幔枝构造形成过程中,在强烈的岩浆活动及其热动(浮) 力作用下,岩浆—变质杂岩开始隆升,上覆盖层发生穹窿,也可发育一系列环状构造、放射状构造。当幔枝核部岩浆—变质杂岩继续上隆时,盖层岩石开始下滑拆离。无论基底与盖层间原为角度不整合,还是断层接触关系,由于岩浆—变质杂岩的持续上隆,盖层均可沿此薄弱带向外拆离滑脱,并表现出以正向拆离滑脱为主的正断活动。

主要拆离滑脱层(带) 往往发育在盖层与其基底间的接触面上,但在其下、上两侧的变质岩系或盖层岩系中也可发育次级拆离滑脱带。次级拆离滑脱带往往容易利用和改造岩石中原有薄弱带,如变质岩系中的韧性剪切带,大套变质岩系中的软弱夹层。在盖层沉积岩中,如页岩岩层;大套砂岩、厚层碳酸盐岩中的薄层泥页岩夹层等,均可被次级拆离滑脱带所利用和改造。

2.3 上叠火山—断陷盆地

上叠火山—沉积盆地是幔枝构造的第三个地质单元,它往往以构造断陷盆地为表现形式,叠加在外围盖层中、核部岩浆—变质杂岩中,也可横跨叠加在两者之上。

盆地多以构造断陷为主,往往以一组陡倾断裂控制着盆地边缘。断陷盆地可发育成地堑式,也可发育成箕状。控边断裂往往是一组高角度正断层。在空间上断裂往往表现出铲状特征,即断裂的上部产状较陡,一般多在50°-80°,往下则逐渐变缓,常为40°-20°。有些大规模的盆地边界断裂甚至可一直拆离到中上地壳界线上,有的深达中地壳低速高导层。

断陷火山—沉积盆地中的充填物多为火山岩系和沉积岩系。火山岩系包括火山熔岩、集块岩、角砾岩、凝灰岩。火山岩岩性可从基性玄武岩至酸性流纹岩。沉积岩则可形成从砾岩、粗砂岩、细砂、粉砂、泥页岩等沉积岩系。总体上是以粗碎屑岩占优势。

断陷盆地中火山岩与沉积岩的关系,既可是上下叠置的早晚层序关系,也可在横向上表现出互相穿插、镶嵌的指状交互关系。且火山岩系、沉积岩系均有相变频繁、厚度变化较大、物质成分复杂的特征。这可能直接与断陷火山—沉积盆地的成因有关。

3 幔枝构造的断裂体系

幔枝构造是地幔热柱演化的第三级构造单元,是地幔热柱在地壳浅部的表现形式,是特定构造背景,构造应力场作用下形成的一个有机整体。因此,往往发育一套独特的断裂构造体系,并可成为鉴定幔枝构造的断裂识别体系(标志),也是幔枝构造成矿控矿的主要场所。

3.1 幔枝核部杂岩断裂体系

幔枝构造核(轴) 部构造主要为脆韧性—韧脆性剪切带,或叠加构造为主。这主要与岩浆—变质杂岩形成的构造环境有关,可分为轴部韧性剪切带、次级韧性剪切带、岩体构造、断裂构造、裂隙构造等。

3.1.1 轴部韧性剪切带

轴部韧性剪切带往往是幔枝构造形成的主要控制性构造,也往往是导岩导矿构造。一般位于幔枝核部岩浆—变质杂岩的轴部。这种剪切带往往是区域性韧性剪切带,活动时间较长,切割深度较大。当其切至地幔亚热柱向外拆离滑脱的地幔岩时,韧性剪切带的切割使地幔岩减压释荷,形成深熔岩浆。当构造活动强烈,打破了岩浆源的平衡状态时,韧性剪切带便成为了岩浆向上侵位的通道。如果剪切带为张剪性质,通道较为畅通,而岩浆温压条件又较高,可直接喷出地表形成火山喷发;如果韧性剪切带为压剪性或处于区域挤压应力场,其连通性就较差,岩浆活动则要依赖于温度差、压力差、粘度差逐渐(缓慢) 上侵。因此,往往形成不同深度、不同岩性的侵入岩。有时基性岩浆侵位到地壳一定深度范围的薄弱带中,其巨大的热(1 200℃～1 300℃) 烘烤作用,足以使上覆硅铝层岩石熔融形成中酸性岩浆源地。由于中酸性岩浆密度较小,浮力较大,很容易导致中酸性岩浆上升,形成一系列中酸性深成侵入体及其一系列相关的脉岩。

3.1.2 外围韧性剪切带

次级韧性剪切带是指主韧性剪切带外围规模较小、切割深度较浅的韧性剪切带。其延伸可以与主韧性剪切带同向、直交或斜交。次级韧性剪切带往往与轴部主韧性剪切带共同控制岩浆活动,或成为岩浆活动的边界断裂。

另外,幔枝构造隆升过程中,区域构造应力场往往转变为张剪性。因此,早期韧韧性剪切带往往被韧脆性剪切带叠加,改造。

3.1.3 岩体侵位构造

所谓岩体侵位构造是指岩体在侵位过程及冷却过程中形成的一系列构造形迹。当岩浆在温度、压力、粘度控制下,沿韧性剪切带向上侵位时,往往对围岩产生强大的推挤力,以强力挤压拓展空间,导致围岩产生环状构造和放射状构造裂隙。环状裂隙往往在岩体与围岩的接触带及其附近最为发育,而放射状裂隙往往产生于外侧围岩之中,且具远离岩体逐渐减弱的特征。

当岩体逐渐冷凝结晶时,由于岩体的冷却收缩,在岩体内外接触带便会产生一系列新的裂隙,岩体也会产生横节理、纵节理、斜节理及层节理(也称岩浆岩体的原生节理)。这些节理往往成为更晚期岩浆活动的通道,也可成为岩浆期后热液脉岩、或矿液运移的通道,及其成矿储集场所。

3.2 盖层拆离滑脱断裂体系

幔枝构造外围拆离滑脱层中往往发育几组构造:主拆离滑脱带、次级拆离滑脱带、反向铲状断层及横张断裂等。

3.2.1 主拆离滑脱带

主拆离滑脱带一般发育在幔枝构造核部岩浆—变质杂岩与上覆盖层之间,往往利用和改造原有不整合面(构造薄弱带)。核部岩浆—变质杂岩相对上隆,外围拆离滑脱层相对往外(下) 拆离。因此,主拆离滑脱带是应力转换带,多表现为正向滑脱性质。

主拆离滑脱带的规模受幔枝构造活动强度、主拆离滑脱带附近岩石的岩性及力学性质、断裂活动期次等控制。拆离带宽一般从几米至几百米,以韧脆性—脆性剪切为主。剪切带多表现为顺层拆离,但沿倾向方向也可以切层,表现为顺层的断坪段与切层的断坡段相间排列特征。主拆离带甚至可以断失大套地层,以至于使盖层的不同地层单元以断层与基底变质岩系接触。如冀东幔枝构造外围盖层可以由常州沟、串岭沟、高于庄、雾迷山、杨庄等不同岩组、不同岩性同基底岩系接触。当然,其中有的是沉积超覆接触,多数是断失地层接触。

3.2.2 次级拆离滑脱带

次级拆离滑脱带,一般指发育于主拆离滑脱带上下两侧的规模较小的拆离滑脱带。次级拆离滑脱带往往沿地层中的薄弱层发育,与主拆离滑脱带相伴相随,同向展布,但延伸到一定深度时往往归并到主拆离滑脱带之上。多条次级拆离滑脱带与主拆离带一起构成拆离滑脱构造体系,并可断失大套地层。

3.2.3 反向铲状断裂

由于幔枝构造形成过程中,区域构造应力场一般为伸展体制。随着幔枝构造的演化,核部岩浆—变质杂岩强烈上隆,外围盖层拆离滑脱层大幅度向外拆离滑脱。在这种构造体制作用下,不仅拆离滑脱层发生大幅度正向拆离,而且往往由于应力场调整,在拆离带上盘往往出现反倾向铲状断层。这种断层往往上部产状较陡,向下逐渐变缓,形似铲状且与主、次级拆离带倾向相反而得名。反倾向铲状断层可发育一条,也可发育一组,并可与次级拆离滑脱带一起构成类地堑构造。

反倾向铲状断层的走向与主、次级拆离带一致,但倾向相反,所控制的断陷盆地可大可小。如果规模较小,切割深度有限,涉及地层较少,构造形态上亦较简单。如发育规模较大,可以形成上叠断陷—沉积盆地,甚至发育较强烈的火山活动、岩浆侵入。也可成为很好的导矿、储矿构造。

3.2.4 横张断裂

幔枝构造发育过程中,往往发育与核部岩浆—变质杂岩(主拆离滑脱带) 正交的横张断裂。这种类型的断裂多呈等间距排列,可一直切入上盘盖层,并随远离核部而逐渐消失。横张断裂在力学成因上,如同横弯褶皱作用过程中,在垂直褶皱转折端发育的横张断层。幔枝构造中的横张断层与之不同的是初始受力方式是在隆起作用体制下形成的,但随着幔枝隆升肯定会派生出水平方向的力。

横张断裂的倾角一般较陡,横张断层有可能是在隆起初期放射性断裂的基础上发育起来,倾角多在70°以上,规模上,多横切幔枝核部岩浆—变质杂岩单元,并延入(伸) 到上盘盖层中一定距离后逐渐消失。这种构造可以构成很好的控矿构造,也可以与主、次级拆离滑脱带、反倾向铲状断层一起构成成矿控矿构造体系。

3.3 火山—断陷盆地构造体系

火山—沉积盆地是幔枝构造地质单元之一,特指在幔枝构造隆升过程中叠加在不同构造单元之上的断陷火山—沉积盆地。

3.3.1 上叠断陷火山—沉积盆地

上叠盆地按其形成特征可分为两类:

一类如上所述盖层拆离滑脱层之上,反向铲状断层与次级拆离带共同控制的小型断陷盆地,这种断陷盆地一般只发育在盖层单元中。多数情况下断陷盆地平行主次级拆离滑脱带展布,规模相对较小,主要为构造断陷。盆地中沉积物亦有限,很少有火山活动或岩浆侵入。但个别切割较深者,也可成为导岩导矿构造,并有较发育的火山、沉积作用。

另一类是火山断陷盆地。这类盆地形成一般是缘于火山塌陷。在幔枝构造演化过程中,可有不同方向的韧性剪切(断裂) 带相互交叉,其连通性较好,可构成深源岩浆活动的上涌通道,导致大规模的岩浆喷发。而岩浆喷发之后深部亏空,导致上部发生裂陷塌落,形成断陷盆地。这种断陷盆地的大小与火山喷发的强度有关。发育部位可在盖层中,可在变质岩系出露区,也可横跨叠加在核部岩浆—变质杂岩和外围盖层拆离滑脱层两个单元之上。但总体上以发育于外围盖层之上为主体。断陷盆地可形成复杂的断陷火山—沉积序列,甚至在其断陷过程中发生多次火山喷发,有多个火山构造,形成复杂的火山—沉积体系。如果断陷盆地足够大时,可研究其发展演化及横向迁移规律。

3.3.2 次火山机构

在较远离幔枝构造核部的上盘盖层中,往往发育一些次火山机构,分析其形成机制,可能因为远离核部的盖层范围,其盖层厚度加大,引张力量级较小,即使发育一些小的断陷盆地也很有限。深部的岩浆活动,则只可能沿次级拆离滑脱带与横张断裂构成的断裂交汇点向上侵位,并受控于断裂交汇区破裂形状的控制,多形成等轴状、浑圆状、椭圆状次火山机构。火山岩多为各种斑岩、玢岩岩体。

与次火山斑岩体、玢岩体有关的次火山机构断裂系统,多表现为穹状构造。可发育围绕火山机构的一系列环状断裂和放射状断裂。这些断裂还往往发育成反锥状特征,即深部范围较小,向上逐渐锥状扩展放大。有时甚至可出现隐爆角砾岩筒。这套裂隙往往成为晚期含矿流体活动的通道和储集场所,成为很好的控矿构造,如冀东峪耳崖金矿、唐杖子金矿、山西支家地、刁泉、硐沟等金银矿均属于此种特征。

3.3.3 构造裂陷盆地

所谓构造裂陷盆地就是在构造活动期间,由于在隆升过程中盖层受热滑脱作用,往往在裂陷部位,或拆离滑脱较为强烈的部位,形成局部断陷盆地,它也会形成局部或一定范畴的裂陷盆地。

4 幔枝构造成矿控矿找矿

与地幔热柱多级演化的同时,还有地幔冷柱,通过板块构造的俯冲带不停地向下拆离,逐渐地插向核—幔界面,并在核—幔界面发生受热软化堆叠,还可能进一步发展而卷入新的地幔热物质上升流。很显然,地球存在着地幔热柱与地幔冷柱的互换循环,存在着核—幔—壳物质的互为转化,形成一定规模的垂向物质运动和水平物质运动,构成地球热物质流的四维循环,例如在华北东部地幔亚柱外围形成的一系列幔枝构造(图3),它不仅是区域伸展构造期主要构造形态,也是区域性重要的成矿控矿构造。

幔枝构造的成矿作用主要依赖于深部地幔热柱和地幔亚柱向上供给的成矿物质,成矿构造则可划分为核部岩浆—变质岩上涌核部构造、变质核杂岩与上覆盖层之间的拆离带,以及拆离带之上不同时代的沉积盖层。它们多以三者的不同构造组合形式出现,也可能缺失某个单元。幔枝构造是地幔热柱多级演化在地壳浅部的表现形式,虽然规模较小,却是地质学家研究幔壳运动难得一见的综合研究天然实验室。

4.1 幔枝构造区典型矿床解剖

矿床(点) 在地壳中的分布极不均匀,这种不均匀表现在时间演化和区域分布两个方面。地史演化过程中,成矿作用表现为成矿物质由少到多,矿床类型由简到繁,成矿频率由低到高,聚矿能力由弱到强,中生代达到极至[14]。在分布区域上,常常在局部范围或区段形成某种或某几种元素的工业富集,甚至构成大中型矿床连片分布的巨量堆积,成为成矿集中区或矿聚区。

下面仅举三个研究实例:

区域性成矿集聚区—大兴安岭多金属矿的成矿控矿

典型金矿矿床解剖—中山沟金矿构造成矿控矿找矿

断裂构造控矿分析—郭家岭幔枝构造及其成矿控矿

4.2 大兴安岭多金属矿集区

图3 华北东部地区地幔亚柱—幔枝构造分布示意图Fig.3 Distribution diagram of mantle sub-plumes and mantle branches in eastern North China

大兴安岭是我国东部重要的成矿集中区之一,展布有黄岗铁锡矿床、大井银铜钨矿床、白音诺尔铅锌矿床、拜仁达坝银铅锌矿、道伦达坝铜矿、花敖包特铅锌银矿、浩布高铅锌矿床、莲花岗铜矿床等大型矿床及一大批中小型内生银多金属矿床。近年来,基础地质研究及深部地质找矿工作均取得了长足的进展[15-23]。已经成为振兴东北工业区的重要矿产基地,展示了很好的发展前景。

随着该区成矿作用的深入研究和找矿预测的分析,发现仍有一些科学问题急需深入探索,例如为什么大兴安岭地区大中型内生银多金属矿床均集中产于大兴安岭的主轴地区?矿床的展布何以北东成带、北西成列?中生代大规模的岩浆活动受什么区域构造控制?它们与大规模成矿作用又有什么成因联系?这些问题的解决对总结该区的成矿规律,指导新一轮地质找矿,实现地质找矿理论上的重要进展与找矿实践的重大突破有着重要的现实意义。

4.2.1 区域构造演化特征

大兴安岭地区所处区域构造位置特殊,很多大地构造学家都曾开展过深入研究和精辟论述[24-29],为中国东部区域地质研究积累了丰富的资料,奠定了很好的区域地质研究基础。

幔枝构造研究认为,燕山期以来,兴蒙地区一改古生代较稳定的槽台演化阶段,而进入了地幔热柱强烈活动时期,最明显的表现是强烈的构造运动和大规模的岩浆活动,最显著的标志是兴蒙地区盆岭构造的形成和大规模的成矿作用(图4)。

4.2.2 幔枝构造成矿控矿

大兴安岭幔枝构造展布于内蒙古自治区的东南部,呈北东向绵延600 余千米。但是,该区的大、中型内生银多金属矿产,却均展布于大兴安岭主轴的黄岗—白音诺尔—莲花岗—乌兰浩特地区。

(1) 幔枝的形成与银多金属矿展布

值得深入探讨的焦点问题是该区恰恰位于区域变形—变质作用和岩浆活动强烈的地区,并形成了以主轴为中心的环带状结构,本文认为变质核杂岩是地幔热柱多级演化的阶段性产物,而幔枝构造作为地幔热柱演化的第三级单元,它不仅能够很好地解释盆山耦合的大陆动力学机制问题,更重要的是它通过地幔热柱多级演化与深部成矿物质的来源—迁移途径—储积场所很好地联系起来,使银多金属的成矿作用研究更加切合实际。

在大兴安岭幔枝构造形成之后,其主峰两侧出现了对称的断陷盆地,即东部的开鲁—松辽盆地和西部的二连—海拉尔盆地,在开鲁盆地西缘可见高角度脆性正断层切断与幔枝构造有关的低角度糜棱面理,表明从晚侏罗世到早白垩世,大兴安岭处于对称伸展的状态。

(2) 强烈岩浆活动与成矿作用

大兴安岭地区中生代强烈的岩浆活动,则表现为大面积的火山喷发和大规模的岩浆侵入[30]。火山活动多发生在中侏罗世—早白垩世,以中酸性火山岩为主,夹有少量中基性熔岩。其中,以晚侏罗世火山活动最为活跃,具有中酸性—中性—酸性火山喷发旋回,且表现出火山溢流—爆发相交替,间夹河、湖相沉积。岩石化学元素分析表明,大兴安岭中生代火山岩具有明显的地幔组分,反映未分异、未亏损源区特征,是大陆岩石圈内部伸展背景下幔源岩浆参与地壳演化的证据。

图4 大兴安岭幔枝构造与矿床分布简图[15]Fig.4 Sketch map showing geology and distri-bution of deposits in the southern-central segment of the Da Hinggan Ling Mountain

大兴安岭深成侵入活动与火山喷发密切伴生,它们是同源岩浆的两种表现形式,只是侵位晚于火山喷发。侵入活动主要集中于晚侏罗—早白垩世,两者构成规模巨大的火山—侵入岩带。侵入岩的主要类型为角闪二长花岗岩—二长花岗岩—钾长花岗岩,晚期有碱性钠闪花岗岩和少量的超基性岩。具有由钙碱性向亚碱性、碱性演化的趋势。总体具有壳幔混熔花岗岩的特征,ε (Nd,t) 集中在0～3 之间,ε (Sr) 大多数集中在0～20 之间,说明花岗质岩石的部分物质来源于铷未亏损的地幔[30]。

大兴安岭地区经历了晚中生代(J3-K1)强烈的构造—岩浆作用之后,又经历了晚白垩世和古新世的长期剥蚀夷平。始新世之后(8.86～4.79Ma)随着大面积玄武岩喷发,该区又进入一个快速抬升的阶段。

(3) 明显的地球物理特征

在地球物理特征上,沿大兴安岭NNE 方向四次趋势分析剩余重力异常等值线呈正、负带状依次排列。在其主轴部位从林西—甘珠尔庙—乌兰浩特为负异常区,该带延长近600 km,宽80～140 km,最高负异常值可达-28,表明有大量花岗质侵入岩展布,亦是中新生代强烈上隆的幔枝构造核部岩浆—变质杂岩分布区。而在其西、东两侧分别为锡林浩特—西乌珠穆沁旗正异常带和大板—白城正异常带。正异常带亦有较为连续的延伸。值得提出的是,大兴安岭地区大中型内生矿床均分布在黄岗—白音诺尔—莲花岗—乌兰浩特负异常带上,且多集中于核部,并具有不同方向成组、不同组等间距分布的特征,表明其成矿作用应与深部过程具有密切的相关性(图5)。

4.2.3 幔枝构造成矿模式

以大兴安岭主峰(轴) 为中心的环带状变形变质作用、大规模的岩浆活动以及非常集中的成矿作用是大兴安岭幔枝构造活动的主要表现形式。由于幔枝构造的强烈隆升,不仅使深部岩浆—变质杂岩隆升至地壳浅部,同时盖层则向外拆离滑脱,以致于形成现在的核部岩浆—变质杂岩→变形变质中间层→未变质盖层及其与之相关的火山喷发—岩浆侵入作用和大规模的成岩成矿作用。

图5 大兴安岭地区四次趋势分析剩余重力异常等值线(A) 与构造控矿分析图(B)Fig.5 Residual gravity anomaly isopleth map from four trend analyses (A) and tectonic ore-controlling analysis map (B) in the region of Da Hinggan Ling

成矿部位及类型,主要受幔枝构造特征的控制。兴安岭幔枝构造位于松辽地幔亚热柱的北西侧,由于地幔物质向北西向的拆离,以及幔枝构造的隆升,因此,兴安岭幔枝构造区的主要构造形迹,以平行主要拆离带的北东向断裂,和垂直于主要拆离带的北西向断裂为主。北东向断裂与北西向断裂相互切错,两者断裂性质互相转化,前者为压扭性时后者为张扭性,而前者为张扭性时后者为压扭性,这对于成矿作用非常有利,所以大兴安岭轴部的银多金属矿多沿北东成行,北西成列展布,这恰恰是幔枝构造轴部断裂构造成矿控矿的主要特征(图6)。

4.3 张宣地区中山沟金矿

中山沟金矿位于张家口—宣化(以下简称张宣)地区中东部崇礼县场地乡,其地(层) 质建造、构造演化、成矿作用都具有其独特性,为一巨大的穹状隆起,它北起康保,南到涿鹿,西自尚义,东至赤城,其间发育有一系列环绕中心的弧形、半环形、环形韧性剪切带、褶皱构造带和断裂构造带,具有典型的核部杂岩特征。从地幔热柱多级演化的视角划分,属于典型的幔枝构造,是张宣地区重要的成矿控矿构造(图7),控制着东坪、小营盘、黄土梁、中山沟等大中型金矿,其外围则展布有蔡家营、相广、梁家沟等银铅锌多金属矿等。

4.3.1 区域成矿地质背景

区内分布地层主要为太古宙崇礼群角闪岩相变质岩系,下元古界红旗营子群绿片岩相浅变质岩系,中元古界长城系,中生界侏罗系和新生界第四系。外围还展布有部分燕山期断陷盆地,盆地中分布有侏罗—白垩纪火山—沉积岩系,共同构成张宣幔枝构造的核杂岩及沉积盖层。

张宣地区岩浆活动频繁且强烈,不仅有大规模强烈的火山喷发,亦有多期次岩浆侵入活动。侵入活动主要有海西晚期水泉沟碱性角闪二长杂岩体,并具有强烈的后期构造改造,所形成的韧性剪切变形变质带,提供了有利含矿流体贯入的通道和聚集的极好场所。甚至韧脆性变形变质带直接被含矿流体充填。

4.3.2 金的成矿物质来源

成矿物质来源一般分为两种:一种是围岩萃取,以金银矿为例,认为变质岩系或花岗岩中成矿背景值较高,流体萃取围岩成矿物质,贯入到断裂等构造空间成矿。这种成矿作用难以解释成矿物质是如何从低丰度值向高丰度值、从低温向中高温迁移的,况且金需要富集上千倍才能达到工业品位;另一种成矿作用是含矿流体贯入,一般认为成矿物质来自核幔源,通过地幔热柱多级演化,进入幔枝构造的扩容空间集聚成矿[31-37]。这表明好的构造不一定成矿,而成矿好的断裂一定与深部联通,并形成大中型金矿床。

图6 大兴安岭幔枝构造成矿控矿模式图Fig.6 Ore-forming and ore-controlling model of the mantle branch structure in the region of Da Hinggan Ling

图7 张宣幔枝构造与区内金银多金属矿分布简图Fig.7 Distribution map of gold silver polymetallic deposits in Zhangjiakou—Xuanhua mantle branch structure

矿体围岩主要为二长岩—正长岩类组成。矿化强度主要与断裂构造破碎强度和矿化蚀变强度有关,矿化作用主要可划分为两种自然类型:钾长石蚀变岩型、石英脉型。局部可见部分硅质角砾岩型矿石[32,33,37,38]。

4.3.3 矿石类型及其蚀变特征

研究区矿石类型主要为石英脉型金矿和蚀变岩型矿脉,矿石矿物成分主要由金属矿物和脉石矿物两部分组成。矿物成分比较复杂,贵金属矿物主要为自然金、银金矿,其它主要金属矿物为褐铁矿、黄铁矿。次为方铅矿,偶见矿物有闪锌矿、辉钼矿、磁铁矿、软锰矿、铜蓝、白铅矿、金红石等。岩石受构造改造常可形成碎裂岩,局部形成破碎角砾岩。

按矿石的物质成分、矿物组合和结构构造划分,矿石构造主要有星散—细脉侵染状构造、斑杂状构造、皮壳状构造、充填脉状构造及多孔状构造等。与金成矿作用有关的蚀变主要为钾化、硅化、绢云母化(图8)。

4.3.4 矿体空间展布特征

中山沟含金矿蚀变构造带主要有两条,即1 号矿脉和2 号矿脉带都赋存在张宣幔枝构造的杂岩体之中,矿体类型为典型的石英脉型和断裂蚀变岩型,其总体走向近南北向,倾向西,长度约2 000 余米,宽数米至数十米。16 线以北两脉复合膨大变宽,最宽处可达140 m ;16 线以南两脉变窄,近于平行展布,间距 10～30 m。

图8 崇礼中山沟金矿床典型矿石和蚀变岩Fig.8 Typical ore and altered rock of Zhongshangou gold deposit in Chongli County

1 号构造蚀变带金矿,北自16 线,南至33 线以南牧场沟,长1 200 m ,宽2～15 m 。北段矿脉走向10°,向南逐渐偏转为350°-360°。17—25 线呈近南北和北东向“之” 字形的裂隙追踪产状。倾向256°-286°,倾角50°-80° ,局部倾向295°-330°,倾角30°-82°。蚀变构造带由石英脉、钾长石化蚀变岩、硅化蚀变岩、碳酸盐化蚀变岩、绢云母化高岭土化蚀变岩,赋矿围岩为角闪辉石二长岩组成。矿体由石英脉、钾长石化蚀变岩和硅质角砾岩组成。金属硫化物以黄铁矿为主,但浅部氧化为褐铁矿。褐铁矿及黄铁矿为金的主要载体矿物,一般可根据褐铁矿及黄铁矿的含量判断金的富集程度。

2 号矿脉位于1 号矿脉东侧,相距10～30 m ,地表出露北自头道沟以北,南至21 线,长1 300 余米。16 线以北为与1 号脉复合膨大变宽部位,16 线以南2号脉连续延长800 m,宽2～15 m ,16 线以北宽达85～140 m。走向近南北,倾向256°-286°,倾角50°-80°,矿化蚀变、物质组成、控矿特点均与1 号脉大致相同,表明两个矿体具有相似的成矿构造特征,属于同一成矿作用的产物。

4.3.5 矿区断裂构造控矿

研究区断裂构造发育具多期次活动特征,不仅控制了岩浆的侵位,同时控制金银等贵金属矿产的集聚成矿。

主要矿化带从强—弱可以划分为几个蚀变带,就总体而言,可划分为外带和内带。以蚀变先后顺序划分,外带以面状硅化为主→钾化带→硅化带,沿着钾化带形成硅化条带;内带则以硅化—黄铁矿—方铅矿化为主,硅化呈脉状或者裂隙状展布,主要硫化物为黄铁矿为主,局部见有方铅矿和闪锌矿。另外,在硅化、矿化之后,还有一次带状硅化,这次硅化切穿了早期的硅化和黄铁矿化,以条带(脉) 状清楚的切过较早期的硅化和硫化物矿体。

研究区褶皱作用和断裂活动强烈而复杂,并具多期次、多性质活动特征。第一期褶皱作用为塑性流变为主,褶皱规模较小,以变形强烈的柔流褶皱为主。相应发育的韧性剪切带亦流变性较强,往往与第一期柔流褶皱构造配套发育。由于其流变性较强,其构造方向不稳定;第二期褶皱以近东西向大规模区域性褶皱为主,多以倒转背、向斜构造相间排列为特征,并在背、向斜的倒转翼往往形成或叠加有第二期脆韧性或韧脆性剪切带;第三期构造应力场转变为东西向挤压作用为主,并叠加于第二期变形构造之上,使第二期褶皱轴面发生南北向蛇形弯曲,同时使第二期剪切带转变为压扭性剪切带和张扭性剪切带相间排列,成为区域性控矿构造;第四期构造活动受区域隆升作用控制,主要表现为区域性上隆,崇礼群变质岩系被隆起抬升至近地表,而其上的盖层则被拆离至隆起构造外围,形成典型的幔枝构造。伴随此期构造活动,较深部形成的金(多金属) 矿脉也被抬升至近地表层次,包括中山沟金矿也是在深部形成矿脉以后,被第四期构造抬升至近地表层次,有利于地质找矿和采矿。

中小尺度的矿田断裂构造亦很重要,成矿作用主要受矿田断裂控制。研究区断裂构造主要以东西向构造和南北向构造为主,如水晶屯—东坪—黄土梁断裂、金家庄—赵家庄断裂,以及若干条与之平行的断裂构造。

成矿作用往往发生于南北向断裂与东西向断裂交叉部位,中山沟金矿地处张宣幔枝构造的中西部,矿体呈近南北向展布,以断裂蚀变岩和硅化石英脉型矿体为主,成矿控矿作用应主要受深部断裂构造控制(图9)。矿区边界北起头道沟,南至牧场沟,西自十三层梁,东至头道沟口,面积约2 km2。矿区出露地层比较简单,分布局限,仅有太古宇涧河沟组,上侏罗统张家口组及新生界第四系松散堆积。

通过成矿物质迁移途径以及成矿控矿构造分析,认为含矿流体主要来源于幔壳深部,通过地幔热柱多级演化向上迁移,并在张宣幔枝构造西部形成的脆韧性或韧脆性剪切带中集聚成矿,中山沟金矿是张宣幔枝构造控制的大中型金矿之一。金矿的成矿控矿作用,主要受先期存在的剪切带控制,矿床类型主要为断裂蚀变岩型和石英脉型。成矿作用研究和部分探矿工程表明,矿脉金的品位向深部具有逐渐增高的趋势,应尽快部署矿体的深部勘探。

4.4 胶西北地区郭家岭金矿

近年来,胶西北地区金矿的深部及其外围找矿取得了重大进展,特别令人兴奋的是以往确定和勘探的中—浅部大中型金矿体,向深部延伸往往多连为一体,成为沿断裂展布的板状超大型金矿矿体。特别是焦家断裂、三山岛断裂和玲珑断裂构成的成矿带,其金资源储量已分别高达1 200、1 000、1 000 余吨,构成了3 个规模巨大的金矿床[40-43]。引起地质学家的广泛关注。

4.4.1 区域地质构造背景

在华北东部地区,中生代中晚期地壳运动相当强烈,纵切于该区的郯庐深大断裂(该断裂山东段被称为沂沭断裂) 亦发生了强烈活动,它不仅切割深,而且延伸长。同时还控制了该区多期次的构造运动、强烈的岩浆活动和大规模的成矿作用[44-47]。

岩石(地层) 的主要区域展布和基本类型,往往可以反映区域构造背景,甚至可推断区域构造演化过程。在胶东隆起地区,由于基底杂岩的快速隆起,以及大幅度的剥蚀作用,大面积不同时代的侵入岩和变质岩系出露地表,而在莱阳盆地则堆积了巨厚的陆相碎屑岩及厚大的火山岩。

4.4.2 区域构造成矿控矿

中生代以来,胶西北地区发生了翻天覆地之变化,在莱阳盆地下部强烈隆升的制约下,上部发生了大幅度断陷,形成了区域性莱阳地幔亚热柱,外围则形成了郭家岭幔枝构造、栖蓬幔枝构造和牟乳幔枝构造,同时控制了胶西北地区的大规模成矿作用。

(1) 地幔隆起形成地幔亚柱

燕山运动中晚期,胶东地区进入了大规模岩浆活动和裂陷盆地发育阶段,特别是进入白垩纪以来,胶莱盆地下部幔源岩浆大规模上涌,上部则发生大规模快速伸展拆离,形成典型的地幔亚柱构造,主要构造建造特征为:早白垩世莱阳群厚层砾岩、砂岩和泥质岩系(河湖相) 发育;中晚白垩世为青山群大规模火山喷发为主,形成了巨厚火山碎屑岩系(火山堆积)夹部分沉积碎屑岩;而大盛群的形成时代相当于青山群,特指胶西北地区与青山期时间相当的河湖相沉积;晚白垩世王氏群则为大套的砾岩、砂岩(河湖相) 建造。

该盆地以莱阳为中心快速沉降,堆(沉) 积物快速堆叠。整个白垩纪岩相古地理被划分为九个阶段,其中有八个阶段是大幅度沉降,总沉降幅度达到或超过万米之多。其间夹有广泛分布的中基性—中酸性脉岩。莱阳亚热柱之外围则发育有郭家店、栖蓬、牟乳等幔枝构造。总之,青山期是深部岩浆活动最为强烈的时期,具有活动时间短,断陷幅度大,构造活动强烈,火山堆积物厚大,侵入期次复杂,同期脉岩多样的特征,也是成矿作用最为集中的时期。

图9 冀西北中山沟金矿矿区地质简图(a)[39]和9 号勘探线地质剖面图(b)Fig.9 Geological map of Zhongshangou gold deposit,northwestern Hebei (a) and geological section map of No.9 exploration line (b)

(2) 岩浆上涌形成幔枝构造

幔枝构造中的侵入岩往往具有从中基性向中酸性演化的特征。地幔岩浆以缓倾舌状侵位到中地壳之后,由于基性地幔岩浆的温度很高(超基性—基性岩浆温度可达1 450℃～1 200℃),地幔岩浆会熔融部分中上地壳的岩石,并与地壳岩石发生固相和液相物质的交换,形成含有一定量气水溶液的壳—幔混合岩浆。

当岩浆房中的能量积累到足以突破上覆地质体限制的时候,壳幔混合岩浆就会爆发式向上地壳侵位。能量释放之后,混合岩浆停止侵位,岩浆房重新开始能量积累,直到发生下一次混合岩浆侵位。这种情况类似美国黄石公园的地热泉,能量的积累和热水喷发周期性重复发生。其显著的负重力异常便会带动变质围岩一起隆升,盖层则大幅度向外拆离滑脱,以致形成中心为岩浆—变质杂岩核,外围则是呈环状展布的上覆沉积盖层,其间往往发育有正向拆离断裂。至此,即形成了较为典型的幔枝构造。莱阳地幔亚热柱与西部外围的郭家店、北部的栖蓬及东部的牟乳幔枝构造的组合较充分反映了这种组合构造关系。

(3) 幔枝构造空间展布特征

幔枝构造较好地解释了燕山期岩浆多期次脉动式侵入过程、侵入岩的空间展布,以及多期次岩浆活动驱动的热循环带动了大规模的成矿作用。

莱阳地幔亚热柱外围包括郭家店幔枝构造、栖蓬幔枝构造和牟乳幔枝构造。以郭家店幔枝构造为例:该幔枝构造发育于莱阳地幔亚热柱的西邻,幔枝构造以重力异常的“0” 值线为界,其外围为重力正异常展布区,从内向外异常值逐渐增大;“0” 值线以内的重力异常则为负重力异常值,且幔枝构造控制的金矿多沿重力异常“0” 值线展布,或者说金矿多形成在幔枝构造外围的主、次级拆离滑脱带上(图10)。

4.4.3 焦家式金矿控矿构造分析

图10 胶西北地区地幔亚柱—幔枝构造与矿床展布简图[48]Fig.10 Sketch map showing the sub-mantle plume-mantle branch structure in the region of Northwest Shandong Peninsula

焦家断裂带北起龙口市黄山馆,南至莱州市朱桥徐村院,主要发育在前寒武纪变质岩系与玲珑花岗岩、郭家岭花岗闪长岩接触带或两岩体之接触带中。断裂总体走向35°-40°,倾向北西,倾角30°-50°,局部陡倾可达68°,呈弧形弯曲状构成一个开阔的弧形构造带,分支复合现象亦较为明显。例如,在南部的寺庄矿段矿体发育在玲珑花岗岩中,破碎带宽80～500 m,倾向北西,倾角30°-40°;马塘—新城矿段的东季以南地区,断裂发育在胶东群变质岩系与玲珑花岗岩间的接触带,新城附近断裂发育在玲珑花岗岩内部或玲珑花岗岩与郭家岭花岗闪长岩间的接触带中,破碎蚀变带宽80～200 m,总体走向40°,平面上呈“S” 形,走向变化范围5°-40°,倾向北西,倾角25°。新元古代盖层蓬莱群的空间展布较为复杂,断裂倾角60°左右,局部地段倾角可达80°;新城—高家庄子矿段发育在玲珑花岗岩与郭家岭花岗闪长岩接触部位,沿断裂还发育一系列分支断裂,主干断裂与分支断裂在平面上多呈“入” 字形构造和菱形结环构造相交。

从上述断裂接触带接触关系可以明确地看出两个规律:首先可以看出焦家断裂主要沿郭家店幔枝构造的北西侧外缘展布,也就是说它实际上是幔枝构造北西缘的主拆离带,拆离带下盘为幔枝构造核部变质—岩浆岩系,上盘则相当于幔枝构造的盖层岩系,拆离带多沿基底与盖层、变质岩系与中酸性侵入岩体或者不同期次岩体的接触带等构造薄弱部位展布,或者说断裂形成在幔枝构造外围软弱的构造带上,它既是含矿流体运移的有利构造通道,也可以是流体贯入并强烈蚀变的构造裂隙带,这种矿化过程一般还会伴有流体的液压致裂作用,即流体的液压作用把原有裂隙扩展成为一定宽度的断裂,如果成矿条件有利,则含矿流体冷却就会形成焦家式断裂蚀变岩型金矿(图11)。

图11 焦家—三山岛区域地质及矿床分布简图[49]Fig.11 Sketch map of Jiaojia-Sanshandao regional geology and mineral deposit distribution

山东胶西北地区金矿深部及其外围勘查取得了重大突破,三山岛金矿、焦家金矿和玲珑金矿均已成为世界级巨型金矿床。2017 年以来,三山岛北部海域矿段一次性提交金资源量达470 t,其中纱岭矿段所提交金资源量就高达398 t[42],一跃跻身于世界第三大金矿区。再次引发了新一轮成矿作用大辩论。尤其金成矿作用方面的研究成果非常丰富,有关专著几十部,有关论文达上千篇[41-43,48,50-52]。

4.4.4 焦家金矿成矿作用

焦家断裂带和三山岛断裂带所控制的金矿床空间分布规律明显。在剖面上,两个矿床均已揭露出两个缓倾赋矿台阶。从区域成矿控矿断裂的空间位态分析,焦家断裂是郭家店幔枝构造北西西缘的主拆离带,上盘下降为主;而三山岛断裂则是焦家断裂上盘的反铲状断裂[53]。至于两者的成生关系,从断裂动力学机制分析,焦家断裂是主干断裂(脆韧性、韧脆性剪切带),三山岛断裂是派生断裂,在深部应终止于焦家断裂之上,呈“反y 字型” 空间展布。

沿焦家和三山岛断裂主断面上部均连续分布有厚约5～40 cm 的断层泥,绝大部分金矿体产于断层泥之下的断裂破碎带中。这表明断层泥应该起到了隔挡层的作用,使主要矿体形成并限定在断层泥的下盘。岩石的破碎和蚀变也具有较好的分带性,一般发育黄铁绢英岩化碎裂岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带和黄铁绢英岩化与钾化花岗岩带,相应地矿化强度也随之逐渐改变,矿床主矿体往往赋存于其中[42,43]。

金矿体明显的受断裂构造控制。在平面上:焦家巨型金矿床就形成于焦家断裂由近SN向(徐村院—寺庄段) 转折为NNE—NE 走向 (寺庄—高家庄子段) 的转弯处。在剖面上,断裂倾向上往往有缓倾斜段与较陡倾斜段的波折状延伸,在胶西北地区往往在缓倾斜区段是适宜成矿物质富集的扩容空间。此外,值得注意的是断裂下盘也往往出现较多分支断裂。三山岛巨型金矿床则位于三山岛断裂80°走向(新立南段) 转为40°走向的(三山岛—新立段) 转折部位是矿化富集带。

4.4.5 幔枝构造成矿控矿类型

如前所述,一旦地幔热柱多级演化沟通了深部矿源,特别是联通了核—幔界面,使D″层集聚的成矿物质通过地幔热柱—亚热柱—幔枝构造的多级演化向上迁移,并在上部幔枝构造中较好的构造扩容带中集聚成矿。幔枝构造核部形成的脆韧性—韧脆性拆离带、侵入岩体与围岩的侵入界面、核部杂岩与盖层围岩的接触带、幔枝构造隆升过程中形成的主要构造裂隙、节理等等,就会成为有利的构造扩容空间,不同的构造空间便会形成不同的成矿构造类型。

(1) 郭家店幔枝构造核部(玲珑式金矿)

主要指焦家断裂与破头青断裂间核部隆起带中的脉状矿体,主要含矿岩性是玲珑花岗岩或部分变质岩系,特别是焦家断裂与玲珑断裂所间夹的含矿地质体裂隙发育,矿床类型属构造裂隙脉状,裂隙较为发育,矿脉排列密集,金矿品位较高,是胶东地区一种主要金矿成矿控矿构造类型。

(2) 幔枝构造北西缘拆离带(焦家式金矿)

焦家断裂是郭家店变质—岩浆核部杂岩北西缘主要的成矿控矿断裂构造,从宏观视角来看,该断裂延伸长,切割深,不但是区域性导矿构造,还是重要的成矿控矿断裂,是胶东地区最为著名的断裂蚀变岩型金矿。特别是近几年的勘探表明,断裂带中金矿体的延深往往大于延长,以往探明的寺庄、马塘、焦家等金矿床,其深部已经连为一体,成为超大型金矿。深部钻探表明沿断裂展布的金矿体相当稳定,找矿潜力巨大。

(3) 三山岛反铲状断裂带(三山岛式金矿)

三山岛反铲状断裂带是成矿带研究的重大进展之一,从成矿作用来看,它是一个严格受反铲状断裂控制的超大型破碎蚀变岩型金矿。值得强调的是山东省第三地质矿产勘查院,对莱州三山岛北部海域超大型金矿进行了勘查,并将以往划分的若干个独立金矿合并为一起,统称三山岛巨大型金矿。

(4) 幔枝构造周缘断裂(彭家夼式金矿)

由于莱阳断陷的快速裂解,在郭家店幔枝构造与莱阳断陷外围接触带之间,往往形成环绕莱阳断陷盆地的构造接触带,并发育一定厚度的含矿砾岩层。研究表明砾岩带往往是构造活动的薄弱带,同时成为成矿控矿构造薄弱带,容易形成为典型的砾岩型金矿。

幔枝构造主要形成在区域性挤压体制向伸展体制转换的构造背景之中,多形成核部杂岩、边界主拆离带和上盘盖层,并发育几组相互关联的断裂构造,它们往往成为成矿控矿的主要构造扩容带。因此,幔枝构造相关断裂的展布及其含矿性很值得续作,研究其成矿作用、归纳其成矿模式、探索其成矿规律、总结其找矿经验。借以指导新一轮的地质找矿。

4.4.6 郭家店金矿成矿模式

传统黄金地质找矿往往注重寻找金背景值较高的变质岩系和花岗岩类。找矿思路是金元素主要来自高背景值的围岩中,在岩浆活动和构造运动的作用下从围岩中萃取出来成矿。按照这种思路,金的迁移是从低温到高温、从低压向高压、从低品位向高品位迁移的过程,在正常地质环境均不好实现。

从地幔热柱多级演化来分析,金银等成矿物质主要来自地球深部核—幔界面,通过地幔热柱多级演化,贯入到地球浅部幔枝构造的主要构造扩容带中成矿。如果是这样,那就应该循着地幔亚柱—幔枝构造—构造扩容带—储矿断裂(裂隙) 来寻找(图12)。

金的成矿作用较为复杂,不仅受控于深部地质过程[54,55],而且还会受着浅部成矿条件的制约。断裂蚀变岩型金矿往往以含矿流体形式贯入到断裂为主,围岩萃取较少,所以,在胶西北主要成矿集中区,成矿类型仍以焦家式断裂蚀变岩型金矿为主。胶西北成矿集中区的成矿范围较大、成矿深度较深、矿石品位较高、矿床类型较多,资源潜力很大、找矿目标明确、找矿方法得当、勘探效果较好,展示了很好的找矿前景。

5 结论

通过地幔热柱多级演化及幔枝构造成矿控矿作用特征分析,地壳上绝大部分地区无矿化或矿化较弱是正常的,而某些区段成矿则是异常现象,说明具有成矿物质的大规模聚集。

5.1 成矿物质主要来自核—幔源

成矿作用发生的必要条件:首先是有成矿物质来源,而成矿物质的来源有两种基本认识:一种认为主要萃取自含矿围岩;一种认为主要来自深源。过去曾一度下大力气寻找矿源层,但结果并不理想。而更多的证据表明成矿物质主要来自深源,甚至可能来自核—幔边界,通过地幔热柱多级演化向上迁移。幔枝构造则是地幔热柱多级演化的第三级构造单元,也即地幔热柱多级演化在地壳的表现形式,它不仅控制着盆—山耦合关系,而且是主要的成矿控矿构造类型。具体的成矿控矿构造则是以脆—韧性剪切带,主、次级拆离带,铲状断裂,岩体内、外接触带,次火山岩构造,不同方向、不同性质的断裂,甚至裂隙,它们分别控制着矿带、矿田、矿床、矿体、矿脉等的就位及储集,是主要的成矿控矿构造。

5.2 地幔热柱多级演化向上迁移

研究表明,地幔热柱的形成及其多级演化,对金银多金属矿的成矿作用起着明显的控制作用。

(1) 上升幔流—成矿物质的深部来源

地球的平均化学成分(重量%) 百分比依次分别为Fe、O、Mg、Si、S、Ni、Ca、Al、Na、Cr、Mn、K等,占地球总量的98%以上,其它元素不足地球总量的2%银的地球丰度值仅为3.2×10-6,铅的丰度值为13×10-6,锌也仅为180×10-6。一般认为,地球形成初期其成分是相当均一的星际物质,在其聚集、分异过程中,在热力膨胀和引力收缩的统一作用支配下,地内物质开始对流,密度大、熔点低的铁、镍呈熔融状态渗透过硅酸盐物质沉向地心形成地核,铁镁硅酸盐物质上浮形成地幔。地幔的表层由于散热及挥发分物质的逃逸很快冷却,并逐渐演化为刚性地壳。这种密度分异作用目前仍在进行着。

图12 胶西北幔枝构造成矿控矿模式图Fig.12 Metallogenic and ore-controlling model map of mantle branch structure in northwest Jiaodong

金银多金属等元素亦属于密度较大的元素,也有向地核聚集的趋势,并主要集中于地核之中,以气—液态存在于铁镍之间。当核幔边界涌动或受干扰形成上升地幔热柱时,金银多金属等成矿物质便可随地幔热柱多级演化向上迁移,并通过气态→气—液混合相→含矿流体的形式随地幔热柱→地幔亚热柱→幔枝构造向地壳浅部迁移。近年来,许多研究成果也表明深部物质是金银多金属属矿床形成的主要矿源。

(2) 地幔亚柱—成矿物质的运移通道

上升幔流沟通了金、银多金属等元素的深部来源,但成矿物质的多少取决于核幔边界的涌动强度,核幔的涌动又受着核幔平衡状态、外来激发因素的影响。所以,上涌地幔热柱中的成矿元素含量也会随着核幔涌动强度变化而时多时少,时断时续,成矿作用也必然具有明显的阶段性、脉动性,金、银、钨、锡、锌等均具有很强的气态迁移能力,含矿流体的深部来源及其元素迁移形式,则更是很多地质学家所关注的前沿问题。

金银多金属等成矿元素随地幔热柱的多级演化向上迁移时,越接近地壳上部受构造运动影响越明显,这与岩石的物化状态密切相关。在地球深部,地幔物质在横向上、纵向上变化不大,地幔热柱基本受核幔边界的初始动力和热驱动上升,干扰因素较少。当地幔热柱穿过上、下地幔界面,以亚热柱形式继续上升到岩石圈的底部时,则会受到岩石圈底界形态、岩石圈深切韧性剪切带的影响。

(3) 幔枝构造—成矿控矿的有利空间

幔枝构造之所以成为成矿控矿的主要空间,是因为成矿元素随地幔亚热柱向上运移到岩石圈底部受阻而向造山带的根部拆离,当被造山带轴部持续活动的深切韧性剪切带切割时,成矿元素便可沿韧性剪切带,或随岩浆活动向地壳浅部迁移,在幔枝构造的有利构造扩容带聚集成矿。

受幔枝构造控制的岩浆活动特征、岩性特征、含矿性及成矿作用取决于深切韧性剪切带的切割深度和活动强度。而韧性剪切带的活动强度又受地壳运动、区域构造应力场的制约。当韧性剪切带活动强烈、切割深度较大时,岩浆活动就表现为幔源,随地幔亚热柱迁移的含矿流体得以向上迁移,并在有利的构造扩容带中成矿;当韧性剪切带切割浅时,就可能以中、下地壳低速层重熔形成的花岗质岩浆为主,含矿流体相对较少,则成矿作用较弱。

金的主要来源:地核

金的存在状态:紫色气体→气-液混合相→含矿(金) 流体→结晶呈固态金

金的迁移形式:地幔热柱→地幔亚热柱→幔枝构造→构造扩容带

金的运移途径:地核→D″层→下地幔→上地幔→岩石圈→地壳

金的成矿过程:构造变形→岩浆活动→蚀变作用→成矿作用

金(贵金属) 属于特殊的矿种,数量少、比重大、惰性强、少迁移,在特殊情况下也可形成大型,甚至特大型金矿。但是,要注重金的主要来源、存在状态、迁移形式、运移途径、成矿过程,一直追索到金的矿脉——包括已经有矿床(点) 的外围与深部。

致谢:

本文是应《河北地质大学学报》之邀撰写的一篇综述性论文,也是基于作者曾承担的国家自然科学基金项目、省自然科学基金项目、省部攻关项目、地学基础等项目研究的认识、归纳和总结。项目研究过程中得到了学校和翟峪生院士、李廷栋院士、毛景文院士、侯增谦院士、武强院士等大力支持和热情指导;对李春生、于海峰、燕建设、武胜、宋明春等专家的指导和帮助,一并感谢。河北省、山东省、河南省、山西省和内蒙古自治区各地勘单位以及有关矿山技术人员所给予的热情指导和帮助,在此谨表谢意。

由于本文涉及的时间较长、请教的专家较多、引用的文献较丰富,未能一一列出,深表歉意。