泵吸成矿作用:一种流体运移动力学机制

李德东,解洪晶,孙 燕,张凤琴,杨云鹏,邱金柱,刘俊利

(1.北京矿产地质研究院有限责任公司; 2.中国地质大学(北京); 3.辽宁省有色地质一〇三队有限责任公司)

引 言

内生金属矿床中常见规模比矿体大得多的近矿围岩蚀变,表明大型—超大型矿床的形成需要大规模流体参与[1-3]。但是,深部富矿流体如何实现快速上升并在地壳浅部大规模卸载金属成矿的问题依然是一个谜。因此,富矿流体聚集成矿机制一直是成矿学的关键科学问题之一。普遍认为,构造作用可以使岩石发生破裂和变形产生应力差,流体在应力差驱动下,由高压区向低压区运移[4-5],因而可以利用流体力学中的有压管流来描述矿液泵吸上侵过程[6]。岩浆在裂隙中快速上升被认为主要由岩浆浮力来驱动[7],而流体运移可能归因于泵吸作用,常伴随地震的发生,被称为地震泵吸作用[8-11],认为断层是流体活动的场所和总开关,并称为断层阀作用[12]。尽管断层本身可能起到一定程度的泵吸作用[8],以及断层内可形成少量的断层岩[13],但大量矿体的主要赋存部位往往不是断层本身[14],断层更多地起到沟通深部流体(或岩浆)储库的作用。正如地震的发生经常与流体运移耦合在一起[15-16],但二者之间并不存在必然的联系。原理上,诱发地震需要应变积累到一定程度(达到地质体裂开的阈值)才可以发生[17],然而应变积累未达到触发地震时流体也可以进行迁移[18]。事实上,大多数地震发生前往往先发生流体异常变化[15,19-20]。同理,当应变足够大,但没有沟通深部流体库的断层存在时,也不能引起深部流体的大量迁移。因此,深部流体大规模向上迁移机制依然需要进一步厘清。据此,本文提出2种泵吸作用机制:“构造泵吸”和“岩浆泵吸”,认为其对内生金属成矿作用具有重要的控制意义。

1 地质过程中的泵吸作用

深部物质向地壳浅部运移必然存在某种机制,正如抽水机抽取地下水利用泵吸作用机制一样,深部流体(包括岩浆)向浅部运移也应该由类似这种泵吸作用来控制。这种机制在油气运移过程中已经得到重视[10-11]。孙永河等[11]的天然气在泵吸作用下运移物理模拟试验很好地再现了这一过程。不管储层条件如何,只要断层封闭性差,流体就不会被泵吸进来(因不能形成负压区),只有盖层封闭性好的裂隙才可以泵吸流体,并且流体很容易进入孔隙度大的岩层。石油勘探者们利用这一原理,采用人造裂隙系统(水压致裂系统)来将储油层中零散分布的石油集中起来进行抽取,以提高采油率[21-26]。这充分说明泵吸作用可以起到吸取(或聚集)深部流体的作用。

马德堡半球实验首次证实大气压的存在,也证实了这种泵吸作用。实验中把2个直径为37 cm的金属半球合在一起并抽成真空,两边各用8匹马才能勉强拉开,可见这种压力差形成的作用力非常大。假设地壳浅部存在这样一个真空泵,并且这个真空泵完全用来抽取花岗质岩浆,则与体积0.23 m3的花岗质岩浆质量相当(取花岗质岩浆密度为2 600 kg/m3),与真空泵的体积相比增大了10倍左右,若考虑深部岩浆向上迁移需要克服重力做功,那么随着运移距离的增加和岩浆密度的增大,浅部真空泵抽取深部岩浆的体积会降低,大量的岩浆滞留在浅部地壳,但也存在着一些岩浆因浅部真空泵强大的抽吸能力或者岩浆密度差快速上升甚至喷出地表现象。诚然,深部岩浆或流体快速向浅部运移会产生强大的流体超压,导致浅部岩浆房顶部受到垂直向上的最大主压应力,形成放射状裂隙[27],进一步导致浅部地壳形成局部构造负压区,继续抽吸岩浆或流体向浅部运移,这就构成自组织裂隙发展模式[28],但触发这一作用的机制应该是泵吸作用。

2 泵吸类型和形成机制

泵吸类型主要取决于形成泵的类型。根据定义,泵最主要的特点是泵装置在工作过程中相对密封,泵的一端(进口)连接流体源(库),通过泵体驱动后,泵的另一端(出口)可以布置在指定位置。泵体能抽吸多深的液体到达地表,取决于泵的功率(假设导通管不变形)。原理上,要想使深部流体向上运移,必须使泵保持一个负压区,即存在深部与浅部压力差,并且具有深部流体库沟通浅部泵体的通道,在巨大压力差驱动下,流体迅速向上运移,这时泵中的压力差迅速减小,若想使流体继续上升必须继续给泵施加动力以加大这种压力差。油气运移的一种特殊情况可能是因构造作用使地质体产生差异性,抬升砂岩层的负压使油气快速运移[10]。

地质作用下,泵吸类型可分为“构造泵”和“岩浆泵”。“构造泵”,顾名思义是由于构造作用使地层发生明显变形甚至产生大规模张性裂隙,由于岩层各向异性会形成规模不等且不规则的多个负压区(即“构造泵”),由这种作用形成的“泵”(相对封闭并且具有一定负压空间)。而“岩浆泵”是除构造作用之外形成的负压区,这样的负压区类型比较多,主要指因岩浆作用产生的负压区,如岩浆侵位后因降温凝固体积缩小与围岩之间形成负压区,岩浆侵位后因冷凝作用自身产生裂隙系统形成的负压区,或者岩浆快速上升后原岩浆储库(源区)或通道内形成的负压区。

浅部地壳中“构造泵”的形成,主要是在构造运动作用或沉积压实作用下,由于不同岩层具有不同的物理性质,在强干层中易产生脆性破裂并且这些脆性裂隙相互连接形成更大的空隙腔(“泵”)(见图1),而非强干层在力作用下发生弯曲柔皱(韧性变形),由于盖层具有良好的封闭性,这些空隙腔(“泵”)形成巨大的负压区。若不存在外部应力,只有压实作用存在,那么非强干层A(见图1-a)会因受盖层压力并且受到下伏强干层的阻力变薄,而强干层B受压会产生略平行于主压力的裂隙,裂隙出现会增加强干层B的体积(见图1-b)。若外部为挤压应力条件,强干层在强大挤压应力下产生裂隙膨胀(裂隙会逐渐与最大挤压应力方向平行),从而使上覆非强干层上弯变薄(见图1-c);若外部为拉张应力条件,则主要是盖层的压实作用叠加拉张应力对不同性质岩层作用,在强干层中易产生略垂直拉张应力方向的裂隙,非强干层因拉伸变薄(见图1-d)。这些作用力产生的构造裂隙实际上就是“构造泵”,且裂隙往往集中形成透镜状裂隙群[29],这些不规则并且规模较小“构造泵”互相连接形成大的空腔(负压区),如果存在深大断层或裂隙沟通深部流体库,那么深部流体必定在强大压力差作用下迅速向上运移,深部流体运移到浅部负压区时,大大减小“泵”(负压区)的压力差,深部流体可能会失去上升的动力不再上升,而上升到“泵”(负压区)内的流体要么继续向更浅部“泵”(负压区)运移,要么永久滞留在这个“泵”中。

由于岩浆(或流体)被泵吸到浅部“构造泵”中(见图2-a),假设岩浆储库(深部岩浆房)体积不变,那么岩浆储库形成一个真空负压区(见图2-b),这个真空负压区是由于岩浆向上运移形成,因此称之为“岩浆泵”。另外,热的岩浆(或流体)运移到浅部“构造泵”后因冷凝体积缩小,则可以形成浅部岩浆房内的负压区(见图2-c),因此把它归并到“岩浆泵”中,这种“岩浆泵”有一种特殊情况就是断层中的岩浆(岩墙)冷凝后与围岩形成的负压区,类似于连通管模型[30-32],也应称为“岩浆泵”。这2种“岩浆泵”具有一定的负压,深部“岩浆泵”若存在沟通更深部或周围同层位或较浅部位岩浆(或流体)储库的断层则会泵吸这些岩浆(或流体),而浅部“岩浆泵”也会抽吸浅部或更浅部的流体进入,围岩中的流体可能因这种机制进入“岩浆泵”中。

3 泵吸成矿作用

构造泵吸成矿作用主要表现在因构造作用产生的“泵”直接抽吸含矿流体形成独立矿体,如因逆断层作用使下盘围岩层因岩性不同产生层间不规则“构造泵”(见图3),在断层沟通深部含矿流体时可形成不规则状矿体。从多数典型矿床剖面图来看,矿体的出现往往伴随着逆断层[14],从力学分析来看,逆断层下盘岩层受到上盘岩层挤压作用,并且受到因上盘岩层重力产生向下的分力,使下盘岩层受到挤压作用(见图3-a),根据牛顿第三定律,下盘岩层施加给上盘一个反作用力,阻止其向下滑动,由于构造作用力使上盘围岩向上逆冲产生运动,因此给下盘岩层造成较大的沿斜面向上的拉伸作用,使下盘不同岩层之间产生虚脱空间,因此逆断层的下盘岩层容易出现一定范围的构造负压区(见图3-b),但经常因岩石具有不均一性,往往形成构造透镜体[33-35],如辽宁八家子铅锌矿床主要位于逆断层下盘(见图3-c),冷水坑矿体也主要产于逆冲断层F2下盘,呈似层状(见图4),并且这些矿体距离逆断层非常近;有的矿体直接产于褶皱顶端,如辽东玉隆铅锌矿床[36];还有的矿体是褶皱与断层复合控制,褶皱形成的负压区被断层沟通深部含矿流体库形成,如辽东青城子铅锌矿床[37-39]和黔西南一带金矿床[40-44]。

a—逆断层下盘岩受力分析 b—断层下盘岩层构造负压区 c—辽宁八家子铅锌矿床典型剖面图3 逆断层力学分析图解与典型矿床剖面图(据文献[34]修改)

图4 江西冷水坑Ag-Pb-Zn矿田132勘探线剖面图(据文献[35]修改)

超大型矿床往往形成于超大规模岩浆喷发(或侵入)之后[3,45],暗示超大规模岩浆喷发前必定存在大规模“构造泵吸”作用,并且超大规模岩浆喷发后形成的“岩浆泵”可以抽吸大规模含矿流体,说明大规模岩浆泵吸作用可以形成大矿。这里可能存在岩浆与成矿物质的耦合与解耦问题。岩浆(或流体)与成矿物质可作为一个整体向浅部运移后再发生成矿物质的分离,由于压力降低使溶解在岩浆(或流体)中的成矿物质过饱和析出成矿物质。根据岩浆与成矿物质密度不同,在浅部岩浆房中形成不同密度分层的岩浆-矿浆房[46-47]。在浅部“构造泵吸”作用下,若存在断层沟通这样的岩浆房,密度较小的浅部岩浆层首先被抽吸侵位形成前导性岩浆岩体[48],然后是密度较大的岩浆或矿浆层被抽吸侵位形成贯入式矿体。在同一矿区,这2种情况均可以被发现,如金川硫化铜镍矿床,既有熔离式矿体又有贯入式矿体[49],喀拉通克铜镍硫化物矿床同样有2种矿体[50]。这取决于岩浆熔离的速度与泵吸流体的速度差异,如果浅部泵吸作用极强,岩浆-矿浆混合体来不及分离(熔离)成明显的两层,那么泵吸的流体就是二者混合体,若构造泵的体积较大,允许矿浆-熔流体缓慢冷却则可形成岩体中的上悬矿体(即熔离式矿体),如金川硫化铜镍矿床经常发现熔离式矿体或上悬式矿体[49];若不允许矿浆-熔流体缓慢冷却,也就是说冷凝速度很快,则二者不容易分开,形成混合体,会经常发现的岩脉就是矿体的现象,如红旗岭铜镍硫化物矿床7号岩体就是矿体,图拉尔根铜镍矿床1号岩体就是矿体等[51-53]。

与热液有关的矿床也可能是由泵吸作用形成。如经常发现含金石英脉主要发育在变形作用晚期阶段,出现在区域变质作用峰期之后的低压韧性变质变形环境中[54],矿脉形状复杂,受控于剪切带或其中的糜棱叶理,矿体分布于剪切带内狭窄的高应变区域内,并且2个宏观矿体之间往往被遭受蚀变或未遭受蚀变改造的糜棱岩占据[55],这应是2个空腔相连通或未连通的一个很好证据,同时说明糜棱岩化过程是产生构造泵的一个重要作用。矿体侵入应是典型的裂隙(“构造泵”)抽取含矿流体充填形成的证据,通常充填于裂隙中的矿体展现出向四周呈放射状分布形态,表现出中心扩展式裂开特点[55],这说明成矿流体被强大的泵吸作用力抽吸所呈现的近场应力场明显区别于区域应力场特征。研究表明,成矿期的裂隙以张性为主[27],也说明“构造泵”的形成主要是张性裂隙系统组成,因此这种成矿作用暗示与岩体/岩层变质变形时间是相近的。

4 讨 论

4.1 构造变形带约束“构造泵”作用范围

浅部地层发生构造变形,因不同物理属性的岩层存在不同力学性质,在良好盖层封闭条件下,会形成“构造泵”。因此,“构造泵”的形成均离不开构造运动使不同岩层发生变形,特别是剪切变形更有利于“构造泵”形成[56]。同理,“构造泵”的作用范围可以用构造变形来约束,离开构造变形区域不可能形成“构造泵”。

变形岩石发生体积损耗是普遍存在的现象[57-58],碎屑沉积岩在上覆岩层重力压实作用下,通过孔隙水的流失,可产生50 %的体积损耗[59],劈理形成过程中也有50 %的体积损耗[60],背斜核部岩石体积损耗为30 %～50 %,而其他地带为10 %～40 %[60],糜棱岩形成过程中可以产生大于60 %的体积损耗[61],并且大量体积损耗主要是因长石压溶、分解造成SiO2和碱金属流失,变质流体中存在的主要成分为Si和碱金属,也是成矿流体的重要组分,估计的流体与岩体比值为200～400[62-64]。这些流体出现的地方是变形最强烈的位置[65],并且这些流体可以参与到成矿流体之中。变质变形的岩石中会发生如此大的体积损耗,在良好盖层作用下就会产生较大的构造负压作用,反之亦然,可以大胆推测在变形变质区域一定发生过大量的体积损耗,也就一定存在着强大作用的构造泵吸作用,奠定了后面的成岩与成矿的动力学基础。因此,在一个地区需要重视构造变形的作用范围,更需要研究什么类型的岩石变形变质后体积损耗最大,并且还要考虑一个地区变形变质岩分布是否均匀,尝试恢复变形前的古状态,以便更好理解构造演化历史,为后面研究成岩成矿做好基础工作。如果对一个地区恢复变形前的古状态存在困难,那么可以假设体积损耗最大的区域存在巨大泵吸作用,当有贯通深部断层时,一定会有深部岩浆或流体被泵吸进来,据此可以调查大面积出现的侵入岩、喷出岩和蚀变岩,这些地方可能是当时存在巨大“构造泵”的地方。最明显的例子是某地区集中大量出现的岩浆岩,特别是出现大量的岩浆核杂岩[66]和宽成分谱系岩墙群[30,67],这可能就是泵吸作用形成的,需要注意的是,有一部分宽成分谱系岩墙群是因岩浆作用使地壳浅部裂隙被岩浆充填形成,应归类于“岩浆泵”作用范畴。因此,利用大面积出现的岩浆岩可以指示变形构造作用的范围[68]。同理,可以根据变形变质岩分布范围来约束成岩成矿的作用范围。

4.2 岩浆泵作用范围

从前面的定义来看,“岩浆泵”作用范围是因岩浆作用形成的负压空间区域,这样的空间区域往往局限于岩浆岩体内部或其周围。在岩浆岩体内部,因深部岩浆被前期“构造泵”作用快速向上运移,岩浆与通道之间具有较大的温度梯度,所以岩浆岩体边部固结速度较快,而中心固结速度较慢[30],在巨大的浅部抽吸作用下形成类似中空的岩浆管道,同时因岩浆向上快速运移,岩浆管道内形成负压空间,会继续抽吸深部岩浆或流体,若抽取的是深部岩浆,则形成环状杂岩体,这样的杂岩体具有中间岩相形成晚,而边部岩相形成较早的特征,如辽宁青城子矿集区双顶沟岩体,中心岩相要稍晚于主体岩相[69]。若抽取的是深部岩浆-含矿流体混合体,则形成类似斑岩型矿体,如河北省安妥岭斑岩型钼矿床[67]。同时,因岩浆岩体边部固结速度快,与围岩之间形成局部负压区,这样的负压区同样也可以抽吸深部岩浆或流体,抽吸深部岩浆形成中心岩相形成较早而边部岩相形成较晚的环状杂岩体,如河北省矾山—阳原环状杂岩体[70]。若抽吸深部岩浆-含矿流体混合体,则岩体与围岩之间形成接触交代型矿体,如云南马厂箐岩体,岩体中形成斑岩型铜-钼矿床,岩体与地层内外接触带形成接触交代型铜-钼(铁)矿床,岩体外围地层中形成浅成低温热液矿床[71],这些矿床的形成可能归因于岩浆泵吸作用。需要注意的是,因岩浆快速上升侵位使围岩产生大量裂隙形成的负压区也应归类于岩浆作用形成的“构造泵”作用范畴。

4.3 泵吸机制对成矿预测的意义

泵吸作用对成矿具有很好的控制作用,因此利用泵吸作用可以指导找矿预测。最关键的是,需要明确哪些构造活动可以产生泵吸作用。如前文所述,韧性剪切作用(包括推覆作用产生褶曲构成的虚脱空间)可以产生泵吸作用;隐伏断层张开也可以产生泵吸作用;快速上升岩浆的通道,以及其上升后深部岩浆房和浅部岩浆冷却后与围岩之间同样也可以产生泵吸作用。

韧性剪切带与金矿床的时空关系密切[72-75],韧性剪切带中既存在韧性剪切期金矿化,又存在韧性剪切期后蚀变破碎带型金矿化,既有深部成矿物质来源,又有浅部表层成矿物质来源[76],利用一般的矿床学理论是不容易理解的,但利用泵吸作用(既可以抽吸深部流体又可以抽吸浅部流体)就不难理解这些成矿现象。通常,与韧性剪切带有关的金矿体在空间上仅限于剪切带内,很少跨越剪切带的影响范围[55],因此可以利用剪切带的作用范围来约束成矿作用范围。例如,辽东五龙金矿区具有工业意义的矿脉主要集中分布于剪切应变较强的东部地区[77],辽东四道沟金矿床主要位于鳞片状构造变形扩张带内(见图5-a),甘肃金川硫化铜镍矿床矿体也处于韧性剪切带内并受脆韧性剪切带控制[78-80]。

图5 辽宁四道沟金矿床勘探线剖面图(a,据文献[78]修改)、吉林红旗岭镍矿床7号矿体剖面图(b,据文献[51]修改)

隐伏断层的拉张空间也是一种“构造泵”,隐伏断层暗示具有较好的盖层,断层张开的裂隙空腔其实就是一种“真空泵”,这种断层空腔如果沟通深部岩浆房就会泵吸岩浆形成岩墙或岩脉,如果沟通成矿流体库就会形成矿脉。例如,吉林红旗岭镍矿床7号矿体就是隐伏断层沟通深部矿浆-熔浆混合体贯入形成(见图5-b),新疆图拉尔根1号矿体[53]也是隐伏断层沟通深部矿浆-熔流混合体形成的。并且这种隐伏断层可以形成垂向地球化学分带,具有成矿专属性[81],因此沿这种隐伏断层的垂向地球化学测试分析特别是成矿元素的规律性变化是指导深边部找矿预测的关键。

岩浆快速上升的通道或其上升后的深部岩浆房及浅部岩浆冷却后与围岩之间同样也可以产生泵吸作用。岩浆快速上升的通道具有泵吸作用比较容易理解,特别是岩浆型矿床中出现的通道式矿体[3,45,82]就是最好的例证。根据岩浆和矿浆的密度不同,在深部岩浆房会形成密度分层,密度大的矿浆位于密度较小的岩浆下部,由于浅部泵吸作用,使上层低密度岩浆优先泵吸运移到浅部“构造泵”,这时浅部“构造泵”的泵吸作用减弱,并且沟通深部岩浆房的断层也被岩浆充填,无法再继续泵吸更深部熔离的矿浆层,但必须存在着一种作用使深部熔离的矿浆进行上侵,推测是快速上侵的岩浆在通道内形成岩浆通道型泵吸作用,类似于抽水机原理,这里必须强调的是岩浆快速上升使岩浆通道能保持一个短暂的贯通通道(没有固结封闭),才能使通道内的岩浆起到一个“活塞”作用,抽吸更深部的矿浆。例如,图拉尔根1号矿体被认为是沿同一通道侵入[53],金川硫化铜镍矿床中的岩浆深部熔离-矿浆贯入型矿体的上侵也是沿着先期同一通道侵入[46,49],还有四川攀枝花矿床也是这种成因[3]。只有深部岩浆房中的岩浆被抽吸到浅部,才可能使深部岩浆房中的岩浆减少,更深部的岩浆或矿浆才可能被抽吸到此岩浆房中,类似于“潜水泵”原理,这样可以从深部向浅部存在多个泵吸作用,使深部岩浆或流体源源不断地向浅部运移。

5 结 语

根据泵的工作原理,结合岩浆和矿浆侵位机制进行探讨,由于构造变形使一个地区的岩层发生变质变形,产生大量体积消耗,形成大规模的“构造泵”,抽吸深部岩浆房中的岩浆和/或成矿流体,使成岩和成矿作用常常耦合在一起,不同层次或级别的泵吸作用又使它们解耦在异处,但分布范围均受到区域变质变形带的约束。通过详细野外调查圈定构造变形区域和岩浆作用范围,泵吸作用可以对一个地区的找矿预测提供指导。

致谢:本文在成文过程中得到中国地质大学(北京)罗照华教授、北京矿产地质研究院有限责任公司王玉往研究员和王京彬研究员的指导,在此一并表示感谢!