河北木吉村斑巖型銅礦床構造應力場數值模擬

□解少宏 馬寶軍 申方樂

木吉村斑巖型銅礦床位于河北省保定市淶源縣楊家莊鎮，該區受太行山深斷裂帶控制，處于太行山北段山西斷窿與燕山臺褶帶的過渡地帶、上黃旗-烏龍溝深斷裂帶中。本文通過野外地質勘察收集相應的地質數據及參數，對礦區成礦期構造應力場進行了數值模擬分析，以期進一步明確構造控礦的規律。

一、礦區地質特征

區內地層相對簡單，主要呈現塊狀或片狀分布特征，有沉積巖和變質巖兩大類巖系，其中沉積巖即蓋層巖系，主要包括中上元古界、下古生界、中生界和新生界;而變質巖即基底變質巖系，主要由上太古界石咀巖群和中太古界陳莊巖群組成。

研究區發育有較多的斷裂構造，各種斷裂形跡表明，NE向斷裂構造起主控作用，其次為NW向和NNE向的斷裂構造。NE向斷裂的傾向為南東方向，傾角在60～80°之間，是一組先張后壓，左行扭動的正斷層，主要包括上黃旗-烏龍溝深斷裂與紫荊關-靈山深斷裂。該組斷裂的劇烈活動切穿了中生界以前的地層和巖體，發育了臺階式構造格局。礦床即產于本組斷裂帶中。

二、構造應力場數值模擬

根據節理和其它構造進行應力場恢復時受限于測量點的位置及數量，只能進行定性的分析。本文在提取實測地質參數的基礎上進行了構造應力場數值模擬，從而使理論分析與實際構造相驗證，達到定量分析的目的。

(一)地質模型的建立。根據木吉村中部礦化最佳的特征，本次構造應力場選擇過鉆孔ZK8、ZK9、ZK7803、ZK7402的縱剖面作為主要模擬區域。剖面線總體走向NW28°，垂向范圍自海拔300m向上至地表，剖面比例尺選擇1:5000。本文把構造應力場分為成礦前、成礦期和成礦后三個期次，重點研究的是成礦期構造應力場特點。木吉村斑巖銅鉬礦床的成礦年齡約應為142．24 Ma，成礦時限可厘定為燕山期晚侏羅世(高永豐，2011)。

巖石的物性參數實驗數據是在石家莊經濟學院巖石力學實驗室測得的，分別為閃長玢巖巖系(E=22．00，μ=0．28)、青磐巖化閃長玢巖巖系(E=27．50，μ=0．26)、矽卡巖巖系(E=20．00，μ=0．29)，碳酸巖巖系(E=26．88，μ=0．27)。其中，E為彈性模量，單位為103MPa;μ為泊松比，無量綱。

(二)數學模型的建立。本文將研究區的變形介質劃分為閃長玢巖系、青磐巖化閃長玢巖系、矽卡巖系和碳酸鹽系四個部分，以它們的邊界線作為地質界線來進行研究。對目標區共劃分了286個三角形單元，包含169個節點，并按照程序規則給每個單元坐標賦物性標號。為了避免在計算中發生大幅度的“漂移”，本文在模型中預設了2個約束點，將剖面模型左上部邊角和右下部邊角的2個節點(7，165節點)設為約束點，實驗允許2個約束點在X和Y方向上分別有0．5cm的位移。在設計邊界外荷作用力時，沿X軸與Y軸邊界上分別施加40個外荷作用力。

此外，考慮到塑性變形過程在應力一應變圖中大部分是拋物線形，在對外荷作用力的選擇上，以總外荷作用力的70%作為第一次增量、20%作為第二次增量、10%作為第三次增量。變形采用“平面應變”方式，容重值分別為閃長玢巖巖系2．51×104N/m3，青磐巖化閃長玢巖巖系2．65×104N/m3，矽卡巖巖系3．04×104N/m3，碳酸巖巖系2．83×104N/m3。

圖1

(三)數值模擬。以張扭變形方式進行了成礦期變形模擬，根據區域資料及應力分析在模型東側下方8°左右的角度向模型西側上方施加外荷作用力。經過調試、計算，使得模型外荷作用力系平衡，得到相似度較高的構造應力場數值及結果，復雜的成果數據可以用全區剪應力等值線圖來反映(圖1)。

三、討論與結論

(一)實驗結果分析。通過模擬，我們得到了全部單元的剪應力值，再利用Surfer軟件即可獲得模擬區域內的剪應力等值線圖。圖中顯示大部分區域剪力變化較為均勻，顯示整體變形特征。全區剪應力值的有效范圍在40～120MPa之間。模擬結果中兩約束點處應力值符合精度要求，各點模擬值與實測值最大誤差為10MPa，也符合實驗精度要求。

從全區剪應力等值線圖可以看到，碳酸巖巖系和矽卡巖巖系剪應力值相對較大，之所以會出現這種情況是因為該區域的大理巖和矽卡巖強度大，和閃長玢巖相比，更難破裂，因此應力難以釋放，剪應力值相對較高。

同時，內部相帶某些區域剪應力值相對較低，最明顯的低值區位于寒武系地層不整合面以下中部地段，構成軸向北西的應力降低區，剪應力值在40～60MPa之間。說明在成礦期造應力場的作用下，該地帶是應力釋放較多的地段，巖石強度較小，易于破碎，裂縫容易連通，巖石的滲透率較高，也預示沿著這一方向深層礦液易于流動，沿近于平行成礦期最大主應力方向。這種特征對礦液運移、礦體形成意義重大，也與實際銅礦所在位置吻合。

(二)構造控礦分析及成礦模式。木吉村斑巖型銅礦床斷裂構造發育有NNE、NE、NEE、近SN、NW向等多組，其中以NNE、SN、NW向斷裂系為主，是主要控巖控礦構造。燕山運動中期，由于受到遠程板塊構造俯沖的緩解，加上阜平幔枝構造的隆升及淶源雜巖體的脈動式侵入，木吉村斑巖型銅礦床受到北西向擠壓，并且在區域上有從擠壓作用轉換為拉張作用的過程。邊界斷裂主導的左行擠壓變形形成了區內的EW和NNE向共軛節理，后期斷裂的右行拉張變形則會連通深部的巖漿，沿斷裂通道向上運移，與NE向斷裂交會處運移。又由于節理疊加在背斜的轉折端部位，礦床內斷層上盤破碎程度較高，容易被巖脈充填并形成流體運移的低勢區，從而為金屬礦產的沉淀成礦提供了較好的條件。結合模擬結果和構造分析可建立礦床成礦模式。

本區巖漿活動受EW向及NNE向斷裂交匯帶控制，含礦流體隨巖漿運動到達地幔淺層，沿斷裂帶向上運移，其方向應是由深向淺，由南東向北西方向運移，由于應力環境作用，到木吉村地區時會在NNE、EW向節理中成礦。由此，斷裂帶上盤節理發育的區域就成為了較好的容礦空間，遇到合適的物化條件就可沉淀成礦。

［1］馬國璽．河北淶源大灣鋅鉬礦床地質特征［J］．華北地質礦產雜志，1995

［2］曲凱．太行山北段木吉村銅(鉬)礦床地質特征與成礦作用［D］．石家莊經濟學院，2012

［3］馬寶軍，陳超，牛樹銀．冀西石湖金礦田古構造應力場數值模擬［J］．黃金科學技術，2014