熱—流輸運耦合動力學在分析金礦床成因中的應用

楊松林+劉娟+徐子琪

摘要：本文通過地質(zhì)建模及模擬結果分析，研究了成礦流體的運移與聚集規(guī)律，并結合礦田成礦預測資料與現(xiàn)行勘查成果，預測礦體的分布規(guī)律。研究表明：模擬結果顯示成礦流體在破頭青斷裂帶及其下盤發(fā)生聚集，從而推斷斷裂帶是成礦作用發(fā)生及礦體賦存、就位的有利部位；石英脈型金礦當中，熱液蝕變作用所導致的脫硫化與相分離可能是礦化的主要機制。

關鍵詞：成礦流體；構造應力場；絹英巖；破頭青構造

1研究區(qū)地質(zhì)概況

產(chǎn)于膠東的金礦床主要受控于區(qū)域上NNE向主斷裂，產(chǎn)出于斷裂帶發(fā)生產(chǎn)狀波動的位置，而東風礦區(qū)內(nèi)控礦構造為破頭青斷裂，下盤次級斷裂構造發(fā)育。因此，通過熱-流輸運耦合動力模型研究構造分級及巖性分帶對區(qū)域礦床成因、探礦顯得尤為重要。

2地質(zhì)模型

2.1建模設置。據(jù)前人研究，破頭青金礦帶成礦流體可能為大氣降水和深部流體混合來源，因此，熱-流輸運耦合動力學數(shù)值模擬中為設定了兩種流場邊界條件：①右邊界為流體流入邊界，左邊界為流體流出邊界；橢圓區(qū)域為流體減速和匯聚區(qū)；②上、右邊界為流體流入邊界，左、下邊界為流體流出邊界，橢圓區(qū)域為流體減速和匯聚區(qū)。

2.2成礦流場模擬結果。流體從玲瓏花崗巖地帶流動進入絹英巖區(qū)，遇到剪切帶（界面）即折返向巖體方向流動，遇到巖體接觸帶（界面）再度折返。這一特殊的流動方式導致溶解于流體中的金及金屬硫化物隨著流體流動，在界面處發(fā)生反應而沉淀，形成溶解-反應前鋒。隨著流體循環(huán)流動，反應前鋒不斷擴展，沉淀的礦層逐漸加厚。如此循環(huán)往復、反復多次，流體逐漸將深部及圍巖中低濃度星點狀的金及金屬硫化物輸運到界面而沉淀成礦。由流場邊界條件②的模擬結果可知：當成礦流體來源于上部，成礦流體在主干斷裂帶及其下盤橢形區(qū)域發(fā)生聚集，該區(qū)可能有利于成礦作用的發(fā)生。

綜上可見，成礦流體在破頭青斷裂帶及其下盤發(fā)生聚集，其活動程度相對強烈，因而也是蝕變作用發(fā)生較為強烈的地方，從而推斷斷裂帶是成礦作用發(fā)生及礦體賦存、就位的有利部位。

3構造-流體耦合成礦動力學

3.1構造-流體耦合產(chǎn)物。玲南和羅山金礦區(qū)內(nèi)發(fā)育網(wǎng)脈狀礦化角礫巖。如鉀化花崗巖內(nèi)發(fā)育大量石英硫化物細脈指示右行剪切；絹英巖內(nèi)發(fā)育大量網(wǎng)脈狀的石英硫化物脈；硅化碎裂巖內(nèi)發(fā)育呈樹枝狀分叉的硫化物脈產(chǎn)出。上述現(xiàn)象中，在右行剪切的環(huán)境下，在斷裂的對盤形成了與斷層運動方向呈銳角相交的一系列張性石英脈；在垂直于σ1的方向上形成一系列張性空間，同時形成一系列共軛剪切石英脈，整體呈網(wǎng)脈狀結構；成礦流體在運移過程中，因壓力的不斷積累和釋放形成的網(wǎng)脈狀構造。上述現(xiàn)象指示金礦區(qū)內(nèi)的金礦體是構造-流體耦合的產(chǎn)物，存在水壓致裂現(xiàn)象。

3.2巖石破裂機理。通過計算，我們得出CO₂包裹體在均一時的壓力在180-250Mpa之間。可見流體的存在對于巖石的破裂起到了至關重要的作用。（構造差應力遠大于巖石的抗壓強度也表明礦區(qū)主要以剪切破裂為主。）而裂隙的生成模式主要有三種：分別為張裂、剪裂（滑動式）、剪裂（撕裂式）。裂隙生成的具體模式受控于構造應力場與巖石作用的相關部位。對于研究區(qū)來講，三種模式均存在，或是在一組破裂面的不同部位，以不同的成因機制形成。

3.3構造-流體耦合成礦動力學模式。統(tǒng)計表明，距離主斷裂越近，巖石破碎程度越高（滲透率越大），蝕變程度越強，礦化樣式也從石英脈型過渡到蝕變巖型。在靠近主斷裂處，當金以硫化物的絡合物的形式遷移至此時，與圍巖發(fā)生強烈的水巖反應，流體中的HS-與圍巖中的Fe²⁺、Cu²⁺等發(fā)生反應，導致硫化物絡合物發(fā)生分解，即：Au元素的運移載體分解，最終致使金的運移能力下降，在蝕變過程中最終沉淀下來。可見流體的脫硫反應是蝕變巖型礦體沉淀的主要機制。而控制石英脈型礦體形成的機理與蝕變巖型不同，張性空間的產(chǎn)生，使得熱液流體的壓力急劇降低，CO₂的溶解度降低，并且發(fā)生相分離，導致了金的沉淀，沉淀區(qū)域主要集中在石英脈與圍巖的接觸部位，或是靠近石英脈的圍巖當中，表明在石英脈型金礦當中，熱液蝕變作用所導致的脫硫化與相分離可能是礦化的主要機制。

產(chǎn)于膠東的金礦床主要受控于區(qū)域上NNE向主斷裂，產(chǎn)出于斷裂帶發(fā)生產(chǎn)狀波動的位置，主斷裂帶發(fā)生近等間距的產(chǎn)狀波動，直接導致了礦床的近等間距產(chǎn)出。而且在單個礦床中，靠近主斷裂面，與主斷裂面近平行，等間距的產(chǎn)出一系列NNE向次級斷裂帶，而這些斷裂帶則作為次級礦體的產(chǎn)出部位，導致礦體的近平行與等間距排布。由此提出了區(qū)域構造-流體耦合成礦動力學模型，指出斷裂帶韌→脆轉換和區(qū)域構造應力場北西向北東的轉換控制了金成礦作用發(fā)生，相分離和硫化反應是導致金沉淀的主要原因（圖1）。

4結論

（1）模擬結果顯示成礦流體在破頭青斷裂帶及其下盤發(fā)生聚集，從而推斷斷裂帶是成礦作用發(fā)生及礦體賦存、就位的有利部位。（2）石英脈型金礦當中，熱液蝕變作用所導致的脫硫化與相分離可能是礦化的主要機制。（3）斷裂帶韌→脆轉換和區(qū)域構造應力場北西向北東的轉換控制了金成礦作用發(fā)生，相分離和硫化反應是導致金沉淀的主要原因。