構造物理化學學科建設回顧、應用與展望

呂古賢

(中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081)

1 構造物理化學的發展歷程

(1)構造物理化學學科定義

構造物理化學,是研究地殼物質受構造作用產生物理化學變化的交叉學科,是構造作用力改變物理化學條件進而影響地球化學過程的領域,即地質構造力與成巖成礦物理化學條件相關性的研究領域。構造物理化學,是研究構造力改變地殼巖石壓力、溫度等物理化學條件,由此影響地球化學作用的理論和方法。構造物理化學是物理學-化學-物理化學交叉的地質學科領域,是地質力學和構造動力成巖成礦理論的繼承和發展。

(2)構造物理化學學科形成思路

構造物理化學的提出和學科建設過程中,發展出礦田地質學的新概念。研究發現,盡管地質環境和成巖成礦條件,是隨時間和空間而變化的,但從成巖成礦的角度看,控制元素運移和沉淀的基本物理化學參數是不變的。形成巖石和礦床的化學過程,往往有流體參與來完成,這個過程直接受當時物理化學環境條件的控制和影響。因此認為,如果能夠說明物理化學條件受構造作用的制約,如果能從理論、實驗和實測數據證實“構造作用力影響靜水壓力”“構造作用影響溫度條件”等科學問題,則構造地球化學各層次研究所揭示的巖石形變作用與變質交代作用的地球化學過程密切共生,不同變形帶及部位的巖相特征與不同深度的巖相有一定對應性等現象將得到較合理的解釋。據此提出新思路,即“構造作用力通過控制壓力溫度和其它物理化學條件來影響成巖成礦地球化學過程”,這實際上深入到了一個新的學科研究領域,即地質構造作用力與成巖成礦物理化學條件相關性領域,稱之為地質構造物理化學或構造物理化學。

“構造影響物理化學條件而控制地球化學過程”的研究思路,是構造物理化學的理論基礎,也是構造物理化學的主要研究方法。

(3)構造物理化學學科建設歷程

構造物理化學是在繼承和學習構造動力成巖成礦理論、開展礦田構造研究過程中發展起來的。在“構造如何影響成巖成礦地球化學”研究中,呂古賢提出“構造改變物理化學條件影響化學平衡”的研究方向和構造物理化學的概念。歐陽自遠在1999年認為,構造物理化學是我國科學家提出、倡導和發展起來的學科研究領域,不僅在構造附加靜水壓力方面取得基礎創新成果,而且建立了深部構造校正測算技術和構造變形巖相填圖方法,在膠東金礦深部第二富集帶預測和勘查方面做出開創性的貢獻,業已形成了理論方法系統,值得繼續深入發展。

潘立宙在1976年指出,構造應力場可以分解成各向等應力和差應力兩部分,這一認識奠定了構造物理化學的力學基礎。劉瑞珣闡述了構造應力場差應力和各向等正應力分解的數學關系;王連捷等建立“應變-差應力”計算三維主應力的聯立方程方法。在此基礎上,呂古賢創建了成礦深度的構造校正測算方法,更系統地形成了“構造改變物理化學條件影響化學平衡”的研究方法和構造物理化學的概念。

構造物理化學的發展得到地學界前輩的大力支持與肯定。馬宗晉曾在1989年指出,構造物理化學在地質資料和構造研究基礎上,高度綜合出“構造改變物理化學條件影響地球化學反應”新思路,是地質力學和構造地球化學領域的發展;歐陽自遠、翟裕生和陳毓川認為,“構造物理化學在成礦學和找礦學之間開拓了一個新的研究領域”。

中國地質學會于1992年召開第一次“構造物理化學研究和膠東金礦深部找礦”小型理論研討會。在孫殿卿支持下,1996年地質力學專業委員會設立“構造物理化學專業學組”,并委派黃慶華和王連捷具體了解“構造附加靜水壓力”的概念、數學力學依據和實測方法;1996年陳慶宣與呂古賢就構造物理化學學科屬性究竟是“構造物理+化學”還是“構造+物理化學”進行了細致分析討論,并確定了構造物理化學的英文名詞;2002年中國科學技術協會批文,同意舉辦“地殼深部壓力狀態與地質作用國際會議”;中國地球物理學會2018年批準成立“構造物理化學專業委員會”。

2 構造物理化學的主要研究內容

(1)構造物理化學的地質研究

構造物理化學研究需要的地質資料——展示不同構造變形構造帶的巖石、礦物和地球化學特征,顯示擠壓帶、剪切帶和引張帶在礦物、巖石、化學成分和物理化學條件等方面的差別,研究它們規律性的變化。研究提出受力巖石構造應力場的各向等壓應力部分——“構造附加靜水壓力”,是影響巖石形成的構造物理化學參量和地球化學分布的重要原因。有了這樣的地質基礎,構造物理化學才能探討“構造力通過改變物理化學條件進而控制地球化學反應”的過程。

構造物理化學,研究“構造結合巖相” “構造結合建造”和“構造地球化學”的特點,需要合適的地質現象和概念。這些地質概念必須既包含巖石組成特征又呈現巖石形態的地質現象,既要涵蓋結構和組分兩方面的狀態,也要在室內外地質工作中可以使用。多年的研究探討和實踐認為,“構造變形巖相”的概念能夠適應于野外觀測、填圖勘查和室內測試分析等方面的要求。構造變形巖相是能夠顯示巖石變形、巖石地球化學分布以及形成巖相環境的地質實體。在不同的地質背景中,構造變形巖相形跡的涵義是有差別的,但其立足于構造變形基礎和地質建造(沉積、巖漿、變質及成礦等),這兩點是不變的。構造變形巖相的概念與方法,成為構造物理化學研究的地質基礎。

(2)構造附加靜水壓力的研究

這部分研究主要涉及構造附加靜水壓力的數學和力學表達,構造力改變巖石壓力的研究,擠壓、剪切和引張構造變形帶內構造附加靜水壓力的有限元模擬等。

①構造附加靜水壓力的力學表達

地下某處的固體巖石,在重力、熱力或其它地質作用下,會產生一定的偏應力狀態。而當其受到構造力的作用時,固體巖石會在其他偏應力狀態上疊加一種構造應力場。這種應力疊加后的總應力狀態可以分解為差應力和各向等正應力兩個部分。前者是改變巖石形狀的差應力,后者即為靜水壓力(亦可稱之為圍限壓力),能夠影響化學平衡。

對于固體巖石,尤其是賦存于中淺部地殼的巖石,重力和構造力都是有方向性且各向不均衡的外力,這種外力(在108～106a時間尺度內)能夠使巖石處于偏斜應力場。這種偏應力(σ～)場中的差應力(σ′)部分只會引起巖石變形;而偏應力場中的各向等正壓應力(P～)的部分,可以看作是平均壓應力,也被稱之為“靜水壓力”的部分才能夠使固體巖石發生體積變化,并導致巖石圍壓發生變化。這種“構造附加靜水壓力”,既是導致巖石發生體積變化的圍限壓力,也是控制地球化學反應的各向等正壓應力。

②構造力改變巖石壓力的研究

這項研究從概念上改變了經典的地下巖石“靜水壓力模型”和認識,建立了“構造力和重力復合的巖石壓力模型”。可以證明,構造力的疊加,明顯改變了巖石的(圍限)壓力。

用固體力學原理分析地殼中構造力和重力的應力場疊加表明,巖石的應力狀態可以看成是一個各向等正應力狀態疊加一個差應力狀態,這種普遍的巖石應力狀態是,既有重力產生的圍限壓力又有構造力疊加的壓力。

研究在同樣外力條件下,擠壓帶、剪壓帶和引張帶內的構造附加靜水壓力分布規律。構造變形帶構造附加靜水壓力的變化理論、數學模擬和實測資料還表明,同一外力作用下,擠壓變形帶(PC)、剪壓變形帶(PS)和引張變形帶(PT)中巖石承受的構造附加靜水壓力不同,且PC>PS>PT。

(3)深部“構造力與重力復合的巖石壓力”模型

這項研究涉及了地質科學的一個根本問題,就是地下巖石壓力模型,將影響地質學的各個方面。經典的認識是地下巖石處于“靜水壓力”狀態,認為地下一點的壓力與上覆巖石重力有關,沒有構造干擾和差應力作用。然而,地下的“靜水壓力”狀態的認識不符合現代的研究和實測資料。

研究提出了“構造力復合重力的巖石壓力”——深部地殼巖石壓力既包含上覆巖石重力的壓力,又包含水平構造力的壓力。地殼深部巖石的受力主要源自重力和構造力,相對應的概念分別為重力附加靜水壓力和構造附加靜水壓力。其中,構造力產生的部分靜水壓力,改變了巖石的靜水壓力或圍壓的受力條件。因此,地殼中巖石受到的壓力是由重力和構造力的兩部分球應力疊合而成。

(4)構造附加壓力與巖石力學性質的關系

隨著圍壓的變化,巖石的各方面特征都發生變化。科拉半島深鉆各類巖石的密度、孔隙度、光電磁反應等的實驗和分析結果顯示,隨著深度和壓力逐步增大,巖石諸多物理性質產生了規律性變化。

巖石的強度與巖石圍壓大小有關。已有的巖石強度測定,多在常溫常壓的環境條件下進行,大部分結果表明普通巖石單軸抗剪強度小于0.5 GPa。但問題關鍵在于,深部巖石并不是處于單軸應力狀態中,而是處在很大的圍壓或三軸應力條件下。Handing在1966年的實驗證明,巖石所受的圍壓越大,其抗剪和抗拉強度就越高;當圍壓持續增高時,其抗壓強度幾乎是無限的。綜上所述,在研究巖石力學性質的時候,不僅要分析巖石的礦物組成特點,還要考慮圍限壓力的影響,如果構造力存在,那就應該研究構造附加壓力的作用。

(5)構造動熱過程與溫度效應

構造作用可以使地下巖石發生位移和變形。根據能量守恒定律,機械能可以轉變為其他形式的能量,例如部分機械能轉化為熱能,可導致受力對象的溫度產生變化,即構造熱過程。

構造熱可以分為3種類型:構造變形熱、構造摩擦熱以及構造條件下的熱傳導過程。構造運動能夠引起巖石脆性破裂和變形。巖石受構造應力產生變形,進而提高了巖石的應變能,擴大了巖石的表面積,顯著增加表面能,巖石破裂面之間的摩擦也會產生熱量。構造運動過程中的能量除了使巖石產生聲響、光電效應和位移之外,大部分以熱的形式傳遞到巖石中。由于巖石多為熱能的不良導體,因此,構造運動能夠造成巖石的局部溫度場效應。

(6)構造物理化學成巖成礦的研究——以膠東金礦研究為例

如果構造產生一部分壓力的話,構造力也能影響成巖成礦的地球化學平衡。這一部分內容既是構造物理化學的基礎,也是構造物理化學應用方向的橋梁。

①構造物理化學成巖成礦模式研究

經地質構造研究,結合巖石、地球化學、物理化學和同位素等多方面測試分析資料,建立膠東玲瓏-焦家式金礦的構造物理化學成礦模式。

以膠東金礦構造變形巖相填圖為基礎,研究巖石、地球化學和物理化學條件的分布。開展礦區面積性物理化學參數(P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)測試,發現了構造影響物理化學參數及成礦的地質證據:擠壓斷裂帶的物理化學條件下,發生K和Si增高而Al和Na氧化物降低的化學反應,形成蝕變巖型金礦;引張斷裂帶的物理化學環境下,發生K增高而Si、Al和Na氧化物降低的化學過程,發育石英脈型金礦。

②構造物理化學地質基礎——構造變形巖相研究

構造變形巖相測量擴大了預測目標,不僅研究金礦化標志,還把遠礦蝕變,甚至弱鉀化花崗巖也歸為蝕變巖相帶,將蝕變帶整體作為預測的目標,從而把找礦標志從幾米寬擴大為幾百米甚至上千米寬,突破了“就礦找礦”的局限性,大大提高了找礦效果。

③ 構造物理化學場與成巖成礦分析

在1∶1萬構造變形巖相填圖基礎上,結合巖石、地球化學及物理化學參數 (P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)資料,進行面積性編圖。

礦化分布處于成礦構造物理化學參數突變的區帶。由此進一步提出,地球化學分布是成礦作用的結果,而物理化學條件才是成礦的動力原因,為“構造力通過改變物理化學條件影響化學平衡”的思路提供了地質基礎。

④構造物理化學的界面帶成礦研究

物理化學參數 (P、T、Eh、pH、lgfs2、lgfo2和K+、Na+、CO2等)的突變帶,顯示出一定規模的界面帶,這些界面帶不僅與成礦帶分布相關,而且與成礦元素分布有關。研究揭示“構造物理化學參數界面帶成礦”的新認識。

各構造物理化學參數都有高值和低值分布區。在應力集中和松弛的交接部位,發育物理化學參數的劇變帶。在金礦成礦中,各構造物理化學參數的劇變帶,是最有利于金礦成礦的界面帶。

⑤構造物理化學臨界成礦的熱力學分析

我國東部中生代發生大規模成礦作用,膠東金礦區尤其典型,但是其成礦構造機理一直處于探討階段。胡寶群等較早探討流體臨界大規模成礦的物理化學成因問題,認為主要受控于水的臨界奇異性,即在溫壓同時達水的臨界值時發生臨界二級相變而控礦。他們建立了大規模成礦作用的構造物理化學“深斷裂臨界成礦”的初步模型,認為由于巖石圈深斷裂帶中的壓力急劇下降,形成壓力的凹陷等值面,而深部巖漿及其熱液等沿斷裂帶上侵,發育溫度上隆凸起等值面。壓力面凹陷和溫度面凸起,在上地殼淺部一定區段就可能形成溫壓同時達到水發生臨界二級相變區域。從而在這個臨界區段就發生非線性、短時限和大規模的成礦作用。簡言之,由于深斷裂引起壓力下降和溫度上升,在淺部地殼能夠形成臨界區帶,控制著大規模成礦作用。

該研究表明,化學元素的分布只是成礦作用的結果,而物理化學條件的變化才是成礦的原因,成為“構造改變物理化學條件影響化學平衡”的熱力學基礎。

3 構造物理化學的應用與展望

(1)成巖成礦深度研究測算方法和深部預測

構造物理化學研究,對一些地質認識、觀念和方法提出了新的思路。如成礦深度的測算方法,經典方法是壓力/比重,而“構造校正測算方法”卻是首先從壓力剔除“構造附加靜水壓力”之后,再測算成礦深度。經典方法認為膠東金礦形成于4～6 km深處,而運用構造校正方法,獲得膠東金礦的成礦深度為1～3.5 km,且集中在2.5 km左右深處形成。同時發現膠東金礦是淺成礦床。這一新的研究成果表明,主要的礦體在深部賦存,現有大型礦山深部的金礦資源遠景非常樂觀。據此在1993年和1996年分別預測焦家礦田和玲瓏礦田發育“深部第二富集帶”。后經勘探,證明膠東金礦深部較普遍存在“深部第二富集帶”。

(2)超高壓變質“構造增壓殼內成因”的深入研究

超高壓變質的“構造增壓殼內成因”研究,不僅具有全球構造的意義,也是構造地質學的前沿問題。超高壓變質的廣泛深入研究,帶動了深部地質、巖石學、礦物學、地球化學等多個學科的研究與發展,同時也涌現出新的觀點。如超高壓變質的“深俯沖-折返”模式和“構造增壓殼內成因”模式等。前者認為超高壓形成于超過100 km的深度;而“構造增壓殼內成因”模式認為,超高壓的形成深度介于33～55 km。運用構造物理化學的新認識開展變質巖構造研究,能夠發現和開拓新的科學問題,促進地質科學理論方法的創新與發展。

(3)構造作用下液體改變巖石變形性質的研究

①地震災害過程流體-巖石系統的構造物理化學約束

根據目前的認識,關于流體-巖石系統,在時間尺度,地震斷層至少經歷以下變形階段:間震期斷層蠕滑與斷層閉鎖、準靜態失穩與地震成核、亞臨界失穩、同震滑動,以及震后斷層余滑與松弛階段的非穩態蠕變。研究巖石變形特征和斷層滑動方式隨深度的變化規律,同時要考慮構造力引起的局部構造超壓和溫度效應,也是認識地震活動規律性的重要內容。斷層滑動的穩定性與地震的孕育和發生,是一個復雜的地質、物理和化學作用,研究流體-巖石系統的構造物理化學影響,也是分析強震孕育條件、探索震前機理和預測的研究方向。

②水巖系統的構造作用,能夠改變巖石變形性質

流體活動與巖石相互作用始終貫穿斷層變形時空的各個階段,對斷層強度與變形機制和地震誘發機制有重要影響。流體對地震活動的影響,體現在物理作用和化學作用兩個方面。流體對斷層帶的物理影響包括:(a)流體對斷層流變強度的弱化;(b)流體增加了孔隙壓力,降低了有效壓力,降低了斷層摩擦強度;(c)流體促進了斷層的非穩定滑動,有利于斷層地震成核。然而,流體的化學作用影響斷層強度和地震孕育方面尚未引起重視。實驗研究已經證實,流體對斷層帶的化學影響包括:(a)流體與巖石發生反應,生成了含水的環狀和層狀礦物,從而降低了斷層的強度;(b)流體促進了斷層帶裂縫的愈合,增加了斷層的強度,但同時也提高了斷層帶內流體壓力,改變了構造巖帶強度和脆塑性轉化的深度。因此,開展流體對于斷層帶構造、物理和化學的綜合研究,分析流體-巖石系統的構造物理化學約束條件,是斷層力學與地震孕育機制、地震預測研究中非常重要的研究內容。

(4)礦田構造變形巖相填圖和深部外圍找礦

“就礦找礦”是深部外圍找礦的常用方法,目標是尋找達到工業品位的礦脈。但是,多數礦山的礦體已經采空,深部預測沒有找礦標志,如何找礦?這成為深部找礦的問題,也是礦山普遍的生產難題。

礦田“構造變形巖相”填圖,能夠彌補這一缺陷。 “構造變形巖相”用來顯示構造變形的礦化地質體,就是說,成礦構造變形巖相不僅包括金礦脈,還把近礦-遠礦的蝕變,甚至蝕變的圍巖也歸為蝕變巖相帶。由于構造蝕變帶整體作為預測的目標,從而把找礦標志從幾米寬擴大為幾百米甚至上千米寬,大大提高了找礦效果。提出“構造變形巖相”的成因分類,建立了“構造變形巖相”的識別地質標志,劃分了31種構造變形巖相類型,形成了適用于野外觀測、室內研究的找礦預測方法。該方法加快了圈定靶區的速度,顯著提高了預測能力。

近年,在海南抱倫金礦、內蒙柴胡欄子金礦、豫西欒川鉬礦、贛南鎢礦等地,用構造變形巖相填圖方法取得找礦重要進展。

(5)巖漿成巖構造測量和流變結構幾何研究

經過10多年的花崗巖構造巖相野外填圖和室內測試研究,建立了巖漿巖構造巖相的分類方案,劃分出3類巖漿巖構造巖相:剪切構造巖相、引張構造巖相、擠壓構造巖相。對于膠東成礦花崗巖,可以考慮:

①剪切構造巖相的結構構造

例如,玲瓏型似片麻狀黑云母花崗巖。最明顯的巖石結構特征是普遍發育韌性變形的C-S組構,變形礦物不是軸面對稱,而具有斜方對稱特征。依據構造測量的要求,可以開展野外構造填圖,推測應力的大小和運動的方式。

②引張構造巖相的結構構造

例如,欒家河型中粗粒等粒二長花崗巖。巖漿在開放性構造環境侵入成巖。巖石結構與圍巖組構不協調,內部無明顯定向性,產于較穩定的成巖環境,這是典型張裂帶區巖漿巖相。

③擠壓巖相的結構構造

例如,郭家嶺型粗粒似斑狀花崗閃長巖。受定向擠壓應力作用結晶-堿交代成巖的典型構造特征,還有暗色礦物和基質礦物平行于主擠壓面定向的流動狀分布,以長石斑晶為代表的礦物組成典型的共軛排列,共軛鈍夾角約為135°。它們的鈍交角平分線指向擠壓應力方向,且平行最大主應力方向往往發育引張斷裂和空間,也說明受到定向擠壓應力。

(6)油氣田成藏構造應變-應力場的定量化研究

油氣在一定的地質環境中可以產生遠距離運移,該運移過程的動力學機制可以用浮力與重力之間的差值進行解釋。該現象是油氣構造中出現過剩壓力造成的。油氣在過剩壓力的作用下發生運移的過程中,過剩壓力的梯度與滲透率之比決定了運移方向。油氣在垂向過剩壓力梯度大的區域,運移方向可能為垂向;而當油氣在垂向過剩壓力梯度較小且儲層滲透率較好的區域,則會出現以水平運移方式為主的遷移過程。總之,油氣的運移都是受到過剩壓力差的影響,從高壓值區域向低壓值的方向運動。以陜甘寧盆地慶華地區的B6井區長3油層為例,盆地的油氣從四周的相對高壓值區向低壓值區運移,最終在低壓值區域形成了局部的油氣富集區。上述案例中,地殼同一深處的壓力值并不相等。這一現象產生的原因,可能正是由于地殼中存在的構造附加壓力(張力)。因此在研究油氣長距離水平運移的時候,構造附加靜水壓力可能是油氣運移富集的重要驅動力來源。

近年來有關剪切變形使頁巖物理性質(如溫度、壓力、氧化-還原條件、元素活度等物理化學條件)的改變,控制頁巖氣富集規律的研究成果,已經形成了構造改變巖石的物理特征-巖石的物理化學條件-油氣運移富集的思路和技術路線。

(7)煤變質大分子結構演化的構造物理化學研究

煤對溫度、壓力等地質環境因素的變化十分敏感,各類構造-熱事件會使煤發生物理、化學、結構和構造等變化,如構造運動能夠破壞煤的結構,形成各類構造煤,從而影響到煤層氣的產生,增加瓦斯突出危險性,是制約煤炭和煤層氣資源開采和生產安全的重要問題。

曹代勇等人的研究顯示,構造動力變形不僅是一種物理作用,同時也起著化學作用,促進了煤大分子結構變化,揭示了構造應力,特別是剪切應力所導致的煤結構裂解、聚合、異構、芳構等化學效應。在此基礎上,提出了應力降解和應力縮聚兩種機制,強調了構造應力在煤化作用中的“催化”意義。未來,定量化測試由構造應力產生的溫度、壓力和其他物理化學條件變化引起的各類效應,將是煤變形-變質化學作用的研究方向。

(8)地熱田分布與發育過程的構造物理化學研究

以陸內構造體系研究成果為基礎,把應變應力規律的研究方法,用于研究地熱的構造物理化學分布規律。

新華夏構造體系發育NWW 300°方向(長江式構造)橫張構造,其控制了中國東部兩條巨大地熱溫泉分布帶。實際上,這一重要方向的斷裂帶,基本上是地幔隆起帶切地殼的深斷裂,是中新生代以來的構造巖漿巖帶,是新構造的活動帶。新華夏構造體系的分布和演化研究,將會對中新生代資源、環境和地震災害的控制影響作用具有巨大的推動力。

西藏地熱研究發現,地熱分布帶受NNE30°方向構造控制。根據西藏反S形弧形構造體系分析,認為該組控制地熱的NNE30°方向構造是一組張性構造,為西藏S形壓扭性構造帶的橫張斷裂。

(9)地球物理的構造巖相勘查

地球物理探測和深部鉆探結果表明,地殼物質成分和結構隨深度變化很大,地表地質圖不能代替深部地質體特征,地球物理異常圖不等同地質圖。而礦床地質的復雜性及成礦類型多樣性,嚴重制約了深部預測參數的準確和數學模型的有效性。需要加強構造變形巖相帶為基礎的綜合研究,包括地質模型、巖石礦石的物性參數和數學模型等方面的綜合研究,才能推進和提高地球物理勘查的有效性和精確性。

近些年來,綜合發展“地物化三場異常耦合”理論和方法,提出了“構造巖相帶為基礎的地球物理勘查分類”,將“構造變形巖相帶”作為物探目標體,實測和實驗確立構造蝕變巖相獨立的物性參數,依此提高了地球物理勘探的成礦預測能力。

研究強調,構造變形變質的巖石物性和地球物理勘查要依賴地質工作:(a)確定目標的地質研究比例尺,再選擇適用的物探方法組合和精度。由于地質體物質成分和結構構造研究的精細程度,已經遠高于地球物理勘查,地質勘探的要求決定了地球物理方法和工作設計;(b)研究構造應力和應變狀態,分析礦區擠壓帶導礦和引張帶富礦的規律,注重張性蝕變相巖石的物理參數和勘查信息研究,提高預測勘查效果;(c)地震勘探是識別不同地質體界面的最好方法。從分析地震相特征入手,建立構造巖相帶的判別標志,乃是深部資源和地震災害勘探的有效途徑。

(10)構造蝕變巖相的地球化學勘查

馬生明等在海量的化探資料基礎上,結合構造變形巖相地質填圖開展焦家金礦區勘查地球化學研究。這一工作將推進地質認識達到勘查地球化學的量化階段,是區域地質找礦新的探索。

焦家式金礦屬于復成構造蝕變巖型金礦,礦床的形成受初始礦源巖、直接礦源巖的聯合控制。礦源巖系研究顯示,變質巖與交代重融成礦花崗巖,在元素成分上有明顯的區別。而構造蝕變巖是花崗巖經歷構造蝕變后形成的,巖石的化學成分與原巖相比發生較大變化,這就為地球化學勘查提供了應用前提和條件。

(11)陸內巖漿核雜巖隆起-拆離構造的特征

膠東地區發育卵狀或穹窿狀成礦花崗雜巖體,稱為“巖漿核雜巖隆起構造”。膠東巖漿核雜巖穹窿構造組合非常典型,金礦受控于“巖漿核雜巖隆起-拆離構造作用”。“巖漿核雜巖隆起”構造在中國復合大陸中可能較普遍發育,在中新生代并不發育變質核雜巖構造。膠東“巖漿核雜巖隆起-拆離帶蝕變巖金礦床”,在全球已知金礦床類型中是獨特的。

(12)構造體系的“米字型”結構面特征

新華夏系“米字型”構造,由NNE 25°方向擠壓斷裂和褶皺帶、NNW 345°方向(大義山式)張扭斷裂、NEE 75°方向(泰山式)壓扭構造和NWW 300°方向(長江式)的橫張構造組成。其演化經歷了共軛剪切構造、擠壓構造和張性剪切構造三個階段。“米字型”構造樣式的識別,為研究構造體系的應力-應變成因,探討構造體系的形成演化提供了新的研究思路。

① 共軛構造階段:發育NNW 340°方向(大義山式)張扭斷裂和NEE 75°方向(泰山式)壓扭構造,控制基性-中性脈巖及相關金屬礦產形成。

② 擠壓構造階段:發育NNE 25°方向的褶皺-斷裂帶和隆起-沉降帶,組成構造體系的主體,對于油氣、煤炭和鈾鋁等沉積型礦床具有重要的控制作用。

③ 橫張構造階段:發育NWW 300°方向(長江式)的張裂構造。它們強烈改造了地區構造格局,發育有大規模的張扭性斷裂構造帶,控制形成了重要的與巖漿巖有關的多種金屬礦床、礦帶,并且進一步造成大型地塊的移位變動,對于研究區域地殼穩定、分析地震活動、探尋地熱資源等方面都有現實意義。

4 結語

“構造作用力如何影響化學平衡”依然是個難題,地質學家們從不同角度對這一科學問題進行了廣泛的研究。從20世紀80年代起,呂古賢等開展地質力學礦田構造研究,注重以構造應力場的數學力學研究為起點,提出了“構造附加靜水壓力”的新概念,逐步興起、發展成為構造物理化學的新學科研究領域。近幾年,在煤田地質、油氣田構造、水巖系統實驗、物探和化探勘查、成巖成礦熱力學、地熱和巖漿巖構造等方面,應用、推廣和發展了構造物理化學理論方法,并產生了重要的學術影響。

構造物理化學是李四光地質力學理論的新發展,是楊開慶構造動力成巖成礦理論的繼承和發展。近四十多年來,構造物理化學的研究和實踐得到郭文魁、宋叔和、孫殿卿、陳慶宣、陳國達、涂光熾、曹國權、劉寶珺、張炳熹、董申保、沈其韓、張本仁、馬宗晉、歐陽自遠、翟裕生、李廷棟、葉大年、常印佛、任紀舜、裴榮富、何繼善、古德生、岳光溪、歐陽曉平、邱愛慈、李焯芬、張鐵崗、郭仁忠、多吉、王雙明和毛景文等院士的鼎力支持與熱情幫助。近20年期間,劉瑞珣、王方正、胡寶群、郭濤、張寶林、王宗秀、王紅才、周永勝、曹代勇、許德如、劉建朝、楊興科、方維萱、韓潤生、王翠芝、劉建民、焦建剛、申玉科、韋昌山、馬立成、劉向沖、劉貴和馬越等,協同開展了大量的研究工作,還有30多名博士研究生和碩士研究生參加了野外地質、室內測試和實驗研究,在此表示衷心的謝意。