黑慧欣，羅照華，Vikentyev I V ，郭 晶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;

2.Institute of Geology of Ore Deposits，Petrography，Mineralogy and Geochemistry of Russian Academy of Sciences(IGEM RAS)，Moscow 119017，Russia)

0 引言

傳統(tǒng)上，礦田構(gòu)造 (ore-field structure)被認(rèn)為是區(qū)域構(gòu)造的衍生物或次級(jí)構(gòu)造。因此，常有研究者根據(jù)礦田構(gòu)造特征反演區(qū)域構(gòu)造。由于礦田范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造大多為張性斷裂，通常認(rèn)為成礦作用發(fā)生在伸展構(gòu)造環(huán)境中。即使認(rèn)識(shí)到礦床形成于擠壓構(gòu)造環(huán)境，也往往解釋為局部伸展或擠壓向伸展的轉(zhuǎn)換。近年來，學(xué)者們注意到礦田構(gòu)造的局限性，開始研究成礦構(gòu)造和構(gòu)造系統(tǒng)的問題［1］。由此，礦田構(gòu)造學(xué)研究被引向了不同尺度構(gòu)造活動(dòng)的成礦約束機(jī)制和動(dòng)力體制。盡管如此，低級(jí)次構(gòu)造變形依然被看作是高級(jí)次構(gòu)造變形的自然衍生物。翟裕生等［2］提出，構(gòu)造動(dòng)力體制轉(zhuǎn)換無論從空間上還是從時(shí)間上都是一種普遍發(fā)生的地質(zhì)現(xiàn)象，它控制了成巖成礦的過程，是一種重要的地質(zhì)現(xiàn)象。因此，理解構(gòu)造動(dòng)力體制轉(zhuǎn)換的深層原因成為礦田構(gòu)造學(xué)研究的重要任務(wù)。

基于地球是一個(gè)復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)［3］的概念，本文提出構(gòu)造系統(tǒng)也是一種復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)，空間尺度上可以從極大到極小，時(shí)間尺度上可以從極長到極短。因此，構(gòu)造系統(tǒng)也具有多重分支現(xiàn)象，礦田構(gòu)造系統(tǒng)僅僅是整個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分。於崇文［3］認(rèn)為，復(fù)雜性系統(tǒng)中新鮮事物的出現(xiàn)是子系統(tǒng)之間發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的結(jié)果，而不是某個(gè)子系統(tǒng)演化的自然衍生物。從能量的角度來說，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是以能量消耗為代價(jià)的。在沒有外部能量補(bǔ)給的條件下，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)將會(huì)減速、直到停止。以侵位到地殼淺部的巖漿侵入體為例，巖漿與圍巖熱交換的結(jié)果是巖漿逐漸冷卻、結(jié)晶和固結(jié)。盡管結(jié)晶潛熱的釋放可以延緩巖漿的固結(jié)進(jìn)程，巖漿終究難以逃脫固結(jié)成“冰冷”巖石的結(jié)局。同樣，要使構(gòu)造系統(tǒng)的演化改變?cè)械难莼窂剑捅仨氂型獠磕芰枯斎?。根?jù)這種分析，構(gòu)造動(dòng)力體制的轉(zhuǎn)換應(yīng)當(dāng)涉及另一種動(dòng)力體制的效應(yīng)。對(duì)于巖漿成礦系統(tǒng)來說，這種動(dòng)力體制很可能來自系統(tǒng)本身。

根據(jù)透巖漿流體成礦理論，巖漿是含礦流體的通道而不是其初始來源［4～5］。由于流體的輸入可以大幅降低巖漿的黏度，并因此大幅提高巖漿的上升速度，含礦流體的輸入將強(qiáng)烈改變巖漿系統(tǒng)的行為。據(jù)此，引入了透巖漿流體的概念，不僅強(qiáng)調(diào)含礦流體的外來(exogenous)屬性，更強(qiáng)調(diào)流體輸入導(dǎo)致的巖漿系統(tǒng)行為非線性變化。這種非線性變化可看作是產(chǎn)生礦田構(gòu)造的根本原因。因此，本文的目的在于分析巖漿成礦系統(tǒng)與構(gòu)造系統(tǒng)的相互作用，進(jìn)而探討其產(chǎn)物礦田構(gòu)造的基本特征和控礦作用。

1 近場應(yīng)力場與遠(yuǎn)場應(yīng)力場

盡管大洋板塊持續(xù)向大陸或島弧俯沖，巖漿活動(dòng)和成礦作用卻是幕式的;盡管地幔柱持續(xù)對(duì)巖石圈發(fā)生作用，洋島卻是斷續(xù)延伸的;盡管一個(gè)構(gòu)造巖漿帶是連續(xù)延伸的，礦田的分布卻是斷續(xù)的。所有類似的現(xiàn)象都表明，我們經(jīng)常談?wù)摰臉?gòu)造系統(tǒng)不是單獨(dú)發(fā)生作用，必然有另外的構(gòu)造系統(tǒng)與其發(fā)生強(qiáng)烈相互作用才導(dǎo)致了新構(gòu)造系統(tǒng)的誕生。對(duì)于內(nèi)生金屬礦田構(gòu)造系統(tǒng)來說，最常見能夠發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的構(gòu)造系統(tǒng)是取決于遠(yuǎn)場應(yīng)力場 (far-field stress field)的構(gòu)造系統(tǒng)和取決于近場應(yīng)力場 (near-field stress field)的構(gòu)造系統(tǒng)。

1.1 遠(yuǎn)場應(yīng)力場

遠(yuǎn)場應(yīng)力場系指受影響塊體邊界為無限的應(yīng)力場。在這種情況下，作用力可以理解為發(fā)自所設(shè)想的任何遠(yuǎn)處，其影響范圍無限廣闊，但難以確認(rèn)是否真的發(fā)自那里。例如，板塊構(gòu)造力曾經(jīng)被認(rèn)為來自大洋擴(kuò)張中心，卻得不到有力的證明;地幔柱構(gòu)造力被認(rèn)為發(fā)自核幔邊界，但也存在不同的解釋。然而，對(duì)于礦田構(gòu)造所研究的地域來說，構(gòu)造力的發(fā)源地已不再重要，重要的是這種構(gòu)造力對(duì)所研究地域的作用方式和塊體對(duì)其響應(yīng)方式，以及最終產(chǎn)物的控礦能力。因此，遠(yuǎn)場應(yīng)力場是礦田構(gòu)造發(fā)生的背景條件，而不是觸發(fā)機(jī)制。

板塊構(gòu)造理論誕生之后，通常認(rèn)為地下水平壓應(yīng)力總是大于垂直壓應(yīng)力［6］。因此，遠(yuǎn)場應(yīng)力場體制下構(gòu)造變形機(jī)制的討論一般假定主應(yīng)力 (σ1)分布在水平方向上 (見圖1A)，幾乎不考慮垂直應(yīng)力的作用。即使考慮，在許多情況下也認(rèn)為這種垂直應(yīng)力是水平派生的結(jié)果，如關(guān)于弧后盆地的形成機(jī)制。在這種條件下，塊體對(duì)遠(yuǎn)場應(yīng)力場的斷裂變形響應(yīng)可以簡化為3種樣式:逆斷層 (見圖1A-a)、正斷層 (見圖1A-b)和平移斷層 (見圖1A-c)。在非均一介質(zhì)條件下，遠(yuǎn)場應(yīng)力場可遭受局部邊界條件的限定，因而表現(xiàn)出變形樣式的多樣性。因此，這種局部變形可以看作是區(qū)域變形的自然衍生，而不是一種獨(dú)立的構(gòu)造現(xiàn)象。

1.2 近場應(yīng)力場

近場應(yīng)力場系指受影響塊體的邊界為有限的應(yīng)力場，或者說固定邊界的應(yīng)力場 (見圖1B)。在這種情況下，作用力的影響范圍有限，主應(yīng)力 (σ1)通常分布在豎直方向上，而σ2和σ3分布在水平方向上。近場應(yīng)力場作用范圍的有限性非常類似于遠(yuǎn)場應(yīng)力場中的局部應(yīng)力場。但是，近場應(yīng)力場具有獨(dú)立的構(gòu)造力來源，且其構(gòu)造效應(yīng)與作用力大小、應(yīng)力作用速率、巖石應(yīng)變速率、巖石抗拉強(qiáng)度和至應(yīng)力作用點(diǎn)o的距離等因素有關(guān) (見圖1B-a)，具有明顯的三維不均一性。

圖1 遠(yuǎn)場應(yīng)力場和近場應(yīng)力場變形樣式Fig.1 Deformation style of far-field stress field(A)and near-field stress field(B)

在其他因素不變的條件下，作用力大小決定了巖石的破裂和破裂程度。近場應(yīng)力場的作用力首先用于抵消遠(yuǎn)場應(yīng)力場的作用，然后才用于克服巖石的抗拉強(qiáng)度。因此，作用力必須達(dá)到克服巖石抗拉強(qiáng)度和遠(yuǎn)場應(yīng)力場的水平，否則近場應(yīng)力場就不起作用。作用力的大小也常與作用速率緊密相關(guān)。例如，較快速運(yùn)動(dòng)的物體對(duì)另一個(gè)物體的破壞能力會(huì)更強(qiáng)，較高的作用速率也使作用力更好地聚焦。如圖1B-a所示，給定應(yīng)力作用焦點(diǎn)o且塊體邊界固定，極端高速率的作用力將聚焦在一條中心線上。隨著作用速率的降低，作用力將相對(duì)于該中心線向四周彌散，產(chǎn)生一個(gè)頂角大小與作用速率反相關(guān)的倒置圓錐體，其頂角最大為2β。換句話說，近場應(yīng)力影響的范圍局限于頂角為2β的圓錐體范圍內(nèi)。同樣，作用力的大小也與至o點(diǎn)的距離反相關(guān)。因此，塊體受影響的強(qiáng)度將隨α角的增大而減弱，隨至o點(diǎn)距離的縮短而增強(qiáng)。假定圓錐頂角為2α?xí)r是塊體巖石響應(yīng)作用力的極限，則頂角小于2α的圓錐體內(nèi)的巖石將不規(guī)則破碎，可稱其為脆碎構(gòu)造［5］;當(dāng)圓錐頂角大于2α?xí)r，塊體巖石對(duì)作用力的響應(yīng)能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為構(gòu)造裂隙的規(guī)則分布。

需要注意的是，受力塊體的上邊界可能是自由邊界 (如地表面)。當(dāng)作用力足夠強(qiáng)大時(shí)，受力塊體將發(fā)生破裂并被切割成多個(gè)巖片 (見圖1B)。這時(shí)，所有的巖片將被向上頂起，且其向上位移的距離與巖片中心至應(yīng)力中心的距離成正比 (見圖1B-b)。由于塊體邊界固定，巖片之間的接觸界面具有逆斷層的性質(zhì)。然而，巖片之間卻是沿垂直方向拉開的，斷層結(jié)構(gòu)面和斷層角礫巖卻具有張性斷層的特征，與遠(yuǎn)場應(yīng)力場作用下的正斷層截然不同。因此，這樣的斷層被稱為張性逆斷層［5］。相反，隨著作用力強(qiáng)度的衰減，近中心巖片的沉降幅度將大于靠近邊緣的相鄰巖片，具有正斷層的性質(zhì)。然而，它卻對(duì)相鄰巖片造成擠壓，結(jié)構(gòu)面和斷層角礫巖表現(xiàn)出壓性斷層的特征 (見圖1B-c)，這樣的斷層稱為壓性正斷層［5］。

近場應(yīng)力場作用的時(shí)間尺度也非常有限，因而其主應(yīng)力數(shù)值強(qiáng)烈變化，從σ1?σ2=σ3到σ1?σ2=σ3。這可能主要與近場應(yīng)力場的能量支撐系統(tǒng)有關(guān)。支撐能量充足時(shí)，近場應(yīng)力可以克服遠(yuǎn)場應(yīng)力和巖石的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致受力巖塊破裂;支撐能量衰竭時(shí)，遠(yuǎn)場應(yīng)力場逐漸發(fā)揮作用，即使遠(yuǎn)場應(yīng)力場的水平應(yīng)力為零，重力也會(huì)發(fā)生作用。

由上述分析可見，近場應(yīng)力場具有完全不同于遠(yuǎn)場應(yīng)力場的特征，它具有獨(dú)立的能量支撐系統(tǒng)、存活時(shí)間尺度、構(gòu)造變形樣式、有限作用范圍，等等。因此，近場應(yīng)力場不是遠(yuǎn)場應(yīng)力場派生或轉(zhuǎn)換的產(chǎn)物。但是，遠(yuǎn)場應(yīng)力場對(duì)近場應(yīng)力場具有重要的控制作用。因此，重新認(rèn)識(shí)近場應(yīng)力場的特點(diǎn)、形成機(jī)制及其對(duì)成礦作用的約束是我們面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 巖漿成礦系統(tǒng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)

首先需要闡明巖漿成礦系統(tǒng)的特征。翟裕生［7］指出:“成礦系統(tǒng)是指在一定的時(shí)-空域中，控制成礦形成和保存的全部地質(zhì)要素和成礦作用動(dòng)力過程，以及所形成的礦床系列、異常系列構(gòu)成的整體，是具有成礦功能的一個(gè)自然系統(tǒng)?！币虼耍傻V系統(tǒng)的概念包含了成礦環(huán)境、控礦要素、成礦過程、礦床系列與地質(zhì)異常系列以及成礦后的變化與保存等5個(gè)方面［8］。這樣的論述非常全面，展示了成礦系統(tǒng)的全貌，適用于所有類型的成礦系統(tǒng)。但是，在成礦系統(tǒng)演化的不同階段起主要控制作用的地質(zhì)因素有所不同，對(duì)于具體的成礦系統(tǒng)來說，要求確定其核心組成，而其他組成看作是對(duì)系統(tǒng)演化的約束機(jī)制。因此，本文基于復(fù)雜系統(tǒng)的基本原理［3］，將巖漿成礦系統(tǒng)看作是一種復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)，其核心是流體子系統(tǒng)和熔體子系統(tǒng)，而其他地質(zhì)因素都是該系統(tǒng)演化的邊界條件。

2.1 透巖漿流體與巖漿成礦系統(tǒng)的復(fù)雜性

綜觀有關(guān)巖漿活動(dòng)與成礦作用關(guān)系的論述，發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系在流行的內(nèi)生金屬成礦理論中缺少某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，重新審視巖漿活動(dòng)與成礦作用的內(nèi)在聯(lián)系成為必需。由于成礦作用的基本解是成礦金屬從流體中析出、內(nèi)生金屬礦區(qū)常見大量火成巖、同位素示蹤顯示含礦流體主要為巖漿流體，礦床學(xué)家認(rèn)為含礦流體產(chǎn)生于巖漿分異作用，特別是分離結(jié)晶作用。然而，一方面成礦作用要求有巨量流體 (因?yàn)榱黧w中成礦金屬的溶解度很低)，另一方面天然巖漿含有很少的揮發(fā)分，這樣的認(rèn)識(shí)可能值得商榷。此外，所有的巖漿都可能發(fā)生分異作用，絕大部分巖漿侵入體卻不致礦;巖漿體積越大，產(chǎn)生的殘余流體就越多，大型礦床卻往往與小巖體有關(guān)［9］。由此，巖漿熱液成礦理論陷入了矛盾的循環(huán)，因此說該理論存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性缺陷［10］。

然而，這種缺陷的根源卻存在于火成巖理論中。傳統(tǒng)火成巖理論假定巖漿起源于含水礦物的脫水熔融，因而低溫巖漿比高溫巖漿含有更多的流體?；谶@種概念以及源區(qū)貧揮發(fā)分的假定，巖漿被認(rèn)為是流體不飽和系統(tǒng)，一般認(rèn)為含有約4%的H2O［11］。因此，巖漿被定義為 “naturally occurring mobile rock material，generated within the Earth and capable of intrusion and extrusion，from which igneous rocks are thought to have been derived through solidification and related processes.It may or may not contain suspended solid(such as crystals and rock fragments)and/or gas phases.”［12］?？赡苷沁@種 “may or may not”，導(dǎo)致學(xué)術(shù)界往往將巖漿理解為“vats of near-liquidus material”［13］甚至熔體 (即巖漿=熔體)。這樣的定義存在嚴(yán)重的隱患，后者可以從巖漿上升能力的討論中反映出來。從熱力學(xué)角度來說，富水巖漿 (低溫巖漿)離固相線很近，應(yīng)當(dāng)沒有上升潛力;相反，貧水巖漿離固相線很遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的上升潛力。然而，從流變學(xué)的角度來說，巖漿上升能力的大小主要取決于其密度和黏度。由于黏度與揮發(fā)分含量反相關(guān)，可以得出推論:富水巖漿具有很強(qiáng)的上升潛力，而貧水巖漿具有很弱的上升潛力。這樣，對(duì)于同一個(gè)巖漿體的上升能力，從熱力學(xué)和流變學(xué)兩個(gè)角度得出了完全相反的結(jié)論，因而可以認(rèn)為巖漿的定義或理解存在問題。

實(shí)際觀察表明，高溫巖漿具有更強(qiáng)的上升能力，常形成火山巖 (如流紋巖)和淺成—超淺成侵入巖 (如花崗斑巖)，而低溫巖漿常形成深成巖 (如花崗巖)。火山噴氣作用的規(guī)模和強(qiáng)度使人相信，高溫巖漿并不是貧揮發(fā)分巖漿，因而與火成巖理論的基礎(chǔ)發(fā)生了矛盾。為了解決這個(gè)矛盾，合理的解釋之一是高溫巖漿中的流體主要來自巖漿系統(tǒng)之外，而不是巖漿體自身分異作用的產(chǎn)物。據(jù)此，巖漿系統(tǒng)必然有外來流體 (exogenous fluid)的注入，且這種外來流體必然來自地球深部。由于流體中成礦金屬的溶解度與溫度和壓力正相關(guān)，這樣的深部流體也必然是含礦流體。因此，巖漿被重新定義為至少由熔體、固體和流體等3個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)［4～5，14］。國外學(xué)者也注意到了巖漿定義的問題［13，15］，將巖漿定義為“Material with a high enough proportion of silicate liquid(typically＞40～50%)to be mobile;usually contains crystals and may contain gas bubbles(which are critical to supereruptions!)”［15］。

需要注意的是，盡管許多學(xué)者注意到巖漿中外來流體的存在，卻沒有進(jìn)一步理解這種外來流體輸入的物理意義。Bachmann等［16］首先注意到外來流體的傳熱重要性，提出來自底侵鎂鐵質(zhì)巖漿分異作用的“mafic wind”可以大大改善凍結(jié)巖漿房的活化條件。然而，外來流體的輸入不僅可以改善傳熱條件 (conduction轉(zhuǎn)變?yōu)樾矢叩腶dvection)，流體本身也可降低凍結(jié)巖漿的黏度，還可以攜帶豐富的成礦金屬［17］。例如，實(shí)驗(yàn)表明，在800℃條件下向干的鋁質(zhì)花崗巖熔體加入2%的H2O，可導(dǎo)致其黏度下降6個(gè)數(shù)量級(jí)［18］，巖漿上升速率可相應(yīng)增加6個(gè)數(shù)量級(jí)［5］?？梢?，外來流體的輸入對(duì)巖漿系統(tǒng)同時(shí)具有熱、化學(xué)和物理效應(yīng)。為了同時(shí)強(qiáng)調(diào)這3種效應(yīng)，引入了Korzhinskii［19］提出的透巖漿流體假說，但不再強(qiáng)調(diào)流體的殼下屬性或地幔屬性［20］，而是強(qiáng)調(diào)來自深部、非直接巖漿侵入體分異產(chǎn)生的流體［5］。

綜上所述，黏度是巖漿上升能力的決定性因素，而揮發(fā)分含量又是黏度變化的決定性因素。例如，花崗質(zhì)熔體中加入2%H2O的黏度效應(yīng)相當(dāng)于同樣溫度 (如800℃)條件下升溫400℃的黏度效應(yīng)［18］?？梢姡傻V系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力是流體而不是巖漿，成礦系統(tǒng)是流體驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)。

2.2 透巖漿流體的構(gòu)造效應(yīng)

眾所周知，流體不僅可以改變巖石的力學(xué)性質(zhì) (如減小摩擦力)，而且可以改變巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這又反過來自組織地進(jìn)一步改變巖石的力學(xué)性質(zhì)。這種力學(xué)反饋是重要的，但不是本文研究的內(nèi)容。本文要強(qiáng)調(diào)的僅僅在于，由于透巖漿流體作用大幅降低巖漿的黏度，以及進(jìn)而觸發(fā)巖漿體向上高速遷移，巖漿體必然對(duì)屏蔽介質(zhì)造成強(qiáng)有力的沖擊作用，從而導(dǎo)致后者的構(gòu)造變形。

巖漿成礦系統(tǒng)包含必須整合解釋的6大矛盾，其中“通與堵”矛盾的解決至關(guān)重要。由于巖漿中流體的溶解度和流體中成礦金屬的溶解度與壓力的強(qiáng)烈依賴關(guān)系，巖漿必須快速上升才具有較大的成礦潛力。為了滿足致礦巖漿的快速上升，就必須有良好的構(gòu)造通道。但是，有了良好的構(gòu)造通道就有可能造成火山噴發(fā) (見圖2)，從而導(dǎo)致成礦物質(zhì)的散失。因此，除了良好的構(gòu)造通道之外，大規(guī)模成礦作用還要求有效的屏蔽介質(zhì)。

據(jù)此，巖漿成礦系統(tǒng)具有復(fù)雜多變的時(shí)空結(jié)構(gòu)。如圖2所示，假定一個(gè)在源區(qū)分凝產(chǎn)生的巖漿體因重力不穩(wěn)定而上升，理想狀態(tài)下其運(yùn)動(dòng)軌跡如虛線所示。換句話說，假定所有控制巖漿向上運(yùn)動(dòng)的參數(shù)固定不變，巖漿系統(tǒng)將是一個(gè)理想系統(tǒng)，其隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)是可預(yù)測(cè)的。但是，如果在其運(yùn)動(dòng)路徑的某個(gè)位置發(fā)生了含礦流體的輸入，由于流體強(qiáng)烈改變巖漿的黏度，因而也強(qiáng)烈改變巖漿的運(yùn)動(dòng)速率，巖漿將突然變成高速運(yùn)動(dòng)的熔體-流體流，而不再是普通意義上的巖漿。因此，這樣的低黏度巖漿將迅速到達(dá)地殼淺部或噴出地表。為了滿足巖漿快速上升的要求，必須有良好的構(gòu)造通道。這種通道可能是先存的構(gòu)造裂隙，也可以是巖漿成礦系統(tǒng)演化過程中產(chǎn)生的自生長裂隙。

圖2 巖漿成礦系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 The trajectory of magmatic metallogenic system

在噴出地表的情況下，含礦流體將以火山噴氣的方式散失 (見圖2)，不是本文討論的范圍。因此，地殼淺部必須存在某種屏蔽介質(zhì)，才能有效圈閉含礦流體，卸載更多的成礦金屬。這時(shí)，一方面高速運(yùn)動(dòng)的巖漿可對(duì)屏蔽層造成強(qiáng)烈的沖擊作用，另一方面流體相分離導(dǎo)致的氣體膨脹進(jìn)一步加劇這種沖擊作用。由此，巖漿成礦系統(tǒng)的演化自組織地產(chǎn)生了一種近場應(yīng)力場，它與遠(yuǎn)場應(yīng)力場的強(qiáng)烈相互作用導(dǎo)致了礦田構(gòu)造的產(chǎn)生。

如上所述，在近場應(yīng)力場足夠強(qiáng)大的情況下，遠(yuǎn)場應(yīng)力場的作用可以忽略 (見圖1B)。一方面，由于屏蔽層的圍壓隨深度減小，另一方面，由于深部物質(zhì)加入和氣體膨脹導(dǎo)致塊體體積增加，巖漿-屏蔽層強(qiáng)相互作用期間將導(dǎo)致錐狀裂隙和放射狀裂隙的產(chǎn)生。這時(shí)，盡管斷層上盤相對(duì)于下盤上升，斷層結(jié)構(gòu)面和斷層角礫巖卻具有拉張成因的性質(zhì)，稱為張性逆斷層 (見圖1B-b)。相反，如果巖漿成礦系統(tǒng)的內(nèi)壓力降低，先前被“頂起”的上盤巖塊就會(huì)下降，并造成對(duì)下盤巖塊的擠壓。這時(shí)，斷層結(jié)構(gòu)面和斷層角礫巖將具有擠壓成因的性質(zhì)，稱為壓性正斷層 (見圖1B-c)。特別是，如果巖漿侵位足夠淺，氣體排空后有可能導(dǎo)致巖漿房頂板塌陷，形成環(huán)狀裂隙 (見圖1B-a)。

非均一介質(zhì)條件下，構(gòu)造變形會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。以具有先存裂隙的單層屏蔽介質(zhì)為例，先存裂隙將會(huì)優(yōu)先開啟，釋放巖漿成礦系統(tǒng)因快速運(yùn)動(dòng)派生的構(gòu)造力。只有先存裂隙不足以釋放這種構(gòu)造力時(shí)，才產(chǎn)生自生長裂隙。因此，自然系統(tǒng)中礦田構(gòu)造的組合樣式要復(fù)雜得多，屏蔽介質(zhì)同時(shí)存在橫向不均一性和縱向不均一性時(shí)尤其如此。在橫向不均一的條件下，礦田范圍內(nèi)可以出現(xiàn)多個(gè)副中心，類似于一個(gè)巨型火山有多個(gè)寄生火山，因而一個(gè)礦田內(nèi)不止有一個(gè)礦床，也不止有一種礦床。在縱向不均一的情況下，如果近場應(yīng)力場作用的速率足夠高，則與均一介質(zhì)條件沒有區(qū)別;但是，如果作用速率較低，某些高應(yīng)變速率的巖石單元就有可能捕獲巖脈和礦脈。

另一方面，流體的一個(gè)重要特征是低壓下的相分離，產(chǎn)生蒸氣、水流體和高鹽流體。蒸氣具有極大的活動(dòng)性和膨脹能力，即使屏蔽層中有微細(xì)的裂隙，也可以成為蒸氣逃逸的通道。因此，當(dāng)相分離產(chǎn)生的氣體膨脹時(shí)，巖漿成礦系統(tǒng)中的內(nèi)壓力不斷增加，快速接近系統(tǒng)的靜巖壓力 (見圖3a)。一旦達(dá)到可克服靜巖壓力和上覆屏蔽層抗拉強(qiáng)度的水平，屏蔽介質(zhì)中就會(huì)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致3種流體 (特別是蒸氣)的流失。然而，這3種流體都溶解有一定數(shù)量的溶質(zhì)，它們?cè)谔右葸^程中將卸載部分被溶解物質(zhì)，從而造成通道的堵塞。結(jié)果，巖漿成礦系統(tǒng)的內(nèi)壓力持續(xù)增加，產(chǎn)生流體超壓 (見圖3a)，直到屏蔽介質(zhì)再次破裂。只要有含礦流體繼續(xù)存在，這樣的過程就會(huì)反復(fù)發(fā)生。值得注意的是，流體壓力的增加也導(dǎo)致晶體的溶解，這個(gè)過程也會(huì)導(dǎo)致礦石礦物的反復(fù)溶解和生長。因此，巖漿成礦系統(tǒng)的成礦作用呈脈動(dòng)式發(fā)生和停頓 (見圖2)，造成多期次成礦作用的假象。氣體膨脹也會(huì)對(duì)上升的熔體-流體流施以反作用力，使其上升速度減緩或停止上升，因而成巖過程也是脈動(dòng)式的，常形成復(fù)式小巖體。從這個(gè)角度來說，前人關(guān)于復(fù)式小巖體成礦的論述［9］可以得到合理解釋。

圖3 透巖漿流體成礦系統(tǒng)中屏蔽介質(zhì)的變形機(jī)制［22］Fig.3 Deformation mechanism of the shielding material of transmagmatic fluid metallogenic system

此外，自然系統(tǒng)的作用特征與圖1B展示的明顯不同，作用力并不會(huì)聚焦于一個(gè)點(diǎn)上，而是有一定的作用域。這時(shí)，所產(chǎn)生的裂隙構(gòu)造可能更象圖3b那樣展布。由于近場應(yīng)力場以主應(yīng)力分布在豎直方向?yàn)樘卣?，所形成的?gòu)造裂隙通常顯示延深大于延長。如果這些裂隙被礦體充填，則礦體也具有延深大于延長的特點(diǎn)。值得注意的是，所產(chǎn)生的裂隙全部組裝成Riedel剪切隊(duì)列，裂隙的組合樣式具有自相似結(jié)構(gòu)［22］，對(duì)于指導(dǎo)深部找礦具有重要意義。換句話說，一旦厘清淺部的礦體空間展布樣式，就有可能預(yù)測(cè)深部礦體的埋藏位置。而這正是當(dāng)前深部找礦預(yù)測(cè)的難點(diǎn)，值得深入研究。

2.3 遠(yuǎn)場應(yīng)力場的控制作用

在透巖漿流體成礦理論的框架下，近場應(yīng)力場不是遠(yuǎn)場應(yīng)力場派生的產(chǎn)物，而是系統(tǒng)自組織演化的產(chǎn)物。巖漿成礦系統(tǒng)產(chǎn)生了2種力:高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撞擊力和相分離導(dǎo)致的氣體膨脹力。這2種力都不是遠(yuǎn)場應(yīng)力場的自然衍生物，但礦田構(gòu)造并非與遠(yuǎn)場應(yīng)力場無關(guān)，因?yàn)檫h(yuǎn)場應(yīng)力場對(duì)這2種力有重要的控制作用。

成礦作用的時(shí)間尺度短，是地質(zhì)時(shí)間尺度上的瞬時(shí)過程，具有典型的事件性質(zhì)。例如，巴布亞新幾內(nèi)亞Lihir島Ladolam金礦的研究表明，該超大型金礦 (1300 t Au)的形成可能僅需要約55000 a［23］。因此，巖漿成礦系統(tǒng)派生的近場應(yīng)力場也不可能長期維持。一旦近場應(yīng)力場停止發(fā)揮作用或者其作用減弱，遠(yuǎn)場應(yīng)力場就重新取得主導(dǎo)權(quán)。因此，文獻(xiàn)中常說的成礦構(gòu)造環(huán)境大概指的就是遠(yuǎn)場應(yīng)力場發(fā)揮主導(dǎo)作用的構(gòu)造環(huán)境，不能依據(jù)近場應(yīng)力場分析得出的變形樣式進(jìn)行推導(dǎo)。換句話說，無論成礦作用發(fā)生在擠壓環(huán)境還是伸展環(huán)境，成礦期的構(gòu)造變形都是以拉張為主。但是，由于近場應(yīng)力場失去效力后遠(yuǎn)場應(yīng)力場立即發(fā)揮作用，遠(yuǎn)場應(yīng)力場對(duì)成礦作用也具有間接的控制作用。在擠壓環(huán)境中，遠(yuǎn)場應(yīng)力場可以使熔體-流體流通道更快速地關(guān)閉;而在伸展環(huán)境中，則會(huì)加速通道的開啟。

如前所述，當(dāng)近場應(yīng)力場足夠強(qiáng)大時(shí)，可以有效克服遠(yuǎn)場應(yīng)力場的作用。這時(shí)，屏蔽層中將出現(xiàn)錐狀和放射狀裂隙系統(tǒng) (見圖4)。隨著近場應(yīng)力場強(qiáng)度降低，遠(yuǎn)場應(yīng)力場的作用相應(yīng)增強(qiáng)。在這種情況下，即使不發(fā)生巖漿成礦系統(tǒng)的頂板塌陷，也有可能造成環(huán)狀裂隙。并且，構(gòu)造擠壓力還有可能導(dǎo)致殘余巖漿上侵，充填在各種類型的構(gòu)造裂隙中，特別是裂隙交匯部位。從這個(gè)角度，很容易理解巨型火山機(jī)構(gòu)中寄生火山口的不規(guī)則分布。因此，礦田構(gòu)造是近場應(yīng)力場與遠(yuǎn)場應(yīng)力場強(qiáng)烈相互作用的結(jié)果，是一種新生的構(gòu)造系統(tǒng)，而不是其中任何一種應(yīng)力場的獨(dú)立產(chǎn)物。

圖4 自然系統(tǒng)中的放射狀、錐狀和環(huán)狀構(gòu)造Fig.4 Radial，conical and annular structure in natural systems

由此可以推論，由于構(gòu)造系統(tǒng)的時(shí)間尺度變化極大，當(dāng)我們談?wù)摌?gòu)造系統(tǒng)對(duì)某些地質(zhì)子系統(tǒng)的控制作用時(shí)，所指的必然是時(shí)間尺度與其相應(yīng)的某種構(gòu)造系統(tǒng)，而不是整個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)。因此，對(duì)構(gòu)造系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行詳細(xì)研究是必要的。

3 礦田構(gòu)造的識(shí)別方法及應(yīng)用實(shí)例

礦田構(gòu)造學(xué)研究的難點(diǎn)之一是同成礦構(gòu)造形跡的識(shí)別。筆者以為，同成礦構(gòu)造系指那些在成礦期產(chǎn)生和活動(dòng)過的裂隙構(gòu)造，包括先存裂隙和自生長裂隙。由于成礦作用伴隨著巖漿活動(dòng)和流體活動(dòng)，巖脈和熱液脈可作為識(shí)別礦田構(gòu)造的重要標(biāo)志。根據(jù)上述基本原理，可以認(rèn)為脈體最密集、脈體延伸方向數(shù)最多的地域是近場應(yīng)力場的中心。由于近場應(yīng)力場的中心同時(shí)也是熔體-流體流上侵的中心和成礦中心，因而通過統(tǒng)計(jì)單位脈體密度和延伸方向密度，可以有效預(yù)測(cè)找礦靶區(qū)。

3.1 連通管模型

不管其具體特征如何，巖脈和熱液脈的識(shí)別首先涉及到形成期次劃分問題，因?yàn)閷W(xué)者們注意到一個(gè)地區(qū)常常有多期次的巖漿活動(dòng)和成礦活動(dòng)。

定性來說，這樣的認(rèn)識(shí)可能是正確的。但是，從定量 (或統(tǒng)計(jì)學(xué))的角度來說，這種認(rèn)識(shí)有待商榷。長英質(zhì)火成巖系統(tǒng)的研究表明，一個(gè)區(qū)域的所有巖漿系統(tǒng)都可能與同一個(gè)“熱帶”相連［24］;地幔柱理論認(rèn)為，典型柱頭的直徑可達(dá)2000～2500 km［25］，因而不同的鎂鐵質(zhì)巖漿系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與另一種“熱帶”相連;同樣，如果一個(gè)地區(qū)、一個(gè)成礦期次的含礦流體來自同一個(gè)深部流體富集帶［5］，不同的礦田也應(yīng)當(dāng)可以通過流體通道緊密相連。不管這些認(rèn)識(shí)是否完全符合自然情況，至少在地殼淺部所有的巖漿通道和流體通道都有可能相通。因此，同一構(gòu)造區(qū)不同地域巖漿或流體上升達(dá)到的水平高度可能大致相當(dāng)。區(qū)域成礦學(xué)的研究也可能支持這一認(rèn)識(shí)，因?yàn)榈V床學(xué)家發(fā)現(xiàn)礦床類型往往具有分區(qū)、分帶的特性。除了其他因素之外，假如這種分區(qū)和分帶主要是由于剝蝕程度造成，就可以用連通管模型來說明巖漿或流體上升高度的一致性。

因此，如果沒有后期構(gòu)造的強(qiáng)烈破壞，地表地形高差不是很大，就可以說一個(gè)地區(qū)出露的巖脈和熱液脈大致是同一期的。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來說，少量其他期次的產(chǎn)物不會(huì)影響總體結(jié)果。

3.2 找礦靶區(qū)評(píng)價(jià)方法

郭晶等［26］根據(jù)上述觀點(diǎn)提出了一種定量化找礦靶區(qū)評(píng)價(jià)方法:①利用現(xiàn)有的地質(zhì)圖，首先以某種手段或目估確定巖脈的分布密度，進(jìn)而確定統(tǒng)計(jì)單位的面積;②以該單位面積為基礎(chǔ)進(jìn)行研究區(qū)網(wǎng)格化，對(duì)包含在每個(gè)單位面積內(nèi)的巖脈進(jìn)行計(jì)數(shù)，并標(biāo)注在網(wǎng)格中心，不管是整條巖脈還是它的一部分出現(xiàn)在該網(wǎng)格中，都算作該單位面積內(nèi)出現(xiàn)的一整條巖脈;③將整個(gè)網(wǎng)格移動(dòng)一定的距離，如沿對(duì)角線方向移動(dòng)半格，重復(fù)第二步的計(jì)數(shù)工作;④用計(jì)算機(jī)軟件或手工方法勾畫等值線，就可以得到一張巖脈分布密度等值線圖。

同樣的方法也用于繪制巖脈延伸方向密度分布圖。首先，考慮到手持羅盤測(cè)量產(chǎn)狀的誤差范圍，進(jìn)行巖脈延伸方向分組，以15°為單位可以劃分出12組。然后，對(duì)每個(gè)單位面積內(nèi)巖脈的延伸方向進(jìn)行計(jì)數(shù)，并標(biāo)注在網(wǎng)格中心;移動(dòng)半格后重復(fù)計(jì)數(shù)工作。最后，用計(jì)算機(jī)軟件或手工方法勾畫等值線，就可以得到一張巖脈延伸方向密度等值線圖。

將兩張等值線圖疊加在一起，密度中心重疊之處就可以認(rèn)為是有利的找礦靶區(qū)中心。靶區(qū)中心確定之后，再通過一定的算法確定靶區(qū)半徑，劃出找礦靶區(qū)。

3.3 南阿拉套山的成礦預(yù)測(cè)

新疆南阿拉套山是一個(gè)研究程度較低的地區(qū)，缺乏成礦預(yù)測(cè)工作需要用到的資料，因而區(qū)域成礦預(yù)測(cè)的難度很大。但是，該區(qū)剛剛完成幾幅連續(xù)的1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖，且填圖過程中沒有刻意錯(cuò)漏各種巖脈。根據(jù)填圖資料分析，該區(qū)出露的巖脈屬于寬譜系巖墻群，因而是成礦作用的標(biāo)志［27］。野外觀察表明，脈巖中存在流體晶、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造等表征流體活動(dòng)的現(xiàn)象，巖脈的下盤常見圍巖蝕變;薄片觀察也表明巖脈中含有各種硫化物;成礦元素標(biāo)準(zhǔn)化分析也暗示了各類脈巖的含礦一致性。據(jù)此推測(cè)，所有這些巖墻都曾經(jīng)是含礦流體的通道，因而南阿拉套山應(yīng)當(dāng)發(fā)生了強(qiáng)烈的晚古生代成礦作用［28］。

利用上述方法對(duì)南阿拉套山出露的巖脈進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［26］，共勾畫出6個(gè)找礦靶區(qū)，囊括了該區(qū)已知19個(gè)礦點(diǎn) (床)中的15個(gè)。不僅如此，通過該項(xiàng)工作還揭示了成礦帶呈北東向展布和等間距分段的特征，因此，可以說這種方法預(yù)測(cè)效果良好，暗示所提出的礦田構(gòu)造形成機(jī)制和研究方法可能是符合自然實(shí)際的。

4 結(jié)論

基于復(fù)雜科學(xué)的基本原理和透巖漿流體成礦理論，本文對(duì)巖漿成礦系統(tǒng)的礦田構(gòu)造概念進(jìn)行了重新理解，并對(duì)近年來的一些實(shí)踐工作進(jìn)行了初步概括。

巖漿相關(guān)礦床的礦田構(gòu)造系統(tǒng)是一種復(fù)雜性動(dòng)力系統(tǒng)，是巖漿成礦系統(tǒng)派生的近場應(yīng)力場與遠(yuǎn)場應(yīng)力場強(qiáng)烈相互作用的產(chǎn)物。

近場應(yīng)力場以主應(yīng)力分布在豎直方向?yàn)樘卣?，與遠(yuǎn)場應(yīng)力場截然不同。

礦田構(gòu)造變形的力源主要來自于高速向上運(yùn)動(dòng)的熔體-流體流和流體相分離產(chǎn)生的氣體的自組織膨脹，其反作用力是屏蔽介質(zhì)對(duì)熔體-流體流的圈閉。

同成礦構(gòu)造裂隙往往有巖漿和熱液脈的充填，因而成礦期構(gòu)造是可以識(shí)別的。

礦田構(gòu)造學(xué)方法是成礦靶區(qū)預(yù)測(cè)的有效方法，特別是對(duì)于隱伏礦床的尋靶，礦田構(gòu)造學(xué)研究可能是關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。

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