巖石流變學原理在構造成礦研究中的應用
——以BIF型富鐵礦床為例

許德如, 吳傳軍,, 呂古賢, 周岳強,, 于亮亮,,張建嶺,, 胡國成,, 侯茂洲,

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所 礦物學與成礦學重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.中國地質科學院 地質力學研究所, 北京 100081)

巖石流變學原理在構造成礦研究中的應用
——以BIF型富鐵礦床為例

許德如1, 吳傳軍1,2, 呂古賢3, 周岳強1,2, 于亮亮1,2,張建嶺1,2, 胡國成1,2, 侯茂洲1,2

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所 礦物學與成礦學重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.中國地質科學院 地質力學研究所, 北京 100081)

根據巖石流變學的基本原理與研究進展及在成礦學中的應用, 初步討論了構造成礦與巖石流變在研究內容、研究目標等方面的一致性問題, 并以世界上變質條帶狀鐵建造(BIF)型富鐵礦床為例, 綜合分析了構造變形和巖石流變在該類礦床形成過程中的地位與作用。由于巖石流變行為存在差異, 褶皺變形及伴隨的韌性剪切和高溫塑性流動是高品位BIF型富鐵礦床形成的關鍵。文章指出, 深入開展特色和重要礦床的構造物理化學研究將是實現成礦學與巖石流變學有機結合的重要方向, 并有可能為創新成礦地質理論、發現一批大型、超大型礦床提供重要依據。

構造成礦; 巖石流變; 條帶狀鐵建造(BIF); 高品位富鐵礦成因; 構造物理化學

0 引 言

來源于海相化學沉積的條帶狀鐵建造型(簡稱BIF)(Gross, 1980; James, 1983)鐵礦是我國乃至全球最重要的鐵礦類型, 幾乎發生在所有前寒武紀地盾區(Klein, 2005; Li et al., 2014)。對世界上BIF型鐵礦、特別是其中高品位富鐵礦的研究成果的綜合分析表明(Zhai and Windley, 1990; Kaufman, 1996; 沈其韓, 1998; Barley et al., 1999; Dalstra and Guedes, 2004; Rosièreand Rios, 2004; 沈保豐等, 2004; Belykh et al., 2007; Wang et al., 2014), 大多數條帶狀鐵建造不僅經歷了低–中級、甚至更高級的變質作用, 而且與強烈的構造變形和大規模流體活動密切相關。然而, 目前國際礦床學界關于BIF型鐵礦床的成因仍存在很大爭議(Xu et al., 2013, 2014), 尤其是構造變形與變質的BIF中高品位富鐵礦的成因還長期困惑著地質學者(Khan and Naqvi, 1996; Powell et al., 1999; Rosière et al., 2001; Lascelles, 2006; Siemes et al., 2008)。鑒于此, 本文試圖從構造變形與巖石流變學的角度, 探討BIF型鐵礦、特別是BIF型高品位富鐵礦的形成機理, 以期為深入揭示BIF型鐵礦床的成因提供啟示。

1 巖石流變學原理與研究進展及在成礦學中的應用

巖石流變學是20世紀80年代逐漸發展和形成的一門新型固態流動地球科學(Kirby, 1983; Ranalli,1997; Ji and Xia, 2002), 其目標是研究地球各層圈物質在不同物理化學環境下(溫度、壓力、差異應力、流體和水等)的變形、流動及其機制(金振民和姚玉鵬, 2004; 嵇少丞等, 2008)。巖石流變學的基本原理如巖石圈不均一性及流變學分層、應變局部化、變形分解作用、力學及熱不穩定性、多礦物巖石復合流變及變形機制轉換等, 為解釋巖石圈內近水平大型拆離構造、推覆和滑覆構造、造山帶和盆地、裂谷和地塹等形成的幾何學、運動學和動力學提供了重要依據(Ranalli and Murphy, 1987; Molnar, 1988; Ji and Zhao, 1994; 周真恒等, 1999; Jin et al., 2002; Burov and Watts, 2006; 索書田等, 2008; Corti et al., 2010)。人們不僅已發現固體地殼巖石的變形并不是傳統意義上的彈性變形, 其實包含了巖石本身的塑性變形及固態巖石中一定量的流體作用, 而且還認識到大陸巖石層或造山帶的形成和演化實質上是地球物質在差異應力、時間、熱狀態、溫度、壓力和流體因素綜合制約下流動和重新定位的結果(Karato and Wu, 1993; Ji, 2008; 金振民, 1997; 李德威和紀云龍, 2000; 楊恒和白武明, 2000), 從而將流變學基本理論及塑性變形、塑性流動引入構造變形分析, 加深了人們對地殼、上地幔物質宏觀變形機理、現象及成層性的理解。Fyfe (1992)因而指出: 地球科學的許多分支學科所研究的各種尺度的構造形跡(板塊運動、板內變形、巖石節理、礦物晶格變形等), 都可以說是地球物質在不同尺度內變形和流動的結果,本質上與流變學有著內在聯系。從這個意義上講,如果我們將礦石看作是一種特殊的巖石類型, 那么就不難理解, 自然界所形成的任何礦床/礦體實際上都是與巖石流變行為有關的系列變形地質體。

巖石流變學的基本原理及在構造變形中的廣泛應用有可能為闡明成礦物質的富集機理和礦床的成因提供重要啟示。然而, 將巖石流變學基本理論應用于礦床的成因、特別是解決金屬礦床的富集過程與機理等問題, 國際礦床學界尚未引起重視。目前國內外所報道的相關研究成果大多數系高溫高壓實驗的探索(吳學益等, 1984, 2006; Lagoeiro, 1998;金擾, 1997; Siemes et al., 2003; 鄭遠川等, 2009),且未能信服地解釋構造應力與地殼物質(包括各種地質體、巖石、礦石、礦物、元素等)的變形、流動和成礦物質富集的機理。自20世紀50年代末,陳國達先生就將構造活動與成礦物質的運動結合起來開展成礦學研究, 強調構造(包括大、中、小、微各級構造)對礦床的形成不僅僅起控制作用,更重要的是它在成礦作用中占有主導地位(陳國達, 1978)。經過幾十年的不斷完善, 陳國達先生在“成礦構造”的基礎上, 又提出了“構造成礦”的概念, 認為礦床可以通過構造作用及與之相關的巖漿活動、變質作用、沉積作用等過程, 在一個統一的熱動力構造–物理化學系統中形成(張湘炳等, 1992)。呂古賢等(1999, 2006)則將構造動力成巖成礦理論(楊開慶, 1986)上升到構造物理化學新領域, 提出“構造作用力通過控制壓力、溫度和其他物理化學條件來影響成巖成礦地球化學過程”, 認為構造物理化學就是“通過分解構造力來研究構造引起的壓力等物理和化學條件的變化, 以及物理和化學變化之間的物理化學關系”(呂古賢, 1991), 從而深化了“構造作用引起地殼物質變形、產生各種構造形跡的同時, 也引起物質成分變化”的認識(Harker, 1932; 王嘉蔭, 1978)。構造物理化學概念的提出, 事實上已體現將巖石流變學的基本理論納入成礦學研究范疇的思想,從而有可能正確理解構造應力作用下巖石礦物在形成、形變與相變過程中成礦元素的遷移、沉淀和富集的機理。如張秋生等(1984)、劉連登等(1994)就曾提出, 我國紅透山銅–鋅塊狀硫化物礦床中富礦體的形成是固態再活化的產物, 而這種再活化是由原始塊狀礦石中不同硫化物因塑性流動性的差異所引起的, 就體現了富礦體系固態流變成因的思想。大量研究成果和實驗數據也表明, 韌性剪切帶型或造山型金礦的形成實質上是巖石礦物、乃至成礦元素的流變行為結果(孫勝龍, 1995; McCuaig and Kerrich, 1998; 楊曉勇, 2005; Lawley et al., 2013), 金元素的富集與差異流動應力、剪切變形的溫度、深度和應變速率等有著密切聯系。其原因是韌性剪切動力能通過位錯滑動、位錯蠕變及擴散蠕變等晶格變形機制, 促使礦物巖石內部變形、破裂, 產生應力場和應變能, 增加元素的地球化學活性和擴散速度,進而導致成礦流體的形成與運移、金的活化、搬運與沉淀富集(Zhong and You, 1995; 王春增等, 2009)。此外, 中高溫韌性剪切帶遞進變形過程還常伴有不同程度的同構造熔融作用(嵇少丞, 1988;許志琴等, 1994; France-Lanord et a1., 1998; Schofield and D’Lemos, 1998; Nabelek et a1., 2001;戚學祥等, 2003), 不僅對確定構造變形方式、構造活動的時代、巖石的各向異性及其在造山帶演化中的作用有重要意義, 對深入理解韌性剪切帶型金礦床的成因也有著特殊的指示作用(楊曉松等, 2003; 李兆麟等, 2004)。

2 構造成礦研究中蘊涵的流變學原理

由于構造變形與礦床的形成、演化有著密切的關系, 我國歷代地質學家、礦床學家和找礦勘查專家向來重視構造與成礦的研究, 所取得的研究成果極大地推動了成礦構造學的發展(陳國達, 1978; 翟裕生等, 1981; 曾慶豐, 1982; 楊開慶, 1986; 裴榮富等, 1999; 等等)。近三十年來, 隨著構造與成礦關系研究的普遍深入, 不同尺度、不同構造體制和不同地球動力學背景下的構造成礦模式, 如俯沖增生造山模式、碰撞造山模式、伸展或變質核雜巖構造模式、韌性剪切帶模式、逆沖推覆和重力滑覆模式等已相繼提出(Spencer and Welty, 1986; Cameron, 1989; Lister and Davis, 1989; 傅昭仁等, 1992; Groves, 1993; 胡正國等, 1994; 陳衍景, 1996, 2013; 何紹勛等, 1996; Groves et al., 1998; 陳柏林, 1999; Goldfarb et al., 2001; 翟裕生, 2002; Hou and Cook, 2009; 侯增謙, 2010)。這些模式的建立為深入闡明成礦作用過程構造變形與巖石流變的貢獻提供了基礎。

結合以往大量研究成果和事實, 不難發現, 構造成礦在研究內容和研究目標上與巖石流變學具有較好的一致性。首先, 從構造與成礦的關系上講, 構造成礦實質上是成礦參量(如構造動力、溫度、壓力、深度、?O2等控礦物理化學參數)的臨界轉換的結果,具體表現為構造應力體制轉換所誘發的不同尺度(如全球的、區域的、礦田/礦床的、露頭的、顯微的)的突發地質事件造成和改變了構造物理化學參量、導致有利的成礦環境和賦礦容礦空間(呂古賢, 1991;呂古賢等, 1999, 2001; 鄧軍等, 1998, 2000; 翟裕生等, 2001; 范宏瑞等, 2005), 并包涵了在地殼演化過程中, 由地幔熱流驅動所引起的構造應力場、構造地球物理場和構造地球化學場對地殼物質的變形和流動以及變形過程中成礦物質的遷移和聚集的聯合控制(陳國達, 1978)。例如, 對世界范圍內各類型鐵礦床統計分析表明, 絕大多數礦床如我國海南石碌鐵礦(許德如等, 2009; Xu et al., 2013)、華北鞍山式鐵礦(王永基, 2007; Li et al., 2014)、內蒙古白云鄂博超大型Fe-Nb-REE礦床(張玉清等, 2003)、新疆蒙庫鐵礦(李嘉興等, 2003)、甘肅鏡鐵山鐵銅礦(Sun et al., 1998)、安徽長龍山鐵礦(Xu and Lin, 2000)和江西新余式鐵礦(曾書明等, 2011)以及西澳Hamersley鐵礦省(Lascelles, 2006)、巴西南部的巨型Quadrilátero Ferrífero鐵礦省(Spier et al., 2007)等, 均賦存于疊加褶皺次一級向斜核部或兩翼, 且該部位的礦體常加厚變富, 反映了褶皺變形與(高品位)富鐵礦的形成密切相關。如果從褶皺過程物質的運動方式來考慮,褶皺的形成實質上是物質在不同性質構造應力作用下差異流動或滑動的結果; 而多期褶皺疊加(即構造應力轉換)又常導致構造穹隆、構造盆地和鞍狀構造等(Ramsay, 1967), 進而引起不同尺度的地質體(包括地層、巖體、礦體、巖石、礦石、礦物等)的重疊、減薄和加厚變富(Ghosh and Mukhopadhyay, 2007)。又如國內外一系列MVT、SEDEX、SST和VMS等類型鉛鋅礦床, 如美國密西西比河谷鉛鋅礦床(Leach and Sangster, 1993)、西班牙中北部Picos de Europa地區鉛鋅礦床(Gómez-Fernández et al., 2000)、加拿大魁北克阿巴拉契亞Upton鉛鋅鋇礦床(Paradis et al., 2004)、斯洛文尼亞Topla-Me?ica鉛鋅礦床(Spangenberg and Herlec, 2006)、瑞士加里東造山帶層控型硫化物礦床(Sundblad and Stephens, 1983)、挪威中北部Helgeland地區鉛鋅礦床(Birkeland et al., 1993)、瑞典Laisvall層控砂巖型鉛鋅礦床(Rickard et al., 1979)、比利時La Calamine氧化物硫化物鉛鋅礦床(Coppola et al., 2008)、歐洲伊比利亞黃鐵礦帶Tharsis塊狀硫化物礦床(Chauvet et al., 2004)、挪威Trondheim 和Sulitjelma地區塊狀硫化物礦床(Fox et al., 1988)、澳大利亞巨型Broken Hill鉛鋅銀礦床(Spry et al., 2008)、以及我國云南金頂(He et al., 2009)和廣東礬口鉛鋅礦床(梁新權和溫淑女, 2009), 等等, 也反映這些礦床的形成和定位與碰撞造山過程的逆沖推覆、走滑和伸展等變形構造有著密切的關系。逆沖推覆構造的形成除涉及斷裂的形成、滑移、擴展等過程外, 與伸展、走滑、褶皺等構造也有密切的時空關系(朱志澄, 1991)。逆沖推覆作用及伴隨的系列構造實際上是巖石流變的具體表現, 尤其是深層次的韌性推覆剪切過程常產生糜棱巖、混合巖和花崗巖三位一體的組合(張開均等, 1996), 導致成礦環境物理和化學條件的變化,從而對金、銀、鐵、銅、鉛、鋅、鎢、鉬、鈾和油氣、煤等礦產的形成起重要控制作用(彭少梅, 1992;余心起等, 2008; 張元厚等, 2009; 以及文內相關文獻)。其原因在于: 一方面因強烈的構造變形導致動力變質作用, 不僅使圍巖中的金屬元素活化、遷移、富集, 也使來自深部的礦液伴隨逆沖推覆運動沿逆沖斷層滑動面運行, 而有利于礦體的形成; 另一方面在推覆體沿逆沖斷面運移過程中, 形成大量類型多樣的諸如層滑斷裂、褶皺等控礦構造, 并產生動力變質和分異作用, 以致成礦物質更為活化、集中和交代成礦(孫巖等, 1984)。此外, 推覆體因前鋒帶、中帶、根帶的變形強度、變形特征不同, 成礦特征也彼此不同, 從而出現推覆體水平構造分帶控礦現象。如在推覆體的根帶, 韌性、脆–韌性變形發育, 加之下切較深, 不僅常成為溝通含礦流體層及淺層巖漿房的導礦構造, 而且也使根帶巖石所含的成礦元素活化、轉移和富集, 提供部分成礦熱液來源(劉肇昌和劉曉杰, 1991)。

其次, 構造成礦研究的逐步深入以及成礦構造學的發展趨勢(李德威, 1993; 翟裕生, 1996, 2002, 2007; 呂古賢等, 1999), 在突出構造變形和流體活動對成礦起關鍵因素的同時, 事實上隱含了巖石流變所起的特殊作用。如國內外相關研究成果表明,造山過程及伴隨的構造作用(如逆沖推覆、向斜褶皺和剪切變形等)或巖石流變所觸發的大規模熱液流體運移或周期性循環是形成有經濟意義的巨型BIF型赤鐵礦礦床的主要因素(如巴西Carajás和Quadrilátero Ferrífero鐵礦省、澳大利亞Hamersly鐵礦省、烏克蘭Krivoy Rog鐵礦省、印度Bailadila鐵礦省以及南非Thabazambi鐵礦省等: Powell et al., 1999; Taylor et al., 2001; Dalstra and Guedes, 2004; Rosière and Rios, 2004; Rasmussen et al., 2007; Dalstra and Rosière, 2008)。大規模熱液活動對熱液IOCG型鐵氧化物–銅–(金)–鈷–稀土礦床形成所起的關鍵作用, 則緣于其形成時期的伸展構造環境(如陸內非造山巖漿環境、俯沖相關的大陸邊緣弧伸展環境、陸內造山垮塌環境)及同時期的脆–韌性剪切有利于大規模流體和成礦物質運移(Hitzman et al., 1992; Porter, 2002; Sillitoe, 2003; Williams, 2010)。構造與流體是成礦作用中一對基本控制因素, 其相互作用過程實質上是成礦物質活化、遷移、聚集定位,即礦床的形成過程, 具體體現為: 構造是驅動和控制成礦流體運移和循環的主要因素, 而流體通過水–巖反應等反過來又影響構造作用的物理和化學效應,誘發新的流變或變形和新的礦化構造的產生(Fyfe and Kerrich, 1985; Koons et al., 1998; Sibson and Scott, 1998; Travé et al., 2000; Ghisetti et al., 2000; Craw, 2000; Craw et al., 2002; Robl et al., 2004; Bellot, 2007; 萬天豐, 2008)。由此說明, 流體活動在成礦作用過程中實際上是和構造變形、巖石流變相輔相存、密不可分的。目前, 人們普遍贊同, 構造變形就是巖石流變的結果, 而固體地球內不同深度所存在的含量不等、性質不同的流體對構造變形又起非常巨大的作用(萬天豐, 2008)。因此, 加強不同構造體制下或復合構造體制下構造–流體或流變–成礦及其動力學的研究、尤其是大型、超大型礦床形成過程中流體的特殊作用的研究, 無疑具有重大的理論與實際意義。

綜上所述, 構造成礦與巖石(圈)流變學在研究范疇、研究目標等方面顯然具有學科間有機融合的特點, 但如何理解流體在構造成礦中的行為與作用將是正確運用巖石流變學原理分析礦床成因的關鍵。如果我們將流體同樣視作是一種自然物質, 那么就能很好地理解巖石流變與地質流體間的關系及其在成礦作用中的地位。由于巖石的流變學與力學表現直接受控于不同大地構造環境下錯綜復雜的變形條件(Bozkurt and Park, 1997; Venera et al., 2000);而大陸巖石圈的變形, 無論是脆性、脆–韌性, 還是塑性變形, 受組成物質的差異、流體相的存在及其活動性、應變分解與分異等制約(Storti et al., 2003),因而巖石或礦石與巖石圈流動的制約因素就主要表現在二個重要方面: 即巖石內在的物質成分與結構、巖石變形的物理化學環境(Shimada, 1993; Sibson and Scott, 1998)。其中, 物理化學環境的變化則通過影響巖石圈物質的內在屬性變化而起作用。近期研究就顯示, 巖石變形的化學環境(水、氧逸度、硅的活動性等)、巖石變形過程中巖漿的活動性(熔融與熔體的含量、熔體成分與性質等)對于巖石的物理–力學性質、巖石的變形性質、流動機制和相應不同尺度上的變形構造、顯微構造的發育都有著深刻的影響(劉俊來, 2004; 邵同賓等, 2011)。因此, 在開展礦物、巖石或礦石、巖石圈流動及成礦作用事件研究時, 就必須綜合考慮巖石圈內部物質所處的物理-化學環境及其變化。

3 變質條帶狀鐵建造(BIF)型富鐵礦床的成因啟示

變質條帶狀鐵建造(即BIF)中高品位富鐵礦的形成是礦床學界長期爭論的熱點, 主要原因是未能將礦石礦物(赤鐵礦、磁鐵礦等)的內部顯微構造分析與區域構造變形(構造流變)和/或大規模流體活動有機結合, 以正確理解其富集機理。巖石流變學的應用有可能為解決此類礦床鐵的富集機理與成因提供重要證據。下面舉四個例子來說明構造變形和巖石流變是如何控制富鐵礦形成的。

3.1 巴西Quadrilátero Ferrífero (簡稱QF)地區BIF型鐵礦

巴西南部Minas Gerais州QF地區巨型變質條帶狀鐵建造(BIF)型鐵礦省是世界鐵礦石主要生產基地, 其產量在2003年占全世界的16%(Spier et al., 2007)。該鐵礦賦存于變質的古元古代Minas群條帶狀鐵建造中, Spier et al. (2007)曾將其歸為蘇必利爾BIF型鐵礦。據Spier et al. (2003)的描述, QF地區BIF型鐵礦由一系列連續產出的、略呈扁狀、透鏡狀的礦體組成, 包含兩種礦石類型: 即韌性的(soft)高品位(鐵的含量超過64%)鐵礦石和脆性的(hard)高品位鐵礦石。然而, 關于QF地區高品位富鐵礦的成因仍存在不同的看法。基于世界上高品位BIF型鐵礦床中鐵的富集機理問題, Taylor et al. (2001)、Beukes et al. (2002)和Morris (2002)曾各自提出過多種成因模式。Spier et al. (2003)則認為, QF地區BIF型韌性的高品位富鐵礦的成因與次生風化淋濾有關, 而脆性的高品位富鐵礦系深成作用的結果, 但他們同時也認為構造變形控制了地下水的循環, 進而影響了鐵的富集度。

Lagoeiro (1998)、Rosière et al. (2001)則從構造變形角度對QF地區變質條帶狀鐵建造的構造變形與富赤鐵礦形成關系進行了研究, 結果表明: 剪切變形和變質作用將會導致氧化條件(流體產生和鐵離子活動)、赤鐵礦含量的增加以及結晶優選方位發育(CPO: Crystallographic Preferred Orientation); 而赤鐵礦CPO的形成不僅與晶體塑性變形行為有關,而且與替代磁鐵礦后的板狀鏡鐵礦的同構造變形增長有關, 因此, 強烈變形過程條帶狀鐵建造的柔性化或塑性變形與溫度、壓力、應變速率(圖1)和流體含量的改變密切相關, 并由此影響赤鐵礦結晶優選方位的發展。隨后, Rosière et al. (2001)、Siemes et al. (2003, 2008)開展了顯微結構和構造分析以及三軸變形實驗, 他們的結果進一步表明: 赤鐵礦礦石的變形有三個主要機制: 即基底滑移(basal slip)、擴散流動(diffusion process)和各向異性的顆粒增長(anisotropic grain growth), 而剪切變形過程中因鐵礦層礦石礦物(赤鐵礦、磁鐵礦、鏡鐵礦)和脈石礦物(石英、方解石、白云石)在流變行為上存在差異, 從而導致富鐵礦的形成。這些研究成果從而揭示了高品位富鐵礦的形成與剪切動力引起的巖(礦)石間差異流變的密切關系。

圖1 直徑10 mm的赤鐵礦的應力-溫度變形圖(據Siemes et al., 2003)(圖中不同符號標識的數據點表示實驗應變速率é)Fig.1 Stress vs temperature deformation map for hematite with a grain size of 10 mm(after Siemes et al. (2003). The data labeled with different symbols in the map represent the experimental strain rate é)

Hippertt and Davis (2000)還對發生在QF地區包含BIF鐵建造的花崗巖–綠巖地體中的大型向斜和花崗巖穹隆的形成機制進行了詳細研究, 認為這些穹隆和向斜構造的形成與演化以及發生在穹隆與表殼巖界面的傾滑(Dip-slip)韌性剪切帶主要起因于0.8～0.6 Ga期間的泛非造山事件。由于花崗巖–片麻巖物質與富鐵的表殼巖(即BIFs)存在顯著的密度差異, 就為圍巖(包括Minas群BIF鐵建造層)向下的流動提供了重力上的有利環境, 進而易于使圍巖物質圍繞花崗巖–片麻巖穹隆陡傾斜向下流動、發生物質遷移, 結果在剪切動力作用下因巖石流變差異導致了密度較大的BIF鐵建造形成富鐵礦(圖2)。盡管對QF地區構造變形的動力學機制仍存在不同理解(Hippertt and Davis, 2000), 但所有研究均直指韌性剪切作用下巖石的差異流動和/或流體活動是形成BIF型高品位富鐵礦的主要原因。

3.2 西澳Hamersley省BIF型高品位鐵礦

圖2 巴西東南部QF地區穹隆/向斜構造發展導致花崗巖–綠巖帶表殼巖中富鐵礦(紅色條帶示)形成模式(據Hippertt and Davis, 2000修改)Fig.2 Model for the development of the dome/syncline architecture of the Quadrilátero Ferrífero (QF), southeastern Brazil (modified from Hippertt and Davis, 2000)

澳大利亞北西部的Hamersley省發育一系列世界級超大型BIF鐵礦床, 這些礦床均賦存于太古宙–古元古代(2.6～2.4 Ga)Mount Bruce巨厚BIF層序內,且顯示異常強烈的褶皺變形, 褶皺形態多樣(如直立平行/同心褶皺、寄生褶皺、V字型褶皺、緊閉旋轉褶皺、開闊褶皺), 斷裂和逆沖推覆構造發育, 并伴有廣泛的劈理或片理構造(Brown et al., 2004)。據Barley et al. (1999)資料, Hamersley省BIF巨型鐵礦床鐵礦石幾乎由純鐵氧化物組成, 可劃分為兩種類型: 即致密堅硬的至脆性的假像赤鐵礦–針鐵礦礦石和低磷的、具鱗片變晶結構的假像赤鐵礦礦石。關于Hamersley省巨型高品位富鐵礦礦床的成因、特別是假像赤鐵礦–針鐵礦礦石的成因, 目前普遍接受的觀點是, 這些礦床是在伴有硅酸鹽和碳酸鹽礦物淋濾條件下因BIF次生氧化的結果。然而, 關于第二類礦石的成因卻存在較大的爭議, 主要是由于含這類礦石的礦床不僅有較大的延伸深度(大于400 m), 而且受構造顯著控制。Powell et al. (1999)曾認為Hamersley省BIF型富鐵礦的形成與Ophthalmian逆沖褶皺帶抬升或垮塌所引起的大規模流體有關。Barley et al. (1999)則將Hamersley省以假像赤鐵礦礦石為主的Mount Tom Price鐵礦床的形成與2.0 Ga時期裂谷環境下熱鹵水和大氣降水的混合相聯系。不過,所有這些關于Hamersley省BIF型巨型鱗片狀赤鐵礦礦床的成因模式均強調了流體在物質遷移中的重要性。

據Campana (1966)資料, Hamersley省高品位(鐵含量在58%以上)BIF型鐵礦床的成礦作用受三個方面的因素控制, 即地層、構造(鐵的富集發生于向斜部位)和古氣候, 并認為構造作用、特別是褶皺變形是形成高品位鐵礦必不可少的因素。Barley et al. (1999)也認為, BIFs所表現的構造式樣主要來源于古元古代擠壓環境下的變形結果。Lascelles (2006)還詳細描述了Hamersley省Hope Downs BIF型鐵礦床的礦石結構、構造, 認為該礦床不僅具有顯著的條帶狀構造, 頸縮狀或香腸狀構造、透鏡狀構造和糜棱巖結構、定向結構、重結晶結構也異常發育, 而多期褶皺疊加的結果則導致一系列不同規模的穹隆和盆地構造。Lascelles (2006)最后指出, Hamersley省BIFs所表現的強烈褶皺變形構造與巖層厚度和巖石的能干性有著密切的關系, 因而暗示了巖石流變與富鐵礦的成生聯系。Brown et al. (2004)還以Hamersley省東部最大的鱗片狀赤鐵礦礦床——紐曼附近的Mt. Whaleback礦床為研究對象, 重點討論了該礦床BIFs圍巖中廣泛發育的、與鱗片狀赤鐵礦礦化有密切關系的裂隙脈的構造發展特點及其與成礦前、成礦期和成礦后流體的活動關系。Brown et al. (2004)認為裂隙脈的空間分布及其變形特征受多種因素控制, 如褶皺變形、流體活動、巖石流變性質和區域或局部應力場, 因而也控制了高品位鱗片狀赤鐵礦礦床。由此可見, 褶皺與剪切變形和巖石流變及伴隨的流體運移是形成Hamersley省高品位BIF型鐵礦床不可或缺的重要因素。

3.3 遼寧鞍山–本溪鐵礦

條帶狀鐵建造(BIF)型鐵礦是中國工業鐵礦中最主要的經濟類型, 已探明儲量291億噸, 其開采量占年鐵礦石總產量的57%以上。時、空分布上, 中國境內BIF型鐵礦尤集中于華北鞍山–本溪、冀東–密云、五臺–呂梁、安徽霍邱、山東魯西、河南魯山–登封–許昌等地, 主要產于太古宙及古元古代古老變質地層中(沈其韓, 1998)。但與國外同類型鐵礦床相比(Li et al., 2014; Zhang et al., 2014), 中國境內BIF型鐵礦不僅經歷了強烈的變形與變質, 而且富礦少、品位偏低(普遍在25%～35%之間)。

遼寧省鞍山–本溪地區的BIF型鐵礦是我國最大的鐵礦石資源基地, 也是我國鐵礦研究最早、最典型的地區之一, 以鞍山式鐵礦為代表, 主要超大型、大型礦床包括東鞍山、西鞍山、弓長嶺、歪頭山、祁家溝、徐家堡等18個。雖然鞍山式富鐵礦(如弓長嶺大型磁鐵富礦床)的富集機理長期存在爭議(程裕淇, 1957; Li et al., 2014; Wang et al., 2014), 但據以往研究成果分析, 構造改造和/或流體疊加對鞍山式富鐵礦的成因可能起關鍵控制作用。例如, 李鴻業(1974)就認為, 區內賦礦地層——太古宇鞍山群從沉積后到寒武系前曾發生過三次構造活動, 導致了鞍山群地層反復重熔, 形成大面積片麻巖狀、花崗巖狀的混合巖; 隨著大規模的混合巖化、花崗巖化和動力作用, 區域變質更加強烈, 再加之晚期的熱液沿斷裂集中和上升, 從而導致鞍山式鐵礦的變質和富化作用。蔡秀成等(1979)、李純陽(1996)也認為鞍山式富鐵礦的形成與三個因素有關, 一是受混合巖化氣熱影響, 使沉積變質貧鐵礦就地重結晶;二是沿古斷裂遷移富集; 三是混合巖化堿性熱液淋濾去硅加富作用, 但他們同時還強調了褶皺和與之伴生的層間滑脫剪切斷裂對富鐵礦形成的作用。王永基(2007)則提出了向斜構造控礦模式。另外, 從以往對鞍山式鐵礦構造變形的描述來看, 太古宇鞍山群曾發生過強烈的中深層次韌性剪切變形, 可能也是造成鞍山式鐵礦富化的重要原因。例如, 鞍山式鐵礦床鞍山群巖系不僅具較高的變質級別(達角閃巖–麻粒巖相), 剪切褶皺和塑性構造也顯著發育(李鴻業和趙秀德, 1999), 礦床除受大致南北向的緊閉復式向斜構造控制外, 向斜核部及轉折端因發生塑變遷移還使礦體變厚(圖3; 李純陽, 1996; Fan et al., 2014)。此外, 根據前人調查資料, 在弓長嶺鐵礦區富鐵礦除與貧鐵礦、賦礦圍巖均呈層狀、似層狀產出外,也顯示了強烈的揉皺和塑性變形(Wang et al., 2014)。這些特征均暗示鞍山式富鐵礦的形成與固態巖石高溫塑性流變有著密切的關系。趙斌和李統錦(1979)的高溫高壓實驗就曾表明, 弓長嶺大型磁鐵礦富礦床的形成是在高溫下(大于450 ℃)去硅富鐵的結果。

3.4 海南石碌式富鐵礦

海南省石碌富鐵礦是我國著名的以赤鐵礦為主、共生或伴生銅、鈷、鎳、鉛鋅等多金屬的超大型礦床, 以其儲量大(探明的鐵礦石達5億噸以上)、品位高(鐵、鈷、銅礦石平均品位分別為51.15%、0.294%和1.18%)而引起國內學者的長期關注。石碌富鐵礦已有五十多年地質勘探和開采歷史, 但關于該礦床的成因類型和成礦物質富集機理等一直存在諸多分歧(許德如等, 2009)。最近, Xu et al. (2013, 2014)將該礦床歸為受構造和熱液疊加改造的條帶狀鐵建造(BIF)型鐵礦。

礦山地質調查和找礦勘查實踐表明, 石碌礦區礦體的賦存部位、形態產狀與厚度變化明顯受復式向斜及疊加于之上的次一級褶皺所控制(圖4a, b和圖5; Xu et al., 2013)。從礦體空間分布來看, 無論是上部鐵礦體、還是下部的鈷銅礦體, 整體上呈層狀、似層狀賦存于NW向復式向斜的槽部及兩翼向槽部過渡的部位。結合前人的研究(楊開慶等, 1988), 構造地質填圖還發現, 早期NW向復式向斜兩翼發育有一系列規模稍小的、晚期NE-NNE向次級褶皺, 且兩期褶皺的疊加部位往往導致近礦圍巖和礦體的加厚或剝露, 特別是兩期向斜褶皺疊加的地段如北一、三棱山–雞心嶺–雞心坳、楓樹下(石灰頂)–雞心坳等(許德如等, 2011), 第六層二透巖等近礦圍巖埋藏深度逐漸變大, 預示這些地段的深部是鐵礦體的有利找礦靶區。經勘探證實, 目前在兩期向斜褶皺疊加的石灰嶺–三棱山–雞心嶺地段發現了超過4500萬噸的富鐵礦體; 其他地段(楓樹下–雞心坳等)的勘探工作仍在進行當中。

圖3 華北鞍山–本溪地區太古宙變質BIF型(富)鐵礦成礦模式(據Fan et al., 2014)Fig.3 Metallogenic model for the metamorphosed, Archean BIF (banded iron formations)-type iron ore deposits in the Anshan-Benxi area, North China Block (after Fan et al., 2014)

圖5 石碌礦區疊加褶皺立體形態(a)和理想剝蝕水平(b)示意圖Fig.5 Sketch maps showing three-dimensional configuration of the superposed buckling (a) and its ideal erosion planes (b) in the Shilu district

構造變形分析和顯微組構觀察已揭示礦區剪切變形構造對礦體形成和定位不可忽視(許德如等, 2011; Xu et al., 2013, 2014)。礦山勘探已揭示, 上部鐵礦體和下部鈷銅礦體一同揉皺變形、蛇形彎曲(圖4c); 礦體除表現強烈塑性變形和糜棱巖化外(圖6a–d), 其形態也嚴格受一對近EW向和NW-SE向X型共軛剪張節理控制, 并表現旋轉變形。此外, 富鐵礦體與近礦圍巖(主要是條帶狀二透巖)主要呈突變關系, 但在強烈剪切變形地段, 出現由含鐵圍巖、強硅化含鐵圍巖向含石榴子石條帶的貧鐵礦體(局部出現富鐵礦)和富鐵礦體的過渡特征。特別是石榴子石條帶往往呈香腸狀、囊狀和無根鉤褶皺, 表現出強烈的塑性流動和壓扁拉長(圖6e)。這些特征不僅反映富鐵礦體的形成與強烈剪切變形密切, 而且暗示剪切變形同時有高溫塑性流體的出現和成礦物質的活化、遷移、富集。鈷銅礦體與剪切變形構造的關系尤為顯著。產于白云巖、條帶狀或不純白云巖等近礦圍巖中的鈷銅礦體往往呈S形小透鏡體(中間膨大部位厚7～9 m)連續產出, 礦物生長線理、S-C組構、順層剪切褶皺、無根鉤狀褶皺等構造發育(圖6f–g)。推測礦體的再富化與一組NW-SE向和近EW向的S-C組構發展有關。

石碌礦區所發生的腫縮石香腸和能干層褶皺實際上反映構造變形時的溫壓條件下巖石的流變性質(曾佐勛和付永濤, 1997)。礦區韌性剪切斷層帶內所產生的箭鞘褶皺(剪切褶皺)、膝折或尖棱褶皺和無根鉤狀褶皺(圖6h), 均是巖石在塑性狀態下剪切作用的結果; 礦區賦礦圍巖和礦體廣泛發育的S-C組構、旋轉應變以及礦物線理和伸展線理的出現, 又反映巖石變形和變質過程固態物質的塑性流動和壓溶及重結晶的出現。礦區赤鐵礦顯微組構觀察(Xu et al., 2013, 2014)進一步反映石碌富鐵礦是受構造應力控制的變形體, 最可能的形成因素是在定向剪切應力和高溫控制下, 具特征結晶方位和形體特征的赤鐵礦集合晶出、變形和重結晶效應。這個過程不僅對礦石結構構造起控制作用, 也使石碌鐵礦在初始貧富分布的基礎上, 進一步分異富集, 并成為赤鐵礦多晶集合體發育為強優選方位的主導因素。因此, 褶皺變形及伴隨的韌性剪切和高溫塑性流動是造成石碌富鐵礦形成的直接原因(Xu et al., 2013)。該結論也得到冷盛強和李佩蘭(1979)的高溫高壓實驗所證實。

圖6 石碌富鐵礦區礦石和近礦圍巖野外和室內照片, 反映它們的結構、構造和礦物組合特征Fig.6 Field photographs and photomicrographs showing texture, structure and mineral assemblage of the ores and interbedded host rocks from the Shilu district

4 結束語

成礦構造, 是指與礦床形成及改造有關的大、中、小、微各級地質構造。構造成礦在研究范疇和研究目標、甚至研究手段和技術方法上, 與巖石流變學是基本一致的。構造應力是導致不同尺度地質體(地層、巖體、礦體、巖石/礦石、礦物、甚至元素等)構造變形的基礎, 而巖石流變性差異則控制和影響了不同規模地質體的變形強度、方式和巖石運動特征等; 構造變形和巖石流變的過程同時也是流體(包括成礦流體)的形成、演化和遷移的過程, 前者不僅控制和影響后者, 后者反過來又將影響地質體的變形程度、顯微構造和巖石流變性差異。從這一點來看, 礦床/礦體的形成過程實際上是應力作用下的構造變形、巖石差異流動或流體活動的相互作用過程。變質條帶狀鐵建造(BIF)型富鐵礦的成因存在長期的爭論, 其原因在于: 以往要么重視流體活動的影響、要么重視次生淋濾的貢獻, 而相對忽視了構造變形(特別是褶皺和剪切)與巖石流變(如高溫塑性流動)所起的深刻影響。巖石(圈)流變學的引入有可能為解決此類礦床的成因提供重要啟示。作者據此認為, 深入開展特色和重要礦床的構造物理化學研究將是實現成礦學與巖石流變學有機結合的重要方向, 并有可能為我們創新成礦理論、發現一批大型、超大型礦床提供科學依據。

致謝:研究過程中得到翟裕生院士、林舸研究員的指導; 海南省地質局肖勇教授級高工、劉朝露研究員及海南礦業聯合有限公司郭鳳芳總工程師、陳福雄高級工程師等在作者進行石碌鐵礦地質調查和科研工作期間給予了極大支持和幫助; 嵇少丞教授和另一位匿名評審專家為本文質量的提高提出了建設性意見。在此一并表示感謝！

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Application of Lithospheric Rheology in Structural Metallogenesis: Taking BIF-type Iron-rich Ore Deposits as an Example

XU Deru1, WU Chuanjun1,2, LV Guxian3, ZHOU Yueqiang1,2, YU Liangliang1,2, ZHANG Jianling1,2, HU Guocheng1,2and HOU Maozhou1,2
(1. CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

Based on the basic theory and recent progresses of rock rheology, this paper addresses the critical role of rock rheological properties in the structural metallogenesis. The worldwide, metamorphic banded iron formation-type (BIF) iron-ore deposits are referred as example to delineate and evaluate the influences of structural deformation and rock rheological properties on the formation of this type of ore deposit. It is concluded that due to rheological differentiation, folding induced by ductile shearing and high-temperature plastic flow played a particularly key role in the formation of the high-grade, BIF-type Fe-rich ore deposits. Therefore, we propose that a combination between structural metallogenesis and rock rheology may be of help to our understanding of the tectono-physicochemical characteristics of large to super-large ore deposits.

structural metallogenesis; rheological strength; banded iron formation (BIF); genesis of the high-grade iron-rich ore deposits; tectono-physicochemistry

P589; P611

A

1001-1552(2015)01-0093-017

2013-11-15; 改回日期: 2014-05-14

項目資助: 國家自然科學基金(批準號: 41472171)、國家973項目(編號: 2012CB416806)和“135”項目(編號: Y234141A07)聯合資助。

許德如(1966–), 男, 博士, 研究員, 主要從事成礦構造與礦產預測研究。Email: xuderu@gig.ac.cn