黔西南地區中?新生代構造變形特征及應力場模擬分析

陳友智, 楊貴來, 唐 永

黔西南地區中?新生代構造變形特征及應力場模擬分析

陳友智1, 楊貴來2, 唐 永3*

(1.貴州理工學院 資源與環境工程學院, 貴州 貴陽 550003; 2.中國地質調查局 成都地質調查中心, 四川 成都 610000; 3.長江大學 非常規油氣湖北省協同創新中心, 湖北 武漢 430100)

黔西南地區位于揚子克拉通西南緣, 是世界著名的卡林型金礦集中區, 中?新生代受特提斯域構造域和濱太平洋域構造域疊加復合影響, 區域構造變形過程不清, 控礦機理不明。針對這些問題, 本文對區內構造裂縫的幾何形態、主要構造期次及應力狀態進行了分析, 并運用Abaqus有限元軟件模擬了各構造期應力與應變分布。研究獲得下列認識: (1) 晚三疊世?早白堊世: 受古特提斯構造域與早燕山運動的影響, 最大主應力優勢方向為NE-SW, 應力強度西強東弱, 形成NW向構造, 先存的NE向斷層多表現為走滑性質, 為成礦構造的主要形成時期; (2)古新世: 受晚燕山運動的影響, 最大主應力優勢方向為NNW-SSE, 形成新的NE向構造, 構造變形強度較大, 對早期形成的金礦床有較強的改造作用; (3) 始新世: 受太平洋板塊向亞洲大陸俯沖的影響, 最大主應力優勢方向為近東西向, 應力強度東強西弱, 該期構造對金礦床改造較弱; (4) 基于上述研究預測, 隱伏金礦床存在于青山變形區中部、興仁?貞豐變形區北部及南部東側。聯合野外地質調查及Abaqus有限元模擬, 開展復雜構造區構造演化與金屬礦床形成關系研究, 為卡林型金礦勘探提供依據, 并為隱伏礦床預測提供新方法。

黔西南; 中?新生代; 構造變形; 有限元; 金礦床

0 引 言

黔西南位于揚子克拉通與華南褶皺帶過渡區, 被揚子克拉通、越北地塊和華夏地塊所夾持, 是受深斷裂控制形成的三角區(胡瑞忠等, 1995; 陳本金, 2010)。區內盛產卡林型金礦, 其構造變形受到學者們的廣泛關注(毛建全等, 1990; 何豐勝等, 1997; 胡斌等, 2004; 郝家栩, 2007; 胡煜昭, 2011; 胡煜昭等, 2012; 吳松洋等, 2016; 曾國平, 2018)。由于本區屬于特提斯構造域和濱太平洋構造域疊加復合區(王硯耕等, 1994; 曾允孚, 1995; 張國偉等, 2013; 李三忠等, 2013; 徐容等, 2018), 中?新生代以來經歷多期構造變動, 致使構造變形極為復雜, 不同構造變形期的動力學背景難以判定, 構造控礦機理難以厘清。

構造動力的多源性, 導致研究者對區域應力場認識不統一: 晚三疊世(T3)、晚侏羅世?早白堊(J3-K1)受NE-SW向擠壓(Chen et al., 2011; 李學剛, 2012); 早侏羅世(J1)、晚白堊世末期?古近紀早期(K2-E1)與印支期末?燕山早期(T3-K1)受NW-SE向擠壓(Chen et al., 2011; 李學剛, 2012; 曾國平, 2018); 晚白堊世?古新世末(K2-E1)受SN向擠壓(萬天豐, 2004; 曾國平, 2018), 伸展構造發育于晚白堊世(K2)、晚三疊世(T3)與晚侏羅世?早白堊世(J3-K1)(貴州省地質調查院, 2017; 靳曉野, 2017; 徐容等, 2018)。

研究缺少對全區范圍的構造應力場分析, 而中、小型尺度構造的應力場研究是解決區域構造問題的有效方法(Fossen, 2016)。本文試圖通過系統研究全區野外露頭的構造裂縫發育特征及分布規律, 建立區域動力環境與礦區構造的聯系, 區分黔西南地區中?新生代主要構造期次, 明確不同期次應力作用的強度及其對應的動力機制; 并開展構造應力場模擬, 預測全區構造變形強度分布, 為更準確地認識研究區構造控礦機理提供依據。

1 地質背景

黔西南地區在泥盆紀時位于古特提斯洋東緣(鄭榮才和張錦泉, 1989), 區內發育近岸臺地?濱岸相、斜坡?盆地相黑色黏土及碳酸鹽巖。石炭紀構造活動減弱, 沉積淺海臺地、臺緣?斜坡相碳酸鹽巖及少量碎屑巖。早?中二疊世發育淺海臺地相碳酸鹽巖與濱岸沼澤相碎屑巖(貴州省地質調查院, 2017)。晚二疊世受西部康滇古陸和東南云開古陸物源供給的影響, 發育海陸交互相含煤地層(馮增昭, 1994)。早三疊世處于被動大陸邊緣環境, 沉積臺地相碳酸鹽巖與斜坡?盆地巖相碎屑巖(梅冥相等, 2002)。中?晚三疊世研究區為前陸環境(劉本培, 1986; 秦建華等, 1996; 杜遠生等, 2009), 中三疊世研究區撓曲沉降, 沉積淺海?潟湖相碳酸鹽巖夾泥巖, 向東過渡為斜坡相碎屑巖夾碳酸鹽巖。晚三疊世進入磨拉石超補償階段, 晚三疊世晚期上升成陸, 為湖泊與河流相沉積(梅冥相等, 2003)。

研究區中新生代構造變形強烈, 發育北東向、北西向、北西西向和近南北向構造, 不同分區構造形跡各異。本次研究沿用胡煜昭(2011)構造變形區劃分方案, 將黔西南劃分為四個變形區: 盤縣(Ⅰ)、青山(Ⅱ)、興仁?貞豐(Ⅲ)和紫云?六盤水(Ⅳ)變形區(圖1)。

I. 盤縣變形區; II. 青山變形區; III. 興仁?貞豐變形區; IV. 紫云?六盤水變形區。斷裂名稱: ①. 師宗?彌勒斷層; ②. 紫云?羅甸斷層; ③. 坡坪斷層; ④. 豬場?上寨斷層; ⑤. 盤縣斷層; ⑥. 珠東斷層; ⑦. 花魚井斷層; ⑧. 青山鎮斷層; ⑨. 馬場斷層; ⑩. 海馬谷斷層; . 上河壩斷層; . 木科斷層; . 安龍斷層; . 大丫口斷層; . 興仁斷層; . 核桃樹斷層; . 大山?者相斷層; . 董崗斷層; . 泡通灣斷層; . 永寧鎮斷層; . 楊家大坡斷層; . 戛戛寨斷層; . 上本咱斷層; . 龍朝樹斷層; . 塊擇河斷層; . 普安?盤關斷層。紅色粗實線代表分區邊界斷層或區域性大斷裂。

盤縣變形區西部以師宗?彌勒斷裂帶與滇東臺褶帶相鄰, 東部以珠東斷層為界與青山變形區相隔, 區內發育北北東向、北東向以及北西西?東西向構造, 南部出現多期構造復合形成的三角區。青山變形區與興仁?貞豐變形區以馬場斷層為界, 南界和北界分別為豬場?上寨斷層和楊家大坡斷層, 主要發育北東向斷層。上述兩區發育先存構造: 盤縣斷層、青山鎮斷層、花魚井斷層和馬場斷層, 形成時間早于二疊紀。興仁?貞豐變形區東部邊界大致與揚子克拉通和華南褶皺帶邊界一致, 南、北邊界與青山變形區相同, 區內廣泛發育北東向、北西西向以及近南北向構造。紫云?六盤水變形區, 其南界和北界分別為楊家大坡斷層和紫云?羅甸斷裂, 東部構造走向北西, 局部北東向斷層切割北西向斷層, 西部主要發育北北東向構造, 切割早期北東東?南西西向構造(王硯耕等, 1994; 胡煜昭, 2011)。

2 裂縫特征與應力地質分析

本次研究設計了七條觀測路線: 興義七舍?關嶺(Qg)、關嶺?晴隆花貢(Gl)、晴隆?盤縣(Qp)、安龍?冊亨(Ac)、冊亨?望謨(Cw)、盤縣?興義(Px)、普安地瓜?興仁(Dg)和興仁?安龍(Xa)(圖1)。野外調查路線共計約600 km, 觀測點251個。

2.1 不同變形區裂縫特征與優勢方位

本次研究利用共軛剪裂縫的幾何形態來分析最大主應力方向。由于研究區中?新生代應力場發生多次更迭, 首先要將裂縫進行分期與配套。本次研究裂縫組的分期原則為: ①早期裂縫組限制晚期裂縫組, 晚期裂縫組切割早期裂縫組; ②裂縫組相互交切, 且發育規模相似, 為共軛關系; ③利用各期裂縫脈體充填情況來判斷裂縫形成時序。

筆者在研究區進行野外實地觀測, 共獲得了574組裂縫的幾何學參數(圖2)。在測量地層和裂縫產狀之后, 將巖層旋轉至水平, 獲得旋轉后的裂縫產狀, 最后利用Tectonics FP1.7.8軟件計算最大主應力方向。

盤縣變形區裂縫走向優勢方向為NW300°～ 320°、NNW340°～360°、EW260°～280°、NE0°～40°(圖3a)。青山變形區裂縫走向優勢方向為EW260°～ 280°、NE40°～60°、NW300°～320°、NE20°～40°(圖3b)。紫云?六盤水變形區裂縫走向優勢方向為NW320°～ 340°、NW300°～320°、NW340°～360°, 其他方向分布比較平均(圖3c)。興仁?貞豐變形區裂縫走向優勢方向為NW300°～340°、NW340°～360°、NNE20°～40° (圖3d)。

(a) 盤縣變形區觀測點Qp32(盤縣紅果)關嶺組灰巖裂縫1、2和3產狀分別為10°∠70°、210°∠85°和350°∠66°; (b) 青山變形區觀測點Dg1(普安地瓜)飛仙關組砂巖裂縫1和2產狀分別為269°∠85°和181°∠89°; (c) 興仁?貞豐變形區觀測點Qg31(興仁縣順發煤礦)飛仙關組泥質粉砂巖裂縫1和2產狀分別為185°∠31°和85°∠70°; (d) 紫云?六盤水變形區觀測點Qg42(回龍鎮)永寧鎮組灰巖裂縫1和2產狀分別為290°∠74°和49°∠83°。

2.2 應力地質特征

盤縣變形區最大主應力優勢方位為NNW340°～ 360°、NE40°～60°(圖4a)。青山變形區最大主應力優勢方位為EW260°～280°、NNW320°～340°和NNE20°～ 40°(圖4b)。紫云?六盤水變形區最大主應力優勢方位為NW300°～320°、NWW280°～300°、NNW340°～ 360°和NE40°～60°(圖4c)。興仁?貞豐變形區最大主應力優勢方位為NNW320°～340°和NWW280°～ 300°、NNW340°～360°和NNE0°～20°(圖4d)。

總體上, 黔西南地區中?新生代四個構造變形區最大主應力優勢方向不盡相同, 但仍有共同點(表1)。NE-SW和NNE-SSW向應力(表1中帶C方向值)主要作用于盤縣、青山和紫云?六盤水變形區, 興仁?貞豐變形區較弱。NNW-SSE和NW-SE向應力(表1中帶B方向值)在研究區作用普遍較強, 在不同的區域應力稍有偏轉。NWW-SEE向和近東西向應力(表1中帶A方向值)主要作用于青山、紫云?六盤水和興仁?貞豐變形區, 盤縣變形區該方向應力作用較弱, 暗示構造作用自東向西擴展。紫云?六盤水變形區最大主應力優勢方向是300°～320°, 由于該區東部以北西向構造占優, 而西部以北北東向構造為主, Gl線路更靠近西部, 主要統計了北西?南東向應力。

(a) 盤縣變形區; (b) 青山變形區; (c) 紫云?六盤水變形區; (d) 興仁?貞豐變形區。n為裂縫組數量。

(a) 盤縣變形區; (b) 青山變形區; (c) 紫云?六盤水變形區; (d) 興仁?貞豐變形區。n為共軛剪裂縫計算出的最大主應力數量。

表1 黔西南地區最大主應力方向統計表

本次研究利用濟南礦巖試驗儀器有限公司HSW- 1000B巖石三軸儀測得11個樣品的抗壓強度和初始抗剪強度, 后續計算中相同巖性采用相同測試數據。應用數學公式3–1=(c–2)/cos, 其中3為最小主應力,1為最大主應力,c為巖石抗壓強度,為巖石初始抗剪強度,為共軛角, 求解可以獲得最大差應力值(陳慶宣等, 1996)。該方法應用于黔西南地區, 結果見表2。NE-SW向(包含NNE-SSW向)優勢應力最大差應力介于30.5～140.0 MPa, 平均值84.3 MPa; NNW- SSE向優勢應力最大差應力介于71.0～126.8 MPa, 平均值94.4 MPa; 近東西向(包含NWW-SEE向)優勢應力最大差應力介于48.3～77.1 MPa, 平均值73.6 MPa。可以看出最大差應力由大到小依次是NNW-SSE向、NE-SW向和近EW向, 與前述NNW向應力在全區作用最強, 近EW向應力表現較弱的情況相吻合。

3 應力場數值模擬分析

為了預測應力與應變, 學者們常利用褶皺和斷層相關褶皺的幾何學和運動學模型來進行相關的研究(Suppe, 1983; Jamison, 1987; Suppe and Medwedeff, 1990)。這些模型能夠預測地質體幾何形態, 但是無法準確預測變形部位的巖石力學行為。巖石力學屬性和構造位置控制斷裂帶的應變過程(Ferrill and Dunne, 1989; Hickman et al., 2009), 巖石力學性質和應力場則與中、小尺度變形的發育相關(Smart et al., 2012), 僅利用幾何學和運動學模型, 無法準確獲取變形構造類型和演化過程。所以, 本次研究考慮地層巖石力學性質和應力?應變演化史, 采用Abaqus有限元數值模擬技術來研究本區構造演化。

3.1 幾何模型

考慮到金礦所賦存區域, 本次模擬對象不包含紫云?六盤水變形區, 設計為北西向矩形, 長邊164 km,短邊90 km, 面積14760 km2。該區元古界?泥盆系多未揭露, 巖性與厚度不清, 模擬僅針對石炭系及其上覆地層。三個變形區內有兩套重要的滑脫層: 石炭系與泥盆系界線附近地層以及龍潭組煤系地層(胡煜昭, 2011)。為了提高計算速度和模擬結果的精度,筆者按照巖性特征將整個目的層段進行簡化合并, 將研究區劃分為4個力學層, 從下至上: ①B1層: 下石炭統巖關組底面?上二疊統龍潭組底面, 主要為灰巖和白云巖, 厚度約3150 m。②B2層: 上二疊統龍潭組底面?下三疊統飛仙關組底面, 主要為黏土巖夾灰巖、粉砂巖及煤層, 厚度約500 m。③B3層: 下三疊統飛仙關組底面?上三疊統賴石科組底面, 研究區中、下三疊統存在相變, 飛仙關組至竹桿坡組, 下部為細砂巖和粉砂巖夾泥巖, 中、上部為白云巖和灰巖夾泥質灰巖和泥巖; 夜郎組至邊陽組, 下部為泥質粉砂巖和泥巖夾泥質灰巖, 中部為白云巖夾泥巖和泥質白云巖, 上部為泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖夾鈣質粉砂巖、鈣質泥巖、泥質灰巖和灰巖, 厚度約900 m。④B4層: 上三疊統賴石科組底面?龍頭山組頂面, 主要為泥質粉砂巖、鈣質泥巖和泥巖夾泥質灰巖、砂巖、巖屑石英砂巖、含礫砂巖和煤層, 厚度約1800 m。侏羅系?新生界因分布局限, 沒有進入力學分層序列(圖5)。

表2 共軛角計算各優勢方向最大差應力值

3.2 物理模型

3.2.1 材料屬性

本次研究材料屬性參數賦值所遵循的原則: 每層以含量大于70%的巖石類型的物理力學性質為主, 為主要的計算參數, 其他巖石類型力學性質作為參考; 若一個力學層中多種巖石類型的含量相差不大, 模型的計算參數則為這幾種巖石力學數據的平均值。

本次研究的材料力學參數確定主體根據露頭區三軸巖石力學實驗結果, 考慮各個力學層的厚度, 以及不同構造形態和構造部位, 運用加權平均的方式和類比法, 綜合分析而獲得的。將研究區斷裂兩側適當范圍內的巖石力學參數按照一定比例(60%左右)降低, 具體的數據可以根據研究區實際的巖性組合以及斷層規模予以適當的調整(表3)。

C1y. 巖關組; C1d. 大塘組; C1b. 擺佐組; C2h. 黃龍組; C3m. 馬平組; P1p. 平川組; P2q. 棲霞組; P2m.茅口組; P3l. 龍潭組; P3c.長興組; T1f.飛仙關組; T1yn. 永寧鎮組; T1y. 夜郎組; T1a. 安順組; T2g. 關嶺組; T2y. 楊柳井組; T2z. 竹桿坡組; T2x.新苑組; T2b. 邊陽組; T3ls. 賴石科組; T3b.把南組; T3h. 火把沖組; T3l. 龍頭山組。

表3 黔西南地區力學物理模型材料參數值

3.2.2 網格單元劃分

黔西南地區受到不同期次與不同強度構造活動的影響, 使得構造形態較為復雜。采用人工控制與自動相結合的方法較為適宜。研究區依據CPS8R單元, 兼顧計算機容量和復雜程度, 從地質模型中抽象出力學模型, 劃分網格30000個, 節點42610個(圖6)。

3.2.3 邊界條件

黔西南地區中?新生代不同時期分別受NE-SW向、NNW-SSE向和近EW向擠壓應力, 依據表1應力方向的統計, 選擇占比高的應力方向NE-SW向45°～225°、NNW-SSE向140°～320°和近EW向100°～280°施加應力。依據差應力大小的計算, 上述三個方向分別施加84.3 MPa、94.4 MPa和73.6 MPa應力。應力方位邊界和數值模擬邊界條件見表4和圖7。

圖6 黔西南地區中部晚三疊世?早白堊世有限元分析網格化模型

表4 黔西南地區中部構造模型邊界條件

(a) NE-SW向施力; (b) NNW-SSE向施力; (c) 近E-W向施力。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 晚三疊世?早白堊世

3.3.1.1 最大主應力

3.3.1.2 最大主應變與最大剪應力

3.3.2 古新世

3.3.2.1 最大主應力

3.3.2.2 最大主應變與最大剪應力

圖8 黔西南地區中部晚三疊世?早白堊世最大主應力分布圖(“”代表金礦床)

圖9 黔西南地區中部晚三疊世?早白堊世最大主應變和最大剪應力分布圖

圖10 黔西南地區中部古新世最大主應力分布圖

圖11 黔西南地區中部古新世最大主應變和最大剪應力分布圖

3.3.3 始新世

3.3.3.1 最大主應力

3.3.3.2 最大主應變與最大剪應力

圖12 黔西南地區中部始新世最大主應力分布圖

圖13 黔西南地區中部始新世最大主應變和最大剪應力分布圖

4 討 論

區內金礦田深部均存在提供成礦流體的巖體(曾國平, 2018), 且重力資料顯示其分布廣泛(胡煜昭, 2011), 構造作用為成礦的主控因素。研究人員發現最大主應變控制褶皺的形成, 最大剪應力則與斷裂的發育相關(唐永等, 2012)。此次有限元模擬顯示晚三疊世?早白堊世最大主應變高值區主要發育于青山變形區中部和西南部以及興仁?貞豐變形區北部, 最大剪應力高值主要出現在興仁?貞豐變形區南部西側。青山變形區南部泥堡、樓下金礦位于先存的北東向馬場斷層附近, 該時期最大剪應力中等, 斷裂破碎帶為容礦構造。變形區西部架底金礦床靠近先存的區域性大斷裂盤縣斷層, 與NE-SW向構造應力低角度相交, 可能表現為走滑性質, 產生NW-SE向擠壓分量, 模擬顯示最大主應變較高, 褶皺層間滑動帶富集礦體(曾國平, 2018)。先存構造對礦床的發育有明顯的控制作用。

興仁?貞豐變形區南部西側大丫口金礦最大剪應力較大, 含礦層受近東西向斷層控制。該區南部東側戈塘金礦最大主應變中等, 金礦床受穹狀背斜影響。變形區北部紫木函和水銀洞金礦最大主應變高, 富礦層位發育于背斜軸部和近軸部的層間滑動帶。

5 結 論

中?新生代黔西南受特提斯構造域和濱太平洋構造域疊加復合影響, 各變形區受力狀態、變形特征以及構造控礦型式不同: ①晚三疊世至早白堊世研究區受古特提斯域和早燕山運動的影響, 產生NE-SW向應力, 應力強度表現為西強東弱, 青山變形區容礦構造受先存的NE向構造控制, 而興仁?貞豐變形區容礦構造則受NW和NWW向構造影響。②古新世研究區受晚燕山運動的影響, 全區范圍受NNW-SSE向應力作用, 產生新的NE向構造, 該期構造對礦床改造較強。③始新世研究區受太平洋板塊向西俯沖的影響, 產生近東西向應力, 變形強度表現為東強西弱, 該期構造對礦床改造較弱。④青山變形區中部、興仁?貞豐變形區北部及南部東側存在隱伏金礦床。

致謝:感謝昆明理工大學董有浦副教授和另外一位匿名審稿人對本文提出的寶貴修改意見。感謝西北大學劉池陽教授、中國地質大學(武漢)沈傳波教授與葛翔副教授在寫作過程中的指導。謹以此文獻給恩師梅廉夫教授60歲華誕。

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Characteristics of Meso-Cenozoic Tectonic Deformation and Simulation of Stress Field in Southwest Guizhou Province

CHEN Youzhi1, YANG Guilai2and TANG Yong3*

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, Guizhou, China; 2.Chengdu Geological Survey Center of China Geological Survey, Chengdu 610000, Sichuan, China; 3.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China)

Southwest Guizhou, located in the southwest of the Yangtze craton, is a famous Carlin-type gold province. Being controlled by both Tethys and Pacific tectonic domains, this district featured complex tectonic characteristics, and the relationship between the tectonic evolution and gold mineralization is actively disputed. To delineate the relationship between the tectonics and gold deposits, the geometry of structural fractures, and stresses of the main tectonic periods are analyzed. In addition, the stress and strain characteristics in each tectonic period are simulated by the Abaqus finite element software. We gained the following results: (1) Under the control of the Paleotethys domain and early Yanshan movement, the principal stress was NE-SW direction during Late Triassic-Early Cretaceous with a eastward decline in strength, which resulted in a series of NW structures, whereas the pre-existing NE faults exhibit strike slipping features. The structures formed in this stage are the main ore-bearing structures; (2) Due to the late Yanshan movement, the principal stress direction changed to NNW-SSE during Paleocene, and the newly formed NE structures deformed the previously formed gold deposits; (3) The subduction of the Pacific plate beneath the Asian continent in Eocene triggered the principal stress of W-E direction, its strength declines from east to west. The relatively weak deformation has little effect on these gold deposits; (4) Based on these understanding, areas like the middle of the Qingshan area and both north and southeast of the Xingren-Zhenfeng areas were suggested for future gold prospecting. In summary, the combined field geological survey and Abaqus finite element simulation demonstrate that the gold mineralization is closed related to the tectonic evolution, and can be used as a new method for the gold prospecting especially for the Carlin-type gold deposit.

Southwest Guizhou; Meso-Cenozoic; structural deformation; finite element; gold deposit

2020-03-20;

2020-06-07

貴州省科技計劃項目(黔科合基礎[2018]1065)、黔西南州科技計劃課題(2018QXN79225)、貴州省重點學科項目(ZDXK[2018]001)和湖北省教育廳計劃項目(T201905)聯合資助。

陳友智(1982–), 男, 博士, 講師, 主要從事構造地質學研究。Email: cugchenyz@126.com

唐永(1981–), 男, 博士, 講師, 主要從事構造應力場研究。Email: water_0820@163.com

P542

A

1001-1552(2021)04-0667-014

10.16539/j.ddgzyckx.2021.04.003