泵吸成礦作用:一種流體運移動力學機制

李德東,解洪晶,孫 燕,張鳳琴,楊云鵬,邱金柱,劉俊利

(1.北京礦產地質研究院有限責任公司; 2.中國地質大學(北京); 3.遼寧省有色地質一〇三隊有限責任公司)

引 言

內生金屬礦床中常見規模比礦體大得多的近礦圍巖蝕變,表明大型—超大型礦床的形成需要大規模流體參與[1-3]。但是,深部富礦流體如何實現快速上升并在地殼淺部大規模卸載金屬成礦的問題依然是一個謎。因此,富礦流體聚集成礦機制一直是成礦學的關鍵科學問題之一。普遍認為,構造作用可以使巖石發生破裂和變形產生應力差,流體在應力差驅動下,由高壓區向低壓區運移[4-5],因而可以利用流體力學中的有壓管流來描述礦液泵吸上侵過程[6]。巖漿在裂隙中快速上升被認為主要由巖漿浮力來驅動[7],而流體運移可能歸因于泵吸作用,常伴隨地震的發生,被稱為地震泵吸作用[8-11],認為斷層是流體活動的場所和總開關,并稱為斷層閥作用[12]。盡管斷層本身可能起到一定程度的泵吸作用[8],以及斷層內可形成少量的斷層巖[13],但大量礦體的主要賦存部位往往不是斷層本身[14],斷層更多地起到溝通深部流體(或巖漿)儲庫的作用。正如地震的發生經常與流體運移耦合在一起[15-16],但二者之間并不存在必然的聯系。原理上,誘發地震需要應變積累到一定程度(達到地質體裂開的閾值)才可以發生[17],然而應變積累未達到觸發地震時流體也可以進行遷移[18]。事實上,大多數地震發生前往往先發生流體異常變化[15,19-20]。同理,當應變足夠大,但沒有溝通深部流體庫的斷層存在時,也不能引起深部流體的大量遷移。因此,深部流體大規模向上遷移機制依然需要進一步厘清。據此,本文提出2種泵吸作用機制:“構造泵吸”和“巖漿泵吸”,認為其對內生金屬成礦作用具有重要的控制意義。

1 地質過程中的泵吸作用

深部物質向地殼淺部運移必然存在某種機制,正如抽水機抽取地下水利用泵吸作用機制一樣,深部流體(包括巖漿)向淺部運移也應該由類似這種泵吸作用來控制。這種機制在油氣運移過程中已經得到重視[10-11]。孫永河等[11]的天然氣在泵吸作用下運移物理模擬試驗很好地再現了這一過程。不管儲層條件如何,只要斷層封閉性差,流體就不會被泵吸進來(因不能形成負壓區),只有蓋層封閉性好的裂隙才可以泵吸流體,并且流體很容易進入孔隙度大的巖層。石油勘探者們利用這一原理,采用人造裂隙系統(水壓致裂系統)來將儲油層中零散分布的石油集中起來進行抽取,以提高采油率[21-26]。這充分說明泵吸作用可以起到吸取(或聚集)深部流體的作用。

馬德堡半球實驗首次證實大氣壓的存在,也證實了這種泵吸作用。實驗中把2個直徑為37 cm的金屬半球合在一起并抽成真空,兩邊各用8匹馬才能勉強拉開,可見這種壓力差形成的作用力非常大。假設地殼淺部存在這樣一個真空泵,并且這個真空泵完全用來抽取花崗質巖漿,則與體積0.23 m3的花崗質巖漿質量相當(取花崗質巖漿密度為2 600 kg/m3),與真空泵的體積相比增大了10倍左右,若考慮深部巖漿向上遷移需要克服重力做功,那么隨著運移距離的增加和巖漿密度的增大,淺部真空泵抽取深部巖漿的體積會降低,大量的巖漿滯留在淺部地殼,但也存在著一些巖漿因淺部真空泵強大的抽吸能力或者巖漿密度差快速上升甚至噴出地表現象。誠然,深部巖漿或流體快速向淺部運移會產生強大的流體超壓,導致淺部巖漿房頂部受到垂直向上的最大主壓應力,形成放射狀裂隙[27],進一步導致淺部地殼形成局部構造負壓區,繼續抽吸巖漿或流體向淺部運移,這就構成自組織裂隙發展模式[28],但觸發這一作用的機制應該是泵吸作用。

2 泵吸類型和形成機制

泵吸類型主要取決于形成泵的類型。根據定義,泵最主要的特點是泵裝置在工作過程中相對密封,泵的一端(進口)連接流體源(庫),通過泵體驅動后,泵的另一端(出口)可以布置在指定位置。泵體能抽吸多深的液體到達地表,取決于泵的功率(假設導通管不變形)。原理上,要想使深部流體向上運移,必須使泵保持一個負壓區,即存在深部與淺部壓力差,并且具有深部流體庫溝通淺部泵體的通道,在巨大壓力差驅動下,流體迅速向上運移,這時泵中的壓力差迅速減小,若想使流體繼續上升必須繼續給泵施加動力以加大這種壓力差。油氣運移的一種特殊情況可能是因構造作用使地質體產生差異性,抬升砂巖層的負壓使油氣快速運移[10]。

地質作用下,泵吸類型可分為“構造泵”和“巖漿泵”。“構造泵”,顧名思義是由于構造作用使地層發生明顯變形甚至產生大規模張性裂隙,由于巖層各向異性會形成規模不等且不規則的多個負壓區(即“構造泵”),由這種作用形成的“泵”(相對封閉并且具有一定負壓空間)。而“巖漿泵”是除構造作用之外形成的負壓區,這樣的負壓區類型比較多,主要指因巖漿作用產生的負壓區,如巖漿侵位后因降溫凝固體積縮小與圍巖之間形成負壓區,巖漿侵位后因冷凝作用自身產生裂隙系統形成的負壓區,或者巖漿快速上升后原巖漿儲庫(源區)或通道內形成的負壓區。

淺部地殼中“構造泵”的形成,主要是在構造運動作用或沉積壓實作用下,由于不同巖層具有不同的物理性質,在強干層中易產生脆性破裂并且這些脆性裂隙相互連接形成更大的空隙腔(“泵”)(見圖1),而非強干層在力作用下發生彎曲柔皺(韌性變形),由于蓋層具有良好的封閉性,這些空隙腔(“泵”)形成巨大的負壓區。若不存在外部應力,只有壓實作用存在,那么非強干層A(見圖1-a)會因受蓋層壓力并且受到下伏強干層的阻力變薄,而強干層B受壓會產生略平行于主壓力的裂隙,裂隙出現會增加強干層B的體積(見圖1-b)。若外部為擠壓應力條件,強干層在強大擠壓應力下產生裂隙膨脹(裂隙會逐漸與最大擠壓應力方向平行),從而使上覆非強干層上彎變薄(見圖1-c);若外部為拉張應力條件,則主要是蓋層的壓實作用疊加拉張應力對不同性質巖層作用,在強干層中易產生略垂直拉張應力方向的裂隙,非強干層因拉伸變薄(見圖1-d)。這些作用力產生的構造裂隙實際上就是“構造泵”,且裂隙往往集中形成透鏡狀裂隙群[29],這些不規則并且規模較小“構造泵”互相連接形成大的空腔(負壓區),如果存在深大斷層或裂隙溝通深部流體庫,那么深部流體必定在強大壓力差作用下迅速向上運移,深部流體運移到淺部負壓區時,大大減小“泵”(負壓區)的壓力差,深部流體可能會失去上升的動力不再上升,而上升到“泵”(負壓區)內的流體要么繼續向更淺部“泵”(負壓區)運移,要么永久滯留在這個“泵”中。

由于巖漿(或流體)被泵吸到淺部“構造泵”中(見圖2-a),假設巖漿儲庫(深部巖漿房)體積不變,那么巖漿儲庫形成一個真空負壓區(見圖2-b),這個真空負壓區是由于巖漿向上運移形成,因此稱之為“巖漿泵”。另外,熱的巖漿(或流體)運移到淺部“構造泵”后因冷凝體積縮小,則可以形成淺部巖漿房內的負壓區(見圖2-c),因此把它歸并到“巖漿泵”中,這種“巖漿泵”有一種特殊情況就是斷層中的巖漿(巖墻)冷凝后與圍巖形成的負壓區,類似于連通管模型[30-32],也應稱為“巖漿泵”。這2種“巖漿泵”具有一定的負壓,深部“巖漿泵”若存在溝通更深部或周圍同層位或較淺部位巖漿(或流體)儲庫的斷層則會泵吸這些巖漿(或流體),而淺部“巖漿泵”也會抽吸淺部或更淺部的流體進入,圍巖中的流體可能因這種機制進入“巖漿泵”中。

3 泵吸成礦作用

構造泵吸成礦作用主要表現在因構造作用產生的“泵”直接抽吸含礦流體形成獨立礦體,如因逆斷層作用使下盤圍巖層因巖性不同產生層間不規則“構造泵”(見圖3),在斷層溝通深部含礦流體時可形成不規則狀礦體。從多數典型礦床剖面圖來看,礦體的出現往往伴隨著逆斷層[14],從力學分析來看,逆斷層下盤巖層受到上盤巖層擠壓作用,并且受到因上盤巖層重力產生向下的分力,使下盤巖層受到擠壓作用(見圖3-a),根據牛頓第三定律,下盤巖層施加給上盤一個反作用力,阻止其向下滑動,由于構造作用力使上盤圍巖向上逆沖產生運動,因此給下盤巖層造成較大的沿斜面向上的拉伸作用,使下盤不同巖層之間產生虛脫空間,因此逆斷層的下盤巖層容易出現一定范圍的構造負壓區(見圖3-b),但經常因巖石具有不均一性,往往形成構造透鏡體[33-35],如遼寧八家子鉛鋅礦床主要位于逆斷層下盤(見圖3-c),冷水坑礦體也主要產于逆沖斷層F2下盤,呈似層狀(見圖4),并且這些礦體距離逆斷層非常近;有的礦體直接產于褶皺頂端,如遼東玉隆鉛鋅礦床[36];還有的礦體是褶皺與斷層復合控制,褶皺形成的負壓區被斷層溝通深部含礦流體庫形成,如遼東青城子鉛鋅礦床[37-39]和黔西南一帶金礦床[40-44]。

a—逆斷層下盤巖受力分析 b—斷層下盤巖層構造負壓區 c—遼寧八家子鉛鋅礦床典型剖面圖3 逆斷層力學分析圖解與典型礦床剖面圖(據文獻[34]修改)

圖4 江西冷水坑Ag-Pb-Zn礦田132勘探線剖面圖(據文獻[35]修改)

超大型礦床往往形成于超大規模巖漿噴發(或侵入)之后[3,45],暗示超大規模巖漿噴發前必定存在大規模“構造泵吸”作用,并且超大規模巖漿噴發后形成的“巖漿泵”可以抽吸大規模含礦流體,說明大規模巖漿泵吸作用可以形成大礦。這里可能存在巖漿與成礦物質的耦合與解耦問題。巖漿(或流體)與成礦物質可作為一個整體向淺部運移后再發生成礦物質的分離,由于壓力降低使溶解在巖漿(或流體)中的成礦物質過飽和析出成礦物質。根據巖漿與成礦物質密度不同,在淺部巖漿房中形成不同密度分層的巖漿-礦漿房[46-47]。在淺部“構造泵吸”作用下,若存在斷層溝通這樣的巖漿房,密度較小的淺部巖漿層首先被抽吸侵位形成前導性巖漿巖體[48],然后是密度較大的巖漿或礦漿層被抽吸侵位形成貫入式礦體。在同一礦區,這2種情況均可以被發現,如金川硫化銅鎳礦床,既有熔離式礦體又有貫入式礦體[49],喀拉通克銅鎳硫化物礦床同樣有2種礦體[50]。這取決于巖漿熔離的速度與泵吸流體的速度差異,如果淺部泵吸作用極強,巖漿-礦漿混合體來不及分離(熔離)成明顯的兩層,那么泵吸的流體就是二者混合體,若構造泵的體積較大,允許礦漿-熔流體緩慢冷卻則可形成巖體中的上懸礦體(即熔離式礦體),如金川硫化銅鎳礦床經常發現熔離式礦體或上懸式礦體[49];若不允許礦漿-熔流體緩慢冷卻,也就是說冷凝速度很快,則二者不容易分開,形成混合體,會經常發現的巖脈就是礦體的現象,如紅旗嶺銅鎳硫化物礦床7號巖體就是礦體,圖拉爾根銅鎳礦床1號巖體就是礦體等[51-53]。

與熱液有關的礦床也可能是由泵吸作用形成。如經常發現含金石英脈主要發育在變形作用晚期階段,出現在區域變質作用峰期之后的低壓韌性變質變形環境中[54],礦脈形狀復雜,受控于剪切帶或其中的糜棱葉理,礦體分布于剪切帶內狹窄的高應變區域內,并且2個宏觀礦體之間往往被遭受蝕變或未遭受蝕變改造的糜棱巖占據[55],這應是2個空腔相連通或未連通的一個很好證據,同時說明糜棱巖化過程是產生構造泵的一個重要作用。礦體侵入應是典型的裂隙(“構造泵”)抽取含礦流體充填形成的證據,通常充填于裂隙中的礦體展現出向四周呈放射狀分布形態,表現出中心擴展式裂開特點[55],這說明成礦流體被強大的泵吸作用力抽吸所呈現的近場應力場明顯區別于區域應力場特征。研究表明,成礦期的裂隙以張性為主[27],也說明“構造泵”的形成主要是張性裂隙系統組成,因此這種成礦作用暗示與巖體/巖層變質變形時間是相近的。

4 討 論

4.1 構造變形帶約束“構造泵”作用范圍

淺部地層發生構造變形,因不同物理屬性的巖層存在不同力學性質,在良好蓋層封閉條件下,會形成“構造泵”。因此,“構造泵”的形成均離不開構造運動使不同巖層發生變形,特別是剪切變形更有利于“構造泵”形成[56]。同理,“構造泵”的作用范圍可以用構造變形來約束,離開構造變形區域不可能形成“構造泵”。

變形巖石發生體積損耗是普遍存在的現象[57-58],碎屑沉積巖在上覆巖層重力壓實作用下,通過孔隙水的流失,可產生50 %的體積損耗[59],劈理形成過程中也有50 %的體積損耗[60],背斜核部巖石體積損耗為30 %～50 %,而其他地帶為10 %～40 %[60],糜棱巖形成過程中可以產生大于60 %的體積損耗[61],并且大量體積損耗主要是因長石壓溶、分解造成SiO2和堿金屬流失,變質流體中存在的主要成分為Si和堿金屬,也是成礦流體的重要組分,估計的流體與巖體比值為200～400[62-64]。這些流體出現的地方是變形最強烈的位置[65],并且這些流體可以參與到成礦流體之中。變質變形的巖石中會發生如此大的體積損耗,在良好蓋層作用下就會產生較大的構造負壓作用,反之亦然,可以大膽推測在變形變質區域一定發生過大量的體積損耗,也就一定存在著強大作用的構造泵吸作用,奠定了后面的成巖與成礦的動力學基礎。因此,在一個地區需要重視構造變形的作用范圍,更需要研究什么類型的巖石變形變質后體積損耗最大,并且還要考慮一個地區變形變質巖分布是否均勻,嘗試恢復變形前的古狀態,以便更好理解構造演化歷史,為后面研究成巖成礦做好基礎工作。如果對一個地區恢復變形前的古狀態存在困難,那么可以假設體積損耗最大的區域存在巨大泵吸作用,當有貫通深部斷層時,一定會有深部巖漿或流體被泵吸進來,據此可以調查大面積出現的侵入巖、噴出巖和蝕變巖,這些地方可能是當時存在巨大“構造泵”的地方。最明顯的例子是某地區集中大量出現的巖漿巖,特別是出現大量的巖漿核雜巖[66]和寬成分譜系巖墻群[30,67],這可能就是泵吸作用形成的,需要注意的是,有一部分寬成分譜系巖墻群是因巖漿作用使地殼淺部裂隙被巖漿充填形成,應歸類于“巖漿泵”作用范疇。因此,利用大面積出現的巖漿巖可以指示變形構造作用的范圍[68]。同理,可以根據變形變質巖分布范圍來約束成巖成礦的作用范圍。

4.2 巖漿泵作用范圍

從前面的定義來看,“巖漿泵”作用范圍是因巖漿作用形成的負壓空間區域,這樣的空間區域往往局限于巖漿巖體內部或其周圍。在巖漿巖體內部,因深部巖漿被前期“構造泵”作用快速向上運移,巖漿與通道之間具有較大的溫度梯度,所以巖漿巖體邊部固結速度較快,而中心固結速度較慢[30],在巨大的淺部抽吸作用下形成類似中空的巖漿管道,同時因巖漿向上快速運移,巖漿管道內形成負壓空間,會繼續抽吸深部巖漿或流體,若抽取的是深部巖漿,則形成環狀雜巖體,這樣的雜巖體具有中間巖相形成晚,而邊部巖相形成較早的特征,如遼寧青城子礦集區雙頂溝巖體,中心巖相要稍晚于主體巖相[69]。若抽取的是深部巖漿-含礦流體混合體,則形成類似斑巖型礦體,如河北省安妥嶺斑巖型鉬礦床[67]。同時,因巖漿巖體邊部固結速度快,與圍巖之間形成局部負壓區,這樣的負壓區同樣也可以抽吸深部巖漿或流體,抽吸深部巖漿形成中心巖相形成較早而邊部巖相形成較晚的環狀雜巖體,如河北省礬山—陽原環狀雜巖體[70]。若抽吸深部巖漿-含礦流體混合體,則巖體與圍巖之間形成接觸交代型礦體,如云南馬廠箐巖體,巖體中形成斑巖型銅-鉬礦床,巖體與地層內外接觸帶形成接觸交代型銅-鉬(鐵)礦床,巖體外圍地層中形成淺成低溫熱液礦床[71],這些礦床的形成可能歸因于巖漿泵吸作用。需要注意的是,因巖漿快速上升侵位使圍巖產生大量裂隙形成的負壓區也應歸類于巖漿作用形成的“構造泵”作用范疇。

4.3 泵吸機制對成礦預測的意義

泵吸作用對成礦具有很好的控制作用,因此利用泵吸作用可以指導找礦預測。最關鍵的是,需要明確哪些構造活動可以產生泵吸作用。如前文所述,韌性剪切作用(包括推覆作用產生褶曲構成的虛脫空間)可以產生泵吸作用;隱伏斷層張開也可以產生泵吸作用;快速上升巖漿的通道,以及其上升后深部巖漿房和淺部巖漿冷卻后與圍巖之間同樣也可以產生泵吸作用。

韌性剪切帶與金礦床的時空關系密切[72-75],韌性剪切帶中既存在韌性剪切期金礦化,又存在韌性剪切期后蝕變破碎帶型金礦化,既有深部成礦物質來源,又有淺部表層成礦物質來源[76],利用一般的礦床學理論是不容易理解的,但利用泵吸作用(既可以抽吸深部流體又可以抽吸淺部流體)就不難理解這些成礦現象。通常,與韌性剪切帶有關的金礦體在空間上僅限于剪切帶內,很少跨越剪切帶的影響范圍[55],因此可以利用剪切帶的作用范圍來約束成礦作用范圍。例如,遼東五龍金礦區具有工業意義的礦脈主要集中分布于剪切應變較強的東部地區[77],遼東四道溝金礦床主要位于鱗片狀構造變形擴張帶內(見圖5-a),甘肅金川硫化銅鎳礦床礦體也處于韌性剪切帶內并受脆韌性剪切帶控制[78-80]。

圖5 遼寧四道溝金礦床勘探線剖面圖(a,據文獻[78]修改)、吉林紅旗嶺鎳礦床7號礦體剖面圖(b,據文獻[51]修改)

隱伏斷層的拉張空間也是一種“構造泵”,隱伏斷層暗示具有較好的蓋層,斷層張開的裂隙空腔其實就是一種“真空泵”,這種斷層空腔如果溝通深部巖漿房就會泵吸巖漿形成巖墻或巖脈,如果溝通成礦流體庫就會形成礦脈。例如,吉林紅旗嶺鎳礦床7號礦體就是隱伏斷層溝通深部礦漿-熔漿混合體貫入形成(見圖5-b),新疆圖拉爾根1號礦體[53]也是隱伏斷層溝通深部礦漿-熔流混合體形成的。并且這種隱伏斷層可以形成垂向地球化學分帶,具有成礦專屬性[81],因此沿這種隱伏斷層的垂向地球化學測試分析特別是成礦元素的規律性變化是指導深邊部找礦預測的關鍵。

巖漿快速上升的通道或其上升后的深部巖漿房及淺部巖漿冷卻后與圍巖之間同樣也可以產生泵吸作用。巖漿快速上升的通道具有泵吸作用比較容易理解,特別是巖漿型礦床中出現的通道式礦體[3,45,82]就是最好的例證。根據巖漿和礦漿的密度不同,在深部巖漿房會形成密度分層,密度大的礦漿位于密度較小的巖漿下部,由于淺部泵吸作用,使上層低密度巖漿優先泵吸運移到淺部“構造泵”,這時淺部“構造泵”的泵吸作用減弱,并且溝通深部巖漿房的斷層也被巖漿充填,無法再繼續泵吸更深部熔離的礦漿層,但必須存在著一種作用使深部熔離的礦漿進行上侵,推測是快速上侵的巖漿在通道內形成巖漿通道型泵吸作用,類似于抽水機原理,這里必須強調的是巖漿快速上升使巖漿通道能保持一個短暫的貫通通道(沒有固結封閉),才能使通道內的巖漿起到一個“活塞”作用,抽吸更深部的礦漿。例如,圖拉爾根1號礦體被認為是沿同一通道侵入[53],金川硫化銅鎳礦床中的巖漿深部熔離-礦漿貫入型礦體的上侵也是沿著先期同一通道侵入[46,49],還有四川攀枝花礦床也是這種成因[3]。只有深部巖漿房中的巖漿被抽吸到淺部,才可能使深部巖漿房中的巖漿減少,更深部的巖漿或礦漿才可能被抽吸到此巖漿房中,類似于“潛水泵”原理,這樣可以從深部向淺部存在多個泵吸作用,使深部巖漿或流體源源不斷地向淺部運移。

5 結 語

根據泵的工作原理,結合巖漿和礦漿侵位機制進行探討,由于構造變形使一個地區的巖層發生變質變形,產生大量體積消耗,形成大規模的“構造泵”,抽吸深部巖漿房中的巖漿和/或成礦流體,使成巖和成礦作用常常耦合在一起,不同層次或級別的泵吸作用又使它們解耦在異處,但分布范圍均受到區域變質變形帶的約束。通過詳細野外調查圈定構造變形區域和巖漿作用范圍,泵吸作用可以對一個地區的找礦預測提供指導。

致謝:本文在成文過程中得到中國地質大學(北京)羅照華教授、北京礦產地質研究院有限責任公司王玉往研究員和王京彬研究員的指導,在此一并表示感謝!