冀东幔枝构造成矿作用及其地质找矿分析.pdf
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1、Mineralization and Geological Prospecting Analysis of Mantle Branch Structures in Eastern Hebei Province冀东幔枝构造成矿作用及其地质找矿分析牛树银,陈 超,张福祥,王丰翔,马宝军,王晨光,孙爱群,胡华斌NIU Shu-yin CHEN Chao ZHANG Fu-xiang WANG Feng-xiang MA Bao-jun WANG Chen-guang SUN Ai-qun HU Hua-bin河北地质大学,河北 石家庄 050031Hebei GEO University,Shiji
2、azhuang 050031,China来稿日期:2023-05-19 DOI:10.13937/ki.hbdzdxxb.2023.04.002基金项目:河北省自然科学基金项目(D2015403013);河北地质矿产勘查开发局科研项目(13000022P00329410103R);河北科技厅重点研发项目(22374201D)。作者简介:牛树银(1952),男,河北昌黎人,教授,主要从事构造地质学与构造成矿控矿的教学与科研工作。E-mail:niusy 。摘要:简要回顾了从“变质核杂岩盆山耦合一盆多山地幔热柱地幔亚柱幔枝构造”等研究过程,逐步完善成为幔枝构造成矿控矿理论体系。幔枝构造是地幔热柱多
3、级演化的第三级单元,它不仅是陆内伸展构造的一种常见构造形式,也是重要的成矿控矿构造。深源含矿流体通过地幔热柱地幔亚柱幔枝构造有利构造扩容带,迁移到幔枝构造的脆韧性韧脆性主、次级拆离带,侵入岩体的内、外接触带,密集的构造裂隙带,多种脉岩与围岩的接触带等有利构造部位集聚成矿。在河北省建立了若干个幔枝构造,由于篇幅所限,仅解剖了冀东幔枝构造不同部位、不同成矿类型。核部是杂岩控矿金厂峪金矿,侵入接触小岩体控矿峪耳崖金矿,以及上盘盖层拆离带控矿尖宝山金矿,探讨其核部岩浆-变质杂岩、外围拆离滑脱层以及上叠断陷盆地的成矿作用,确定找矿方向,总结成矿规律,归纳成矿模式,指导新一轮地质找矿。关键词:幔枝构造;地
4、幔亚柱;地幔热柱;成矿作用;成矿规律;找矿方向;冀东地区中图分类号:P611 文献标识码:A 文章编号:1007-6875(2023)04-0002-14Abstract:This study briefly reviews the research processes from metamorphic core complex basin mountain coupling multiple mountains in one basin mantle plume mantle sub-plume mantle branch structure,and gradually improves t
5、he theoretical system of ore-controlling caused by mantle branch structure.Mantle branch structure is the third level unit of multistage evolution of mantle plume.It is not only a common structural form of intracontinental extensional tectonics,but also an important ore forming and ore controlling s
6、tructure.The ore bearing fluid from deep source migrates to the brittle-ductile,ductile-brittle main and secondary detachment zones of the mantle branch structure,the inner and outer contact zones of intrusive rock bodies,the dense structural fracture zones,the contact zones between various vein roc
7、ks and wall rocks,and other favorable structural parts to concentrate mineralization through the mantle plume,mantle sub-plume,mantle branch structure and its favorable structural expansion zone.Several mantle branch structures have been established in Hebei Province,but due to space limitations,onl
8、y different parts and mineralization types of mantle branch structures in Eastern Hebei have been dissected.Take Jinchangyu gold deposit,Yuerya gold deposit and Jianbaoshan gold deposit respectively as the core,intrusive contact on small rock bodies and surrounding rock,detachment zone between base
9、and cover layer deposit for examples,it researches on the mineralization of the core magma metamorphic complex,peripheral detachment layer,and overlying fault basin,determines the prospecting direction,summarizes the metallogenic regularities,summarizes the mineralization models,and guides a new rou
10、nd of geological prospecting.Keywords:mantle branch structure;mantle sub-plume;mantle plume;mineralization;metallogenic regularity;prospecting direc-tion;Eastern Hebei region002 幔枝构造是地幔热柱多级演化的第三级构造单元,是本科研团队 1990 年代自主创新提出的一种构造成矿控矿假说。经历了从“变质核杂岩盆山耦合一盆多山地幔热柱地幔亚柱幔枝构造”等研究过程,逐步完善成为幔枝构造成矿控矿理论体系。1 从变质核杂岩到幔枝构
11、造幔枝构造的提出找矿实践的检验地质找矿的推广,经历了 30 多年的漫长过程,完成了多个国家、省部级等科研项目的深入探索,出版了 17 部有关项目资助的科技专著,发表了 150 余篇有关项目资助的科技论文,得到了许多专家学者的鼓励与指导,并被较为广泛地应用于地质找矿。图 1 一盆多山耦合关系模式图Fig.1 Coupling relationship between multiple mountains in a basin20 世纪 90 年代,学校从塞外古城宣化搬迁至石家庄,科研团队的研究重点亦从华北地台北缘逐渐转移扩展到整个华北地区,除完成国家自然科学基金项目、省部级科研项目外,同时承担了
12、部分地方横向科研项目。从太行山区变质核杂岩推广至太行山隆起与华北断陷之山盆耦合分析了华北盆地与燕山、太行山、胶辽山地、秦岭的一盆多山耦合,进一步探索了地幔热柱多级演化及其成矿控矿作用。1.1 太行山区变质核杂岩变质核杂岩是美国学者 Crittenden 等1-3在研究美国西部科迪勒拉山伸展构造(新生代)基础上提出的,是地球演化过程中形成的一种伸展构造类型,并在地质找矿实践中取得长足进展,较好地认识了伸展构造体制下形成的构造形式,较系统地分析了变质核杂岩的几何学和运动学特征,探讨了其形成机理和成矿控矿作用。变质核杂岩还被广泛应用于北京怀柔、北京西山、小秦岭、长江中下游、太行山、内蒙古等地的地质学
13、研究 4-9。本科研团队较早地学习并应用了 Davis 等3,10提出的“变质核杂岩”模式,开展了“太行山构造岩浆带对金属矿的控制研究”,河北省地质矿产勘查开发局配置了同名课题,并从河北省综合地质队、地质六队、十一队、十三队和石家庄综合研究队遴选了 10名具有较丰富经验的地质人员参加,发挥了产学研密切合作的优势,应用新理论、新技术、新方法开展了地质找矿创新研究。团队认为阜平隆起和赞皇隆起是两个较为典型的变质核杂岩,并把变质核杂岩形成时代推至中生代,利用 3 年时间进行了野外实地调研,003得到了大量第一手野外资料,探讨了变质核杂岩的特征及成矿控矿作用,总结了金银多金属成矿规律,指出了找矿方向,
14、出版了专著 太行山区地壳演化及成矿规律。1.2 一盆多山耦合通过太行山隆起与相邻华北断陷进行研究对比,发现两者具有很密切的成因联系和耦合关系。华北断陷深部是巨大的地幔隆起。地幔已经上隆至 60 km,而其上部盖层则发育大规模的华北断陷,新生代断陷已经达到 510 km,刘和甫等11专门撰文探讨了挤压环境、伸展环境和走滑环境的盆山耦合关系。但是,华北断陷有所不同,它是以华北断陷为中心,外围大幅度隆起,包括西为太行山隆起,南为大别山隆起,东为胶辽山地,北是燕山山脉。Niu 等27撰文论述“一盆多山耦合关系”(图 1)。华北断陷外围发育一系列变质核杂岩(幔枝构造),与典型变质核杂岩相比,其组成特征有
15、较大差异,其发育时间亦有早、晚之别,例如:阜平变质核杂岩形成于中生代,核部变质杂岩、外围拆离滑脱带及盖层“三位一体”发育较为完整。核部的岩浆-变质核杂岩呈北东向展布,核部变质岩已经剥蚀到阜平群底部索家庄组,外围中元古古生代沉积盖层已经被剥蚀到阜平群外围,其间发育很好的拆离断层,变质核杂岩的各种构造单元展布清楚;而胶东地区郭家店变质核杂岩则发育较早,由于核部隆升较快,主要以岩浆-变质杂岩展布为主,上部盖层基本拆离剥蚀殆尽,已经进入杂岩阶段;鲁西变质核杂岩隆升幅度较小,核部变质杂岩展布区仍残留着 4 个中新生代断陷盆地,表明岩浆-变质杂岩核部隆升幅度尚小,沉积盖层尚未剥蚀殆尽,属于变质核杂岩演化的
16、早期阶段。很显然,变质核杂岩的组成与其隆升幅度有关,而隆起幅度又与核部中酸性侵入岩体的大小有关,岩体相对较大则浮力较大,隆升速度较快,幅度大,剥蚀强烈,甚至盖层被剥蚀殆尽,如胶东地区,仅残留少量盖层。反之,则浮力较小,隆升速度较慢,剥蚀幅度较小。此外,从岩浆来源、演化序列、活动强度、含矿特征等方面研究,将变质核杂岩命名为幔枝构造更为恰当。研究认为变质核杂岩和幔枝构造都是地幔热柱多级演化某一阶段的产物,不管组成特征如何,形成时代早晚,其动力学机制是一致的。1.3 地幔热柱多级演化地幔热柱是指核幔边界产生的呈柱状上升的高温低粘度热物质流,其顶部呈喇叭形张开,具有半球状顶冠和细颈尾柱的蘑菇状构造。它
17、不仅可以引起地壳深熔、大规模岩浆活动、区域变质作用以及地壳伸展、变质核杂岩隆升,也是金、银多金属成矿物质运移的重要载体和成矿控矿构造。日本学者 Maruyama12利用地震层析成图研究地球深部构造,并以地幔底界(2 900 km)、上地幔底界(670 km)和地壳底界(100 km)为限划分一、二、三级热柱。而随着热物质不断累积效应,地幔热柱便会衍生出二级地幔亚热柱和三级幔枝构造13(图 2)。图 2 地幔热柱三级模式图(据 Maruyama et al.,199412修改)Fig.2 Third order model of mantle plume地幔热柱可起源于核-幔界面,也可发源于上、
18、下地幔间的界面或岩石圈底部。起源于核幔边界的D层的地幔热柱规模较大。在上升过程中,受上、下地幔间以及幔壳间的剪切拆离作用影响,可以导致多级演化,也可不分级而直达地表,形成一柱到顶的通天柱,这可能取决于地幔热柱形成期间,地幔上涌时的温度差、压力差以及地球层圈间的剪切波速差等。2 幔枝构造及其成矿控矿幔枝构造(mantle-branch structures)是地幔热柱多级演化的第三级单元,是地幔热柱在地壳上的综合表现形式。主要构造单元及其特征如表 1 所示。地幔热柱和地幔冷柱的循环不仅沟通了核-幔-壳的物质循环,而且较好的解释了地壳垂向运动与水平运动的对立统一关系。特别是地幔热柱,通过亚热柱、幔
19、枝构造等多级演化,使地球的深部过程与地壳运动有机地联系起来。它不仅是幔壳运动、地形地貌演化、生态环境变化的主因,还对岩浆作用、成矿作用、成矿类型及地质灾害等起着重要的控制作用(图 3)。004表 1 幔枝构造不同单元的主要特征Table 1 Main characteristics of different units of mantle branch structure分区特征轴部岩浆-变质杂岩隆起区盖层拆离滑脱区外围上叠断陷盆地区构造形式多为正向穹窿区正向主、次级拆离滑脱区多为铲状断裂控制的断陷形态一般为浑圆状,受其它构造控制、干扰可为长轴状主要环绕核部岩浆-变质杂岩隆起区展布多为不规则断
20、陷火山-沉积盆地断裂规模超岩石圈断裂岩石圈断裂基底断裂基底断裂盖层断裂性质韧性脆韧性变形脆韧性韧脆性变形脆性断裂为主岩石组合主要为岩浆-变质杂岩中新元古界及其以上盖层地层主要为侏罗白垩系火山-沉积岩系岩浆演化深成基性中酸碱性岩浆活动均可发育中深成中酸性岩浆活动为主浅成火山喷出岩为主变质作用面状区域性变质作用为主,接触变质作用线状动力变质作用为主低级变质作用火山-沉积为主成矿作用Au、Cu、Mo 等Au、Ag 等Ag、Pb、Zn 等 上叠盆地多以构造断陷为主,往往以一组或两组陡倾断裂控制着盆地边缘。断陷盆地可发育成堑垒式,也可发育成箕状。控边断裂往往是一组高角度正断层。在空间上断裂往往表现出铲状
21、特征,即断裂的上部产状较陡,一般多在 50 80,往下则逐渐变缓,常为 4020。有些大规模的盆地边界断裂甚至可一直拆离到中、下地壳界线上,有的深达中地壳低速高导层。断陷火山-沉积盆地中的充填物多为火山岩系和沉积岩系。火山岩系包括火山熔岩、集块岩、角砾岩、凝灰岩等,岩性可从基性玄武岩至酸性流纹岩。沉积岩则包括砾岩、粗砂岩、细砂、粉砂岩、泥页岩等,总体上是以粗碎屑岩占优势。断陷盆地中火山岩与沉积岩的关系,既可是上下叠置的早晚层序关系,也可在横向上表现出互相穿插、镶嵌的指状交互关系。且火山岩系、沉积岩系均有相变频繁、厚度变化较大、物质成分复杂的特征。这种特征可能直接与断陷火山-沉积盆地的成因有关。
22、2.1 成矿物质 深部来源矿床在地壳中的形成与分布是极不均匀的,在区域上,常常在某些地区或区段形成某种或某几种元素的工业富集源区,即成矿集中区或矿聚区。在时间上,地球演化过程中成矿数量具有由少到多,聚矿能力由弱到强的趋势。这种时间上、区域上的特征主要取决于构造运动、岩浆活动、变质作用、地内流体、地球化学场等条件,这些条件的变化又依赖于地球的深部过程,或者说与地幔热柱多级演化密切相关。由于主拆离带较大的深切及活动的长期性,沿主拆离带又具有较好的构造扩容空间,使其成为很好的矿液通道。向上运移的含矿流体受主拆离带上盘盖层岩石的阻挡,往往沿主拆离带聚集形成矿体。受主拆离带的控制,可表现出舒缓波状,矿体
23、沿走向和倾向多呈透镜状、豆荚状,甚至有些成矿部位呈现出尖灭再现、尖灭侧现的展布。中生代以来,地球发生了覆地翻天之巨变,导致了大规模成矿作用。可以在幔枝构造核部花岗质岩体的内外接触带、主次级韧脆性剪切带、主次级拆离带、外围盖层裂隙带等构造部位集聚成矿。如果含矿流体含有多种成矿物质,一般根据成矿物质结晶温度梯度,还会出现铜金金金银银铅锌铅锌萤石、重晶石等成矿系列。成矿作用得以实现的充分必要条件首先是成矿物质来源,而其来源有两种基本认识:一种认为主要萃取自含矿围岩;一种认为主要来自深源。过去曾一度下大力气寻找矿源层,但结果并不理想。而更多的证据表明成矿物质主要来自深源,甚至可能来自核-幔边界,通过地
24、幔热柱多级演化向上迁移14-21。幔枝构造是进入近地表的构造单元,也即地幔热柱多级演化在地壳的表现形式,它不仅控制着盆山耦合关系,而且是主要的成矿控矿构造类型。具体的成矿控矿构造包括脆韧性剪切带,主、次级拆离带,铲状断裂,岩体内、外接触带,次火山岩构造,不同方向、不同性质的断裂,甚至裂隙,它们分别控005()地幔热柱成矿模式图 1-地球内核;2-内外核间转换带;3-地球外核;4-核幔间转换带;5-地幔;6-岩石圈;7-地幔柱构造;8-深源岩浆活动。()地幔亚热柱幔枝成矿模式 1-岩石圈硬块;2-地幔亚热柱;3-基性岩脉;4-花岗质侵入体;5-变质褶皱岩系;6-深部含矿还原系统流体,浅部氧化系统
25、大气降水;7-低速高导层;8-韧性剪切带。图 3 地幔热柱多级演化及成矿类型模式图Fig.3 Multistage evolution of mantle plume and metallogenic type model制着矿带、矿田、矿床、矿体、矿脉等的就位及储集,是主要的成矿控矿构造。研究表明,地幔热柱的形成及其多级演化,对金银多金属矿的成矿作用起着明显的控制作用。地球的平均化学成分(重量%)百分比依次分别为 Fe、O、Mg、Si、S、Ni、Ca、Al、Na、Cr、Mn、K 等,占地006球总量的 98%以上,其它元素不足地球总量的 2%。银的地球丰度值仅为 3.210-6,铅的丰度值为
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