剪切带型金矿是一种重要的金矿床类型，这种金矿的成矿机制与控矿因素都与剪切带有关，在世界范围内广泛发育，如中国东部的胶东矿集区、加拿大Abitibi绿岩带中的金矿床、西澳大利亚Norseman-Wiluna绿岩带中的金矿床等。据统计，世界上产于太古宙的金矿中约18%来自明显受剪切带控制的脉型金矿，另外约40%来自南非Witwatersrand盆地的古砂矿，而这些古砂矿的原生矿也可能是受剪切带控制的脉型金矿(Roberts, 1987)。剪切带型金矿的矿化类型多为脉型和蚀变岩型(陈柏林等, 1999; 王义天等, 2004)，但其成矿过程是怎样的？是否具有一致的成矿机理？尚不完全清楚。

前人关于剪切带与金矿的成因关系做了大量研究工作，通常认为剪切带为区域构造薄弱带，其内岩浆活动、变质作用及流体活动相对集中，常作为含矿热液运移的主要通道。剪切带不仅能为流体的迁移提供有利的空间和通道(导矿构造)，还能驱使成矿物质活化迁移，在有利部位(容矿构造)富集成矿，具有非常好的金矿成矿前景(Robert and Kelly, 1987; 邓军等, 1998; 张连昌等, 1999; 李晓峰和华仁民, 2000; 刘忠明, 2001; 路彦明等, 2008; 刘晶晶等, 2013; 刘俊来, 2017)。但是，即使在矿集区，也不是每一条剪切带中都有金矿体产出；即使是同一条剪切带，也并不是处处都发育良好的矿化带(如胶东金矿，宋明春等, 2012; 杨立强等, 2014)。国内外不少研究表明，尽管剪切带型金矿总体受区域性展布的一级剪切带控制，但成矿部位又多位于一级剪切带所派生的次级或三级裂隙构造中(Groves, 1993; Groves et al., 1998; Olivo and Williams-Jones, 2002; Olivo et al., 2006; Dirks et al., 2013; 杨立强等, 2014; Rezeau et al., 2017; Sanislav et al., 2017)。可见剪切带中不同构造部位具有不同的矿化能力，其具体的成矿过程还有待进一步研究。

对于剪切带中控制金沉淀的关键因素的认识，目前尚存在不同的观点。有学者研究认为金在剪切带中主要以络合物形式随流体迁移，从韧性到脆-韧性剪切带迁移过程中因温度降低而造成金沉淀(王义天等, 2004; 熊德信等, 2007; Chai et al., 2016; Sun et al., 2016)。Eisenlohr et al.(1989)认为，区域性一级剪切带是流体运移的通道，属于高温带，有利于金的溶解；而次级断裂构造温度较低，有利于金的沉淀。实验研究也证明金络合物的溶解度受温度的影响较大(Stefánsson and Seward, 2003a, b, 2004)。但对于剪切带型金矿来说，这种解释尚存一些问题，如：(1)以胶东地区为例，流体包裹体测温发现，在成矿主阶段温度并没有发生明显变化，均一化温度主要集中在200~330℃之间(表 1)，而且在此温度范围内金的溶解度并没有随着温度的升高而增加，反而有降低的趋势(图 1, Benning and Seward, 1996)；(2)当流体进入次级裂隙时，由于围岩相对流体的低比热容值及流体与岩石充分接触交换热量，温度不会发生快速下降(Weatherley and Henley, 2013)。由此来看，温度变化并不是剪切带中金成矿的主导因素。近年来有人提出压力降低导致金发生沉淀的观点，即剪切带发育过程中，在断层阀行为控制下裂隙会周期性张开闭合，期间流体压力突然降低从而造成流体沸腾和金的沉淀(朱永峰, 2004; 张祖青等, 2007; 李晓峰等, 2007; 卫清等, 2015; Wen et al., 2015)。但是Hemley et al.(1986)的实验结果显示，矿物溶解度随压力降低而升高。Benning and Seward(1996)的计算结果也佐证了压力缓慢下降会增大金在流体中的溶解度(图 1)。那么，压力降低究竟如何影响金的沉淀析出？还需要进一步的研究。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 胶东地区流体包裹体均一化温度统计 Table 1 Summary of homogenization temperature of fluid inclusions in Jiaodong area 矿区 成矿阶段 均一化温度(℃) 数据来源 东风矿区 成矿主阶段 248~310 Wen et al., 2015 玲珑矿区 251~287 三山岛矿区 成矿主阶段 191~321 Hu et al., 2013 三甲金矿 成矿期 210~330 胡芳芳等, 2008 胶北隆起区金矿 成矿期 230~320 杨立强等, 2014 胶莱盆地北缘金矿 180~290 苏鲁超高压变质带金矿 160~340 胶东地区金矿 主成矿期 200~330 朱日祥等, 2015

表 1 胶东地区流体包裹体均一化温度统计 Table 1 Summary of homogenization temperature of fluid inclusions in Jiaodong area

图 1

Fig. 1

图 1 不同压力条件下温度对金溶解度的影响(据Benning and Seward, 1996) Fig. 1 Sketch map of the influence of temperature to the gold solubility under different pressure (after Benning and Seward, 1996)

由此可以看出，剪切带型金矿中金的沉淀机制与成矿过程的认识仍存在较大争议，不同构造部位与金沉淀之间存在的内在成因联系还有待深入探讨。针对这些问题，本文整理分析了近年来国内外剪切带型金矿的研究进展，并结合我国胶东金矿的研究实例，运用断层阀(Sibson et al., 1988)和力化学理论综合分析了剪切带中各构造部位的成矿环境及金沉淀的化学过程，探讨了剪切作用过程中不同构造层次金矿的形成机制，最后提出了剪切带型金矿成矿的力化学过程和成矿机理。

与逆冲断层有关的含金石英脉在世界范围内广泛分布，剪切带多以高角度(50°~80°)逆冲断层为主，如加拿大Val-d’Or矿区、Sigma矿区和澳大利亚Revenge矿区、Darlot矿区等(表 2)。金矿体往往产于绿片岩相变质带中，一些地区也出现于角闪岩相变质带中，成矿流体通常为变质流体或深部岩浆流体。矿化与构造密切相关，矿体主要位于次级或三级断裂构造中(图 2a)，这些断裂多位于较强的挤压剪切部位，尽管有些剪切带兼有走滑性质(见表 2)。根据脉体的产出状态，金矿脉可分为伸展石英脉(extensional veins, 如图 2b, c)和陡倾剪切脉(steeply-dipping shear veins, 如图 2b, d)两大类。伸展脉通常是由水力压裂所致(Nguyen et al., 1998; Kenworthy and Hagemann, 2007)，具有填隙结构(open-space filling; 如图 2c)，又可分为近水平伸展脉(subhorizontal extensional veins)和张剪脉(extensional shear veins)两类(如图 2b)。其中，近水平伸展脉中矿物近于垂直脉壁生长(图 2c)，我们根据主剪切带与脉体的产状数据(表 2)，计算出脉体与主剪切带的夹角主要集中在35°~55°之间，相当于T型张破裂(见图 2b)；而张剪脉中矿物通常发生剪切变形，拉长的矿物颗粒垂直脉壁或与之呈大角度相交，据表 2中脉体与剪切带产状可知，脉体与主剪切带夹角在5°~15°之间，相当于R破裂(见图 2b)。正如Roberts(1987)曾指出的那样，高角度逆冲断层作用下，主要发育T和R破裂，同时也会发育由P、R’等破裂构成的脉体。陡倾剪切脉(又称断层充填脉, fault-fill veins)则形成于剪切带滑动过程中，脉体中矿物呈层状或条带状展布(图 2d)，反映了剪切裂隙多次的张开愈合和矿脉的多次充填过程；脉中矿物被拉长至平行脉壁展布并出现波状消光、亚颗粒和重结晶等变形现象，表明其在形成过程中可能受到简单剪切作用的影响。矿脉中主要的载金矿物为黄铁矿和毒砂，元素共生组合多为Au-Ag±As±B±Bi±Sb±Te±W(邱正杰等, 2015)。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 高角度逆冲断层中脉体类型及特征总结 Table 2 Summary of vein types and characteristics of high-angle thrust faults 矿区 主剪切带性质 脉体类型 脉体几何特征 矿物类型及结构特征 数据来源 加拿大 Val-d’Or 矿区 高角度逆冲断层，走向E-W 陡倾剪切脉 走向E-W，倾角中等，位于剪切带中心部位 主要矿物为石英和电气石，矿物呈层状平行脉壁出现，部分发生塑性变形 Boullier and Robert, 1992 近水平伸展脉 倾角＜30° 主要矿物为石英和电气石，具有张闭构造(crack-seal structures)和填隙结构，矿物垂直脉壁生长 澳大利亚 Revenge 矿区 E倾高角度(＞45°)逆冲断层，兼左行走滑性质 断层充填脉 位于剪切带中心部位 主要矿物为石英，具层状及角砾结构 Nguyen et al., 1998 近水平伸展脉 N-NE倾，近水平；或E倾，倾角平缓(5°~25°) 主要矿物为石英、方解石、黄铁矿等，具填隙结构，呈单脉或组合切过剪切脉 混合张剪脉 近水平或E倾，中等倾角(40°~50°) 近水平伸展脉的连接部分，拉长的石英和方解石颗粒与脉壁呈大角度(50°~80°)相交 加拿大Sigma矿区 N倾陡倾逆冲断层，走向E-W 断层充填脉 走向近E-W，倾角50°~90°，S倾，产于韧性剪切带内 主要矿物为石英、电气石、方解石、白钨矿、黄铁矿，矿物呈层状平行脉壁展布，局部角砾岩化 Olivo et al., 2006 伸展脉 呈雁列式出现，靠近剪切脉，走向多变，倾角较缓 主要矿物为石英、电气石、方解石，具填隙结构，石英和电气石纤维垂直脉壁 张剪脉 走向E-W，中等倾角(35°~65°)，N倾，脉体切过断层充填脉和伸展脉 主要矿物为石英、电气石，早期充填矿物发生剪切变形平行脉壁，晚期矿物纤维垂直脉壁，石英出现波状消光 加拿大Siscoe矿区 NE倾高角度(80°)逆冲断层 剪切脉 走向NE(10°~20°)，倾向NW，倾角35°~45° 主要矿物为电气石、石英、金红石、白钨矿等，石英和电气石呈层状平行脉壁交替出现 Olivo and Williams-Jones, 2002; Olivo et al., 2007 澳大利亚Darlot矿区 W倾中等(50°~65°)至高角度(＞70°)逆断层，兼左行走滑性质 断层充填脉 走向NW，倾角＞70° 主要矿物为石英和层状白云母、绿泥石，位于陡倾断层内，石英出现波状消光、亚颗粒和重结晶现象 Kenworthy and Hagemann, 2007 伸展脉 大多数脉体倾角近水平(＜20°)，部分中等(45°)倾角 主要矿物为石英、方解石和钠长石，具有填隙结构 加拿大Lac Herbin矿区 S倾右行走滑陡倾逆冲断层，走向E-W 断层充填脉 近竖直 主要矿物为石英、电气石、黄铁矿，具条带结构，石英和电气石呈条带状平行脉壁 Rezeau et al., 2017 伸展脉 近水平 主要矿物为石英、电气石、黄铁矿，具有填隙结构，纤维状电气石垂直脉壁或与之大角度相交

表 2 高角度逆冲断层中脉体类型及特征总结 Table 2 Summary of vein types and characteristics of high-angle thrust faults

图 2

Fig. 2

图 2 逆冲断层中金矿体分布和矿脉特征 (a)加拿大Val-d’Or矿区矿体分布简图(据Rezeau et al., 2017)；(b)澳大利亚Revenge矿区脉体分布剖面图(据Nguyen et al., 1998修改)；(c)澳大利亚Darlot矿区伸展脉中石英(脉体中心)和斜长石(脉体边缘，呈对称梳状)近垂直脉壁生长(正交偏光)(据Kenworthy and Hagemann, 2007)；(d)加拿大Siscoe矿区剪切脉中石英、电气石呈层状平行脉壁分布(据Olivo and Williams-Jones, 2002) Fig. 2 The distribution of gold orebody and characteristics of veins in thrust faults (a) the distribution map of gold deposits in Val-d'Or district, Canada (after Rezeau et al., 2017); (b) profile map of vein distribution in Revenge mine, Australia (modified after Nguyen et al., 1998); (c) interlocking quartz crystals in vein centre and aligned plagioclase crystals on vein margins growth perpendicular to the vein walls in extensional veins (under cross-polars) (after Kenworthy and Hagemann, 2007); (d) quartz and tourmaline layers oriented parallel to the vein walls in shear veins in Siscoe district, Canada (after Olivo and Williams-Jones, 2002)

世界上与正断层有关的金矿床也多有发育，如中国东部的金矿，有人称之为“克拉通破坏型金矿”(朱日祥等，2015)，这里主要以胶东地区为例进行分析。胶东金矿形成于同一成矿背景和统一构造-岩浆-流体成矿系统；区域成矿作用发生于早白垩世(120±10Ma)的伸展背景，成矿作用前后发生多期岩体侵位事件(图 3)；金矿床聚集在NNE向变质核杂岩周边，主要沿前寒武纪变质岩与中生代花岗岩体接触带形成的区域性NE-NNE走向的拆离断层带分布(图 4)。主控矿断裂沿走向常有变化，呈舒缓波状展布；剖面上呈上陡下缓的“铲式”特点(如焦家金矿，见图 5a)，在地表浅部剪切带局部倾角可达80°，向深部逐渐平缓，倾角变为20°~50°；成矿前受大别-苏鲁碰撞造山作用(T₃-J₃)影响，剪切带多显示左行压剪性质；成矿期(K₁)随华北克拉通遭受破坏，多表现为右行走滑性质(侯泉林等, 2008; 邓军等, 2010; 姜晓辉等, 2011; 李晓春, 2012; 朱日祥等, 2015)。此外，剪切带沿倾向常出现陡缓相间的变化规律，矿体主要赋存于倾角较缓部位(Song et al., 2012; 宋明春等, 2014; 刘殿浩等, 2015; 宋明春等, 2015; 吕古贤等, 2016)。金主要以单质形式赋存于黄铁矿和石英裂隙中、含少量晶隙金和包体金。

图 3

Fig. 3

图 3 胶东地区岩体年龄和成矿时代 数据来源：关康等, 1998; 郭敬辉等, 2005; 胡芳芳等, 2007a; Tan et al., 2008; Liu et al., 2009; Goss et al., 2010; 王世进等, 2010; Ma et al., 2014; 李洪奎等, 2017 Fig. 3 Ages of granitoids and metallogenetic epoch in Jiaodong Peninsula

图 4

Fig. 4

图 4 胶东地区金矿床分布地质图(据杨立强等, 2014) Fig. 4 Geological map of the distribution of main gold deposits in Jiaodong Peninsula (after Yang et al., 2014)

图 5

Fig. 5

图 5 胶东焦家金矿区脉体剖面图(a)、脉体局部放大图(b)及脉体与主剪切带夹角玫瑰花图(c) 1-黄铁绢英岩化花岗岩；2-黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩；3-黄铁绢英岩；4-金矿体；5-主剪切带 Fig. 5 Profile map of vein distribution (a), details in local veins (b) and rose diagram showing angles between veins and the main shear zone (c) in Jiaojia gold deposit, Jiaodong Peninsula 1-beresitized granite; 2-beresitized granitic cataclasite; 3-beresitization; 4-gold ore body; 5-main shear zone

胶东地区金矿床类型多为石英脉型和蚀变岩型，其中蚀变岩型矿床中也有脉型矿床的发育，如焦家金矿等(图 5a)，为了探讨矿脉产出部位与主剪切带构造变形的成因关系，对其进行了分类统计。在胶东焦家金矿，主剪切带总体走向NE35°，倾向NW，倾角30°~40°，矿体主要赋存在主剪切带中，但在主剪切带附近仍发育有多条矿脉(图 5a)。从图 5a中可以看出，大部分脉体没有发生明显的旋转变形，通过统计其与主剪切带的夹角可以判断脉体形成时的性质；而对于部分发生旋转的脉体，主要统计脉体末端未发生旋转部分的产状(图 5b中圈出部分)。结果显示出分别属于R、T和R’破裂的三组脉体(与主剪切面夹角分别为10°、50°和63°，见图 5a, c)，主剪切带性质为上盘向NW滑动的正断层。在胶东玲珑金矿，矿区内发育有200多条矿脉，为典型的石英脉型金矿。矿区主剪切带走向NE60°，倾向SE，倾角30°~50°。对脉体和主剪切带产状进行统计分析(图 6a, b)，发现脉体分别属于R、T和R’破裂(与主剪切面夹角分别为10°、40°和63°~73°)，主剪切带主要表现为上盘向SE或SSE方向的右行走滑兼伸展拆离剪切作用。

图 6

Fig. 6

图 6 胶东玲珑金矿区脉体分布地质图(a，据Yang et al., 2014修改)及脉体与主剪切带夹角玫瑰花图(b) 1-第四系沉积物；2-金矿脉；3-基性岩脉；4-剪切带 Fig. 6 Geological map showing the distribution of gold veins (a, modified after Yang et al., 2014) and rose diagram showing angles between veins and the main shear zone (b) in Linglong gold deposit, Jiaodong Peninsula 1-Quaternary sediments; 2-gold veins; 3-mafic dykes; 4-shear zones

逆冲断层或正断层通常兼有走滑断层性质，如上文澳大利亚Revenge矿区、Darlot矿区和胶东地区的主要剪切带等。王偲瑞等(2016)运用构造应力转移模型对胶东焦家断裂分析发现，库伦破裂应力增大(岩石趋于发生破裂)的区域主要表现为断层走向转弯挤压和分叉挤压处，已发现的矿床均位于其中(图 7)。

图 7

Fig. 7

图 7 走滑断层中矿化分布示意图(底图据张潮, 2015) 1-钾化蚀变带；2-绢英岩化蚀变带；3-矿体；4-主剪切带；5-硅化蚀变带 Fig. 7 Distribution of mineralization in strike-slip fault (modified after Zhang, 2015) 1-potassic alteration zone; 2-sericite-quartz alteration zone; 3-ore body; 4-main shear zone; 5-silicified alteration zone

通过上述对不同性质剪切带成矿部位的构造解析，可以看出，无论是正断层、逆冲断层还是走滑断层，成矿部位均与应力集中区密切相关(图 8)。例如在逆冲断层中，按照Anderson(1951)的断层模式，低角度逆冲断层(30°左右)较易发生滑动，而高角度的逆冲断层由于受到较强的正应力作用(图 8a, d)，沿断层面的剪应力难以克服摩擦阻力从而使断层难以滑动，因此陡倾部位易发生应力集中。在正断层中，倾角变缓部位受到的正应力作用较陡倾部位更加强烈(图 8b, e)，因而更易发生应力集中。而走滑断层中转弯、分叉、收敛部位也会受到较强的挤压应力作用而造成应力集中(图 8c, f)。

图 8

Fig. 8

图 8 剪切带中成矿部位的应力集中与应力分解示意图 (a)逆冲断层中应力分布；(b)正断层中应力分布；(c)走滑断层中应力分布(底图据姜晓辉等, 2011)；(d)逆冲断层应力分解示意图；(e)正断层应力分解示意图；(f)走滑断层应力分解示意图. 1-钾化蚀变带；2-绢英岩化蚀变带；3-矿体；4-主剪切带 Fig. 8 Sketch map of stress concentration and decomposition in shear zones (a) distribution of stress in thrust faults; (b) distribution of stress in normal faults; (c) distribution of stress in strike-slip faults (modified after Jiang et al., 2011); (d) sketch map of stress decomposition in thrust faults; (e) sketch map of stress decomposition in normal faults; (f) sketch map of stress decomposition in strike-slip faults. 1-potassic alteration zone; 2-sericite-quartz alteration zone; 3-ore body; 4-main shear zone; 5-silicified alteration zone

应力集中会阻止剪切带的进一步错动，同时对深部涌入的流体产生封堵作用，致使流体压力(P_f)不断升高(Sibson et al., 1988)。而Phillips(1972)指出流体压力的升高会引起以下变化：(1)降低有效正应力，导致差应力增加(图 9a)；(2)降低主应力值，使应力摩尔圆向左漂移逐渐接近摩尔破裂线(图 9b)；(3)降低岩石破裂所需的差应力，从而使岩石发生破裂。所以当流体压力达到一定值时(如P_f≥σ₃+T，摩尔圆与摩尔包络线相切，其中σ₃为最小主应力，垂直方向；T为岩石的抗张强度)，岩石发生水压致裂导致脆性破裂的产生(如R、T、R’等破裂)。断层阀模式认为，水压致裂还伴随剪应力的释放、剪切带的滑动、断层脉(如图 2b中的剪切脉)的形成以及地震的发生，此时裂隙中流体压力瞬间降低导致流体中的成矿物质发生沉淀，而矿物的沉淀充填则使裂隙快速愈合，附近流体也会在压力差驱动下进入裂隙之中，从而使流体压力和剪应力再次积聚，重复上述过程(图 9c, d)。

图 9

Fig. 9

图 9 水力压裂摩尔图解及断层阀模式中流体压力和剪应力的波动 (a)流体压力升高导致差应力增加(黑色和红色半圆分别代表流体压力升高前后岩石应力莫尔圆的状态，据Phillips, 1972)；(b)流体压力升高造成应力莫尔圆向左漂移(据Phillips, 1972)；(c)断层阀模式中流体压力的波动(据Sibson et al., 1988)；(d)断层阀模式中剪应力的波动(据Nguyen et al., 1998).σ-正应力；τ-剪应力；Pf-流体压力；Pl-静岩压力；Ph-静水压力 Fig. 9 Mohr diagrams of hydraulic fracturing and the fluctuation of fluid pressure and shear stress in fault-valve model (a) diagrammatic sketch of changes in the differential stress which would result in fracture of the rocks (the black and red semi-circle represent the state of stress moore circle of rocks before and after the rise of fluid pressure, respectively, after Phillips, 1972); (b) diagrammatic sketch of changes in the pore water pressure which would result in fracture of the rocks (after Phillips, 1972); (c) the fluctuation of fluid pressure in fault-valve model (after Sibson et al., 1988); (d) the fluctuation of shear stress in fault-valve model (after Nguyen et al., 1998). σ-the normal stress; τ-the shear stress; Pf-the fluid pressure; Pl-the lithostatic pressure; Ph-the hydrostatic pressure

剪切带中脆性破裂的张开-愈合会导致应力和压力的波动，而金矿床中详细的流体包裹体数据则证明这一现象确实存在(详见表 3)。此外Weatherley and Henley(2013)通过一个简单的活塞模型，计算出4级地震期间流体压力会瞬间从290MPa下降到0.2MPa，之后由于流体充填裂隙压力又会重新恢复，表明即使是很小的破裂也会使流体压力发生明显下降。这些数据均显示流体压力发生过剧烈的波动，对应于剪切带中破裂张开瞬间，对流体的物理化学性质必然产生重要影响。此外考虑到地壳平均密度ρ为2.8g/cm³，重力加速度g取10N/kg，根据公式P=ρgh(P为压强，h为深度)可以计算出最大流体压力所对应的成矿深度范围。从计算结果(表 3)可以看出矿床主要产出于上地壳及中地壳顶部(5~12km)，而在该构造层次脆、韧性变形共存、地震活动频繁、流体作用活跃、水压致裂过程普遍，更易于应力集中及脆性破裂的产生，为成矿作用提供了有利条件。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 金矿床流体包裹体研究中流体压力的波动程度及成矿深度总结 Table 3 Summary of the fluctuation degree of fluid pressure and depth of mineralization in the study of fluid inclusions of gold deposits 矿区 成矿阶段 最小流体压力(MPa) 最大流体压力(MPa) 形成深度(km) 流体压力数据来源 玲珑矿区 早阶段至中阶段早期 123~158 316~325 11.3~11.6 张祖青等, 2007 中阶段晚期 162 191 6.8 三甲矿区 成矿主阶段 70 240 8.6 胡芳芳等, 2008 三山岛矿区 成矿主阶段 50 150 5.4 Hu et al., 2013 胶北隆起区金矿 成矿主阶段 78 300 10.7 杨立强等, 2014 苏鲁超高压变质带金矿 成矿主阶段 80 230 8.2 杨立强等, 2014 东风矿区 成矿主阶段 226 338 12.1 Wen et al., 2015 玲珑矿区 成矿主阶段 228 326 11.6 Wen et al., 2015 营城子金矿 成矿主阶段 98 245 8.8 Chai et al., 2016 煎茶岭金矿 早阶段 117 354 12.6 Yue et al., 2017 中阶段 194 286 10.2

表 3 金矿床流体包裹体研究中流体压力的波动程度及成矿深度总结 Table 3 Summary of the fluctuation degree of fluid pressure and depth of mineralization in the study of fluid inclusions of gold deposits

近年来的研究发现，压力骤降时流体会发生沸腾或闪蒸作用从而造成金的沉淀析出。众多流体包裹体研究表明，压力骤降时流体沸腾是导致成矿物质发生沉淀的重要机制(范宏瑞等, 2003; 陈衍景等, 2004; Chen et al., 2006; 熊德信等, 2007; 张祖青等, 2007; 张莉等, 2009; 卫清等, 2015; Chai et al., 2016)。沸腾作用主要以大量还原性气体如H₂S、CO₂、CH₄、H₂等逃逸为特征，这些气体对维持金络合物随流体稳定迁移方面具有重要的作用，如H₂S主要与金形成金硫络合物(如Au(HS)₂^-等)，CO₂则调节流体的pH值使其保持在金硫络合物稳定存在的范围内(Naden and Shepherd, 1989; Phillips and Evans, 2004; 胡芳芳等, 2007b)。压力骤降时流体发生沸腾作用，这些气体会优先进入气相中，对流体的化学性质产生巨大影响。

H₂S的逸出会降低流体的总硫含量，提高残留含矿热液的SO₄^2-/H₂S比值，使含矿热液的氧逸度增加，流体也由弱酸性渐变为弱碱性，这些变化都会降低金在流体中的溶解度，有利于金的沉淀(图 10a)；同时H₂S的逸出打破了下列络合反应的化学平衡，使其沿反应逆方向进行，从而发生络合物的分解和金的沉淀(图 10b)。

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图 10

Fig. 10

图 10 沸腾作用中气体逸出对金溶解度的影响图解 (a)氧逸度(实线箭头)、pH(虚线箭头)对金溶解度的影响，图中灰色区域代表铁硫化物和铁氧化物共生区域(据Phillips and Powell, 2010)；(b、c)H2S逸出、pH对金溶解度的影响(据Pokrovski et al., 2014) Fig. 10 Sketch map of the influence of gas escaping to the gold solubility during boiling (a) the influence of oxygen fugacity (solid line arrow) and pH (dotted line arrow) to the gold solubility, and the gray area representing symbiosis of iron sulfide and iron oxide (after Phillips and Powell, 2010); (b, c) the influence of H2S escaping and pH to the gold solubility (after Pokrovski et al., 2014)

CO₂的逃逸会消耗流体中的H⁺，使流体的pH值升高，如果流体中还残留有H₂S，则会使金的溶解度有所增加(图 10c)，这可能是引言中提到的压力缓慢降低造成金在流体中的溶解度有所增加的原因；但随着H₂S的逸出，这一增加趋势会减弱，最终造成金在流体中的溶解度减小(图 10b)从而使金发生沉淀。

一般认为深部流体上升到脆韧性转换带之上有利于气体逃逸的开放或半开放环境中才会发生减压沸腾，产生沸腾作用的深度取决于流体中气体的含量，并且开始于围岩静岩压力等于平衡饱和蒸气压的地方(张德会, 1997; 陈衍景, 2013)。而在地壳较深层次，特别是与地震相关的断裂活动中，由于压力快速释放，流体更可能发生瞬时蒸发作用相变为气体，致使作为溶剂而溶解金的流体大量减少，从而造成溶质金的沉淀，这一过程即为闪蒸作用(Weatherley and Henley, 2013)。例如4级地震中脆性破裂瞬间流体压力会立即从290MPa降到0.2MPa(图 11a)，此时流体就会发生闪蒸作用；闪蒸时伴随压力骤降，流体体积在6级地震中膨胀了近4个数量级，其对流体的物理化学性质造成巨大影响，如石英的溶解度会急速下降甚至达到极度过饱和状态(图 11b)从而沉淀析出，金也会随之发生沉淀。

图 11

Fig. 11

图 11 闪蒸时流体压力的变化(a)及石英溶解度的改变(b)(据Weatherley and Henley, 2013) Pf-流体压力；Pfm-最小流体压力；Pl-静岩压力; MW-震级 Fig. 11 Fluid pressure (a) and quartz solubility transients (b) during flash vaporization (after Weatherley and Henley, 2013) Pf-the fluid pressure; Pfm-the minimum fluid pressure; Pl-the lithostatic pressure; MW-earthquake magnitude

对比上述沸腾作用和闪蒸作用过程，可以看出在压力骤降条件下，沸腾作用主要是造成还原性气体成分逸出从而导致金络合物失稳分解和金的沉淀，而闪蒸作用是使流体全部气化从而造成溶质大量减少使金发生沉淀，并且与流体的来源及气体的含量无关，因此我们认为压力骤降条件下闪蒸作用可能是导致金发生沉淀的更为有效的机制。

越来越多的流体包裹体及相关实验表明，在地壳较浅层次金的气相迁移可能对成矿具有重要影响甚至占据主导地位。如Heinrich et al.(1999)和Pokrovski et al.(2006)发现，对于富硫的热液系统，在流体相分离期间，金、铜、砷等元素(可能与硫络合)更倾向进入气相中。关于金在气相中溶解度的实验表明，固体金可能和气体组分结合成水合物进入气相，其中HCl和H₂S对金在气相中的迁移起到了关键的促进作用(Archibald et al., 2001; Zezin et al., 2007, 2011)。压力骤降瞬间流体发生闪蒸作用时，金有可能和流体中的气体组分结合进入气相中。但根据Simon et al.(2005)的实验分析，压力降低时金在气相中的溶解度极低(图 12)，因此进入气相中的金的成分较流体中金的总含量而言是微不足道的，压力骤降时大部分金还是直接从流体中沉淀出来，而不是进入气相之中。

图 12

Fig. 12

图 12 金在气相中的溶解度(据Simon et al., 2005) Fig. 12 Gold solubility in gas (after Simon et al., 2005)

剪切带中成矿作用发生的构造层次主要取决于应力集中能否导致脆性破裂的产生，从而出现压力骤降满足流体闪蒸的条件使金发生沉淀。断层双层结构模式(Sibson, 1977)表明剪切带由地表向地下深处延伸时会分别表现出脆性、脆韧性和韧性变形特征，普遍认为剪切带的脆性和脆韧性转换带应变速率较快，应力集中部位易出现脆性破裂导致金矿的形成。例如陈柏林等(1999)指出，在地壳浅部，剪切变形表现为脆性断裂或裂隙带，易形成脉型矿化；在脆韧性转换区域，破裂发育密集，金矿往往分布于定向排列的碎裂岩之中，从而形成蚀变岩型金矿；在韧性区域，由于温度和围压较高，岩石主要表现为韧性变形，蚀变和矿化主要发生在糜棱岩的微裂隙中。那么，深层或较深层次的剪切带中能否产生脆性破裂形成脉型金矿呢？

研究发现韧性域中也会出现脆性破裂，并形成脉型金矿。例如加拿大Abitibi绿岩带中太古代的含金石英脉主要产于高角度逆冲韧性剪切带中，其中伸展脉的显微结构显示其形成于张性环境，属于T或R破裂(见上文图 2b, c)；Grove(1993)提出的地壳连续成矿模式认为从次绿片岩相到麻粒岩相不同层次的地壳深度(温度从180~700℃，压力从＜100MPa到500MPa)，在地壳尺度的断层中都可以发生金的成矿作用形成脉型金矿；Kolb(2008)总结出大型金矿通常产于韧性剪切带的石英脉中以及糜棱岩的透镜状角砾岩带中(可能属于角砾岩化糜棱岩)，其剪切带变形温度可达500~700℃。对于韧性剪切带中脆性破裂的形成机制，Kolb(2008)和宋超等(2016)均认为其可能与高压流体作用有关。Kolb(2008)强调韧性域中晶内塑性变形和动态重结晶作用会破坏孔隙结构并使剪切带发生愈合，封闭条件下孔隙体积越来越小，因而局部流体压力能够逐渐累积并达到静岩至超静岩状态(即高压流体)。宋超等(2016)认为局部高压流体的存在一方面会降低岩石强度(可参考图 9a, b)，另一方面使局部应变速率加快，从而在韧性域中产生脆性微破裂，并且按照破裂准则发育和扩展。

由此来看，不仅在脆性剪切带和脆韧性转换带应力集中部位易出现脆性破裂，韧性剪切带中可能由于高压流体的存在，同样能够发育脆性破裂从而满足流体闪蒸的条件，导致脉型金矿的形成，并且这很可能是韧性剪切带成矿的关键机制之一。再者，下地壳“韧性域”和上地壳“脆性域”的说法严格来说是不准确的，对于长英质岩石，在地震应变速率下，无论是上地壳还是下地壳，都表现为脆性变形，而在地质应变速率下则表现为韧性变形(Zheng et al., 2015)。因此脆性域中可能会出现韧性变形(Hou et al., 1995; Liu et al., 2002)，韧性域中也可能出现脆性变形(Sintubin et al., 2012; 宋超等, 2016)，脆、韧性变形的转换主要与流体作用下应变速率的交替有关。

对于剪切带型金矿，从剪切带的发育、成矿流体的形成到成矿物质的活化、迁移、沉淀与富集，岩体、流体、剪切带三者之间的耦合作用对成矿至关重要，其内在的匹配关系决定了哪些剪切带成矿、哪些剪切带不成矿，以及矿体主要产出在剪切带哪些部位(图 13)。

图 13

Fig. 13

图 13 剪切带型金矿成矿模式图 (a-c)正断层中金矿成矿模式；(d、e)逆冲断层中金矿成矿模式. 1-多期岩体侵位；2-主剪切带；3-金矿体或矿脉；4-脆性破裂；5-流体运移方向；6-剪切破裂时流体闪蒸变为气体 Fig. 13 Metallogenic model of shear zone type gold deposit (a-c) metallogenic model in normal faults; (d, e) metallogenic model in thrust faults. 1-multi-stage pluton emplacement; 2-the main shear zone; 3-gold ore body or veins; 4-brittle fractures; 5-direction of fluids migration; 6-fluids being vapor by flash vaporization during shear fracturing

充足的成矿物质来源是形成大型剪切带型金矿床的前提和保障，而区域强烈的流体活动则能够促使成矿物质活化迁移至有利部位沉淀富集，在矿化过程中起着至关重要的作用。强烈的岩浆活动及多期岩体侵位事件能够使成矿物质在剪切带中高度聚集(图 13a, d)，同时也为金矿的形成提供热源，有利于流体的循环活动(冯佐海等, 2009; 杨立强等, 2014)。而岩石发生区域变质作用(绿片岩相至角闪岩相)也会形成变质流体促使成矿物质活化迁移(图 13d)。值得注意的是，剪切带型金矿对围岩没有选择性，不同时代、不同类型的岩浆岩、沉积岩、变质岩等都可以作为剪切带型金矿的赋矿岩石，如胶东地区大部分金矿主要产于中生代花岗岩以及与前寒武纪老变质岩的接触带上，而加拿大Abitibi绿岩带中的金矿则产于变质火山岩中。此外流体活动还影响着岩石的变形机制，促进断裂构造的发生和发展。例如在剪切带的韧性变形域，局部高压流体的存在会造成脆性破裂的发育，这可能是导致韧性剪切带中产出脉型金矿的关键因素之一。

剪切带的发育为流体运移提供了通道(图 13a, b, d, e)，如区域性韧性剪切带常具有延伸较远较深、多次长期活动的特点，成矿流体往往沿剪切带迁移，从而使来自深部的成矿物质能够沿剪切带向浅部运移。同时剪切带中不同的构造部位(如逆冲断层中倾角较陡部位、正断层中倾角变缓部位以及走滑断层中转弯挤压部位)以及不同构造层次(脆性域、脆韧性转换域和韧性域)的应力集中会造成流体压力不断升高，最终因水压致裂引发岩石的脆性破裂(如R、T和R’破裂，见图 13b, e)以及流体压力的突然降低，压力骤降环境促使成矿流体在裂隙中发生闪蒸作用导致金发生沉淀(图 13c)。因而剪切带中的脉型和蚀变岩型金矿可能具有一致的形成过程和机理，即都是在剪切带中发生脆性破裂，引发金沉淀的力化学过程所致。如果破裂过于密集，造成岩石发生碎裂作用，同时流体与围岩充分接触，则表现为蚀变岩型；若各破裂发育稀疏，被石英或其它矿物质充填则形成脉型。

随着构造应力的持续作用，应力集中→脆性破裂(碎裂)→压力骤降→流体闪蒸→元素析出的力化学过程循环发生，造成剪切带中金品位不断提高，逐渐形成大型金矿。总之，剪切带型金矿是在同一岩体-流体-构造系统下形成的，三者之间的耦合对成矿作用至关重要，其中构造应力与流体配合所发生的力化学过程是导致剪切带中金发生沉淀的关键。

根据上述成矿模式，我们认为不同性质的剪切带的应力集中部位是探寻金矿的有利地带，可通过构造分析、应力模拟等手段为有利的成矿远景区的预测提供依据。

(1) 对比分析国内外剪切带型金矿研究实例，发现无论是脆性还是韧性剪切带，无论是脉型还是蚀变岩型金矿，成矿的关键部位均与构造应力集中而导致的脆性破裂(特别是R、T、R’破裂)和碎裂作用以及(多期)岩体侵位密切相关。

(2) 脆性破裂产生时流体压力会出现周期性波动，对比压力骤降条件下金发生沉淀的可能机制，认为相较于沸腾作用，闪蒸作用可能是造成金发生沉淀的更为有效的机制。

(3) 对于剪切带型金矿，不同构造部位具有一致的成矿过程，即应力集中→脆性破裂(碎裂)→压力骤降→流体闪蒸→元素析出的力化学过程是导致金在剪切带中发生沉淀的关键；同时剪切带中脆性破裂发育的构造层次并不仅限于脆性和脆韧性构造域，韧性域中由于高压流体的存在也能够产生脆性破裂从而造成金的沉淀，并且这可能是韧性剪切带成矿的关键机制之一。

(4) 剪切带型金矿的成矿机理可概括为：(多期)岩体侵位→热液活动→构造剪切→应力集中→脆性破裂(碎裂)产生→压力骤降→流体闪蒸→元素沉淀，据此可对潜在矿体的产出部位及产状进行预测。

致谢      野外工作得到了山东黄金集团的大力支持；中国科学院地质与地球物理研究所方爱民博士在野外考察中给予了热情指导与帮助；在成文过程中，中国科学院地质与地球物理研究所范宏瑞研究员、中国科学院大学吴春明教授和李永兵副教授提出了宝贵意见；两位匿名评审专家提出了宝贵的修改意见。在此一并致以衷心的感谢！

谨以此文敬贺李继亮先生80华诞，祝先生健康长寿！