中地數媒 2020-01-18

斷裂與化學元素分配集散的關係頗為顯著。在岩層或巖體發生斷裂運動過程中，由於兩盤錯動的應力，以及應力在不同部位或者不同斷層之間的差異，都可以引起壁巖物質成分中的元素或沿斷層面侵入的礦液中的元素分散、遷移、集中及重分配。

（1）斷裂帶的壓溶作用

董樹文（1988）認為，在不同的變形條件下，壓溶作用、層狀矽酸鹽礦物旋轉、顆粒邊界滑動、粒內滑動和動態重結晶作用起著不同的作用。其中新生面理、特別是無變質或淺變質岩中面理的形成主要機制是壓溶作用。這些新生面理是由新生的分異條帶或分異層（differential layering）組成，垂直於最大壓應力方向產出（平行褶皺軸面）。分異條帶是構造應力作用下沿岩層劈理方向，SiO

2

溶解帶出，殘餘組分形成雲母層而成（Zwart，1983）。Gray（1977）指出，滑劈理帶中K

2

O增高，SiO

2

降低。

（2）斷層構造造成物質成分重新分配

斷裂作用與化學元素分配集散的關係，首先表現在斷裂兩壁岩石的物質成分的重新分配方面。當岩層或巖體發生斷裂運動時，在斷裂兩壁相對剪下和擠壓的應力強烈作用下，往往沿斷裂可發育圍巖蝕變。同時，壁巖中的一些與成礦有關的微量元素，特別是活動性大的元素，沿著斷裂分散、遷移到某些有利部位，便在某處的斷裂壁上或斷裂產物（斷層泥、斷層角礫岩）中相對富集。有些元素可以特別富集形成獨立礦物，如Cu、Pb、Zn等重金屬硫化物礦物。有時，還可因此而形成礦體，或把原有礦床改造成新的礦床（陳國達，1978）。

董樹文指出，斷裂帶是強烈的、狹窄的應力作用區。帶內的物質處在極高的動盪條件下，按動力平衡的規律進行適應性調整，而表現為動力的分異作用，其中有巖相、礦物相的轉變，應力礦物出現和元素重新排列。孫巖（1983）認為，在斷裂帶的動力分異遵守耗散結構理論（dissipative structure），由帶內向帶外的順序是：Si、Fe、Mg、Mn、Al、Ca、Na、K。張治洮（1983）注意到斷裂帶的垂直動力分異特徵，在近地表構造巖成分變化不顯著，在少數壓（扭）性斷裂中有K、Na等淋失；至淺部斷層強烈分異，Si相對聚集，而Na明顯帶出，K則有代入之趨勢；在中深部構造巖化學成分變化趨勢微弱，Na略有增高；深部構造巖，由於流變特點，岩石化學分異增強，Si、K、Na成為活動組分，在斷裂內轉移，並可產生混合巖化現象。並指出這些元素顯然與決定應變性質，並隨深度變化的溫度、應力狀態條件有關。

董樹文認為，發生在剪下或扭動斷裂帶的動力分異的規律大致是：由強應力區向弱應力區，元素的離子半徑逐漸增大，相對密度逐漸減小。

依元素的動力地球化學規律，可用對構造應力最敏感的元素變化作為指示標誌來反映古構造應力場特徵。尹華紅（1984）認為，單礦物內K和Fe元素含量的變化，可定量地圈定成礦期古地應力場。因K在單向壓力下比Fe具有更大的活動性。黃路橋（1984）指出，用Fe

2+

、Ca

2+

離子比作為構造應力作用的表徵，若Fe

2+

≥Ca

2+

表示擠壓，Fe

2+

＞Ca

2+

表示壓扭；Fe

2+

=Ca

2+

表示拉張。對現代大洋島弧和島弧帶的岩石化學和地震測深對比研究，證明用拉斑玄武岩和鈣鹼性岩系的K

2

O含量和Rb、S含量可以推斷地殼厚度和貝尼奧夫帶深度（Condir，1973）。太古宙時期的地殼厚度H=18。2K

60

+0。45（相關係數r=0。67）；貝尼奧夫帶深度H=89。3K

60

—14。3（相關係數r=0。82）。

（3）斷裂不同部位應力差異對元素分配集散的影響

同一條斷裂不同部位其應力有差異，從而影響元素分配集散。足以導致斷裂不同部位之間應力差異的因素中最明顯的是斷層面產狀的變化——在走向上的偏轉或在傾角上的偏大偏小。由於這些變化所形成的斷層面的屈折，當斷層兩盤相對運動時，在不同部位或地段的應力分佈情況便發生差別，這是因為受力物體內任一斜截面上正應力σ

α

和τ

α

為

構造應力場控巖控礦

式中：σ

x

、σ

y

分別為x、y方向應力；τ

xy

為剪應力；α為斜截面外法線與受力物體參考面外法線的夾角。

由公式和應力圓可得知斷面不同地段受力情況。正斷層產狀變陡的地段受張力和剪應力作用，緩傾地段只有剪應力［圖6。34（a）］，故陡傾地段利於成礦。逆斷層情況剛好相反，陡傾段只有剪應力作用，而緩傾段同時有張應力和剪應力作用，故緩傾地段利於成礦［圖6。34（b）］。平移斷層走向發生偏轉的地段對成礦有利［圖6。34（c）］。因此，岩層在遭受剪應力作用時，其內部不同切面上所處應力狀態不同，與外力平行的切面上只有剪應力而無正應力，與外力呈一定角度切面上既有剪應力也有張應力。

這種差別往往可以一方面引起斷層兩壁岩石中的物質成分或沿斷裂面侵入的含礦物質組分的分散、遷移；另一方面又可促使這些成分移向一定有利部位並在那裡富集、重新分配，形成礦床、礦柱。

其次，在礦化過程中，有些在較大壓力下產生的礦物，往往多集中或僅見於斷層的摩擦面地段，而在隱藏面地段則罕見甚至缺乏存在。在安徽某銅礦田的矽卡巖型礦床中，逆斷層傾角變緩部位礦體增厚，而缺乏蛇紋石、滑石；但在斷面變陡部位，則礦體變薄，而蛇紋石—滑石很發育。因為礦田內黃龍組白雲質灰巖含鎂高，當壓性斷層運動時，摩擦面上的白雲質灰巖受強大壓力發生“斷裂變質作用”，其中，白雲石遂先變為滑石再變為蛇紋石。據F。J。臺爾鈉（1965）計算，白雲石的礦物分子體積為65。6cm

3

，滑石為140cm

3

，蛇紋石為110cm

3

。但要變成一個滑石或蛇紋石的礦物分子，需2。15個白雲石礦物分子，其體積共計為65。6×2。15=141cm

3

。所以，由前者變為後者，應是在壓力增大的情況下進行的，因為可使分子逐步縮小來建立。這樣，在逆斷層產狀變陡的地段，摩擦面上由於壓力強烈，蛇紋石、滑石十分發育是有道理的。

圖6。34 不同力學性質斷層區域性應力場分析

（a）張性斷層；（b）壓性斷層；（c）扭性斷層

（4）斷裂性質與pH、E

h

的關係

不同性質的斷層、裂隙，或者是同一條斷層的不同部位，因應力狀態不同，pH、E

h

不同，從而影響礦質的沉澱。壓性斷裂為封閉系統，處於還原環境，利於硫化物、碳酸鹽礦物沉澱；張性斷裂為開放系統，處於氧化環境，利於氧化礦物沉澱；剪性斷層可為還原環境，也可為氧化環境。

就氧化物礦礦床來說，還有一個氧的供給問題。這是一個重要的地球化學因素。圖6。35是寧蕪地區火山岩型鐵礦區（寧蕪式）。在該區內一條北東延伸的方山小丹陽縱向深斷層的北西側，有一系列北西向張裂橫斷裂，它們是梅山、吉山等礦床。這些斷裂既提供了有利的空間，同時也可有較充足的氧，遂成為一種良好的容礦構造。依此推論，鄰側類似性質的橫斷層或斜交斷層，也有較大的成礦遠景（陳國達，1978）。

斷裂性質和活動方式是控制氧化還原環境的一個重要因素。換言之，pH和E

h

值常受構造條件的控制。張性斷裂易造成開放的氧化環境；壓性斷裂則可造成封閉的還原系統；剪下斷裂既可造成氧化環境又可造成還原環境。

由斷裂活動所產生的凹陷區往往為還原環境，而隆起區則為氧化環境。因而先沉降後隆升的拉張構造運動有利於氧化礦（例如，鐵礦）的富集。先隆升後沉降的擠壓構造運動則常有利於硫化物礦（如銅、鉛、鋅礦）的富集。長江中下游地區著名的鐵銅礦帶在鄂東、大冶一帶為拉張區，由燕山晚期的大型閃長巖類巖體侵入，主要發育矽卡巖型鐵礦，礦床主要在坳陷帶內的斷塊隆起拉張地段。陽新、瑞昌至安徽銅官山城門山一帶為剪下區，產出與中酸性小侵入體有關的斑岩型銅礦或斑岩型矽卡巖型銅、銅—鉬和銅—硫礦床，分佈於隆起與盆地之間的剪下過渡帶；寧蕪地區為長江中下游拉張斷裂帶，在斷陷火山盆地內有一中基性火山岩—次火山岩發育產出著名的寧蕪鐵礦（陳國達，1978）。

圖6。35 寧蕪地區火山岩型鐵礦成礦構造及其應力分析

（據陳國達，1978）

1—黃馬青組；2—象山群；3—下白堊統；4—娘娘山組；5—新近系；6—斷層；7—構造岩漿成礦帶

沿水平方向，一條斷裂的不同地段應力狀態可以發生變化，同樣的原則也適用於垂直方向，即在不同深度、同一條斷裂的應力狀態可以不同。

所以，沿同一條斷裂不同地段（包括水平方向和垂直方向）pH、E

h

不同。

（5）斷裂的發展與區域性應力場控礦

構造活動是具有階段性的，當岩石在應力作用下破碎時，應變能和應力釋放，原來處於高應變能的斷裂帶就變成低應變能、低應力部位，斷裂兩側則變為高應力、高應變能部位，礦液由兩側向斷裂帶彙集，斷裂環境便趨於穩定，利於礦質聚積沉澱成礦。

斷裂形成時，應力場的另一主要變化是派生應力場和次級斷裂的形成（萬天豐，1996）。在平移斷裂形成過程中，由於第一級共軛平面剪下斷裂形成後，由於斷層平移活動的體力，使第一級斷層受到區域性壓應力作用，導致第二級平移斷層的形成，依次類推（Mckinscrg，1953；Moody＆Hill，1955）。

大陸塊內部應力狀態隨時間變化，在地質不同歷史時期，一些古斷裂應力狀態有很大變化。如我國東部著名的郯廬斷裂，大約形成於太古宙末期，在元古宙與古生代，作為一條重要的剪下—拉張和剪下—擠壓斷裂，曾多次變換其剪下平移方向，並出現拉張與擠壓，隆起與凹陷多次交替活動。據張文佑推測，前古生代為拉張，古生代為擠壓，中生代侏羅紀、白堊紀和新生代至古近紀、新近紀時則又變成以拉張為主，而古近紀、新近紀以來，又轉為擠壓並右行剪下。

關於在構造應力場作用下斷裂的形成以及斷裂與主應力方向之間的關係，在前面有關章節已經進行了較詳細的討論，這裡著重討論斷裂形成張應力場的變化及成礦作用。

馬謹認為，在岩石中產生了一個裂紋雛形之後如何擴充套件，取決於裂紋在應力場中的相對方位。理論和實驗（葉洪等，1973）研究表明，只有在斷層面與應力軸夾角為45°時，最大剪應力跡線和應力集中區與裂紋方向一致，因此，裂紋才能大致沿直線擴充套件。在夾角為30°和60°時，剪應力集中區分別位於裂紋端點的右側和左側，因此，擴充套件的剪裂紋分別形成右階步和左階步，形成不同方式排列的羽列式剪裂。當主應力與裂紋方向平行時，在裂紋端點的兩側對稱地形成一對剪應力集中區，這時，裂紋會擴充套件成分叉的剪裂紋，形成分叉礦脈。與此同時，張應力最大的位置往往位於裂紋端點的另一側，並且隨著與端點距離的增大逐漸轉向與σ

1

軸平行（Brace，1972；丁文鏡，1978）。

一條規模較大的斷裂並不一定是由一條斷裂擴充套件而成的，而是由先存多點出現的裂紋擴充套件連線形成，因而在一定條件下，裂紋連線所需能量比孤立裂紋擴充套件所需能量多得多。裂紋連線的形式包括接近、尖端彎曲、切穿、合併（Ramsay，1980）。

杜異軍等認為，雁列裂紋是由平行非共線裂紋系組成的，並用有限單元法計算了錯列區的主應力、最大剪應力和應變能密度等在空間上的變化。應變能密度為

構造應力場控巖控礦

若斷裂錯動方式和排列方式一致時，錯列區應變能密度減小，增加了張裂隙和失穩的可能性。而斷裂錯動方式和排列方式不一致時，錯列區應變能密度增加，張破裂難以發展，減小了失穩的可能性。

裂紋之間能否連線，以及以什麼形式連線，是與裂紋組合型式有關的，因而裂紋系的穩定性也與裂紋的組合有關。

奇內裡（Chinnrey，1966）在研究斷裂與應力場關係時注意了斷層活動前後其端點附近應力場的變化，計算了最大剪應力跡線的分佈（圖6。36，圖6。37）。在斷裂發生位移前，斷層位於均勻構造應力場中的一個剪應力跡線上，當斷層發生位移後，應力場受擾動，剪應力跡線將垂直分佈，導致主震和餘震震源機制的不同和成礦物質運移聚集的差異。

斷裂形成過程中，應力大小也會發生變化。地震斷層形成過程中經常發生應力降，在地震斷層發生的瞬間，斷層面上的剪應力平均有10%的應力降。

在構造形變過程中，常伴隨岩漿活動。岩漿的侵入與噴出，通常都是沿構造斷裂而發育的。在岩漿侵入或噴出的過程中又可區域性地改變構造應力場。在有隱伏侵入體的地區，常發現侵入體上頂或坍陷作用所造成的最大主壓應力跡線為陡傾斜的應力場，把這種區域性應力場與區域應力場相區別，對於尋找隱伏的含礦巖體，很有指導意義。

在侵入岩體或火山噴發中心，最大主壓應力跡線常呈放射狀分佈，就是在岩脈或熱液礦脈兩側，也會由於熱動力作用而出現向兩側擴張的區域性壓應力方向。這些在構造形變過程中成巖、成礦過程中出現的次級區域性構造應力場，對於岩漿或熱液礦床的礦田與礦床構造的研究意義極大。

圖6。36 裂隙與主應力方向的關係

（據Anderson，1951）

（a）擠壓作用下，當cos2Q=（Q—P）/2（Q+P）時，與最大壓應力成Q

C

角的斷裂最先在橢圓長軸a點附近產生拉張破裂；（b）當橢圓短軸趨於零時，在純剪下條件下（Q=45°，P=—Q），裂縫附近的主應力軌跡線圖點劃線為壓應力，虛線為張應力

圖6。37 斷層端點附近應力場的變化

（據Chinnery，1966）

（a）斷層發生位移前的均勻應力場（單向壓縮）；（b）斷層發生位移後的撓動應力場F為斷層；細線均為最大剪應力跡線

用掃描電子顯微鏡觀察，發現大多數微破裂都是張性而不是剪下性質（萬天豐，1982）。岩石破壞前，首先出現強烈應變帶，應變帶中間有很多雁行排列的微張裂［圖6。38（a）、（b）］，進一步變形，破裂面上出現臺階式的斷面［圖6。38（c）］，是在應力作用下發生轉動，引起不穩定而導致岩石最後的破壞［圖6。38（d）］，形成從張裂開始，發展成剪下破裂，造成由若干細小張性礦脈形成雁行狀排列而構成規模較大的礦脈。

另有一些張節理並非初始破裂，而是剪下作用的派生產物，在簡單剪下變形時，由於剪下帶內部物質的相對位移和方向轉動，常出現S型張節理，使之礦脈中部形態複雜，而兩端形態較簡單，並與扭動方向成45°。

圖6。38 岩石破裂過程中的示意圖

（轉引自萬天豐，1982）

圖的上下方為最大壓縮方向

共軛剪下帶中的張節理常構成火炬狀（圖6。39）。

圖6。39 兩種共軛剪下帶中的張節理

（據萬天豐，1982）

（a）火炬形張節理系，沿兩組共軛剪下帶發育了雁行張節理；（b）發育了一組垂直於層理的張節理及在此基礎上發育起來的兩組沿共軛剪下帶的雁行張節理

如果在兩組共軛剪節理基礎上進一步發育成鋸齒狀追蹤張節理，這類節理對富礦脈的形成很有意義。火山活動或岩漿侵入常形成放射狀張裂，構成放射狀巖牆群或礦脈。

（6）起遮擋層作用

由於兩盤錯動產生斷層泥阻礙礦液上升，而使之成礦物質（元素、礦物）富集（圖6。40）。例如，浙江建德銅礦西部的F

1

斷層起阻礦作用，使礦體分佈在東側下盤中，西側上盤則無礦。