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地震·断层·金矿,这三者之间的关系......  

2017-06-03 07:23:55|  分类: 地质矿产 |  标签: |举报 |字号 订阅

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地震·断层·金矿,这三者之间的关系......

2013年3月17日《Nature-geoscience》刊登了题为“Flash vaporization during earthquakes evidenced by gold deposits”的文献,一石激起千层浪,一时之间引起地学界的广泛关注。文章作者澳大利亚昆士兰大学地球物理学家Dion K.Weatherley和国立澳大利亚大学地球化学家Richard W.Henley认为:地震期间,断层中的裂缝骤然扩大,就像打开高压锅的盖子,引起压力下降,其中的水会立即汽化,瞬间变成水蒸气,使得水中的二氧化硅和金析出,沉积在附近断层表面。这项研究挑战了长期以来认为的金的沉淀是一个缓慢的、平衡的过程,同时也表明:寻找金矿不一定非要到太古代绿岩带,更晚时甚至现代都可能找到金矿化。地震诱发断裂形成金矿并非崭新的观点,至少已有半个世纪的研究历史,只是大多数的研究者始终坚信断裂主要充当流体运移或圈闭的通道,处于被动地位。改变这一认识的是新西兰奥塔戈大学的Richard H Sibson教授,他详细研究了流体流动、断裂作用与地震机制的相互关系后认为,与诱发地震有关的断裂作用在热液运移形成金矿过程中起了非常重要的主动作用。确切地说,Sibson是一位名誉天下的构造地质学家,但鉴于他在金矿形成过程中提出的“断层阀模式(fault valves model)”与“抽吸泵模式(suction pump model)”等开创性观点认识,我们在这里把他归入经济地质学家范畴,前期介绍Francois Robert、L.L.Barker时也多次提到Sibson的大名。

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Richard H Sibson(1945- )

Sibson,1945年出生于新西兰奥克兰城,他的父亲是当地一所著名私立中学的古典文学老师,平常喜欢打鸟和短途旅行,母亲是新西兰地质调查局的有名望的古生物学家。这种良好的家庭环境使他特别热爱大自然,同时受他叔叔(也许是舅舅)影响,喜欢文学。在奥克兰大学读书期间,构造地质学老师Arnold Lillie教授鼓舞人心,富有灵感的授课深深感染了Sibson,适逢假期,他喜欢与朋友结伴而行,去探索洞穴和废弃金银矿山,这为他以后从纯构造地质学向构造控矿、成矿作用研究转变打下了很好的基础。

时光回到1968年,那一年,许多有关板块构造的重要文献如雨后春笋般出版,Sibson如饥似渴吮吸着新鲜的养分,在Arnold Lillie教授的鼓励下,他来到了英国帝国大学,学习定量构造地质,满脑子有关板块构造的概念与新奇想法。在听完构造地质学大师John Ramsay的讲座后,突发奇想,是否构造地质中有瞬间的迅雷不及掩耳的活动产生?Sibson不想步许多学生研究阿尔卑斯山的后尘,而是另辟新径,选择了苏格兰外赫布里底(Outer Hebrides)逆冲断层中的“燧石破碎现象(flinty crush phenomenon)”作为博士研究课题,并成功说服了导师JanetWatson—这些看起来一团糟的岩石非常值得研究。当时构造地质学家有个坏习惯,喜欢研究看起来美丽的构造,而对丑陋不堪的弃之不顾。研究工作在外赫布里底的路易斯片麻岩(lewisian gneisses)中发现了大量假玄武玻璃,证实存在古地震。论文还取得了一个重要认识:断层中岩石随深度的系统变化可以确定浅部的脆性区与深部的韧性剪切区之间的界限,由此确定了断层的基本结构。若想对古地震有更深刻地认识,需要了解现代地震的基本特征与诱发机制,机会来了!

1981年,Sibson作为访问学者去了位于美国加州门罗帕克(Menlo Park)美国地质调查局(USGS)的地质研究中心工作,认识了许多优秀的地震专家,包括伟大的具有传奇色彩的Bob Wallace,他曾经是一名采矿地质学家,后来却成了现代地震的先驱,这令人着迷的环境使Sibson认识到了地壳中地震的分布深度与他早期所建立的断层分区模式之间的内在关系,从而改变了世人对地震作用与断裂过程的认识理解。1982年,Sibson去了加州大学圣芭芭拉分校(U.C. Santa Barbara),四处考察,到处旅行,升华了认识:如果你在野外许多露头看到相同的地质现象,或许你能看出这些地质现象的重要性。在这个过程中,Sibson对断层深部韧性剪切区中的流体活动兴趣越来越浓,在加拿大地质调查局Howard Poulsen 和 Francois Robert的引领下,他被带到了加拿大太古代地盾区,进入了中温脉状金矿系统领域的圣地。他的注意力从纯粹的地震转入到了流体流动、断层作用、地震机制之间的内在耦合关系,由此建立了著名的“断层阀模式”与“抽吸泵模式”,这两个概念今天在金矿勘探领域得到广泛应用。

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断层阀模式与抽吸泵模式示意图(来自文献3)

中温脉状金矿广布于太古代绿岩区,如著名的加拿大苏必利尔省Abitibi绿岩带、美国加州Mother lode矿脉,中国辽西的排山楼金矿以及吉南的夹皮沟金矿也属于此类型,这类矿床也被称作绿岩型金矿、韧性剪切带型金矿,近年来颇为流行的造山型金矿最初的定义也大抵与之相当,只是后期有所扩展。对这类金矿的成因众说纷纭,国内的周乃武先生认为赋存于深部韧性剪切带内的成矿流体后期抬升进入脆性断裂的范畴,减压降温引起流体沉淀成矿颇有新意。国际上对这类矿床的成因认识影响最大,最有说服力的当属Sibson的“断层阀模式”。

中温脉状金矿典型地形成于高角度逆断层中,这与常识逆断层产状缓倾(倾角25-30°)相矛盾,摩擦理论认为在水平挤压应力状态下,当聚集的流体压力达到或超过静岩压力时,先期断层活化就会形成高角度逆断层,根据这种认识,Sibson提出了“断层阀模式”,高角度逆断层充当了“阀门”角色。具体过程如下:(1)破裂前,流体聚集于发震区以下,顶部为不渗透区,使得流体压力不断增加。(2)一旦流体压力大于上覆静岩压力,位于发震区底部的断层在剪应力作用下发生破裂,破裂面向上延伸进入脆性区,产生张性断裂渗透区,相应深部断层上的剪应力大幅减小。(3)断层破裂后,深部的流体会沿着破裂面及其旁侧的次生破裂区释放,流体压力的突然释放会引起流体内的成矿物质沉淀。(4)成矿物质沉淀会封闭破裂区,使得深部流体不断聚集,再次引起破裂,进入下一次循环……

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断层阀模式形成的含金石英脉(来自文献1)

张应力走滑断层中的含金石英脉形成机制与“断层阀模式”略有不同,它总是形成于成“雁列”状的相邻断层面交接部位的扩容空间(dilational jogs)内。深部流体进入这些区域(距地表2-3km),使得流体压力迅速下降,引起流体沸腾,沸腾所释放的能量又会进一步引起水裂和角砾岩化,从而提高流体循环和沉淀成矿程度,这就是著名的“抽吸泵模式”。

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抽吸泵模式中的扩容空间(来自文献1)

1990年,Sibson回到了他的祖国,在奥塔戈大学(University of Otago)当了一名地质学教授,继续从事他的研究。新西兰南岛目前属于地质作用活动期,是地质研究的天堂,但你在获得惊喜的同时,也免不了颤动的惊恐。他提高了公众对新西兰周围板块边界,甚至包括整个环太平洋地区地震灾害的认知。他帮助NSF(美国国家科学基金会)/USGS圣安德鲁斯断层深部观察实验室(San Andreas Fault Observatory at Depth)确定了科学基本原理与目标方向,这被认为是地球科学领域承担的最重要的钻探项目。他目前试图说服有关部门在新西兰的阿尔卑斯断层(alpine fault)开展钻探项目。

40余年间,Sibson在纯地球科学和应用地球科学领域都作出了突出贡献,产生了深远影响,是一位真正杰出的国际地球科学家。他在各种期刊发表文献近80篇(数据没有经过精心统计),有些被广泛引用,此外他还出版了一本有关构造地质学的专著。他组织了8次高水平的国际地质会议,是the Geological Society of America Bulletin, Journal of Structural Geology 和Geofluids等业界著名期刊杂志的编委。他获奖无数,其中最为重要的是伦敦地质学会2010年为他颁发的沃拉斯顿奖(Wollaston Medal),2011年美国地质学会构造地质分会为他颁发的杰出生涯贡献奖(Career Contribution Award)。

本月初,在湖北襄樊参加培训,中国地质大学(武汉)吕新彪教授讲到新疆哈密某金矿的发现过程。他说这个金矿是一个加拿大地质学家发现的,这名地质学家深刻研究了金矿所在区构造地质特征后与成矿模式进行了全方位对比,得出某地区可能存在金矿的结论,通过一系列地质工作最终发现了该金矿。目前国内的评价体系让地学精英多把精力花在了发表高水平文献上,而对理论与实践的完美结合不甚在意,再是矿床成因上欧美流派的当今全覆盖与找矿勘探领域深深地前苏联旧有烙印极度不协调,再有体制等的缺陷,这些都大大限制了地学领域科技的创新。让广大的地学工作者脱离繁琐的事务性工作,没有后顾之忧,专心于业务,自由于思想,才是解决创新之道,只是目前依旧在前进的路上!

来源:新疆矿业投资

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