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文檔簡介

分形理論在礦床元素分布及富集中的應(yīng)用

眾所周知,自然界中的化學(xué)元素分布非常不均勻。對于金屬礦床,成礦元素分布的不均勻性最為明顯。這種不均勻性主要是由于成礦活動(dòng)的復(fù)雜性造成的。因此,用什么方法表征這種元素含量變化的復(fù)雜性一直是礦床研究中的一個(gè)重要課題。在20世紀(jì)60年代DeWijsian提出了礦床富集的分形模型。隨著分形理論的建立與發(fā)展(Mandelbort,1982),通過對現(xiàn)有大量地質(zhì)資料的研究,人們發(fā)現(xiàn),表征成礦作用的各種地質(zhì)數(shù)據(jù),如斷裂構(gòu)造的空間分布(Avilesetal.,1987;Carteretal.,1995;Cello,1997)、礦床的分布(Carlson,1991;Blenkinson,1994;李長江等,1996)、礦體(石英脈)的厚度分布(Sandersonetal.,1994;Thomasetal.,2001;謝焱石等,2002)、礦石的品位分布(Turcotte,1986;沈步明等,1993;金章東,1998)、熱液流體的流動(dòng)(Gharbietal.,2002)等等,都廣泛具有分形特征。很明顯,應(yīng)用分形理論研究礦床分布及元素的分布與富集規(guī)律,是研究成礦作用的一個(gè)有力的新工具。但目前這一領(lǐng)域的研究尚處在發(fā)展階段,尤其將分形理論應(yīng)用于成礦作用動(dòng)力學(xué)方面的研究還很罕見。大量的事實(shí)表明,一個(gè)礦床的形成,無不經(jīng)歷了漫長的復(fù)雜地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程,從而導(dǎo)致極其復(fù)雜的礦床品位變化。1礦田內(nèi)斷裂構(gòu)造及構(gòu)造湖南水口山礦田是一個(gè)大型鉛鋅金多金屬礦田,包括老鴉巢、鴨公塘、中區(qū)、康家灣、龍王山等礦床(圖1)。礦田內(nèi)發(fā)育上古生界至新生界地層,上古生界主要為淺海相碳酸鹽建造夾含鐵含煤的濱海砂頁巖建造。中、新生界則為陸源碎屑磨拉石建造。其中下二疊統(tǒng)棲霞組的厚層狀含碳質(zhì)條帶灰?guī)r、含燧石灰?guī)r是本礦田的鉛鋅銅金銀的主要賦存層位。當(dāng)沖組薄至中厚層狀含鐵錳硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)頁巖是本礦田金的主要賦存層位。礦田內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,主要有F1,F2,F3,F5,F16,F20,F22,F60,F65,F98等,走向南北或北北東向,長度幾公里到幾十公里。斷裂作用與成礦關(guān)系密切,礦床嚴(yán)格受斷裂構(gòu)造控制,如康家灣礦床受F22斷裂的控制,老鴉巢礦床受F1,F2斷裂的控制,鴨公塘礦床受F3斷裂的控制,溫塘礦床受F98斷裂控制,F5及大漁灣的F16斷裂也有礦化現(xiàn)象,為潛在的控礦斷裂。礦田內(nèi)巖漿巖主要有燕山中期侵入的花崗閃長巖、花崗斑巖體和燕山晚期的英安質(zhì)潛火山巖、火山巖系列的英安玢巖、流紋斑巖體。大量研究研究表明巖漿巖主要來自深源,沿深大斷裂在封閉系統(tǒng)中上升,至開放系統(tǒng)中呈淺成、超淺成侵位,或隱爆成潛火山巖,或爆發(fā)成火山巖,同時(shí)攜帶大量成礦物質(zhì)。2小尺度和小尺度小體積和累積數(shù)目nr的線性范圍和小體積nr的范圍和分布眾多研究表明,元素豐度一般不呈正態(tài)分布,而是對數(shù)正態(tài)分布,即冪律分布。冪律分布是尺度不變的,且在尺度(r)和大于或等于該尺度的累積數(shù)目(N(r))之間有這樣一個(gè)冪律關(guān)系:N(r)=r-D,因此,冪律分布是分形的(Mandelbort,1982),這里D就是分維值??梢酝ㄟ^lgN(r)對lgr的最小平方回歸來求得D:lgN(r)=lgα-Dlgr(1)如果用r來表示元素豐度,則N(r)指大于或等于該豐度r的樣品數(shù)目。3區(qū)域地層和礦層結(jié)構(gòu)面的元素分析結(jié)果為了研究斷裂構(gòu)造對成礦元素活化遷移及其富集的影響,對各已知控礦斷裂帶內(nèi)成礦元素及部分其它元素的含量分布進(jìn)行了分形分析,作為對比,還研究了兩條潛在控礦斷裂帶及區(qū)域地層和礦區(qū)花崗巖體的元素含量分布的分形特征,分析結(jié)果列于表1和表2,其中表1只列出了呈單分形關(guān)系的元素,表2則列出了明顯呈雙分形關(guān)系的元素。從表1和表2的統(tǒng)計(jì)分析中,可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識:(1)區(qū)域地層和花崗巖體的元素含量分布都呈單分形關(guān)系,即只具有一個(gè)分維值,而控礦斷裂帶和潛在的控礦斷裂帶內(nèi)的部分元素,則明顯呈雙分形關(guān)系,如F1的Ba,Cr,F16的Au,Ag和F3,F5的一些元素等。(2)斷裂帶內(nèi)的元素只有一部分具有雙分形關(guān)系,另一部分則也只具有單分形關(guān)系,如一些活動(dòng)性較強(qiáng)的元素和Cu,Pb,Zn等成礦元素。(3)除個(gè)別元素外,斷裂帶內(nèi)元素的分維值明顯小于地層和花崗巖體內(nèi)元素的分維值,特別是成礦元素,其分維值都小于1或接近于1。4水口山礦斷裂帶內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)一個(gè)礦床的形成往往是多重復(fù)雜地質(zhì)過程相互耦合作用的結(jié)果(譚凱旋等,2001)。礦物的沉淀是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程,它與構(gòu)造活動(dòng)、流體流動(dòng)、流體-巖石反應(yīng)等之間存在復(fù)雜的非線性反饋?zhàn)饔?謝焱石等,2004)。其中構(gòu)造活動(dòng)是成礦過程中最重要的控制因素,構(gòu)造活動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力不僅是流體運(yùn)移的重要驅(qū)動(dòng)力之一(Geetal.,1992;孫雄等,1998),構(gòu)造變形特別是斷裂作用可以顯著增高巖石的滲透率。滲透率直接影響成礦流體的輸運(yùn)速度、輸運(yùn)方式和輸運(yùn)距離。流體的流動(dòng)反過來又影響巖石的滲透率,流體活動(dòng)較強(qiáng)時(shí),一方面因流體壓力增大而促進(jìn)裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)容,從而使得巖石滲透率增加。另一方面,滲透網(wǎng)絡(luò)中礦物的沉淀可以引起巖石裂隙的封閉和滲透率的降低。強(qiáng)烈的流體作用會(huì)帶來大量的成礦物質(zhì),這些成礦物質(zhì)的沉淀又會(huì)反過來使得裂隙變窄,直至封閉,巖石滲透率又會(huì)變小。流體活動(dòng)與巖石滲透率的演化存在一個(gè)正負(fù)反饋的過程,是一個(gè)非線性的耦合作用關(guān)系。同時(shí)流體流動(dòng)、礦物沉淀、巖石破裂和熱傳遞之間的正反饋常發(fā)生于斷裂產(chǎn)生和增長的部位?;顒?dòng)斷層及附近的巖石滲透率依賴于巖石應(yīng)變的積累,它在巖石破裂或者再次裂開之前可能有一到二個(gè)數(shù)量級的增長(Cox,1995;Cox,1999)。以上分析可以看出,斷裂構(gòu)造的活動(dòng)不僅為成礦元素的活化、遷移提供了能量并帶來了足夠的活動(dòng)性流體,也為富集的成礦元素最終在合適的部位沉淀下來形成礦床,這剛好說明了為什么水口山礦田控礦斷裂帶和潛在的控礦斷裂帶內(nèi)的部分元素呈雙分形關(guān)系(Orfordetal.,1983),即存在小尺度的結(jié)構(gòu)分形大尺度的構(gòu)造分形(Kaye,1978;Flook,1979),而地層和花崗巖體的元素分布都呈單分形關(guān)系。也就是說,斷裂帶內(nèi)的元素分布至少有兩個(gè)地質(zhì)過程控制,分維值D1顯示的是元素的原生分布規(guī)律,分維值D2顯示的則是后期改造疊加作用;地層和花崗巖體的元素分布則由于沒有受到后期的斷裂活動(dòng)的改造作用則只有一個(gè)分維值D1。至于斷裂帶內(nèi)的元素只有一部分具有雙分形關(guān)系則這可能指示了后期的改造作用十分強(qiáng)烈,如一些活動(dòng)性較強(qiáng)的元素和Cu,Pb,Zn等成礦元素

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