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山东沂南金矿金场矿区断裂构造特征与 古应力场恢复 桑士震 1 尹会永 1 翟玉涛 1 赵翠月 1 丛顺明 2 焦鹏 2 (1. 山东科技大学地球科学与工程学院, 山东 青岛 266590; 2. 山东黄金矿业 (沂南) 有限公司, 山东 临沂 276317) 摘要为深入研究沂南金矿金场矿区构造特征及动力学机制, 恢复该区域的古构造应力场, 为矿区深部找 矿及工程布设提供依据, 对金场矿区马旺矿段及冶官墓矿段进行了详细的地质调查, 运用赤平投影方法, 恢复了矿 区不同地质历史时期的构造主应力优选方位, 并结合区域地质背景资料, 对矿区构造特征、 古构造应力场的演化系 列进行了综合分析。研究表明 ①矿区自中生代成矿以来至少经历了3期挤压变形, 分别为白垩纪早期的近SN向 挤压变形, 白垩纪晚期的近EW向挤压变形及新近纪的近NESW向挤压变形, 3期挤压应力逐渐减小, 最终形成 了矿区大量集中于NW、 NE、 NNE 3个延伸方位的剪节理或断层以及断层交汇形成的 “入” 字形与 “人” 字形的断裂 构造格架; ②赋存于断层带间的矿体在经历多期应力挤压变形后, 其围岩稳定性较差, 对后期巷道支护布设及采场 设计参数优化提出了较高要求。 关键词沂沭断裂带构造特征古应力场赤平投影构造尺度 中图分类号P542, TD32文献标志码A文章编号1001-1250 (2019) -06-135-07 DOI10.19614/ki.jsks.201906025 Characteristics of Fault Structure and Restoration of Paleo-stress Field in Jinchang Mining Area of Yinan Gold Mine, Shandong Province Sang Shizhen1Yin Huiyong1Zhai Yutao1Zhao Cuiyue1Cong Shunming2Jiao Peng22 (1. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Shandong Gold Mining(Yinan)Co., Ltd., Linyi 276317, China) AbstractIn order to fully study the structural characteristics and dynamic mechanism in Jinchang mining area of Yinan Gold Mine, restore the paleo-stress field in the area and provide basis for deep prospecting and engineering layout in the mining area, detailed geological survey of the Mawang ore section and Yeguanmu ore section of the mining area are carried out.By using the stereographic projection , the optimum direction of tectonic principal stress in different geological his- tory periods of the mining area is restored, and combined with the regional geological background data, the structural charac- teristics and evolution series of paleo-stress field of the mining area are analyzed synthetically.The study results show that① the mining area has experienced at least three stages of extrusion deation since the Mesozoic metallogenesis, that is, the near SN direction extrusion deation in the Early Cretaceous, the near EW direction extrusion deation in the Late Cre- taceous and the near NE-SW direction extrusion in the Neogene, the three-stage extrusion stress is gradually reduced, finally, a large number of shear joints or faults in the extensions of NW, NE and NNE and a minefield fault framework ed by the intersectional faults in the mining area are ed; ②stability of the surrounding rock of the orebodies hosed in the fault zones is poor after undergoing multi-stage stress extrusion deation, therefore, the higher requirements for the layout of the road- way support and optimization of the design parameters in the stope are provided. KeywordsYishu fault zone, Structural characteristics, Paleo-stress field, Stereographic projection, Tectonic scales 收稿日期2019-05-07 基金项目国家重点研发计划资助项目 (编号 2017YFC0804101) , 国家自然科学基金项目 (编号 41702305) , 山东省自然科学基金项目 (编号 ZR2017PD001, 2017CXGC1602) 。 作者简介桑士震 (1993) , 男, 硕士研究生。通讯作者尹会永 (1979) , 男, 副教授, 博士, 硕士研究生导师。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 在断裂带成矿作用中局部构造活动驱动热液流体在断裂带结构中运移、 冷却、 成矿及后期矿体运移 135 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 过程是金属矿床学领域的研究热点之一。目前, 国 内外对控矿构造的研究方式已由简单的理论分析 转变为系统化、 定量化分析[1], 并将断裂构造特征 与其所决定的围岩稳定性等工程地质效应紧密联 系起来 [2]。因此, 研究矿区断裂构造特征、 运移过程 及成因, 恢复矿区古构造应力状态, 对矿区找矿、 开 采工程布设及巷道支护具有重要的指导意义 [3]。沂 南金矿金场矿区为沂沭断裂带西部中生代金矿床的 典型代表, 研究该矿区的构造特征及应力场变化, 对 于深入分析鲁西地区金矿床的成矿过程 [4]、 构造演化 规律具有重要的参考价值。 沂南金矿金场矿区位于鲁西地区与胶东地区的 分界线沂沭断裂带西侧, 矿区内断裂在水平方 向上交汇形成的 “入” 字形与 “人” 字形的矿田构造格 架严格控制了矿体的产出位置 [5-6]。前人研究认为, 中新生代构造运动对我国华北板块矿床的形成以 及地理环境变化影响极大 [7], 在该时期, 华北板块经 历了复杂的构造变革 [8-9]。沂南金矿田于中生代白垩 纪早期与晚期先后经历了两期挤压应力, 区域应力 场由左旋剪切作用转化为右旋剪切作用 [5]。以往对 该区构造运动及应力场变化特征的研究主要集中于 中生代白垩纪及前期, 对白垩纪以后特别是新生代 时期的研究较少, 且研究多基于区域宏观应力场分 析, 基于矿区构造的实际验证成果较为缺乏。金场 矿区即将对马旺矿段及冶官墓矿段的新采区进行开 采, 对采区及周边断裂构造进行系统研究可为新采 区安全高效开采提供有价值的基础地质信息。 本研究基于区域宏观构造分析、 井下构造实测 及显微镜下薄片鉴定等不同构造尺度的观察分析, 厘清多期断裂构造形成的先后顺序及运动学性质, 依据安德森模式以及库仑剪破裂准则 [10], 采用赤平 投影分析方法恢复矿区不同时期断裂构造的古应力 场, 并参考前人在矿区邻近地区获取的地应力实测 数据 [11], 对矿区应力场变化特征进行综合分析, 为矿 区后续勘探开发提供理论依据。 1矿区地质概况 沂南金矿位于华北板块东南缘沂沭断裂带西 侧 [12], 鲁西隆起东缘, 由金场、 铜井2个矿区组成 (图 1) , 主要产品有黄金、 白银、 铜精和铁精矿粉 [13]。 金场矿区位于NW向马牧池金场断裂与NE向 枣林庄断裂 (沂沭断裂带西侧的次级断裂) 的交叉部 位 (图1) , 主要矿床包括冶官墓矿段、 马旺矿段、 村里 矿段等 [13]。矿区拟开拓巷道及采场位于马旺矿段及 136 ChaoXing 桑士震等 山东沂南金矿金场矿区断裂构造特征与古应力场恢复2019年第6期 冶官墓矿段深部的断层破裂带中, 岩体蚀变严重, 节 理裂隙极为发育, 地压显现明显, 在主要平巷掘进过 程中经常出现巷道两帮收缩或片帮、 顶板下沉以至 冒落、 巷道底鼓、 支护破坏等现象, 严重威胁着矿区 安全高效生产。 根据前人稳定同位素分析及年代学测试结果, 沂南金矿矿体岩石中的U-Pb年龄有129~128 Ma [5], (128.63.6)Ma[14], (135.82.7)Ma, K-Ar 年龄有 116.8~125.5 Ma [5], 121 Ma[12-13], 128~121 Ma[14], 处于燕 山晚期。燕山晚期岩浆沿矿区断裂交汇部位多期次 上升侵位, 呈岩珠、 岩床、 岩枝状产出, 形成金场杂岩 体; 地层因岩浆上涌隆起, 形成穹隆构造及层间断 裂, 在接触带构造及层间断裂间形成矽卡岩型金铜 矿床。矿区地层自下而上包括新太古界泰山岩群雁 翎关组、 新元古界土门群佟家庄组、 寒武系长清群、 寒武系中上统九龙群和第四系 [12]。 2断裂构造特征 矿区内断裂构造遍布全区, 节理裂隙发育, 断层 数量较少, 两者均以多期多阶段活动为特征。 2. 1断层特征 矿区内观察到的具有明显位移的断裂有5条, 即 NE向枣林庄断裂 (F5, F6, F8) 及NW向马牧池金场 断裂 (F3, F4) 。2个方向的断层在横向上因水平应力 作用交汇形成了 “入” 字形与 “人” 字形的矿区断裂构 造, 与沂南金矿在水平方向上由NW向马牧池金场 断裂及马家窝铜井断裂交汇于NNE向沂沭断裂 带、 鄌郚葛沟断裂而形成的 “人” 字形区域断裂构 造相对应 [4], 共同组成了由沂沭断裂带及其次生断裂 构成的鱼骨状构造格架的一部分, 表现出矿区应力 作用与区域应力作用的一致性。 由矿山地质实测资料可知, 枣林庄断裂 (F5, F6, F8) 断层走向40~50, 倾角近直立, 在矿区不同的出 露点具有两期擦痕, 分别指示断层左行与右行平移 运动 (图2 (a) 、 图2 (b) ) , 且在断层出露处及附近见有 正花状构造显示压扭性质 (图2 (c) ) , 推断枣林庄断 裂至少经历过两期构造运动, 分别为左行压扭性活 动以及右行压扭性活动。马牧池金场断裂 (F3, F4) 断层走向325~345, 倾角60~85。马牧池金场 断裂带内岩石受构造应力作用可见糜棱结构, 具有 弱定向性, 可见右行逆冲的挤压透镜体拖尾现象 (图 2 (d) ) 及左行运动的眼球状结合体 (图2 (e) ) 。断层 出露处由于受到强烈的压扭作用, 形成了片理化或 石香肠式断层 (图2 (f) ) , 显微构造与露头指示马牧池 金场断裂也经历了左行及右行两次压扭性活动。 由现场观察可知, F6断层切割F3断层, F8断层切割F4 断层, 初步判定矿区断层的形成顺序为NW向马牧池 金场断裂→NE向枣林庄断裂。 2. 2节理特征 矿区内剪节理发育良好, 局部规模较大且密集 分布。本研究在矿区实地测量了10组剪节理的产 状, 产状测量位置如图3所示。上述节理按走向可 归于NW、 NE、 NNE、 EW、 WNW、 NNW 6个方向, 其优 选性较强, 集中分布于NW、 NE、 NNE 3个延伸方位, 其余走向的节理较为稀疏。各节理组的特征参数如 表1所示。 137 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 在矿山部分区域可以观察到 NW 向节理组被 WNW向节理组错开, 可以推测金场矿区形成NW向 节理组的应力作用应早于形成WNW向节理组的应 力作用, 结合断层切割关系, 推断矿区应至少遭受过 两期或两期以上构造应力作用。结合矿山原有地质 资料 [5]及现场断层、 节理及擦痕等构造实测资料, 本 研究绘制了如图3所示的金场矿区地质简图。 3古构造应力场恢复 断裂的形成与古构造应力场密切相关, 通过恢 复矿区的古构造应力场可以分析区域断裂形成的动 力学成因。本研究依据断裂形成的安德森模式以及 库仑剪破裂准则, 通过赤平投影方法对矿区内斜交 于断层的节理及共轭节理进行统计分析, 进而恢复 矿区的古构造应力状态 [10]。 在矿区实测过程中, 发现了大量共轭节理以及 与断层斜交的剪节理组, 其位置分布如图3所示。本 研究重点考察了F3、 F4、 F6断层, 测量了这3条断裂的 断层面产状及其斜交节理的产状要素, 并对共轭节 理进行了实地测量。根据获得的产状数据, 通过对 其优势产状的赤平投影获取了古构造应力场3个主 应力的产状信息 [10]。古构造应力场恢复的相关数据 如表2、 表3及图4所示。 138 ChaoXing 2019年第6期 在取得图4 (a) ~图4 (f) 中各点古构造应力的σ1、 σ2及σ3产状后, 对产状相近的数据进行了二次赤平投 影, 最终获得了σ1、σ2及σ3的优势方位, 如图4 (g) ~图4 (i) 所示。本研究认为矿区的古构造应力状态可划分 为3期, 一期最大主应力 (σ1) 靠近正东或正西方位, 一期最大主应力 (σ1)靠近正南或正北方位, 另一期 最大主应力 (σ1) 靠近东北或西南方向, 表明矿区分别 遭受了近EW向、 近SN向及近NESW向挤压应力 场作用。 桑士震等 山东沂南金矿金场矿区断裂构造特征与古应力场恢复 注 az, pl分别示倾伏方向与倾伏角;σ1,σ2,σ3分别表示最大、 中间及最小主应力轴。 注 az, pl分别示倾伏方向与倾伏角;σ1,σ2,σ3分别表示最大、 中间及最小主应力轴。 4动力学机制 在矿区枣林庄断裂与马牧池金场断裂的不同 露头处, 均可见被断层右行切割或左行切割的岩浆 岩, 可知在金场矿区成矿后矿体经历了多期挤压应 力场作用下不同方向的断层切割作用, 沂南金矿的 成矿时间处于中生代白垩纪早期 [5, 12-14]。前人研究认 139 ChaoXing [1] [2] [3] 金属矿山2019年第6期总第516期 为该时期为华北克拉通破坏的峰期 [15], 本研究结合 区内断裂构造及古应力场的研究结果认为, 矿区自 中生代成矿以来至少经历了3期挤压变形。 由前文可知NW向节理组被WNW向节理组错 开, 根据节理赤平投影结果可知 矿区范围内形成 NW向与WNW向节理组的古应力场的主应力方向分 别为近SN向与近NESW向, 故近NESW向挤压 应力场晚于近SN向挤压应力场。由图3可知 目前 矿区断层切割关系表征出枣林庄断裂的右行特征, 通过力学分析认为, 近SN向挤压应力场可以驱动枣 林庄断裂左行滑动, 近EW向与近NESW向挤压应 力场可以驱动枣林庄断裂右行滑动, 结合前人对沂 南金矿古应力场的研究成果 [5], 认为研究区经历的3 期挤压应力场的最大主应力方向先后顺序为近SN向 →近EW向→近NESW向。矿区自中生代成矿以 来先期主要受近SN向挤压应力场作用, 该期应力作 用最大, 造成了NW向马牧池金场断裂大规模的右 行走滑平移运动与NE向枣林庄断裂大规模的左行 走滑平移运动, 矿区构造格架基本形成。该期挤压 活动可能与在鄂霍茨克洋的最终关闭以及伊泽奈崎 板块的高速俯冲双重作用下, 对区域施加的近SN向 挤压应力有关 [16]。中期主要受近EW向挤压应力场 作用, 该期应力场应力作用相对较小, 在矿区范围内 未形成新的断层, 但改变了断层两盘的相对运动方 向, 造成了NW向马牧池金场断裂的左行走滑平移 运动及NE向枣林庄断裂的右行走滑平移运动。从 区域上看, 该期挤压活动可能与白垩纪晚期区域应 力场转化为近EW向挤压活动造成的右旋剪切作用 有关 [5]。晚期主要受NESW向挤压应力场作用, 结 合前人对沂沭断裂带的研究成果 [17], 本研究认为该 期挤压应力近似为新近纪应力场的最大主应力方 向, 新近纪以来, 矿区持续受到来自太平洋板块以及 印度板块挤压应力的共同作用, 由于矿区西部沂沭 断裂带和矿区与印度板块的超长距离分别衰减了近 NE向和SW向的挤压应力, 故第三期古应力场应力 作用最小, 在区内既未形成新的断层, 也未改变断层 两盘的相对运动方向, 仅形成了部分共轭节理。 通过分析沂南金矿附近区域近年来的地应力实 测数据 [11], 认为第四纪新构造运动阶段中, 矿区附近 应力场方向相较于新近纪应力场方向未发生较大改 变, 仍为近NESW向。结合井下构造观察研究认 为, 矿区范围内新生代构造运动未摆脱中生代构造 活动的约束作用 [8], 块体格局未发生大的改变, 至今 仍为中生代形成的 “人” 字形与 “入” 字形的矿区构造 格局。 5结论 (1) 沂南金矿金场矿区马旺矿段及冶官墓矿段 断裂构造遍布全区, 节理裂隙发育, 断层数量较少, 两者均以多期多阶段活动为特征, 断裂构造的延伸 方位主要为NNE、 NE及NW 3个方向, 并在水平方向 交汇形成了 “入” 字形与 “人” 字形的断裂构造格架, 严格控制了矿体的赋存位置, 有利于矿区找矿工作 开展以及巷道、 采场等地下工程布设。矿区控矿构 造与沂南金矿 “入” 字形区域断裂构造共同组成了由 沂沭断裂带及其次生断裂构成的鱼骨状构造格架的 一部分, 表现出矿区应力作用与区域应力作用的一 致性。 (2) 沂南金矿金场矿区自中生代成矿以来经历 了3期挤压变形, 即早期近SN向、 中期近EW向及晚 期近NESW向挤压变形。早期挤压变形可能与白 垩纪早期鄂霍茨克洋的关闭与伊泽奈崎板块的高速 俯冲双重作用下对矿区施加的近SN向挤压应力有 关, 中期挤压变形可能与白垩纪晚期近EW向挤压活 动的区域应力场有关, 晚期挤压变形可能与新近纪 近NESW向挤压应力场有关, 3期应力场挤压应力 作用逐渐减小, 最终形成了沂南金矿金场矿区现今 的构造格架。 (3) 新采区内岩体自中生代以来遭受了多期应 力挤压变形, 导致矿区断裂构造发育, 岩石破碎严 重, 为巷道及采区围岩稳定性评价与质量分级提供 了可靠依据, 有助于后期巷道支护布设及采场设计 参数优化, 为新采区安全高效生产提供了保障, 对于 进一步研究沂沭断裂带西部鲁西地区中生代金矿床 成矿、 构造演化规律以及采场工程布设有一定的参 考价值。 参 考 文 献 李瑞红, 安平, 恽孟河, 等.焦家断裂带三维结构模型及其数值 模拟以新城金矿床控矿构造为例 [J] .大地构造与成矿学, 2019, 43 (1) 33-45. 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