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流体驱动断裂与岩浆断裂系统的作用
来源：一叶禅儿    时间：2023-07-28 19:09:52

文|一叶禅儿

编|一缕墨香

往昔学术资料显示，地质工作者早已发现，许多原生金属矿床分布在岩株或岩钟等侵入体之中及其周围，并与侵入过程中或在其后所形成的断裂裂隙有关。


(相关资料图)

70至80年代的研究作进一步发现，在侵入体的顶部和周围发育有以岩体为中心的放射状与同心圆状的断裂构造系统，其构造位向与区域构造体系截然不同。

产生断裂的能量来源于岩体的侵位，而其应力则来自与侵入活动有关的热应力与岩浆及热液的驱动力，因此可以称这种断裂构造为 “热致与流体驱动的断裂构造” 。

热致与流体驱动的断裂构造“相关概述”

这类断裂构造的形成是构造物理学和流体动力学过程相耦合的结果，学术称这一边际科学领域为 “构造物理流体动力学” 。

流体驱动断裂的形成机制

研究表明，如果初始含水 2.0% （质量分数）的岩浆熔体侵位于2km深处，当约 33% 的岩浆发生结晶时就会被水所饱和。

此后，熔体的进一步冷却与结晶将导致 “后退沸腾” （或“二次沸腾”）。

发生后退沸腾时，岩浆熔体的体积膨胀，内压增大。体积的增大和熔体的饱和水含量成正比，而与压力成反比。

后退沸腾“相关概述”

当含水2.7%的花岗质熔体在2km深处全部结晶时，体积将膨胀近50%，所积聚的内压可高达 nX100MPa （nX1000kg/cm²），而最坚围岩的抗张强度也仅 nx10MPa 。

从物理角度出发，多数刚性围岩难以借塑性形变适应如此巨大的体积改变，因而必将发生脆性断裂，称为 “水力断裂” 。

表1，表示由于后退沸腾所释放的机械能，以及在不同静岩压力与深度下的相应断裂强度。

在大约2km的深处，熔体中水的溶解度达到极大值 (wH₂o=2.7%)，此时断强度将已结花的抗张强度并使后者发生水力断裂。

表1

水力断裂作用的发生，可以利用Griffith断理论的 “复合破裂包络线” （表2）作应力分析。

表2A中横标轴的正端表示压应力，负端表示张应力；纵坐标轴表示剪切应力。半圆表示应力圆（Mohr 圆），其与横轴的交点表示最大主应力（ox），而左交点则表示最小主应力 (oz)，二者之差即为 “差异应力” 。

弧线表示复合破裂包络线，岩石内的孔隙流体压力是影响脆性固体强度的最重要参量之一。

表2中有效最大主应力（=ox - p）有效最小主应力（=oz - p）和孔隙流体压力均用岩石的抗张强度T表示。

张性断裂垂直于张性最小主应力方向，当应力圆与破裂包络线相接触时即发生断裂。

张性断裂概述图

如果断裂产生后有热液流体沿断裂面流动，则热液的流动将对断裂的扩张与延伸，起到重要作用。

由于热液的密度小于岩石密度的1/2，因而热液必然沿断裂上升，并在断裂面顶端积聚压力，造成断裂面顶端的热液与相邻岩石中的孔隙水之间的压力差。

现以复合包络线（表2）中的原点，表示断裂顶端的热液压力，并假定岩石中孔隙水压力保持恒定。

断裂顶端的热液压力增大，将使断裂面之上岩石中的差异应力减小，从而使岩石在不断减小的差异应力下发生断裂。

表2

当差异应力较大（例如等于9T），接近于产生断裂之值时，则只需 “热液压力稍大于孔隙水压力” （约等于0.46T），即可使岩石发生断裂。

并且使热液流至断裂顶端，渗透到周围岩石的孔隙中，同时因低密度的水溶液向上浮升，因此在断裂的上盘形成较宽广的渗透带（表2A）。

如果岩石然发生断裂，则断裂尖端的热液压力突然下降，使断裂区的差异应力略有减小，从而使在高压时被溶液渗透的岩石突然爆裂，形成角岩 （表2B）。

当热液压力大于等于最小主应力与岩石的抗张强度之和（p>o₂+T时，则差异应力将降至小于等于4T，此时产生垂向的张性断裂或角砾岩带，虽有膨缩但无侧向位移。

岩浆中心成矿系图

有时尚可由主断裂繁衍出垂向分支（表2C）。

如果断裂向上延伸受到韧性和不透水层的限制，则热液将在透水性和脆性较好的岩石中产生水力断裂。

更大的压力下生成许多几乎直立的断裂，而上覆泥岩则因热液流动而发生变形 （表2D）。

关于流体驱动断裂作用的动力学机制，Spence、Sharp和Turcotte曾研究了浮力驱动的断裂扩展问题， 认为断裂尖端附近的断裂力学决定着断裂的大小和扩展速率。

断裂模式相关概述

作者进一步研究弹性介质中浮力驱动、充满流体的二维断裂的稳态扩展并得出结论：

断裂力学只决定断裂尖端的局部结构，而断裂的宽度和扩展速率则决定于流体动力学。

岩浆侵人体周围断裂系统的分布及其对于成矿的控制作用

Koide和 Bhattacharji，利用不同宽高比的岩侵入体周围无限弹性的岩石介质中三维弹性理论的精确解求得岩体周围的应力分布。

根据不同的应力条件判定断裂作用的方式，然后进一步追索岩体周围断裂模式的空间分带性及其对于成矿的控制作用。

断裂模式相关概述

在—2X10⁸Pa的岩浆压力作用于顶部和—1X10⁸Pa的静岩应力（相当于4km的深度）及—0.9X10⁸Pa的平均热液压力下，长球状岩浆体周围的应力分布表3所示。

A表示宽高比（D/H）为1/1.4 的近球状岩浆体，B 表示 D/H为1/100 的直立长球状岩浆体。

实线表示平行于径向平面的最大张应力等值线，而虚线则表示垂直于径向平面的主应力的等值线。 在漏斗状断裂面（C.F）内，最大张应力大于主应力。

表3

根据不同应力条件，可能发生三种断裂作用方式，从岩浆体壁向外依次为：

一：连续张性断裂带。二：脆性断层带。三：无断层带。

连续张性断裂发生在有效张应力 (o - p)大于零的条件下。脆性断层带中包含许多张性断裂和开张的剪切断裂，它们发生在剪切应力超过内摩擦力（即 t>us【o - p】）的条件下（us为静摩擦系数）。

延性断层是出现在脆性断层与无断层带之间的非开张断裂，其外是无断层带。

三种断裂作用方式的空间分布，对于断裂模式及热液成矿作用与蚀变作用的分带性，具有重要的控制作用。

一般，岩浆能侵入于开阔的、连续的张性断裂或大的脆性断裂带中；而热液流体则既可渗流于连续张性断裂中，又容易环流于脆性断裂内。

因此，连续张性断梨带与脆性断层带是矿石定位的有利场所。

表4

根据表3所表示的应力分布和上述不同断裂作用方式发生的应力条件，我们将长球状岩浆体（D：H = 1：14及1：100）周围模式的带状分布表示在表3和表4中。

其应力条件是岩浆压力 = —2X10⁸Pa，静岩应力 = —1X10⁸Pa，热液流体压力 = —0.9X10⁸Pa。

· 图中EO、EO"分别表示同心圆状和放射状连续张性断裂的分布范围。

· B及B"分别表示同心圆状和放射状脆性断层的分布范围。

· RT、CT、RS、CS分别表示射状连续张性断裂、同心圆状连续张性断裂、放射状脆性断层和同心圆状脆性断层。

· 复合断裂模式（如 RT·CT）的第一个符号，表示主导的断裂模式。

结论

将表4中的具体情况加以归纳，可以得出如下结论：

01

在长球状岩浆体周围可以同时形成放射状和同心圆状断裂系统。

02

当岩浆压力和热液流体压力略大于静岩压力时，则放射状断裂在近球状岩浆体周围或在直立长球状岩浆体顶部的正上方或其侧旁，占主导地位。

03

当岩浆压力和热液流体压力大大超过静岩压力时，则同心状断裂在直立长球状岩浆体之上的漏斗状断裂面（C.F.）的区域内占主导地位。

04

在漏斗状断裂带的中心区域，则因沿漏斗状正断层的位移而形成地堑或火山口坍陷，沿着长球状岩浆体的中轴或者沿着以同心圆状为主的断裂带，与以放射状为主的断裂的边界则可形成角研岩简。

最后，我们以美国亚利桑那州萨福德地区 “圣胡安斑岩铜矿床” 为例，对以上模式加以说明。该矿区的地质略图表示在表5中。

表5

图中表示石英二长斑岩岩颈及以其为中心的断裂 - 岩墙系统，其显著特点是具有 “呈中心对称的放射状和同心圆状” 分布的断层 - 脉、矿化节理和若干斑岩岩墙系统，并有侵入角研岩简出现。

这种中心对称的放射 - 同心圆状的断裂模式，显然是发生在浅层次火山侵入体顶部的热致与流体驱动的断裂构造系统。

产生断裂的能量来源于岩体的侵位，而其应力则来自与侵入活动有关的热应力与岩浆及热液的驱动力。

断裂发生在岩浆侵位之后某一时期，此时岩浆与热液流体压力及热应力，已经极大超过静岩压力。

本文由“释雨禅”发布，2023年7月24日

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