成矿构造应力场的控矿机制作用是一种很有理论价值和实用价值的研究课题。
成矿构造应力场的概念揭露了构造控制成矿作用的本质，它不仅概括了地质学家使用的成矿前、成矿期和成矿后构造的时间关系，更重要的是指明了成矿作用在什么样应力场作用下发生以及成矿期外力作用的方式和方向，进而指明了地壳运动的方式和方向。因此，成矿构造应力场的确定是研究构造控岩控矿作用的基本前提，在这样的前提下才导致控矿构造应力场特征的研究。
在成矿构造应力场作用下引起的构造活动与成矿作用密切相关，这种构造活动控制着矿体的形成和分布，它们可以是新生的构造，也可以是在成矿应力场作用下引起先存构造的再次活动。然而，在成矿构造应力场作用下并非卷入成矿应力场作用的所有构造处处都成矿，只是在一些局部的有利构造部位成矿，这些构造部位就是成矿构造应力场作用强烈的部位，也就是容易引起能量积累和释放的部位。
构造应力场的演化而导致构造形变，特别是断裂构造的多次活动和力学性质的演化。每当一场新的构造运动发生，不仅产生一系列新的构造形迹，而且还对先存构造产生强烈的改造作用。因此，构造应力的发展演化过程是一个复杂的问题，它不仅涉及时间演化问题，还涉及各种构造的空间关系。
成矿应力场是指成矿期的应力场。成矿构造应力场控制着成矿期的构造活动。与成矿构造应力场对应的构造体系称为成矿构造体系。例如，在南北向挤压作用下形成东西向构造，并伴之成矿，则把南北向挤压构造应力场称成矿构造应力场，而把东西向构造体系称为成矿构造体系。
在成矿构造应力场的作用下，引起成矿物质的形成、迁移和聚集。
如何确定成矿构造应力场及成矿构造体系，应首先建立区域构造格架，鉴定出矿区内各种构造成分力学性质、序次。对于多期活动的形迹，鉴定出演化历史；再根据力学性质进行组合，从而得出区内构造体系的演化历史。由此反演出区内构造应力场演化的历史，最终确定出成矿作用与哪一期构造体系活动密切相关。
地壳中的成矿元素的活化、迁移和聚集，与成矿构造应力场的能量息息相关。成矿构造应力场的能量U的高值区，有利于成矿元素的活化；成矿期的构造运动，使构造应力场能量发生变化，促进成矿元素的迁移；能量降ΔU大的部位，由于放出的能量大，岩石破碎强烈，有利于活化的成矿元素的聚集。因此，能量降ΔU的高值区，是成矿的有利部位。
成矿因素非常复杂，一般认为，构造是成矿的重要因素。可是，地壳上的许多构造并不是一定都与成矿作用有必然的联系，矿床的形成，仅与特定阶段的构造和构造的特殊部位有关。
地壳在压力(包括各种外力、内力)的作用下，产生构造应力场。设其主应力为σ1、σ2、σ3；同时也产生相应的应变场，设其主应变为ε1、ε2、ε3。地壳由于变形，各点产生位移、力的作用点也产生相应的位移，则作用力做功为
构造应力场控岩控矿
式中：Pi为作用在i点的力；δi为i点产生的位移。
假设地壳中没有发生能量交换，则功W 以势能的形式储存在地壳中，称为应变能，设单位体积中的应变能为M，则
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考虑到虎克定律：
构造应力场控岩控矿
所以，
构造应力场控岩控矿
由于单位体积应变能M由两部分组成，一部分为单位体形状改变储存的势能U，另一部分为单位体体积改变储存的势能V，据弹性力学知识则有
M=U+V
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式中：E为岩石弹性模量；μ为泊松比。
设单位体体积应变为Q，据弹性力学知识则有
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当Q＞0时，为地壳变形过程中，单位体体积膨大，地壳介质变得疏松；当Q＜0时，为地壳变形过程中，单位体体积变得密实。
若地壳处于平面应力状态，σ3=0，则得
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成矿元素的活化、迁移和聚集均由地壳内储存的能量及构造空间所决定。在成矿构造应力作用下，成矿前的断裂构造发生活动。活动的结果是使储存在断裂中的应变能释放出一部分，使整个成矿构造应力值发生变化，引起整个成矿构造应力场应变能下降，这个降值称为能量降。形状改变(变形)势能U下降值ΔU最大的地方，矿液失去的能量最多，处于相对稳定状态，易于沉淀。另一方面，在地壳变形中，体积应变Q＞0的地方，地壳介质变得疏松，构造空间开阔，也易于矿液沉淀。若ΔU值最大，同时Q＞0，这样的部位是成矿的最有利部位。
在构造动力作用下，岩石发生流动，并伴生物理和化学变化，即形变与相变，这是元素活化迁移、聚散和成岩成矿过程。
刘迅等(1998)研究璜山金矿认为其成岩成矿经历三个阶段。
第一阶段：在北西—南东向压应力作用下，差应力为80～150MPa，应变速率为10—11～10—12s—1，温度为400～500℃，地壳10～15km深处高压条件下，岩石呈塑性流动状态并发生塑性变形，形成北东向绍兴—江山挤压型韧性剪切带，向中心带应变量加大。可溶性SiO2、K+损耗，随流体向高应变区迁移，形成千糜岩和石英质糜棱岩(动力分异型石英脉)，残留相黄铁矿等载金矿物细粒集合体在高应变区聚集、构成浸染状、条纹状、条带状矿石。
第二阶段：在南北向压应力作用下，差应力为150～160MPa，应变速率为10—10～10—11s—1，温度为300～380℃，地壳10～15km深处，由高压向中压转变条件下，岩石仍处于塑性流动状态，北东向绍兴—江山构造带转变为平移型剪切性质(左行)。金元素以显微金、中细粒金矿物赋存于黄铁矿等硫化物和石英脉中。
第三阶段：在南北向压应力作用下，差应力水平降低至30～60MPa，应变速率升高，大于10—10s—1，温度下降至200℃左右，处于地壳5～10km深度，由高压转变为中低压环境。岩石由塑性变形向脆性变形转化，北东向绍兴—江山构造带由平移型韧性剪切左行向平移型脆性剪切(左)转化。SiO2在剪切带中相对扩容部位，岩石力学性质相对偏张，碎裂变质相对强烈，导致岩石渗透率相对升高，金元素再次迁移聚集成富矿。
701矿成矿母岩为燕山晚期黑云母花岗岩，产于区域东西向构造带与北北东向构造带复合部位。在构造动力作用下，该含矿岩体由侵位→定位→风化过程，也是岩体从塑性流动向碎裂流动过程。稀土元素发生活化迁移聚集以至成矿。刘迅(1998)研究认为，在南北向挤压和南北向反扭构造应力场的长期交替活动，由于应力较低(差应力值为40～70MPa)、应变速率和冷却率偏低，结果活动时温度低，使岩体遭受早期塑性变形和后期脆性变形，导致稀土元素从岩体内充分分离，并逐渐向高应力区迁移聚集(图5.2，图5.3)。第一阶段在南北向挤压为主的构造应力作用下，富含富钇稀土的花岗岩浆从深部向浅部侵位，在温度高于400℃和中偏高压环境中，稀土元素伴随岩浆晚期及期后残余热液、挥发分趋向聚集，在高应变区相对富集。第二阶段，在南北向反扭应力与南北向挤压应力交替作用下，温度低于400℃和中低压环境中，花岗岩以脆性变形为主。在高应变区，花岗岩发生钠长石化、白云母化、碳酸盐化，造成稀土元素进一步高度富集。第三阶段，发生次生水化作用，稀土元素呈离子状态进入高岭石等黏土矿物，造成次生富集。
图5.2 701矿区稀土元素富集特征图
(据刘迅等，1998)
1—下白垩统红层(未分)；2—下侏罗统(余田群)中基性、中酸性、酸性火山岩；3—下三叠统大冶组钙质页岩、粉砂岩夹泥质灰岩；4—上二叠统龙潭组页岩、粉砂岩、长石石英砂岩、炭质页岩夹煤层；5—震旦—寒武系混合岩(未分)；6—燕山中期碱性长石花斑岩；7—燕山中期晚阶段细粒黑云母花岗岩；8—燕山中期黑云母钾长花岗岩；9—燕山中期白云母钾长石碱性长石花岗岩；10—燕山早期黑云母碱性长石花岗岩；11—花岗伟晶岩；12—伟晶岩脉；13—接触角岩化蚀变带；14—南北向构造带(压性断层)；15—新华夏系(压扭性断层)；16—新华夏系(北北西向压扭—张扭性断层)；17—东西构造带(压性断层)；18—北东向硅化破碎带；19—渐变地质界线；20—不整合接触；21—富矿产区；22—次富矿产区；23—实测构造剖面
王成金(1986)用激光全息法模拟了西准噶尔金矿成矿带成矿期构造应力场特征(图5.4～图5.6)，所选靶区大致沿东西向和北东向成矿带分布，即别鲁嘎希—大棍东西向异常带、铬门沟—红山头东西带、齐I宝贝东西带、安齐北东向异常带、红旗北东向带、本哈塔依—其克提北东东向异常带。这些成矿带是成矿期构造应力场作用下应变能积累和释放的集中地带。
常文志在研究别鲁阿克西金矿时，用有限单元法探讨了矿区成矿构造应力场的能量和体积应变，揭示了成矿构造应力场的能量和体积应变在成矿中的作用和意义。
图5.3 G1实测构造平面图和某些元素含量及差应力值的变化曲线
(据刘迅等，1998)
1—白云母花岗岩；2—糜棱岩；3—碎斑岩；4—碎裂岩；5—萤石化；6—方解石化；7—劈理化；8—透镜化；9—节理；10—样品位置
图5.4 萨尔托海成矿构造应力场的模型
(据王成金)
1—载荷；2—固定边界；3—成矿前断裂；4—金矿点
常文志采用如图5.7所示模式，对别鲁阿克西金矿成矿构造应力场进行有限单元法计算，结果如图5.8和图5.9所示。
图5.5 成矿构造应力场变形势能图
(单位：erg/cm3)
(据王成金)
4×104＞A＞3×104；3×104＞B＞2×104；2×104＞C＞1×104；1×104＞D＞10
图5.6 成矿构造应力场能量降图
(单位：erg/cm3)
(据王成金)
4×103＞A＞1.5×103；1.5×103＞B＞3×102；3×102＞C＞1.5×102；1.5×102＞D＞5×101
图5.7 别鲁阿克西矿区研究模型图
(据常文志)
1—固定边界；2—简支边界；3—加载荷；4—断裂
图5.8 能量降ΔU分级图（单位：erg/cm3）
(据常文志)
4.1×103＞A＞103；103＞B＞8×102；8×102＞C＞6×102
图5.7显示成矿前断裂都将发生活动，使储存在断裂中的应变能M释放出一部分，造成整个成矿构造应力的应变能M、单位体体积改变能U下降。断层活动造成应变能改变。图5.8为ΔU分级图，由图可见，A级为中心，断裂活动引起的U降低值高，使矿液处于相对稳定状态，易于沉淀和成矿。表明能量降低ΔU是成矿的一个重要条件。
图5.9为在成矿构造应力场作用下的体积应变Q分布，由图5.9可见，除少数矿点位于Q＜0区外，全区50多个矿点中的40多个点均位于体积应变Q＞0的区域，所以体积应变Q＞0是成矿控矿的另一个重要条件。
图5.9 体积变化分布图
1—体积膨大区；2—体积缩小区；3—金矿点
王成金(1986)用明胶网格法研究了豫南商城—罗山地区成矿期应力场与矿化关系。研究区围岩弹性模量为0.34×105Pa，泊松比为0.3；岩体弹性模量为0.24×105Pa，泊松比为0.36；经研究得最大剪应变、最大剪应力和剪切应变能的分布状态如图5.10～图5.12所示。应变高值区和能量高值区为矿化良好区。
图5.10 大别山北麓应变γmax等值线图
(据刘迅等，1998)
1—＞0.35；2—＞0.3；3—＞0.2；4—＞0.1；5—＜0.1；6—斑岩铜钼矿床；7—铜矿点；8—铅锌矿点；9—钨矿点；10—云母矿点；11—萤石矿点；12—磁异常区
图5.11 大别山北麓剪应力等值线图（单位：100Pa）
(据刘迅等，1998)
1—τmax＞5；2—τmax＞4；3—τmax＞3；4—τmax＞2；5—τmax＞1；6—τmax＞0.8
图5.12 大别山北麓应变能U等值线图（单位：J）
(据刘迅等，1998)
1—＞7×10—4；2—＞1×10—3；3—＜7×10—4
西秦岭金矿成矿构造应力场：西秦岭碳硅泥岩型金矿床处于秦岭东西构造带、川滇南北向构造带及北北东向构造带、北东向构造带交切复合部位。成矿构造应力场为南北向挤压(σ1)、东西向拉伸(σ3)(刘迅，1998)。矿体绝大多数呈东西向展布。矿体和矿脉均产于断裂带之中，严格受断裂控制。矿液的运移和富集与应力作用密切相关。因此，主成矿作用是在成矿构造应力作用下引起的能量积累和释放过程中进行的。
刘迅(1998)按南北向挤压的东西向构造成矿应力场加力方式，采用全息光弹实验萃取等差线和等和线，取fp=7.28×103N/m、fc=1.2×104N/m、fd=0.5cm、fc=0.9cm、E=3.36×109Pa、μ=0.45。利用式
构造应力场控岩控矿
求出区内各点的应变能，并绘出应变能等值线图(图5.13)。利用式(5.19)求出区内各点的矿液运移式并绘出矿液运移势等值线图 图5.14)。
图5.13 俄都矿段全息光弹试验能量分布图（单位：102J/m3）
(据刘迅等，1998)
1—υ＜1；2—υ=1～5；3—υ=5～10；4—υ=10～15；5—υ＞15
图5.14 俄都矿段全息光弹试验矿液运移势图（单位：m/s）
(据刘迅等，1998)
1—υi＜1×105；2—υi=1×105～1×1010；3—υi=1×1010～1×1015；4—υi＞1×1015
构造应力场控岩控矿
式中：fp、fc及dp、dc分别为条纹值和模型厚度，是由实验测定的常数；μ和E为泊松比和弹性模量；a为介质的压缩系数；η为矿液黏度；k0为介质流通系数，由岩石样品实验测定；nc为模型中各点的等差条纹级数；np为等和条纹级数；nc和np对各不同点来说是变量。
对比金土壤地球化学异常图(图5.15)、矿体分布图(图5.16)和能量分布图(图5.13)、矿液运移势图(图5.14)，显示高能量异常区、矿液高运移势区与金土壤地球化学高异常区和矿体分布区十分吻合。
图5.15 俄都矿段金元素土壤地球化学异常图
(据刘迅等，1998)
图5.16 俄都矿段矿体分布图
(据刘迅等，1998)
1—断层；2—金矿体；3—实测矿体分布区；4—推测矿体分布区；5—矿段号
新疆喀拉通克铜镍硫化物矿区Ⅰ号矿床位于额尔齐斯大断裂及其分支构造杰尔台断裂南侧。是一大型镍矿、中型铜矿并具有多种稀有和贵金属大型矿床。其品位之高、矿体之大国内外少见。
矿区出露地层以下石炭统为主，为—套海相浊积含炭质沉凝灰岩和泥板岩。矿区位于北西向、北北西向、东西向构造交会部位。由断层和褶皱组成挤压破碎带。矿区内基性岩体分南北两带，沿北西向展布。Ⅰ号岩体位于南带，Ⅰ号岩体含矿性极高，基本上是全岩矿化，所谓Ⅰ号矿床，基本上即Ⅰ号岩体。平面上呈透镜状，向下逐步转变为S形或蛇曲形(图5.17，图5.18，图3.24，图3.25)；剖面上呈上大下小的“压扁喇叭”状，向北东斜歪(图5.19)。
图5.17 喀拉通克铜镍硫化物矿区1号矿床地质图
1—下石炭系南明水组上段上层；2—下石炭统南明水组上段下层；3—黑云闪长岩(岩体界线据新疆地矿局四大队资料)；4—黑云角闪苏长岩；5—混染辉长岩；6—辉绿玢岩；7—闪长斜煌岩；8—石英斑岩；9—氧化矿体；10—岩相界线；11—北北西背斜轴；12—北北西向斜轴；13—北西向背斜轴；14—北西向向斜轴；15—北北西向压扭性断层；16—北西向压扭性断层；17—近东西向压扭性断层；18—勘测线位置及编号
矿区褶皱、断层及节理赤平投影分析及数理计算均显示依次经历海西早期→海西中晚期→印支燕山期→喜马拉雅期四次构造运动(图5.20)，基性岩体于海西中晚期侵入，其应力分别为海西早期σ1=30°、海西中晚期σ1=50°、印支—燕山期σ1=70°、喜马拉雅期σ1=10°。
图5.18 710m中段地质图
1—下石炭统南明水组上段下层；2—岩体界线；3—石英斑岩；4—致密块状矿石矿体；5—稠密浸染状矿石矿体；6—稀疏浸染状矿石矿体；7—断层；8—勘探线及编号；9—矿体编号
由矿床地质特征及其与构造的关系和同位素研究表明，喀拉通克铜镍硫化物Ⅰ号矿床为岩浆深渊熔离—贯入成因，其形成严格受北西向构造带及其配套的北北西向断裂控制，系以海西中晚期南北向顺扭为主，伴随东西向微弱挤压外力条件下的产物。
为了解控岩控矿构造应力场特征，我们对Ⅰ号岩体710m中段(图5.18)和28号勘探线剖面(图5.19)成矿期应力场进行了有限单元法计算和趋势分析。
岩块或地块在外力作用下，其内部最大主应力、最小主应力、最大剪应力的大小和方向及应变能等符合下列关系式：
构造应力场控岩控矿
式中：σx、σy分别为x、y方向的直应力；τxy为剪应力；α为σ1与x轴的夹角；φ为τmax与x轴的夹角；E为岩石弹性模量；v为岩石泊松比。
图5.19 28号勘探线Ⅰ号岩体剖面
1—致密块状矿石矿体；2—稠密浸染状矿石矿体；3—稀疏浸染状矿石矿体；4—石英斑岩；5—基性岩体界线；6—岩性界线；7—炭质沉凝灰岩；8—断层；9—地质界线；10—钻孔；C1n—下石炭统南明水组；C1n3—1—下石炭统南明水组上段下层；C1n2—下石炭统南明水组中段；C1n1—下石炭统南明水组下段；δ—黑云母角闪岩；ω—黑云母闪苏长岩；ωλ—黑云母橄榄苏长岩；λ—辉长辉绿岩
根据前述成矿期外力条件，设σx=35×105Pa，σy=0，τxy=100×105Pa采用非线性有限单元法，用电子计算机对成矿期应力场进行计算，结果表明在平面上岩体中部，即走向由北西转为北北西，F19与F7等断层交汇处为低围压区，应变能和最大剪应力处于中偏高状态(图5.21)，有利于矿浆贯入成矿。剖面上岩体中部650～750m标高处断裂破碎带中下部为高围压区，而最大剪应力和应变能偏高(图5.22)，与实际地质构造变形基本吻合。710m中段和28线剖面成矿期围压、最大剪应力和应变能趋势分析得出相同结论(图5.23，图5.24)。
综上所述，成矿期低围压区为构造减压区域，有利于矿浆贯入停滞、冷却凝固形成致密块状矿石矿体，这已为该矿床矿体空间分布规律所证明。
图5.20 喀拉通克铜镍硫化物矿区构造运动程式图
1—北西向背斜轴；2—北西向向斜轴；3—北北西向背斜轴；4—北北西向向斜轴；5—压性断层；6—扭性断层；7—张性断层；8—南北向挤压；9—东西向挤压；10—南北向顺时针扭动；11—基性岩体；12—隐伏基性岩体
由计算表明，Ⅰ号岩体周围特别是西南部也出现低压区，矿浆有可能向围岩中有利成矿部位贯入成矿，应引起重视。
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