高孝巧,张达,冯海滨,潘天望,王森,易锦俊.2016.闽西南马坑矽卡岩型铁矿床扩容构造控矿机制及深部找矿意义[J].矿床地质,35(3):605~617 GAO XiaoQiao,ZHANG Da,FENG HaiBin,PAN TianWang,WANG Sen,YI JinJun.2016.Ore controlling mechanism of dilation deformation structure of Makeng skarn iron deposit in southwestern Fujian Province and its significance for deep-ore exploration[J].Mineral Deposits35(3):605~617
DOi:10.16111/j.0258_7106.2016.03.011
闽西南马坑矽卡岩型铁矿床扩容构造控矿机制及深部找矿意义
（1 中国地质大学地球科学与资源学院， 北京100083； 2 中地海外集团有限公司， 北 京100101）
通讯作者：张达
投稿时间：2015_03_26
录用时间：2016_01_31
本文得到中国地质调查局地质调查（编号：12120113089600、12120114028701）项目资助
摘要:文章基于岩石力学及分形统计分析，结合野外地质调查，探讨了扩容 构造控矿机制 及其在福建马坑铁矿床成矿过程中的作用。指出马坑铁矿床成矿过程与构造变形作用造成的 扩容机制密切相关，其中，锯齿状断裂扩容构造及流体超压作用扩容是马坑铁矿床除接触交 代作用外成矿的关键因素。锯齿状断裂扩容构造形成于伸展剪切作用，造成矿体沿倾向的尖 灭再现。成矿流体超压扩容主要是由于流体沸腾作用引起，使岩石发生角砾岩化，其中大规 模角砾岩是矿体的有利赋存部位。福建马坑矿区深部及外围找矿，应重点关注大规模高强度 的汇流扩容区。
关键词:
地质学；扩容构造；控矿机制；分形统计；深部找矿；马坑铁矿床
文章编号：0258_7106 (2016) 03_0605_13 中图分类号：P618.51 文献标志码：A
re controlling mechanism of dilation deformation structure of Makeng skarn ir on deposit in southwestern Fujian Province and its significance for deep_ore e xploration
1 School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beij ing 100083, China; 2 CGC Overseas Construction Group, Beijing 100101, China
Abstract:The role of dilation deformation in controlling the ore_forming process of the M akeng iron deposit in Fujian Province is discussed based on field observation, t heory of rock mechanics and fractal statistics. The authors hold that tectonic d eformations played a major role in formation of the Makeng orebody, where the fl uid overpressure which triggered the dilation deformation and the resultant undu lating fractures seem to have been the main factors that converted the Makeng or ebody into structurally controlled sites, besides contact metasomatism. The undu lating fractures were induced by extensional tectonics, which had also caused so me shearing and made the ore bodies exhibit a pinch_out appearance. Abundance of brecciated zones indicates fluid overpressure which was mainly induced by boili ng fluids. Generally, the highly brecciated areas are more favorable for mineral ization. Thus the exploration for concealed orebodies should target the largest and most intense deep dilation zones.
Key words:
geology，dilation deformation structure, controlling mechani sm of or e formation, fractal statistics, deep_ore exploration, Makeng iron ore deposit
中形成的热液矿床，其中，扩容容矿空间为其成矿的重要条件（Ord et al., 1997；Upton, 1998；Ridley et al., 2000）。热液成矿作用是含矿热液在一定时间内汇聚于某些局部空 间形成矿体的过程。含矿流体在局部空间有序化汇聚并沉淀堆积形成矿体，必须满足2个条 件：① 扩容容矿构造，扩容空间的存在可以保证含矿热液流向局部空间，成矿物质方可大规模堆积 ；② 有序的动力作用，有序的动力作用为热液长时间地向固定的局部汇流提供了动力 条件 。理论上，上述2个条件是相互耦合的：构造应力和热应力及超压流体作用使得侵入岩体与 围岩接触带的局部发生扩容变形、破裂，扩容变形形成的扩容空间使空隙流体的压力降低， 含矿流体便向扩容空间汇流；流体的汇聚导致流体增压，当流体压力增加到一定程度时岩石 发生破裂，促使其进一步的扩容，流体再次发生汇流。
前人对于矽卡岩型矿床的研究主要是针对与其相关岩浆的地球化学特征及其之间的成因关系 ，或是针对矽卡岩矿床成矿系统的热作用、化学作用及动力过程等的研究（Zhao et al., 1 999；Norton et al., 2001；Mao et al., 2006；周涛发等，2008），但对此类矿床成矿过 程中构造控矿的作用研究较少，制约了对矿体空间定位规律和控矿机制的认识。对于矿产勘 探及深部找矿工作而言，除了解矽卡岩矿床的成因外，重点应关注矿床就位部位、矿体规 模等特征的控制因素。前人对于福建马坑铁矿床的矿床成因进行了大量研究工作（葛朝华等 ，1981；陈述荣等，1985；陈跃升，2010；林朝霞，2008；姜益丰，2009；Zhang et al., 2014），但从构造角度探讨矿体空间定位及规模的研究较少见。马坑铁矿床的矿体规模巨大 ，主矿体位于褶皱转折端的虚脱部位，单一矿体达4000万吨；除此之外，上石炭统—下二叠 统 碳酸盐岩中也发现了近200个似层状、透镜状的小矿体，其储量总和在马坑铁矿床中也占具 重要地位。一般认为褶皱转折端形成的虚脱空间是有限的，在此如何能形成如此巨大的单一 矿体 ？透镜状、似层状的小矿体大部分存在于非滑脱空间，其形成机制又是如何？笔者针对上述 疑问开展了相关的野外地质调查，并结合岩石力学、分形统计等理论分析，对扩容容矿构造 控矿模式进行初步探讨，希望能为马坑铁矿床的勘查提供有益的思路的方向。
马坑铁矿床位于政和—大埔以西，北东向与东西向构造带的交汇复合部位（图2）。矿区主 要构造为北东向的马坑复式背斜及一系列层间滑脱构造，复式背斜次级不对称褶皱发育。矿 区主要地层由古到新依次为：林地组砂岩、粉砂岩、凝灰质砂岩组合；经畲组—栖霞组泥质 灰岩、灰岩组合；文笔山组泥岩、砂质泥岩粉砂岩组合。区内侵入岩主要为燕山期黑云母哗 岗岩，其中，包括出露矿区东部的莒州岩体及西部的大洋岩体。莒舟—大洋花岗岩为一复式 岩体，大洋花岗岩的黑云母正长花岗岩LA_ICP_MS锆石年龄为为（144.8±0.9） Ma、微斜 长 石花岗岩的LA_ICP_MS锆石年龄为（127.5±0.4） Ma（张承帅，2012）、莒舟花岗岩体单 颗粒 锆石U_Pb年龄为136 Ma和133.9 Ma、黑云母39Ar_40Ar年龄为132.3 Ma（毛建仁等，2006）。主矿体位于北东向背斜的转折端部位，呈似层状展布；其他小矿 体数量众多，多呈透镜状、似层 状。矿体走向总体为北东向，倾向北西，产状与围岩近一致（图3、图4）。空间上多个矿体 常表现为尖灭再现、膨大缩小的特征，这些有利的成矿部位主要形成于经畲组—栖霞组碳酸 盐岩中，及其与下伏林地组、上覆文笔山组碎屑岩交界面附近（狄永军等，2012）。矿石以 透辉石磁铁矿、石榴子 石磁铁矿、石英磁铁矿矿石为主，其中，主矿体的上 部主要为石榴子石磁铁矿矿石，下部为石英磁铁的结果。
矿矿石。矿石结构常见交代残余结构 、似海绵陨铁结构。矿石构造主要为 致密块状、斑杂状，次为条纹状、角砾状、网脉状等。矿区内围岩蚀变十分发育，蚀变 岩以钙矽卡岩为主，包括石榴子石矽卡岩、透辉石矽卡岩等，伴以强烈的磁铁矿化；主矿体 底板碎屑岩中发育强烈硅化。后期热液蚀变广泛，常叠加在早期矽卡岩上，主要发生含氯角 闪石化、萤石化、绢云母化、辉钼矿化、硅化等(赵一鸣等，1990)。
马坑铁矿床成矿可以分为3个阶段（福建省第八地质大队，1982；闫鹏程，2013），包括矽 卡岩阶段、热液成矿阶段和退化蚀变后期改造阶段。张承帅等（2013）通过对S、C、H、O同 位素示踪发现，硫主要来自深源地幔，同时受到围岩等因素的影响；成矿流体主要是岩浆水 ，后期存在大气降水混合作用；岩浆热液的相分离及其与大气降水的混合作用可能是马坑铁 矿床形成的主要原因。区域构造演化形成的构造格架为马坑铁矿床提供了良好的储矿空间， 同时，矿区构造变形形成的扩容空间为含矿流体的汇聚、 沉淀创造了有利的物理条件，其作用机制主要是通过 岩石扩容变形，扩容效率决定了铁矿石的沉淀效率及矿体的规模。马坑铁矿床汇流扩容空间的形成 是区域构造应力、岩体侵入和流体超压共同作用
Sibson（2004）研究表明，流体参与下的岩石破裂方式和机制与岩石所承受的差异应力 （σ1-σ3）、孔隙流体压力（Pf）以及岩石的抗张强度（T）和黏性强度 （C）有关。当岩石的内摩擦系数φ=0.75，(σ1-σ3) <4T时，岩石发生纯张性破裂，破裂时的应力状态满足：
由于，4×18<σ1-σ3=91.9<5.66×18
据式（3）和式（5）得出：
将式（1）变换：
logN(r （10）
式中，N(r
由式（10）可知，logN与logr呈线性关系，通过统计计算及曲线拟合后即可计算出 分维数。岩 石在破碎过程中，破碎颗粒尺寸分布的分维数与破裂机制及输入的能量大小等有关（Grady et al., 1987; Jébrak, 1997; Perfect, 1997）。Grady等研究（1987）表明，一般由爆 发作用产生的角砾岩分维数为4～6，流化作用产生的角砾岩的分维数<2.5，而水压致裂产 生 的角砾岩的分维数<2。对马坑铁矿床角砾岩化大理岩的砾径进行测量统计，表明其总体具分 维分布的特征（图6），通过曲线拟合后计算得到分维数(D=1.094<2)。 由此可以推断，水压致裂应该是大理岩 化角砾岩形成的主要机制，因此，水压致裂在马坑铁矿扩容容矿空间的形成中起重 要作用。
张承帅等（2013）通过对马坑铁矿流体包裹体研究，获得 流体包裹体压力范围在10～100 MPa，对应形成深度为1～3.5 km。马坑铁矿存在沸腾包裹 体群， 宏观的地质标志是铁矿石中发育着大量的角砾状构造（图8）：角 砾岩化主要发生在大理岩内部（图8a）；棱角状的大理岩中充填矿体；角砾岩化较强部位， 相应矿化也较强；大理岩角砾被包裹在磁铁矿中成捕掳体形式（图8b）；磁铁矿沿裂隙 赋存于大理岩中（图8c）；磁铁矿呈脉状赋存于大理岩中，且周围大理岩发生了角砾岩化 （图8d）。构造作用和流体压力对马坑铁矿床的成矿过程均具有重要作 用，角砾岩化促进成矿。
马坑铁矿床主矿体与碳酸盐岩接触界面呈不规则锯齿状形态 （图7a），表明其是张性破裂所致。锯齿状断裂扩容构造在断裂的陡倾部位导致大规摸的扩 容，形成粗大的矿体，而断裂的缓倾部位扩容有限，会使矿体变小并尖灭。
（Tosdal et al., 2001）。超压流体的形成机制主要包括：① 源自岩浆的超压流体；② 岩体加热围岩中圈闭的流体；③ 岩体和围岩间的变质反应（刘亮明，2011）。
通过相关野外的地质调查及前人的研究（张承帅等，20 13）可知：马坑铁矿床的超压流体主要是源自岩浆的超压流体的形成，岩体加热围岩中圈闭 的流体作用不明显。超压流体的形成包括“一次沸腾”
和“二次沸腾”状态。超压流体的形成， 易致岩石破裂（碎），岩石的破裂（碎）导致含矿流体压力降低，在一定条件下（相 分离、不 同来源的流体汇流，混合反应等），含矿流体便汇聚沉淀形成矿体。超压流体对成矿作用的 贡献主要是通过促使岩石破裂实现的（图10）。
角砾岩化作用是岩石扩容的有效方式。马坑铁矿床大理岩中发育大量的角砾状构造，一般大 规模角砾岩是矿体的有利赋存部位。超压流体对成矿的贡献，主要是通过超压引起岩石破裂 导致流体汇流，矿石沉淀。马坑铁矿床中透镜状、似层状的小矿体大部分存在于非滑脱空间 ，其形成机制很可能就是由于超压流体引起的扩容所致。
基于汇流扩容空间控矿模式，马坑矿区深部找矿应关注规模大且强度高的汇流扩容空间（ 锯齿状断裂构造和超压流体扩容）。锯齿状断裂的伸展剪切扩容控矿构造及流体超压扩容构 造控矿模式对马坑铁矿床深部找矿具有一定的指示意义。
（2） 锯齿状断裂伸展剪切扩容， 主要是在断裂的 陡倾部分引起大规模的扩容，进而堆积形 成大的矿体。断裂的缓倾斜部分扩容规模有限，一般矿体较小并趋于尖灭，这种扩容机制会 使矿体沿倾向尖灭再现。
（3） 超压流体对马坑铁矿的贡献主要是通过流体超压引起岩石破裂，流体发生泄压引起相 分离和不同来源流体的汇流和混合反应，最终导致矿石沉淀。一般大规模角砾岩是矿体的有 利赋存部位。
志谢闽西南地质八队提供了部分地质资料，野外工作期间得到了马坑矿业相关 人员的大力帮助，在此一并表示感谢；感谢评审专家们对本文提出宝贵的修改建议。
前人对于矽卡岩型矿床的研究主要是针对与其相关岩浆的地球化学特征及其之间的成因关系 ，或是针对矽卡岩矿床成矿系统的热作用、化学作用及动力过程等的研究（Zhao et al., 1 999；Norton et al., 2001；Mao et al., 2006；周涛发等，2008），但对此类矿床成矿过 程中构造控矿的作用研究较少，制约了对矿体空间定位规律和控矿机制的认识。对于矿产勘 探及深部找矿工作而言，除了解矽卡岩矿床的成因外，重点应关注矿床就位部位、矿体规 模等特征的控制因素。前人对于福建马坑铁矿床的矿床成因进行了大量研究工作（葛朝华等 ，1981；陈述荣等，1985；陈跃升，2010；林朝霞，2008；姜益丰，2009；Zhang et al., 2014），但从构造角度探讨矿体空间定位及规模的研究较少见。马坑铁矿床的矿体规模巨大 ，主矿体位于褶皱转折端的虚脱部位，单一矿体达4000万吨；除此之外，上石炭统—下二叠 统 碳酸盐岩中也发现了近200个似层状、透镜状的小矿体，其储量总和在马坑铁矿床中也占具 重要地位。一般认为褶皱转折端形成的虚脱空间是有限的，在此如何能形成如此巨大的单一 矿体 ？透镜状、似层状的小矿体大部分存在于非滑脱空间，其形成机制又是如何？笔者针对上述 疑问开展了相关的野外地质调查，并结合岩石力学、分形统计等理论分析，对扩容容矿构造 控矿模式进行初步探讨，希望能为马坑铁矿床的勘查提供有益的思路的方向。
1地质背景及矿床地质特征
闽西南地区位于华南大陆东南缘的武夷山褶皱隆起带东缘，元古代以来受到华夏与扬子板块 、古特提斯与环太平洋构造域作用。闽西南坳陷盆地东缘、政和—大埔北北东向断裂以西， 发育大量的推（滑）覆构造（图1）， 其中，印支早期晚古生代盆地闭合后发生了大规模的滑 脱构造变形，大致形成于213～243 Ma（吕良冀，2014）。之后发生的多期次推覆构造， 大致 划分为3个期次，包括D1〔印支期末（T3_J1）〕、D2〔燕山早期（J2_K1）〕、D3 〔燕山晚期（K2末期）〕。推覆作用造成基底与盖层地层发生叠置、变形，形成广泛 发育且稳定分布的推覆 构造面。大规模的推（滑）覆构造一方面形成良好的成矿热液屏蔽层，另一方面层间滑脱破 碎带为马坑铁矿床提供了良好的储矿空间。马坑铁矿床位于政和—大埔以西，北东向与东西向构造带的交汇复合部位（图2）。矿区主 要构造为北东向的马坑复式背斜及一系列层间滑脱构造，复式背斜次级不对称褶皱发育。矿 区主要地层由古到新依次为：林地组砂岩、粉砂岩、凝灰质砂岩组合；经畲组—栖霞组泥质 灰岩、灰岩组合；文笔山组泥岩、砂质泥岩粉砂岩组合。区内侵入岩主要为燕山期黑云母哗 岗岩，其中，包括出露矿区东部的莒州岩体及西部的大洋岩体。莒舟—大洋花岗岩为一复式 岩体，大洋花岗岩的黑云母正长花岗岩LA_ICP_MS锆石年龄为为（144.8±0.9） Ma、微斜 长 石花岗岩的LA_ICP_MS锆石年龄为（127.5±0.4） Ma（张承帅，2012）、莒舟花岗岩体单 颗粒 锆石U_Pb年龄为136 Ma和133.9 Ma、黑云母39Ar_40Ar年龄为132.3 Ma（毛建仁等，2006）。主矿体位于北东向背斜的转折端部位，呈似层状展布；其他小矿 体数量众多，多呈透镜状、似层 状。矿体走向总体为北东向，倾向北西，产状与围岩近一致（图3、图4）。空间上多个矿体 常表现为尖灭再现、膨大缩小的特征，这些有利的成矿部位主要形成于经畲组—栖霞组碳酸 盐岩中，及其与下伏林地组、上覆文笔山组碎屑岩交界面附近（狄永军等，2012）。矿石以 透辉石磁铁矿、石榴子 石磁铁矿、石英磁铁矿矿石为主，其中，主矿体的上 部主要为石榴子石磁铁矿矿石，下部为石英磁铁的结果。
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图 1闽西南地质略图（据张达等，2011） 1—变质基底岩系； 2—沉积盖层岩系； 3—前泥盆纪侵入岩； 4—海西期—印支期侵入岩 ； 5—燕山 期侵入岩； 6—燕山期火山岩系； 7—主干 断层； 8—大、中、小型铁矿床及矿化 点； 9—推覆构造带及编号； 10—马坑矿区位置 Fig. 1Geological sketch map of southwestern Fujian (after Zhang et al., 2011) 1—Basement rock system; 2—Cap rock system; 3—Pre_Devonian intrusive rocks; 4 —Hercynianindosinian intrusive rocks; 5—Yanshanian intrusive rocks; 6—Yansh anian vo lcanic rocks; 7—Main fault; 8—Small, medium and large iron ore deposit and min eralization; 9—Nappe structure and its serial number; 10—Orefield loca tion of Makeng |
马坑铁矿床成矿可以分为3个阶段（福建省第八地质大队，1982；闫鹏程，2013），包括矽 卡岩阶段、热液成矿阶段和退化蚀变后期改造阶段。张承帅等（2013）通过对S、C、H、O同 位素示踪发现，硫主要来自深源地幔，同时受到围岩等因素的影响；成矿流体主要是岩浆水 ，后期存在大气降水混合作用；岩浆热液的相分离及其与大气降水的混合作用可能是马坑铁 矿床形成的主要原因。区域构造演化形成的构造格架为马坑铁矿床提供了良好的储矿空间， 同时，矿区构造变形形成的扩容空间为含矿流体的汇聚、 沉淀创造了有利的物理条件，其作用机制主要是通过 岩石扩容变形，扩容效率决定了铁矿石的沉淀效率及矿体的规模。马坑铁矿床汇流扩容空间的形成 是区域构造应力、岩体侵入和流体超压共同作用
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图 2马坑铁矿区地质略图（据福建省第八地质大队，1982） 1—第四系； 2—上二叠统童子岩组第二段； 3—上二叠统童子岩组第一段； 4—上二叠统 文笔山组； 5—上石炭统经畲组—下二叠统栖霞组； 6—下石炭统林地组； 7—奥陶系罗峰溪组； 8—辉绿岩 类； 9—辉长辉绿岩； 10—辉绿闪长岩； 11—燕山期黑云母花岗岩； 12—花岗斑岩； 13—褐铁矿； 14—矽卡岩； 15—实测、推测正断层； 16—实测、推测逆断层； 17—实测、推测及性质 不明断层； 18—断层破碎带； 19—向斜轴、背斜轴；20—倒转向斜轴、倒转背斜轴； 21— 实测、推测地质界线； 22—勘探线及编号； 23—河流 Fig. 2Geological map of the Makeng ore district (after No.8 Geological Party, Fujian Bureau of Geology, 1982) 1—Quaternary; 2—The second member of Upper Permian Tongziyan Formation; 3—The fi rst member of Upper Permian Tongziyan Formation; 4—Upper Permian Wenbishan Forma tion; 5—Upper Carboniferous JinsheLower Permian Qixia Formation; 6—Lower Car boniferous Lindi Formation; 7—Ordovician Luofengxi Formation; 8—Diabase; 9—Ga bbrod iabase; 10—Diabasediorite; 11—Yanshanian biotitegranite; 12—Graniteporh pyry; 13—Limonite; 14—Skarn; 15—Major observed or interred normal fault; 16—Major observed or interred reverse fault; 17—Measured and inferred faults and unclear fault; 18—Fault fracture zone; 19—Fold axis; 20—Overturened fold axis; 21—G eological boundary; 22—No. 61 geological section; 23—River |
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图 3马坑铁矿区57线剖面图（据福建省第八地质大队，1982） 1—泥板岩、砂岩； 2—灰岩； 3—大理岩； 4—安山岩； 5—玄武岩； 6—钾化、硅化玄 武岩； 7—小矿体； 8—主矿体； 9—断层线； 10—钻孔 Fig. 3Geological section along No. 57 exploration line of the Makeng ore distr ict (after No. 8 Geological Party, Fujian Bureau of Geology, 1982) 1—Argllaceous slate, sandstone; 2—Limestone; 3—Marble; 4—Andesite; 5—Baslt; 6—Potassium, silicified basalt; 7—Small orebody; 8—Main orebody; 9—Fault line; 10—Drill hole |
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图 4马坑铁矿区61线剖面图（据福建省第八地质大队，1982） 1—泥板岩、砂岩； 2—灰岩； 3—大理岩； 4—安山岩； 5—玄武岩； 6—钾化、硅化玄 武岩； 7—花岗岩； 8—萤石磁铁矿矿石； 9—透辉石 磁铁矿矿石； 10—方解石磁铁 矿矿石； 11—粒硅镁石磁铁矿矿石； 12—主矿体； 13—断层； 14—钻孔 Fig. 4Geological section along No. 61 exploration line of the Makeng ore distr ict (after No. 8 Geological Party, Fujian Bureau of Geology, 1982) 1—Argllaceous slate, sandstone; 2—Limestone; 3—Marble; 4—Andesite; 5—Baslt; 6—Potassium, silicide basalt; 7—Granite; 8—Fluorite magnetiete; 9—Diopsid e magnetiete; 10—Calcite magnetiete; 11—Chondrodite magnetiete; 12—Main ore bod y; 13—Fault line; 14—Drilling hole |
2流体参与下的岩石破裂机制
2.1流体和岩石破裂关系
地壳岩石为孔隙介质，当岩石中存在孔隙流体作用时，孔隙流体的压力与岩石破裂具有如下 关系：
（1） 岩石中不存在孔隙流体作用时，岩石的破裂满足摩尔库伦强度理论。此时，岩石 破裂时的应力状态方程为：
(σ-σ1+σ32)2+τ2=(σ1-σ32)2 （1）
（2） 孔隙中存在流体压力Pf作用时，有效应力σn=σ-Pf，岩石的破 裂满足流体参与下的摩尔库伦强度理论。此时，岩石破裂时的应力状态方程为：
(σ-σ1+σ32-Pf)2+τ2=(σ1-σ32)2（2）
（2） 其中，σ1、σ3分别代表最大、最小主应力。
据式(1)和式（2），当岩石中不存在孔隙流体压力时，岩石破裂满足的摩尔应力圆为圆R 1（图5）；当岩石中存在孔隙流体压力作用时，孔隙流体的压力作用使得应力摩尔圆整 体向左 移动Pf个单位，岩石破裂满足的摩尔应力圆为圆R2（图5），岩石的应力莫尔 圆与岩石破裂 包络线相接触，岩石发生破裂，流体压力越大，岩石越容易破裂。可见，岩石中存在孔隙流 体压力时，岩石的破裂是由流体压力和岩石所受应力共同作用的结果。Sibson（2004）研究表明，流体参与下的岩石破裂方式和机制与岩石所承受的差异应力 （σ1-σ3）、孔隙流体压力（Pf）以及岩石的抗张强度（T）和黏性强度 （C）有关。当岩石的内摩擦系数φ=0.75，(σ1-σ3) <4T时，岩石发生纯张性破裂，破裂时的应力状态满足：
τ2=4T(σn-Pf)+4T2 （3）
Pf=σ3+T （4）
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图 5流体压力作用下岩石破裂摩尔应力圆图解 （据Mandl, 1999; Jaeger et al., 2007 ） Fig. 5Mohr´s circle diagram of rock failure under the fluid pressure (after Mandl, 1999; Jaeger et al., 2007) |
当4T<(σ1-σ3)<5.66T时，岩石以张剪性方 式发生破裂，破裂时的应力状态满足式（3），同时存在如下关系：
Pf=σ3+8T(σ1-σ3)-(σ1-σ3)216T （5）
当(σ1-σ3)>5.66T时，岩石以压剪性发生破裂，破裂时的应力状态满足：
τ=C+φ(σn-Pf)（6）
Pf=σ3+8T-(σ1-σ3)3 （7 ）
由图3和式（1）～式（7）可知，岩石破裂状态与孔隙流体压力大小、岩石所受的差应力大 小 (σ1-σ3）有关，并且差异应力越大，流体压力对岩石破裂的作用越小，岩石易形 成剪切破裂； 差异应力越小，流体压力对岩石破裂的作用越大；差异应力为0时，岩石破裂方式则完全由 超压流体引起。地壳岩石中，差异应力的大小与构造应力密切相关。刘亮明（2011）通过研 究流体参与下构造应力场作用对成矿作用类型的制约，发现浅层岩体岩石的平均应力小，当 其差应力极小时，岩石破裂方式主要由流体压力引起，无定向，此时易形成斑岩型矿化作用 ；当差异应力较大时，构造应力作用较为明显，具定向性，此时多形成矽卡岩型矿床。
2.2马坑矿区岩石破裂的判断和计算
张达等（2011）通过晶格位错统计及数值模拟，测得矿区的古构造应力差值为91.9 MPa， 最大主应力值为125 MPa。碳酸盐岩的相关物性参数 （Schn, 1998）： 抗张强度T为18 MPa，黏性强度 C为51 kPa，内摩擦系数约为0.75（以下单位均为MPa）。由于，4×18<σ1-σ3=91.9<5.66×18
据式（3）和式（5）得出：
Pf=49.72
τ2=72×(σn-49.72)+1296 （8）
张承帅等（2013）和梁祥济等（1982）通过对流体包裹体研究及实验模拟，得出马坑铁矿床 成矿压力为30～50 MPa。这里取中间值40 MPa计算，即σn=40 MPa。根据式（8）可 得：
τ=27.32
碳酸盐岩为脆性材料，通常脆性材料张破裂的计算采用格里菲斯准则判断。设张破裂 强度为T，计算的剪切应力为τ，当τ>T时，岩石发生张破裂。碳酸盐岩的抗张强 度T=18 MPa<τ=27.32 MPa，说明马坑矿区在流体参与下，碳酸盐岩地层易发生破裂， 并为成矿物 质的沉淀提供了良好的储矿空间。
2.3角砾岩与分形统计
分形理论在岩石破裂的研究中已经有较好的应用。角砾岩的砾径分布特征可揭示岩石角砾岩 化过程的动力学机制与能量大小。已有的研究（Grady et al., 1987; Jébrak, 1997; Per fect, 1997）表明，绝大多数角砾岩的砾径大小分布遵循幂律分布，即：
N(r（9）
由式（10）可知，logN与logr呈线性关系，通过统计计算及曲线拟合后即可计算出 分维数。岩 石在破碎过程中，破碎颗粒尺寸分布的分维数与破裂机制及输入的能量大小等有关（Grady et al., 1987; Jébrak, 1997; Perfect, 1997）。Grady等研究（1987）表明，一般由爆 发作用产生的角砾岩分维数为4～6，流化作用产生的角砾岩的分维数<2.5，而水压致裂产 生 的角砾岩的分维数<2。对马坑铁矿床角砾岩化大理岩的砾径进行测量统计，表明其总体具分 维分布的特征（图6），通过曲线拟合后计算得到分维数(D=1.094<2)。 由此可以推断，水压致裂应该是大理岩 化角砾岩形成的主要机制，因此，水压致裂在马坑铁矿扩容容矿空间的形成中起重 要作用。
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图 6马坑铁矿大理岩角砾砾径统计分布曲线 及分维数拟合线 Fig. 6Statistic curve of gravel diameter and fractal dimension of marble in the Makeng iron deposit |
3马坑铁矿床扩容构造控矿
3.1矿体与围岩接触带上矿体定位规律及扩容空间特征
通过野外地质调查及相关室内工作，总结出马坑铁矿床的控矿接触带特征：① 主要矿 体定位的接触带形态都比较复杂；② 沿接触带发育有产状大致平行的张性断裂构造（图7a ），表明接触带上矿体的形成不仅是岩浆热液作用的结果，还与构造变形密切相关； ③ 破裂面的锯齿状形态特征为张性破裂所致；在一些断裂带附近还能发现叶片状方解石（ 图7b），说明构造应力场由挤压向伸展转变； ④ 马坑铁矿区虽然存在广泛的交代作用，形成大量的蚀变矿物以及主要矿体，但也可 见不少矿体与 围岩间存在截然的分界面（图7c、d），界面一侧的大理岩无蚀变特征，这个界面显然不是 交代作用形成的界面，而是岩石内部的破裂面〔显微镜下亦可观测到磁铁矿和大理岩界限明 显及磁铁矿充填于大理岩裂隙中（图7e、f）〕；⑤ 与矿体接触的大理岩往往发生大 规模的角砾岩化（图8），角砾岩化大理岩为流 体压力变化所致。马坑铁矿矿体与大理岩围岩接触带所表现出的地质特征，对分析马坑铁矿 床汇流扩容空间的成因机制和成矿的控制作用具有十分重要的意义。
3.2流体超压而致岩石碎裂的现象
角砾岩是岩石破裂、破碎的产物。它是一种特 殊的有利于水_岩反应的岩石构造，也是一种岩 石扩容的有效方式，其形成于特殊的物理环境（杨果岳 等，2006）。在矽卡岩型_斑岩型系 列矿床中，角砾岩 的形成与矿床形成过程中因流体超压导致岩石破裂、 破碎有关， 角 砾岩的存在也可作为超压流体对成矿作用起重要贡献的证据（刘亮明，2011）。这种与岩体 及矿体关系密切的角砾岩在矽卡岩_斑岩型矿床中是一种非常普遍的地质现象（Burnham, 19 85；Xu et al., 2007）。在角砾化过程中，流体的压力发生急剧的变化，沉淀的含矿热液 矿物的流体包裹体会记录这种急剧变化的流体压力（Oliver et al., 2006）。沸腾包裹体 的存在表明，在与浅成岩体相关的热液矿床中，流体减压而引起的相分离可能是矿石沉淀的 重要机制（Wilkinson, 2001）。张承帅等（2013）通过对马坑铁矿流体包裹体研究，获得 流体包裹体压力范围在10～100 MPa，对应形成深度为1～3.5 km。马坑铁矿存在沸腾包裹 体群， 宏观的地质标志是铁矿石中发育着大量的角砾状构造（图8）：角 砾岩化主要发生在大理岩内部（图8a）；棱角状的大理岩中充填矿体；角砾岩化较强部位， 相应矿化也较强；大理岩角砾被包裹在磁铁矿中成捕掳体形式（图8b）；磁铁矿沿裂隙 赋存于大理岩中（图8c）；磁铁矿呈脉状赋存于大理岩中，且周围大理岩发生了角砾岩化 （图8d）。构造作用和流体压力对马坑铁矿床的成矿过程均具有重要作 用，角砾岩化促进成矿。
4讨论
4.1扩容容矿构造控矿机制及扩容规律性探讨
4.1.1锯齿状断裂构造扩容机制
锯齿状断裂构造的形成为区域构造应力场、高温岩体和围岩的不均匀收缩等因素共同作用的 结果。锯齿状断裂构造特征容易在接触带陡倾的部位发生大规模张开，形成大的扩容容矿空 间，进而导致含矿热液向扩容空间汇流，最终形成大规模矿体（图9）。越大越强的扩容空 间所含的矿体的规模也越大。马坑铁矿床主矿体与碳酸盐岩接触界面呈不规则锯齿状形态 （图7a），表明其是张性破裂所致。锯齿状断裂扩容构造在断裂的陡倾部位导致大规摸的扩 容，形成粗大的矿体，而断裂的缓倾部位扩容有限，会使矿体变小并尖灭。
4.1.2流体超压扩容机制
热液成矿系统显著的动力学特征是伴随着岩浆固结和岩石破裂的流体压力的急剧变化，流体 的超压和泄压作用可能是热液成矿系统的关键过程
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图 7马坑铁矿床主矿体与围岩接触带特征 a. 马坑矿区张性断裂构造； b. 叶片状方解石； c. 磁铁矿和大理岩截然分界面; d. 磁铁 矿细脉穿插于大理岩中； e. 镜下观测磁铁矿和 大理岩明显界线； f. 磁铁矿充填于大理 岩中 Fig. 7Characteristics of the orebody and wall rock in the Makeng iron deposit a. Tensile fracture structure of Makeng; b. Foliated calcite; c. Sharp interface between magnetite and marble; d. Magnetite veinlet penetrating marble; e. Sha rp interface between magnetite and marble under the microscope; f. Magnetite fil ling the marble |
通过相关野外的地质调查及前人的研究（张承帅等，20 13）可知：马坑铁矿床的超压流体主要是源自岩浆的超压流体的形成，岩体加热围岩中圈闭 的流体作用不明显。超压流体的形成包括“一次沸腾”
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图 8马坑铁矿床角砾状构造 a. 大理岩角砾岩化； b. 大理岩角砾被包裹在磁铁矿中； c. 磁铁矿沿裂隙充填于大理岩 ； d. 磁铁矿呈脉状赋存于大理岩中 Fig. 8Brecciated structure in the Makeng iron deposit a. Breccia of marble; b. Breccia of marble wrapped in magnetite; c. Magnetite fi lling the marble; d. Magnetite occurring as veins in marble |
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图 9锯齿状断裂伸展剪切扩容构造控矿概念模式图 1—大理岩； 2—侵入岩体； 3—扩容空间； 4—拉应力 Fig. 9The model of shear dilation deformation structure with undulating fractu re 1—Marble; 2—Intrusion; 3—Dilation space； 4—Tensile stress |
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图 10流体超压扩容和矿石沉淀的演化过程 Fig. 10The evolution of overpressure fluid and precipitation of ore |
4.2找矿指示意义
对比马坑铁矿床57、61勘探线剖面图（图3、图4）可知：矿体的膨大部位呈陡倾斜，矿体变 小并趋于尖灭的部位呈缓倾斜，说明马坑铁矿受锯齿状破裂扩容构造控制明显，在断裂的陡 倾部分引起大规模的扩容，堆积形成大的矿体，然而断裂的缓倾斜部分扩容规模有限，一般 矿体较小并趋于尖灭，这种扩容机制会使矿体沿倾向尖灭再现，这也较好的解释 了单一的褶皱转折端的虚脱空间也发现了较大的矿体的现象。角砾岩化作用是岩石扩容的有效方式。马坑铁矿床大理岩中发育大量的角砾状构造，一般大 规模角砾岩是矿体的有利赋存部位。超压流体对成矿的贡献，主要是通过超压引起岩石破裂 导致流体汇流，矿石沉淀。马坑铁矿床中透镜状、似层状的小矿体大部分存在于非滑脱空间 ，其形成机制很可能就是由于超压流体引起的扩容所致。
基于汇流扩容空间控矿模式，马坑矿区深部找矿应关注规模大且强度高的汇流扩容空间（ 锯齿状断裂构造和超压流体扩容）。锯齿状断裂的伸展剪切扩容控矿构造及流体超压扩容构 造控矿模式对马坑铁矿床深部找矿具有一定的指示意义。
5结论
（1） 断裂扩容和流体超压及构造应力相互配合 不仅决定马坑矿区岩石破裂方式和机制，也决定了 马坑矿区的矿体位置及规模。汇流扩容构造控矿机制揭示了矿体的定位规律。（2） 锯齿状断裂伸展剪切扩容， 主要是在断裂的 陡倾部分引起大规模的扩容，进而堆积形 成大的矿体。断裂的缓倾斜部分扩容规模有限，一般矿体较小并趋于尖灭，这种扩容机制会 使矿体沿倾向尖灭再现。
（3） 超压流体对马坑铁矿的贡献主要是通过流体超压引起岩石破裂，流体发生泄压引起相 分离和不同来源流体的汇流和混合反应，最终导致矿石沉淀。一般大规模角砾岩是矿体的有 利赋存部位。
志谢闽西南地质八队提供了部分地质资料，野外工作期间得到了马坑矿业相关 人员的大力帮助，在此一并表示感谢；感谢评审专家们对本文提出宝贵的修改建议。
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