胶东金矿集中区深部结构研究进展

华北克拉通东部金矿床与克拉通破坏作用具有密切的时空与成因联系，也被称之为“克拉通破坏型金矿床”． 普遍认为华北克拉通破坏与“克拉通破坏型金矿床”成矿作用发生的主要动力背景为古太平洋板块向欧亚大陆下的西向( 现今方位) 俯冲引发的地幔非稳态流动，即矿床的形成受克拉通破坏过程中的深部作用过程控制． 胶东是目前我国最大的金矿集区与黄金生产基地，也是“克拉通破坏型金矿床”成矿模式建立的最典型地区． 为揭示这克拉通破坏过程中深部作用过程及其对金成矿的控制作用，前人运用不同方法，在该区开展了大量的地球物理探测研究，取得了丰富成果，但是上述成果多为分散的、局部的，尚缺乏系统性认识． 鉴于此，本文根据近年来的探测结果，系统总结了胶东金矿集中区及邻区深部结构特征，包括岩石圈各圈层结构及壳幔各向异性与流变学特征等，以期对全面深入认识“克拉通破坏型金矿”成矿系统及深部找矿突破等提供重要参考．

关键词 胶东金矿; 岩石圈结构; 地壳结构; 浅部结构; 壳幔各向异性

华北克拉通是全球最古老的克拉通之一，但与世界其他古老克拉通相比，华北克拉通不论是在构造演化还是金成矿作用方面均具有鲜明的“中国特色”．大量研究表明，华北克拉通在古生代以来遭受到强烈的破坏，其最主要表现是华北克拉通大约120km厚的岩石圈根“丢失”;同时与克拉通破坏相伴，华北克拉通发生了广泛而强烈的构造-岩浆-成矿作用．研究还揭示，华北克拉通破坏与金成矿作用具有密切的空间、时间和成因联系．空间上，两者均发生在华北克拉通东部，即南北重力梯度带以东地区;时间上，金成矿作用集中爆发于晚中生代，与华北克拉通破坏作用峰期的时间大体一致;成因上，金成矿作用与克拉通破坏诱发的构造-岩浆-流体作用过程密切相关．鉴于此，华北克拉通东部的金矿被称为“克拉通破坏型金矿床”．

对于华北“克拉通破坏型金矿床”，前人已从区域成矿构造背景、区域构造样式与构造过程、矿田构造、矿床地质地球化学特征、流体包裹体等方面开展了大量的研究，并提出了一系列相关的金成矿模式．另一方面，为了认识华北克拉通破坏及“克拉通破坏型金矿床”形成的深部背景，前人也开展了大量的地球物理探测研究，并认为古太平洋板块向欧亚大陆下的西向(现今方位)俯冲引发的地幔非稳态流动是导致华北东部克拉通破坏及“克拉通破坏型金矿床”成矿作用发生的主要动力学背景．

作为我国最主要的金矿集中区和最大的黄金生产基地，胶东地区位于华北克拉通东部，是克拉通破坏或岩石圈减薄最为强烈的地区，因此也被认为是研究华北东部克拉通破坏与“克拉通破坏型金矿床”形成过程的理想场所．另一方面，随着地表与浅部矿被开发利用殆尽，矿山面临着向深部要资源的挑战．勿庸置疑，随着找矿对象由浅表转向深部、由出露区转向覆盖区及由老区转向新区，深部探测技术将发挥越来越重要的作用．近些年，为揭示华北东部克拉通破坏区金成矿带的深部结构与深部过程，在国家重点研发计划项目“华北克拉通成矿系统的深部过程与成矿机理”资助下，中国科学院地质与地球物理研究所在胶东地区跨主要断裂的一条NW向剖面同时进行短周期密集台阵观测(共340套短周期地震仪) 和宽频带台阵观测(NCISP-9台阵，共20套宽频带地震仪)( 图 1) ，分别开展了接收函数成像、背景噪声成像、剪切波分裂和壳幔各向异性研究等综合地球物理探测．本文主要针对已开展的成像研究，对胶东矿集区的岩石圈各圈层结构及壳幔各向异性与流变学特征的研究进展进行总结，以期对全面深入认识“克拉通破坏型金矿床”形成的深部背景、矿床成因及指导深部找矿等提供地球物理约束．

胶东地区位于华北克拉通东南缘(图1)，西以北北东向的郯庐断裂带为界，是我国最重要的金矿集中区．胶东地区可以划分为三个构造单元，即胶胶北隆起、胶莱盆地和苏鲁造山带，胶北隆起主要出露太古宙变质岩和中生代花岗岩为主．其中，太古代变质岩以胶东岩群为主，主要由高级变质的TTG和以斜长角闪岩类为主的变质表壳岩组成，而中生代花岗岩主要为侏罗-白垩纪花岗岩-花岗闪长岩-花岗斑岩等．胶莱盆地是早白垩世断陷盆地，发育白垩纪陆相火山-沉积岩．胶北隆起与胶莱盆地均属胶北地体．苏鲁造山带是是一条含榴辉岩的高压-超高压变质岩带，代表华北与华南地块的缝合带，属胶南地体的组成部分．在胶东地区，五莲—烟台断裂带被认为是胶北与胶南地体的分界断裂，是一条晚中生代的走滑断裂带．

按金矿床空间分布特点，胶东地区通常被划分三个矿集区，其中胶北隆起上有两个，即胶西北与栖蓬福两个金矿集中区;苏鲁造山带内有一个，分布于牟平—乳山地区，即牟乳矿集区/成矿带．此外，胶莱盆地内金矿化较差，目前仅在盆地与变质基底的结合部位发现有少量小规模的构造角砾岩型和砾岩型金矿．胶东金矿化主要有两种端元类型:石英脉型和蚀变岩型．
胶西北矿集区主要以蚀变岩型金矿为主，而栖蓬福和牟乳两个矿集区则以石英脉型金矿为主．

胶东地区构造以NE-NNE向断列构造为主，对该区金矿床空间分布具明显控制作用．如三山岛断裂、焦家断裂、招平断裂、栖霞断裂、五莲—烟台断裂等分别控制着三山岛金矿床、焦家—新城矿田、玲珑—大尹格庄矿带、栖蓬福矿田和牟乳成矿带(图1)．

胶东地区所处的华北克拉通东部自中生代以来发生了广泛的伸展构造变形和岩浆活动，造成岩石圈显著减薄，由古生代时的180km以上减薄至今的60～100km．早期在该区及附近的P波层析成像结果显示扬子块体向华北克拉通下方俯冲，扬子块体上地壳与下地壳拆离，呈现“鳄鱼嘴”构造．在郯庐断裂带胶东地区部分，S波接收函数得到的岩石圈厚度为60～80km，横跨断裂的LAB呈现弧形，顶端位置大致位于郯庐断裂下方，Moho面在断裂下方也存在36～32km的明显抬升，这种一致性表明郯庐断裂区存在深部物质侵入，在中生代到新生代的大陆伸展和岩石圈减薄过程中提供了软流圈物质上涌通道．利用该区P波接收函数反演S波速度结构显示，郯庐断裂两侧地壳结构、岩石圈速度分层以及剪切波分裂参数存在明显差异，这种差异性结构成因有两种可能性:(1)岩石圈尺度郯庐断裂为软流圈物质上涌通道，促进了华北克拉通活化;(2)郯庐断裂带两侧分属于碰撞于早中生代的华北克拉通和扬子块体，古老的块体在后期华北克拉通活化中仍保存了下来．P波层析成像也显示郯庐断裂西侧上地幔明显的低速异常，指示存在地幔物质上涌．胶东半岛 Pn波成像显示上地幔速度结构沿着五莲烟台断裂带两侧存在明显差异，断裂西侧速度约为 7．8km/s，而东侧速度偏高，达到 8．1 km/s．

中岩石圈不连续面(Mid-LithosphereDiscontinuity，简称 MLD)代表整体上刚性克拉通岩石圈内部古老的薄弱带，在华北克拉通西部、中部与东部均发现了MLD的存在，值得注意的是其深度与华北克拉通东部较薄的岩石圈厚度相对应．在中生代以前MLD可能也同时存在于华北克拉通东部，这样的薄弱带促进了东部华北克拉通岩石圈底部和内部同时的改造，尤其是在中生代太平洋板块俯冲的强烈影响下，导致了该区域克拉通的减薄和破坏，但该薄弱带并未明显影响华北克拉通中部和西部的演化．胶东区域南部地幔过渡带的660km界面向下凹陷30km，明显厚于周边区域，反映了太平洋板块深俯冲滞留以及零星的穿透入下地幔对于中生代以来华北克拉通东部活化的影响．该区 660km界面还出现了双速度间断面特征，可能是非橄榄石成分相变造成，例如从石榴石到钙钛矿的相变．

中国东部P波层析成像结果显示胶东地区呈现出构造隆起区的地壳速度特征，其局部异常与主要构造走趋于一致．基于胶东地区国家地震台网的背景噪声成像研究得到了该区三维 S波速度结构，在安丘和蓬莱附近的新生代玄武岩下方发现了 Moho面的抬升以及上地幔低速异常，可能是滞留的太平洋板片造成的软流圈物质上涌造成 ．利用短周期密集台阵记录的远震 P波接收函数数据得到了胶东半岛的精细地壳结构(图 3)，结果显示:

( 1) 平均地壳厚度为 33km，平均波速比 Vp /Vs约为1.76;低速层发育在12～16km，可能是含水或含盐流体的脆韧性过渡带，为晚中生代大规模金成矿提供了流体来源;胶莱盆地下方一组北倾界面可能是三叠纪陆-陆碰撞期间形成的一系列逆冲推覆构造，其后期进一步活化，成为超高压变质岩折返通道;中地壳低速层的形成以及早期逆冲推覆构造的活化可能与晚中生代强烈伸展构造背景有关，它们均代表胶东地区可能经历了广泛的地壳伸展．

(2)在胶西北矿集区地壳伸展尤为强烈，从地表到壳幔过渡带均存在曾发生伸展作用的证据，例如脆性上地壳存在以拆离断层为主的横向拉张，成像结果刻画了招平断裂等缓倾拆离断层，且最终汇聚于中地壳脆韧性过渡带，其次胶西北中下地壳强度弱、垂向速度梯度小，壳幔过渡带较厚，可能和横向伸展引起的岩浆/成矿热液作用相关．

(3)牟乳成矿带主要受控于走滑性质的五莲烟台断裂带，断裂带两侧Moho面、中地壳低速层顶、底界面均存在不同程度的错断，且壳幔过渡带厚度、上地壳纵横波速度比和布格重力异常也存在显著差异，均表明五莲烟台断裂带为切穿地壳的深大断裂，同时也是苏鲁造山带与胶北地体之间的构造边界．

由于成本高，以浅层地震勘探为代表的高分辨率成像方法测线一般较短，且主要布设在矿区内部．随着便携式一体化短周期地震仪的发展和完善，短周期密集台阵被动源探测技术逐渐成为探测浅部精细结构的重要手段．俞贵平等(2020)利用布设在胶东地区跨胶北隆起、胶莱盆地和苏鲁造山带的一条NWW-SEE向的短周期密集台阵剖面(图1)，采用地震背景噪声分析方法提取台站对间的面波经验格林函数信号，开展了背景噪声成像研究，基于S波速度反演，获得胶东地区8km以浅的上地壳S波速度结构(图6a、b)，结果显示，胶东地区沉积层普遍较薄，在约1～2km深度处存在一个高速间断面，其速度迅速增加，推断可能是浅层沉积层、花岗岩风化层或太古宙基底风化层与深部致密基岩之间的速度间断面;胶西北地区的 S波速度结构呈现很强的非均一性．为了突出S波速度的横向和垂向变化特征，又分别计算了相对S波速度扰动(图 6c)和垂向S波速度梯度(图6d)．其中，垂向S波速度梯度进一步刻画了上述高速间断面，且该高速间断面在胶西北地区错断显著，错断位置与地表断层出露位置吻合良好，表明这些断层为大规模的伸展拆离断层;相对S波速度扰动结果显示，胶北隆起及其周缘存在一些呈铲状且高低速相间的异常条带，认为是低角度断层构造，造成S波局部低速异常的原因可能是断层在伸展背景下的岩石破碎或流体蚀变等．在五莲烟台断裂带地区的牟乳成矿带及以东的苏鲁造山带，上地壳S波偏高，且具有显著的横向分块特征，指示控矿断裂为高角度走滑断裂．相比牟乳成矿带高角度脆性断裂控矿，胶西北低角度拆离断层更有利于形成大规模蚀变岩型矿化，控矿构造的不同是胶东成矿区域性差异的主控因素．

焦家断裂带北段展布已基本查明，为了解焦家断裂带南部延伸特征，胡浩等(2020)开展了面积性音频大地电磁测深工作，并构建了该区拟三维电阻率模型，结果显示测区浅表(0～100m)普遍存在低阻薄层，主要为第四系沉积以及风化岩体层，下伏有厚度变化的高阻层，高阻层在西部表现为不连续缓倾层状分布，且被中部低阻体分隔，而中部低阻体发生近EW向错断．厘定了焦家断裂带南延位置和形态，认为该断裂受后期NW-SE向断裂改造发生错断，并指出焦家断裂的低电阻率特征表明其发育于伸展背景之下，该断裂是岩浆活动的浅部通道，为金成矿提供了有利条件．

地壳各向异性所反映的地壳变形特征同样会记录陆-陆碰撞过程，Wu等(2021)利用宽频带台阵(NCISP-9)数据，采用径向接收函数Pms到时余弦拟合及切向接收函数按方位角加权叠加两种手段获取了胶东半岛的地壳方位各向异性 (图8)，结果显示，在五莲断裂带，观测到NE向快波方向，大致与断裂走向平行，并与XKS得到的双层各向异性的上层快波方向吻合，地壳各向异性来自于晚三叠纪华北和华南的碰撞，这次碰撞事件导致了两块体边界缝合带区域的地壳和岩石圈地幔垂直连贯边形，本研究支持五莲烟台断裂带为华北华南陆-陆碰撞缝合带．胶北块体地壳各向异性主要受控于 E-W向地壳应力及 NNE向拆离断层，北苏鲁块体地壳各向异性较弱，分裂时差均小于 0．2s，可能是广泛分布的超高压变质岩在内部较难产生强烈变形导致．

本文对胶东金矿集区及邻区深部结构进行了初步总结，在岩石圈各圈层结构及壳幔各向异性特征等方面获得主要认识如下:

(1)华北克拉通东部自晚中生代以来发生广泛的伸展构造变形和岩浆活动，胶东地区岩石圈厚度减薄至60～ 80km，郯庐断裂为岩石圈尺度断裂，为大陆伸展和岩石圈减薄过程中软流圈物质上涌重要通道．

(2)胶东地区地壳平均厚度约33km，平均纵横波速度比为1．76．12～16km的中地壳普遍发育低速层，可能是含水或含盐流体的脆韧性过渡带，为晚中生代大规模金成矿提供了流体来源．

(3)接收函数CCP成像与上地壳S波速度结构显示，胶北成矿带控矿构造表现为大规模拆离断层，而东部牟乳成矿带则以高角度的脆性(走滑)断裂为主;控矿断裂性质的不同可能是胶东区域性成矿差异的重要控制因素．

(4)胶东地区SKS和Pms震相得到的壳幔各向异性结果显示，五莲烟台断裂带地壳和岩石圈地幔快波方向均平行于断裂走向，表明该断裂带岩石圈可能保存了三叠纪华北与华南陆-陆碰撞的化石各向异性，推测五莲烟台断裂带为华北克拉通和华南块体在东部的碰撞缝合带．