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围岩岩石力学性质决定了围岩在外力作用下发生形变的方式及规模。不同类型岩石力学性质的差异性主要体现在岩石变形、强度特征、破坏特征和脆延性转化等方面，岩石力学性质控制了围岩的裂隙发育程度，并影响围岩的渗透性。在矽卡岩矿床成矿过程中，岩浆岩侵位和成矿流体使得围岩地层发现变形，产生的断裂或裂隙既是成矿流体运移的通道，也是矿质沉淀的场所。
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由于以往国内外学者对矽卡岩矿床的研究对象主要集中在成矿岩体和矽卡岩矿物，开展了成矿岩体形成构造背景、岩浆演化过程、成矿物质迁移搬运机理等研究工作。相对而言，控制矽卡岩矿床形成的另一个重要端员围岩的研究则明显薄弱，围岩力学行为的定量研究较少。例如Von Karman（1991）开展了不同围压下大理岩的力学试验，结果表明在围压达到69 MPa时岩石发生塑性变形，试样发生宏观破坏前环向应变值可达8%。而其他学者对大理岩的三轴压缩试验表明围压约为20 MPa时即发生脆性向岩性转变（Potro and Hürlimann，2008）。Cleary（1991）认为岩石在浅部表现为脆性特性，深部表现为延性状态，存在脆延转换的界面。Meinert et al.（1997）提出在深部高温和高压环境下，岩石塑性程度高，易于变形而不易形成裂隙; 浅部围岩呈脆性，更容易形成断层和大量裂隙，有利于成矿后期大气水的加入。由上可知，已有的岩石力学行为的研究多集中在非成矿岩石，关于成矿的岩石力学行为研究多处于定性阶段。
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因此，开展成矿作用研究时，有必要关注围岩的力学行为进而分析其对成矿作用的影响。本文以长江中下游成矿带典型矽卡岩型钨矿床——龙角山矿床为研究对象，充分考虑围岩的地应力环境，初步探讨了不同深度围岩的力学行为及对成矿作用的影响。
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1 矿床地质特征
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长江中下游成矿带内金属矿床（点）达200余处，主要集中在八大矿集区（图1），成矿带内的矿床主要有四种类型:① 矽卡岩-斑岩型铜-金-钨矿床，其成矿作用与143~140 Ma的花岗闪长岩类侵入岩体关系密切，主要分布在铜陵矿集区、鄂东南矿集区、九瑞矿集区、安庆-贵池矿集区和宣城矿集区; ② 矽卡岩型钨钼矿床，其成果作用与135 Ma的花岗闪长岩类侵入体关系密切，主要分布在皖南地区; ③ 玢岩型铁（钨）矿床（化）（磁铁矿-磷灰石型矿床），成矿作用与130 Ma左右的辉长闪长玢岩关系密切，主要分布在宁芜矿集区、庐枞矿集区和鄂东南矿集区; ④ 与酸性岩相关的金（铀）-钨矿床，成矿时代为108~97 Ma，主要分布在宁镇矿集区和庐枞矿集区。前人对上述四类矿床的开展了系统的研究工作，建立了多层楼矽卡岩模式（常印佛等，1991）、玢岩铁矿模式（宁芜玢岩铁矿编写组，1978）等，并指出，燕山期的陆内俯冲是造成长江中下游成矿带大规模成岩和成矿作用的主导机制（Lü Qingtian et al.，2015，2021）。近年来，一系列钨矿床（化）在长江中下游成矿带内相继发现，“南钨北扩”界限逐步向北扩展，钨矿床可独立产出，也可与成矿带内各类金属矿化共伴生，成矿时代跨度大，成矿类型均为矽卡岩型（颜代蓉等，2012; Song Guoxue et al.，2014; 聂利青等，2016，2018; 陈雪锋等，2017）。例如，湖北省大冶市铜山口铜矿床、安徽省庐江县龙桥铁矿床、安徽省铜陵市姚家岭锌金矿床均发现共伴生钨矿化（朱乔乔等，2014; 钟国雄等，2014; 聂利青，2019）。
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鄂东南矿集区发育有著名的“大冶式”大型富铁矽卡岩型铁矿床（如铁山、程潮、金山店）、斑岩-矽卡岩复合型铜钼矿床（铜山口和丰山洞）、矽卡岩型铜金矿床（鸡冠嘴和鸡笼山）、矽卡岩型铜钨矿床（龙角山和阮家湾）和全国最大的矽卡岩型铜铁矿床（铜绿山），这些矿床均属于燕山期中酸侵入岩有关的成矿系列（周涛发等，2000）。
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Fig.1 Geologic map of magmatic rocks and deposits in the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt (MLYB) (after Chang Yinfo et al., 1991, 2017; Zhou Taofa et al., 2017)
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XGF—襄樊-广济断裂; TLF—郯庐断裂; HPF—黄-破断裂; SMF—商麻断裂; CCF—崇阳-常州断裂; CHF—滁河断裂; JNF—江南断裂
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XGF—Xiangfan-Guangji rupture; TLF—Tancheng-Lujiang rupture; HPF—Huang-Po rupture; SMF—Shangma rupture; CCF—Chongyang-Changzhou rupture; CHF—Chuhe rupture; JNF—Jiangnan rupture
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图2 鄂东南矿集区地质简图（据谢桂青等，2008修改）
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Fig.2 Geological sketch map of the Edong orefield (modified after Xie Guiqing et al., 2008)
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龙角山钨矿床位于鄂东矿集区阳新岩体西侧（图2），是鄂东南矿集区内新发现的大型钨矿床。龙角山矿区1956~1972年进行补充勘探和深部地质找矿阶段，2006年、2010~2012年湖北省鄂东南地质大队对龙角山矿区的港沟山矿段和港背山矿段进行铜钼钨矿普查地质工作，2018~2019年湖北省鄂东南地质大队对龙角山矿区进行外围找矿工作，现已探明矿床钨资源量5.84万t，铜资源5.5万t（湖北省第一地质大队，2018❶），目前该矿床钨资源量已达到大型规模，进一步的勘探工作正在进行，有望扩大资源量。
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龙角山矿区内地层主要为志留系中统坟头组、石炭系中统黄龙组和大埔组、二叠系下统栖霞组和茅口组、二叠系上统龙潭组、下窑组和大隆组、三叠系下统大冶组。地层整体呈北东东向，倾向北北西。矿区出露岩体有花岗闪长斑岩、闪长玢岩、煌斑岩，钻孔揭露成矿岩体为花岗闪长斑岩（图3）。矿体主要赋存在付家山向斜的北西翼和港沟山背斜的南东翼。
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图3 龙角山矿床地质图（据纪云昊等，2019修改）
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Fig.3 Geologic map of the Longjiaoshan deposit (modified after Ji Yunhao et al., 2019)
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龙角山钨矿床中钨矿体产于花岗闪长斑岩和二叠系下统茅口组和栖霞组接触带，由多个不连续的透镜状矿体组成。其中钨矿体在栖霞组含燧石条带灰岩中的累计厚度最大，中细粒白钨矿呈浸染状分布在矽卡岩中，呈团块状包裹在石榴石环带中。金属矿物主要为白钨矿、辉钼矿、黄铁矿，少量黄铜矿、磁铁矿、赤铁矿; 非金属矿物主要为钙铝榴石、钙铁榴石、透辉石、硅灰石、堇青石、透闪石、绿帘石、萤石、方解石、硬石膏和石英等矿物。
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2 不同深度围岩三轴力学试验
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2.1 不同深度围岩试样制备
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长江中下游成矿带发育典型的矽卡岩-斑岩型矿床，龙角山矿床是最近新发现的大型钨矿床，钻孔信息保留完好，是研究不同深度围岩力学行为对成矿作用影响的最佳地区。为了尽量避免数据的离散性，本文选取了赋矿围岩-栖霞组灰岩和成矿花岗岩体，样品编号分别为:5402-105（其中5402为钻孔号，105为深度，下同）、5402-175、5402-230、5402-316、5402-402、5402-488、5402-581和5402-712。将取得的岩芯制成高径比大于2的圆柱体试样，试样两端不平行度≤0.01 mm，上下段直径偏差≤0.1 mm; 且表面光滑，确保试验过程无应力集中现象。
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2.2 试验设备及方案
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本文所涉及的三轴试验在安徽大学MTS816岩石力学试验机上开展。试验前采用标准铝块验证了试验机在测试中的误差，确保测试中产生的误差可以忽略。为探索不同深度围岩力学行为特征，设计了如下试验方案:结合岩石采样的真实深度和应力水平的三轴试验，围压由自重应力公式计算得知，试验参数见表1。
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3 不同深度岩石力学特性评价方法
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为了更好的反映所测岩石的力学特征，本文基于Mogi（2006）和Rybacki et al.（2015，2016）研究的应力-应变曲线特征力学参数进行表征（图4）。其中P点为应力应变曲线的峰值应力点，从应变起始点O到峰值应力的70%做直线，与曲线的交点Y为应力应变曲线的屈服点，该直线斜率为试件弹性模量E（割线模量）。屈服点之前 OY段岩石的变形为弹性变形，包含线弹性和非线弹性变形。屈服点Y点之后发生塑性变形，YP线段的斜率表示岩石的硬化模量H，与弹性模量E相对应。泊松比μ为弹性阶段环向应变εd与轴向应变εl之比的绝对值。εel、εmax和εfail定义为最大弹性应变（屈服应变）、峰值应力应变和破坏应变。根据不同应力阶段岩石应力应变曲线的变化特征，定义BpreHarden和BpreStrain为岩石峰前弹塑性特征指标，其中BpreHarden综合考虑了峰值应力、峰值应力应变、最大弹性应力和最大弹性应变，BpreStrain综合考虑了最大弹性应变和峰值应力应变，计算公式分别如下:
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上述参数定义了岩石三轴压缩试验的峰前特征，为了考虑峰后特征，定义跌落模量M，由残余应变εres、残余应变对应的应力σres、峰值应力 σmax和峰值应力应变εmax综合确定。根据图4典型应力应变曲线定义峰后脆性塑性特征指标，其中，BresStress考虑峰后残余强度和破坏应力，BresStrain考虑岩石破坏应变残余应变，BresRE本质为耗散弹性能和可恢复弹性能之间的比值，若岩石峰后无法自稳，其应力应变曲线峰后回弹，表现为很强的脆性; 若岩石应力应变曲线峰后回弹平缓减弱，岩石表现为延性特征，计算公式如下:
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图4 长江中下游成矿带龙角山钨矿床岩石三轴压缩试验典型应力应变曲线
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Fig.4 Typical stress-strain curve of rock in triaxial compression test of Longjiaoshan tungsten deposit in the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt
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O—应力应变曲线起始点; P—峰值应力点; Y—应力应变曲线屈服点; E—弹性模量; H—硬化模量; M—跌落模量; εel—最大弹性应变; εmax—峰值应力应变; εfail—破坏应变; εres—残余应变; σres—残余应变对应的应力; σmax—峰值应力; εmax—峰值应力应变
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O—starting point of the stress-strain curve; P—peak stress point; Y—yield point of stress-strain curve; E—elasticity modulus; H—hardening modulus; M—drop modulus; εel—maximum elastic strain; εmax—peak stress-strain; εfail—failure strain; εres—residual strain; σres—stress corresponding to residual strain; σmax—peak stress; εmax—peak stress-strain
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4 不同深度围岩真实应力下力学特征分析
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根据测试结果，龙角山矿床中不同深度的岩石典型应力应变曲线见图5，岩石的强度随着深度的增加、围压的增加均呈现增加的趋势。不同深度不同岩性的岩石其延性或脆性不是简单的随着深度的增加而增加，而是随着深度的增加呈现两种类型:峰后脆性（105~488 m灰岩）和峰后强脆性（581 m蚀变花岗岩和712 m花岗岩），上述岩石力学特征的差异性是应力状态和岩性组构等综合作用的结果。由图5可知，地应力（初始应力）的变化会对岩石的强度和峰后特征产生影响，地应力越大，岩石的应力应变峰前曲线斜率呈现增加特征，由此可见，在考虑地应力作用的前提下，才能更好的分析不同深度岩石的力学行为，故本文绘制了不同力学参数随深度变化的趋势图（图6）。在三轴压缩试验中，上节中所涉及的力学参数随采样深度的变化呈非线性特征。灰岩的弹性模量E随深度增加呈现先降低再增加后降低的趋势（图6a）; 即在岩性统一的提前下，地应力的增加对岩石的弹性模量存在明显影响。灰岩的三轴相对强度S随着深度增加呈现先增加后降低趋势（图6b）。灰岩的硬化模量H和跌落模量M随深度的变化呈现非线性趋势（图6c、d）。而花岗岩的弹性模量E、三轴相对强度S、硬化模量H和跌落模量M均呈现随深度增加而增加的趋势（图6）。
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图5 龙角山矿床岩石真实应力下典型应力应变曲线
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Fig.5 Stress-strain curves diagram of Longjiaoshan rock under real stress
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图7分析岩石在三轴压缩试验中的弹塑性特征，灰岩和花岗岩的峰前塑性特征随深度的变化趋势显示同步性，灰岩的两类峰前塑性指标随深度的变化呈现先降低再增加后降低的趋势，可知地应力和矿物组分对灰岩的塑性特征影响存在相反作用（谢和平等，2021），在175~230 m，矿物组分对灰岩的塑性特征起主导作用，故灰岩中碳酸盐类等中硬相矿物的含量和占比随深度的增加而增加，故塑性降低（图7a）。在230~488 m，地应力对灰岩的塑性特征起决定作用，即峰前塑性指标随深度的增加而降低，即灰岩的塑性特征随深度增加而增加（图7a）。不同深度的灰岩峰后塑性指标随深度的变化迥异，BresRE的波动性较大，规律性不明显，但整体显示了灰岩具有脆性特征，其中BresStress和BresStrain具有反向协同性，在175~230 m和316~402 m两个区间，灰岩随深度的增加脆性增强（图7b）; 在105~175 m、 230~316 m和402~488 m，灰岩随深度的增加脆性降低，上述特征充分显示了矿物组分和地应力对灰岩脆性控制的博弈作用。
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5 从围岩力学行为分析龙角山矿床成矿作用
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矽卡岩矿床的形成过程决定了相较于其他类型矿床，围岩的物理和地球化学特征对矽卡岩矿床的形成更为重要。通过上述对岩石力学行为的分析可知，灰岩的力学性质随着深度的增加呈现脉冲式特征，在达到峰值应力后，灰岩呈现不同程度的脆性特征，此时，由于损伤演化，岩石势必发生能量耗散，因此，在考察岩石的力学行为时必须考虑到能量耗散的影响。基于能量释放原则，谢和平等（2005）认为外力对岩体所做的功一部分转化为介质内的耗散能，使岩体强度逐步丧失，另一部分转化为逐步增加的可释放应变能Ue。在准静态加载速度下，对于较坚硬的岩石，岩石内部可释放应变能远大于耗散能，且耗散能的增长远比可释放能更为缓慢（黎立云等，2011），因此，在考虑围岩对成矿作用过程的影响时，需要岩体提供的能量近似等于可释放应变能Ue。基于公式Ue=σmax2/2E计算，可知灰岩的可释放应变能范围为157.07~291.00 kJ，花岗岩的可释放应变能范围为219.55~479.20 kJ（表2），即在成矿过程中围岩强度的改变需要岩体提供157.07~291.00 kJ以上的能量且岩体满足上述范围，或者也可以理解为围岩在95.10~180.77 MPa环境下力学性质发生改变，结合龙角山矽卡岩矿床成矿深度（约0.9~4.2 km）和成矿压力（20~105 MPa，与灰岩峰值应力有交集）（Lei Xiufang et al.，2018），可知在成矿过程中，灰岩的力学性质的改变是成矿过程中必须考虑的因素，且应力应变曲线中岩石的峰前峰后脆性指标不尽相同，需要开展单一变量试验，进一步深入探索不同深度下岩石力学特性与成矿作用的影响机理。本文并没有考虑深部岩石温度、湿度等因素对岩石力学特性的影响，针对这些影响因素后续还需深入探索研究，这也是未来精细化成矿作用急需探索的内容。
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图6 龙角山矿床不同深度围岩三轴力学参数（a~d）
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Fig.6 Triaxial mechanical parameters of limestones at different depths in Longjiaoshan deposit (a~d)
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图7 龙角山矿床不同深度岩石脆性评价指标随深度的变化规律（a，b）
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Fig.7 Variation of brittleness evaluation index of rocks at different depths in Longjiaoshan deposit (a, b)
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6 结论
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（1）灰岩的弹性模量E随深度增加呈现先降低再增加后降低的趋势，灰岩的三轴相对强度S随着深度增加呈现先增加后降低趋势。
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（2）灰岩的硬化模量H和跌落模量M随深度的变化呈现非线性趋势，而花岗岩的弹性模量E、三轴相对强度S、硬化模量H和跌落模量M均呈现随深度增加而增加的趋势。
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（3）灰岩的两类峰前塑性指标随深度的变化呈现先降低再增加后降低的趋势，可知地应力和矿物组分对灰岩的塑性特征影响存在博弈作用。不同深度的灰岩峰后塑性指标BresStress和BresStrain具有反向协同性，整体显示了灰岩具有脆性特征。
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（4）岩浆热液对围岩的作用强度远大于围岩的强度范围，即灰岩的力学性质的改变是成矿过程中必须考虑的因素。
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致谢:野外地质工作期间得到了湖北省地质局第一地质大队杨伟卫院长等多位工程师的大力支持和帮助，安徽大学林加剑老师在三轴试验过程中提供了热情的指导，审稿专家、主编和编辑为本文提出了宝贵的修改意见，在此一并对上述人员志以谢忱!
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注释
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❶ 湖北省第一地质大队.2018. 湖北省大冶市付家山-龙角山矿床地质调查报告.
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摘要
目前矽卡岩矿床的研究对象主要集中在成矿岩体和矽卡岩矿物,相对而言,控制矽卡岩矿床形成的另一个重要端员围岩的研究则明显薄弱。已有研究表明,不同深度围岩岩石力学性质决定了围岩在外力作用下发生形变的方式及规模,但仅限于定性研究,定量围岩力学性质研究及其对成矿作用制约则尚未开展。本文以长江中下游成矿带典型矽卡岩型钨矿床——龙角山矿床为研究对象,通过三轴压缩试验系统测定了不同赋矿深度围岩地层和成矿岩体的力学性质,探讨了不同深度围岩的力学行为及其对成矿作用的影响。灰岩的弹性模量E随深度增加呈现先降低再增加后降低的趋势,灰岩的三轴相对强度S随着深度增加呈现先增加后降低趋势。灰岩的硬化模量H和跌落模量M随深度的变化呈现非线性趋势,而花岗岩的弹性模量E、三轴相对强度S、硬化模量H和跌落模量M均呈现随深度增加而增加的趋势。灰岩的两类峰前塑性指标随深度的变化呈现先降低再增加后降低的趋势,可知地应力和矿物组分对灰岩的塑性特征影响存在博弈作用。不同深度的灰岩峰后塑性指标随深度的变化迥异,其中BresStress和BresStrain具有反向协同性,整体显示了灰岩具有脆性特征。岩浆热液对围岩的作用强度远大于围岩的强度范围,即灰岩的力学性质的改变是成矿过程中必须考虑的因素,围岩对矽卡岩型矿床成矿作用影响的不容忽视。
Abstract
Previous researches on skarn tungsten deposits have mainly focused on causative rocks and skarn minerals. The effect of the physical and mechanical properties and geochemical characteristics of the country rock on the mineralization of skarn tungsten deposits urgently needs to be further studied. Previous studies have shown that the mechanical properties of country rock at different depths which determine the deformation mode and scale of country rock under the action of external forces. But the qualitative research is limited to the quantitative mechanical properties of country rock and its constraints on mineralization have not been carried out. Longjiaoshan, was newly discovered in the Edong orefield of the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt, which is an ideal research object for the influence of mechanical behavior of country rock on skarn mineralization. The mechanical properties of country rock strata and ore-forming rock masses at different ore-hosting depths were measured by triaxial compression test system, and the mechanical behavior of country rock at different depths and its influence on mineralization were discussed. The elastic modulus (E) of limestone decreases first and then increases and then decreases with the increase of depth, while the triaxial relative strength (S) of limestone increases first and then decreases with the increase of depth. The hardening modulus (H) and falling modulus (M) of limestone show a nonlinear trend with depth, while the elastic modulus (E), triaxial relative strength (S), hardening modulus (H) and falling modulus (M) of granite all show an increasing trend with depth. The two kinds of pre-peak plastic indexes of limestone decrease firstly, then increase and then decrease with the change of depth. It can be seen that there is a mutual influence between ground stress and mineral composition on the plastic characteristics of limestone. The post peak plasticity index of limestone at different depths varies greatly with depth, among which BresStress and BresStrain have reverse coordination, indicating that limestone has brittleness characteristics as a whole. The strength of magmatic hydrothermal action on country rock is much greater than the strength range of country rock, that is, the change of mechanical properties of limestone must be considered in the process of mineralization. The further study of the influence of country rock on the mineralization of skarn deposits should not been ignored.
