Experimental Study on Triaxial Mechanical Properties of High−Temperature Frozen Loess under Different Moisture Content and Confining Pressure in Yili, Xinjiang
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摘要:
为了探究含水率与围压变化对高温冻土物理力学性质的影响，以新疆伊犁河谷高温冻结黄土为研究对象，开展了黄土的矿物成分、物理性质，以及不同含水率和围压条件下冻土的三轴压缩试验。结果表明：伊犁黄土的粉粒与黏粒粒组含量占比较高，对冻融作用的反应敏感。低含水率时表现为应变软化现象，破坏形态以脆性剪切破坏为主，饱和含水率时表现为应变硬化现象，破坏形态以塑性鼓胀变形破坏为主，软化系数随含水率增大而逐渐减小。随着含水率增大，峰残内摩擦角逐渐降低，峰残黏聚力逐渐增大，变形模量逐渐增大。随着围压增大，弹性模量和损伤演化特征参数均逐渐降低，引入的损伤力学本构模型能够较好地描述高温冻土在不同含水率和围压影响下的应力应变全过程。研究成果可为伊犁河谷冻融滑坡成灾机理研究提供力学参数与理论依据支撑。
Abstract:In order to explore the influence of moisture content and confining pressure on the physical and mechanical properties of high−temperature frozen loess, taking the loess as the research object in Yili valley, Xinjiang. The mineral composition and physical properties of loess, as well as the triaxial compression tests under different moisture content and confining pressure were carried out. The results show that the content of silt and clay is high in Yili loess, which is sensitive to freezing−thawing. At low water content, the failure mode is strain softening and brittle shear failure, while at saturated water content, the failure mode is strain hardening and plastic bulging deformation failure. The softening coefficient decreases gradually with water content increasing. With the increase of water content, the peak residual friction angle gradually decreases, the peak residual cohesion gradually increases, and the deformation modulus increases. With the increase of confining pressure, the elastic modulus and characteristic parameters of damage evolution gradually decrease, and the damage mechanics constitutive model introduced can better describe the whole process of stress and strain of high−temperature frozen loess under different water content and confining pressure. The research results can provide mechanical parameters and theoretical basis for the study of mechanism of freeze−thaw landslide in Yili Valley.
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小秦岭金矿田地处河南省西部与陕西交界处，是中国八大金矿集区之一，也是国内仅次于胶东地区的第二大金矿产地。国内外学者在小秦岭地区开展大量科研工作，尽管如此，对本区金成矿作用的认识仍存在较大的分歧，目前主要存在两种观点：①金矿床的形成与华北克拉通的伸展、破坏有关，为克拉通破坏型金矿床（Bi et al.，2011；Li et al.，2012a，2012b；朱日祥，2015）。②金矿床的形成与晚中生代华北板块与杨子板块碰撞造山过程有关，认为属造山型金矿床（陈衍景，2006；蒋少涌等，2009；Chen et al.，2014；Li et al.，2018）。克拉通破坏型金矿与造山型金矿成矿物质来源、成矿流体问题进行性质及演化、矿质沉淀机理和成矿作用过程明显不同，有必要对小秦岭地区成矿机理深入的探讨。
南中矿带是小秦岭地区重要的成矿带，以石英脉型金矿床为主，S60矿脉为其主要矿脉，沿走向延伸较远。其中杨砦峪、樊岔金矿S60矿脉规模较大，矿化情况好。在系统总结前人资料基础上，笔者对杨砦峪、樊岔金矿床S60脉进行系统采样研究，分析成矿物质来源和成矿流体演化特征，以揭示矿质沉淀机理和成矿过程，加深对该区金成矿机制的认识，为深部成矿预测提供更多证据与信息。
1. 区域地质背景
小秦岭金矿田地理位置位于豫陕交界处的东秦岭北缘，西边以陕西省华山为界，东至河南省灵宝市西涧河，南到灵宝市朱阳镇，北边为潼关–灵宝之南的山脉。大地构造位置位于华北克拉通南缘的华熊台隆小秦岭台穹，东西边界分别是河南省灵宝–朱阳盆地与陕西省华山，南北界线分别为小河断裂和太要断裂，整体呈近EW向展布（图1）, 隶属于秦岭造山带的北缘（王洁明等，2023；姜寒冰等，2023）。
小秦岭地区岩石组成复杂，主要为新太古界太华群深变质基性、中酸性火山–沉积岩系。下部以斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩等变基性火山熔岩和时代相近的变花岗质岩组成，一般称为下基底；上部主要为变沉积碎屑岩–泥质岩、变中酸性火山熔岩–碎屑岩及变中酸性侵入岩与碳酸盐岩，一般称为上基底。另外，也有零散的白垩系南朝组与大面积的新生界地层出露。
该区经历多期地质构造活动，变形变质作用较强，褶皱、断裂等构造较为发育（杨合群等，2022）。区内断裂以近EW走向为主，部分为NW向、NE向和SN向。近EW向的断裂带规模相对较大，是区内金矿的主要储矿构造。小秦岭地区褶皱的整体形态为一套近EW向展布的复背形，从北到南发育五里村背形、七树坪向形、老鸦岔背形、庙沟向形与上杨砦背形等。其中，3个重要的褶皱控制了区内的矿化作用，形成中、北中与北矿带这3个主要矿化带。
区内岩浆岩较为发育，具有多旋回、多期次活动的特点，自太古宙至中生代皆有表现。阜平期岩浆岩以TTG岩系、镁铁质-长英质火山岩和花岗岩为主；五台期岩浆岩以花岗伟晶岩脉为主；古元古代花岗岩以桂家峪岩体和小河岩体为代表（Deng et al., 2016），区内辉绿岩脉大多也形成于古元古代（Li et al., 2012b, 2020）；加里东期表现为杨砦峪二长花岗岩及闪长岩脉侵入；印支期以发育正长斑岩为特征（李厚民，2012）；燕山期岩浆活动频繁，形成一系列花岗岩，最具代表性为文峪岩体、娘娘山岩体，并导致一系列辉绿岩脉、花岗斑岩脉及含金石英脉的侵人（Mao et al., 2010；Li et al., 2012a）。其中，燕山晚期花岗岩浆活动与本区金矿具有密切的成生关系（Wang et al., 2020）。
2. 矿区地质概况
2.1 矿脉特征
杨砦峪、樊岔金矿床矿体主要为含金石英脉，局部为矿化的蚀变构造岩。区域内近EW向石英脉成矿可能性较大。其中，S60石英脉规模最大，是最主要的含金矿脉（图2）。S60矿脉严格受NWW–SEE向的压扭性断裂控制；矿脉全长为
6600 m，总体走向近EW，倾向为175°～215°，倾角为40°～56°。厚度一般为2～7 m，局部超过10 m。石英脉呈透镜状、脉状和不规则状断续分布，在走向和倾向上都有膨缩、分支复合，尖灭再现的现象。金矿主要赋存在石英脉中，但并不是所有石英脉都能形成金矿。有些地段的厚大石英脉Au含量却很低，因为Au与石英脉中硫化物的含量成正比，只有第二、三阶段硫化物的形成才能导致Au的沉淀。![]()
Figure 2. (a) Geological map of the Yangzhaiyu gold deposit, (b) geological map of the Fancha gold deposit2.2 矿体特征
石英脉中的金矿体多呈细脉状、透镜状、长条状产出。总体产状：走向约为110°，倾向为175°～215°，倾角为40°～52°。矿体主要由含金石英脉和部分矿化构造岩组成，两者关系密切，后者多为位于含金石英脉的两侧或其延长部分，形成断续出现的包围圈。
矿体的厚度与产状有一定关系，矿体走向为80°～100°地段，矿体厚度相对增大。矿体走向为105°～135°地段，矿体厚度相对变薄。
在倾向上，在矿体倾角由大变小的块段，石英脉厚度变大，矿体较富。反之，石英脉厚度变薄，甚至尖灭，被糜棱岩替代，构造带倾角逐渐变缓，石英脉重新出现。
2.3 矿石特征
矿石类型较为简单，主要以石英脉型矿石，仅局部厚度较大的含金石英脉可见蚀变岩型矿石。石英脉型矿石又可细分为黄铁矿型、多金属硫化物型矿石。
黄铁矿型矿石以发育两种类型黄铁矿为特征，一种自形程度高，颗粒较大，Au品位较低；另一种黄铁矿晶形较差，常以粒状集合体、团块状、条带状沿石英脉裂隙发育，Au品位较高。脉石矿物主要为烟灰色石英。
多金属硫化物型矿石矿物类型较多，以黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、辉锑矿等金属硫化物为主。硫化物颗粒较小，矿物晶形较差，往往以集合体形式发育，常呈细脉浸染状、团块状、簇状产于石英脉边缘部位，金矿化较强。
2.4 围岩蚀变特征
小秦岭金矿田脉型金矿体空间展布主要受控于构造行迹，产于变质岩地层糜棱岩带内。岩石变质变形作用强烈，并伴有多期矿化蚀变。区内常见蚀变类型有黄铁矿化、绢云母化、硅化、绿泥石化、碳酸盐岩化等。这些蚀变常重复叠加，并遵循一定分布规律。硅化、黄铁矿化、绢云母化常发育含矿石英脉附近，是重要的找矿标志（图3）。
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图 3 杨砦峪、樊岔矿床S60矿脉蚀变特征Figure 3. The alteration of S60 vein in Yangzhaiyu and Fancha deposit2.5 成矿期次与成矿阶段
小秦岭金矿田构造运动及热液活动具有多期叠加特征，造成了成矿作用的多期次、多阶段性（葛战林等，2023；范东旭等，2023）。在野外实地观察基础上，结合岩相学等手段，笔者对矿物共生组合、矿石结构构造及围岩蚀变特征进行分析总结（图4），并将成矿作用从早到晚划分为４个阶段：①黄铁矿–石英阶段：早期热液沿断裂充填形成石英脉，脉体较宽但金矿化较弱，主要矿物为石英+黄铁矿。石英呈乳白色，致密块状，其间零星分布有粗粒自形、立方体状的黄铁矿（图5a）。②石英–黄铁矿阶段：该阶段以黄铁矿等硫化物大量增加为特征，硫化物颗粒较细而导致石英呈烟灰色，黄铁矿等硫化物常常以粒状结合体形式沿早期石英脉及构造岩裂隙充填，形成复合石英脉体（图5b、图5c）。该阶段矿物以石英、黄铁矿为主，次为黄铜矿、磁黄铁矿等。矿物颗粒较小，晶形较差，常常以团块状、条带状、细脉状发育（图5d）。该阶段中黄铁矿是最主要含金矿物，是成矿期中最重要的阶段。③石英–多金属硫化物阶段：该阶段金属矿物较为发育，可见黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉锑矿、辉碲矿等（图5e），多金属硫化物常以集合体形式沿裂隙充填，形成细脉状、网格状、团块状及条带状构造。④石英–碳酸盐阶段：该阶段中碳酸盐岩的出现标志着成矿活动的结束。该阶段以形成脉状或细脉状石英及碳酸盐矿物–方解石、白云石、铁白云石等为标志，金矿化微弱（图5f、图5g）。
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图 4 S60矿脉不同矿化阶段矿物穿插关系a.第1阶段石英脉中粗粒自形黄铁矿；b.第3阶段方铅矿–黄铁矿–石英–黄铜矿网脉穿插第2阶段黄铁矿–石英脉；c.第3阶段方铅矿–石英–方解石呈网脉状分布于第1阶段石英-黄铁矿脉；d.第2阶段细脉状黄铁矿穿插第1阶段粗大石英脉； e.第3阶段方铅矿–石英脉呈透镜状产于早阶段石英–黄铁矿脉中；f.第4阶段石英–碳酸盐岩–长石脉被后期构造运动剪切成透镜状；g.第4阶段石英–碳酸盐–长石脉随后期构造运动弯曲变形Figure 4. The mineral interspersed relationship of S60 vein in different mineralization stage基于黄铁矿的形态、产出特征及镜下特征，可将小秦岭金矿床的黄铁矿划分为3个世代，即PyⅠ、PyⅡ和PyⅢ（图5）。第1世代黄铁矿（PyⅠ）自形程度高，以立方体和五角十二面体晶形为主，颗粒粗大，常呈斑状、星点状分布于乳白色石英脉中，该世代黄铁矿主要形成于早期黄铁矿–石英阶段（第Ⅰ阶段）。第2世代黄铁矿（PyⅡ）颗粒较小，晶形较差，常常以粒状集合体形成发育，呈细脉状、网脉状沿早期石英脉的裂隙充填，该世代黄铁矿内部的裂隙尤为发育，主要形成于石英–黄铁矿阶段。第3世代黄铁矿（PyⅢ）多为半自形–他形、中细粒结构，与黄铁矿、方铅矿及闪锌矿等硫化物密切共生。该阶段黄铁矿颗粒中常发育其他硫化物包裹体，该世代黄铁矿主要形成于多金属硫化物阶段。
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图 5 S60矿脉不同世代黄铁矿的结构、形态及分布特征a～c. 第1世代粗粒黄铁矿（PyⅠ），呈立方体晶形分布于乳白色石英中；d～f. 第2世代中细粒黄铁矿（PyⅡ），呈脉状分布于烟灰色的石英脉中，黄铁矿较为破碎，形成众多裂隙被长英质物质充填；g～i. 第3世代黄铁矿（PyⅢ），常常与黄铜矿、闪锌矿、方铅矿等硫化物密切共生；Py. 黄铁矿；PyⅠ. 第1世代黄铁矿；PyⅡ. 第2世代黄铁矿；PyⅢ. 第3世代黄铁矿；Gn. 方铅矿；Sp. 闪锌矿；Ccp. 黄铜矿Figure 5. The structure and distribution about different generation pyrites of S60 vein3. 样品描述及分析方法
将野外采集样品磨制成光片，利用偏光显微镜对样品进行详细的矿相学观察；根据样品的矿物组成、结构构造及共生关系对硫化物进行阶段、世代划分，并做标记；将光片送至南京聚谱检测科技有限公司开展硫化物LA-ICP-MS微量元素测试工作。
采用激光剥蚀瞬态信号强度（counts per second，简称cps）随剥蚀时间变化及不同元素的cps相关关系来分析不同硫化物样品中的Au、Ag、Te、As等元素的相对含量及分布特征，采用美国国家标准技术研究院 NIST SRM 610玻璃与美国地质调查局熔融玻璃 USGS BHVO-2G、BCR-2G作为多重外标和美国地质调查局多金属硫化物压饼USGS MASS-1共同标定硫化物元素含量。激光剥蚀系统由 Teledyne Cetac Technologies 制造，型号为Analyte Excite。
在正式测试之前，所有待测点位经大束斑预剥蚀，消除矿物表面的潜在污染。先收集15 s气体本底，然后以40 um束斑，5 Hz频率剥蚀40 s，气溶胶由氦气送出剥蚀池，与Ar混合后进入ICP-MS完成测试。
原始的测试数据经 ICP-MS Data Cal 软件离线处理，采用“无内标–基体归一法”对元素含量进行定量计算。
4. 分析结果
黄铁矿等微量元素分析结果列于表1中（样品编号中带FC的为樊岔矿床样品，其余为杨砦峪矿床样品），在所分析的微量元素中，除成矿元素（Cu、Pb、Zn 、Au、Ag）和部分亲铜、亲铁元素（As、Te 、Co、Ni、） 的含量普遍高于检测限以外，其他元素如Rb、Sr、Mo、W、Hg、T1、 Mn、Ge、In、Sn、Bi均大多数或部分低于检测限。
表 1 小秦岭南中矿带S60矿脉不同世代黄铁矿LA-ICP-MS微量元素(10−6)分析结果Table 1. Trace elements analysis(10−6) for different generation pyrites of S60 vein from southern-medium ore belt of Xiaoqinling样品编号 黄铁矿世代 微量元素含量 Au Ag As Te Co Ni B3/YM810-16-5 PyⅠ 0.289 0.261 0.000 3.008 51.065 10.156 B4/ym860-3 PyⅠ 0.125 0.898 0.375 0.589 172.563 102.110 B1-2/ym980-60-1 PyⅠ 0.064 1.352 0.000 6.772 0.165 5.593 B1/YM1100-60-1-4 PyⅠ 0.027 0.000 1.290 0.174 0.000 1.170 B1/YM1340-706(2)-1 PyⅠ 0.026 0.023 10.510 2.143 1617.610 139.482 B3/YM810-16-1 PyⅠ 0.020 0.641 0.088 0.362 0.783 0.857 B1/YM1250-S60-2 PyⅠ 0.012 0.579 0.448 3.937 1.266 3988.748 B1/YM1250-S60-1 PyⅠ 0.009 3.165 0.000 12.774 103.671 57.349 B1/YM860-60-3 PyⅠ 0.008 2.919 0.000 0.038 46.078 161.800 B2/YM1100-60-1-1 PyⅠ 0.003 0.005 4.032 0.311 2773.345 39.256 B3/YM810-16-3 PyⅠ 0.002 1.148 0.644 22.432 10.573 2.247 B1/YM1100-60-1-5 PyⅠ 0.001 0.003 0.722 0.368 0.026 0.923 B3/YM1220-6'-2 PyⅠ 0.000 0.005 12.879 0.185 30.398 559.956 B1/YM860-60-4 PyⅠ 0.000 0.014 8.301 0.000 1215.701 17.754 B1/YM860-60-8 PyⅠ 0.000 0.003 2.407 0.152 370.177 28.096 B1/YM1100-60-1-1 PyⅠ 0.000 0.190 0.223 0.246 5.428 13.462 B1/YM1100-60-1-2 PyⅠ 0.000 0.802 0.010 0.455 1.076 35.580 B1/YM1100-60-1-3 PyⅠ 0.000 0.030 0.328 0.028 1.535 89.319 B1/YM1340-706(2)-2 PyⅠ 0.000 0.120 8.599 0.676 1361.614 56.775 B2/YM1100-60-1-4 PyⅠ 0.000 0.000 2.408 0.052 116.124 38.612 B2/YM1100-60-1-5 PyⅠ 0.000 0.047 2.206 0.120 183.658 15.761 J1/YM1140(1)-2 PyⅠ 0.000 4.355 9.233 0.001 0.017 3.220 J1/YM1140(1)-3 PyⅠ 0.000 4.045 10.151 0.000 0.018 3.984 B1/ym730-2 PyⅡ 36.922 153.509 0.265 44.136 156.506 158.765 B1/YM1100-60-1-6 PyⅡ 22.339 189.304 1.050 1949.083 21.412 94.730 B2/YM1100-60-1-2 PyⅡ 0.031 0.000 6.444 0.314 10.712 367.962 B1/ym860-1 PyⅡ 0.114 0.076 0.218 0.824 211.179 248.814 B4/YM540-FC-5 PyⅡ 284.940 218.853 0.258 477.787 56.877 628.359 J2/YM540-FC(2)-1 PyⅡ 129.061 316.858 0.157 21182.135 5.084 11.049 J2/YM540-FC(2)-5 PyⅡ 56.407 164.167 1.608 867.542 155.490 286.144 B4/YM540-FC-6 PyⅡ 12.492 22.570 0.219 87.628 8.755 199.259 B4/YM540-FC-1 PyⅡ 4.139 3.626 0.029 20.804 109.985 169.994 B1/YM1250-S60-5 PyⅢ 0.143 7.555 0.081 25.553 103.771 387.159 J1/YM1140(1)-1 PyⅢ 0.072 19.842 351.868 1.610 0.180 13.184 B1/YM1340-706-6 PyⅢ 0.052 0.119 0.357 9.325 7.543 181.415 B2-1/YM800-60-6 PyⅢ 0.047 0.263 0.000 0.436 0.560 175.172 B3/YM1220-6'-4 PyⅢ 0.040 0.161 5.777 0.526 21.375 215.513 B2-1/YM800-60-4 PyⅢ 0.031 0.071 4.224 0.850 968.843 323.802 B3-2/YM980-60-2 PyⅢ 0.023 4.536 16.324 2.621 3047.222 49.869 B3-2/YM980-60-5 PyⅢ 0.021 3.515 2.500 0.889 726.130 43.289 J2/YM380(2)-2 PyⅢ 0.014 0.019 0.693 28.829 1718.654 220.770 B1-2/ym980-60-4 PyⅢ 0.013 0.006 0.126 0.983 0.507 28.962 B3-2/YM980-60-1 PyⅢ 0.008 0.133 6.087 1.022 457.775 27.651 B2-1/YM800-60-2 PyⅢ 0.006 0.013 0.603 0.127 521.782 119.516 B1/YM860-60-1 PyⅢ 0.000 9.886 1.501 1.127 53.225 163.838 B1/YM860-60-5 PyⅢ 0.000 3.874 0.000 23.452 55.775 243.199 B1/YM860-60-6 PyⅢ 0.000 0.458 2.063 0.489 249.658 15.994 B1/YM860-60-7 PyⅢ 0.000 0.874 1.411 0.083 28.961 150.559 B1/YM1250-S60-8 PyⅢ 0.000 0.002 0.094 0.000 49.423 374.494 B1/YM1340-706-4 PyⅢ 0.000 0.006 0.172 0.235 222.915 94.672 B2-1/YM800-60-3 PyⅢ 0.000 0.656 1.244 0.464 3.368 215.149 J2/YM540-FC(2)-7 PyⅢ 0.657 2.018 0.000 274.815 40.359 163.165 J2/YM540-FC(2)-2 PyⅢ 0.485 45.818 0.013 176.692 0.025 0.000 J2/YM380(2)-3 PyⅢ 0.034 1.573 0.542 38.064 420.350 128.781 注：0代表检测限以下，样品采自杨砦峪、樊岔金矿床；测试单位为南京聚谱检测科技有限公司。 不同世代黄铁矿中代表性元素的LA-ICP-MS剥蚀信号曲线（图6）显示，不同世代黄铁矿颗粒中Au、Ag、As、Te等微量元素特征差异性明显。第1世代黄铁矿（PyⅠ）的Au、Ag、As、Te信号强度均很低，显示早期黄铁矿-石英阶段Au元素含量较低，不是主要成矿阶段。第２世代黄铁矿（PyⅡ）的Au、Ag、Te信号与第1世代黄铁矿（PyⅠ）明显不同，该世代黄铁矿中Au、Ag、Te的剥蚀信号强度较高且近于平行，表明第2世代黄铁矿（PyⅡ）中Au、Ag和Te具有密切的正相关关系。此外，As的信号强度一直很低，表明此阶段黄铁矿中As的含量较低，其与Au元素富集无密切关系。第3世代黄铁矿（PyⅢ）的Au、Ag、Te信号强度与第1世代相比，略有升高，暗示有微量或少量的Au、Ag和Te。但As的信号强度较低且一直在底部变化，与Au、Ag及Te的信号曲线无关联。值得一提的是，3个世代黄铁矿中As的含量都很低，表明区内金矿体中Au品位的高低与As无关。
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图 6 S60矿脉不同世代黄铁矿中微量元素的LA-ICP-MS剥蚀曲线Figure 6. Time-resolved laser ablation depth-profiles of representative grains of different stage pyrites from S60 mineral vein笔者对部分第2世代黄铁矿微量元素Au、Ag、Te、As信号强度相关性进行图解分析（图7）。结果表明，杨砦峪–樊岔金矿中第2世代（PyⅡ）黄铁矿中Au、Ag和Te相对较为富集，并且Au与Te、Ag之间存在显著且稳定的线性正相关关系，而该世代黄铁矿中微量元素As的信号强度较弱，由此可知，小秦岭地区Au的富集与As不存在正相关关系。
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图 7 S60矿脉PyⅡ中Au与Ag-Te-As的相关关系Figure 7. Au, Ag, Te, and As absolute cps values for the second generation4.1 黄铁矿中微量元素组成特征
杨砦峪、樊岔金矿中不同世代黄铁矿（PyⅠ、PyⅡ、PyⅢ ）中Au、Ag、Co、Ni、Te、As含量及其分布特征有显著差异。不同世代黄铁矿Co、Ni信号较为平坦，而且与Fe的谱线近于平行（图8），表明亲铁元素Co、Ni主要以类质同象的形式赋存于黄铁矿中。不同世代黄铁矿的Co、Ni含量及Co/Ni值也具有规律性变化，PyⅠ黄铁矿中Co/Ni值基本上都大于1，PyⅡ黄铁矿Co/Ni值基本上为1，PyⅢ黄铁矿中Co/Ni值都大于1，PyⅠ与PyⅢ黄铁矿中Co/Ni值明显高于PyⅡ。笔者认为PyⅡ阶段黄铁矿形成的温度较低，从而导致Co、Ni在黄铁矿中的类质同象能力降低。
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图 8 S60矿脉不同世代黄铁矿Co、Ni元素在黄铁矿颗粒中的分布及含量Figure 8. The distribution and absolute contents of Co and Ni from the different generation of pyrites in S60 mineral vein前人认为，在温度＜350 ℃、pH值接近中性的富硫成矿热液中Au主要以络合物Au（HS）0 、Au（HS）2−的形式存在，由于富砷黄铁矿对Au离子的吸附及As−以类质同象的形式替代黄铁矿中的S−离子，因此含砷黄铁矿中Au与As常存在显著的线性关系（Reich et al，2005）。杨砦峪、樊岔金矿床不同世代黄铁矿的LA-ICP-MS分析信号曲线显示As的信号强度整体都比较低，PyⅠ、PyⅢ中As部分含量相对较高的但Au含量较低，PyⅡ的Au含量最高却几乎不含As，表明该地区金矿床中黄铁矿中Au的富集与As无关。
PyⅡ中的Au微量元素的信号强度在随剥蚀时间的增加而达到峰值（图6），指示该元素的微米级的包裹体存在（范宏瑞，2018），这也与前人得到的S60黄铁矿中存在大量微米，亚微米的矿物自然金、含金碲化物包体一致（Jian et al., 2014; Liu et al., 2020）。
黄铁矿中Au和Ag、Te之间存在较强的正相关关系（图6），其中尤以PyⅡ最为明显（图8）。PyⅠ中Au、Ag、Te的含量普遍较低，PyⅡ的Au、Ag和Te含量显著增加，且Au和Te之间存在明显的线性正相关关系，PyⅢ的Au、Ag和Te含量均比PyⅠ含量高但少于PyⅡ。在杨砦峪、樊岔矿床中可以见到碲金矿、碲银矿、辉碲铋矿等矿物（Jian et al., 2014；Jian et al., 2020；Liu et al., 2020），据此可以认为Te对杨砦峪、樊岔金矿床形成过程中金的搬运和富集具有重要作用。
4.2 碲化物的形成机理
研究表明，在100～300°的温度下，Te在pH值为8的流体中溶解度是pH值为5的2倍，高价态的Te在流体中的溶解度远大于低价态的Te（Grundler et al., 2013）。Au在中偏碱性流体中主要以Au（HS）2−形式存在，高pH值的流体可以有效的从源岩中萃取Te并在溶液中进行长距离的迁移（Keith et al., 2018）。Te在pH值为中性至碱性、低盐度、高温度和高氧逸度（fO2）下易溶于热液中，而Te的溶解度在更还原条件下明显降低，Te4+ 的还原导致Te的沉淀（Gao et al.，2017; Grundler et al., 2013 ）。因此，Te和Au在中偏碱性、高氧逸度流体中可大量溶解，而在低氧逸度溶液中会发生快速沉淀。
碲化物通常形成于硫逸度较低而碲逸度较高的流体体系，不同成矿阶段成矿流体中硫逸度和碲逸度的相对变化会导致碲化物含量和赋存形式的差异（Barton et al., 1979）。杨砦峪、樊岔金矿中成矿早期PyⅠ中Au、Te含量较低，表明成矿早期流体的硫逸度很高而碲逸度很低，因而形成的黄铁矿贫碲贫金。PyⅡ中Au、Ag、Te等微量元素相对富集，且Te与Au、Ag存在明显正相关性，表明Te与Au、Ag可能以熔融态的微细粒固溶体共同迁移、富集和沉淀（McPhail，1995；刘俊辰，2020），PyⅢ中Au、Ag和Te含量比PyⅠ含量高但少于PyⅡ，表明随着碲化物沉淀成矿流体的碲逸度降低。
4.3 成矿物质来源
前人对小秦岭金矿田成矿流体和成矿物质的来源开展较多研究，主要观点可以概括为4类：①成矿物来自地层（冯建之，2009）。②成矿物质来自地幔。③成矿物质来自地层和燕山期花岗岩（毛景文等，2005）。④成矿物质来自燕山期花岗岩。
黄铁矿微量元素测试结果表明，Au的含量与碲关系密切，因此综合分析碲的来源对杨砦峪、樊岔金矿成矿流体的来源和成矿机制研究具有重要意义。前人研究表明大多数富含碲化物的矿床与岩浆作用关系较为密切。邵克忠等（1989）在河南省祁雨沟金矿中发现大量Au-Ag-Te系列矿物，大量流体包裹体和稳定同位素特征资料表明祁雨沟金矿床的成矿物质（包括碲）主要来自岩浆或地幔（Chen et al., 2009；Fan et al., 2011）。毕诗健等（2016）对东桐峪金矿床中不同阶段的黄铁矿进行原位分析，同样认为碲主要来源于岩浆或地幔的脱气作用。据此笔者认为杨砦峪、樊岔金矿中碲元素可能来源于岩浆或地幔的脱气作用，这与Jian 等（2014）、Liu等（2020）的认识一致。
杨砦峪金矿与樊岔金矿成矿时代均为130 Ma左右（Li et al., 2012a, 2012b；Liu J et al., 2020），与燕山期花岗岩形成时间接近。前人对杨砦峪矿床做过流体包裹体研究，结果表明杨砦峪金矿床的成矿流体属低盐度的CO2-H2O-Nacl体系，均一温度为216~346 ℃，盐度属低盐度（6%～8.7%NaCleq），而且成矿温度、盐度与压力随着成矿作用的进行逐渐降低（吴桐，2019）。这与高盐度、富含子晶的变质流体截然不同，而与燕山期花岗岩岩浆期后低盐富CO2、H2O的流体十分相似，这些特征和规律反映本区金矿在成因上与燕山期花岗岩浆活动有关，而与变质作用、混合岩化没有直接关系。
杨砦峪金矿床的碳、氢、氧、硫、铅、氦、氩同位素的组成特征表明矿床的成矿流体主要来源于地幔深部，同时混有地壳深部流体。而随着成矿过程的推进，逐渐有着与大气降水等浅源流体相混合的趋势，这些特征与小秦岭地区在中生代的伸展构造环境下变质核杂岩伸展隆升的构造演化特征相一致（Li et al., 2020）。
4.4 矿床成因类型
小秦岭金矿田成因争议很大，主流观点为造山型金矿与岩浆热液型金矿。造山型金矿床实际是指赋存在造山带的热液金矿床，其成矿过程未必与克拉通化过程中的增生/碰撞造山作用有关，成矿流体一般主要来自区域变质作用过程中的脱挥发分，以壳幔源变质流体为主，成矿构造主要为挤压或压扭性变形。小秦岭金矿田蚀变矿化特征与造山型金矿有一定的相似性，但二者在以下方面存在显著区别：小秦岭金矿田中热液碳酸盐的含量远低于典型造山型金矿床，缺少成矿早期和主成矿阶段的石英-碳酸盐岩型金矿化；小秦岭金矿田矿石中As的含量普遍较低而Te的含量较高，相反造山型金矿普遍富As和毒砂；流体包裹体、微量元素的研究表明成矿流体来源以岩浆为主，而非变质流体；小秦岭金矿田成矿具短期爆发性特点（卢欣祥，2004），造山型金矿成矿作用时间通常持续50～70 Ma或更长时间（Goldfarb et al., 2001; Robert et al., 2005）；造山型金矿主要形成于长期挤压构造环境，而小秦岭金矿田总体形成于强烈伸展构造背景下（Li et al., 2020）。小秦岭金矿田既不同于前寒武纪克拉通脉状造山型金矿，也不同于世界其他地区典型造山型金矿，笔者更倾向于认为是由于西太平洋板块俯冲、回撤、滞留板块脱水导致导致克拉通属性改变的克拉通破坏型金矿（朱日祥，2015）。
4.5 成矿作用模式
小秦岭金矿田在110～130 Ma发生大规模金成矿作用（陈衍景等，1998），同时与小秦岭变质核杂岩的伸展隆升时间（116～135 Ma）及小秦岭地区的很多燕山期花岗岩形成年龄（毛景文，2005；Mao et al., 2010；Li et al., 2012a）总体一致。
中生代晚期古太平洋板块俯冲、后撤，增厚的下地壳和下伏岩石圈地幔发生了拆沉作用（Mao et al ., 2008；高山等，2009），促使华北克拉通岩石圈不断减薄，导致在强烈的伸展条件下，大量软流圈物质上涌，与下地壳发生大面积的壳幔作用形成，形成了金矿床的爆发成矿（图9），构成了小秦岭金矿田以及中国东部中生代成矿作用大爆发的完整旋回（卢欣祥，2004；朱日祥等，2021）。
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图 9 克拉通破坏型金矿成矿模式图（朱日祥，2021）Figure 9. The metallogenic model of decratonic gold deposits5. 结论
（1）杨砦峪–樊岔金矿中的黄铁矿可依次划分成３个世代（PyⅠ、PyⅡ、PyⅢ ），不同世代的黄铁矿具有不同的矿物结构及矿物共生组合特征，并且PyⅡ形成于主成矿阶段。
（2）杨砦峪–樊岔金矿中的Te元素对Au元素沉淀和富集具有重要作用。不同世代黄铁矿中Au、Ag、Te、Co、Ni、As等微量元素的含量及其分布特征具有较显著的差异性，主要表现为第2世代黄铁矿中Au与Te尤为富集且两者存在明显正相关关系，3个世代黄铁矿中As的含量均较低，Au元素贫富与As没有相关性。
（3）杨砦峪–樊岔金矿中富含碲化物，其成因与岩浆作用存在密不可分的成因联系。杨砦峪–樊岔金矿成矿流体、成矿物质可能来自深部岩浆的脱挥发分或地幔脱气，矿床的成矿地质背景主要与华北克拉通破坏有关。
致谢：野外工作得到灵宝市自然资源局和杨砦峪金矿、樊岔金矿相关技术人员的大力支持，审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见，在此一并感谢。
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图 5 高温冻土三轴压缩试验设计方案图
Figure 5. Triaxial compression test design scheme of high temperature frozen loess
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图 6 不同含水率高温冻土的应力应变曲线图
a. 含水率 10.1%；b. 含水率 16.2%；c. 含水率 28.2%
Figure 6. Stress–strain curves of high–temperature frozen loess with different moisture content
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图 7 含水率与峰值应变和残余应变的关系图
Figure 7. Relationship between water content and peak strain and residual strain
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图 8 围压与峰值应变和残余应变的关系图
Figure 8. Relationship between confining pressure and peak strain and residual strain
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图 9 含水率与峰值应力和残余应力的关系图
Figure 9. Relationship between water content and peak stress and residual stress
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图 10 围压与峰值应力和残余应力的关系图
Figure 10. Relationship between confining pressure and peak stress and residual stress
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图 11 不同含水率高温冻土的峰后平均变形模量曲线图
Figure 11. Average post−peak deformation modulus curve with different moisture content
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图 12 不同含水率高温冻土的应力相对软化系数曲线
Figure 12. Stress relative softening coefficient curve of high–temperature frozen loess
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图 13 含水率与内摩擦角的关系图
Figure 13. Relationship between water content and internal friction angle
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图 16 试验数据与模型拟合曲线对比图
a. 含水率 10.1%；b. 含水率 16.2%；c. 含水率 28.2%
Figure 16. Compared with the experimental data and the model fitting curve
表 1 伊犁黄土的基本物理性质统计表
Table 1 Basic physical properties of Yili loess
序号 干密度
（g/cm3）孔隙比 液限
（%）塑限
（%）塑性指数 压缩模量
Es1-2（MPa）渗透系数
（cm/s）1 1.55 0.507 26.73 18.28 8.45 17.5 1.40×10−5 2 1.55 0.509 24.59 17.04 7.56 16.8 1.30×10−5 3 1.55 0.512 29.05 19.62 9.43 17.9 1.31×10−5 4 1.56 0.503 23.88 15.98 7.90 18.1 1.15×10−5 5 1.54 0.495 23.96 16.55 7.41 17.7 1.22×10−5 
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表 2 不同含水率与围压下的应力与应变统计表
Table 2 Stress and strain under different water content and confining pressure
含水率
w（%）围压
σ3（MPa）峰值
应力
σp（MPa）峰值
应变
εp（%）残余
应力
σr（MPa）残余
应变
εr（%）10.1 0.050 0.568 1.500 0.542 8.500 0.125 0.724 3.500 0.697 8.751 0.175 0.860 4.671 0.830 13.429 16.2 0.050 0.855 5.492 0.821 12.979 0.125 1.044 11.065 0.968 18.055 0.175 1.098 12.232 1.046 19.802 28.2 0.050 1.448 – – − 0.125 1.486 – – – 0.175 1.506 – − –
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表 3 不同含水率的剪切强度参数表
Table 3 Shear strength parameters of different water content
含水率
w（%）峰值内
摩擦角
φp（°）峰值
黏聚力
cp（MPa）残余内
摩擦角
φr（°）残余
黏聚力
cr（MPa）10.1 32.5 0.122 37.0 0.076 16.2 30.2 0.219 28.4 0.218 28.2 10.9 0.588 – –
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表 4 损伤本构模型参数表
Table 4 Damage constitutive model parameters
含水率w（%） 围压σ3（MPa） $ E $（MPa） $ {\varepsilon }_{f} $（%） $ n $ R2 10.1 0.050 37.87 1.500 0.142 0.948 0.125 20.69 3.500 0.123 0.970 0.175 18.41 4.671 0.122 0.964 16.2 0.050 15.57 5.492 0.132 0.928 0.125 9.44 11.065 0.123 0.904 0.175 8.98 12.232 0.122 0.912 28.2 0.050 10.95 13.227 0.101 0.959 0.125 9.36 15.874 0.094 0.970 0.175 7.62 19.762 0.093 0.963
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