廣西大廠礦田非線性成礦動(dòng)力耦合過程數(shù)值模擬研究.pdf

1、近年來，新的礦床勘探方法由于以下因素而興起:(1)在全球范圍內(nèi)，礦物資源的消耗已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱之一，表明礦物資源的供給不足將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)影響;(2)隨著一些大型礦床資源的耗盡或?qū)⒈徊煽眨暂^低成本發(fā)現(xiàn)新的大型礦床已成為極具挑戰(zhàn)性的課題;(3)野外現(xiàn)場(chǎng)勘探以及地球物理勘探是常規(guī)找礦方法，而現(xiàn)在這些傳統(tǒng)方法已經(jīng)難以滿足尋找新礦床的迫切需求。為了改善現(xiàn)狀，地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)開始采用與熱液系統(tǒng)中變形、流體滲流、熱傳遞、物質(zhì)輸運(yùn)以及化學(xué)反應(yīng)

2、相關(guān)的成礦過程計(jì)算模擬，并在過去的二十年中取得了長足的進(jìn)步。目前，地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到上地殼地質(zhì)系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)。許多因素如溫度分布、壓力分布、pH值、鹽度和其它化學(xué)成分都可能影響熱液系統(tǒng)中金屬礦的成礦過程。成礦流體的流動(dòng)，不僅與成礦系統(tǒng)所經(jīng)受的構(gòu)造應(yīng)變有著密切的關(guān)系，而且也與成礦系統(tǒng)中的熱傳遞過程息息相關(guān)。
　　 位于廣西境內(nèi)的大廠錫-多金屬礦田，是世界著名的超大礦田之一，礦田金屬種類眾多且儲(chǔ)量巨大。錫、鉛、鋅和以銦為

3、代表的分散元素的礦化都與構(gòu)造變形和流體流動(dòng)密切相關(guān)。這就為成礦過程數(shù)值模擬研究提供了典型的范例。
　　 考慮了成礦系統(tǒng)中變形、熱傳遞和不同物性參數(shù)對(duì)成礦流體流動(dòng)產(chǎn)生的影響以及這些因素在礦床形成過程中的作用。并利用靈敏度分析探討了影響高品位礦床形成部位的關(guān)鍵因素。首先，利用基于有限差分法的計(jì)算程序模擬構(gòu)造變形驅(qū)動(dòng)的成礦熱液遷移。在所選的二維剖面上，進(jìn)行礦區(qū)尺度范圍的數(shù)值模擬計(jì)算工作，并通過靈敏度分析研究了影響礦區(qū)內(nèi)流體流動(dòng)的主要的

4、控制因素以及各種流體驅(qū)動(dòng)力的相對(duì)重要性。采用所建立的多場(chǎng)耦合模型，在忽略熱結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)影響的前提下，模擬了由于構(gòu)造變形引起的孔隙流體流動(dòng)。其次，建立了二維盆地尺度(basin-scale)的概念模型，利用基于有限元法的計(jì)算程序FEFLOW模擬了浮力驅(qū)動(dòng)的成礦熱液流體在大廠礦田的流動(dòng)。再次，構(gòu)建了構(gòu)造變形-熱傳遞-孔隙流體流動(dòng)的多場(chǎng)耦合模型，并探討了礦化與這三者的關(guān)系。
　　 用FLAC程序模擬構(gòu)造變形-流體流動(dòng)耦合過程的結(jié)果顯

5、示:(1)斷層破碎帶作為良好的流體流動(dòng)通道，能夠?qū)⑸畈康暮V熱液流體輸運(yùn)到理想成礦區(qū)，并與來自上地層的流體匯合，從而形成有利于礦物沉淀的環(huán)境;(2)由構(gòu)造應(yīng)力所引起的擠壓變形，能夠驅(qū)使基底部位流體向上流動(dòng)，是孔隙流體通過強(qiáng)透水層向上流動(dòng)的一個(gè)機(jī)制;(3)由構(gòu)造變形引起的地形起伏和孔隙壓力可促使上地表孔隙水及大氣水沿著透水層向下匯聚;(4)基底部位孔隙流體和上地表流體通過斷層破碎帶向上泥盆統(tǒng)地層匯聚，并且主要聚集在斷層破碎帶的上盤。

6、>　　 用FEFLOW程序模擬孔隙流體流動(dòng)-熱傳遞-鹽分輸運(yùn)耦合過程的結(jié)果則表明:(1)孔隙流體沿著可透水?dāng)鄬悠扑閹蛏狭鲃?dòng)，并且輸運(yùn)鹽分和熱一同上升進(jìn)入淺層含水層。同時(shí)，向下流動(dòng)的孔隙流體對(duì)基底巖層具有冷卻作用:(2)斷層破碎帶的寬度對(duì)熱傳遞和孔隙流體流動(dòng)也具有一定的影響，斷層破碎帶越寬，孔隙水的流量就越大;(3)基底部位高鹽度有利于基底部位孔隙流體向上流動(dòng)，并且加速低溫海水向下流動(dòng)，致使上泥盆含水層溫度較低;而基底部位低鹽度則有利

7、于了上泥盆含水層達(dá)到較高溫度。根據(jù)錫-多金屬礦的成礦規(guī)律，高溫和高鹽度有利于成礦，但模擬結(jié)果顯示，上泥盆統(tǒng)含水層很難同時(shí)達(dá)到高溫和高鹽度。
　　 通過對(duì)構(gòu)造變形-熱傳遞-孔隙流體流動(dòng)耦合過程的數(shù)值模擬認(rèn)識(shí)到:孔隙介質(zhì)的體積應(yīng)變和熱傳遞對(duì)孔隙流體的流動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，這會(huì)影響含礦孔隙流體的沉淀或者溶解，從而影響礦床的形成。高溫有利于基底部位孔隙流體對(duì)含銦礦物質(zhì)的輸運(yùn)，而向下流動(dòng)的孔隙流體則有利于低溫大氣水向成礦區(qū)輸運(yùn)。含銦硫化

8、物的沉淀程度是由孔隙流體的冷卻、巖漿成礦溶液的擴(kuò)容以及大氣水的混合作用所決定。
　　 從大廠礦田的數(shù)值模擬結(jié)果可得出如下初步推論:在成礦系統(tǒng)發(fā)生變形階段，礦脈首先形成于硅質(zhì)巖中，然后在含礦地層中形成不規(guī)則的礦脈。礦石礦物主要以孔隙充填物形式形成。它們則可能直接來自于原先的層狀金屬硫化物。晚燕山期造山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了區(qū)域性的斷裂以及褶皺，原生礦體在經(jīng)受變形后，形態(tài)發(fā)生明顯改變，一些具有礦化的大脈形成并切割早期形成的礦體。這些晚期形成的含

9、礦脈體與花崗質(zhì)侵入體有著密切聯(lián)系，表明金屬元素也可能來自于花崗巖。
　　 根據(jù)有關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果，揭示了成礦熱液流體在大廠礦田的流動(dòng)路徑以及不同驅(qū)動(dòng)力（例如，熱浮力、地形起伏、構(gòu)造變形）對(duì)盆地流體流動(dòng)的影響;定量地確定了有利于形成大廠錫-多金屬礦的地質(zhì)和地球化學(xué)條件，探討了大廠斷層破碎帶對(duì)成礦流體流動(dòng)及成礦的控制作用;并認(rèn)識(shí)到巖石變形會(huì)影響其孔隙率和滲透率，從而影響孔隙流體的流動(dòng)。在相關(guān)模型中，利用FISH語言對(duì)原FLAC/FLA