广西大厂矿田非线性成矿动力耦合过程数值模拟研究

来源 :中南大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:zuaixin2
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近年来,新的矿床勘探方法由于以下因素而兴起:(1)在全球范围内,矿物资源的消耗已成为经济发展的重要支柱之一,表明矿物资源的供给不足将会产生严重的经济影响;(2)随着一些大型矿床资源的耗尽或将被采空,以较低成本发现新的大型矿床已成为极具挑战性的课题;(3)野外现场勘探以及地球物理勘探是常规找矿方法,而现在这些传统方法已经难以满足寻找新矿床的迫切需求。为了改善现状,地质学家已经开始采用与热液系统中变形、流体渗流、热传递、物质输运以及化学反应相关的成矿过程计算模拟,并在过去的二十年中取得了长足的进步。目前,地质学家已经认识到上地壳地质系统是一个很复杂的动力系统。许多因素如温度分布、压力分布、pH值、盐度和其它化学成分都可能影响热液系统中金属矿的成矿过程。成矿流体的流动,不仅与成矿系统所经受的构造应变有着密切的关系,而且也与成矿系统中的热传递过程息息相关。位于广西境内的大厂锡-多金属矿田,是世界著名的超大矿田之一,矿田金属种类众多且储量巨大。锡、铅、锌和以铟为代表的分散元素的矿化都与构造变形和流体流动密切相关。这就为成矿过程数值模拟研究提供了典型的范例。考虑了成矿系统中变形、热传递和不同物性参数对成矿流体流动产生的影响以及这些因素在矿床形成过程中的作用。并利用灵敏度分析探讨了影响高品位矿床形成部位的关键因素。首先,利用基于有限差分法的计算程序模拟构造变形驱动的成矿热液迁移。在所选的二维剖面上,进行矿区尺度范围的数值模拟计算工作,并通过灵敏度分析研究了影响矿区内流体流动的主要的控制因素以及各种流体驱动力的相对重要性。采用所建立的多场耦合模型,在忽略热结构对流体流动影响的前提下,模拟了由于构造变形引起的孔隙流体流动。其次,建立了二维盆地尺度(basin-scale)的概念模型,利用基于有限元法的计算程序FEFLOW模拟了浮力驱动的成矿热液流体在大厂矿田的流动。再次,构建了构造变形-热传递-孔隙流体流动的多场耦合模型,并探讨了矿化与这三者的关系。用FLAC程序模拟构造变形-流体流动耦合过程的结果显示:(1)断层破碎带作为良好的流体流动通道,能够将深部的含矿热液流体输运到理想成矿区,并与来自上地层的流体汇合,从而形成有利于矿物沉淀的环境;(2)由构造应力所引起的挤压变形,能够驱使基底部位流体向上流动,是孔隙流体通过强透水层向上流动的一个机制;(3)由构造变形引起的地形起伏和孔隙压力可促使上地表孔隙水及大气水沿着透水层向下汇聚;(4)基底部位孔隙流体和上地表流体通过断层破碎带向上泥盆统地层汇聚,并且主要聚集在断层破碎带的上盘。用FEFLOW程序模拟孔隙流体流动-热传递-盐分输运耦合过程的结果则表明:(1)孔隙流体沿着可透水断层破碎带向上流动,并且输运盐分和热一同上升进入浅层含水层。同时,向下流动的孔隙流体对基底岩层具有冷却作用;(2)断层破碎带的宽度对热传递和孔隙流体流动也具有一定的影响,断层破碎带越宽,孔隙水的流量就越大;(3)基底部位高盐度有利于基底部位孔隙流体向上流动,并且加速低温海水向下流动,致使上泥盆含水层温度较低;而基底部位低盐度则有利于了上泥盆含水层达到较高温度。根据锡-多金属矿的成矿规律,高温和高盐度有利于成矿,但模拟结果显示,上泥盆统含水层很难同时达到高温和高盐度。通过对构造变形-热传递-孔隙流体流动耦合过程的数值模拟认识到:孔隙介质的体积应变和热传递对孔隙流体的流动起着至关重要的作用,这会影响含矿孔隙流体的沉淀或者溶解,从而影响矿床的形成。高温有利于基底部位孔隙流体对含铟矿物质的输运,而向下流动的孔隙流体则有利于低温大气水向成矿区输运。含铟硫化物的沉淀程度是由孔隙流体的冷却、岩浆成矿溶液的扩容以及大气水的混合作用所决定。从大厂矿田的数值模拟结果可得出如下初步推论:在成矿系统发生变形阶段,矿脉首先形成于硅质岩中,然后在含矿地层中形成不规则的矿脉。矿石矿物主要以孔隙充填物形式形成。它们则可能直接来自于原先的层状金属硫化物。晚燕山期造山运动导致了区域性的断裂以及褶皱,原生矿体在经受变形后,形态发生明显改变,一些具有矿化的大脉形成并切割早期形成的矿体。这些晚期形成的含矿脉体与花岗质侵入体有着密切联系,表明金属元素也可能来自于花岗岩。根据有关数值模拟结果,揭示了成矿热液流体在大厂矿田的流动路径以及不同驱动力(例如,热浮力、地形起伏、构造变形)对盆地流体流动的影响;定量地确定了有利于形成大厂锡-多金属矿的地质和地球化学条件,探讨了大厂断层破碎带对成矿流体流动及成矿的控制作用;并认识到岩石变形会影响其孔隙率和渗透率,从而影响孔隙流体的流动。在相关模型中,利用FISH语言对原FLAC/FLAC3D程序进行了改进,使得模型能够更真实地反映孔隙流体的流动规律。通过对数值模拟结果的分析,为类似矿床提供了可参照的找矿依据。
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