黑龍江金廠礦區(qū)熱液成礦過程計(jì)算模擬及成礦機(jī)制探討

趙義來，羅先熔，歐陽菲

(桂林理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院; b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

黑龍江金廠礦區(qū)熱液成礦過程計(jì)算模擬及成礦機(jī)制探討

趙義來，羅先熔，歐陽菲

(桂林理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院; b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

黑龍江金廠金礦是一特大型金礦床,該區(qū)中生代構(gòu)造-巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,并伴隨大規(guī)模的熱液蝕變活動(dòng),形成了金廠礦床的隱爆角礫巖型、裂隙充填型、巖漿穹窿型及接觸帶型等多種礦化類型,而熱液擴(kuò)容充填成礦可作為該礦區(qū)的代表性礦化類型。通過FLAC3D軟件進(jìn)行金廠礦區(qū)熱液成礦過程計(jì)算模擬,結(jié)果表明:燕山晚期花崗斑巖對(duì)本區(qū)金成礦具有控制作用;本區(qū)溫度場的分布受成礦巖體規(guī)?？刂?受東西向壓應(yīng)力場影響,本區(qū)出現(xiàn)了NW、NE向的剪切應(yīng)變帶及NEE-SWW向展布的張應(yīng)變擴(kuò)容區(qū),擴(kuò)容區(qū)不僅與流體匯流、實(shí)際成礦位置對(duì)應(yīng)較好,還指示了新的找礦靶區(qū)。

熱液成礦;計(jì)算模擬;成礦機(jī)制;金廠金礦;黑龍江

0 引 言

礦床的形成是成礦系統(tǒng)多過程耦合演化的結(jié)果, 由于成礦系統(tǒng)演化的特殊性和復(fù)雜性, 研究一個(gè)區(qū)域的成礦動(dòng)力學(xué)機(jī)制有著極大的困難, 表現(xiàn)在: 系統(tǒng)的空間尺度和時(shí)間尺度巨大, 其演化過程不可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)復(fù)制;成礦系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多過程耦合系統(tǒng), 系統(tǒng)演化的結(jié)果和原因之間為非線性關(guān)系, 即系統(tǒng)初始條件的細(xì)微差異將導(dǎo)致系統(tǒng)演化結(jié)果的巨大差異[1-4]。因此, 在計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法日益成熟的條件下, 計(jì)算模擬已成為研究上述復(fù)雜成礦系統(tǒng)的一種切實(shí)可行的方法。

巖漿熱液作用所成礦體的定位空間必須滿足兩個(gè)方面的動(dòng)力學(xué)條件:一是這個(gè)局部空間是擴(kuò)容空間,因?yàn)榈V體所定位的空間原本為固液相互平衡的多孔巖石介質(zhì),如果不增加空隙的體積,運(yùn)載成礦物質(zhì)的流體就不可能向這個(gè)空間匯流,礦石也難以在這個(gè)空間發(fā)生大規(guī)模堆積;二是有序的動(dòng)力條件,如果沒有有序的動(dòng)力作用,不可能長時(shí)間地維持流體固定的局部匯流。

黑龍江省東寧縣金廠金礦是一個(gè)特大型金礦床,位于中亞造山帶東端的吉黑成礦帶,是與中生代中酸性巖漿巖活動(dòng)有關(guān)的復(fù)雜成礦系統(tǒng)[5-6]。在金廠礦區(qū)內(nèi),成礦的主要?jiǎng)恿碓从袃蓚€(gè):區(qū)域應(yīng)力場和巖體的熱動(dòng)力條件,在上述兩個(gè)因素作用下的熱液流體流動(dòng)則構(gòu)成礦質(zhì)輸運(yùn)、堆積的媒介條件。由于熱液成礦作用主要發(fā)生在巖體侵位、基本固化以后,此時(shí)整個(gè)巖體-圍巖體系可以看成粘彈性的多孔介質(zhì),其力學(xué)行為可用Mohr-Colomb模型描述。因此,本文選用Itasca公司的FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)軟件[7]進(jìn)行金廠礦區(qū)巖體基本固化后的同構(gòu)造冷卻過程中變形-傳熱-流體流動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)的計(jì)算模擬,探討力、熱、流因素影響下的礦體定位機(jī)制。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

黑龍江金廠金礦是一特大型金礦床, 該礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于太平嶺隆起與老黑山斷陷的過渡部位, 中生代構(gòu)造-巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈, 形成了一

礦區(qū)內(nèi)的金礦化類型主要有隱爆角礫巖型、裂隙充填型、巖漿穹窿型及接觸帶型4類。巖漿穹窿型礦體產(chǎn)于巖體的破碎裂隙中,因受裂隙形態(tài)控制,礦體產(chǎn)出為環(huán)狀及薄層狀;對(duì)于接觸帶型礦體,其礦石產(chǎn)出于接觸帶附近的裂隙中,且具有明顯的破碎角礫特征和類似于其他礦體的蝕變特征,并不具有典型矽卡巖礦體那樣的接觸交代及蝕變類型。因此,熱液擴(kuò)容充填成礦可作為該礦區(qū)的代表性礦化類型。礦區(qū)賦礦圍巖主要有斜長花崗巖、花崗閃長巖、花崗斑巖、閃長巖、閃長玢巖等。圍巖蝕變比較發(fā)育,主要類型有硅化、絹云母化、高嶺土化、黃鐵礦化;其次有鉀長石化、碳酸鹽化、綠泥石化等,其中硅化、黃鐵礦化與金礦化關(guān)系密切。

圖1 金廠礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[10]修改)

2 金廠礦區(qū)成礦動(dòng)力學(xué)建模

2.1 建模過程及方法

從原始圖件到計(jì)算用網(wǎng)格化模型的建立所使用的軟件包括MapGIS、AutoCAD和ANSYS,建模工作流程及軟件操作分述如下。

(1)原始圖件為MapGIS工程文件, 系從相關(guān)研究人員及單位處收集而來的地質(zhì)圖, 由工程文件輸出為可被AutoCAD使用的*.dxf文件。

(2)在AutoCAD軟件平臺(tái)中進(jìn)行的操作包括: 圖件清繪, 有用圖元的提取, 無關(guān)信息的刪減, 修改線型, 拓?fù)溴e(cuò)誤檢查與處理等; 然后通過對(duì)二維圖件的三維拉伸、旋轉(zhuǎn)及布爾運(yùn)算等操作, 建立研究區(qū)的實(shí)體模型, 導(dǎo)出*.sat文件。

(3)ANSYS軟件為一款通用有限元分析軟件, 適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、電場、 磁場、聲場分析, 本文使用的是該軟件的網(wǎng)格剖分功能。 將*.sat文件導(dǎo)入到ANSYS, 在ANSYS中對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分, 以得到可用于動(dòng)力學(xué)計(jì)算的網(wǎng)格模型。 剖分過程一方面要進(jìn)行模型基本單元的選擇, 本文采用四面體單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行剖分, 該類單元對(duì)不規(guī)則的地質(zhì)體適應(yīng)性強(qiáng), 發(fā)生網(wǎng)格報(bào)錯(cuò)的幾率也較低。 另一方面,進(jìn)行模型基本單元尺寸的設(shè)置, 若尺寸設(shè)置較大, 則剖分得到的網(wǎng)格數(shù)量少, 模型粗略, 但運(yùn)算速度快; 若尺寸設(shè)置較小, 剖分得到的網(wǎng)格數(shù)量多, 則模型精準(zhǔn), 但運(yùn)算速度較慢。 一般的做法是權(quán)衡精確性和運(yùn)行速度, 并結(jié)合建模經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置;或?qū)δＰ瓦M(jìn)行預(yù)運(yùn)算后, 根據(jù)運(yùn)算情況調(diào)整單元尺寸參數(shù), 重新進(jìn)行模型剖分。 此外, 在局部地質(zhì)界線復(fù)雜部位進(jìn)行網(wǎng)格加密, 以獲得較大的精確性。 在剖分過程中設(shè)置巖石單元分組信息, 以便于后續(xù)工作對(duì)不同的巖石單元賦參數(shù)及設(shè)置初始動(dòng)力學(xué)條件。

(4)由ANSYS導(dǎo)出的網(wǎng)格化模型信息記錄于文本文檔,其格式與動(dòng)力學(xué)模擬軟件FLAC3D所接受的文件格式有所不同, 通過人機(jī)交互或C++ 編程對(duì)文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,即可用于FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)對(duì)已有資料及研究成果的判讀分析[10-17],建立了如圖2所示的FLAC3D網(wǎng)格化模型,模型大小為LEW×LSN×H=11 km×9 km×0.6 km(LEW、LSN及H分別表示模型東西、 南北向長度

圖2 金廠礦區(qū)四面體網(wǎng)格化三維模型及邊界條件

及厚度), 共剖分出29 965個(gè)四面體單元。 建模過程中,對(duì)原始圖件地質(zhì)信息的處理包括:

①在金廠礦區(qū)地表地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上, 剝除新近系、 第四系沉積層, 將其所覆蓋的其余巖石單元的邊界進(jìn)行推延, 并兼顧不同期次巖體的穿插關(guān)系；

②考慮到對(duì)模型網(wǎng)格數(shù)量的控制, 刪除大片巖體內(nèi)部的零星小侵入體, 進(jìn)行此操作的前提是小侵入體與其所在的大規(guī)模巖體具有類似的巖性, 二者為巖性過渡或局部相變關(guān)系；

③將巖石單元狹長的尖滅部位進(jìn)行圓滑處理, 以避免網(wǎng)格剖分過程中產(chǎn)生畸變的四面體單元, 導(dǎo)致在計(jì)算過程中出現(xiàn)負(fù)體積等相悖于客觀事實(shí)的情況；

④因該區(qū)大部分范圍的深部暫無鉆孔揭露, 僅基于小范圍的鉆探工程對(duì)整個(gè)區(qū)域深部巖石單元界線較難作出合理的推測, 且相對(duì)于該區(qū)較大的長寬尺度而言,模型厚度方向上的界線變化對(duì)成礦過程的影響相對(duì)較弱, 故暫不考慮該方向的界面處理。參照現(xiàn)有見礦深度, 將模型地表地質(zhì)界線作垂向順延, 取模型厚度為600m。

2.2 模型參數(shù)及條件設(shè)置

模型各巖石單元的力、熱、流參數(shù)(表1)主要根據(jù)各單元的巖石成分,在Sch?n(1998) 主編的《巖石物理性質(zhì)》[18]以及《FLAC3D應(yīng)用手冊(cè)》[7]提供的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)通過對(duì)比不同參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果而選擇。所要模擬的并不是燕山晚期巖體上侵到成礦演化的整個(gè)過程,而是巖體主體基本固結(jié)后熱液成礦的物理過程。在給定了初始和邊界條件后, 通過區(qū)域變形量的控制計(jì)算, 根據(jù)輸出力、 熱、 流等因素的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 金廠模型各巖石單元物理參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及成礦機(jī)制分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

控制計(jì)算運(yùn)行至該區(qū)域東西向縮短量達(dá)到10%,輸出溫度、剪切應(yīng)變、體積應(yīng)變、流體壓力及流體流動(dòng)的結(jié)果(圖3～圖6)。這些結(jié)果表明，在熱、構(gòu)造應(yīng)力和流體的三重作用下,整個(gè)區(qū)域的溫度場、應(yīng)變場及流場的分布具有不均勻性,這種耦合作用下的多場不均勻分布對(duì)該區(qū)金礦成礦起主導(dǎo)作用。

3.2 成礦機(jī)制分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,不但可以解釋已發(fā)現(xiàn)礦體的成礦規(guī)律,還對(duì)認(rèn)識(shí)金廠礦區(qū)金礦床的成礦機(jī)制以及燕山晚期巖體在成礦中的作用提供了有力的證據(jù)。

(1)分別設(shè)置燕山晚期的花崗斑巖體及閃長質(zhì)巖體為主成礦巖體,通過對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn),花崗斑巖對(duì)本區(qū)金的成礦具有主要的控制作用,本文僅給出了最優(yōu)計(jì)算結(jié)果,未考查閃長質(zhì)巖體成礦作用的結(jié)果。

(2)本區(qū)溫度場的分布明顯受成礦巖體的控制(圖3), 經(jīng)過10Ma的熱擴(kuò)散作用, 可以看到,高溫區(qū)仍環(huán)繞花崗斑巖體分布,且受巖體規(guī)模大小控制,如本區(qū)南西部位的一處花崗斑巖中心溫度為550 ℃,而區(qū)域中部呈NW向排列的幾處小巖體的溫度已降至約350 ℃。

圖3 金廠礦區(qū)溫度分布

圖4 流體流動(dòng)與剪切應(yīng)變關(guān)系

圖5 流體流動(dòng)與體積應(yīng)變關(guān)系

圖6 流體流動(dòng)與孔隙流體壓力分布關(guān)系

(3)受東西向擠壓應(yīng)力場控制,本區(qū)出現(xiàn)了3條大的剪切應(yīng)變帶,即北西部剪應(yīng)變帶、東部剪應(yīng)變帶及南部剪應(yīng)變帶,均遭受了較大的剪切作用(圖4)。3條剪應(yīng)變帶的分布方向?yàn)镹W向及NE向,是在東西向壓應(yīng)力場作用下派生出的共軛剪切應(yīng)變帶。剪應(yīng)變的分布與規(guī)模較大的花崗斑巖體有對(duì)應(yīng)關(guān)系,與小規(guī)?；◢彴邘r及其他巖石單元的對(duì)應(yīng)性不強(qiáng),表明剪應(yīng)變的出現(xiàn)不僅受區(qū)域應(yīng)力場控制,還可能受熱擴(kuò)散作用影響,散熱慢的巖體對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的剪應(yīng)變區(qū)。

流體流動(dòng)的匯集區(qū)受剪切作用的控制不明顯,流體匯流部位并未出現(xiàn)在大的剪應(yīng)變區(qū),說明該區(qū)剪切裂隙不是主要的控礦、容礦構(gòu)造。

(4)該區(qū)出現(xiàn)了NEE-SWW向展布的張性應(yīng)變區(qū)(圖5),即正的體積應(yīng)變區(qū),其具體分布為:西部花崗斑巖體的南側(cè)及北側(cè)接觸帶部位、中部巖體的北側(cè)接觸帶與金廠村南、南東部巖體與圍巖的接觸帶上。上述張應(yīng)變區(qū)的展布方向與區(qū)域擠壓方向一致,是東西向壓應(yīng)力場作用下派生的近東西向擴(kuò)容區(qū),即等效于南北向拉伸作用的產(chǎn)物。由于擴(kuò)容區(qū)均與巖體接觸帶有關(guān),推測溫度差異導(dǎo)致的巖體與圍巖力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)其有一定影響。由計(jì)算結(jié)果可以看出,該區(qū)的壓應(yīng)變帶主要分布在礦區(qū)南部、金廠村西,其次為礦區(qū)北東部,結(jié)合前述剪應(yīng)變結(jié)果,這些區(qū)域應(yīng)主要受壓扭性應(yīng)力場控制。

流體匯流與擴(kuò)容區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,主要的流體匯流部位分布在金廠村南、八號(hào)硐及其南西部、窮棒子溝中段東西兩側(cè)、礦區(qū)中部閃長玢巖南側(cè)及礦區(qū)南東角部位。這些區(qū)域不僅對(duì)應(yīng)了該區(qū)NEE-SWW向的角礫巖型、裂隙充填型礦帶,還指示了金廠村南、八號(hào)硐南西部及礦區(qū)南東角部位為有利成礦部位及找礦優(yōu)選區(qū)。

上述流體匯集區(qū)的產(chǎn)生，一方面因?yàn)閿U(kuò)容區(qū)的存在代表張性裂隙發(fā)育的有利地段,而張性裂隙的產(chǎn)生則成為礦液運(yùn)移的有利通道及匯集的場所;另一方面,孔隙流體壓力的分布也有一定貢獻(xiàn)(圖6),即模擬結(jié)果中流體均由高孔壓區(qū)流向低孔壓區(qū),而礦區(qū)東西兩側(cè)的具有最大流體壓力的部位均少有流體出現(xiàn),也是這一原因。另外,局部擴(kuò)容影響孔壓分布,進(jìn)而影響流體匯流的一般規(guī)律也為上述結(jié)果提供了佐證。

4 結(jié) 論

燕山晚期花崗斑巖對(duì)本區(qū)金的成礦具有主要的控制作用;溫度場的分布主要受巖體規(guī)模大小影響;在東西向擠壓應(yīng)力場的作用下,派生出NW向及NE向的共軛剪應(yīng)變帶；另外,受熱擴(kuò)散作用影響,剪應(yīng)變的分布與規(guī)模較大的花崗斑巖體有對(duì)應(yīng)關(guān)系,流體流動(dòng)的匯集區(qū)受剪切作用的控制不明顯;東西向壓應(yīng)力場還派生出近東西向的擴(kuò)容區(qū),流體匯流與擴(kuò)容區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。

綜上,受控于區(qū)域東西向擠壓應(yīng)力場、巖體與圍巖的溫度差異及熱力學(xué)性質(zhì)差異,巖漿期后熱液運(yùn)移特征不僅揭示了該區(qū)成礦機(jī)制,印證了已發(fā)現(xiàn)礦體的產(chǎn)出規(guī)律,還指示了進(jìn)一步工作的勘查方向,而該區(qū)金礦體的形成是金廠燕山晚期巖體成礦系統(tǒng)變形-熱擴(kuò)散-流體運(yùn)移多過程耦合作用的結(jié)果。

本文的計(jì)算模擬工作得到了中南大學(xué)計(jì)算地學(xué)研究中心的支持,在此謹(jǐn)表謝意!

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Numerical simulation of hydrothermal mineralization and metallogenic mechanism for Jinchang deposit in Heilongjiang

ZHAO Yi-lai, LUO Xian-rong, OUYANG Fei

(a.College of Earth Sciences; b.Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

The Jinchang gold deposit is a super-large deposit with frequent Mesozoic tectonic-magmatic activities and extensive hydrothermal alteration. The orebodies are of cryptoexplosion breccia type, crack-filling type, magma dome type and contact zone type. The crack-filling type mineralization in hydrothermal dilation spaces is dominant. Computational modeling of the mineralization process is carried out on FLAC3D. The modeling results demonstrate that Late Yanshanian granite-porphyry plays an important role in the gold mineralization, and the distribution of temperature is controlled by the scale of granite-porphyry. NW and NE trending shear strain zones and NEE-SWW trending tensile strain areas are derived from the regional EW compression. The tensile dilation areas are consistent with both fluid focusing and mineralization positions. The results indicate new targets for exploration.

hydrothermal mineralization; computational modeling; metallogenic mechanism; Jinchang gold deposit;Heilongjiang

1674-9057(2015)04-0780-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.016

2015-05-27

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFBA118231);武警黃金指揮部項(xiàng)目(01-03);廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目

趙義來(1982—),男,博士,講師,地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè),zyl@glut.edu.cn。

趙義來，羅先熔，歐陽菲.黑龍江金廠礦區(qū)熱液成礦過程計(jì)算模擬及成礦機(jī)制探討[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(4):780-785.

P618.51

A