成礦期構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬在成礦預測中的應用

王自國，白維燦

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040)

構(gòu)造變形在地殼中的分布具有一定的規(guī)律，這種規(guī)律性構(gòu)造應力場受巖石力學性質(zhì)控制。構(gòu)造應力場的有限元法模擬直接建立在地質(zhì)實際基礎之上，是實現(xiàn)構(gòu)造應力場從定性描述到定量半定量計算的有效方法。在研究區(qū)域控礦構(gòu)造特征，特別是成礦期構(gòu)造特征的基礎上，建立了研究區(qū)地質(zhì)實體的離散化模型，模擬出研究區(qū)成礦期構(gòu)造應力場，從而為成礦預測提供有價值的信息。

前孫家金礦和金華山金礦隸屬于山東省招遠市蠶莊鎮(zhèn)，位于前孫家—洼孫家斷裂帶的南段，本文以這兩個金礦為例，對上述兩金礦區(qū)進行了成礦期構(gòu)造應力場數(shù)值模擬。

1 區(qū)域應力場與研究區(qū)成礦期應力場

對于膠東地區(qū)的構(gòu)造變形研究表明，跟金礦化有關(guān)的各種構(gòu)造形跡主要是在燕山期形成的。膠東西北部燕山期形成的主要控礦斷裂帶，早期在NW-SE向構(gòu)造應力擠壓下，均表現(xiàn)為韌性擠壓；而燕山中晚期，區(qū)域最大主壓應力轉(zhuǎn)為NE-SW向，在構(gòu)造抬升、巖漿冷卻以及NE向構(gòu)造擠壓作用下，三山島斷裂、招平斷裂和焦家斷裂由韌性變形轉(zhuǎn)為以張性、脆性變形為主，為后期含金熱液上升提供了通道。NE向最大主應力作用下形成的NEE、NNE向的張性斷裂是膠東西北部主要的容礦構(gòu)造。

在大地構(gòu)造背景為NE-SW向縮短、NW-SE向伸展狀態(tài)下，膠東西北部金礦成礦時期構(gòu)造應力場以NW-SE向伸展為主。前孫家金礦床及金華山金礦床是在膠東區(qū)域成礦大背景下形成的，受焦家斷裂與靈北斷裂差異運動的影響而形成近SN向縮短，近EW向伸展的特殊應力場。

2 礦區(qū)礦體分布

2.1 前孫家礦區(qū)

前孫家礦區(qū)主要有2號脈、4號脈、9號脈、新1號脈(圖1)?，F(xiàn)主要簡述2號脈、4號脈及新1號脈特征。

圖1 前孫家礦區(qū)三中段礦體分布圖Figure 1 Orebody distribution in third middle sector, Qiansunjia gold mine

2號脈賦存在前孫家—洼孫家主破碎帶上，礦脈走向約NE30°，傾向SE，傾角65°～75°。4號脈主要分布在8-36線，總體走向NE35°左右，傾向NW，傾角55°～72°。新1號脈是在二中段以下發(fā)現(xiàn)的一個盲礦體。它賦存于2號脈和4號脈之間，走向近SN，傾向西，傾角較陡，在72°～78°。

2.2 金華山礦區(qū)

金華山礦區(qū)主要1號脈、2號脈、3號脈、4號脈(圖2)。1號脈走向北東10°?？傮w傾向北西西，局部反傾，傾角72°～78°。2號脈走向南北，傾向西，傾角70°～75°，呈透鏡狀，向南西側(cè)伏。3號脈走向北北西，傾向南西西，傾角70°左右，呈透鏡狀，向南西側(cè)伏。礦體走向南北，傾向西，傾角75°～80°。礦體呈長透鏡狀。

圖2 金華山礦區(qū)七中段礦體分布圖Figure 2 Orebody distributions in seventh middle sector,Jinhuashan gold mine

3 礦區(qū)構(gòu)造應力場的有限元數(shù)值模擬

3.1 邊界條件的確定

確定邊界條件一般要考慮研究對象的范圍和邊界四周的地質(zhì)情況，通常取斷層面、巖體的邊界面等天然面作為邊界，也可任取一面為邊界。前孫家金礦東西以2號脈斷裂和4號脈斷裂為界面，南北選一任意界面為邊界。使南、西兩邊固定，在北、東兩邊的邊界上相對加力，為使模型不發(fā)生剛體位移，在西南角加一固定約束。金華山金礦南、北以前孫家—洼孫家斷裂和其下盤與其平行的斷裂為界面，東、西選一任意界面為邊界。使南、西兩邊固定，在北、東兩邊的邊界上相對加力，為使模型不發(fā)生剛體位移，在西南角加一固定約束。根據(jù)鄧軍等在該區(qū)所測定的成礦期最大主應力方向，前孫家金礦區(qū)為325°，金華山金礦區(qū)為5°。作用力的大小選一相對應力值。

3.2 巖石力學參數(shù)的設定

研究區(qū)內(nèi)主要的巖石類型為玲瓏花崗巖和郭家?guī)X花崗閃長巖及斷裂構(gòu)造巖，本文所需的巖石力學參數(shù)彈性模量(E)、泊松比(μ)引自鄧軍，巖石密度(ρ)引自山東省巖土公司(表1)。

表1 巖石力學參數(shù)表

3.3 有限單元的劃分及模擬

邊界線要盡量與構(gòu)造線、巖體與圍巖的接觸線、不同力學參數(shù)的巖層接觸線重合，重點地段加密，次要地段適當放大。三角形單元盡量使其邊長近等，避免出現(xiàn)鈍角 。若邊界線是曲線就用幾條直線代替曲線作為單元的邊。前孫家礦區(qū)共劃分為396個四邊形和三角形，412個結(jié)點(圖3)。金華山共劃分為400個四邊形和三角形，411個結(jié)點(圖4)。

圖3 前孫家礦區(qū)構(gòu)造應力場有限元網(wǎng)格劃分圖Figure 3 Tectonic stress field finite element mesh partition in Qiansunjia gold mine

圖4 金華山礦區(qū)構(gòu)造應力場有限元網(wǎng)格劃分圖Figure 4 Tectonic stress field finite element mesh partition in Jinhuashan gold mine

利用構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬軟件對成礦期構(gòu)造應力場進行有限元數(shù)值模擬，得出成礦期最大張應力分布圖(圖5、圖6)。

圖5 前孫家金礦區(qū)成礦期最大張應力分布圖Figure 5 Metallogenic epoch maximum tensile stress distribution map of Qiansunjia gold mine

圖6 金華山金礦區(qū)成礦期最大張應力分布圖Figure 6 Metallogenic epoch maximum tensile stress distribution map of Jinhuashan gold mine

4 模擬結(jié)果的分析

決定應力狀態(tài)的主要因素是模型的邊界條件。因此，探討和設置真實的或接近真實的邊界條件是模擬實驗的關(guān)鍵。有時邊界條件設置后經(jīng)過運算，還要通過反演進行調(diào)試，使邊界條件更接近真實，使模擬的結(jié)果與自然界的實際情況相一致。

從前孫家金礦區(qū)成礦期最大張應力分布圖(圖5)可以看出(主要研究2號脈斷裂與4號脈斷裂所夾持部分)，在2號脈斷裂與4號脈斷裂之間，應力集中點一部分基本落在新1號的脈斷裂的位置，這與實際已知的新1號脈礦體賦存位置基本吻合。另一些應力集中點所落的位置，也連成一條北北東走向的未知斷裂(推測斷裂)，在此位置，也可能賦存有未知的含礦斷裂。

從金華山礦區(qū)成礦期最大張應力分布圖(圖6)可以看出(主要研究前孫家—洼孫家斷裂及下盤平行斷裂所夾持部分)，在前孫家—洼孫家斷裂與下盤平行斷裂之間，應力集中點大部分落在實際已知的斷裂處，與礦區(qū)的1號脈斷裂、2號脈斷裂、3號脈斷裂、4號脈斷裂基本相對應，與礦體賦存位置基本吻合。如1號脈斷裂的礦體較大，所對應的應力集中區(qū)也較大，2、3、4號脈斷裂的礦體較小，所對應的應力集中區(qū)也較小。另外，一少部分應力集中點所落的位置， 根據(jù)礦區(qū)已知含礦斷裂的走向為北北東或南北向，在這里也連成一條北北東向未知斷裂(推測斷裂1)和一條近南北向的未知斷裂(推測斷裂2)，推測在此位置也可能賦存有未知的含礦斷裂。

5 結(jié)論

由此來看，成礦期構(gòu)造應力場有限元模擬的結(jié)果不僅與已知的含礦斷裂基本相吻合，而且還模擬出一些未知的斷裂，通過模擬的這些未知斷裂，可能找到新的礦體。

根據(jù)成礦期構(gòu)造應力場有限元模擬的信息，結(jié)合兩礦區(qū)的構(gòu)造控礦規(guī)律，金華山礦區(qū)在4號脈的東部施工了探礦工程，在推測斷裂1的位置發(fā)現(xiàn)了一條近南北向的礦脈，在前孫家礦區(qū)模擬的推測斷裂處也發(fā)現(xiàn)了礦化蝕變帶，從而驗證了成礦期構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬提供了有價值的找礦信息。

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