周飛虎, 劉亮明*, 劉洪升, 盛 歡, 伍紅志, 閔令帥, 畢晨曦

銅陵獅子山礦田矽卡巖銅(金)成礦系統(tǒng)三維動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬及其意義

周飛虎1, 劉亮明1*, 劉洪升1, 盛 歡2, 伍紅志1, 閔令帥1, 畢晨曦1

(1. 中南大學(xué) 計(jì)算地球科學(xué)研究中心, 教育部有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2. 銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244000)

獅子山礦田產(chǎn)有銅陵地區(qū)乃至整個(gè)長(zhǎng)江中下游成礦帶最大的矽卡巖型銅(金)礦床, 由于成礦特征的復(fù)雜性, 礦田內(nèi)巨大的層狀矽卡巖礦床的定位機(jī)制一直存在爭(zhēng)議。為了探討本區(qū)成礦的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其控制因素, 本次研究基于礦田內(nèi)全部的勘探資料建立了礦田三維地質(zhì)模型, 在此基礎(chǔ)上建立動(dòng)力學(xué)模型, 在FLAC3D平臺(tái)進(jìn)行巖體冷卻過(guò)程力?熱?流耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬。模擬結(jié)果顯示在拉張構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中, 在淺部東、西獅子山礦床產(chǎn)出部位只在巖體接觸帶上形成了規(guī)模不大的高擴(kuò)容區(qū)(體積應(yīng)變值≥1.2%), 而在深部層狀礦體產(chǎn)出的地層中形成了大規(guī)模的層狀高擴(kuò)容變形區(qū), 同時(shí)流體也向高擴(kuò)容區(qū)匯聚。這些流體匯聚的高擴(kuò)容區(qū)與已知礦體的容礦空間高度吻合, 由此推斷礦體的定位受控于巖體冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的擴(kuò)容和流體流動(dòng)。石炭系中流體匯聚的高擴(kuò)容空間的規(guī)模遠(yuǎn)大于已知的成礦規(guī)模, 表明礦田深部的冬瓜山礦床仍存在較大的增儲(chǔ)潛力。改變模型的邊界條件和模型組成單元的特征參數(shù)進(jìn)行假設(shè)模型計(jì)算實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明拉伸的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境為大規(guī)模匯流容礦空間的形成提供了有利條件, 并且賦礦地層中更弱的抗剪切強(qiáng)度和上覆地層低滲透的孔隙特征也是控制礦體定位空間和成礦規(guī)模的重要因素。

成礦動(dòng)力學(xué); 計(jì)算模擬; 矽卡巖礦床; 獅子山礦田; 銅陵

0 引 言

獅子山礦田位于長(zhǎng)江中下游成礦帶銅陵礦集區(qū), 是整個(gè)長(zhǎng)江中下游成礦帶中規(guī)模最大的矽卡巖銅(金)礦田(常印佛等, 1991; Pan and Dong, 1991)。礦田內(nèi)礦體的形態(tài)和空間分布規(guī)律復(fù)雜多變, 眾多不同規(guī)模的不規(guī)則狀、囊狀和層狀礦體圍繞冬瓜山閃長(zhǎng)巖體不均勻分布。其中最引人注目的特征是冬瓜山深部巨大的層狀矽卡巖型礦體, 僅I號(hào)礦體的銅儲(chǔ)量就超過(guò)了100萬(wàn)噸。由于礦床的巨大規(guī)模以及復(fù)雜的、多層分布的大規(guī)模層狀矽卡巖銅礦體, 吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注, 已開(kāi)展研究包括礦床的特征、控礦因素與成礦模式(常印佛和劉學(xué)圭, 1983; 儲(chǔ)國(guó)正, 1992; 黃許成, 1993; 陸建軍等, 2008)、礦床與成礦巖體的地球化學(xué)特征和成巖成礦演化過(guò)程(肖建新等, 2002; 邱士東等, 2007; 徐兆文等, 2007; 徐曉春等, 2008; 侯增謙等, 2011; Xu et al., 2011; Yang et al., 2011; 郭維民等, 2013; Wang et al., 2015; Cao et al., 2017; Liu et al., 2018; Xie et al., 2020; Xiao et al., 2021)、成礦機(jī)制(於崇文等, 1995; 凌其聰?shù)? 2002; 徐文藝等, 2004; Liu et al., 2014)以及成礦的區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景等(吳淦國(guó), 2003; 毛景文等, 2009; 董樹文等, 2011; Deng et al., 2011), 這些研究促進(jìn)了對(duì)獅子山礦田和冬瓜山礦床的成礦規(guī)律和成礦機(jī)制的認(rèn)識(shí)。但關(guān)于巨大的層狀矽卡巖礦床的成因機(jī)制仍存在爭(zhēng)議, 有噴流沉積成因說(shuō)(顧連興和徐克勤, 1986; Gu et al., 2007)、噴流沉積+巖漿熱液(矽卡巖)疊加改造成因說(shuō)(肖新建等, 2002; 徐兆文等, 2007; 陸建軍等, 2008; 侯增謙等, 2011)和巖漿熱液(矽卡巖)成因說(shuō)(毛景文等, 2009; Liu et al., 2014; Cao et al., 2017; Xie et al., 2021)。盡管越來(lái)越多的研究支持巖漿熱液(矽卡巖)成因說(shuō), 但并沒(méi)有對(duì)成礦的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和關(guān)鍵控制因素進(jìn)行詳細(xì)的論證, 對(duì)于形成如此大規(guī)模的層狀矽卡巖型礦體的關(guān)鍵控制因素仍不清楚。其主要原因在于控制礦體空間定位和規(guī)模的動(dòng)力學(xué)機(jī)制復(fù)雜, 傳統(tǒng)的地質(zhì)研究方法是依據(jù)礦床的地質(zhì)地球化學(xué)特征來(lái)反推礦床形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 其結(jié)論帶有極大的不確定性, 并難以驗(yàn)證。

計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)的發(fā)展使計(jì)算模擬成為研究復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的有效手段(Hobbs et al., 2000; Price and Stoke, 2002; Zhao et al., 2009; Liu et al., 2010)。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬時(shí)空表達(dá)能力再現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)的時(shí)空演化, 通過(guò)不斷試錯(cuò)使模擬的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)更接近真實(shí)。因此, 與傳統(tǒng)的地質(zhì)研究方法相比, 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬在結(jié)論的確定性和可靠性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì), 因此在復(fù)雜的巖漿熱液成礦系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究方面得到了廣泛的應(yīng)用, 深化了對(duì)巖漿熱液成礦動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí), 特別是巖漿熱液在不同的位置形成不同規(guī)模、不同類型礦體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及關(guān)鍵控制因素(Norton and Taylor, 1979; Hanson, 1996; Eldursi et al., 2008; Ingesbritsen et al., 2010; Liu et al., 2011, 2012, 2014; Weis et al., 2012; Sch?pa et al., 2017; Yapparova et al., 2019; Korges et al., 2020; Lamy-Chappuis et al., 2020; Vigneresse and Truche, 2020; Annen and Burgisser, 2021)。近年, 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展, 由早期二維簡(jiǎn)單模型的單一過(guò)程模擬發(fā)展成三維復(fù)雜模型的多過(guò)程耦合動(dòng)力學(xué)模擬(Ingebritsen et al., 2010; Liu et al., 2012; Vigneresse and Truche, 2020)。能模擬復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的商業(yè)和科研軟件有: Itasca公司的有限差分軟件FLAC與FLAC3D軟件(http://www.itasca.com/)、Ansys公司的ANSYS和FLUENT系列軟件(http://www.ansys.com/)、COMSOL公司的COMSOL系列軟件(http://www.comsol.com/)、蘇世理工的CSMP++(Yapparova et al., 2019)、美國(guó)Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的TOUGHREACT軟件等(Xu et al., 2011)。利用這些專業(yè)的軟件, 學(xué)者們對(duì)成礦過(guò)程中的構(gòu)造變形、流體演化及成礦預(yù)測(cè)等開(kāi)展了卓有成效的研究(Zhang et al., 2012; 賈蔡等, 2014; Li et al., 2017; 袁峰等, 2019; Li et al., 2019; Vigneresse and Truche, 2020; Liu et al., 2021; 肖凡和王愷其, 2021)。

本文以FLAC3D軟件為工具, 模擬獅子山礦田成礦巖體冷卻過(guò)程中的力?熱?流耦合動(dòng)力學(xué), 并根據(jù)模擬結(jié)果分析礦體空間定位的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及關(guān)鍵控制因素。

1 礦田地質(zhì)背景與礦床特征

獅子山礦田位于銅陵礦集區(qū)中部, 距銅陵市中心東南方向約7 km。從地表往深部, 礦田內(nèi)地層依次為中三疊統(tǒng)月山組, 下三疊統(tǒng)南陵湖組、和龍山組和殷坑組, 上二疊統(tǒng)大隆組和龍?zhí)督M, 下二疊統(tǒng)孤峰組和棲霞組, 中?上石炭統(tǒng)和上泥盆統(tǒng)五通組(圖1)。這些地層已發(fā)生褶皺變形, 形成軸向NE的舒緩背斜(圖2)。從區(qū)域地殼構(gòu)造特征分析, 褶皺變形是中三疊世?中侏羅世印支運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物(董樹文等, 2011), 早于本區(qū)的礦床和成礦巖體的年齡。

圖1 獅子山礦田地層層序及賦存的礦床規(guī)模(據(jù)安徽321地質(zhì)隊(duì), 2014)

圖2 銅陵獅子山礦田礦體的水平投影、動(dòng)力學(xué)模型范圍(a; 據(jù)銅陵冬瓜山礦床內(nèi)部資料)和典型礦床剖面圖(b)

與銅陵礦集區(qū)的其他礦田一樣, 獅子山礦田最重要的地質(zhì)要素也是巖體。雖然地表看似有青山腳、獅子山、大團(tuán)山、胡村、白芒山、曹山、龍虎山等多個(gè)巖體(圖2), 但實(shí)際上, 這些巖體在三維空間上是相連成一體的。巖體在地表的出露范圍并不大, 其三維空間形態(tài)極為復(fù)雜, 呈現(xiàn)為NE和NW兩個(gè)方向巖墻交織的復(fù)雜網(wǎng)狀形態(tài)(圖2a)。巖性主要為閃長(zhǎng)巖和石英閃長(zhǎng)巖, 部分地段發(fā)育隱爆角礫巖(圖2a)。巖石地球化學(xué)特征表明巖體具有高鋁和富鉀的特征, 巖漿來(lái)源單一, 主要為巖石圈地幔和地殼物質(zhì)混染的產(chǎn)物(Wang et al., 2015; Liu et al., 2018b),并且具有較高的氧逸度, 有利于形成矽卡巖型礦床(Xie et al., 2012; Zhang et al., 2021)。鋯石U-Pb測(cè)年結(jié)果顯示成巖年齡集中在136～148 Ma(徐曉春等, 2008; 郭維民等, 2013; Liu et al., 2018b), 巖漿作用發(fā)生于燕山早期, 此時(shí)區(qū)域地殼由擠壓轉(zhuǎn)為伸展(董樹文等, 2011)。礦石的Re-Os同位素年齡為138～140.8 Ma(毛景文等, 2005), 表明成礦時(shí)間稍晚于成巖時(shí)間。與所有的矽卡巖礦床一樣, 獅子山礦田的成礦作用也發(fā)生在巖漿結(jié)晶冷卻的退化蝕變階段。

獅子山礦田成礦巖體的規(guī)模并不大, 但成礦規(guī)模卻很廣, 礦體的投影范圍遠(yuǎn)大于巖體出露的面積(圖2a)。成礦作用圍繞巖體不均勻發(fā)育, 形成了東獅子山、西獅子山、大團(tuán)山、老鴉嶺、花樹坡和冬瓜山礦床(圖2)。但是礦床不是全部集中在巖體接觸帶上, 而是分布于不同的地層: 大團(tuán)山的礦體產(chǎn)于下三疊系殷坑組; 老鴉嶺的礦體產(chǎn)于上二疊統(tǒng)大隆組和龍?zhí)督M; 花樹坡的礦體產(chǎn)于下二疊統(tǒng)棲霞組, 部分跨至孤峰組底部; 冬瓜山的礦體產(chǎn)于中?上石炭統(tǒng)(圖1、2c)。隨著賦礦層位深度的增加, 礦床的規(guī)模逐漸增大, 其中冬瓜山I號(hào)礦體的規(guī)模最大, 銅儲(chǔ)量在100萬(wàn)噸以上, 約占整個(gè)礦田儲(chǔ)量的60%(圖1)。從淺部到深部, 礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生了規(guī)律性的變化, 淺部的東獅子山和西獅子山礦床的礦石主要呈角礫狀構(gòu)造, 角礫有矽卡巖、閃長(zhǎng)巖和大理巖, Cu主要賦存于黃銅礦中, 與其他熱液礦物充當(dāng)角礫的膠結(jié)物, 或產(chǎn)于裂隙之中。大團(tuán)山和老鴉嶺礦床也發(fā)育角礫狀礦石, 但不是主要類型。再往深部, 花樹坡和冬瓜山礦床, 已沒(méi)有角礫狀礦石, 但在塊狀硫化物礦石中發(fā)育圍巖角礫, 受稠密裂隙控制的浸染狀礦石在深部也成為一種重要類型。這種礦石構(gòu)造的變化規(guī)律反映了形成容礦空間的巖石破裂機(jī)制和方式的變化, 與應(yīng)力狀態(tài)及孔隙流體壓力的變化密切相關(guān)。除了不同礦床間具有垂向差異特征外, 礦床內(nèi)部的礦石類型也表現(xiàn)出明顯的分帶特征。冬瓜山礦床主礦體的組成由頂板到底板分別為: ①含銅矽卡巖→②含銅黃鐵礦礦石+少量含銅磁黃鐵礦礦石→③含銅矽卡巖+少量含銅硬石膏巖→④含銅磁黃鐵礦礦石+少量含銅黃鐵礦礦石→⑤含銅矽卡巖+含銅硬石膏巖+含銅磁鐵礦礦石→⑥含銅磁黃鐵礦礦石+少量含銅黃鐵礦礦石→⑦含銅蛇紋巖→⑧含銅粉砂巖(唐永成等, 1998; 侯增謙等, 2011; 徐曉春等, 2014)。這種垂直于層理方向的分帶規(guī)律性, 不僅表明礦體上下盤的圍巖參與了成礦過(guò)程的水?巖反應(yīng), 也表明在成礦過(guò)程中流體不僅從巖體往圍巖流動(dòng), 也存在垂直于圍巖層理方向的流動(dòng)。

2 成礦系統(tǒng)三維模型及特征

2.1 三維建模方法及數(shù)據(jù)

采用知識(shí)驅(qū)動(dòng)多級(jí)約束多源數(shù)據(jù)融合的顯式建模方法(liu et al., 2012; 劉亮明和曹偉, 2016), 利用MicroMine和Gocad三維建模軟件, 融合礦田內(nèi)所有勘探數(shù)據(jù), 建立了成礦巖體的接觸面、主要地層界面(D3-C2+3界面、C2+3-P1界面、P1-P2界面、P2-P2界面、P2-T界面)及礦體三維面元模型。地質(zhì)界面以不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示。所使用的勘探數(shù)據(jù)包括: 2159個(gè)鉆孔總進(jìn)尺347567 m的巖心編錄; 939832 m巷道編錄; 58523個(gè)樣品的基本數(shù)據(jù); 125張較老的沒(méi)有編錄與分析數(shù)據(jù)庫(kù)的剖面和中段地質(zhì)圖(圖3)。建模所用數(shù)據(jù)基本覆蓋了整個(gè)三維建模研究區(qū), 此次三維建模過(guò)程中, 地質(zhì)界線不需要做過(guò)多的外推。

圖3 建模所依據(jù)的鉆孔、坑道及地質(zhì)圖的分布(未顯示全部地質(zhì)圖)

2.2 成礦系統(tǒng)的三維空間結(jié)構(gòu)特征

獅子山礦田的三維模型(圖4)反映成礦系統(tǒng)的三維空間結(jié)構(gòu)具有如下特征和規(guī)律:

(a) 獅子山礦田現(xiàn)代地表下三維地質(zhì)模型; (b) 巖體與礦體模型; (c) 東、西獅子山礦床; (d) 大團(tuán)山礦床; (e) 老鴉嶺、花樹坡礦床; (f) 冬瓜山礦床。

(1) 巖體的形態(tài)極為復(fù)雜, 總體上表現(xiàn)為由南東向北西侵入的巖墻狀。巖體的北西側(cè)接觸帶的形態(tài)也比其東南側(cè)接觸帶更復(fù)雜(圖4b)。

(2) 所有已知礦床均位于一個(gè)平緩的背斜褶皺中, 深部的冬瓜山礦床的礦體在背斜兩翼和轉(zhuǎn)折端都有, 并連成一個(gè)呈背斜形態(tài)的大礦體(圖4f), 其余礦床的礦體均產(chǎn)出于背斜的南東翼, 而且規(guī)模也比冬瓜山礦體小得多(圖4b、e)。

(3) 只有淺部的東獅子山和西獅子山礦床的礦體是產(chǎn)在巖體接觸帶上的(圖4c), 往深部主要是受層位控制的似層狀和層狀礦體, 而且礦體規(guī)模總體具有明顯往深部變大的趨勢(shì)(圖4d、f)。

(4) 不同產(chǎn)出層位的礦體與巖體的空間關(guān)系也不相同, 深部的冬瓜山礦床主要產(chǎn)出于巖體的北西盤(下盤)圍巖中, 其他礦床則主要產(chǎn)出于巖體的南東盤(上盤)圍巖中(圖4b)。

(5) 冬瓜山礦床的層狀礦體產(chǎn)于青山背斜的軸部及近軸部?jī)梢? 且其總體形態(tài)也呈背斜狀(圖4f)。正是因?yàn)檫@一特征, 許多研究者總是試圖證明礦床是沉積成因(顧連興和徐克勤, 1986; Gu et al., 2007),或者是在沉積的基礎(chǔ)上疊加巖漿熱液改造成因(肖新建等, 2002; 徐兆文等, 2007; 陸建軍等, 2008; 侯增謙等, 2011)。實(shí)際上, 層狀礦體的邊界并非像層理一樣平整, 而是極不平整的鋸齒狀, 不僅在塊狀硫化物礦體中發(fā)育有圍巖角礫, 也有不規(guī)則細(xì)脈狀礦化從主礦體一直延伸到圍巖中, 與層狀主礦體連為一體, 礦體的后生充填特征十分明顯(Liu et al., 2014)。

上述特征表明, 在獅子山礦田內(nèi), 不但礦體定位的空間規(guī)律非常復(fù)雜, 礦床形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及控制因素亦十分復(fù)雜, 這也正是本文開(kāi)展動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬研究的原因之所在。

3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬的原理、方法及條件

3.1 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

本次研究采用Itasca公司的FLAC3D軟件(Itasca, 2012)模擬巖體冷卻過(guò)程中的力?熱?流耦合動(dòng)力學(xué)過(guò)程。模擬的地質(zhì)體被看成是流體飽和的多孔彈塑性介質(zhì), 其本構(gòu)關(guān)系符合Mohr-Coulomb定律。對(duì)于飽和流體多孔的Mohr-Coulomb材料, 其耦合的變形、流體流動(dòng)和傳熱的動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 計(jì)算公式如下:

3.2 模擬的方法及離散化模型的建立

動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬就是用數(shù)值的方法求解動(dòng)力學(xué)方程組。FLAC3D軟件是有限差分軟件, 即利用差分的方法求解偏微分方程的數(shù)值解, 先通過(guò)模型的離散化將連續(xù)變量變成離散變量, 然后利用Taylor展開(kāi)式求取偏微分方程的近似解(Quarteroni and Valli, 1994)。所以進(jìn)行成礦動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬的第一步是建立成礦系統(tǒng)的地質(zhì)模型, 然后將模型離散化, 再對(duì)模型的特征參數(shù)、初始條件和邊界條件賦值, 最后用數(shù)值方法求解。

對(duì)區(qū)域地殼構(gòu)造演化(常印佛等, 1991; 董樹文等, 2011)、成礦巖體的成巖年代(郭維民等, 2013)與成礦年代(毛景文等, 2009)的研究, 表明成礦作用發(fā)生至今被剝蝕掉的地層主要為侏羅系, 而冬瓜山礦床的成礦深度約為2.09～5.19 km(杜楊松等, 2004; 陸三明, 2007)。因此, 我們確定了動(dòng)力學(xué)模型的總深度為2.5 km, 并在地質(zhì)體三維面模型的基礎(chǔ)上恢復(fù)了被剝蝕的部分侏羅系和三疊系, 將礦田的三維模型還原為成礦作用發(fā)生時(shí)成礦系統(tǒng)模型的初始狀態(tài)。然后利用我們自主開(kāi)發(fā)的剖分工具(Liu et al., 2012)將2000 m′3300 m′2500 m的三維模型剖分成478168個(gè)四面體單元(圖5)。

圖5 動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬用的三維實(shí)體模型及力學(xué)邊界條件

3.3 模型的特征參數(shù)及模擬的初始條件與邊界條件

根據(jù)獅子山礦田各地質(zhì)體單元的組成及其與成礦的時(shí)空關(guān)系, 我們將成礦系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型劃分成巖體和7個(gè)地層單元(圖5, 表1)。各單元的密度、體積模量、孔隙度、滲透率、導(dǎo)熱率等特征參數(shù)是根據(jù)各地質(zhì)體中巖石的組分、結(jié)構(gòu)而選定。巖石物理實(shí)驗(yàn)手冊(cè)(Sch?n, 1998)和FLAC3D應(yīng)用手冊(cè)(Itasca Consulting Group, 2012)給出的各種巖石的物理特征參數(shù)一般有一個(gè)較大的可選范圍, 我們通過(guò)控制模型的參數(shù)變量, 對(duì)參數(shù)范圍內(nèi)的值進(jìn)行試算, 淘汰了使模型計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定的參數(shù)值, 最后優(yōu)選出最合理的特征參數(shù)組合(表1)。

表1 動(dòng)力學(xué)模型的巖石物理及水文模型參數(shù)

模型初始孔隙壓力的選擇依據(jù)已普遍接受的Fournier模型(Fournier, 1999), 將巖體中孔隙壓力設(shè)為靜巖壓力, 圍巖中的孔隙壓力設(shè)置為靜水壓力。四周及底部的流體邊界條件設(shè)置為不透水邊界, 頂部設(shè)置為透水邊界以模擬含礦流體與大氣降水的共同作用。將地表溫度固定為25 ℃, 地層中按20 ℃/km的地溫梯度增溫。巖體底部的初始溫度設(shè)為650 ℃, 并且向上按10 ℃/km的梯度遞減。

已有的研究成果表明整個(gè)長(zhǎng)江中下游成礦帶燕山期的斑巖?矽卡巖成礦作用發(fā)生在區(qū)域地殼由擠壓轉(zhuǎn)換成伸展的構(gòu)造環(huán)境下(毛景文等, 2009; 董樹文等, 2011), 因此我們將模型的力學(xué)邊界條件設(shè)置為NE和SW方向的對(duì)稱拉伸(圖5), 拉伸速率設(shè)為1.65′10?8m/s, 這個(gè)速率高于真實(shí)的構(gòu)造應(yīng)變速率,主要是為了縮短計(jì)算的時(shí)間。

4 模擬結(jié)果及其意義

4.1 真實(shí)模型的模擬結(jié)果及其意義

對(duì)于上述根據(jù)獅子山礦田的地質(zhì)特征及演化歷史而建立的真實(shí)的動(dòng)力學(xué)模型(圖5), 進(jìn)行同伸展巖體冷卻演化的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬, 即以顯式時(shí)間控制求解力?熱?流耦合動(dòng)力學(xué)方程不同時(shí)間的數(shù)值解, 在計(jì)算機(jī)的虛擬時(shí)空中再現(xiàn)巖體冷過(guò)程中的力?熱?流耦合動(dòng)力學(xué)過(guò)程的演化。模擬的結(jié)果展現(xiàn)出的力?熱?流空間變化規(guī)律, 能為了解本區(qū)的構(gòu)造?巖漿控礦的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供有力的支撐。

模擬所產(chǎn)生的最有意義的變化是體積應(yīng)變, 巖體在同伸展的冷卻過(guò)程中能產(chǎn)生具有特征性的擴(kuò)容應(yīng)變分布, 最大最強(qiáng)的擴(kuò)容應(yīng)變區(qū)分布于中?上石炭統(tǒng), 其次是下二疊統(tǒng)棲霞組和孤峰組及上二疊統(tǒng)大隆組, 而且這些地層中的擴(kuò)容應(yīng)變的最強(qiáng)部分在巖體接觸帶上(圖6a、d)。礦田中礦體的空間分布規(guī)律與擴(kuò)容空間的分布規(guī)律相關(guān)(圖6、7), 提取體積應(yīng)變值為1.2%的等值面與礦體空間位置對(duì)比, 可以發(fā)現(xiàn)工程揭露的礦體全部被等值面包裹, 無(wú)礦的空間則被排除在外(圖7)。體積應(yīng)變＞1.2%的等值面則無(wú)法完全包裹已知礦體, ＜1.2%的等值面又會(huì)把許多工程揭露的無(wú)礦空間包裹在內(nèi), 我們認(rèn)為體積應(yīng)變值≥1.2%的高擴(kuò)容空間對(duì)確定礦體空間定位和預(yù)測(cè)找礦靶區(qū)最具意義。這些高擴(kuò)容空間也是流體匯流空間, 特別是中?上石炭統(tǒng)的高擴(kuò)容帶, 進(jìn)一步證實(shí)不同來(lái)源流體于容礦空間中混合反應(yīng)是礦石沉淀的重要機(jī)制(劉亮明等, 2008)。

箭頭表示流體向量; (a) 模型體積應(yīng)變場(chǎng); (b) 巖體?P2d-C2+3體積應(yīng)變場(chǎng); (c) 三疊系中體積應(yīng)變場(chǎng); (d) 石炭系中體積應(yīng)變場(chǎng); (e) 巖體?P2d-C2+3孔隙壓力場(chǎng); (f) 巖體?P2d-C2+3溫度場(chǎng)。

圖7 獅子山礦田內(nèi)高擴(kuò)容應(yīng)變區(qū)(≥1.2%)分布規(guī)律及與礦體的空間關(guān)系

模擬結(jié)果也顯示, 在巖體冷卻過(guò)程中, 超壓的高溫巖體在降壓降溫的同時(shí), 導(dǎo)致近巖體的圍巖升溫(圖6f), 但沒(méi)有導(dǎo)致近巖體的圍巖明顯的升壓, 而在靠近巖體的擴(kuò)容空間反而形成明顯的低壓帶(圖6e), 高壓的巖漿流體向低壓擴(kuò)容空間流動(dòng)必將導(dǎo)致巨大的流體泄壓, 巖漿流降壓沸騰, 這也是促使礦石快速沉淀的一種重要機(jī)制。前人對(duì)本區(qū)的不同礦石類型中流體包裹體的組合、溫度、鹽度和壓力的研究也證實(shí)存在這一機(jī)制(肖新建等, 2002)。

動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬結(jié)果能為礦體的預(yù)測(cè)提供有益的支撐。體積應(yīng)變值≥1.2%的擴(kuò)容帶是礦體定位的有利部位, 還沒(méi)開(kāi)展過(guò)鉆探的高擴(kuò)容空間可能是有潛力的容礦空間, 具有發(fā)現(xiàn)新礦體或擴(kuò)大已發(fā)現(xiàn)礦體的可能。模擬結(jié)果顯示, 中?上石炭統(tǒng)的擴(kuò)容空間大于已發(fā)現(xiàn)的冬瓜山礦床的規(guī)模(圖7), 特別是在青山背斜的南東翼還有部分區(qū)域沒(méi)有鉆探, 這些區(qū)域具有擴(kuò)大礦體的可能。

4.2 假設(shè)模型的模擬結(jié)果及其意義

為了探索制約擴(kuò)容應(yīng)變和流體流動(dòng)的因素和條件, 找出本區(qū)礦體定位規(guī)律的原因, 在保持模型幾何結(jié)構(gòu)不變的情況下, 通過(guò)改變邊界條件和模型組成單元的特征參數(shù)進(jìn)行假設(shè)模型的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)。共設(shè)定了4個(gè)假設(shè)模型, 具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 假設(shè)模型的參數(shù)及模擬條件

假設(shè)模型1施加NE-SW向擠壓: 結(jié)果以負(fù)體積應(yīng)變(壓縮變形區(qū))為主, 主要分布在上泥盆統(tǒng)五通組砂巖及頂部侏羅系蓋層中。石炭系靠近巖體接觸帶的位置出現(xiàn)正體積應(yīng)變, 但很小(圖8a)。相比于拉伸模型中形成的大規(guī)模層狀匯流擴(kuò)容區(qū), 擠壓模型的擴(kuò)容強(qiáng)度及規(guī)模則顯得比較局限, 并且在其他碳酸鹽巖地層中沒(méi)有形成明顯擴(kuò)容區(qū), 也沒(méi)有明顯的流體匯流規(guī)律。

箭頭表示流體向量; (a) NE-SW向擠壓; (b) 無(wú)構(gòu)造邊界條件; (c) 增大了石炭系(C2+3)模型的剪切模量(4.4′1010 Pa); (d) 增大了上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)和三疊系模型的滲透率(25′10?12 m2)。

假設(shè)模型2無(wú)構(gòu)造外力加載: 結(jié)果亦未形成明顯的匯流擴(kuò)容區(qū), 中?上石炭統(tǒng)的擴(kuò)容很弱, 匯流不明顯(圖8b), 沒(méi)能產(chǎn)生有利于冬瓜山礦體定位的條件。

這兩個(gè)假設(shè)模型的模擬結(jié)果表明拉張的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境對(duì)獅子山礦田, 特別是對(duì)冬瓜山礦床的成礦作用的重要性。

假設(shè)模型3將中?上石炭統(tǒng)的剪切強(qiáng)度調(diào)大:整個(gè)獅子山礦田模型的正體積應(yīng)變值變小, 并且高擴(kuò)容應(yīng)變?cè)趲r體和上二疊統(tǒng)大隆組(P2)產(chǎn)生, 而中?上石炭統(tǒng)中沒(méi)有形成層狀的高擴(kuò)容區(qū)(圖8c), 亦沒(méi)能產(chǎn)生有利于冬瓜山礦體定位的條件。以上結(jié)果表明碳酸鹽巖地層中更弱的抗剪切強(qiáng)度是造成地層中體積應(yīng)變不均勻分布的關(guān)鍵因素, 也說(shuō)明容礦地層的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)成礦空間的形成至關(guān)重要, 弱的剪切強(qiáng)度更容易使地層巖石發(fā)生剪切破裂, 形成層狀容礦空間, 從而有利于形成冬瓜山式的層狀礦體。

假設(shè)模型4將上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和三疊系的滲透率調(diào)大:巖體主要成了強(qiáng)擴(kuò)容區(qū), 所有地層擴(kuò)容均小, 沒(méi)有層狀的高擴(kuò)容區(qū)形成。流體運(yùn)動(dòng)更劇烈, 表現(xiàn)為由巖體流向圍巖, 但沒(méi)有明顯的匯流規(guī)律(圖8d)。以上結(jié)果表明地層的水文條件對(duì)形成層狀矽卡巖礦床的重要性, 碳酸鹽巖地層之上存在低滲透率地層更有利于形成層狀矽卡巖礦床。

對(duì)比假設(shè)模型與真實(shí)模型模擬結(jié)果的差異(圖8、6), 反差最大的是擠壓構(gòu)造環(huán)境的模擬(圖8a)和無(wú)低滲透性地層的模擬(圖8d)。這也表明, 除了成礦巖體外, 拉伸的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境以及賦礦地層之上低滲透擋水層對(duì)形成層狀矽卡巖礦床也有至關(guān)重要的控制作用。

5 結(jié) 論

根據(jù)獅子山礦田成礦系統(tǒng)在三維形態(tài)模擬基礎(chǔ)之上的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬研究, 獲得了如下認(rèn)識(shí):

(1) 獅子山礦田的矽卡巖礦床表現(xiàn)出非常特殊的成礦規(guī)律, 即規(guī)模并不大、形態(tài)極其復(fù)雜的成礦巖體形成規(guī)模超大的礦體群, 雖然礦體都是圍繞巖體分布的, 但主要礦體都是受層位控制的層狀礦體, 并且位于最深部的層狀礦體的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其上的各個(gè)礦體。造成這一規(guī)律的主要?jiǎng)恿W(xué)原因是在伸展構(gòu)造背景下, 巖體冷卻過(guò)程中因力?熱?流耦合而在接觸帶及圍巖中現(xiàn)在礦體定位的部位產(chǎn)生的匯流的高擴(kuò)容空間。

(2) 中?上石炭統(tǒng)中匯流高擴(kuò)容空間的規(guī)模要大于現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的冬瓜山礦體, 表明冬瓜山礦床還具備擴(kuò)大儲(chǔ)量的空間。

(3) 除了成礦巖體外, 區(qū)域地殼所處的拉張的環(huán)境, 賦礦巖層的低剪切強(qiáng)度以及賦礦巖層之上的低滲透性擋水層也是形成獅子礦田特殊成礦規(guī)律的重要因素。

致謝:感謝銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦的資助和支持, 特別是提供有關(guān)的勘探資料。感謝中山大學(xué)肖凡副教授和另一位匿名審稿人對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn), 向兩位審稿專家致以誠(chéng)摯的謝意。

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3D Computational Geodynamic Modeling of Skarn Copper (Gold) Mineralization System and its Implication for Ore Formation in the Shizishan Orefield, Tongling District, Eastern China

ZHOU Feihu1, LIU Liangming1*, LIU Hongsheng1, SHENG Huan2, WU Hongzhi1, MIN Lingshuai1, BI Chenxi1

(1.MOEKey Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring; Computational Geosciences Research Centre, Central South University; Changsha 410083, Hunan, China; 2. Dongguashan Copper Mine, Tongling Nonferrous Metals Group Holding Co., Ltd., Tongling 244000, Anhui, China)

The Shizishan orefield hosts the largest Cu (Au) skarn deposit, the Dongguashan deposit, in the Tongling district, even in the whole Lower Yangtze Metallogenic Belt. The major orebody of the Dongguashan deposit is strataboud and stratiform Cu (Au) skarn which has more than 1 Mt Cu reserves, accounting about 60% of the total reserves of the orefield. The localization mechanism of this significantly large stratiform orebody is still actively debated because of the complexity of the metallogenic characteristics. For better understanding the dynamic mechanism and the controlling factors for ore formation, we constructed a 3D geological model of the orefield by integrating all available exploration data, and then carried 3D computational geodynamic modelling in the FLAC3Dplatform, to simulate the coupled mechano-thermo-hydrological (MTH) processes during the cooling of the intrusion and mineralization in the Shizishan orefield. The results of the computational geodynamic modelling show that, in the extensional tectonic regime, the shallow high-dilation zones (volumetric strain ≥1.2%) are not significantly large and located in the contact zone that hosts orebodies of the East and West Shizishan deposit; while the deep high-dilation zones, where the fluids from the intrusion and sedimentary rocks are focusing, are the largest and most intensive zones located in the carbonate rocks of the mid to upper Carboniferous that hosts the Dongguashan ore deposit. Because these fluid focusing high-dilation zones are spatially consistent with the known orebodies, we conclude that the fluid focusing high-dilation zones were produced during the intrusion cooling processes and controlled the ore localization in the Shizishan orefield. Furthermore, the scale of the fluid focusing high-dilation zones in the mid to upper Carboniferous formation is larger than that of the known Dongguashan deposit, indicating that the mid to upper Carboniferous formation are favorable for the Cu (Au) mineralization. For investigating ore formation-controlling factors, we conducted dynamic simulation experiments on 4 different scenarios with different boundary conditions and material parameters: scenario 1, under NE-SW compression; scenario 2, without tectonic-load on boundaries; scenario 3, increasing the shear modulus of the C2+3to 4.4×1010Pa; scenario 4, increasing the permeability of the P2and T to 25×10?12m2. The simulation experiments of these 4 scenarios show that the patterns of deformation and fluid flow are very different from that occurred in the former dynamic simulation experiment with the credible boundary conditions and material parameters supported by the geological investigation in the orefield. The most distinct differences occurred in the scenarios under compression and with increased permeability of P2and T. The results of these 4 scenarios, especially for the scenarios 1 and 4, are unfavorable for formation and localization of the stratiform skarn orebodies like the Dongguashan deposit. Based on overall dynamic modelling results, we conclude that the fluid focusing dilatant deformation spaces resulted from the coupled MTH processes during cooling of the intrusion controlled the location and scale of the skarn orebodies in the Shizhishan orefield, whereas the tectonic regime, mechanic, and hydrological parameters are important constraints on ore formation, the extentional tectonic load and the lower permeability of the overlying strata, in particular, are more favorable for ore formation.

metallogenic dynamics; computational modeling; skarn ore deposit; Shizishan orefield; Tongling

2021-11-14;

2022-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41772351)資助。

周飛虎(1998–), 男, 碩士研究生, 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)。E-mail: fhzhou_csu@163.com

劉亮明(1964–), 男, 教授, 主要從事礦床地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)及其計(jì)算模擬研究。E-mail: lmliu@csu.edu.cn

P628; P612

A

1001-1552(2023)06-1242-014

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.004