构造-流体-成矿体系的反应-输运-力学耦合模型和动力学模拟

建立了一个综合的构造流体成矿体系的反应输运力学耦合动力学模型。利用有限元方法求解岩石变形、断裂作用和断裂网络统计动力学、流体流动、有机和无机地球化学反应及成岩成矿作用、压力溶液和其它压实力学、热迁移的方程组 ,可以对构造流体成矿体系的动力学演化过程进行 1～ 3维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下描述构造流体成矿体系的主要变量的时空演化 :( 1)与成矿流体的形成和性质有关的变量 ,如地层中矿物 (包括成矿物质 )的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等 ;( 2 )与构造变形和流体运移有关的各变量 ,如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造 (断裂 )渗透率等 ;( 3 )与沉淀成矿有关的变量 ,如矿物 (金属矿物和脉石矿物 )的成核速率、各矿物的沉淀量等 ;( 4 )上述各有关变量间的时空耦合关系 ,如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。以湖南沃溪金锑钨矿床为例 ,应用该模型和方法对成矿动力学过程和动力学机制进行了初步的模拟与分析。     

构造成矿非线性动力学:2.湘西金矿研究实例

应用递增应力流变学方法对湘西沃溪金矿成矿过程中构造变形、应力、流体流动、地球化学反应及成岩成矿作用等多过程间的耦合作用和非线性特征进行了模拟和分析。构造压溶作用对矿源层中成矿物质的溶解与迁移起了重要作用。断裂作用可以产生比原岩渗透率高近4个数量级的断裂渗透率,从而促进流体的流动、组分扩散和在断裂中的汇聚成矿。不同岩性对断裂作用和断裂渗透率的演化有重要影响,并且构造、流体、岩石之间存在强烈的非线性耦合作用,马底驿组中段是最有利的构造成矿层位。     

构造成矿非线性动力学:1.递增应力流变学模型

本文提出了构造成矿作用动力学研究的递增应力流变学方法。利用该方法将构造变形、应力、流体流动、地球化学反应及成岩成矿作用等多过程耦合起来，可以从多种地质过程的耦合与反馈作用对构造成矿的动力学演化过程进行１～３维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下，以下描述构造成矿体系的主要变量的时空演化：（１）与成矿流体的形成和性质有关的变量，如地层中矿物（包括成矿物质）的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等；（２）与构造变形和流体运移有关的各变量，如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造（断裂）渗透率等；（３）与沉淀成矿有关的变量，如矿物（金瞩矿物和脉石矿物）的成核速率、各矿物的沉淀量等；（４）上述各有关变量间的时空耦合关系，如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。     

地质流体的输运-化学反应与成矿作用微观机制研究——以安徽冬瓜山层控夕卡岩型铜矿床为例

以冬瓜山层控夕卡岩型铜矿床的基本地质特征为基础建立了成矿作用的地质模型,运用成矿作用动力学理论将其转化成动力学模型,然后对动力学模型求解得到刻划矿质在断裂—多孔介质体系中输运-化学反应演化规律的解析解。研究揭示冬瓜山矿床的成矿微观机制为:成矿流体受外力的驱动在断裂-多孔隙复杂介质的输运过程中,由平流、动力弥散、扩散作用与交代反应、溶解-沉淀反应相互耦合作用而成矿。介质的有效孔隙度和渗透率等动力学参数是矿体的空间分布及规模大小的主要控制因素。模拟结果合理地解释了矿体的空间展布、矿石品位及矿石结构构造的空间变化特征等矿床的基本地质特征。本研究显示,一旦成矿过程的基本动力学参数能确定,可预测成矿的位置、矿体长度、厚度及贫富变化的规律,显示动力学研究具有潜在的重要应用价值。本文为研究复杂介质中矿床形成的微观机制提供了一种新的思路。     

地壳中流体对变质作用的影响

地壳中流体在变质作用过程中具有重要的地位。流体不仅是一种质量运输的介质,更是反应的催化剂或反应物。在一定程度上,变质反应中矿物组合的更替难易度和反应进程主要取决于流体的参与,特别是退变质过程中,流体通过溶解-迁移-沉淀机制使得变质矿物共生组合发生改造。流体与岩石相互作用的研究也进一步的表明反应本身促进了裂隙的发生,即反应促进了岩石渗透率,增加了流体与岩石的接触面积,使得流体与岩石反应界面的反应更加快速与完全。同时,对岩石的力学性质也有重要的影响,诸如岩石的流变学性质及其应变性质,对地壳变形、断裂、岩浆作用、变质作用及成矿作用等有重要的意义。     

构造-流体-成矿系统及其动力学的理论格架与方法体系

综述了构造流体与成矿系统及其动力学的研究进展、趋势, 初步提出构造-流体-成矿系统及其动力学的理论格架与方法体系.突出构造和流体在成矿中的关键作用, 强调多种组成与多重作用过程耦合和套合的整体性及其综合效应, 并以这一理论为指导, 提出将构造-流体-成矿系统及其动力学作为一个整体, 从流体与岩石-构造环境相互作用及构造-流体演化的角度探讨成矿系统的形成过程和动力学特征, 遵循实践→认识→再实践→再认识的循序渐进原则, 在多学科综合研究的基础上, 以宏观整体性认识为指导, 深入解析代表性典型中观成矿系统时-空轨迹的规律性特色本质, 具体指导微观成矿作用过程及机理的研究, 实现研究的系统性、完整性和定量化, 从更广、更深层次上认识构造-流体-成矿系统时-空结构及本质属性.      

论大陆岩石圈形成过程中的克拉通化阶段

流体控制着地球系统中质量和能量的传输。流体岩石反应过程在岩石圈中是十分普遍的现象。在流体流动体系中 ,流体在岩石裂隙中通过平流、扩散、水动力弥散和动力学弥散等方式进行输运并与岩石发生同位素交换反应。文章首先对封闭体系、“封闭”体系、开放体系以及缓冲体系中的同位素交换模型进行了简单讨论 ,然后在讨论氧同位素动力学交换机制的基础上 ,建立了平衡交换模型和动力学交换模型。结合流体流动的归一化速率、弥散系数和流体岩石的反应速率等变量 ,对流体岩石交换反应的流体运动方程中的Peclet数和Damk¨ohler数进行了讨论 ,并详细解释了它们在流体岩石交换反应过程中的物理意义和地质用途。     

变质系统中的流体流动及化学反应动力学:动力等变质级

变质作用过程中化学反应动力学的处理和效应是伴随着流体流动、扩散和热演化而发展起来的。流体流动与表面反应速率的相互作用代表稳定平衡状态与可能的变质反应越位之间的区别,这需要对有关野外等变线的解释加以新的认识。由于交互接触带中岩石和流体的化学性质决定于流体迁移的连合(coupling)及非均匀化学反应动力学,因此有必要将这种连合的某些显著特征同现在的流体-岩石相互作用模式联系起来加以分析和讨论。     

热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析

以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明：温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。     

应力作用下岩石的化学动力学溶解机制研究

通过结合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等方面的知识,建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型,分析了应力作用对岩石固相物质活度及矿物溶解动力学速率的影响,探讨了应力作用下水岩相互作用机制。研究结果表明：岩石所承受应力与周围流体压力之间存在的应力差所产生的化学势差是应力作用下溶解反应的驱动力;应力的施加显著提高了岩石中固相物质的活度,由此加快了矿物溶解反应的动力学速率;应力作用下的岩石细观溶解机制可根据固液界面应力分配及优先溶解部位上的差别分别用水膜扩散模型或岛渠模型进行描述;应力作用下水岩相互作用存在着应力、化学与渗流的3场耦合问题：应力推动化学反应的发生,化学作用使得岩石表面的细观形貌发生改变,局部的应力分布及大小也随着形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程,同时也改变渗流通道的演化规律     

COMPLEXITY AND CHAOTIC DYNAMICS OF ROCK FAULTING

Fault is a complex dynamic system controlled by the coupling of rock texture, reaction, fluid flow, stress, and rock deformation mechanism. A coupled reaction-transport- mechanical dynamic model for fault system is established and described in this paper. An example is presented for the Shuikoushan deposit, Hunan. The results of dynamic simulation indicate that the evolution and magnitude of fracture permeability of different rocks are different, and that faulting can enhance the spatial heterogeneity of rock permeability and facilitate fluid flow and mineralization in local fault zone. The pressure for a fault usually shows a variation mode of aperiodic oscillation with time, which reflects the chaotic behavior of the evolution of a fault.     

北方岩溶区断裂带水文地质性质及结构模型

断层带结构和内部流体流动特性是水文地质研究领域的难点问题。石油地质领域,在油气运移与成藏方向已形成较成熟的断层封闭性定量评价技术手段。相比较,断裂的水文地质性质研究尚停留在断裂的力学性质对断层导水、阻水特性的定性评价阶段,尚未详细开展断裂带结构、渗透性各向异性等方面的研究工作。文章梳理总结国外断裂带水文地质性质研究中关于结构组成、断裂带演化、渗透率影响因素等方面的研究成果,引入断裂带渗透率结构模型,并以中国北方岩溶区碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组为例,构建断裂带水文地质结构模型。断裂带研究尺度和精度不同、断裂带发育部位不同,导致其结构及水文地质性质亦不相同,如何建立起精确、典型的断裂带水文地质结构模型,需要各领域数据共享及多学科融合共同开展研究工作。      

Influence of host lithofacies on fault rock variation in carbonate fault zones: A case study from the Island of Malta

Relatively few studies have examined fault rock microstructures in carbonates. Understanding fault core production helps predict the hydraulic behaviour of faults and the potential for reservoir compartmentalisation. Normal faults on Malta, ranging from <1 m to 90 m displacement, cut two carbonate lithofacies, micrite-dominated and grain-dominated carbonates, allowing the investigation of fault rock evolution with increasing displacement in differing lithofacies. Lithological heterogeneity leads to a variety of deformation mechanisms. Nine different fault rock types have been identified, with a range of deformation microstructures along an individual slip surface. The deformation style, and hence type of fault rock produced, is a function of host rock texture, specifically grain size and sorting, porosity and uniaxial compressive strength. Homogeneously fine-grained micrtie-dominated carbonates are characterised by dispersed deformation with large fracture networks that develop into breccias. Alternatively, this lithofacies is commonly recrystallised. In contrast, in the coarse-grained, heterogeneous grain-dominated carbonates the development of faulting is characterised by localised deformation, creating protocataclasite and cataclasite fault rocks. Cementation also occurs within some grain-dominated carbonates close to and on slip surfaces. Fault rock variation is a function of displacement as well as juxtaposed lithofacies. An increase in fault rock variability is observed at higher displacements, potentially creating a more transmissible fault, which opposes what may be expected in siliciclastic and crystalline faults. Significant heterogeneity in the fault rock types formed is likely to create variable permeability along fault-strike, potentially allowing across-fault fluid flow. However, areas with homogeneous fault rocks may generate barriers to fluid flow.     

流体输运,化学反应与交代作用

在成矿及变质作用过程中， 体运移促使热量发生传输及周围岩石发生化学反应和交代作用。流体输过一化学反应耦合动力学方程能定量评价热液系统组分浓度、温度和流量函数的人演化，对于区域变质和交代韧性断裂带等变质系统，还可通过流体运称方向和时间积分流体能量来定量描述流体输运一化学反应耦合客观变持地体中水力破裂的形成与流体运移和失挥发分反应耦合过程有关。     

断层内部结构及其对封闭性的影响

先前的研究多考虑断层封堵和开启的2种极端状态,近来的研究认为,在多数情况下断层处于2种之间的状态,只有在静止期具有封闭能力的断层,才有可能对油气起封堵作用。分析断层对流体运移的影响,需要分析断层在演化过程中的内部结构特征。断层可以划分出破碎带、诱导裂缝带和围岩3部分,断层岩和伴生裂缝构成破碎带的主体部分。常见的断层岩包括断层角砾岩、断层泥和部分碎裂岩,它们充填在断层裂缝空间中,断层内部结构受断层形成时的构造应力性质、断层活动强度和围岩岩性因素的控制。从动态角度看,随着断距增加,断层活动伴随着裂缝的发育和岩石的破碎混杂,可用泥质源岩层厚度和断距的比值来划分不同的发育阶段。断层活动期为油气运移通道,在静止时表现出差异性的封闭,通常用断层渗透率和排替压力2个参数来定量评价断层的封闭程度。断层岩渗透率主要受断距、泥质含量、埋深等因素的控制;断层排替压力的预测方法有2种:一种是从断层岩成岩角度分析的"等效埋深法",另一种是分析实测排替压力与主控地质因素的"拟合法"。通过简化的断层模型,建立了渗透率、排替压力与主控因素的预测关系。和储层类似,流体在断层中的运移遵循多孔介质的渗流特征。利用断层两侧的流体压力和油气柱高度并不能直接评价封闭性能,还必须考虑油气充注史和流体压力变化历史。     

新疆阿尔泰地区断裂控矿的多重分形机理

新疆阿尔泰地区断裂构造非常发育并对热液成矿有重要控制作用。分形分析表明该区断裂和矿床的空间分布均为多重分形分布,断裂的奇异指数为1.597～2.403,多重分维谱值为0.551～1.706;矿床的奇异指数为0.925～2.287,分维谱值为0.138～1.363。断裂的高的奇异指数和分维谱值表明该区断裂构造具有较高的成熟度和连通性,有利于提高岩石渗透性、促进流体流动和热液矿床的形成。断裂构造的多重分形分布导致该区热液成矿作用的多重分形分布。断裂体系演化过程中不同断裂部位变形和渗透性存在明显差异,数值模拟表明断裂与岩性和流体之间存在强烈的耦合作用并导致不同岩性的断裂具有明显不同的断裂渗透率。断裂-脉体系演化是一个自组织过程,元胞自动机模拟表明只有在分形渗透临界以上连通性较好的脊骨断裂部位是最有利于流体流动和成矿作用的。因此只有在部分有利的断裂部位才能形成矿床,并导致了断裂构造的奇异指数和多重分维谱值明显高于矿床。     

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。