黑龙江金厂矿区热液成矿过程计算模拟及成矿机制探讨

赵义来，罗先熔，欧阳菲

(桂林理工大学 a.地球科学学院; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004)

黑龙江金厂矿区热液成矿过程计算模拟及成矿机制探讨

赵义来，罗先熔，欧阳菲

(桂林理工大学 a.地球科学学院; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004)

黑龙江金厂金矿是一特大型金矿床,该区中生代构造-岩浆活动强烈,并伴随大规模的热液蚀变活动,形成了金厂矿床的隐爆角砾岩型、裂隙充填型、岩浆穹窿型及接触带型等多种矿化类型,而热液扩容充填成矿可作为该矿区的代表性矿化类型。通过FLAC3D软件进行金厂矿区热液成矿过程计算模拟,结果表明:燕山晚期花岗斑岩对本区金成矿具有控制作用;本区温度场的分布受成矿岩体规模控制;受东西向压应力场影响,本区出现了NW、NE向的剪切应变带及NEE-SWW向展布的张应变扩容区,扩容区不仅与流体汇流、实际成矿位置对应较好,还指示了新的找矿靶区。

热液成矿;计算模拟;成矿机制;金厂金矿;黑龙江

0 引 言

矿床的形成是成矿系统多过程耦合演化的结果, 由于成矿系统演化的特殊性和复杂性, 研究一个区域的成矿动力学机制有着极大的困难, 表现在: 系统的空间尺度和时间尺度巨大, 其演化过程不可能在实验室内复制;成矿系统是一个复杂的多过程耦合系统, 系统演化的结果和原因之间为非线性关系, 即系统初始条件的细微差异将导致系统演化结果的巨大差异[1-4]。因此, 在计算机技术和算法日益成熟的条件下, 计算模拟已成为研究上述复杂成矿系统的一种切实可行的方法。

岩浆热液作用所成矿体的定位空间必须满足两个方面的动力学条件:一是这个局部空间是扩容空间,因为矿体所定位的空间原本为固液相互平衡的多孔岩石介质,如果不增加空隙的体积,运载成矿物质的流体就不可能向这个空间汇流,矿石也难以在这个空间发生大规模堆积;二是有序的动力条件,如果没有有序的动力作用,不可能长时间地维持流体固定的局部汇流。

黑龙江省东宁县金厂金矿是一个特大型金矿床,位于中亚造山带东端的吉黑成矿带,是与中生代中酸性岩浆岩活动有关的复杂成矿系统[5-6]。在金厂矿区内,成矿的主要动力来源有两个:区域应力场和岩体的热动力条件,在上述两个因素作用下的热液流体流动则构成矿质输运、堆积的媒介条件。由于热液成矿作用主要发生在岩体侵位、基本固化以后,此时整个岩体-围岩体系可以看成粘弹性的多孔介质,其力学行为可用Mohr-Colomb模型描述。因此,本文选用Itasca公司的FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)软件[7]进行金厂矿区岩体基本固化后的同构造冷却过程中变形-传热-流体流动耦合动力学的计算模拟,探讨力、热、流因素影响下的矿体定位机制。

1 矿区地质特征

黑龙江金厂金矿是一特大型金矿床, 该矿区大地构造位置处于太平岭隆起与老黑山断陷的过渡部位, 中生代构造-岩浆活动十分强烈, 形成了一

矿区内的金矿化类型主要有隐爆角砾岩型、裂隙充填型、岩浆穹窿型及接触带型4类。岩浆穹窿型矿体产于岩体的破碎裂隙中,因受裂隙形态控制,矿体产出为环状及薄层状;对于接触带型矿体,其矿石产出于接触带附近的裂隙中,且具有明显的破碎角砾特征和类似于其他矿体的蚀变特征,并不具有典型矽卡岩矿体那样的接触交代及蚀变类型。因此,热液扩容充填成矿可作为该矿区的代表性矿化类型。矿区赋矿围岩主要有斜长花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、闪长岩、闪长玢岩等。围岩蚀变比较发育,主要类型有硅化、绢云母化、高岭土化、黄铁矿化;其次有钾长石化、碳酸盐化、绿泥石化等,其中硅化、黄铁矿化与金矿化关系密切。

图1 金厂矿区地质图(据文献[10]修改)

2 金厂矿区成矿动力学建模

2.1 建模过程及方法

从原始图件到计算用网格化模型的建立所使用的软件包括MapGIS、AutoCAD和ANSYS,建模工作流程及软件操作分述如下。

(1)原始图件为MapGIS工程文件, 系从相关研究人员及单位处收集而来的地质图, 由工程文件输出为可被AutoCAD使用的*.dxf文件。

(2)在AutoCAD软件平台中进行的操作包括: 图件清绘, 有用图元的提取, 无关信息的删减, 修改线型, 拓扑错误检查与处理等; 然后通过对二维图件的三维拉伸、旋转及布尔运算等操作, 建立研究区的实体模型, 导出*.sat文件。

(3)ANSYS软件为一款通用有限元分析软件, 适用于进行结构、流体、电场、 磁场、声场分析, 本文使用的是该软件的网格剖分功能。 将*.sat文件导入到ANSYS, 在ANSYS中对实体模型进行网格剖分, 以得到可用于动力学计算的网格模型。 剖分过程一方面要进行模型基本单元的选择, 本文采用四面体单元对实体模型进行剖分, 该类单元对不规则的地质体适应性强, 发生网格报错的几率也较低。 另一方面,进行模型基本单元尺寸的设置, 若尺寸设置较大, 则剖分得到的网格数量少, 模型粗略, 但运算速度快; 若尺寸设置较小, 剖分得到的网格数量多, 则模型精准, 但运算速度较慢。 一般的做法是权衡精确性和运行速度, 并结合建模经验进行设置;或对模型进行预运算后, 根据运算情况调整单元尺寸参数, 重新进行模型剖分。 此外, 在局部地质界线复杂部位进行网格加密, 以获得较大的精确性。 在剖分过程中设置岩石单元分组信息, 以便于后续工作对不同的岩石单元赋参数及设置初始动力学条件。

(4)由ANSYS导出的网格化模型信息记录于文本文档,其格式与动力学模拟软件FLAC3D所接受的文件格式有所不同, 通过人机交互或C++ 编程对文件格式进行转换,即可用于FLAC3D进行模拟计算。

根据对已有资料及研究成果的判读分析[10-17],建立了如图2所示的FLAC3D网格化模型,模型大小为LEW×LSN×H=11 km×9 km×0.6 km(LEW、LSN及H分别表示模型东西、 南北向长度

图2 金厂矿区四面体网格化三维模型及边界条件

及厚度), 共剖分出29 965个四面体单元。 建模过程中,对原始图件地质信息的处理包括:

①在金厂矿区地表地质图的基础上, 剥除新近系、 第四系沉积层, 将其所覆盖的其余岩石单元的边界进行推延, 并兼顾不同期次岩体的穿插关系；

②考虑到对模型网格数量的控制, 删除大片岩体内部的零星小侵入体, 进行此操作的前提是小侵入体与其所在的大规模岩体具有类似的岩性, 二者为岩性过渡或局部相变关系；

③将岩石单元狭长的尖灭部位进行圆滑处理, 以避免网格剖分过程中产生畸变的四面体单元, 导致在计算过程中出现负体积等相悖于客观事实的情况；

④因该区大部分范围的深部暂无钻孔揭露, 仅基于小范围的钻探工程对整个区域深部岩石单元界线较难作出合理的推测, 且相对于该区较大的长宽尺度而言,模型厚度方向上的界线变化对成矿过程的影响相对较弱, 故暂不考虑该方向的界面处理。参照现有见矿深度, 将模型地表地质界线作垂向顺延, 取模型厚度为600m。

2.2 模型参数及条件设置

模型各岩石单元的力、热、流参数(表1)主要根据各单元的岩石成分,在Schön(1998) 主编的《岩石物理性质》[18]以及《FLAC3D应用手册》[7]提供的数据范围内通过对比不同参数的模拟实验结果而选择。所要模拟的并不是燕山晚期岩体上侵到成矿演化的整个过程,而是岩体主体基本固结后热液成矿的物理过程。在给定了初始和边界条件后, 通过区域变形量的控制计算, 根据输出力、 热、 流等因素的计算结果进行分析。

表1 金厂模型各岩石单元物理参数

3 计算结果及成矿机制分析

3.1 计算结果

控制计算运行至该区域东西向缩短量达到10%,输出温度、剪切应变、体积应变、流体压力及流体流动的结果(图3～图6)。这些结果表明，在热、构造应力和流体的三重作用下,整个区域的温度场、应变场及流场的分布具有不均匀性,这种耦合作用下的多场不均匀分布对该区金矿成矿起主导作用。

3.2 成矿机制分析

根据上述计算结果,不但可以解释已发现矿体的成矿规律,还对认识金厂矿区金矿床的成矿机制以及燕山晚期岩体在成矿中的作用提供了有力的证据。

(1)分别设置燕山晚期的花岗斑岩体及闪长质岩体为主成矿岩体,通过对比计算发现,花岗斑岩对本区金的成矿具有主要的控制作用,本文仅给出了最优计算结果,未考查闪长质岩体成矿作用的结果。

(2)本区温度场的分布明显受成矿岩体的控制(图3), 经过10Ma的热扩散作用, 可以看到,高温区仍环绕花岗斑岩体分布,且受岩体规模大小控制,如本区南西部位的一处花岗斑岩中心温度为550 ℃,而区域中部呈NW向排列的几处小岩体的温度已降至约350 ℃。

图3 金厂矿区温度分布

图4 流体流动与剪切应变关系

图5 流体流动与体积应变关系

图6 流体流动与孔隙流体压力分布关系

(3)受东西向挤压应力场控制,本区出现了3条大的剪切应变带,即北西部剪应变带、东部剪应变带及南部剪应变带,均遭受了较大的剪切作用(图4)。3条剪应变带的分布方向为NW向及NE向,是在东西向压应力场作用下派生出的共轭剪切应变带。剪应变的分布与规模较大的花岗斑岩体有对应关系,与小规模花岗斑岩及其他岩石单元的对应性不强,表明剪应变的出现不仅受区域应力场控制,还可能受热扩散作用影响,散热慢的岩体对应较强的剪应变区。

流体流动的汇集区受剪切作用的控制不明显,流体汇流部位并未出现在大的剪应变区,说明该区剪切裂隙不是主要的控矿、容矿构造。

(4)该区出现了NEE-SWW向展布的张性应变区(图5),即正的体积应变区,其具体分布为:西部花岗斑岩体的南侧及北侧接触带部位、中部岩体的北侧接触带与金厂村南、南东部岩体与围岩的接触带上。上述张应变区的展布方向与区域挤压方向一致,是东西向压应力场作用下派生的近东西向扩容区,即等效于南北向拉伸作用的产物。由于扩容区均与岩体接触带有关,推测温度差异导致的岩体与围岩力学性质差异对其有一定影响。由计算结果可以看出,该区的压应变带主要分布在矿区南部、金厂村西,其次为矿区北东部,结合前述剪应变结果,这些区域应主要受压扭性应力场控制。

流体汇流与扩容区的对应关系较好,主要的流体汇流部位分布在金厂村南、八号硐及其南西部、穷棒子沟中段东西两侧、矿区中部闪长玢岩南侧及矿区南东角部位。这些区域不仅对应了该区NEE-SWW向的角砾岩型、裂隙充填型矿带,还指示了金厂村南、八号硐南西部及矿区南东角部位为有利成矿部位及找矿优选区。

上述流体汇集区的产生，一方面因为扩容区的存在代表张性裂隙发育的有利地段,而张性裂隙的产生则成为矿液运移的有利通道及汇集的场所;另一方面,孔隙流体压力的分布也有一定贡献(图6),即模拟结果中流体均由高孔压区流向低孔压区,而矿区东西两侧的具有最大流体压力的部位均少有流体出现,也是这一原因。另外,局部扩容影响孔压分布,进而影响流体汇流的一般规律也为上述结果提供了佐证。

4 结 论

燕山晚期花岗斑岩对本区金的成矿具有主要的控制作用;温度场的分布主要受岩体规模大小影响;在东西向挤压应力场的作用下,派生出NW向及NE向的共轭剪应变带；另外,受热扩散作用影响,剪应变的分布与规模较大的花岗斑岩体有对应关系,流体流动的汇集区受剪切作用的控制不明显;东西向压应力场还派生出近东西向的扩容区,流体汇流与扩容区的对应关系较好。

综上,受控于区域东西向挤压应力场、岩体与围岩的温度差异及热力学性质差异,岩浆期后热液运移特征不仅揭示了该区成矿机制,印证了已发现矿体的产出规律,还指示了进一步工作的勘查方向,而该区金矿体的形成是金厂燕山晚期岩体成矿系统变形-热扩散-流体运移多过程耦合作用的结果。

本文的计算模拟工作得到了中南大学计算地学研究中心的支持,在此谨表谢意!

[1]LiuLM,ZhaoYL,SunT. 3Dcomputationalshape-andcoolingprocess-modelingofmagmaticintrusionanditsimplicationforgenesisandexplorationofintrusion-relatedoredeposits:AnexamplefromtheYueshanintrusioninAnqing,China[J].Tectonophysics, 2012,526-529:110-123.

[2]LiuLM,ZhaoYL,ZhaoCB.CoupledgeodynamicsintheformationofCuskarndepositsintheTongling-Anqingdistrict,China:Computationalmodelingandimplicationsforexploration[J].JournalofGeochemicalExploration, 2010, 106(1-3):146-155.

[3]ZhaoCB,HobbsBE,MühlhausHB,etal.Computersimulationsofcoupledproblemsingeologicalandgeochemicalsystems[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering, 2002,191(29-30):3137-3152.

[4]LiuLM,WanCL,ZhaoCB,etal.GeodynamicconstraintsonorebodylocalizationintheAnqingorefield,China:Computationalmodelingandfacilitatingpredictiveexplorationofdeepdeposits[J].OreGeologyReviews, 2011, 43(1):249-263.

[5]张宇, 赖勇, 卿敏, 等. 黑龙江省金厂金矿床J0 矿体流体地球化学研究[J]. 岩石学报, 2008, 24(5):1131-1144.

[6]朱成伟, 陈锦荣, 李体刚, 等. 黑龙江金厂金矿床地质特征及成因探讨[J]. 矿床地质, 2003, 22(1):56-64.

[7]GroupIC.FLAC3DUser’smanual[K].Minneapolis:ItascaConsultingGroup,Inc., 2005.

[8]贾国志, 陈锦荣, 杨兆光, 等. 金厂特大型金矿床的地质特征与成因研究[J]. 地质学报, 2005, 79(5): 661-670.

[9]赵玉锁, 闫家盼, 张桂凤, 等. 黑龙江金厂铜金矿床地质特征及成因探讨[J]. 地质与勘探, 2013, 49(1):75-88.

[10]王艳忠, 杨言辰, 陈桂虎, 等. 黑龙江东宁金厂金矿床角砾岩型金矿体地质特征及找矿标志[J]. 黄金, 2012, 33(11):24-28.

[11]王振忠. 黑龙江东宁金厂金矿床地质特征及找矿前景分析[J]. 吉林地质, 2008, 27(2):31-36.

[12]赵玉锁. 延边-东宁成矿带金厂斑岩金成矿系统[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2013.

[13]李万贺. 黑龙江东宁县金厂金矿区成矿规律和成矿预测研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2010.

[14]王可勇, 卿敏, 张欣娜, 等. 黑龙江金厂金矿床流体包裹体特征及成矿作用研究[J]. 岩石学报, 2011, 27(5):1275-1286.

[15]肖力, 赵玉锁, 孔媛媛, 等. 东宁金厂矿区及外围构造体系厘定及其控岩控矿作用[J]. 矿床地质, 2010(S2): 63-70.

[16]陈彪，罗先熔, 邱炜, 等.[J].地电提取法在黑龙江金厂金矿区寻找隐伏金矿的应用[J]. 桂林工学院学报, 2009, 29(1):31-34.

[17]李兆谊, 罗先熔, 候冬梅, 等. 地电化学集成技术在黑龙江金厂金矿的应用研究及找矿预测[J]. 黄金科学技术, 2010, 18(5):117-122.

[18]SchönJH.PhysicalPropertiesofRocks:FundamentalsandPrinciplesofPetrophysics[M].Oxford:Elsevier, 1998.

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

广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118231);武警黄金指挥部项目(01-03);广西矿冶与环境科学实验中心项目

赵义来(1982—),男,博士,讲师,地质资源与地质工程专业,zyl@glut.edu.cn。

赵义来，罗先熔，欧阳菲.黑龙江金厂矿区热液成矿过程计算模拟及成矿机制探讨[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):780-785.

P618.51

A