（构造地质学专业论文）铜陵冬瓜山铜矿床的三维形态及成矿动力学计算模拟.pdf

l 硕士学位论文 铜陵冬瓜山铜矿床的三维形态及成矿动力学计算模拟 t h e3 ds h a p es i m u l a t i o na n dm e t a l l o g e n i c g e o d y n a m i cc o m p u t a t i o n a m o d e l i n r o m o u t a t m n a lo d e l m ro i 。 d o n g g u a s h a nc o p p e rd e p o s i t i nt o n g l i n g 作者姓名：孙涛 学科专业：构造地质学 学院：地学与环境工程学院 指导教师：刘亮明教授( 博导) 论文答辩日期：2 呈生：丝答辩委员会主席 中南大学 二。一。年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谓 的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 翻：籀一 日期：型! 年上月绷 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 、 1 一 函、 多么 细幻 c 期：丝! 里年上月三细 摘要 摘要 成矿系统是一个复杂的时空体系，计算模拟是揭示其空间形态和 结构特征以及时间进程动力学的最有效手段。 铜陵冬瓜山铜矿床是长江中下游成矿带最大的铜矿床，本文选择 冬瓜山铜矿床为对象进行三维形态建模及成矿动力学计算模拟研究。 以g o c a d 为建模工具，通过离散光滑插值和d e l a u n a y 三角剖分等建 立矿体及其它相关地质体的三维形态模型。通过编程实现g o c a d 的 s g r i d 模型向f l a c 3 0 的六面体网格模型的转换，在地质研究的基础上 建立三维动力学模型进行力一热一流体的耦合动力学计算模拟实验，根 据计算模拟实验的结果分析成矿的动力学机制以及控矿因素。 通过这些工作，取得了如下四方面的主要成果： 1 ) 通过三维建模及可视化，展示了矿体的三维形态及其与其他 地质要素之间的空间关系，发现了矿体受背斜构造和岩体的双重控 制。 2 ) 系统总结了三维网格剖分通用算法，分析了网格剖分技术在 地学领域的研究现状和发展前景。 3 ) 编制了从g o c a d 的s g r i d 网格转化成f l a c 3 0 的六面体剖分网 格接口程序，实现了复杂实体地质模型向f l a c 3 0 模型的转化，并将此 方法成功地应用于冬瓜山铜矿床的动力学建模。 4 ) 动力学计算模拟结果显示，冬瓜山矿床的形成与岩体同构造 冷却过程耦合动力学作用密切相关，力一热一流耦合作用在中一上石炭 统的碳酸盐岩中形成汇流扩容带，为层控矿体的形成创造了有利的条 件。 关键词：三维形态模拟，动力学计算模拟，网格剖分，f l a c ，冬瓜 山铜矿床 硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e m e t a l l o g e n i cs y s t e m i s c o m p l e x i n s p a t i a l s t r u c t u r ea n d t e m p o r a lp r o c e s s t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e l i n gi s t h em o s te f f e c t i v e m e t h o df o rr e v e a l i n gi t ss h a p ea n ds t r u c t u r ea n dr e p l a y i n gi t sg e o d y n a m i c p r o c e s s e s i nt h i st h e s i s ，t h ed o n g g u a s h a nc o p p e rd e p o s i t ，a st h el a r g e s t c o p p e rd e p o s i ti nt h ey a n g t z er i v e rm e t a l l o g e n i cb e l t ，w a ss t u d i e d t h r o u g h3 ds h a p e s i m u l a t i o na n d c o m p u t a t i o n a lm o d e l i n g o fi t s m e t a l l o g e n i cp r o c e s s e s b yu s i n go ft h eg o c a dc o d e ，3 dg e o l o g i c a l m o d e l sa r ec o n s t r u c t e d t h r o u g h d i s c r e t es m o o t h i n t e r p o l a t i o n a n d t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k b yp r o g r a m m i n g ，t h es g r i dm o d e lo f g o c a di st r a n s f e r r e dt ot h eh e x a h e d r o n m e s hm o d e lo ff l a c 3 d b a s e d o nt h eg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n ，t h e3 dg e o d y n a m i cm o d e li n v o l v e dt h e c o u p l e dm e c h a n o t h e r m o - - h y d r o l o g i c a lp r o c e s s e s i sc o n s t r u c t e da n d c o m p u t e db yn u m e r i c a lm e t h o d ，o fw h i c ht h er e s u l t s a r ea n a l y z e dt o e x t r a c tt h ei m p l i c a t i o nf o rd y n a m i cm e c h a n i s mo fo r e - f o r m a t i o na n d o r e c o n t r o l l i n gf a c t o r s t h em a i no u t c o m e si nt h i s t h e s i si n c l u d et h e f o l l o w i n g4a s p e c t s 1 ) t h e3 ds h a p eo ft h em a i no r eb o d ya n dt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i po f t h em a i no r eb o d yw i t ho t h e rg e o l o g i c a lf a c t o r sa r er e v e a l e db y3 d g e o l o g i c a lm o d e l i n g ，a n di t i sd i s c o v e r e dt h a tt h em a i no r eb o d yi s c o n t r o l l e db yb o t ht h ea n t i c l i n ea n dt h ei n t r u s i o n 2 ) b ys y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z i n gt h ea l g o r i t h m s o f3 dm e s h g e n e r a t i o n ，t h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h em e s h g e n e r m i o na n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h eg e o s c i e n c e sa r ea n a l y z e d 3 ) t h ec o m p l e x3 dg e o l o g i c a lm o d e li st r a n s f e r r e dt ot h ef l a c m o d e lt h r o u g hp r o g r a m m i n gt h et r a n s f e r r i n go ft h es g r i dm o d e lo f g o c a di n t ot h eh e x a h e d r o n m e s hm o d e lo ff l a c 3 d i ti ss u c c e s s f u l l y u s e dt om o d e lt h eg e o d y 7 n a m i cp r o c e s s e so ft h em e t a l l o g e n i cs y s t e mi n t h ed o n g g u a s h a nc o p p e rd e p o s i t 4 ) t h er e s u l t s o ft h e g e o d y n a m i cc o m p u t a t i o n a lm o d e l i n g e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t ，t h eo r ef o r m a t i o ni sc l o s e l ya s s o c i a t e dw i t h c o u p l e dg e o d y n a m i cp r o c e s s e sd u r i n gt h es y n t e c t o n i cc o o l i n go ft h e i n t r u s i o n ，a n dt h ec o u p l e dm e c h a n o - t h e r m o - h y d r o l o g i c a lp r o c e s s e sr e s u l t i l 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eg e n e r a t i o no ft h ef l u i d f o c u sd i l a t i o nz o n ei nt h ec a r b o n a t eo ft h e m e d i u mt ou p p e rc a r b o n i f e r o u s ，f a v o r a b l ef o rf o r m i n gt h es t r a t u m b o u n d o r eb o d y k e y w o r d s ：3 ds h a p es i m u l a t i o n ，g e o d y n a m i cc o m p u t a t i o n a lm o d e l i n g ， m e s hg e n e r a t i o n ，f l a c 3 0 ，d o n g g u a s h a n c o p p e rd e p o s i t 硕士学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 选题依据及研究意义1 1 3 从空间维度研究地质系统三维形态模拟的研究现状和发展趋 势2 1 4 从时间维度研究地质系统成矿动力学数值模拟研究现状和发 展趋势5 1 5 论文的主要研究思路9 1 6 论文完成的工作量及取得的主要成果9 1 6 1 完成工作量9 1 6 2 取得的成果1 0 第二章地质背景1 l 2 1 矿田地质特征l l 2 1 1 地层1 3 2 1 2 构造1 4 2 1 3 岩浆岩1 5 2 1 4 变质作用和热液蚀变1 5 2 2 矿床地质特征与成因1 7 第三章地质要素的三维形态模拟2 3 3 1 三维地质建模的一般方法2 3 3 2g o c a d 软件简介及其适用于地质领域的关键技术2 4 3 2 1g o c a d 软件简介2 4 3 2 2 d e l a u n a y 三角剖分算法( d t ) 2 4 3 2 3 离散光滑插值算法( d s i ) 2 5 3 3 冬瓜山三维形态模型构建过程2 6 3 4 矿体的三维形态2 6 3 5 其他地质要素的三维形态及相互关系3 l 第四章动力学建模与网格剖分3 2 4 1 动力学数值模拟中网格剖分的必要性3 2 4 2 网格剖分通用算法概述3 2 4 3 地质领域的网格剖分技术3 5 i v 硕士学位论文目录 4 4 复杂建模的具体实现方法3 7 4 5 冬瓜山铜矿的动力学模型的建立基于g o c a d 平台的复杂地质 体系动力学建模3 8 4 5 1 六面体单元的优越性与六面体网格剖分的难点3 8 4 5 2 基于g o c a d 的三维实体建模3 9 4 5 3 接口程序的编制从g o c a d 到f l a c 4 0 4 5 4 岩体穿插地层模式的编程实现4 3 4 5 5 导入与分组f l a c 如有限差分网格的生成4 3 第五章冬瓜山铜矿床动力学模拟4 5 5 1f l a c 3 0 软件简介4 5 5 1 1f l a c 软件用于数值计算的优点4 5 5 1 2f l a c 3 0 求解问题的流程4 5 5 2 模型的建立与模拟条件4 6 5 2 1 模型的建立与参数选择4 6 5 2 2 模型的边界条件和初始条件4 7 5 3 模拟的结果与意义分析4 8 第六章结论5 3 参考文献5 4 致谢5 9 攻读学位期间主要的研究成果6 0 v 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于刘亮明教授的国家自然科学基金项目“浅成岩体接触带耦合多 相系统动力学计算模拟及其成矿作用分析”。 1 2 选题依据及研究意义 地质系统是一个复杂的时空体系，地质要素和地质过程之间的非线性相互作 用在时间和空间的多重标度上持续叠加引发了地质系统的自组织过程，在这个过 程中涌现出的地质系统整体性状、结构和动力学行为的复杂性是地质研究的基本 问题【。 随着全国范围内地表矿和浅部矿的大致探明，深部矿和隐伏矿的探寻成为当 前矿产勘察的热点，这就要求提高对地下深部地质体空间定位的准确度，加深对 与成矿相关的地质过程的认识，而传统的地质研究方法显然难以做到这一点，以 致无法充分揭示勘察区域内地质要素的特征及其时空演化规律，这也成为了制约 成矿理论预测能力的主要因素之一【2 j 。 从本质上来说，地质系统的研究对象可以分为两类：空间维度的地质要素和 时间维度的地质过程。但无论是从时间维度还是空间维度上看，传统的地质研究 方法都在存在着一定的局限性，新的研究方法和技术的引入迫在眉睫。当代计算 机技术的迅速发展及其逐渐融入地学领域，为地质研究提供了一种崭新的思路： 一方面，计算机图形学和图像处理技术日趋成熟，催生了地质三维建模技术，使 得复杂的空间地质要素能够在计算机上三维立体呈现；另一方面，数值计算理论 的发展和商业化数值模拟软件的出现，为在地学领域展开动力学数值模拟提供了 便利的条件，从而能够深入了解地质过程的作用机制和演化规律。 冬瓜山铜矿是铜陵矿集区乃至长江中下游地区规模和埋深最大的铜矿床，对 其进行三维形态模拟和动力学数值计算，可以增强对矿体与相关地质要素的形态 及相互关系的理解，深入地了解其成矿机制和演化过程，为矿山生产和隐伏矿体 的探寻提供有价值的参考。 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 从空间维度研究地质系统三维形态模拟的研究现状和发展 趋势 1 ) 传统的地质空间体系研究方法的局限性 地质体通常是由形状各异的各结构面围限而成的不规则体，赋存于一定的地 质环境中，遭受过多期次的变形和破坏，造成了其本身形态非常复杂，而且各种 不整合面、断层、岩层相互穿插等地质现象更增加了地质体系的空间复杂程度。 对地质空间体系的研究，传统的方法都是依据已获取的地质数据或者二维的 图件，两者都存在很大的局限：地质数据往往都是有限、散乱、分布稀疏的点数 据，不能真实可靠地反映连续的地质体，而且很多时候地质数据都是海量的，很 难进行人工处理和定量化的分析。以最常用的钻孔数据为例，一方面钻孔数据只 能大致反应垂向上的地质属性变化，从水平上来看，这些数据都是不连续的，另 一方面一个钻孔可能有上万个点数据，而每个点数据又有多个属性值，而区域内 有多个钻孔，如此大的信息量，用传统的方法进行分析势必耗日持久。二维图件 能比较直观地反映某个剖面上的地质体特征，但对空间层面的起伏变化描述性 差，难以获知地质体之间的相互关系，也很难把握住整个复杂的地质系统的全局 特征。 2 ) 地质三维形态模拟 为了克服传统方法的巨大局限，随着计算机技术的迅速发展和图形图像学理 论的日趋完善，一种研究地质空间体系的新方法应运而生三维地质形态模 拟。三维形态模拟包括三方面的内容：首先利用各种原始的地质数据，借助相关 软件的帮助在计算机中建立能反映地质体真实形态和相互间关系的三维模型，之 后通过计算机图形学和图像处理技术，将模型数据转化成图像显示出来，最后实 现对地质模型的三维空间交互操作，如旋转、缩放、剖切等。 三维地质建模是由加拿大的s i m o nw h o u l d i n g 于1 9 9 4 年提出的【3 】，是结合 了计算机图形图像学、科学可视化、数据结构、空间信息管理、地质统计学、地 质解译等多种学科而产生的新技术，与传统的地质分析方法相比，三维形态模拟 最大的优点就是直观和准确，不仅能形象地显示地质体的形态和内部结构，还能 准确地反映各地质体的空间关系。 3 ) 国内外三维地质建模的发展现状 目前国内外在三维地质建模方面的研究进展主要体现在两个方面：( 1 ) 研 究空间数据结构模型。( 2 ) 研究三维地质建模方法的具体实现。 三维空间数据结构模型是整个三维建模的核心，地质系统复杂多变，存在着 诸如点( 如钻孔点数据等) 、线( 地形等高线等) 、面( 地层界面、断层面等) 、 2 硕士学位论文第一章绪论 体( 矿体、岩体等) 等多种类型的构造和属性表现形式，如何将这些表现形式截 然不同的外部特征转化成可以在同一系统内表达的数据结构模型，一直是地质三 维建模的一个难点。经过多年的研究，出现了多种应用于三维地质建模的数据结 构，李清泉等【4 1 将其归为三类：基于栅格的数据模型、基于矢量的数据模型和混 合结构的数据模。一般来说，基于栅格的数据模型较规则，有利于进行空间分析， 但图形输出效率较低；基于矢量的数据图形输出效率高，而且在结构和表达精度 等方面优于栅格模型，因此在三维地质建模中应用较广泛。 表1 - 1 三维建模方法分类( 据昊立新【5 1 ) 面模型( f a c i a lm o d e l )体模型( v o l u m e t r i cm o d e l )混合模型( m i x e d 规则体元非规则体元m o d e l ) 不规则三角网( t i n )结构实体几 金 字塔t i n c s g 混合 何( c s g )( p y r a m i d ) 格网( g r i d ) 规则块体四面体格网t i n o c t r e e 混合或 ( r e g u l a r( t e n )h y b i r d 模型 b l o c k ) 边界表示模型( b - r e p )体素( v o x e l )地质细胞o c t r e e t e n 混合 ( g e o c e l l u l a r ) 断面( s e c t i o n ) 针体三棱柱( t p ) w i r e f r a m e b l o c k 混合 ( n e e d l e ) 断面三角网混合八叉树广义三棱柱 ( s e c t i o n - t i nm i x e d )( o c t r e e )( g t p ) 线框( w i r ef r a m e ) 或相 3 dv o r o n o i 图 连切片( l i n k e ds l i c e ) 多层d e m s非规则块体 ( i r r e g u l a r b l o c k ) 实体( s o l i d ) 三维建模的方法可以归纳为基于面模型法、基于体模型法和基于混合模型法 ( 表1 - 1 ) 【5 j 。基于面模型的建模采用面元对地质体的表面进行连续或者非连续 的形态模拟，而不研究对象的内部特征。如不规则三角网( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a r n e t w o r k s ，简称t i n ) 可以将空间中各种散乱的点通过一定规则构建成曲面，其 中应用最为广泛的是d e l a u n a y 三角网；而数据高程模型( d i g i t a le l e v a t i o n m o d e l ，简称d e m ) 是一定范围内规则格网点的平面坐标( x ，y ) 及其高程( z ) 3 硕士学位论文 第一章绪论 的数据集，通过多层d e m 相连可以建立相应的地质曲面。基于体模型的建模采 用体元对地质体内部空间进行实体剖分，并可以赋予属性，这种建模方法不仅可 以描述地质体的表面形态特征，还能对内部特征进行空间分析。根据体元的规整 程度可分为规则体元和非规则体元，规则体元一般用于概念化的建模，而非规则 体元则用于具有地质约束，面向地质实体的三维建模。混合模型法就是结合面元 模型和体元模型的优点的一种建模方法，由于结构混杂等问题，面前应用于具体 建模还存在很大的困难。 近十几年来，国内外学者在三维地质建模方面展开了深入的研究。1 9 9 4 年 s i m o nw h o u l d i n g t 3 】最早提出三维地学建模( 3 dg e o s c i e n c e sm o d e l i n g ) 的概念，并 提出了基于三棱柱模型构建层状地质体；m a l l e tj l 1 6 , 7 】提出了离散光滑插值 ( d i s c r e t es m o o t hi n t e r p o l a t i o n ，简称d s i ) 技术，该技术已经成为g o c a d 软件 的核心技术，特别适合用于模拟地质体和其他自然物体；毛先成【8 】以大厂锡多金 属矿床为研究对象，通过地质体和地质场的三维数字化建模，建立了地质控矿作 用指标变量到矿化分布指标变量映射关系的矿化数字模型，并对矿化分布进行了 定量预测；朱良峰等1 9 设计了一种基于边界表示、面向地质实体并兼顾拓扑关系 的三维矢量数据模型，提出了断层与地层的统一构建技术；曾新平等f 1 0 】采用带 约束的d e l a u n a y 剖分法建立了西部某铜矿的三维可视化模型；王纯祥等【1 1 】通过 多层d e m s 法和地层面拟合函数，建立了三维地层模型并开发了基本的可视化 功能；张宝一等【l2 j 采用了基于不规则三角网( t i n ) 建模法构建了矿体的表面， 并提出了矿体尖灭和分支的处理方法，建立了矿体的三维模型；李培军f 1 3 】利用 离散数据点插值实现了层状地质体的三维建模，并分析了褶皱、断层等复杂地质 体的建模实现手段；吴立新等【1 4 , 1 5 】对广义三棱柱模型( g t p ) 进行了修正和扩展， 兼顾地质体的地学特征、几何形态和拓扑关系，提出了一种基于g t p 的地质实 体模型；武强等【l6 】提出了一种基于面扩展的快速d e l a u n a y 四面体网格生成的分 治算法，可以生成和地质体边界相一致的四面体模型。 4 ) 三维建模软件概述 2 0 世纪8 0 年代以来，各国研制了多款专业的地质建模软件，随着各种建模 技术日趋完善，地质建模软件在研究和工程领域发挥着越来越重要的作用。目前 主流的地质建模软件有g o c a d 、e a r t h v i s i o n 、g e ot o o l k i t 、g e o f r a m e 、b a s i n 、 l y n x 、e a r t h c u b e 等。 g o c a d 是由法国n a n c y 理工大学开发，e a r t hd e c i s i o ns c i e n c e s 推出的以工 作流程为核心的新一代建模软件，该软件以m a l l e t 教授提出的离散光滑插值技 术为核心，可以完成点、面、体的全方位建模，并拥有全三维、全拓扑的强大交 互操作功能，该软件可以显著提高地质建模的效率和精度，完成对各种复杂地质 4 硕士学位论文 第一章绪论 体的建模i l 刀。本文即采用g o c a d 进行地质形态和实体建模。e a r t h v i s i o n 是美 国d y n a m i cg r a p h i c s 公司研制开发的地质建模软件，目前主要用于建立油田的三 维地质模型。该软件可以较精准地描述地层和断层的几何形态和相互关系，精确 计算油田储量，优化井位的布置等。e a r t h v i s i o n 的优点在于自动化程度高，对复 杂地质体的建模能力强【l 引。g e o f r a m e 是由s c h l u m b e r g e r 公司开发的主要用于石 油地质领域的地学软件平台，该软件通过集成地球物理、岩石物理和其他地质实 测数据生成三维地质模型，并通过修改曲面等值线来优化模型【1 9 】。 5 ) 三维地质建模的发展趋势 ( 1 ) 由模拟简单地质体向模拟复杂地质体转变。目前的地质三维建模成果 主要集中于构建简单的层状地质体，对于某些复杂的地质体，如断层、褶皱、透 镜体等的建模研究开展得不够深入。特别是对于断层的模拟，是复杂地质体建模 最大的难点。断层的建模有两大难处：一是断层与其他地质体间的空间拓扑关系 复杂，二是断层造成了两侧地层的不连续，这些都是目前的主流建模方法难以完 善解决的问题【9 1 。展开复杂地质体的建模研究，最终实现任意地质体的自由建模， 是未来地质模拟的重要发展趋势。 ( 2 ) 完善空间数据结构，设计开发出规范化的面向地质系统的数据结构。 目前没有出现一种可以普遍应用于地质建模的成熟的空间数据结构，对于此方面 的研究由来已久，对于混合数据模型的研究是当下值得关注的发展方向。 ( 3 ) 建模的智能化、自动化。不管是自行研制地质建模系统还是采用商业 建模软件，目前的三维地质建模的过程还是人为参与程度较高的过程，建成的模 型的优劣，很大程度上取决于建模人员的经验与操作水平。实现建模智能化、自 动化一直是地质建模系统研发人员的目标。 ( 4 ) 开发出更加强大的三维交互可视化工具。对模型进行三维交互操作是 进行地质分析的基础和前提，当下许多建模软件这方面的功能不够完善，特别是 对地质体进行任意面的剖切，以及分层次显示地质体内部结构等方面。因此需要 开发出更全面、功能更强大的三维交互可视化工具，以满足用户全方位的分析需 求【1 3 l 。 1 4 从时间维度研究地质系统成矿动力学数值模拟研究现状和 发展趋势 1 ) 成矿系统的数值模拟 成矿系统是一个复杂的动力学系统，涉及到力、热、流体、化学反应之间的 多过程非线性耦合：流体在地壳中的流动过程，地热热流在地壳中的传递过程， 成矿物质在地壳中的传输过程，以及成矿物质之间在传输过程中的化学反应过 5 硕士学位论文第一章绪论 程，任何一个过程都有会影响到其他的过程，如流体的压力的变化肯定会影响到 固体岩石的变形破裂和矿物的溶解沉淀，固体岩石的变形破裂和矿物溶解沉淀 又会改变孔隙度和渗透率等，进而影响流体的压力和流体运移【2 0 ，2 ，成矿作用实 际上是这些过程全反馈耦合的结果，矿体的形成实际上是它们之间耦合机制相互 强化使得成矿速率在一个位置的一段时间内达到了最优化【2 2 】。 传统方法对于成矿系统的研究仅仅停留在经验性和描述性为主的矿床特征 归纳、成因分类和理论推演上，缺乏有效地手段再现成矿系统的形成与演化，而 成矿体系中的非线性动力学方程也无法通过解析方法求解。于是数值模拟成为了 解决这一问题的最有效的方法。数值模拟已经成为继理论研究和实验研究之后的 第三种研究手段，通过数值模拟可以验证各种成矿理论，可以阐明和再现复杂地 质系统的时空演化1 2 3 1 ，数值模拟的出现及应用，推动了以经验性及描述性为基 本研究方法的传统地球科学向以预测性的定量分析为目标，以现代计算科学和计 算力学为基本研究工具的综合性学科转变。 2 ) 数值模拟方法简述 当前数值模拟的方法大体可以分为两大类：基于连续介质的数值方法和基于 不连续介质的数值方法。基于连续介质的数值方法将复杂的物体简化成数学意义 上的连续体来进行模拟计算，这类方法主要有有限元法、有限差分法、边界元法、 无界元法等。有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 的基本思想是将求 解域离散成许多互连的子域，子域由各种剖分的单元组成，对每个单元假定一个 简单的近似解，由这些近似解推导这个域总的满足条件，最终获得问题的解【2 4 1 。 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) 用差分方程近似地替代待求 解的微分方程，从而将求解偏微分方程的问题转化成求解代数方程组的问题。边 界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简称b e m ) 是在有限元法之后出现的的数 值方法，其基本思想与有限元法类似，不同的是边界元法不是在连续域内划分单 元，而是将边界离散化，从而使边界积分方程的求解转化成为代数方程组的求解。 无论是有限元、有限差分还是边界元法，都比较适用于连续介质的数值分析，而 离散元法是由p e t e rc u n d a u 首先提出的，是专门对具有非均质、不连续、大变形 等特点的介质进行计算模拟的数值方法。离散元的基本思想是不连续物体划分为 刚性单元，用时步迭代的方法求解刚性单元的运动方程，进而获得整个不连续体 的运动状态【2 5 】。从应用范围来看，由于求解精度高和对复杂物体的适应性强， 有限元法已经成为应用最广泛的工程分析手段之一，离散元法虽然在求解不连续 介质的非线性问题上有着自身的优势，但由于在计算精度、理论算法研究和自适 应建模等方面与有限元法尚有差距，目前应用面较窄。已有学者试着结合各种数 值分析方法的优点，耦合多种数值方法进行模拟1 2 6 , 2 7 1 。 6 硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 成矿动力学数值模拟的研究现状 计算模拟已经成为研究复杂系统不可或缺的工具，通过计算模拟进行科学研 究已经发展成为一个崭新的学科一计算科学( c o m p u t a t i o n a ls c i e n c e ) 。美国政府 认为计算科学将成为2 1 世纪科学的第三极，必须优先发展【2 8 l ；澳大利亚国家科 学院组建了地球动力学联合研究中心和预测性矿物勘探联合研究中心，将动力学 数值模拟作为主要的研究手段，初步创立了计算地球科学的基础理论体系，并在 实践中解决了众多地学问题【2 9 j ；中国科学院近年来也在计算科学领域开展了一 系列研究，取得了一定的成果。国内外的学者在这一领域开展了许多卓有成效的 工作。h o b b s 等【冽探讨了成矿系统中矿化速率与温度、流体、化学反应之间的关 系，并得出大矿体的形成必定是成矿速率在力热流体之间耦合机制相互强化过 程中达到最优的结论；c h o n g b i nz h a o 等【2 9 , 3 0 】采用了有限元的方法，实现了地质 系统中七类耦合问题的计算模拟，研究了强透水性三维断层中等距成矿分布的动 力学机制，并探讨了计算地球科学研究方法在地学领域的广阔应用前景和在揭示 地质现象动力学机制过程中发挥的巨大作用；刘亮明等【2 1 】等用数值模拟的方法 探讨了浅成岩体冷却过程中接触带上汇流扩容空间对矽卡岩矿体的控制，研究了 凤凰山铜矿新屋里岩体同变形冷却过程中的力热一流耦合作用，得出了扩容控制 矿体的位置和规模的结论，并预测了隐伏矿体的位置。谭凯旋等【3 2 】用有限元的 方法，研究了在反应输送力学耦合作用下构造流体一成矿体系的动力学过程和 主要变量的时空演化，并应用递增应力流变学公式来综合多过程耦合中的流体、 矿物和热体系；邓军等【3 3 】对六种类型的剪切带构造流体一成矿系统进行了流体输 运化学反应耦合动力学计算模拟，通过计算结果对比为剪切带构造成矿理论提 供了有力的支持。 4 ) 目前主要的计算模拟软件简介 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a ) 美国i t a s c a 公司开发一款以显 式有限差分法( e x p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c e ) 进行连续介质物理作用模拟的商业软件。 f l a c 的基本原理和算法与离散元相似，但它却像有限元那样适用于多种材料的 模拟和边界条件非规则区域的连续问题求解。f l a c 适用于模拟岩土材料的高度 非线性、不可逆剪切破坏和压密、蠕变、孔隙介质的力热流耦合及其他动力学 行为瞰3 5 1 。 a n s y s 是由美国a n s y s 公司开发的集结构、流体、声场、电场、磁场分 析于一体的大型通用有限元分析软件。a n s y s 的前处理功能非常强大，具有良 好的接口，能与大部分c a d 软件共享数据，a n s y s 提供了一个优秀的网格划 分工具，能够剖分出美观、计算性良好的实体模型。a n s y s 擅于多场耦合，可 供分析计算的模块包括结构静力学分析、结构非线性分析、流体动力学分析、热 7 硕士学位论文第一章绪论 分析、电磁场分析等【3 6 】。 a b a q u s 是由达索s i m u l i a 公司开发的基于有限元法的通用数值模拟软 件，最为人称道的是其强大的非线性分析能力，a b a q u e 的单元库包含了8 大 类共4 3 3 种单元类型，能很好地进行复杂系统的建模。a b a q u s 可以针对多个 领域的问题进行模拟计算，如质量扩散、热传导、热电耦合分析、岩土力学分析 ( 流体渗透、应力耦合) 等【3 n 。 其他的数值模拟软件还有p f c 2 i ) 3 d 、u d e c 、f i d a p 、c o m s o l 、f l u e n t 等。 5 ) 动力学数值模拟面临的难题和今后的发展趋势 地质领域的动力学数值模拟作为一种尚处于发展阶段的技术方法，还存在着 一些亟待解决的难题： ( 1 ) 计算模型的合理性问题。进行数值模拟首先要建立一个可供计算的模 型。尽管随着建模和剖分技术的不断发展，动力学模型已经可以反映较复杂的地 质情况，但总的来说，目前阶段的动力学模型主要还是理想化了的概念模型。这 种经简化的模型模拟出的结果与实际的地质过程到底有多大的误差，这是目前无 法判断的难题。 ( 2 ) 参数选择和初始条件的合理性问题。地质系统是一个复杂的系统，表 现之一就是对初始条件具有高度敏感的依赖性【l 】，即便是初始条件细微的改变， 也可能导致差异巨大的结果。虽然已有的资料和前人的经验可以帮助我们在适当 的范围内进行参数和初始条件的选择，但依然无法达到高度精确模拟的要求。 ( 3 ) 模拟结果的合理性问题。由于计算模型、初始条件、岩石本构关系和 物理参数等都具有不确定性，对于结果的可靠性不能简单地进行判断，需要通过 多次模拟探讨各种条件的不确定性对于结果的影响。 随着计算机性能的不断提升和各种数值计算理论的发展和完善，计算过程已 经不是计算模拟的主要难题，数值模拟的前处理以及计算结果的显示，成为了当 前数值模拟领域最为关注的问题。数值模拟的发展趋势可概括为以下几个方面： ( 1 ) 从一维、二维模拟向三维模拟发展。之前的数值模拟大都局限于平面， 随着计算机建模能力的逐渐增强，三维模拟必然会成为未来动力学数值模拟的主 流。由此带来的难题是如何构建可以用于计算的三维模型。较之平面内的全自动 网格剖分，目前三维网格剖分技术还远未成熟，特别是计算模拟软件所能提供的 建模能力非常有限。因此，构建三维离散化模型，实现复杂体系的三维动力学模 拟，是未来动力学模拟领域主要的发展趋势之一。 ( 2 ) 从单纯的结构力学计算向多物理场耦合计算发展，由求解线性问题发 展到求解非线性问题。任何一个复杂的系统的形成和演化都是多因素多过程非线 8 硕士学位论文第章绪论 性耦合作用的结果，多场耦合和非线性求解是数值模拟发展的必然趋势，目前数 值模拟已经开始往这个方向发展。 ( 3 ) 增强数据处理功能。目前的数值模拟软件都具有十分良好的图形用户 界面，省却了繁琐的操作，使软件操作人员能把主要精力放在模型的建立和模拟 算法的实现上，但在计算结果的处理环节，尽管数值模拟软件也能输出各类图标， 但依然不能完全满足数据分析的需求，加强这方面的功能，是未来数值模拟软件 发展的一个重要课题。 ( 4 ) 数值计算软件间的合作越来越紧密。由于应用背景、内置算法和功能 模块各异，数值计算软件有各自的优点和软肋，而开发软件是一个长期和艰苦的 过程，势必难以面面俱到。因此，通过增强各软件间数据格式的兼容性，开发更 多更便利的软件接口，利用多种软件的优点进行全方位的计算模拟，也是未来数 值模拟发展的趋势之一。 1 5 论文的主要研究思路 分别从空间和时间维度上研究冬瓜山铜矿床的矿床特征和成矿机制。空间 上，通过原始地质数据，借助专业建模软件，构建了矿区的三维地质模型，理清 了各地质要素之间关系，并着重研究了矿体的三维形态变化规律；时间上，通过 动力学建模，将实体模型导入到f l a c 3 d 中进行力热一流体耦合动力学计算，根 据结果分析了成矿的动力学机制。 1 6 论文完成的工作量及取得的主要成果 1 6 1 完成工作量 论文完成的工作量主要包括如下6 个方面： 1 ) 地质调查：2 0 0 8 年7 8 月在冬瓜山铜矿进行坑道地质调查，工作时3 0 天。 2 ) 勘探数据及图件的整理：按照g o c a d 的规范，对冬瓜山铜矿床的1 2 条勘探剖面的图件进行系统整理。工作时间：2 周。 3 ) 三维地质建模及分析：利用勘探资料在g o c a d 平台上建立了矿体及相 关地质要素的三维模型。工作时间：2 周。 4 ) 网格转换程序的编制：利用v i s u a l b a s i e 语言编制g o c a d 的s 伽d 网格 转化成f l a c 3 d 六面体网格的转换程序。工作时间：2 0 0 工作时。 5 ) 动力学建模与模拟计算：以f l a c 3 d 为平台，建立了冬瓜山铜矿床成矿 岩体同构造冷却力热流耦合动力学模型并进行了时间控制的计算，共计算5 0 0 9 硕士学位论文第一章绪论 机时( 包括试算) 。 6 ) 综合研究：结合冬瓜山铜矿的野外地质特征、三维模型所展示的矿体的 形态特征及其与其他地质要素间的关系以及力热流耦合动力学计算模拟结果， 分析了成矿动力学机制以及控矿因素。 1 6 2 取得的成果 论文共取得了如下4 个方面的研究成果： 1 ) 通过三维建模及可视化，展示了矿体的三维形态及其与其他地质要素之 间的空间关系，发现了矿体受背斜构造和岩体的双重控制。 2 ) 系统总结了三维网格剖分通用算法，分析了网格剖分技术在地学领域的 研究现状和发展前景。 3 ) 编制了从g o c a d 的s g r i d 网格转化成f l a c 3 d 的六面体剖分网格接口 程序，实现了复杂实体地质模型向f l a c 3 d 模型的转化，并将此方法成功地应用 于冬瓜山铜矿床的动力学建模。 4 ) 动力学计算模拟结果显示，冬瓜山矿床的形成与岩体同构造冷却过程耦 合动力学作用密切相关，力热流耦合作用在中下石炭统的碳酸盐岩中形成汇流 扩容带，为层控矿体的形成创造了有利的条件。 1 0 硕士学位论文 第二章地质背景