文摘
钨锰铁矿是主要的矿石矿物在南岭山脉的脉型钨存款,这是一个世界级的钨。争议多钨锰铁矿是沉淀在这些存款,还没有人研究了链接的机械过程流体流动和矿化。使用有限元素数值实验调查的影响水力压裂过程的流体流动和溶解度有限公司2和石英。氯化钠水溶液流体,流体压力是唯一的变量控制的溶解度有限公司2和石英的数值实验。重要的流体压力波动和高速热液脉发现一旦破碎岩石高压液体。流体压降引起的水力压裂可能导致减少了9%的石英溶解性。如此大量的石英沉积可能不会导致岩石渗透率明显降低。水力压裂后的流体压力降低也会降低溶解度有限公司2增加36%,博士因为pH值的增加将导致一个主要钨的溶解度降低,流体压力下降伴随着水力压裂过程促进钨锰铁矿降水。我们的数值实验提供洞察机制诱发钨锰铁矿在南岭钨存款范围以及其他金属的溶解性强烈依赖于pH值。
1。介绍
南岭山脉在中国南方是一个世界级的钨省(1]。在脉型钨钨锰铁矿是主要的矿石矿物沉积在这个领域(2]。矿石形成过程的一个有争议的问题上是如何沉淀钨锰铁矿。三个机制提出了流体包裹体和稳定同位素分析导致钨锰铁矿沉积:流体混合、简单的冷却,流体不混溶性(3- - - - - -11]。然而,岩浆热液矿床的形成涉及到复杂的机械和化学过程(12- - - - - -14]。以前的工作没有考虑机械处理矿石形成的链接。
破碎围岩由高压液体从岩浆增加通透性,促进热量和溶质运输(15- - - - - -20.]。这些机械过程也促进化学热液系统的不平衡和控制矿沉积(21,22]。南岭钨存款的范围内,流体包裹体记录流体压力波动引起的水力压裂法(5,6,23,24]。因此,了解水力压裂可能阐明钨锰铁矿沉积。
本研究分为三个部分。我们首先介绍了地质背景的脉型钨存款在南岭山脉。根据地质和地球化学特征,然后建立数值模型并研究了影响水力压裂过程的流体流动和溶解的二氧化碳(有限公司2)和石英。最后,我们讨论了影响水力压裂过程的热液流和钨成矿。
2。地质背景南岭钨存款的范围
南岭山脉的脉型钨存款日期的年龄范围160 ~ 150 Ma和基因与大陆地壳重熔型花岗岩类岩石在侏罗纪到白垩纪(J2- k2)[1,25,26]。矿化静脉存在附近的屋顶埋碱性长石花岗岩带和扩展的深度1000米(27]。钨锰铁矿是主要的矿石矿物在静脉(图1)和脉石矿物有石英、长石、莫斯科、方解石、电气石(2]。
氢、氧、碳、硫同位素数据表明,矿石液体有岩浆成因的主要成矿阶段,然后在晚期(与大气水混合29日]。NaCl-H矿化液2O±有限公司2系统与少量的公司,CH4N2,和H2。流体包裹体被困矿和计矿物质均化温度从160°C到390°C和盐度从1到10 wt。%氯化钠等价的。记录的成矿压力流体包裹体在20 ~ 160 MPa范围75 ~ 160 MPa的最大射程(3,5,6,9,10,23,24,30.- - - - - -32]。硅酸盐熔体包裹体钨锰铁矿和浅绿色的均一化温度高达700°C和均化160 ~ 200 MPa的压力(33]。
以前的结构分析静脉数组在南岭钨存款范围表明,高压液体引发裂缝起始和传播34- - - - - -36]。高压流体和压力波动也记录下流体包裹体(5,6,23,24]。玻利亚[律37)提出,水力压裂后压力下降导致钨锰铁矿降水从热液的解决方案有两个原因。一个原因是,钨锰铁矿溶解度与压力有关的。这个原因从定量溶解度计算得出。另一个原因来自于定性分析,流体压力的戏剧性的减少可能导致H2O-CO2不混溶性和增加博士热力学模型由木头和参孙(38]表明,钨锰铁矿溶度只是弱依赖压力;因此,木材和参孙的模型与聚的第一个原因。木头和参孙的模型支持有限公司2损失减少钨溶解度因为钨溶解度是强烈依赖于pH值,但他们不考虑压降的影响有限2溶解度和进一步对钨溶解度的影响。因此,有必要检查链接的水力压裂后压降有限公司2溶解度。在接下来的章节中,有限元素数值实验是用来量化的影响水力压裂过程的流体流动和溶解度有限公司2和石英。
3所示。数值模拟南岭钨存款的范围
3.1。流体力学的理论
首先合成了水力压裂力学哈伯特和威利斯39利用有效应力的概念。人工水力压裂技术已成功开发石油和天然气储层增产;因此,我们的大多数知识水力压裂来自这些领域(40- - - - - -42]。
水力压裂是一个fluid-to-solid耦合,改变流体压力或流体质量改变多孔材料的体积和生产菌株43]。几个概念模型提出了了解水力压裂是形成热液静脉(44- - - - - -49]。也有许多发达澄清水力压裂数值模型和进一步的热液流在岩浆热液系统(12,13,16,19,50- - - - - -56]。然而,许多这些模型不能解决岩石变形的本构关系;因此,水力压裂过程不是捕获。
岩石变形和流体流动的耦合研究是由多孔弹性本构方程,连续性方程和达西定律57]。这些偏微分方程组解决了熊猫。熊猫是一种有限元素的超级计算机模拟和应用研究耦合hydraulic-thermal-mechanical行为在活断层系统中,地热水库、和矿石的形成28,58- - - - - -65年]。
各种收益率标准植入熊猫包括最大拉应力准则和Drucker-Prager标准(66年]本文使用。这三个原则强调 满足不等式: 。积极的正常压力意味着压缩和消极的正常压力表示紧张。外延的失败是一旦产生拉伸应力超过了单轴拉伸屈服强度最小原则。张性断裂是正常的和一致的。剪切裂缝产生当剪应力达到剪切强度。剪切破坏和外延的失败形成一个各向异性渗透率张量。
3.2。关键假设
以下假设是进行数值试验在一个合理的计算成本:(1)高温没有改变岩石本构关系。岩石的变形机制的变化从脆韧性400°C (21,67年]。背景温度为350°C是在模型中设置。假设这个温度不会改变政权从脆韧性变形。(2)热液流体是由恒压。突然的时间尺度岩石变形和裂纹萌生明显小于其他矿石的子集形成过程(68年]。人们认为岩浆流体供应其流体压力保持在恒定水平。(3)热传输不是模拟器代码,因为计算的温度场在短时间尺度压裂会改变小。(4)模型是在深深度和流体单相;否则,流体可能在浅深度(两阶段51]。
3.3。一个二维数值模型南岭钨存款的范围
二维数值模型4公里的深度是建立结构和地球化学特征的基础上在南岭钨存款范围。这个深度确定钨成矿压力的存款(见部分2)。这个深度也是许多典型的侵位深度tungsten-tin和含铜斑岩系统其他地方(15,19,69年- - - - - -71年]。模型只有一个单元大小为100×100(图2)。设在代表了静脉和取向正常设在是垂直的。岩石模型离散成39200和59643节点(图元素3)。部分接近流体来源有很多细网格模型的其他部分。
数值实验的操作有两个步骤。在第一步,垂直100 MPa的压力加载顶部和60 MPa的水平应力加载模型的左右。垂直底部固定。假设地面坡度25 MPa /公里,这些边界条件形成一个初始张性应力场在4公里的深度。在第二步,加载应力在第一步被移除,但举行了位移边界条件。在这一步中,流体压力200 MPa是固定在底部代表高压液体从岩浆释放深度。40 MPa的初始流体压力将形成一个初始压力场在4公里的深度假设静水压力梯度10 MPa /公里。表1显示了岩石的液压和机械参数。流体密度、粘度和压缩性的氯化钠溶液在350°C的温度与盐度10 wt。%氯化钠相当于从实证模型复制(64年,72年]。矿化静脉在南岭钨存款范围由变质砂岩和板岩,花岗岩(73年,74年]。砂岩和花岗岩的力学参数(75年)在模型中使用。一个参考点选择的进化压力和流体流动在水力压裂(图3)。
流体压力是唯一的变量控制的溶解度有限公司2在模型中,石英。这是一个有争议的问题是否矿化流体控制有限公司2在南岭钨存款范围。公司的存在2标识在衡量矿物质像石英流体包裹体,水苍玉,黄玉能反映早期成矿阶段的温度和盐度条件(6,10,11,76年,77年]。相比之下,流体包裹体的红外显微温度学钨锰铁矿表明NaCl-H矿化液2O系统(3,4,9,11]。高浓度的W、锰和铁在石英中流体包裹体(78年]。这表明石英中的流体包裹体已经被困在矿化液矿化阶段,虽然被困在石英矿化液是否相同与钨锰铁矿仍是神秘的。因此,石英中流体包裹体的结果仍有一定的参考价值和有限公司2仍被认为是参与钨成矿控制pH值。
4所示。结果
强调原则( )参考点减少为高压液体飞进母岩(图4)。压力(最小原则)参考点达到极大值原理时的抗拉强度在7.7秒后压力( MPa)还是抗压和应力差是18 MPa。在熊猫,压力成为零一旦他们达到剪切或扩展强度。
参考点的流体压力不断增加,收益率(图前的流体速度逐渐下降5)。拉伸断裂的渗透性增加的参考点和造成大幅减少流体压力从168 MPa 148 MPa。流体速度显著增加大约0.09 m / s。之后,也有几个较小的流体压力和速度波动参考点因为周围的节点是断裂的。流体压力下降到115 MPa,流体速度增加到0.004米/秒的持续波动。
中的溶解度模型(79年)是用来计算有限公司2氯化钠水溶液中溶解度。因为公司2氯化钠水溶液中溶解度随流体压力在350°C的温度,在水力压裂流体压力波动类似的变化对公司造成的2溶解度(图6)。有限公司2溶解度的参考点之前到达11摩尔/公斤产量和降低水力压裂后7摩尔/公斤。
(一)
(b)
石英的主要衡量矿产的脉型钨存款(2]。其溶解和沉淀改变岩石渗透率,从而影响流体流动和传热的热液系统(80年- - - - - -85年]。Akinfiev提出的预测模型和钻石86年)是用来计算石英氯化钠水溶液中溶解度。图7显示,溶解度的石英在氯化钠水溶液流体压力增加而增大。从0.0248摩尔/公斤石英溶解度下降到0.0226摩尔/公斤在水力压裂。
(一)
(b)
5。讨论
5.1。对比数值试验和格里菲斯准则
在数值实验中,当应力达到最小原则扩展失效形式的抗拉强度和应力差小于四倍的抗拉强度。这是符合格里菲斯准则对扩展失败(88年- - - - - -90年]。
5.2。影响水力压裂流体和矿石沉淀
在数值实验中,高压液体低渗透性岩石裂缝,提高其在当地的渗透率。这允许瞬态高速热液流。这些流体脉冲也被其他数值模型(22,50,52,91年,92年]。
石英结晶后骨折开放可以减少岩石渗透率和改变岩石强度(87年,93年- - - - - -95年]。在数值实验中,水力压裂后的石英溶解性降低了9%。如此大量的石英降水可能不足以显著降低岩石渗透率。其他因素如流量和过度饱和可以纳入模型的进一步改进96年- - - - - -98年]。
流体压力和速度波动反复一旦发生水力压裂数值实验。这可能促进化学不平衡,导致矿物沉积反应(99年,One hundred.]。钨溶解性弱依赖于流体压力(38]。然而,在水力压裂过程中流体压降降低有限公司2溶解性明显。这可能导致的泡沫有限公司2pH值和增加和促进矿石钨锰铁矿和锡石的沉淀37,101年- - - - - -109年]。因此,流体压降随水力压裂是一个触发增加pH值和可能导致钨锰铁矿降水在南岭钨存款范围。木材和参孙38)不考虑压降的关联公司2损失,进一步影响钨溶解度的热力学模型。我们的数值实验提供一个补充他们的模型。
流体不混容性特征是有限公司2逃避是记录下石英中的流体包裹体,水苍玉,黄玉在南岭钨存款范围(6,10,11,76年,77年]。然而,证据表明流体包裹体中流体不混溶性尚未发现在钨锰铁矿3]。NaCl-H非混相流体的相分离2O±有限公司2系统更难发生在更深层次比在较浅的层次110年]。相对深侵位相分离的可能是一个重要原因是罕见的脉型钨存款在南岭山脉(23]。
流体混合和简单的冷却也提出导致钨锰铁矿沉积在南岭钨存款范围(3,9]。最近报道,铁钨锰铁矿母岩是决定性的贡献(FeWO居多4)降水在葡萄牙Panasqueira存款111年]。这些钨沉积机制并不矛盾结果的数值实验。水力压裂裂缝不透水岩石和创建渠道后传热和热液流体和寄主岩石之间的反应,这可能会持续更长的时间尺度(49,112年]。我们的数值实验并没有排除其他可能的机制钨锰铁矿降水在南岭钨存款范围。
5.3。水力压裂和侵位深度估计
记录的流体压力流体包裹体通常用来估计矿床的侵位深度(113年- - - - - -116年]。然而,它是不确定是否这些压力静岩或静水117年]。Engelder [118年]分析了断裂力学和流体包裹体之间的联系气压测定法。在数值实验中,底部的固定压力高于记录的压力流体包裹体。流体压力前后水力压裂superlithostatic 4公里的深度。实际上,水力压裂是因为压力梯度变化的体积多孔材料并创建菌株(43]。因此,水力压裂取决于初始应力场,断层的存在,流体压力。流体压力非常动态加上岩石变形。考虑到流体包裹体可以记录一些水力压裂压力后,模型的流体压力固定底部高于那些记录在流体包裹体。也需要一些提醒之前计算的侵位深度记录下流体包裹体流体压力。精致的组合模型和流体包裹体研究可能提供更好的约束对矿床的侵位深度。
6。结论
沉淀的机制钨锰铁矿是最有争议的问题之一在矿石形成过程在南岭钨存款范围。以前的研究集中在流体包裹体和稳定同位素分析,但还没有人评价的影响机械流体和成矿过程。假设流体压力是唯一的变量影响溶解度有限公司2和石英,我们调查的影响水力压裂过程的流体流动和溶解度有限公司2通过使用有限元素数值实验和石英。数值实验对沉淀的机制提供以下影响钨锰铁矿在南岭钨存款范围:(1)岩石在短时间内可以通过高压液体断裂规模。这种水力压裂是紧随其后的是重要的流体压力波动和高速热液脉。(2)在水力压裂过程中流体压力下降可能导致减少了9%的石英溶解性。如此大量的石英结晶可能不会导致岩石渗透率明显降低。(3)水力压裂后的流体压力降低可以减少有限公司2溶解度增加36%,博士因为钨溶解性强烈负相关的pH值、流体压降随水力压裂有利于钨锰铁矿降水。(4)数值实验提供洞察机制诱发钨锰铁矿在南岭钨存款范围以及其他金属的溶解性强烈依赖于pH值。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
支持的工作是财务资助来自中国国家自然科学基金(41602088和41602088),澳大利亚研究理事会(ARC DP150103467),高钙非营利行业研究项目(201411024)。作者要感谢毛泽东大连实德提供有限的代码2溶解度和太阳鲁伊回答查询。数值实验进行了通过运行稀树大草原上的熊猫软件超级计算机在昆士兰大学的。使用软件的石英溶解度计算LonerAP下载http://fluids.unileoben.ac.at/Computer.html。