成矿期构造应力场有限元数值模拟在成矿预测中的应用

2018-01-12王自国白维灿

中国煤炭地质 2017年12期

王自国，白维灿

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.中煤地质工程总公司，北京 100040)

构造变形在地壳中的分布具有一定的规律，这种规律性构造应力场受岩石力学性质控制。构造应力场的有限元法模拟直接建立在地质实际基础之上，是实现构造应力场从定性描述到定量半定量计算的有效方法。在研究区域控矿构造特征，特别是成矿期构造特征的基础上，建立了研究区地质实体的离散化模型，模拟出研究区成矿期构造应力场，从而为成矿预测提供有价值的信息。

前孙家金矿和金华山金矿隶属于山东省招远市蚕庄镇，位于前孙家—洼孙家断裂带的南段，本文以这两个金矿为例，对上述两金矿区进行了成矿期构造应力场数值模拟。

1 区域应力场与研究区成矿期应力场

对于胶东地区的构造变形研究表明，跟金矿化有关的各种构造形迹主要是在燕山期形成的。胶东西北部燕山期形成的主要控矿断裂带，早期在NW-SE向构造应力挤压下，均表现为韧性挤压；而燕山中晚期，区域最大主压应力转为NE-SW向，在构造抬升、岩浆冷却以及NE向构造挤压作用下，三山岛断裂、招平断裂和焦家断裂由韧性变形转为以张性、脆性变形为主，为后期含金热液上升提供了通道。NE向最大主应力作用下形成的NEE、NNE向的张性断裂是胶东西北部主要的容矿构造。

在大地构造背景为NE-SW向缩短、NW-SE向伸展状态下，胶东西北部金矿成矿时期构造应力场以NW-SE向伸展为主。前孙家金矿床及金华山金矿床是在胶东区域成矿大背景下形成的，受焦家断裂与灵北断裂差异运动的影响而形成近SN向缩短，近EW向伸展的特殊应力场。

2 矿区矿体分布

2.1 前孙家矿区

前孙家矿区主要有2号脉、4号脉、9号脉、新1号脉(图1)。现主要简述2号脉、4号脉及新1号脉特征。

图1 前孙家矿区三中段矿体分布图Figure 1 Orebody distribution in third middle sector, Qiansunjia gold mine

2号脉赋存在前孙家—洼孙家主破碎带上，矿脉走向约NE30°，倾向SE，倾角65°～75°。4号脉主要分布在8-36线，总体走向NE35°左右，倾向NW，倾角55°～72°。新1号脉是在二中段以下发现的一个盲矿体。它赋存于2号脉和4号脉之间，走向近SN，倾向西，倾角较陡，在72°～78°。

2.2 金华山矿区

金华山矿区主要1号脉、2号脉、3号脉、4号脉(图2)。1号脉走向北东10°。总体倾向北西西，局部反倾，倾角72°～78°。2号脉走向南北，倾向西，倾角70°～75°，呈透镜状，向南西侧伏。3号脉走向北北西，倾向南西西，倾角70°左右，呈透镜状，向南西侧伏。矿体走向南北，倾向西，倾角75°～80°。矿体呈长透镜状。

图2 金华山矿区七中段矿体分布图Figure 2 Orebody distributions in seventh middle sector,Jinhuashan gold mine

3 矿区构造应力场的有限元数值模拟

3.1 边界条件的确定

确定边界条件一般要考虑研究对象的范围和边界四周的地质情况，通常取断层面、岩体的边界面等天然面作为边界，也可任取一面为边界。前孙家金矿东西以2号脉断裂和4号脉断裂为界面，南北选一任意界面为边界。使南、西两边固定，在北、东两边的边界上相对加力，为使模型不发生刚体位移，在西南角加一固定约束。金华山金矿南、北以前孙家—洼孙家断裂和其下盘与其平行的断裂为界面，东、西选一任意界面为边界。使南、西两边固定，在北、东两边的边界上相对加力，为使模型不发生刚体位移，在西南角加一固定约束。根据邓军等在该区所测定的成矿期最大主应力方向，前孙家金矿区为325°，金华山金矿区为5°。作用力的大小选一相对应力值。

3.2 岩石力学参数的设定

研究区内主要的岩石类型为玲珑花岗岩和郭家岭花岗闪长岩及断裂构造岩，本文所需的岩石力学参数弹性模量(E)、泊松比(μ)引自邓军，岩石密度(ρ)引自山东省岩土公司(表1)。

表1 岩石力学参数表

3.3 有限单元的划分及模拟

边界线要尽量与构造线、岩体与围岩的接触线、不同力学参数的岩层接触线重合，重点地段加密，次要地段适当放大。三角形单元尽量使其边长近等，避免出现钝角。若边界线是曲线就用几条直线代替曲线作为单元的边。前孙家矿区共划分为396个四边形和三角形，412个结点(图3)。金华山共划分为400个四边形和三角形，411个结点(图4)。

图3 前孙家矿区构造应力场有限元网格划分图Figure 3 Tectonic stress field finite element mesh partition in Qiansunjia gold mine

图4 金华山矿区构造应力场有限元网格划分图Figure 4 Tectonic stress field finite element mesh partition in Jinhuashan gold mine

利用构造应力场有限元数值模拟软件对成矿期构造应力场进行有限元数值模拟，得出成矿期最大张应力分布图(图5、图6)。

图5 前孙家金矿区成矿期最大张应力分布图Figure 5 Metallogenic epoch maximum tensile stress distribution map of Qiansunjia gold mine

图6 金华山金矿区成矿期最大张应力分布图Figure 6 Metallogenic epoch maximum tensile stress distribution map of Jinhuashan gold mine

4 模拟结果的分析

决定应力状态的主要因素是模型的边界条件。因此，探讨和设置真实的或接近真实的边界条件是模拟实验的关键。有时边界条件设置后经过运算，还要通过反演进行调试，使边界条件更接近真实，使模拟的结果与自然界的实际情况相一致。

从前孙家金矿区成矿期最大张应力分布图(图5)可以看出(主要研究2号脉断裂与4号脉断裂所夹持部分)，在2号脉断裂与4号脉断裂之间，应力集中点一部分基本落在新1号的脉断裂的位置，这与实际已知的新1号脉矿体赋存位置基本吻合。另一些应力集中点所落的位置，也连成一条北北东走向的未知断裂(推测断裂)，在此位置，也可能赋存有未知的含矿断裂。

从金华山矿区成矿期最大张应力分布图(图6)可以看出(主要研究前孙家—洼孙家断裂及下盘平行断裂所夹持部分)，在前孙家—洼孙家断裂与下盘平行断裂之间，应力集中点大部分落在实际已知的断裂处，与矿区的1号脉断裂、2号脉断裂、3号脉断裂、4号脉断裂基本相对应，与矿体赋存位置基本吻合。如1号脉断裂的矿体较大，所对应的应力集中区也较大，2、3、4号脉断裂的矿体较小，所对应的应力集中区也较小。另外，一少部分应力集中点所落的位置，根据矿区已知含矿断裂的走向为北北东或南北向，在这里也连成一条北北东向未知断裂(推测断裂1)和一条近南北向的未知断裂(推测断裂2)，推测在此位置也可能赋存有未知的含矿断裂。