CN114547927A - 一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于三维地质建模及数值模拟技术领域，具体涉及一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，包括：步骤S1、收集研究区已有的勘探资料基础数据；步骤S2、三维建模及网格单元划分；步骤S3、成矿过程数值模拟；步骤S4、深部矿产资源预测评价。本发明采用热液成矿过程数值模拟、三维建模及定量预测的方法来开展深部矿产的预测评价，为深部成矿有利信息的提取和矿产预测评价提供了可靠的技术支持，对保障我国矿产资源安全具有重要意义，在深部矿产资源勘查中具有较好的应该前景。

Description

一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法
技术领域
本发明属于三维地质建模及数值模拟技术领域，具体涉及一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法。
背景技术
矿产资源是人类生存和发展的重要物质基础，矿产资源的安全供应，很大程度上取决于矿产勘探技术的发展水平。随着矿产勘查和开发的力度不断加强，地表矿、浅部矿、易识别矿的日益减少，矿产勘查工作正朝着寻找隐伏矿、深部矿、难识别矿的方向转变，找矿难度不断加大。随着找矿深度的增加和勘探工程的减少，可获取的深部成矿有利信息也越来越少。如何利用有限的勘探数据来开展深部矿产的预测评价是我们当前需要解决的技术难点。
由于三维建模及成矿预测能够充分融合多元找矿信息，因此三维建模及定量预测评价方法已成为深部找矿的重要技术手段。而成矿过程数值模拟是研究热液矿床成矿过程的重要技术手段，近些年已有研究人员尝试将其应用于三维成矿预测，但相关研究还在探索，可用于三维预测的数值模拟参数相对较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，采用热液成矿过程数值模拟、三维建模及定量预测的方法来开展深部矿产的预测评价，为深部成矿有利信息的提取和矿产预测评价提供了可靠的技术支持，对保障我国矿产资源安全具有重要意义，在深部矿产资源勘查中具有较好的应该前景。
实现本发明目的的技术方案：
一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、收集研究区已有的勘探资料基础数据；
步骤S2、三维建模及网格单元划分；
步骤S3、成矿过程数值模拟；
步骤S4、深部矿产资源预测评价。
所述步骤S1中的基础数据包括：地形地质图、勘探线剖面图、中段平面图、钻孔数据、地球物理数据、地球化学数据。
所述步骤S2包括：
步骤S21：构建研究区的三维地质模型；
步骤S22：对三维地质模型进行网格单元划分。
所述步骤S21具体为：通过显示建模或隐式建模方法，构建研究区的三维地质模型，构建的三维地质模型能够通过网格化后转换成应用于 FLAC3D软件的.flac3D文件格式。
所述步骤S22具体为：建立研究区的块体模型、并建立各地质体的属性，然后将块体模型导出为.csv格式的表格文件，.csv格式的表格文件和.flac3D格式的FLAC3D文件分别将各自文件中的所有块体以X,Y,Z和属性为列，各单元块体的编号为行的形式存储。
所述步骤S3包括：
步骤S31、地质体参数赋值；
步骤S32、初始条件和边界条件设置；
步骤S33、模拟结果求解和参数调整；
步骤S34、模拟结果导出。
所述步骤S31中地质体参数包括：密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、扩容角、孔隙度、渗透率、导热系数。
所述步骤S32具体为：研究研究区的地质背景，确定成矿时的应力状态和温度场，设置模拟初始条件。
所述步骤S32中模拟初始条件包括：各地质单元的初始温度、各地质单元的初始压力、模型各个边界的初始应力大小和方向。
所述步骤S33具体为：求解模拟结果，通过模拟结果和研究区实际地质情况进行对比分析，验证模拟参数设置是否合理，如果参数设置不合理，则需要重复步骤S31和S32，重新调整参数和初始条件，直至模拟结果符合实际地质情况。
所述步骤S33中判断模拟参数设置是否合理的方法为：
(1)数值模拟的成矿趋势是否与实际勘探情况相似；
(2)数值模拟形成矿体的空间位置是否与矿床实际情况相同；
(3)数值模拟过程中温度和压力的变化趋势是否符合已有的成矿理论。
所述步骤S34具体为：通过成矿过程模拟获得地质异常参数，将地质异常参数以.csv格式的文件导出。
所述步骤S4包括：
步骤S41、模拟结果导入；
步骤S42、变量异常信息提取；
步骤S43：成矿有利靶区圈定。
所述步骤S41具体为：地质异常参数导入建立的块体模型。
所述步骤S42具体为：统计已知矿体和地质异常参数取值范围之间的关系，确定地质异常参数的成矿有利区间。
所述步骤S43具体为：定量提取特定取值范围的地质异常参数变量块体，结合成矿过程中有利的地质异常参数值，提取深部有利于成矿的块体，圈定成矿有利靶区。
本发明的有益技术效果在于：
1、本发明提出的数值模拟方法可以直接使用传统矿业软件(如：Surpac 软件)构建的三维地质模型，可以有效的利用矿山已有三维模型，避免了数值模拟需要重复建模的巨大工作量，有效的较低了企业成本，提高工作效率。
2、本发明利用.csv格式文件成功实现Surpac软件三维属性模型与 FLAC3D文件之间的转换，从而可以利用FLAC3D软件强大的力-热-流耦合功能来开展矿床学研究，将基于有限差分法的数值模拟应用于成矿过程研究，无论对矿床的深部预测，还是对成矿理论研究都是非常有益的探索和进步。
3、本发明通过统计已知矿体和pp、temp和vsr变量取值范围之间的关系确定pp、temp和vsr的成矿有利区间，然后定量提取有利区间范围内的 pp、temp和vsr变量块体，从而成功的将数值模拟结果应用于深部矿产预测，有效的解决了深部三维预测只能依靠地质、物探和化探异常信息开展预测而导致有用信息较少的难题，提高了预测结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明所提供的某研究区初始条件设置效果图；
图2为本发明所提供的某研究区成矿过程数值模拟达到收敛标准后pp 和vsr的分布特征图；
图3为本发明所提供的已知矿块和pp值之间的统计关系图；
图4为本发明所提供的某研究区定量提取的成矿有利pp和vsr的分布特征图；
图5为本发明所提供的某热液型矿床基于数值模拟预测的成矿有利块体图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、收集研究区已有的勘探资料基础数据
收集研究区已有的勘探资料基础数据，基础数据应该包括：地形地质图、勘探线剖面图、中段平面图、钻孔数据(测斜数据、岩性分析、样品分析等)、地球物理数据、地球化学数据等，基础资料的详实程度应能够保证建立研究区的三维地质模型。
步骤S2、三维建模及网格单元划分
步骤S21：构建研究区的三维地质模型
利用收集的研究区地质资料构建研究区的三维地质模型，目前的关于三维建模的方法和软件很多，各个软件构建三维模型的具体操作和思路不甚相同，但是大体可以分为两类：显示建模和隐式建模。显示建模和隐式建模的方法与思路完全不同，对于本方法来说无论选择哪种建模方法和软件均可，但是需要满足的唯一一点要求就是要保证建好的三维地质模型可以通过网格化后转换成可应用于FLAC3D软件的.flac3D文件格式。
步骤S22：对三维地质模型进行网格单元划分
以目前主流的三维建模软件Surpac为例，通过Surpac软件的“实体建模”—“实体工具”—“剪切并保留高于DTM的实体”或“剪切并保留低于DTM的实体”的运算功能，可以利用研究区的资料建立研究区的三维地质模型。然后，通过Surpac软件的“块体模型”功能建立研究区的块体模型，通过“块体模型”—“属性”—“新建”功能依次建立各地质体的属性(在FLAC3D软件中开展模拟需要保证基本的地质要素属性存在，包含的地质要素有不同岩性的地层、不同岩性的岩体、断裂)。最后通过“块体模型”—“块体模型”—“导出”—“块质心或者面至线文件”功能将块体模型导出为.csv格式的表格文件，.csv格式的表格文件和.flac3D格式的 FLAC3D文件都是将各自软件中的所有块体以X,Y,Z和属性为列，各单元块体的编号为行的形式存储。
因此可以通过研究两个软件各自的存储规则实现.csv格式表格文件和.flac3D格式的FLAC3D文件之间的相互转换。
由于目前市场上三维建模软件众多，如果是利用其他三维建模软件构建的三维模型想采用本方法描述的技术路线开展三维成矿预测同样也需要研究各自软件的网格单元与.flac3D格式文件之间的相互转换问题，本方法所提供的通过.csv格式文件进行过渡的思路可供参考。
步骤S3、成矿过程数值模拟
步骤S31、地质体参数赋值
由于成矿过程模拟涉及力学、热力学和流体之间的耦合，因此需要设置不同地质单元体的力学、热力学参数等，具体参数如表1所示。
表1热液矿床数值模拟需要设置的参数
Figure BDA0003438401380000071
表1中，各参数的具体含义如下：密度是指岩石的一种固有性质，表示岩石的质量与单位体积的关系；体积模量是指材料对于表面四周压强产生形变程度的度量，被定义为产生单位体积收缩所需的压强，描述均质各向同性固体的弹性，表示不可压缩性；剪切模量是指在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，弹性材料承受剪应力时会产生剪应变，定义为剪切应力与切应变的比值；粘聚力是在同种物质的内部相邻各部分之间的相互吸引力；拉张强度是指材料受拉力时抵抗破坏的能力,物体破裂(断裂) 前能抵抗的最大张应力，是材料的机械性能的一项指标，单位为牛/平方厘米(N/cm2)或帕斯卡(Pa)；内摩擦角是岩土力学上很重要的一个概念，是岩体的重要参数之一，是抗剪强度指标；扩容角是相对于临界状态的内摩擦角而言的，就是莫尔库仑模型的内摩擦角，用来表达塑性剪应力变形下的体积膨胀量；孔隙度是指岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值；渗透率是指在一定压差下，岩石允许流体通过的能力，表征岩石本身传导液体能力的参数；导热系数是衡量物体热传递速率的参数。
通过FLAC3D软件的内置命令，按照实测的岩石样本参数值可完成表 1中地质体参数的设置。
步骤S32、初始条件和边界条件设置
主要包括应力场、温度场和压力场的初始条件设置，在这里需要仔细研究研究区的地质背景，确定成矿时的应力状态和温度场，具体设置理想的模拟初始条件。
模拟初始条件应该包括以下内容：
①各地质单元的初始温度；
②各地质单元的初始压力；
③模型各个边界的初始应力大小和方向；
初始条件的设置可通过FLAC3D软件的内置命令实现，如图1所示，为某研究区设置好的的初始条件效果。
步骤S33、模拟结果求解和参数调整
模拟结果的求解可以使用FLAC3D软件默认的收敛标准，即当体系最大不平衡力与典型内力的比率R小于定值10-5时，计算终止。当然在模拟的过程中也可以根据自己的需要重新设置收敛标准，例如：可规定数值模拟的计算步数或规定数值模拟的计算时间来控制模拟过程。
通过模拟结果和研究区实际地质情况进行对比分析，来验证模拟参数设置是否合理，具体判断方法如下：
(1)数值模拟的成矿趋势是否与实际勘探情况相似；
(2)数值模拟形成矿体的空间位置(平面位置、成矿深度和与其它地质体空间位置等)是否与矿床实际情况相同；
(3)数值模拟过程中温度和压力的变化趋势是否符合已有的成矿理论。
如果参数设置不合理则需要重复步骤S31和S32来重新调整参数和初始条件，直至模拟的结果符合实际地质情况。
步骤S34、模拟结果导出
通过成矿过程模拟可以获得的地质异常参数包括：pp、temp和vsr(即空隙压力、温度和体积应变)。如图2所示，为某研究区成矿过程数值模拟达到收敛标准后pp和vsr的分布特征，显示随着温度和压力的变化，成矿流体在向岩体和围岩的接触部位汇聚，表明岩体和围岩的接触部位是成矿的有利部位。FLAC3D软件可以将以上三个变量以.csv格式的文件导出。
步骤S4、深部矿产资源预测评价
步骤S41、模拟结果导入
通过“块体模型”—“导入”—“文本文件”的功能将模拟获得的三个变量导入建立的块体模型。
步骤S42、变量异常信息提取
通过统计已知矿体和pp、temp和vsr变量取值范围之间的关系确定pp、 temp和vsr的成矿有利区间，具体标准如下：“分别统计不同取值区间段内已知矿块数，选择包含已知矿块数量较多的取值区间段来作为pp和vsr的成矿有利取值范围”，如图3所示，为已知矿块和pp值之间的统计关系，确定成矿有利的pp值为2e9-3e9。
步骤S43、成矿有利靶区圈定
利用Surpac软件的“块体模型”—“约束”—“新建约束”功能可以定量提取特定取值范围的pp、temp和vsr变量块体。如图4所示，为根据步骤S42提取的成矿有利值取值区间定量提取的块体。结合成矿过程中有利的pp值和vsr值，可以大体提取深部有利于成矿的块体，如图5所示，实现基于成矿过程模拟的深部矿产预测。
由图5可知，同时包含pp和vsr成矿有利取值范围的块体范围明显收缩，说明本文提出的方法有效的缩小了预测靶区，提高了预测结果的可靠性。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (16)

1.一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、收集研究区已有的勘探资料基础数据；
步骤S2、三维建模及网格单元划分；
步骤S3、成矿过程数值模拟；
步骤S4、深部矿产资源预测评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S1中的基础数据包括：地形地质图、勘探线剖面图、中段平面图、钻孔数据、地球物理数据、地球化学数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21：构建研究区的三维地质模型；
步骤S22：对三维地质模型进行网格单元划分。
4.根据权利要求3所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S21具体为：通过显示建模或隐式建模方法，构建研究区的三维地质模型，构建的三维地质模型能够通过网格化后转换成应用于FLAC3D软件的.flac3D文件格式。
5.根据权利要求4所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：建立研究区的块体模型、并建立各地质体的属性，然后将块体模型导出为.csv格式的表格文件，.csv格式的表格文件和.flac3D格式的FLAC3D文件分别将各自文件中的所有块体以X,Y,Z和属性为列，各单元块体的编号为行的形式存储。
6.根据权利要求5所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31、地质体参数赋值；
步骤S32、初始条件和边界条件设置；
步骤S33、模拟结果求解和参数调整；
步骤S34、模拟结果导出。
7.根据权利要求6所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S31中地质体参数包括：密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、扩容角、孔隙度、渗透率、导热系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S32具体为：研究研究区的地质背景，确定成矿时的应力状态和温度场，设置模拟初始条件。
9.根据权利要求8所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S32中模拟初始条件包括：各地质单元的初始温度、各地质单元的初始压力、模型各个边界的初始应力大小和方向。
10.根据权利要求9所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S33具体为：求解模拟结果，通过模拟结果和研究区实际地质情况进行对比分析，验证模拟参数设置是否合理，如果参数设置不合理，则需要重复步骤S31和S32，重新调整参数和初始条件，直至模拟结果符合实际地质情况。
11.根据权利要求10所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S33中判断模拟参数设置是否合理的方法为：
(1)数值模拟的成矿趋势是否与实际勘探情况相似；
(2)数值模拟形成矿体的空间位置是否与矿床实际情况相同；
(3)数值模拟过程中温度和压力的变化趋势是否符合已有的成矿理论。
12.根据权利要求11所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S34具体为：通过成矿过程模拟获得地质异常参数，将地质异常参数以.csv格式的文件导出。
13.根据权利要求12所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S41、模拟结果导入；
步骤S42、变量异常信息提取；
步骤S43：成矿有利靶区圈定。
14.根据权利要求13所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S41具体为：地质异常参数导入建立的块体模型。
15.根据权利要求14所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S42具体为：统计已知矿体和地质异常参数取值范围之间的关系，确定地质异常参数的成矿有利区间。
16.根据权利要求15所述的一种基于数值模拟的热液型矿床三维定量预测评价方法，其特征在于，所述步骤S43具体为：定量提取特定取值范围的地质异常参数变量块体，结合成矿过程中有利的地质异常参数值，提取深部有利于成矿的块体，圈定成矿有利靶区。
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