基于FLAC3D的成矿过程模拟研究现状

。,。程，详细论述了基于FLAC3D的成矿过程模拟技术的研究现状。目前，国内对成矿过程模拟的研究相对较少，要实 现构造变形、孔隙流体流动、热量传递和化学反应4个过程的完全耦合仍是一项艰巨的工作。法在数值模拟研究中FLAC3D软件具有解决非线性、大变形问题的显著优势介绍了数值模拟技术的研究进 关键词:FLAC3D;数值模拟;成矿;耦合;研究现状,,中图分类号:P628+.3 文献标识码:A 文章编号：1674-3636( 2019) 03-0506-080引言寻找深部隐伏矿是当前矿产资源勘查的热点问

题受地下深部地质体的形态特征和空间位置准确 度的，传统的地质学方法不能实现对地质要素

和可视化在数值模拟技术的推动下矿床成因的 研究实现了由静态到动态、由定性到定量的转变

。，(Norton et al. ,2001、，数值模拟技术已成为解决复

。杂成矿系统问题的重要研究方法之一。矿床成因的基本问题，归根结底是成矿作用的

。数值模拟也称计算机模拟，

以计算机有限元或有限体积为基础,利用数值计算 和图像显示技术,解决各种工程问题或物理问题等,

时空演化规律的研究是计算科学、概率统计学、运筹学等学科研究中的一 个重要分支数值模拟的发展使得成矿理论和矿

动力学问题(於崇文，1994)o在数值模拟的基础 上，前人就构造变形对流体运移与成矿的影响进行

了一系列的研究。在板块边缘力的驱动下,Bott等

(1972)模拟了板内应力应变的演化;Tapponnier等

(1976)利用数值模拟技术,对板块俯冲过程及俯冲

。，产预测研究进入了一个新的阶段基于FLAC3D的 数值模拟技术能解决复杂的、规模较大的地学问题。带中的变形特征进行了研究;在以印度板块和欧亚

在模拟成矿过程演化的研究中发挥着重要作用。,

板块的碰撞为代表的形变的研究中,England等

(1982)首次运用黏性薄层流变模型对青藏高原一

矩形区域进行数值模拟，成功地模拟出了其挤压-

隆升演化过程;McKenzie (19)成功地对引张

1数值模拟的研究进程以及盆地的形成过程进行了数值模拟；1994年,

Houseman等采用数值模拟技术，研究分析了欧亚板

)。数值模拟

技术所建立的地质模型不受时间和空间的,能 够有效地综合其他研究方法所获得的成果，模拟成 矿过程中的构造演变过程，实现研究结果的定量化

域逐渐得到广泛应用谢建华等2005收稿日期:2019- 04- 24;修回日期：2019-07-07;编辑:侯鹏飞数值模拟技术自20世纪90年始在地质领

(,块与印度板块碰撞后的地幔对流与板块边缘变形之

间的耦合关系；宁杰远等(2001)模拟了俯冲带波速

结构;何丽娟(2002)利用黏弹性动力学模型，模拟 分析了岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化可能造 成的影响；在澳大利亚维多利亚斯特韦尔区域,

基金项目：科技部深地资源勘查开采专项“深部成矿地质异常定量预测方法与模型\"(2017YFC0601502) 作者简介:朱静(1995—)，女，硕士研究生，地球探测与信息技术专业,E-mail： 1228780770@ qq. com

通信作者：陈建平(1959—)男，教授，博士，博士生导师，地球探测与信息技术专业,主要从事矿产资源定量预测与评价研究工作,E-mail: 3s@ cugb. edu. cn第43卷第3期朱静等：基于FLAC3D的成矿过程模拟研究现状507Schaubs等(2006)运用构造-流体耦合的模拟方法，

微分方程的导数用空间离散点的场变量的代数表达

成功预测出金矿;薛春纪等(2007 )对滇西北兰坪盆

地进行了流体动力学模拟，认为深部超压流体的注 入对整个成矿系统起着重要作用数值模拟为热液成矿作用提供了理论和方法指

导矿床的形成是构造变形、孔隙流体流动、热量传 递以及化学反应过程耦合的结果(Hobbs et al.。。，遵循达西定律(Bear et al. ,1987)热传导的方式遵循

式代替求解代数方程组在FLAC3D中流体流动

，。,

)应变能遵循胡克定律(周博等,

2019) o FLAC3D软件求解问题的一般流程如图1。律Ranall,1987假定热流和温度梯度之间存在线性关系的傅里叶定

(2000)，耦合的方式有多种( , ，例如构造形变； -流体流动 的耦合 McLellan et al. 2004,Schaubs et al. , 2006；

Zhang et al. ,2006;Potma et al. 008)、构造变形-热 量传递)-流体流动耦合(Sheldon, 2009;赵义来等, 2015、热量传递-流体流动耦合(Garven, 1985; Yang et al. ,2006)、热传递-流体流动-化学反应耦合等。构造变形-流体流动耦合的数值模拟是研究以 构造作为含矿热液流动和成矿作用的主要影响因素(, 的矿床之重要思路和方法池国祥等011),在几

种类型的热液成矿系统中均得到成功运用，主要包

括中国云南个旧矿区马拉格矿田的锡矿al. ,1997)、(Jiang et

变质热液铀-稀土元素矿床(Oliver et

al. ,1999,2001)，澳大利亚昆士兰的铜和铅-锌-银 矿床(0liver et al. ,2001，、维多利亚本迪戈一巴拉 特地区的矿床(Schaubs et al. ,2002)、伊勒格恩克拉

通东南部的金矿床((Sorjonen-Word et al.), ,2002 )和 哈默斯利铁矿床McLellan et al. ,2004)巴布亚新

几内亚的铜-金矿床(Gow et al. ,2002，芬兰奥托昆

普铜)-锌-钻矿床(Ord et al. , 2003; Zhang et al., 2006，澳大利亚昆士兰东北偏西的霍奇金森省金矿 床(Vos et al. , 2007),中国湖南水口山地区的矿床 (Zhang et al. ,2007)、安徽白象山铁矿床(贾蔡等，2014)及河南南泥湖钳矿床(赵鹏飞等,017)等。2 FLAC3D 软件FLAC的起源可追溯到,19世纪60年代Cundall 编写的有限差分程序972年初具雏形。FLAC最

早由美国Itasca国际咨询集团公司开发，主要应用

于岩土工程力学计算(Cundall, 1976)。随着计算机

技术的发展,LAC由2D逐渐发展成3DoFLAC3D是一个显式的有限差分连续体代码

(Desai et al. ,1977)有限差分法是FLAC3D运算的

数学原理，用代数方程(差分方程)代替有限差分法

中的偏微分方程(基本方程组和边界条件),即将偏

图1 FLAC3D软件求解问题的一般流程图(据于淼等,013)Fig. 1 General flowchart showing the FLAC3D-

based problem solving(after Yu et al. , 2013)计算机技术的完善与更新推动了。 FLAC3D在成

矿动力学模拟中的发展为提高反演确定的初始地(

应力场的精度，郭运华等2014 )提出了一种基于

FLAC3D的局部最小二乘回归的修正初始地应力反 演方法，采用三维超曲面样条插值法来计算任意坐,

标下的地应力张量;为使FLAC3D建模快捷化建立,

的模型更加符合实际形态,提高数值模拟的准确度张迎晖等(2011 )提出了一种将，Surpac数据导入

FLAC3D的数值模拟技术对古家台铁矿进行力学

模拟计算;刘世奇等(2018)提出一种将AutoCAD的

二维平面图形转换为FLAC3D网格模型的快捷方

法，基本实现了建模过程的可视化和自动化，解决了 复杂地质条件下的快速建模问题。3基于FLAC3D的成矿过程模拟3.1模拟的关键技术从数值模拟方法的发展过程来看，耦合分析是

508地质学刊2019 年研究的重点与难点。数值方法与数据库的耦合，与 模糊数学、随机理论、专家系统等不确定性分析方法

的耦合,特别是与专家系统理论的耦合模拟。,是数值,

模拟方法发展的大趋势基于数值模拟手段Hobbs等（2000）采用变形-流体，-热-化学反应耦合

对构造控矿理论进行了探讨并成功应用于找矿地 质勘探中;刘亮明等（2008）采用力-热-流耦合的数 值模拟方法研究了接触带上汇流扩容空间对矽卡岩

矿体赋存位置的控制作用，预测并验证了成矿有利

区;基于流体流动的耦合问题,Zhao等（2010）提出

了 7类耦合问题的数值计算方法;，并以达西定律来

表示岩石孔隙中流体的流动情况赵义来等（2015）

利用FLAC3D软件，采用变形-传热-流体流动耦

合，模拟分析了金厂矿区岩体的形成，探讨了在力、

热、流因素的影响下矿体的定位机制）,；张宝一等

（2018认为在隐伏矿体三维预测中大数据分析技 术与三维地学模拟及地球化学的结合能够为地下成

矿物质的分布及演化提供可靠依据，是一种具有重 要研究价值的方法。几何模型与动力学模型的建立,本构关系与材

料性质、边界条件与初始条件的确定，是运用 FLAC3D软件进行成矿过程模拟的基础，同时也是

成矿模拟的关键,通过反复试验，。,改变边界条件,施 加外部影响进行参数研究3.2存在的问题软件直接建立的几何模型较为粗糙，运用FLAC3D不能满足实际地质建模需要。

采用其他三维建

模软件进行地质实体模型构建将建立的实体模型 导入FLAC3D软件中，，是解决该问题的重要手段。

对于线性问题及材料的弹性模量或单元尺寸相差很

大的情况,FLAC3D求解效率较低。3.3发展趋势成矿过程主要包括构造变形、孔隙流体流动、热

量传递和化学反应4个部分。运用FLAC3D进行成

矿过程的力-热-流耦合研究在近几年得到了发展如赵义来等（2011,2015、、赵鹏飞等（2017、,

对不同

矿床进行了力-热-流耦合成矿过程模拟研究。将 化学反应与构造变形、流体流动、热量传递有效地结

合起来，是运用FLAC3D软件进行成矿过程模拟的 一大热点和难点,随着信息化、网络化的发展，将大 数据引入到成矿过程模拟研究中是模拟研究的一大

趋势。4 FLAC3D在成矿过程模拟中的应用随着科学技术的发展，计算机模拟技术已成为

研究复杂系统问题的重要手段。目前常用的模拟软 件包括 ANSYS、FLAC、Shemat、HydroTherm、Hydro-

Geochem、RST2D等FLAC3D软件非常适合解决非

线性、大变形问题（。谢建华等。,005）,在成矿过程模

拟的研究中发挥着重要作用4. 1国内外应用概况20世纪十年代以来，国外地质学者成功地 将FLAC3D软件应用于成矿过程的地质变形及热传。

递数值模拟研究中Patino-Douce等（1990 ）利用

FLAC3D软件，创建了因地壳增厚产生的地壳岩石,

深熔和变质作用过程中的热力学和岩石学模型模 拟分析了深熔作用与区域变形过程、与变质作用过

程之间的时空关系;基于不同的力学几何初始状态,

Zhang等（1996a, 1996b）利用FLAC3D软件对褶皱

的力学机制进行研究，模拟分析了变形后的褶皱增 长形态以及最后波长,对主波长理论提出了补充见

解;基于澳大利亚国家地调局的重力资料,Zhang等

（1998）对澳大利亚东部重力、大地水准面（Geoid）

进行了数值模拟，更加合理地确定了岩石圈构造;为

了更好地理解（Variscanno造山带的结构及其演变历

程,Arnold等2001）利用FLAC3D软件模拟了 3种

不同条件下碰撞作用及造山带地壳根部的热动;）

力学演变Zhang等（2003建立了断裂-形变-流体

流动-化学反应二维耦合模型，模拟了流体在不同 渗透率的断层中的运移情况，为研究断层与金矿之 间的关系提供了依据;对斯特韦尔走廊玄武岩穹窿, Schaubs等（2006）利用FLAC3D软件，通过三维变

形-流体流动耦合数值模型，,分析控制其周围金矿

化位置的因素发现了具有潜在价值的金矿床;

Zhang等（2006）利用FLAC3D和一些化学模拟软

件，采用流体-断裂-化学反应-形变的二维耦合，对

芬兰奥托昆普铜,-锌-钻矿床成矿变形流体输运模 型进行研究成功模拟了成矿流体的流动过程预测

出了有利成矿部位;Potma等（2008、,采用FLAC3D

软件,利用构造变形-流体流动数值模型，成功地预

测出澳大利亚造山带金矿系统的区域尺度;（）Benatoa

等2016采用FLAC3D软件模拟储层对水力刺激

的响应，探讨了有利于拉伸和剪切破坏的原位条件;第43卷第3期朱静等：基于FLAC3D的成矿过程模拟研究现状509Fu等（2017）基于FLAC3D,提出了一种修正的节理 岩体损伤演化数值模型，并模拟分析了节理岩体的，

损伤演化过程）;Walsh等（2018（将两相流模型

（TOUGH2与地质力学模型FLAC3D）链接，对盖 层中气体运移的潜力和储层压力变化的地质力学响

应进行了探讨。20世纪90年始,我国陆续引进。（FLAC系列

软件进行科学研究王岳军等2002）运用FLAC3D

软件模拟分析了湖南印支期过铝质富钾花岗岩的形 成、地壳加厚热效应以及基性岩浆底侵过程;在青海 乌兰托莫尔日特金矿区，张拴宏等（2002）利用 FLAC3D软件，模拟分析了构造应力场与流体运移

势;基于FLAC数值模拟方法，席先武等（2003）模拟 了湖南中生代岩石圈构造由挤压增厚转变为伸

展减薄的过程及其区域构造应力场和地温场可能的 演化历程，对其耦合成矿效应和深部动力学约束进

行了研究分析;林舸等（2005）综合利用地质、地球

物理、地球化学资料等，以FLAC为平台，采用薄席，

片黏性模型，在对成矿过程进行数值模拟的基础上对华北中生代岩石圈减薄的影响因素进行了分析，; 赵义来等（2011利用AutoCAD和GOCAD软件创 建了安庆铜矿床岩体及围岩的三维地质实体模型，

并借助C++编程实现了 AutoCAD和GOCAD的建模，

数据到FLAC3D的模拟数据的格式转换在 FLAC3D中利用力-热-流耦合的方式模拟了铜矿热

液成矿过程;贾蔡等（2014）利用FLAC3D,软件模拟

宁芜盆地白象山铁矿床的充填过程并对其成矿过 程的动力学机制和汇流容矿空间的形成进行了研

究;为了使FLAC3D正演模拟结果能够导入到Sur-

pac软件中进行综合评价，柴福山等（（2015）利用C#

语言成功地将FLAC3D的模拟数据TXT（数据，）转

换为Surpac的CSV数据；陈庆发等2016基于 3DMine数字化模型，提出了 3DMine-FLAC3D耦合

的建模方法和 3DMine - Surfer - Rhino - ANSYS - FLAC3D多软件耦合的建模方法;赵鹏飞等（2017）

采用FLAC3D软件对东秦岭栾川南泥湖鋁矿床进行

力-热-流耦合数值模拟,分析了其岩体侵入后的固 化冷却过程；白欣等（2019）运用Surpac-FLAC3D。

耦

合的方法，对大冶铁矿空区的稳定性进行了分析4.2应用实例4. 2.1云南个旧锡矿床 于淼等（2013）对云南个

旧高松矿田矿区各地质体形态进行了三维可视化模 拟，利用FLAC3D软件,采用力-热-流耦合方式实。

现了对个旧高松矿田成矿过程的动态模拟通过AreGIS, AutoCAD以及ANSYS（）软件构建 个旧高松矿田三维地质实体模型图2，实现了对 研究区深部三维形态的模拟;通过对研究区成矿地

质背景和成矿机制的总结,梳理出研究区成矿过程 及成矿作用的环境和条件资料，,,综合考虑研究区具 体情况进行参数和条件设置构建模拟模型;通过，

格式转换方式将建立的几何模型导入FLAC3D经 地质体参数设置、初始条件和边界条件设置等一系

列操作，实现了对芦塘坝矿段和高松矿田成矿过程

的动态模拟,得到了研究区成矿时期的古应力场、温

度场、汇流扩容空间等的分布情况孔隙压力是流

体运移的直接动力，。流体流速分布和孔隙压力变化 叠加显示（。图3、图4）能直观地反映出流体运移的

直接原因利用得到的研究区数值模拟模型。，对高 松矿田区域进行了矿体位置预测对成矿过程的数 值模拟研究为隐伏矿体预测提供了依据。，为找矿方

向和有利靶区的选择提供了思路图2几何模型(据于淼等,2013)Fig・ 2 Geometric model(after Yu et al. , 2013)4.2.2青海卡尔却卡多金属矿床 矿床位于青藏 高原东北部柴达木盆地西南缘，属祁漫塔格成矿带。,

是一个典型的矽卡岩多金属矿床Zhou等（2019）

综合分析已有资料，利用FLAC3D软件模拟了青海

卡尔却卡多金属矿床的黄铜矿成矿过程。为模拟与 卡尔却卡多金属矿床有关的热流驱动成矿过程，建

立了 （2种计算模型，即沿EF线的剖面建立的通用

模型图5a）和依据该矿床B矿区零勘探线地质剖510地质学刊2019 年孔隙压力等值线Magfac=0-4.831 9 x IO\"】〜00-5.000 Ox 1065.000 Ox 106〜1.000 Ox IO?1.000 0xl07~1.500 0xl071.500 0xl07~2.000 0xl072.000 0xl07~2.500 0xl072.500 0xl07~3.000 0xl073.000 Ox IO?〜3.500 Ox IO?Interval=5 .OxlO6图3计算时间为1. 0x105 s的流体流速和孔隙压力分布图(据于淼等,013)Fig. 3 Map showing distribution of fluid velocity and pore pressure

(calculation time1.0x10s s(after Yu et al. , 2013 ): )孔隙压力等值线Magfac=0-2.439 5x107〜-2.000 OxlO?

-2.000 Ox 107~-1.000 OxlO7 -1.000 Ox 107~00-1.000 OxlO71.000 Ox 107~2.000 OxlO7 2.000 Ox 107~3.000 OxlO7 3.000 0xl07~3.060 1xl07

Interval=1.0xl07图4计算时间为1. 0x106 s的流体流速和孔隙压力分布图(据于淼等,013)Fig. 4 Map showing distribution of fluid velocity and pore pressure

(calculation time： 1. 0x10s)6 (after Yu et al. , 2013)(a)

第四系面图构建的现实模型(图5b)o利用现代成矿理论

对黄铜矿的成矿过程进行了研究分析模拟研究结 果(图6)表明：该区矿化的主要因素为含矿热液流

舊

MO

£ 0&

。动，孔隙流体流动的主要动力为温度梯度，该区黄铜

'

矽大理岩J断层矿成矿温度为250〜350 °C花岗闪长岩。5结论1.0 km

1.0 km

水平距离水平距离(1) 我国对热液成矿类型的地质成矿过程的定

图5卡尔却卡多金属矿床的通用地质概念模型(a)

和现实地质概念模型(b)据 Zhou et al. ,2019)量化分析及动态模拟研究较少技术方法尚不够完 善简化几何模型及岩石性质等与真实地质模型有

一定的差距、模拟结果无法验证等问题有待解决(2) FLAC3D软件主要用于成矿动力学模拟，要

。,Fig. 5 General geological concept model aand realistic geological concept model bin the Kaerqueka polymetallic deposit

(after Zhou et al. ,019)

() ()

。实现构造变形、孔隙流体流动、热量传递和化学反应 4个过程的完全耦合仍是一项艰巨的工作。第43卷第3期朱静等：基于FLAC3D的成矿过程模拟研究现状511J温度 o

壬J

1

01)o5o202)o5o303)o5o.z404)o5o50)o55o60)oo6

5

1.0 km

1.0 km图6通用地质模型(a)和现实地质模型(b)温度梯度分布

(据 Zhou et al. ,2019)Fig. 6 Temperature gradient() distribution of

general geological model aand realistic

geological model (b)(after Zhou et al. ,2019)参考文献白欣,朱鹏瑞，万飞稳，等,019.大冶铁矿实测空区Surpac-

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第43卷第3期朱静等：基于FLAC3D的成矿过程模拟研究现状513fluid production coupled with deformation, fluid flow and gravity, geoid and mechanical analyses [C ///Braun J,

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pheric structure in Southeast Australia： A model based on

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the study of mineralization process simulation. In the study of numerical simulation, FLAC3D software has the obvious advantage of sol­ving nonlinear and large deformation problems. This paper introduces the research process of numerical simulation, and discusses in

detail the research status of the FLAC3D-based mineralization process simulation. At present, there are relatively few research on min­eralization process simulation in China, so it is still a difficult task to realize the complete coupling of the four processes of tectonic de­formation, pore fluid flow, heat transfer and chemical reaction.Key words: FLAC3D； numerical simulation； mineralization； coupling； research status