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现代海底热液硫化物矿体内部流体过程的模拟实验研究

李怀明  
【摘要】: 本文利用数值模拟方法对大型现代海底热液硫化物矿体内部海水与热液流体的混合作用、热液流体的演化模式以及矿体内部的温度场和流场分布特征及其影响因素进行了系统研究,并在已有模拟实验装置的基础上设计了一套新型的现代海底热液系统模拟实验装置。 具体工作主要包括:大西洋TAG热液活动区表层热液硫化物样品的矿物学和地球化学组成分析;以大西洋TAG热液活动区为例,构建了大型海底热液硫化物矿体内部下渗海水与热液流体的混合模型,利用重新编译的流体混合软件程序(EMIX)对经过不同程度加热的海水同热液流体之间的混合过程进行了模拟计算;构建了一个具有三层结构的海底热液硫化物矿体模型,利用由美国地质调查局(USGS)开发并公开发行的地热体系模拟软件HYDROTHERMAL研究了介质渗透率、地形环境和大型裂缝等因素对矿体内部温度场和流场分布的影响;设计并开发了一套既可以进行水岩反应实验,又可用于热液羽状体扩散过程研究的新型模拟实验装置。 分析探讨了大西洋TAG热液硫化物矿体的内部结构特征以及控制矿体矿物学和地球化学组成的地质作用、大西洋TAG热液活动区黑、白烟囱流体之间的成因关系以及热液流体的演化模式、下渗海水与热液流体混合过程中热液流体化学组成和矿物沉淀的变化以及影响大型海底热液硫化物矿体生长的地质因素等重要科学问题。主要研究成果包括: (1)经过升温过程的海水与端员热液流体(400℃)的混合可以解释TAG热液活动区黑、白烟囱流体之间的成因关系;被加热海水的温度一般不会超过150℃。 (2)下渗海水被加热及其与来自矿体深部热液流体的混合过程是控制矿体内硬石膏大量沉淀的两个重要过程。热液流体在传导降温上升过程中,性质变化不大,不会造成大量矿物的沉淀,热液流体喷出海底的突然降温和与海水的混合应该是硫化物等矿物大量沉淀的机制。 (3)在热液流体与下渗海水的混合计算中,混合流体的化学组成和矿物的沉淀在330~310℃温度范围内发生了较大变化,是一个特殊的温度区域。 (4)海底热液硫化物矿体的分层和不均一性在很大程度上控制着矿体内的温度场结构和流体运移模式;矿体底部边界的热源位置和介质渗透率是控制大型海底硫化物矿体黑烟囱流体喷出位置的两个重要因素。 (5)倾斜的洋壳层顶面对于海底热液硫化物矿体内温度场和流场分布的影响程度有限,矿体地形起伏在很大程度上控制着矿体内流体运移模式和热场分布,高地形区域一般是海水下渗的重要区域。 (6)在具有单一集中热源的硫化物矿体内部,大型纵向裂缝可以是流体下渗的通道,也可以成为流体上升的通道,其通道作用会受到底部边界热通量分布、介质渗透率和矿体内裂缝性质等因素的限制。


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