海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程

第33卷 第4期2011年7月

海 洋 学 报

Vol133,No14

July2011

海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程

李怀明1,翟世奎2,陶春辉1,于增慧2

(11国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室,浙江杭州310012;21中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛,266100)

摘要:海底多金属硫化物矿体内热场和流场分布控制着多金属硫化物矿体的形成过程和成矿机制。

在大洋钻探计划(ODP)和已有模拟实验研究的基础上,构建了一个具有三层结构的非均质海底多金属硫化物矿体模型,并利用地下热水系统体系模拟软件(Hydrothermal)模拟了不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部热场和流场的形态特征。模拟结果表明:(1)在均质海底硫化物矿体内随着瑞利数的增加,流体对流加强,运移速度加快,矿体温度降低;(2)多金属硫化物矿体的分层和介质的不均一性是控制矿体内的温度场结构、流体运移模式的重要因素,在很大程度上影响着矿体内部海水与热液流体的混合、矿物的沉淀/溶解等;(3)在大型多金属硫化物矿体区,热液流体的集中喷溢(/黑烟囱0)主要分布在矿体内部热源位置的上方,介质渗透率分布特征是影响烟囱区位置的重要因素。

关键词:海底热液活动;大型多金属硫化物矿体;热场与流场;数值模拟

中图分类号:P73614

文献标志码:A

文章编号:0253-4193(2011)04-0111-10

1 引言

现代海底热液活动普遍发育在大洋中脊、弧后盆地的板块增生带、板内火山和转换断层等多种地质构造环境。与海底热液活动相伴生的多金属硫化

物被认为是继锰结核和富钴结壳之后又一蕴藏在海底的重要战略资源。目前已经在洋中脊地区发现了多个储量超过百万吨级的大型多金属硫化物矿体,例如大西洋中脊TAG热液活动区和胡安#得富卡洋脊北部的MiddleValley热液活动区的多金属硫化物矿体等。大型海底热液硫化物矿体的形成是一个涉及海水与热液流体的混合、矿物的沉淀和溶解以及长期稳定热源供给等多种因素的复杂地质过程[1]。

利用数值模拟方法,定量模拟计算大型多金属硫化物矿体内流体的运移和热场分布是深入认识多

收稿日期:2009-08-27;修订日期:2011-03-29。

金属硫化物矿体形成过程和成矿模式的重要方法。Dickson等建立了一个二维均质的多孔介质模

型,该模型高度为10m,长度为40m,并利用有限元方法研究了不同瑞利数(Rayleighnumber,简称Ra)和渗透率情况下流体的运移情况。Pascoe和Cann[3]为了了解喷口流体温度和介质渗透率的关系,利用一个简单的管状模型模拟了黑烟囱流体喷出区内扩散热液流的形成和演化过程。

近年来随着海底热液活动调查研究资料的逐渐积累,特别是针对典型多金属硫化物矿体(TAG热液区和MiddleValley热液区)大洋钻探成果的不断丰富,使人们对大型海底硫化物矿体的内部结构有了较为清楚的认识[4-21]。大型多金属硫化物矿体不是简单意义上的硫化物堆积,海水的混入、海水与热液流体的混合、矿物的沉淀和再溶解过程使得多金属硫化物矿体伴随着复杂的物理化学变化而形

[2]

基金项目:国家海洋局青年基金重点项目(2010318);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项基金项目(JGO903)。作者简介:李怀明(1977)),男,山东省聊城市人,博士,主要从事现代海底热液活动研究。E-mail:huaiming_lee@1631com

112海洋学报 33卷

成。简单的均质模型模拟研究结果很难反映硫化物矿体内部真实的流体运移情况。本文构建了一个具有三层结构的非均质多金属硫化物矿体地质模型,并利用数值模拟方法研究不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部结构中流场和热场的分布特征及影响因素。

212 数学模型的假设条件

数学模型的成立需要建立在以下假设条件的基础上:(1)模型内液体为纯水,并且只能以液体相或者蒸汽相存在;(2)两相体系内的流体适用达西定律;(3)对单组分区域内的毛细管压力作用忽略不计,而在两组分区域(液态水和气体)毛细管压力作用被认为是液体相饱和度的非滞后函数;(4)相对渗透率也是液体相饱和度的非滞后函数;(5)液体相中不存在可溶性气体;(6)两组分体系的气相组分中不存在水蒸汽;(7)气相组分静止不动,而且不可压缩;(8)模型内部的孔隙度、渗透率、流体的密度、黏度等都可以表示为时间和空间的函数。

213 模拟软件(HYDROTHERMAL)

岩浆与热液系统的传输过程涉及单相或两相流体流动,其温度可达1000e,而压力可达几百兆帕。由于水的特性在相应的温度-压力范围内(尤其是在临界点附近)剧烈变化,所以模拟这一系统的流体流动有一定难度,当前热液系统的定量模拟仅限于单相流或亚临界两相流

[22]

2 多金属硫化物矿体数学模型

热液流体在硫化物矿体内的运移是一个涉及高温、高压环境的复杂地质过程,因此硫化物矿体数学模型的模拟区域应该是一个多种物质组分和多相态(液态和蒸汽态)共同作用的体系。

211 数学模型的控制方程

建立在物质与能量守恒定律基础上的流体和热传输方程构成了硫化物矿体数学模型的主要控制方程,结合达西定律和相关的限定方程可以对模型内流体的物理状态进行描述。主要的相关方程如下:

流体输运方程为

_rww[

。本文采用美国地质

Ñ#[Ñpg+Qsez]-qw-qs=0,

s

rss

_

(1)

调查局开发并公开发布的地下热水系统的模拟软件

HYDROTHERMAL[23]对海底硫化物矿体模型内部的流体运移过程进行模拟。HYDROTHERMAL软件是一个能够模拟近临界或者超临界条件下地下水流动及热传输的三维有限差分模型,模拟实验条件为温度0~1200e,压力015~1GPa。

式中,U为孔隙度;Q为流体密度;S为饱和度;k为多孔介质的渗透率;kr是相对渗透率;L为流体黏度;p为液相中的流体压力;pg为气相中的流体压力;g是重力加速度;e为z坐标方向上的单位向量;q是流体的物质流量;t为时间;下标s和w分别代表液态相和蒸汽相。

因为模拟区域内任何一点都是单组分或者双组分区域,因此饱和度限定方程为

Ss+Sw=11

利用达西定律可以得到压力p下的孔隙水流速:

_rp

[Ñp+Qge],p=w,s,vp=-p

p

_

3 多金属硫化物矿体的物理模型

311 几何模型

目前在全球已经发现了约20处大型海底多金属硫化物矿体(硫化物储量超过百万吨级)。虽然这些硫化物矿体在矿体形态、矿物特征和产出环境等方面有较大差异,但是其内部结构具有一些共同特征[25-26]。例如:矿体在垂直方向上的分带性,矿体的底部为浸染状但呈网脉状交切产出的矿化层,与上覆块状硫化物矿化层以不同的密切程度伴生或叠生在一起。

本文基于大型多金属硫化物矿体的共同结构特征,并利用ODP158航次在大西洋中脊TAG热液区丘状体的调查研究成果,构建了一个具有三层结构的二维硫化物矿体模型(见图1)。模拟区域设定为矩形,横向长度为400m,纵向为150m。模拟区域分三层,从顶端到底部分别为层1,为块状硫化物m)[24]

(2)

(3)

模型的热输运方程为

[

Ñ#

式中,h是液体的比焓;hr为硫化物的比焓;Qr为硫化物密度;KA为多孔介质整体的有效热导率;I是3列的强度矩阵;T是温度;qh为热焓的流动强度;下标s和

4期 李怀明等:海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程113

层2,为固结硫化物矿化层(60m),相当于经过脱水过程和交代作用等过程改造之后的硫化物;层3,为网脉状硫化物矿化层(70m),相当于海底之下的洋壳部分,为侵染状硫化物和蚀变基岩的混合体。模型区域被划分为80(纵向)@30(横向)的

均匀网格。

313 模型的初始条件

模型内部为传导温度场,时间为0时,模型内部流体静止,顶部边界压力为20MPa,温度为30e,从顶部边界到底部,温度以30e/km的梯度增加。另外,该模型不考虑周围海水运动对硫化物矿体内部流体运移的影响。

4 模拟结果

411 均质模型

简单的几何模型模拟是数值模拟研究中常采用的方法,能有效地解决一些基本的科学问题。均质模型,即不考虑模型内各层之间物理性质的差异,一律采用相同的介质参数,是一种理想化的地质模型,主要用于研究在最简单的地质环境下多金属硫化物矿体内部的温度场和流场的分布特征。

图1 热液硫化物矿体的几何模型

41111 瑞利数

瑞利数Ra是描述多孔介质中流体运移和热运输的重要参数。二维介质模型中Ra可以表述为

0v,312 模型的边界条件

海底观测资料表明硫化物丘状体表层温度一般比周围海水的温度高10~50e

[27]

。因此,设定模

Ra=(5)

型的顶边界,也就是矿体与海水的接触面为30e的流体自由流动边界,压力为20MPa,相当于水深2000m。由于硫化物矿体两侧边界条件比较复杂,

为简化模型,把块状硫化物层(层1)和固结状硫化物矿化层(层2)的两侧边界定义为流体自由流动边界,边界温度为30e,与顶边界条件相同。网脉状硫化物矿化层(层3)的两侧边界大都与围岩接触,因此设定为无流体进出的边界。模型的底部边界为热传导边界,采用不均匀式的分段加热方式,热通量从底部边界的中部向两侧递减(图2),这种加热方式类似于Dickson等[2]的模型热通量边界条件,可以认为来自海底之下的热液流体在底部边界的中部集中进入硫化物矿体。

式中,h为模型的高度;g为重力加速度;Kv是介质纵向渗透率;T0为介质底部的最高温度;T是流体运动黏度系数;J是流体热传导率;A为热扩胀系数。采用Dickson等TU10

-6

2

[2]

的相关参数数据,AU10

2

-6

2

-4

K

-1

,

m/s,gU10m/s,JU10m/s,则式(5)

(6)

可以转换为

RaU109KMh$T,

式中,$T为温度变化值。41112 均质模型的物理参数

表1列出了Ra分别为115,15和60时,均质模型介质所采用的相关物理参数。41113 模拟结果

对Ra分别为115,15和60均质模型流场和热场分布进行了模拟,设定模拟地质时间为1@105a。三种情况中均质模型的温度场、努塞尔数(Nusseltnumber,简称Nu)、流场和流体通量分布图见图3~5,其中努塞尔数是一个反映模拟区域对流传热强弱的无量纲数,在数值上为对流传热与传导传热的比值;流场分布信息显示模型内每一个网格内的水流方向;对流体通量可以表述为单位时间在单位面积内(即模拟区域的网格内)流过的流体质量,可

图2 硫化物矿体模型的底部边界条件

用于描述该点的流体速度。

,

分布形态变化不大,大致呈/钟0形,与Dickson等[2]的模拟结果相似,但是矿体模型内的温度及其变化梯度发生了较大变化,温度最高值出现在模型底部的中央区域,对应着底部边界的热通量最大值位置。当Ra

为115时,模型最高温度为150e,温度梯度在横向和纵向上的变化较大(图3a);Ra为15和60时,模型的最高温度分别为90,70e,但高温区域变得越来越狭窄,而且温度变化梯度较小(见图4a,5a)。

表1 均质模型的相关物理参数

Ra

123

1151560

渗透率/m21@10-131@10-124@10-12

孔隙率012012012

热传导率/W#m-1#K-1

444

比热容/J#kg-1#K-1

[1**********]0

密度/kg#m-3

[1**********]0

注:根据海底观测资料[2],在Ra的计算过程中选取$T=100,模型高度为150m,而且作为均质模型,Kh=Kv=K,各层的物理参数均相同。

对流传热和热传导是多孔介质内两种主要的热传输方式,两者之间的比例在很大程度上控制着多孔介质内温度场分布。对比三种情况下

模型内Nu值的分布特征(见图3b,4b和5b)发

现,模型内Nu的高值区主要集中在模型的中央部分以及层2和层3的接触层。随着Ra的增大,模型内热传输方式逐渐以对流传热为主,使得模型内部温度

降低。

图3 均质模型的模拟结果(Ra=115)

a1模型内的温度场分布,b1努塞尔数(Nu)分布,c1流场分布,d1流体通量分布

流场和流体通量信息可以用于指示热液流体在

矿体内部运移和矿物沉淀过程。模拟结果表明Ra的增加对模型内流体运移模式的影响不明显(见图3c,4c和5c)。海水经模型的两侧边界以及顶部边界的局部区域流入,热液流体的喷出区位于模型底部中间区域的上方,即热通量最大值边界的上方,在集中喷出区的两侧对称发育两个对流体。模型内流体通量

变化(见图3d,4d和5d)表明随着Ra的增加,模型内的流体通量分布以及对流体的规模和位置都有所变化。当Ra为115时,模型内流体通量介于110@10~610@10

-6

-6

g/(s#cm),对流体发育在模型的

2

中部。当Ra升高到60时,模型内流体通量的最小值为310@10-6g/(s#cm2),部分区域的流体通量大于110@10-5g/(s#cm2),Ra的增加使得对流体位置上

移,对流规模逐渐减小。因此,均质模型内介质Ra增加不会改变流体的运移模式,但对流体运移速度和模型内流体运移的局部特征(例如对流体的形态和规模等)影响较大。模型内对流体的存在往往表明该处流体混合作用强烈,该处是矿物沉淀的重要区域。在流

体集中喷出区域流体运移速度较快,同围岩发生反应的机会较小,不利于矿物沉淀,但是可以指示矿体区黑烟囱流体的喷出位置。因此,多金属硫化物矿体内Ra的增加会使矿体内部海水与热液流体的混合程度降低,

不利于硫化物沉淀。

116海洋学报 33卷

412 三层结构模型

41211 相关物理参数

三层结构模型内各层介质的相关物理参数见表2(包括孔隙率、热传导率、比热容和密度):一是来自Pascoe和Cann

[3]

主要限定网脉状矿化层的相关参数;二是来自ODP在太平洋胡安#得富卡热液活动区和大

西洋TAG热液活动区[16]的钻孔资料,它主要限定固结硫化物矿化层和块状硫化物矿化层的介质参数。

[28]

的管状模型参数,它

表2 多孔介质的物理参数

层位

块状硫化物层(层1)固结硫化物矿化层(层2)网脉状硫化物矿化层(层3)注:多孔介质可压缩率为0。

孔隙率[1**********]0

热传导率/W#m-1#K-1

410410215

比热容/J#kg-1#K-1

310@103218@103215@103

密度/kg#m-3

310@103218@103215@103

多金属硫化物矿体的物理性质在横向和纵向上都具有不均一性,渗透率是这种不均一性的集中体现,也是控制多孔介质中流体运移和热分布模式的重要参数

之一[22]。本文将块状硫化物层作为一个均质层,即横

向渗透率(Kh)与纵向渗透率(Kv)相同,把固结硫化物矿化层和网脉状硫化物矿化层的渗透率分为三种情况进行模拟,分别将KhBKv设为1B1,5B1和1B5。表3列出了三种情况下各层介质的渗透率。

表3 三层结构模型的渗透率

第一种情况

层位

Kh/m2

层1层2层3

1@10-1@10-1@10-111213

第二种情况

Kv/m21@10-111@10-121@10-13

Kh/m21@10-115@10-125@10-13

Kv/m21@10-111@10-121@10-13

Kh/m21@10-111@10-121@10-13

第三种情况

Kv/m21@10-115@10-125@10-13

41212 模拟结果及讨论

(1)KhBKv=1B1。该情况下模型温度场形状与均质模型(Ra=115)比较相似,呈/钟0形,最高温度约为150e,其位置对应于底部边界的热通量最大值区域(见图6a),但是模型的分层使得模型内高温区域更加狭长,而且局限在每层的中部。层3介质的温度比层1和层2的高,而且温度梯度变化大。

同均质模型相比,模型的Nu分布发生了较大变化。图6b表明层3的Nu介于1~20,最大值出现在层3的中部,但是多数区域的Nu值小于10,这表明在层3内对流传热相对较弱。层1和层2内Nu值相对于层3有所增加,最大值出现在层1的中部区域,但是模拟过程中没有考虑底层流对矿体内流体运移的影响,所以实际情况中层1内对流情况会与模拟结果有所不同。层2内Nu值的最大值出现在中央区域,约为40,大部分区域的Nu值介于,

层3内热传输方式以热传导为主,使得该层内的温度以及温度梯度比其他两层的大。

图6c和d表明海水在层1和层2的两侧边界以及上层顶部区域(除流体集中喷出区外)流入,模型的中央区域是热液流体的集中喷出区,同均质模型的模拟结果相比(见图3c),集中喷出区的面积有所减小。在层2和层3集中喷出区的两侧分别发育着两个对称的对流体,层2的对流体规模比层3稍大。另外,流体在层2和层3的交界面处多以横向运移为主。流体运移通量的最大值出现在层1和层2的集中喷出区,流体通量大于110@10-5g/(s#cm2)。层3内流体运移速度较小,为110@10-6~610@10-6g/(s#cm2)。

(2)KhBKv=5B1。模型温度场特征(见图7a)与前一种情况(见图6a)比较相似,呈/钟0形,最高温度为140e。图7b表明,模型内Nu的高值的分布

侧区域。层3中Nu值的分布与第一种情况比较相似。这表明模型内横向渗透率的提高增强了模型内的对流传热,但并没有改变模型内温度场的总体分布

特征,仅仅使得模型内温度有所降低。另外,横向渗透率的增加对固结硫化物矿化层内热场的影响程度

比对块状硫化物层和网脉状硫化物矿化层的大。

图7c和d表明,流体集中喷出区的面积比前一种情况的大,而且运移速度加快。发育在集中喷出区两侧的对流体规模有所减小。层2中流体的运移速度明显比第一种情况的大,但是横向渗透率的增加并没有改变模型内部流体的运移模式。因此,提高模型内的横向渗透率只是增加了流体运移速度,对模型内流场分布影响不大。

(3)KhBKv=1B5。该情况下模型的温度场和流场分布特征同前两种情况相比发生了较大变化。

图8a表明模型内的温度场形状比较特殊,出现了三个有峰值的区域,而且有明显的对称性。模型内的最高温度为150e,出现在模型底部边界的中部。高的Nu值区域主要集中在模型中部的狭长区域和层1的中间部分,其他区域的Nu值较小,为1~10(图8b),这也使模型内温度的横向变化梯度小于纵向变化梯度。

结合模型内流场和流体通量分布特征(图8c-d),发现层2和层3内纵向渗透率的升高在很大程

度上改变了模型内流体的运移模式。

图8 三层结构模型的模拟结果(KhBKv=1B5)

a1模型内的温度场分布,b1努塞尔数(Nu)分布,c1流场分布,d1流体通量分布

首先,在模型中央区域的流体集中喷出区两侧出现了两个对称分布、流体运移速度较小的流体喷

出区,同以上两种情况中喷出区仅位于底部边界的热通量最大值上方区域的情况不同,这说明热液硫化物流体喷出区的位置不仅受到热源位置的控制,而且模型内介质的不均一性,特别是纵向渗透率的增加对烟囱区分布位置起着重要作用。

其次,随着纵向介质渗透率的提高,在矿体内发育了多个规模不同的对流体,表明矿体内部热液流体与海水的混合规模和程度明显增加。图8d表明矿体模型内中央喷出区两侧的对流体规模较小,但是流体速度较快,在两侧集中喷出区周围出现的对流体内流体运移速度较小,规模大,这是硫化物发生

沉淀或者再溶解的重要区域。

模拟结果可用来解释大型多金属硫化物热液区内黑烟囱和白烟囱的关系。例如,在大西洋TAG热液区同时发育有黑烟囱和白烟囱。已有研究表明在TAG区丘状体存在集中稳定热液供给区。当热液流体在矿体内运移过程中没有发生降温和矿物沉淀而直接喷出海底,这将形成温度较高的黑烟囱,该区域与模型内的流体中央喷出区相对应。当热液流体在运移过程中由于温度降低或者与下渗海水发生混合等过程时矿物沉淀,之后再喷出海底会形成温度较低的白烟囱,该区域与中央喷出区两侧的流体喷出区对应。鉴于此,本文推测在TAG热液区内,热液供给区位于TAG丘体的黑烟囱区下部,而在

4期 李怀明等:海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程119

白烟囱区下部热液流体与海水的混合更广泛。热液流体和海水之间的混合作用以及矿体内部的区域纯化过程(zonerefiningprocess)在硫化物矿体形成和演化过程中扮演着重要角色[13]。结果表明大型多金属硫化物矿体的介质的不均一在很大程度上控制着热液流体与海水的混合过程以及矿物的沉淀/再溶解是影响多金属硫化物矿体矿物和地球化学组成结构的重要因素。

随着Ra的升高,对流传热逐渐占到主导地位,使得矿体整体温度下降,矿体内流体的运移速度增加。

(2)模型的分层及其内部介质的不均质性,对矿体内部温度场和流场分布具有明显的控制作用。纵向渗透率的升高可导致多个流体喷出区和规模不同的对流体出现,它加强了矿体内的海水与热液流体的混合作用。

(3)矿体底部边界的热源位置和介质渗透率分布是控制大型海底硫化物矿体区黑烟囱流体喷出位置的重要因素。

致谢:感谢美国地质调查局的KenKipp先生为本文提供了Hydrothermal软件,并在模拟实验工作中给予了悉心指导,笔者在此向KenKipp先生的无私帮助表示诚挚的谢意!

5 结论

大型多金属硫化物矿体的形成是涉及多种作用的复杂地质过程。本文根据已有的研究成果构建了具有三层结构的非均质多金属硫化物矿体模型,取得以下认识:

(1)在均质模型内,瑞利数(Ra)的增加不会改变矿体模型内温度场形态和流体运移模式,但是

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[19] PINTOMM,BARRIGAEJAS,SCOTTSD1Datareport:sulfideandoxidemineralchemistryofanactivebackarchydrothermalsys-tem:Pacmanus,ODPholes1188A,1188F,1189A,and1189B[J]1ProceedingsoftheOceanDrillingProgram,2004,193)2031[20] BINNSRA1Datareport:geochemistryofmassiveandsemimassivesulfidesfromSite1189,OceanDrillingProgramLeg193,Proceed-ingsoftheOceanDrillingProgram[J]1ProceedingsoftheOceanDrillingProgram,2006,193)2061

[21] BINNSRA,BARRIGAEJAS,MIKLLSDJ1Leg193synthesis:anatomyofanactivefelsic-hostedhydrothermalsystem,eastern

ManusBasin,PapuaNewGuinea[J]1ProceedingsoftheOceanDrillingProgram,2007,193)2011

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sillsandflow,northern,JuandeFucaRidge[J]1ProceedingsoftheOceanDrillingProgram,1993,139:597)6121

Anumericalstudyofhydrothermalcirculationpatterns

withinthelargehydrothermalsulfidedeposit

LIHua-iming1,ZHAISh-ikui2,TAOChun-hui1,YUZeng-hui2

(11SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China;21SchoolofMarineGeo-sci-ence,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Abstract:Tounderstandthedistributionsofthetemperatureandflowfieldswithinthelargehydrothermalsulfidedepositisimportanttostudytheformationandmineralizationprocessesofseafloorhydrothermaldeposits1Basedontheresultsofoceandeepprogram(ODP),ahydrothermaldepositmodelwith3-layeris

setup,andthedistributionsofthethermalandcurrentfieldsunderdifferentpermeabilityconditionsaresimulatedusingtheHydrothremalsoftware,whichisdevelopedbyU1S1GeologicalSurvey(USGS)1Theresultsindicatethat(1)inthehomogenousmodel,theincreaseofRayleighnumbercancausethetempera-turedecreaseandthefluidflowfaster;(2)heterogenicstructureswithinthedeposithavegreatinfluenceonthedistributionofthetemperaturefields;(3)thedistributionsofblacksmokersinmaturedepositarerelatedtomanyfactors,suchasheatsourceandpermeability1

Keywords:seafloorhydrothermalactivity;hydrothermalsulfidedeposit;thermalfieldandcurrentfield;numericalsimulation

第33卷 第4期2011年7月

海 洋 学 报

Vol133,No14

July2011

海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程

李怀明1,翟世奎2,陶春辉1,于增慧2

(11国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室,浙江杭州310012;21中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛,266100)

摘要:海底多金属硫化物矿体内热场和流场分布控制着多金属硫化物矿体的形成过程和成矿机制。

在大洋钻探计划(ODP)和已有模拟实验研究的基础上,构建了一个具有三层结构的非均质海底多金属硫化物矿体模型,并利用地下热水系统体系模拟软件(Hydrothermal)模拟了不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部热场和流场的形态特征。模拟结果表明:(1)在均质海底硫化物矿体内随着瑞利数的增加,流体对流加强,运移速度加快,矿体温度降低;(2)多金属硫化物矿体的分层和介质的不均一性是控制矿体内的温度场结构、流体运移模式的重要因素,在很大程度上影响着矿体内部海水与热液流体的混合、矿物的沉淀/溶解等;(3)在大型多金属硫化物矿体区,热液流体的集中喷溢(/黑烟囱0)主要分布在矿体内部热源位置的上方,介质渗透率分布特征是影响烟囱区位置的重要因素。

关键词:海底热液活动;大型多金属硫化物矿体;热场与流场;数值模拟

中图分类号:P73614

文献标志码:A

文章编号:0253-4193(2011)04-0111-10

1 引言

现代海底热液活动普遍发育在大洋中脊、弧后盆地的板块增生带、板内火山和转换断层等多种地质构造环境。与海底热液活动相伴生的多金属硫化

物被认为是继锰结核和富钴结壳之后又一蕴藏在海底的重要战略资源。目前已经在洋中脊地区发现了多个储量超过百万吨级的大型多金属硫化物矿体,例如大西洋中脊TAG热液活动区和胡安#得富卡洋脊北部的MiddleValley热液活动区的多金属硫化物矿体等。大型海底热液硫化物矿体的形成是一个涉及海水与热液流体的混合、矿物的沉淀和溶解以及长期稳定热源供给等多种因素的复杂地质过程[1]。

利用数值模拟方法,定量模拟计算大型多金属硫化物矿体内流体的运移和热场分布是深入认识多

收稿日期:2009-08-27;修订日期:2011-03-29。

金属硫化物矿体形成过程和成矿模式的重要方法。Dickson等建立了一个二维均质的多孔介质模

型,该模型高度为10m,长度为40m,并利用有限元方法研究了不同瑞利数(Rayleighnumber,简称Ra)和渗透率情况下流体的运移情况。Pascoe和Cann[3]为了了解喷口流体温度和介质渗透率的关系,利用一个简单的管状模型模拟了黑烟囱流体喷出区内扩散热液流的形成和演化过程。

近年来随着海底热液活动调查研究资料的逐渐积累,特别是针对典型多金属硫化物矿体(TAG热液区和MiddleValley热液区)大洋钻探成果的不断丰富,使人们对大型海底硫化物矿体的内部结构有了较为清楚的认识[4-21]。大型多金属硫化物矿体不是简单意义上的硫化物堆积,海水的混入、海水与热液流体的混合、矿物的沉淀和再溶解过程使得多金属硫化物矿体伴随着复杂的物理化学变化而形

[2]

基金项目:国家海洋局青年基金重点项目(2010318);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项基金项目(JGO903)。作者简介:李怀明(1977)),男,山东省聊城市人,博士,主要从事现代海底热液活动研究。E-mail:huaiming_lee@1631com

112海洋学报 33卷

成。简单的均质模型模拟研究结果很难反映硫化物矿体内部真实的流体运移情况。本文构建了一个具有三层结构的非均质多金属硫化物矿体地质模型,并利用数值模拟方法研究不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部结构中流场和热场的分布特征及影响因素。

212 数学模型的假设条件

数学模型的成立需要建立在以下假设条件的基础上:(1)模型内液体为纯水,并且只能以液体相或者蒸汽相存在;(2)两相体系内的流体适用达西定律;(3)对单组分区域内的毛细管压力作用忽略不计,而在两组分区域(液态水和气体)毛细管压力作用被认为是液体相饱和度的非滞后函数;(4)相对渗透率也是液体相饱和度的非滞后函数;(5)液体相中不存在可溶性气体;(6)两组分体系的气相组分中不存在水蒸汽;(7)气相组分静止不动,而且不可压缩;(8)模型内部的孔隙度、渗透率、流体的密度、黏度等都可以表示为时间和空间的函数。

213 模拟软件(HYDROTHERMAL)

岩浆与热液系统的传输过程涉及单相或两相流体流动,其温度可达1000e,而压力可达几百兆帕。由于水的特性在相应的温度-压力范围内(尤其是在临界点附近)剧烈变化,所以模拟这一系统的流体流动有一定难度,当前热液系统的定量模拟仅限于单相流或亚临界两相流

[22]

2 多金属硫化物矿体数学模型

热液流体在硫化物矿体内的运移是一个涉及高温、高压环境的复杂地质过程,因此硫化物矿体数学模型的模拟区域应该是一个多种物质组分和多相态(液态和蒸汽态)共同作用的体系。

211 数学模型的控制方程

建立在物质与能量守恒定律基础上的流体和热传输方程构成了硫化物矿体数学模型的主要控制方程,结合达西定律和相关的限定方程可以对模型内流体的物理状态进行描述。主要的相关方程如下:

流体输运方程为

_rww[

。本文采用美国地质

Ñ#[Ñpg+Qsez]-qw-qs=0,

s

rss

_

(1)

调查局开发并公开发布的地下热水系统的模拟软件

HYDROTHERMAL[23]对海底硫化物矿体模型内部的流体运移过程进行模拟。HYDROTHERMAL软件是一个能够模拟近临界或者超临界条件下地下水流动及热传输的三维有限差分模型,模拟实验条件为温度0~1200e,压力015~1GPa。

式中,U为孔隙度;Q为流体密度;S为饱和度;k为多孔介质的渗透率;kr是相对渗透率;L为流体黏度;p为液相中的流体压力;pg为气相中的流体压力;g是重力加速度;e为z坐标方向上的单位向量;q是流体的物质流量;t为时间;下标s和w分别代表液态相和蒸汽相。

因为模拟区域内任何一点都是单组分或者双组分区域,因此饱和度限定方程为

Ss+Sw=11

利用达西定律可以得到压力p下的孔隙水流速:

_rp

[Ñp+Qge],p=w,s,vp=-p

p

_

3 多金属硫化物矿体的物理模型

311 几何模型

目前在全球已经发现了约20处大型海底多金属硫化物矿体(硫化物储量超过百万吨级)。虽然这些硫化物矿体在矿体形态、矿物特征和产出环境等方面有较大差异,但是其内部结构具有一些共同特征[25-26]。例如:矿体在垂直方向上的分带性,矿体的底部为浸染状但呈网脉状交切产出的矿化层,与上覆块状硫化物矿化层以不同的密切程度伴生或叠生在一起。

本文基于大型多金属硫化物矿体的共同结构特征,并利用ODP158航次在大西洋中脊TAG热液区丘状体的调查研究成果,构建了一个具有三层结构的二维硫化物矿体模型(见图1)。模拟区域设定为矩形,横向长度为400m,纵向为150m。模拟区域分三层,从顶端到底部分别为层1,为块状硫化物m)[24]

(2)

(3)

模型的热输运方程为

[

Ñ#

式中,h是液体的比焓;hr为硫化物的比焓;Qr为硫化物密度;KA为多孔介质整体的有效热导率;I是3列的强度矩阵;T是温度;qh为热焓的流动强度;下标s和

4期 李怀明等:海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程113

层2,为固结硫化物矿化层(60m),相当于经过脱水过程和交代作用等过程改造之后的硫化物;层3,为网脉状硫化物矿化层(70m),相当于海底之下的洋壳部分,为侵染状硫化物和蚀变基岩的混合体。模型区域被划分为80(纵向)@30(横向)的

均匀网格。

313 模型的初始条件

模型内部为传导温度场,时间为0时,模型内部流体静止,顶部边界压力为20MPa,温度为30e,从顶部边界到底部,温度以30e/km的梯度增加。另外,该模型不考虑周围海水运动对硫化物矿体内部流体运移的影响。

4 模拟结果

411 均质模型

简单的几何模型模拟是数值模拟研究中常采用的方法,能有效地解决一些基本的科学问题。均质模型,即不考虑模型内各层之间物理性质的差异,一律采用相同的介质参数,是一种理想化的地质模型,主要用于研究在最简单的地质环境下多金属硫化物矿体内部的温度场和流场的分布特征。

图1 热液硫化物矿体的几何模型

41111 瑞利数

瑞利数Ra是描述多孔介质中流体运移和热运输的重要参数。二维介质模型中Ra可以表述为

0v,312 模型的边界条件

海底观测资料表明硫化物丘状体表层温度一般比周围海水的温度高10~50e

[27]

。因此,设定模

Ra=(5)

型的顶边界,也就是矿体与海水的接触面为30e的流体自由流动边界,压力为20MPa,相当于水深2000m。由于硫化物矿体两侧边界条件比较复杂,

为简化模型,把块状硫化物层(层1)和固结状硫化物矿化层(层2)的两侧边界定义为流体自由流动边界,边界温度为30e,与顶边界条件相同。网脉状硫化物矿化层(层3)的两侧边界大都与围岩接触,因此设定为无流体进出的边界。模型的底部边界为热传导边界,采用不均匀式的分段加热方式,热通量从底部边界的中部向两侧递减(图2),这种加热方式类似于Dickson等[2]的模型热通量边界条件,可以认为来自海底之下的热液流体在底部边界的中部集中进入硫化物矿体。

式中,h为模型的高度;g为重力加速度;Kv是介质纵向渗透率;T0为介质底部的最高温度;T是流体运动黏度系数;J是流体热传导率;A为热扩胀系数。采用Dickson等TU10

-6

2

[2]

的相关参数数据,AU10

2

-6

2

-4

K

-1

,

m/s,gU10m/s,JU10m/s,则式(5)

(6)

可以转换为

RaU109KMh$T,

式中,$T为温度变化值。41112 均质模型的物理参数

表1列出了Ra分别为115,15和60时,均质模型介质所采用的相关物理参数。41113 模拟结果

对Ra分别为115,15和60均质模型流场和热场分布进行了模拟,设定模拟地质时间为1@105a。三种情况中均质模型的温度场、努塞尔数(Nusseltnumber,简称Nu)、流场和流体通量分布图见图3~5,其中努塞尔数是一个反映模拟区域对流传热强弱的无量纲数,在数值上为对流传热与传导传热的比值;流场分布信息显示模型内每一个网格内的水流方向;对流体通量可以表述为单位时间在单位面积内(即模拟区域的网格内)流过的流体质量,可

图2 硫化物矿体模型的底部边界条件

用于描述该点的流体速度。

,

分布形态变化不大,大致呈/钟0形,与Dickson等[2]的模拟结果相似,但是矿体模型内的温度及其变化梯度发生了较大变化,温度最高值出现在模型底部的中央区域,对应着底部边界的热通量最大值位置。当Ra

为115时,模型最高温度为150e,温度梯度在横向和纵向上的变化较大(图3a);Ra为15和60时,模型的最高温度分别为90,70e,但高温区域变得越来越狭窄,而且温度变化梯度较小(见图4a,5a)。

表1 均质模型的相关物理参数

Ra

123

1151560

渗透率/m21@10-131@10-124@10-12

孔隙率012012012

热传导率/W#m-1#K-1

444

比热容/J#kg-1#K-1

[1**********]0

密度/kg#m-3

[1**********]0

注:根据海底观测资料[2],在Ra的计算过程中选取$T=100,模型高度为150m,而且作为均质模型,Kh=Kv=K,各层的物理参数均相同。

对流传热和热传导是多孔介质内两种主要的热传输方式,两者之间的比例在很大程度上控制着多孔介质内温度场分布。对比三种情况下

模型内Nu值的分布特征(见图3b,4b和5b)发

现,模型内Nu的高值区主要集中在模型的中央部分以及层2和层3的接触层。随着Ra的增大,模型内热传输方式逐渐以对流传热为主,使得模型内部温度

降低。

图3 均质模型的模拟结果(Ra=115)

a1模型内的温度场分布,b1努塞尔数(Nu)分布,c1流场分布,d1流体通量分布

流场和流体通量信息可以用于指示热液流体在

矿体内部运移和矿物沉淀过程。模拟结果表明Ra的增加对模型内流体运移模式的影响不明显(见图3c,4c和5c)。海水经模型的两侧边界以及顶部边界的局部区域流入,热液流体的喷出区位于模型底部中间区域的上方,即热通量最大值边界的上方,在集中喷出区的两侧对称发育两个对流体。模型内流体通量

变化(见图3d,4d和5d)表明随着Ra的增加,模型内的流体通量分布以及对流体的规模和位置都有所变化。当Ra为115时,模型内流体通量介于110@10~610@10

-6

-6

g/(s#cm),对流体发育在模型的

2

中部。当Ra升高到60时,模型内流体通量的最小值为310@10-6g/(s#cm2),部分区域的流体通量大于110@10-5g/(s#cm2),Ra的增加使得对流体位置上

移,对流规模逐渐减小。因此,均质模型内介质Ra增加不会改变流体的运移模式,但对流体运移速度和模型内流体运移的局部特征(例如对流体的形态和规模等)影响较大。模型内对流体的存在往往表明该处流体混合作用强烈,该处是矿物沉淀的重要区域。在流

体集中喷出区域流体运移速度较快,同围岩发生反应的机会较小,不利于矿物沉淀,但是可以指示矿体区黑烟囱流体的喷出位置。因此,多金属硫化物矿体内Ra的增加会使矿体内部海水与热液流体的混合程度降低,

不利于硫化物沉淀。

116海洋学报 33卷

412 三层结构模型

41211 相关物理参数

三层结构模型内各层介质的相关物理参数见表2(包括孔隙率、热传导率、比热容和密度):一是来自Pascoe和Cann

[3]

主要限定网脉状矿化层的相关参数;二是来自ODP在太平洋胡安#得富卡热液活动区和大

西洋TAG热液活动区[16]的钻孔资料,它主要限定固结硫化物矿化层和块状硫化物矿化层的介质参数。

[28]

的管状模型参数,它

表2 多孔介质的物理参数

层位

块状硫化物层(层1)固结硫化物矿化层(层2)网脉状硫化物矿化层(层3)注:多孔介质可压缩率为0。

孔隙率[1**********]0

热传导率/W#m-1#K-1

410410215

比热容/J#kg-1#K-1

310@103218@103215@103

密度/kg#m-3

310@103218@103215@103

多金属硫化物矿体的物理性质在横向和纵向上都具有不均一性,渗透率是这种不均一性的集中体现,也是控制多孔介质中流体运移和热分布模式的重要参数

之一[22]。本文将块状硫化物层作为一个均质层,即横

向渗透率(Kh)与纵向渗透率(Kv)相同,把固结硫化物矿化层和网脉状硫化物矿化层的渗透率分为三种情况进行模拟,分别将KhBKv设为1B1,5B1和1B5。表3列出了三种情况下各层介质的渗透率。

表3 三层结构模型的渗透率

第一种情况

层位

Kh/m2

层1层2层3

1@10-1@10-1@10-111213

第二种情况

Kv/m21@10-111@10-121@10-13

Kh/m21@10-115@10-125@10-13

Kv/m21@10-111@10-121@10-13

Kh/m21@10-111@10-121@10-13

第三种情况

Kv/m21@10-115@10-125@10-13

41212 模拟结果及讨论

(1)KhBKv=1B1。该情况下模型温度场形状与均质模型(Ra=115)比较相似,呈/钟0形,最高温度约为150e,其位置对应于底部边界的热通量最大值区域(见图6a),但是模型的分层使得模型内高温区域更加狭长,而且局限在每层的中部。层3介质的温度比层1和层2的高,而且温度梯度变化大。

同均质模型相比,模型的Nu分布发生了较大变化。图6b表明层3的Nu介于1~20,最大值出现在层3的中部,但是多数区域的Nu值小于10,这表明在层3内对流传热相对较弱。层1和层2内Nu值相对于层3有所增加,最大值出现在层1的中部区域,但是模拟过程中没有考虑底层流对矿体内流体运移的影响,所以实际情况中层1内对流情况会与模拟结果有所不同。层2内Nu值的最大值出现在中央区域,约为40,大部分区域的Nu值介于,

层3内热传输方式以热传导为主,使得该层内的温度以及温度梯度比其他两层的大。

图6c和d表明海水在层1和层2的两侧边界以及上层顶部区域(除流体集中喷出区外)流入,模型的中央区域是热液流体的集中喷出区,同均质模型的模拟结果相比(见图3c),集中喷出区的面积有所减小。在层2和层3集中喷出区的两侧分别发育着两个对称的对流体,层2的对流体规模比层3稍大。另外,流体在层2和层3的交界面处多以横向运移为主。流体运移通量的最大值出现在层1和层2的集中喷出区,流体通量大于110@10-5g/(s#cm2)。层3内流体运移速度较小,为110@10-6~610@10-6g/(s#cm2)。

(2)KhBKv=5B1。模型温度场特征(见图7a)与前一种情况(见图6a)比较相似,呈/钟0形,最高温度为140e。图7b表明,模型内Nu的高值的分布

侧区域。层3中Nu值的分布与第一种情况比较相似。这表明模型内横向渗透率的提高增强了模型内的对流传热,但并没有改变模型内温度场的总体分布

特征,仅仅使得模型内温度有所降低。另外,横向渗透率的增加对固结硫化物矿化层内热场的影响程度

比对块状硫化物层和网脉状硫化物矿化层的大。

图7c和d表明,流体集中喷出区的面积比前一种情况的大,而且运移速度加快。发育在集中喷出区两侧的对流体规模有所减小。层2中流体的运移速度明显比第一种情况的大,但是横向渗透率的增加并没有改变模型内部流体的运移模式。因此,提高模型内的横向渗透率只是增加了流体运移速度,对模型内流场分布影响不大。

(3)KhBKv=1B5。该情况下模型的温度场和流场分布特征同前两种情况相比发生了较大变化。

图8a表明模型内的温度场形状比较特殊,出现了三个有峰值的区域,而且有明显的对称性。模型内的最高温度为150e,出现在模型底部边界的中部。高的Nu值区域主要集中在模型中部的狭长区域和层1的中间部分,其他区域的Nu值较小,为1~10(图8b),这也使模型内温度的横向变化梯度小于纵向变化梯度。

结合模型内流场和流体通量分布特征(图8c-d),发现层2和层3内纵向渗透率的升高在很大程

度上改变了模型内流体的运移模式。

图8 三层结构模型的模拟结果(KhBKv=1B5)

a1模型内的温度场分布,b1努塞尔数(Nu)分布,c1流场分布,d1流体通量分布

首先,在模型中央区域的流体集中喷出区两侧出现了两个对称分布、流体运移速度较小的流体喷

出区,同以上两种情况中喷出区仅位于底部边界的热通量最大值上方区域的情况不同,这说明热液硫化物流体喷出区的位置不仅受到热源位置的控制,而且模型内介质的不均一性,特别是纵向渗透率的增加对烟囱区分布位置起着重要作用。

其次,随着纵向介质渗透率的提高,在矿体内发育了多个规模不同的对流体,表明矿体内部热液流体与海水的混合规模和程度明显增加。图8d表明矿体模型内中央喷出区两侧的对流体规模较小,但是流体速度较快,在两侧集中喷出区周围出现的对流体内流体运移速度较小,规模大,这是硫化物发生

沉淀或者再溶解的重要区域。

模拟结果可用来解释大型多金属硫化物热液区内黑烟囱和白烟囱的关系。例如,在大西洋TAG热液区同时发育有黑烟囱和白烟囱。已有研究表明在TAG区丘状体存在集中稳定热液供给区。当热液流体在矿体内运移过程中没有发生降温和矿物沉淀而直接喷出海底,这将形成温度较高的黑烟囱,该区域与模型内的流体中央喷出区相对应。当热液流体在运移过程中由于温度降低或者与下渗海水发生混合等过程时矿物沉淀,之后再喷出海底会形成温度较低的白烟囱,该区域与中央喷出区两侧的流体喷出区对应。鉴于此,本文推测在TAG热液区内,热液供给区位于TAG丘体的黑烟囱区下部,而在

4期 李怀明等:海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程119

白烟囱区下部热液流体与海水的混合更广泛。热液流体和海水之间的混合作用以及矿体内部的区域纯化过程(zonerefiningprocess)在硫化物矿体形成和演化过程中扮演着重要角色[13]。结果表明大型多金属硫化物矿体的介质的不均一在很大程度上控制着热液流体与海水的混合过程以及矿物的沉淀/再溶解是影响多金属硫化物矿体矿物和地球化学组成结构的重要因素。

随着Ra的升高,对流传热逐渐占到主导地位,使得矿体整体温度下降,矿体内流体的运移速度增加。

(2)模型的分层及其内部介质的不均质性,对矿体内部温度场和流场分布具有明显的控制作用。纵向渗透率的升高可导致多个流体喷出区和规模不同的对流体出现,它加强了矿体内的海水与热液流体的混合作用。

(3)矿体底部边界的热源位置和介质渗透率分布是控制大型海底硫化物矿体区黑烟囱流体喷出位置的重要因素。

致谢:感谢美国地质调查局的KenKipp先生为本文提供了Hydrothermal软件,并在模拟实验工作中给予了悉心指导,笔者在此向KenKipp先生的无私帮助表示诚挚的谢意!

5 结论

大型多金属硫化物矿体的形成是涉及多种作用的复杂地质过程。本文根据已有的研究成果构建了具有三层结构的非均质多金属硫化物矿体模型,取得以下认识:

(1)在均质模型内,瑞利数(Ra)的增加不会改变矿体模型内温度场形态和流体运移模式,但是

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Anumericalstudyofhydrothermalcirculationpatterns

withinthelargehydrothermalsulfidedeposit

LIHua-iming1,ZHAISh-ikui2,TAOChun-hui1,YUZeng-hui2

(11SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,China;21SchoolofMarineGeo-sci-ence,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)

Abstract:Tounderstandthedistributionsofthetemperatureandflowfieldswithinthelargehydrothermalsulfidedepositisimportanttostudytheformationandmineralizationprocessesofseafloorhydrothermaldeposits1Basedontheresultsofoceandeepprogram(ODP),ahydrothermaldepositmodelwith3-layeris

setup,andthedistributionsofthethermalandcurrentfieldsunderdifferentpermeabilityconditionsaresimulatedusingtheHydrothremalsoftware,whichisdevelopedbyU1S1GeologicalSurvey(USGS)1Theresultsindicatethat(1)inthehomogenousmodel,theincreaseofRayleighnumbercancausethetempera-turedecreaseandthefluidflowfaster;(2)heterogenicstructureswithinthedeposithavegreatinfluenceonthedistributionofthetemperaturefields;(3)thedistributionsofblacksmokersinmaturedepositarerelatedtomanyfactors,suchasheatsourceandpermeability1

Keywords:seafloorhydrothermalactivity;hydrothermalsulfidedeposit;thermalfieldandcurrentfield;numericalsimulation