成矿动力学数值模拟(第二讲)
2 第二讲 应力与应变
砂质灰岩中的方解石-石英 脉，
纤维长度方向与结晶方向无关
方解石-绿泥石复合型纤维状脉，纤维的弯曲是晶体生长的 时递进变形的结果而不是后来变形的结果
石英纤维的竞争生长
纤维状脉的类型
• • • • 对向生长脉Syntaxial veins 背向生长脉Antitaxial veins 复合脉Composite veins 拉长的结晶纤维脉Stretched crystal veins
在上述四个带中强硬岩层形成如下构造：
• 1带：已经形成的石香肠正被挤压在一起或形成 褶皱； • 2带：已经形成的石香肠，继续被拉伸增大间距。 • 3带：已经形成褶皱遭受到拉伸，褶皱展开或石 香肠化破坏； • 4带：已经形成褶皱遭受到继续压缩，褶皱波长 减少，波幅增大；
依据有限应变椭圆主轴方位与无限小应变椭圆主轴方位是否 发生变化，可以划分为共轴递进变形和非共轴递进变形
拉伸
挤压
中和面
剪切
弯曲
扭转
• 2. 位移 位移是指地质体（物体）及其内部各 质点初始位置的改变，是通过物体内各质 点的初始位置和终止位置的变化来表达的。 质点的初始位置和终止位置的连线叫 位移矢量。这条线只代表位移的最终结果， 而不代表位移的实际路径。
• 3. 位移方式
平移 四种: • 平移-变形前后质 P 点位置的平行移 动； • 旋转-变形前后物 ( 虚线为可能的路径） 质线方位的改变； • 形变-变形前后物 P 体形状的改变； P 体变-变形前后物 体体积的改变
2）作为溶剂，促进物资的溶解和运移，改变岩石的成 分和结构使得岩石易于变形；
3）润滑作用，降低颗粒之间的粘结力，易于产生滑动。 最为典型的实例是逆冲推覆构造；
4.同构造脉的形成机制与递进变形
矿物分形生长的动力学模型与数值模拟
只是对 三 维分 形 生 长的二 维 平 面模 拟 ， 能 完全反 映 整 个 矿 物在 三 维 受 限 空 间 中聚 不 集生 长 的复 杂动 力 学．
关 键 词 ： Ｌ 模 型 ； 物 ； 形 生 长 Ｄ Ａ 矿 分
中图分 类 号 ：６ １５ Ｐ 】 ．
文献 标识 码 ： Ａ
Ａｎ Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｍ ｒ ｃ ｌＡｐｐ ｏ ｃ ｏ ｈｅ Ｄｙ ｍ ｉ ｏ ｌｏ ｒ ａ ｈ ｆ ｒ ｔ ｎａ ｃ Ｍ ｄｅ ｆ
３ ０ Ｘ ０ ａ ｔｃ ｓ ａ ｒ ｗｔ ｏ ｕｓ ａ ｄ ｔ ｅ ａｔａ ｔｏ ｏ ｉ ｓ ｅ ｏ ｄ ａ ｎ Ｔｈ ｅ ０ ３ ０ ｌ ｔｉｅ ｓ ａ ｇ ｏ ｈ ｆ ｃ ｎ ｈ ｔｒ ｃ ｉｎ ｄ ｍａ ｎ ｉ ｓ ｔｔ ｉ ｍｏ ｄ． ｒ ｅ
ｍａ ｎ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｅ ｃ ｎｓｄ ｒ ｄ ｉ ｈ ｓ ｍｏ ｅ ． ｅ ｏ ｈ ｍ ｓｔ ｅ ｐ ｏ ｂ ｌｔ ｆｓ ｒａ ｅ ａ — ｉ ａ ａ ｔｒ ｒ ｏ ｉ ｅ ｅ ｎ ｔ ｉ ｄ １ Ｏｎ ｆｔ ｅ ｉ ｈ ｒ ｂａ ｉｉｙ ｏ ｕ ｆ ｃ ｄ
Ｆｒ ｃ ａ ｒ ｗｔ ｆ Ｍ ｉ ｒ ｌ ａ ｔ ｌＧ ｏ ｈ ｏ ｎｅ ａ ｓ
ＸＩ Ｙ ａ ｓ ， Ｅ ｎ・ｈｉ ＴＡＮ ａ － ｕａ ， Ａ ＮＧ ｅ ｇ－ ｉ ｇ， Ｕ ａ － ｕ ｎｇ Ｋ ｉｘ ｎ Ｗ Ｚｈ ｎ ｑ ｎ Ｈ Ｋ ｉｇ ａ
（ ｃｏｌ ｆ ｕｌａ ｅｏ ｒｅ ｎ ｕ ｌａ ｕｌ ｎｉｅ ｒ ｇ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｏ ｔ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｃ ｒ ｓｕｃｓａ ｄＮ ｃ ｒ ｅ Ｅ ｇ ｅｉ ， ｎｖ ｓｙｏ ｕｈ ｈｎ ， Ｎ ｅ Ｒ ｅ Ｆ ｎ ｎ ｅ ｔ Ｓ Ｈ ｎ ｙｎ ， ｕ ａ ２ ０ １ Ｃ ｉａ ｅ ｇ ａｇ Ｈ ｎ ｎ４ １ ０ ， ｈｎ ）
矿山中的力学问题与数值模拟
破坏后的试样
岩石拉伸试验
岩石剪切试验——变角度剪切
变角度剪切
当剪切模具的角度为 的时候，作用在岩石试 样上的正应力和剪应力 分别用下式计算： Pi Pi s i cos i i sin i A A 式中A为剪切面积
岩石三轴压缩试验
由压缩和拉伸试验结果，可以获得岩石的抗
大，地下矿山的开采深度，已经达到3600多 米，露天矿的开采深度，也已接近1000米。 在这样深度的条件下，会出现许多前所未有 的挑战，许多问题都需要通过岩石力学的研 究来逐步解决。
南非West Deep Gold Mine: 采深超过3600米。
岩爆
岩爆
岩爆
岩爆
早在1970年，就曾经有人对当时世界上最大
然而，现场岩体试验费工费时，成本高昂。地下矿 山往往难于进行。 即使进行了岩体力学试验，也因岩体力学指标的分 散性，而难于确定“准确的”岩体参数。 在实际的矿山工程中，通常只能根据室内岩块的试 验结果，进行折减，得到岩体的强度、弹性模量等 参数。 水电工程中，岩体力学试验要投入大量经费。但最 后使用的参数，仍然需要综合考虑各方面的因素， 对试验结果进行折减。试验结果实际上只取到有限 的参考作用。 原因：安全系数要取得充分大。
工程设计的主要任务
使用公式
s max ≤ [s] 即，工程结构中的应力s max，应小于或等于材料的 许用应力[s] 。 s max可由计算获得， [s] 则在实验室获得材料的强 度，强度与安全系数之比，就是许用应力[s] 。 例如，梁的s max可由下式计算：
s max
复杂的工程，可用有限单元法来计算其中的应力。
按结构体对岩体分类
综合信息成矿预测第二章成矿预测的理论和方法体系PPT课件
第二节 基本理论
• 成分异常：包括地质体岩石化学成分或微量元素 成分异常。成分异常的标准，在地球化学中常以 异常下限来确定。
• 岩性异常：包括异常岩性的岩浆岩、变质岩或沉 积岩，以及岩浆岩、变质岩或沉积岩中的异常岩 性部位等；
第二节 基本理论
• 岩相异常：包括岩浆岩、变质岩或 Nhomakorabea积岩中的异 常相或相带，如岩浆岩中的异常缘相或火山中心 相，变质岩中的特殊变质相带，沉积岩中对成矿 特别有利的沉积相等；
第一节 基本概念
成矿系列概念的提出使得人们对矿床的单个 研究，发展到对矿种共生、矿床组合类型的研究， 将成矿作用研究与区域地质背景联系起来。
成矿系列从高到低分为：矿床系列组合、矿床 成矿系列类型、矿床成矿系列、矿床成矿亚系列、 矿床式(矿床类型)、矿床、矿床成因类型共7个层 次。
第一节 基本概念
地构造背景、地球化学背景以及地球物理背景， 通过典型矿床形成环境的研究建立环境类比模型。
第二节 基本理论
（2）成矿条件（控矿因素）类比：主要包括控 矿构造、岩浆岩、地层、岩性、岩相古地理等条件 的对比。对内生矿产而言，主要是构造-岩浆活动 因素类比；对外生矿产而言，主要是构造-岩相因 素或岩相古地理因素的类比；对变质矿产而言，主 要是岩性、变质相及变质程度类比，通过典型矿床 的成矿条件分析，建立条件类比模型。
第二章 综合信息矿产预测 理论和方法体系
第二章 综合信息矿产预测理论和方法 体系
• 一、基本概念 • 二、基本理论 • 三、方法体系 • 四、方法体系分类
第一节 基本概念
1、矿产预测：是在成矿地质理论指导下，总结 矿床成矿模式；以地质、物探、化探、遥感等信 息为依据，总结找矿模式；依据成矿模式和找矿 模式建立切实可行的矿产预测准则；对预测区内 的潜在矿产资源作出预测，圈定成矿远景区段和 优选成矿靶区，并提出进一步的找矿部署意见。
成矿动力学理论基础
现代找矿勘查的成功概率并不高，每10000个勘查项目只 有1~2个最终演化成可赢利矿山，现代科学技术的发展也没有 有效地提高找矿勘查的成功率，其主要原因是我们对导致矿 体形成并定位于某一位置的动力过程缺乏详细的了解，而且 现代地球科学和地球探测技术也没有为我们提供足够的了解 成矿动力学过程的知识和技术， 只有发展动力学研究，才有 可能实现这一点。大气动力学对气象预报的贡献。
地质动力学 (geodynamics)
Geodynamics,国内称为地球动力学, 主要研究地球及其各圈层 的运动及其原因。这实际上是不确切的。
澳大利亚地质动力学合作研究中心(Australia Geodynamics Cooperative Research Centre)给出的定义为，Study of the changes that occur to and within bodies of rock under the influence of geological processes. These geological processes include tectonic and gravitational stress (which cause displacements and deformations), thermal fluxes (which cause metamorphism and melt of rock), fluid flows (which cause movement and convective circulation of mineral-laden water, hydrostatic stress and hydro-fracturing) and chemical reactions (which cause alternation, mineral solution and mineral deposition). There are strong feedback interaction (couplings) between these processes.
第二章矿液运移
热液对流系统与矿床形成
卡林型金矿床示意剖面图
细粒碎屑沉积物 逆断层
灰岩
碳酸盐胶结的薄层 碳质碎屑沉积物
• 常见的成矿流体运移趋势有： • 沿透水层向上运移； • 沿不透水层之下向上运移； • 沿岩层仰起方向运移； • 沿岩层倾向运移； • 沿背斜两翼向轴部运移； • 沿背斜脊线运移； • 沿多层透水层分流运动；
成矿流体运移趋势图
a- 沿透水层；b-沿不透水层之下；c-沿岩层仰起方向；d-沿岩层倾向； e-沿 背斜翼部； f- 沿背斜脊线；g-沿数层岩层分流； h-当岩层被不透水面断开时
（1）不同断裂裂隙的导水性
• 岩石裂隙的类型多，力学性质差异大，其含 水和导水的性能相差悬殊。
• 张性断裂裂隙的含水空间大，导水能力最强。 • 压性断裂裂隙的含水性和导水能力较差。 • 剪切断裂裂隙的富水条件和导水能力介于张
性断裂裂隙和压性断裂之间。
（2）断裂裂隙中流体运移趋势
• 成矿流体沿单一断裂裂隙运移时，基本上是由下向上 运动，形成的矿体较为简单。
可渗透石英岩
似碧玉岩 矿体
灰岩和白云岩 长英质至中性侵入岩
（2）区域变质过程中变质热液对流
• 在区域变质过程中产生的变质流 体，由于变质变形（构造－热力） 作用可能被导流进入有利的构造 环境，如果变质流体在途中萃取 了围岩中的成矿物质，在减压扩 容的构造环境中便可能富集成矿。
• 如火山－沉积建造遭受绿片岩相 到角闪岩相的变质作用，岩石中 会释放出约2％的变质水，在温 度为500℃条件下，变质热液中 金的溶解度可达0.1×10-6 ，含金 热液汇聚到绿片岩相的有利构造 部位沉淀成矿。
基于FLAC3D成矿过程数值模拟:以南泥湖钼矿床为例
基于FLAC3D成矿过程数值模拟：以南泥湖钼矿床为例赵鹏飞;王功文;韩小梦;牛仲行;王兵【摘要】The Nannihu Mo deposit is a porphyry-skarn the two incorporated into one of the deposits.Metallogenic conditions of three core is accused rock structure conditions,magmatic conditions and sediment source.In this paper,first of all,established the ideal metallogenic model of Nannihu Mo deposit by GOCAD software,then converted into a format that can be imported into the FLAC3D,by means of C++ programming.the coupled mechanical-thermal-hydrological numerical modeling of hydrothermal metallogenic processes for the Nannihu Mo deposit was performed in FLAC3D.The results show that,fluid flow focusing near the contact rock zone of the Nannihu units.These areas with the maximum dilation.Maximum dilation and fluid interchange form confluence area,are favorable for mineralization.%南泥湖钼矿床是一个斑岩-矽卡岩二位一体的矿床,成矿的三大核心条件是控岩构造条件、岩浆条件和物源条件.本文首先通过GOCAD对南泥湖钼矿床建立理想的成矿模式,并运用C#编写的程序把模型的格式转换成FLAC3D可以识别的格式,导入FLAC3D中.然后通过FLAC3D对南泥湖矿床岩体侵入后固化冷却过程中进行力-热-流耦合数值模拟,通过数值模拟结果显示流体流向岩体接触带附近,并在南泥湖组出现最大体应变带形成扩容空间,扩容空间与流体交汇处形成汇流区是成矿的有利部位.【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2017(026)0z1【总页数】6页(P286-290,297)【关键词】数值模拟;扩容空间;FLAC3D;南泥湖;钼矿床【作者】赵鹏飞;王功文;韩小梦;牛仲行;王兵【作者单位】中国人民武装警察部队黄金第七支队,山东烟台 264004;中国地质大学(北京),北京100083;中国人民武装警察部队黄金第七支队,山东烟台 264004;中国人民武装警察部队黄金第七支队,山东烟台 264004;中国人民武装警察部队黄金第七支队,山东烟台 264004【正文语种】中文【中图分类】P611数值模拟技术诞生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流。
成矿动力学
成矿动力学
成矿动力学是地质学中的一个分支，主要研究地球内部和外部的物质运移、变质、熔融和流体循环等各种作用与过程，以及这些作用和过程对成矿作用的影响和贡献。
在成矿作用中，成矿动力学扮演着重要的角色，其研究成果对于找矿勘探和矿产资源开发具有非常重要的指导意义。
成矿动力学主要研究以下几个方面：
1. 岩浆起源、演化与流体活动：研究岩浆的形成条件、成因、成分、演化过程以及相关的流体作用，对于了解大型岩浆型矿床的成因和寻找斑岩铜矿等矿床具有重要的指导意义。
2. 热液作用与流体包裹体：研究热液成矿作用的起源、成因、特征、流体包裹体等，为金属矿床的勘探和分布以及矿物资源的评估提供依据。
3. 岩石变质与变形：研究岩石变质机制、变质带与成矿作用之间的关系，为研究变质带中的壳源金属矿床提供理论基础。
4. 碳酸盐岩成矿作用：研究碳酸盐岩的成因、氧同位素组成和与热液作用之间的关系，为寻找大规模的铅锌银矿床和金属碳酸盐矿床提供理论基础。
5. 土壤和沉积物中的金属探测方法：研究与开发土壤和沉积物中的金属探测方法，为快速寻找金属矿床提供技术手段。
总之，成矿动力学是一门跨学科的综合科学，涉及地球的多个方面，为研究和开发有色金属、黑色金属、贵金属、稀土金属等各类矿产资源提供理论和技术支持。
成矿动力学数值模拟(第二讲)
• 解析方法就是用数学上的积分法或积分变换等方法直接求数 学模型的解，其解称为解析解，它是数学模型的精确解，这 种解的最大优点在于把表征物质运动规律的变量与激发条件、 时空变化包含在一个表达式中，这样便于分析物质运动规律。 但实际上由于动力学方程的复杂性和系统几何结构和形态的 复杂性，大多数情况下，我们是不可能求得分析解的；
二、FLAC软件的应用
1. FLAC的理论基础及主要特点 2. 应用FLAC进行数值模的步骤 3. FLAC的主要命令 4. FLAC自带的FISH语言 5. FLAC模拟技巧
1. FLAC的理论基础及主要特点
FLAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua的缩写， 美国Itasca公司开发的, 意为连续介质的快速拉格朗日法分析, 它是一种以显式有限差分法(explicit finite difference) 进行连续 介质物理作用模拟的商业软件(commercial code)。它源自数学 力学的拉格朗日元法。最初由Minnesota大学的Peter Cundall开 发的。
是一个相当大的难题。就现代计算机技术水平及发展趋势 来看,这已 经不是一个大的问题。
2. 怎样进行数值模拟
进行数值模拟的6个关键步骤 Six key components for making a model
1) 问 题 A “Story” or key question
This is a problem or scenario you want to explore in geological or any
4) 本构关系 Selection of appropriate rheology
(constitutive laws)
成矿流体热力条件与矿床成建模
成矿流体热力条件与矿床成建模矿床形成是地球深部过程与地表环境相互作用的结果。
成矿流体在地质时间尺度上的运移过程和热力条件是决定矿床形成和分布的重要因素。
矿床成建模则是通过对成矿流体热力条件的研究，模拟矿床形成过程，从而预测矿床的分布和寻找新的矿产资源。
成矿流体热力条件是指影响成矿作用的温度、压力、流体成分和流体运移路径等因素。
在地壳深部，高温高压下形成的成矿流体具有较高的溶解能力，能够将地壳中富集的金属元素溶解，并通过流体运移的方式将这些元素输送到地表。
同时，成矿流体的压力和温度条件也会影响矿物的相态变化和形成，进而影响矿床的矿物组成和矿石的可行性。
了解成矿流体的源区和路径是进行矿床成建模的基础。
成矿流体可以来自地壳深部的岩浆或者变质作用，也可以来自地表水体的渗透或者大气降水。
不同类型的矿床形成于不同的源区和路径之下。
例如，热液矿床一般形成于岩浆活动和构造作用下，其成矿流体具有高温高压和较高的金属含量。
而沉积矿床则形成于地表水体中的溶解物质在适宜的条件下沉积和富集。
成矿流体热力条件的研究主要依靠实验模拟和数值模拟两种方法。
实验模拟可以通过高温高压实验来模拟地壳深部的成矿流体条件，以及相应的矿物相变和矿床形成过程。
数值模拟则是通过建立物理数学模型，利用计算机仿真技术，模拟成矿流体在地质时间尺度上的运移过程和相变过程。
这种方法可以预测矿床的分布和矿石的可行性，对寻找新的矿源具有重要的意义。
除了对成矿流体热力条件的研究外，研究者还需要考虑地质环境、构造背景和地球动力学过程等因素对矿床形成的影响。
例如，地壳深部的构造变动和岩石变形会导致地壳中金属元素的富集和溶解，进而影响矿床的形成。
此外，地球动力学过程如板块运动和地壳变形也会改变成矿流体的运移路径和热力条件，从而影响矿床的形成和分布。
最后，矿床成建模是矿床学和地质学领域的重要研究方向。
通过对成矿流体热力条件的研究和矿床成建模的模拟，可以为资源勘查和开发提供重要的科学依据和技术支持。
具有干摩擦阻尼结构的成组长叶片动力学建模及数值仿真
关键词 ： 片； 叶 干摩 擦 ； 减振 ； 汽轮机
分 类 号 ：Ｋ ６ ． Ｔ ２３ ３ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ８４ ２ １ ）６０ ０ － １０ － ８ （０ ０ ０ －４ １ ５ ５ ０
Ｔｈ ｎ ｍｉ ｄ ｌｎ ｎ ｍｅ ｉ ａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｏ ｏ ｇ Ｔ ｒ ｉ ｅ Ｂｌ ｄ ｓ ｅ Ｄｙ ａ ｃ Ｍｏ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ Ｎｕ ｒｃ ｌＳ ｍｕ ａ ｉ ｆ Ｌ ｎ ｕ ｂ ｎ ａ ｅ ｏ Ｇｒ ｕ ｈ ｔｈ ｓ ｔ ｅ Ｄｒ ｒｃ ｉ ｎ Ｄａ ｉ ｇ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｐ ｔ ａ ａ ｈ ｙ Ｆ ｉ ｔ ｍｐ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｏ
矿床演化与动力学模拟
机遇：通过矿床演化与动力学模拟，实现矿业工程的可持续发展，提高资源利用率，减少环境污染
机遇：利用先进的技术手段，如人工智能、大数据等，提高矿床演化与动力学模拟的准确性和效率
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挑战：模拟参数的选取、模拟结果的验证、模拟软件的开发等
非金属矿床的形成过程：包括沉积、变质、风化等
非金属矿床的动力学机制：包括地壳运动、岩浆活动、水文地质等
பைடு நூலகம்
非金属矿床的动力学模拟方法：包括数值模拟、物理模拟、实验模拟等
非金属矿床的动力学模拟应用：包括资源勘查、矿山设计、环境评估等
矿床演化与资源开发利用的关系：矿床演化模拟可以预测资源开发利用过程中的风险，为资源开发利用提供风险管理措施。
地壳运动：地壳的升降、褶皱、断裂等运动对矿床的形成和演化产生重要影响
岩浆活动：岩浆的侵入、喷发等活动对矿床的形成和演化产生重要影响
地下水活动：地下水的流动、溶蚀等作用对矿床的形成和演化产生重要影响
气候条件：气候条件的变化对矿床的形成和演化产生重要影响
生物活动：生物的活动对矿床的形成和演化产生重要影响
损伤模型：描述岩石的损伤和破坏过程
热力学模型：描述岩石的热力学性质和温度效应
有限差分法：将连续问题离散化，求解数值解
谱方法：将问题转化为谱问题，求解数值解
有限元法：将连续问题离散化，求解数值解
网格自适应方法：根据问题特点自适应调整网格密度，提高计算精度
边界元法：将边界问题离散化，求解数值解
并行计算方法：利用多核处理器并行计算，提高计算效率
人类活动：人类的采矿、勘探等活动对矿床的形成和演化产生重要影响
矿山开采工程动力学仿真研究
矿山开采工程动力学仿真研究矿山开采工程动力学仿真研究摘要：矿山开采工程动力学仿真是矿山开采过程中的一项重要研究内容。
采用动力学仿真方法可以模拟煤矿、金矿等开采作业过程中岩层移动和应力变化等物理现象，为实际生产提供科学合理的参考依据。
本文将介绍矿山开采工程动力学仿真的研究意义、仿真建模方法及仿真结果分析，以期为矿山开采行业提供技术支持和指导。
一、引言矿山开采工程动力学仿真是通过计算机模拟矿山开采作业过程中的物理现象，如岩层变形、坍塌、应力分布等，从而对采矿过程进行分析、优化和预测。
在现实矿山开采中，由于开采活动的影响，岩层可能会发生破碎、滑移、变形等物理现象，从而对矿山的稳定性和安全性产生影响。
因此，矿山开采工程动力学仿真研究对于保障矿山开采安全、提高生产效率具有重要意义。
二、矿山开采工程动力学仿真建模方法在进行矿山开采工程动力学仿真研究时，需要进行合理的建模。
常用的建模方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
这些方法基于不同的理论，可用于模拟不同类型的矿山开采工程动力学现象。
2.1 有限元法有限元法是一种经典的仿真建模方法，可以将连续介质划分为有限数量的单元，通过求解微分方程组建立模型。
在矿山开采工程动力学仿真中，有限元法通常用于模拟岩石变形、应力分布等物理现象。
通过对岩石的弹性模量、泊松比和初始应力等参数进行合理设置，可以获得与实际开采过程相符合的仿真结果。
2.2 离散元法离散元法是一种基于颗粒间相互作用力的仿真建模方法。
在矿山开采工程动力学仿真中，离散元法可以模拟岩石颗粒的破碎、滑移等物理现象。
通过设定初始位置、速度和相互作用力等参数，可以获得岩石颗粒运动的仿真结果。
2.3 边界元法边界元法是一种基于边界方程的仿真建模方法。
在矿山开采工程动力学仿真中，边界元法可以模拟岩层边界处的应力分布、位移变化等物理现象。
通过设定边界条件和岩层物性参数，可以获得与实际开采过程相符合的仿真结果。
三、矿山开采工程动力学仿真结果分析通过矿山开采工程动力学仿真研究，可以得到矿山开采中岩层的变形、位移、应力分布等信息，从而评估矿山开采的安全性和稳定性。
锡矿山锑矿床成矿流体的热场与运移的数值模拟
锡矿山锑矿床成矿流体的热场与运移的数值模拟锡矿山锑矿床是锑矿资源储量最丰富的矿床之一，不仅在我国具有重要的经济价值，而且对锑矿床成矿机理的研究也具有重要意义。
本文将从“锡矿山锑矿床成矿流体的热场与运移的数值模拟”这一主题展开讨论，详细分析该矿床成矿流体的温度场、应力场及物质运移等方面，为该矿床的矿物资源开采提供科学依据。
1.锑矿床的成矿机理锑矿床的成矿机理较为复杂，主要有以下几种成矿类型：（1）热液成矿：锑矿床主要是由高温低压热液流体在古地热体系的作用下形成的。
这种成矿方式需要具备高温、低压、氧化还原条件以及包裹体的存在，主要形成于构造活动快速和同期岩浆活动的地段。
（2）碳酸盐型成矿：碳酸盐型锑矿床主要形成于早期海洋沉积环境中，由洋壳岩浆的热液与海水中的碳酸盐矿物反应而形成。
（3）变质成矿：变质成矿是在高温高压的环境下，由流体与包裹体的相互作用形成的。
这种成矿方式具有局部性较强的特点，主要发生在变质带和同期构造带中。
（4）沉积成矿：沉积成矿主要是由古地理条件、水文地质因素等所引起，分布广泛，矿床规模一般较大。
2.锑矿床成矿流体的数值模拟针对上述成矿机理，本文重点分析了锡矿山锑矿床的热场与运移，采用了Fluent数值模拟软件，对该矿床的成矿流体的温度场、应力场及物质运移等进行了模拟研究。
（1）温度场模拟首先，对锡矿山锑矿床的热场进行数值模拟。
通过建立三维数值模型，对其热运移过程进行模拟研究，计算矿床内温度等参数分布情况，得到了该矿床形成流体温度为240-280℃，流体温度高低和成矿阶段和成矿类型相关。
在模拟过程中，还确定了矿床中流动场和剪切应力场的分布状况，为后续的物质运移研究提供了基础数据。
（2）应力场模拟接下来，对锡矿山锑矿床中的应力场进行数值模拟。
根据该矿床的成矿机理和地质条件，确定其应力分布规律，并利用松弛剩余法进行数值模拟分析，得到了在不同成矿类型或成矿阶段下，矿脉形成的应力分布特征及对矿脉形态和分布的影响。
《成矿系统简介》PPT课件
第二讲 成矿系统简介
PTP课件
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• 一、按构造动力体制划分成矿系统大类
– 构造动力学体制分类：
• (1)伸展（拉张）—裂谷、大型生长断层或同生断层、盆岭 构造、变质核杂岩构造等；
• (2)收缩（挤压）—板块俯冲带（含岛弧、陆缘岩浆弧、构 造混杂岩带等），大型推覆构造、大型逆冲断层等；
• (3)走滑—转换断层、走滑断层系（含拉分盆地）等； • (4）隆升—地幔柱上升、地壳热隆（点）、底辟构造系等； • (5)沉降—沉积盆地、坳陷带等 • (6)大型韧性剪切—结晶基底的韧性剪切带，有逆冲、正滑、
23
• （五）矿石堆积场地
– 指矿床定位场所。在石油地质学中使油气汇集的构 造一岩石因素称为圈闭（trap），在金属成矿学中 矿石堆积地称成矿圈闭（冯景兰，1963）或场地准 备（Guibert, 1986）。形成矿石堆积场地有三个条 件：
• 一是有足够的矿石堆积空间（可以是原已存在，也可以是 在成矿过程中逐步扩展形成）；
– 陈毓川等(1998)指出，“成矿系列是具有成因联系
的矿床所组成的自然体”，是“四维空间中有内在
联系的矿床组合”。PTP课件
13
– 翟裕生等(1987)强调矿床成因与岩石建造的 联系，提出“成矿系列是与同一建造有成因 联系的各种成因类型矿床构成的四维整体”。 因此，从定义本身看，成矿系列的研究对象 是有成因联系的矿床类型组合。
湖南金狮岭地区成矿动力学数值模拟与成矿预测
湖南金狮岭地区成矿动力学数值模拟与成矿预测陈亮;陈良波;唐振平;胡杨;刘江;王正庆;刘珊;黄伟;韩世礼【摘要】基于FLAC3D的流-固耦合模块,运用数值模拟方法,将金狮岭地区构造-流体-成矿系统及其动力学作为一个统一的整体进行了研究,根据模拟得到的主应力、最大主应力、最大剪应力、法向应力、主应变率、最大主应变率、最大剪切应变率和体积应变率等的定量结果,分析了矿床的成因和机制.模拟结果显示:主应力和主应变率大的区域,是成矿的有利部位,结合实际地质进行了相关验证.根据这些结论,最终圈定出金狮岭地区最具找矿潜力的四处区域.【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)002【总页数】8页(P62-69)【关键词】数值模拟;流固耦合;FLAC3D;金狮岭【作者】陈亮;陈良波;唐振平;胡杨;刘江;王正庆;刘珊;黄伟;韩世礼【作者单位】南华大学核科学与技术博士后流动站,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西南昌330013;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西南昌330013;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001;南华大学核资源工程学院,湖南衡阳421001【正文语种】中文【中图分类】P6310 引言传统的地质-地球物理-地球化学理论和分析方法，是研究地质构造变形演化的重要基础，但由于不同学者的侧重点不同，以及对地质过程理解方面的局限性，这种方法难免存在一定程度的局限性[1].从二十世纪九十年代起，数值模拟技术开始在地质领域广泛应用[2-3].成矿动力学数值模拟是综合已有的地质资料，利用数值模拟方法建立不受时空限制的地质模型，模拟再现成矿地质过程，并分析其动力学机制，是解决复杂的成矿系统问题的重要方法之一[4-5].将构造-流体-成矿作为复杂成矿系统的耦合整体，是成矿研究一个新的思路和方法，已有很多学者进行了理论和实践的研究[6-9].耦合模拟手段有助于解决复杂成矿系统地质问题，对成矿动力学研究具有重要的指导意义，在找矿方面具有广泛的应用潜力和发展前景.本研究利用FLAC3D的流固耦合计算模块，采用摩尔库伦模型与渗流模型的耦合，模拟分析应力-应变场与成矿流体汇聚的耦合作用，可以有效模拟热液成矿系统的流体流动，有助于理解成矿动力学机制，预测成矿有利条件，提高找矿效率.1 地质背景金狮岭位于湖南郴州东坡矿田内，东坡矿田内各种方向的断裂相互交切贯通，按走向可分为近SN向、NE向、NW向和EW向(图1，据李忠文等[15]，1989；马丽艳等[10]，2010；修改)，其中近SN向和NE向两组断裂最为重要[10].图1 东坡矿田地质图Fig.1 Simplified geological map of dongpo orefield矿区经历了不同时代的地质演化过程，与成矿相关的构造变形期次包括：加里东期，南北向的挤压应力作用下形成东西向断裂；印支期，东西向挤压应力下，形成一系列南北向褶皱和压剪性断裂；燕山早期，左旋压扭应力作用下形成北东向褶皱和北东向压剪性断裂，燕山中晚期，右旋压扭应力作用下对先期北东向断裂叠加与改造，并形成一系列北东向压剪性断裂.东坡矿田的矿产资源勘查工作从上世纪30年代开始，目前已勘查评价20多个大中型多金属矿田，矿田的地质研究程度较高.东坡矿田金属矿具有多期多阶段性、继承性的成矿特点[11]，矿体空间具有成群成带分布规律[12]、侧伏规律、递温规律、台阶规律[13]，东坡矿田的找矿工作已有前人进行过很多研究[14]，但对铀矿的找矿研究相对较少.2 矿区地质金狮岭位于湖南郴州东坡矿田东南部，地处扬子陆块与华夏地块交接地带，在构造位置上处于东坡-月枚复式向斜北段昂起部位及千里山复式岩体周围.金狮岭内地层主要是石英砂岩、砂页岩和石灰岩.目前金狮岭内已知矿物主要是铅锌矿，近年来又发现了铀矿化点，但对铀矿缺乏系统定量的找矿勘查研究.本文通过数值模拟实验，得出金狮岭地区构造演化的定量结果，对于寻找金狮岭内铀矿的工作，具有一定意义.3 模型建立由于实际地区的构造格局比较复杂，所以模型必须经过一定的简化处理.根据收集的地质资料，提取出地层和断裂的大致轮廓线，用CAD建立金狮岭地层模型(图2).图2 CAD建立的地层模型Fig.2 Stratigraphic model established by CAD将CAD图像处理后输出为.sat格式的文件，将文件用ANSYS软件打开，按照岩体信息划分面域，然后增加一个厚度形成三维模型.综合考虑计算机性能、模型的特征、计算效率和精度等情况，将此三维模型按照不同的比例进行网格剖分和分组，形成共11 148个单元体13 559个节点(图3).图3 基于ANSYS建立的地层三维模型Fig.3 Stratum 3D model based on ANSYS将ANSYS模型进行旋转以后，输出为.dat文件，然后通过导入程序，将所有节点及分组信息导入FLAC3D中，形成最终的模型(如图4)，模型共包含九个地质单元. 图4 基于FLAC3D建立的地层三维模型Fig.4 Stratum 3D model based on FLAC3D4 模拟参数和条件1) 三维模型建立以后，确定模拟材料的本构关系是很重要的一步，模拟中的材料参数必须能够反映地质单元的真实情况，实验第一步模拟加里东期南北挤压应力作用下的变形过程，选择的是各向同性弹性模型.根据岩石的物理性质，对九个地质单元进行参数设置.需要定义的参数为：密度DENS，体积模量BULK，剪切模量SHEAR(见表1).初始条件和边界条件为：南北向10 MPa的边界压应力，东西两个边界进行约束，边界不产生位移.2)实验第二步模拟燕山期成矿过程，分析岩体冷却过程中的流固耦合演化，选择摩尔库伦模型和渗流模型作为本构模型，材料参数包括摩尔库伦模型的七个力学参数和渗流模型的两个水文参数.由于岩石的材料参数有较大变化范围，本文选用不同的参数进行模拟计算，通过对比结果的合理性选择合适的参数，此时所采用参数代表最合理的值，但与真实值可能存在误差(见表1).边界条件和初始条件设置为：1)在南北两个边界添加均匀对称的1×e-10 m/s的初始挤压速度；2)初始水饱和度为1；3)模型的地表设为透水边界，其它边界为不透水边界.表1 模型的物理参数Table 1 Physical parameter of the simulation models分组密度/kg·m-3体积模量×1010/Pa剪切模量×1010/Pa粘聚力×106/Pa内摩擦角/(°)膨胀角/(°)抗拉强度×106/Pa渗透率×10-12/m2孔隙率126502.522.4813.0048.05.502.50180.212242018.106.0037.4028.85.904.50200.243239017.805.7038.4027.86.005.00210.254236017.505.4039.4026.86.105.50220.265212022.9011.407.7243.04.711.68270.146209022.6011.106.7242.04.611.58280.137206022.3010.805.7241.04.511.48290.12818900.310.180.3816.03.000.121510.56918800.300.170.3615.03.000.111500.555 模拟结果及分析对模型进行计算求解，本文采用后处理的方法.模拟结果后处理输出图像包括主应力、最大主应力、最大剪应力、法向应力、主应变率、最大主应变率、最大剪切应变率、体积应变率等.5.1 弹性模型模拟结果主应力大部分区域为零，东西两个边界受到拉张应力的作用，特别是东部边界，拉张应力较大；模型中部区域则受到挤压应力作用，特别是西部断裂的最东段及其附近(图5(a)).最大拉张主应力出现在东部边界，最大挤压主应力集中在西部断裂及其周边区域，沿断裂轴向分布，且在模型北部大于南部(图5(b)).最大剪切应力与法向应力分布近似，在东西两个边界较大，中部较小，东部整体大于西部(图5(c)、图5(d)).主应变率大体上在断裂带和不同组块的边界地带达到极值，组内区域的应变率较小(图6(a)).最大主应变率和最大剪切应变率均在断裂带达到最大，东部断裂最大主应变率大于西部断裂，最大剪切应变率小于西部断裂(图6(b)、图6(c))，西部断裂体积压缩，东部断裂北段为体积膨胀，形成扩容空间，南段为体积压缩(图6(d)).5.2 耦合模型模拟结果主应力和最大主应力挤压作用的最大值处于两条断裂特别是西部断裂，沿断裂轴部方向形成了较大范围的挤压应力环境，拉张作用的最大值位于模型东北部(图7(a)、图7(b)).最大剪切应力与法向应力在断裂带附近较大，边界较小，其特征与断裂的位置一致，且模型西部的剪切应力大于东部(图7(c)、图7(d)).主应变率、最大主应变率、最大剪切应变率在断裂带特别是西部断裂处达到最大，石英砂岩组块的东部边界区域较大，其余地区较小，且西部断裂大于东部断裂(图8(a)、图8(b)、图8(c)).西部断裂体积膨胀率较大，砂页岩组块与石灰岩组块边界的东段体积压缩率较大(图8(d)).从两组模型的模拟结果比较，无论应力还是应变率，流固耦合模型的结果都比弹性模型的结果更加精确和直观，数值差异更加明显，极值部位更加准确，能更好地对成矿进行分析和预测.图5 弹性模型的应力计算结果, 正值代表拉张应力, 负值代表挤压应力Fig.5 The results of stress in elastic model, positive represents tensile stress while negative represents compressive stress图6 弹性模型的应变率计算结果, 正值代表膨胀, 负值代表压缩Fig.6 The resultsof strain rate in elastic model, positive represents expansion while negative represents compression图7 耦合模型的应力计算结果, 正值代表拉张应力, 负值代表挤压应力Fig.7 The results of stress in fluid solid coupling model, positive represents tensile stress while negative represents compressive stress图8 耦合模型的应变率计算结果, 正值代表膨胀, 负值代表压缩Fig.8 The resultsof strain rate in fluid solid coupling model, positive represents expansion while negative represents compression6 结果与讨论不同部位形成的应力差，驱动含矿流体流动[16]，主应力大的区域，岩石容易破裂，尤其最大主应力大的地区，容易产生次级断裂，次级断裂为成矿流体的贯通提供条件，同时提供了成矿所需要的空间[17].剪切变形具有很好的控矿条件[18]，剪切带的发育可以促进岩石的渗透性增大，为成矿流体的活动提供条件.应变率大的部位形成扩容空间，其是成矿的有利部位.模拟实验结果表明：主应力和最大主应力较大的区域，主要在断裂带及其附近.剪切带的走向与断裂带的走向相近，剪应力值较大的区域位于东部边界、西部断裂以及两组断裂之间的区域.断裂带使水平压应力转换为局部垂直张应力，断裂拐点处产生法向应力高值带，其特征与断裂走向一致.主应变率大的区域主要是断裂带附近，石英砂岩组块的东部边界，以及石灰岩组块的北部边界.剪切应变集中在断裂带特别是西部断裂，石英砂岩组块的东部边界也具有较大的剪应变.体积应变较大的区域仍然是两个断裂带，且东部断裂带的体积应变率梯度较大.综合分析，大应变率形成扩容空间，大应力使岩石发生破裂，增大岩石的渗透性和孔隙率，使成矿流体能够向扩容空间汇流；流体汇聚之后体积增大，造成液压致裂，增加了扩容量，又进一步促使流体汇流.扩容空间为成矿提供了空间条件，应力造成的高渗透率和大孔隙率为成矿提供了动力条件.所以，应变率大应力作用强的地区有利于成矿，有可能存在隐伏矿体.两组数值模拟的结果表明：大应变率集中在两个断裂带，石英砂岩组块东部区域也有较大的应变率；而应力较大的区域是断裂带及其附近、砂页岩组块西部区域.这些地区具有利于成矿的条件，存在隐伏矿体的概率较大.如图9所示，铁帽位于西部断裂的东段，中心位于断裂拐角.铁帽处的主应力和主应变率较大，具有利于成矿的条件，符合上述分析结论.结合以上理论分析和铁帽对比分析，对金狮岭进行隐伏矿体预测，圈定最具找矿潜力的区域，主要有四个，如图9中所示.图9 金狮岭成矿预测图Fig.9 Metallogenic prognosis map of jinshiling7 结论通过热液型矿床成矿过程中的构造应力场与流体场耦合的FLAC3D数值模拟计算，分析金狮岭地区加里东期与燕山期的成矿过程，获得构造应力、应变率的分布与矿体定位的关系，发现应力与应变率大的地区是成矿的有利部位.通过与实际地质情况进行对比验证，证明了实验结论的科学性，并对金狮岭隐伏矿体进行预测,在断裂带附近标出了最具找矿潜力的四处区域.参考文献：[1] 林舸,赵重斌,张宴华,等.地质构造变形数值模拟研究的原理、方法及相关进展[J].地球科学进展,2005,20(5):449-555.[2] 谢建华,夏斌,徐振华,等.数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介[J].地质与勘探,2005,41(2):77-80.[3] 洪伟斌,郭长青,盛叶舟,等.轴向流中两平行弹性薄板大挠度流固耦合系统的数值模拟[J].南华大学学报(自然科学版),2015,29(4):92-97.[4] LV Q T，YAN J Y，SHI D N,et al.Reflection seismic imaging of the lujiang-zongyang volcanic basin,yangtze metallogenic belt:an insight into the crustal structure and geodynamics of anore district[J].Tectonophysics，2013，606: 60-77.[5] LIN L M，ZHAO Y L，SUN T.3D computational shape-and cooling process-modeling of magmatic intrusion and its implication for genesisand exploration of intrusion-related ore deposits:an example from the yueshan intrusion in anqing，China[J].Tectonophysics,2012,526-529(2):110-123.[6] 陈建业,杨晓松,石耀霖.热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用[J].地球物理学报， 2009,52(4):939-949.[7] ZHANG Y H，ROBINSON J，SCHAUBS P 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宁芜盆地白象山铁矿床成矿作用过程数值模拟
宁芜盆地白象山铁矿床成矿作用过程数值模拟
贾蔡１ 袁峰１ 张明明１ 李晓晖１ 周涛发１ 邵尉１ 郑通科１ 高道明２ ＪＩＡＣａｉ１，ＹＵＡＮＦｅｎｇ１ ，ＺＨＡＮＧＭｉｎｇＭｉｎｇ１，ＬＩＸｉａｏＨｕｉ１，ＺＨＯＵＴａｏＦａ１，ＳＨＡＯＷｅｉ１，ＺＨＥＮＧＴｏｎｇＫｅ１ａｎｄＧＡＯＤａｏＭｉｎｇ２
２ 矿床地质背景
２１ 区域地质 长江中下游地区是中国重要的铜铁多金属成矿带（常印
佛，１９９１）（图 １），该区中生代燕山期岩浆活动和成矿作用强 烈，其中宁芜 和 庐 枞 火 山 岩 盆 地 最 大、出 露 最 好，矿 化 最 强 （周涛发等，２０１１）。这些火山岩盆地主要为北北东向，具有 拉分盆地的性质，发育一套橄榄安粗岩质火山侵入岩，产生 了以著名的“玢岩铁矿”组合为特征的火山次火山热液型和 沉积改造型等铁矿床及硫铁矿、硬石膏和明矾石矿床（宁芜 研究项目编写小组，１９７８）。
新分为龙王山、大王山、姑山和娘娘山四个火山活动旋回（宁 芜研究项目编写小组，１９７８）。 宁 芜 盆 地 内 的 主 要 侵 入 岩 为 （辉石）闪长玢岩或闪长岩，岩体以超浅成相为主，明显受北 北东和北西向两组深部隐伏断裂控制，呈带状分布。铁矿床 在宁芜矿集区广泛发育，从北至南依次分布有三个矿田，分 别为梅山矿田、凹山陶村矿田和钟姑矿田。
ＭｃＬｅｌｌａｎｅｔａｌ，２００３；赵崇斌等，２００８；Ｚｈａｏｅｔａｌ，２０１１， ２０１３），不少学者通过对于不同区域、不同类型的矿床深入探 讨了成矿机理与流体流动和构造变形过程之间的联系，验证 了汇流空间和扩容 空 间 产 出 的 一 致 性 （Ｌｉｎｅｔａｌ，２００６；刘 亮明等，２００８；ＭｃＬｅｌｌａｎｅｔａｌ，２００４），同时对于深边部隐伏 矿体的预测和分析也展开了一定的研究（Ｚｈａｏｅｔａｌ，２００２； 赵义来和刘亮明，２０１１）。
wangfl数值模拟
模拟采场前方支承压力情况今天进行的是方案五正交实验共确定七个方案，各方案模拟实际条件如下：方案一（A1，B1，C1）：即开采条件为煤厚2.0m、煤的坚固性系数0.2、开采深度310m；方案二（A1，B1，C2）：即开采条件为煤厚2.0m、煤的坚固性系数0.2、开采深度410m；方案三（A1，B1，C3）：即开采条件为煤厚2.0m、煤的坚固性系数0.2、开采深度560m；方案四（A2，B1，C2）：即开采条件为煤厚4.0m、煤的坚固性系数0.2、开采深度410m；方案五（A2，B2，C2）：即开采条件为煤厚4.0m、煤的坚固性系数1.5、开采深度410m；方案六（A2，B3，C2）：即开采条件为煤厚4.0m、煤的坚固性系数3.0、开采深度410m；方案七（A3，B1，C2）：即开采条件为煤厚6.0m、煤的坚固性系数0.2、开采深度410m。
其中方案一、二、三模拟煤厚2.0m、煤的坚固性系数0.2时，支承压力分布特征随开采深度的变化规律；其中方案四、五、六模拟煤厚4.0m，开采深度410m 时，支承压力分布特征随煤的坚固性系数的变化规律；其中方案二、四、七模拟煤的坚固性系数0.2，开采深度410m时，支承压力分布特征随煤的坚固性系数的变化规律。
表3-3 煤岩体物理力学参数表Tab.3-3 Table of physical and mechanical parameters of coal and rock岩性厚度/m密度/ kg/m3弹性模量/ Gpa体积模量/ Gpa剪切模量/Gpa内聚力/Mpa内摩擦角/°泊松比抗拉强度/Mpa中粒砂岩10 2605 13.61 9.45 5.40 4.0 46.0 0.26 3.84 泥岩12 2619 5.96 3.01 2.55 2.6 31.3 0.17 1.80 砂质泥岩7 2602 10.8 7.50 4.29 3.3 37.1 0.26 2.00 中粒砂岩 6 2605 13.61 9.45 5.40 4.0 46.0 0.26 3.84 砂质泥岩 4 2602 10.8 7.50 4.29 3.3 37.1 0.26 2.20 泥岩 2 2619 5.96 3.01 2.55 2.6 31.3 0.17 1.80己16-17煤层(软、中、硬) （2、4、6m）f=0.2f=1.5f=3.01223 1.14 0.95 0.44 0.4 30.5 0.30 0.03*1223 3.15 2.10 1.26 0.45 27 0.251223 5.00 2.78 2.08 0.52 28 0.20泥岩 6 2619 5.96 3.01 2.55 2.6 31.3 0.17 1.80 砂质泥岩 2 2602 10.8 7.50 4.29 3.3 37.1 0.26 2.20 石灰岩 4 2623 27.78 18.15 7.47 7.5 43.0 0.30 7.47模型长度为180m，高为55/57/59 m，宽为10m，划分为100×55/57/59×20个单元，回采面从距模型左边界50m处开始向右方向推进，模型受力和约束如图3-1 所示，模型下边界为固支边，x、y和z 三个方向上无位移；左右边界限制x 方向的位移；模型上部为自由边界，按照深度施加自重应力，根据正交模拟试验确定的不同开采深度，施加的自重应力如表3-4所示。
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FLAC的基本原理和算法与离散元相似，但它却像有限元 那样适用于多种材料的模拟和边界条件非规则区域的连 续问题求解。在求解过程中，FLAC采用了离散元的动力 态松弛法，不需要求解大型联立方程组（无需形成刚度 矩阵）；另一方面，同以往的差分分析法相比，FLAC不 但可以对连续介质进行大变形分析，而且还可以模拟岩 土体沿某一软弱面产生的滑动变形；FLAC还能针对不同 的材料，实现相应的本构方程来比较真实地反映实际材 料的动态行为。 程序将计算区域内的介质划分为若干个二维单元, 单元之 间用节点相互连接。上述过程中, 网格的划分与有限元不 同之处在于其网格分物理网格和数学网格且互为影射, 所 划分的网格只要有序也可具有不规则的形状。计算循环 图所示.
2. 怎样进行数值模拟
进行数值模拟的6个关键步骤 进行数值模拟的 个关键步骤 Six key components for making a model
1) 问 题 A “Story” or key question This is a problem or scenario you want to explore in geological or any other discipline. e.g. Can shear band develop in a rock block subjected to shearing?
7) 模型运算及结果输出 Run the model – computational iteration generally, a “time-marching” forward modelling
二、FLAC软件的应用 软件的应用
1. 2. 3. 4. 5. FLAC的理论基础及主要特点 的理论基础及主要特点 应用FLAC进行数值模的步骤 应用 进行数值模的步骤 FLAC的主要命令 的主要命令 FLAC自带的 自带的FISH语言 自带的 语言 FLAC模拟技巧 模拟技巧
5) 模型组成单元的特征参数 Specification of relevant rock properties (parameters) for your model
6) 边界条件和初始条件 Defining necessary boundary conditions for the model – reflection of natural deformation or thermal environment e.g. Initial status; boundary displacement rates; boundary temperature etc.
拉格朗日差分法计算循环
FLAC的主要特点 的主要特点
1) 对硬件配置较低 由于FLAC 采用的是显示有限差分法, 在内存较小的低 档机上亦可进行较大规模的计算, 16MB 时, 可计算60000的 单元数; (2) 强大的前后处理功能 FLAC 具有很强的前后处理功能。只要设置某些控制 点的坐标, 软件就以自动生成计算网格,。用户可以根据实际 情况通过某些命令修改网格。各阶段的计算结果均可以数 据文件的形式存盘, 一旦需要,可用Restart 命令恢复全部现场, 使用起来非常方便。
1. FLAC的理论基础及主要特点 的理论基础及主要特点
FLAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua的缩写， 美国Itasca公司开发的, 意为连续介质的快速拉格朗日法分析, 它是一种以显式有限差分法(explicit finite difference) 进行连续 介质物理作用模拟的商业软件(commercial code)。它源自数学 力学的拉格朗日元法。最初由Minnesota大学的Peter Cundall开 发的。 目前，FLAC已由二维发展到三维，二维计算程序V3.0以 前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存 （64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。 1995年，FLAC2D已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展 内存，大大发护展了计算规模。 最新发布的FLAC已到了5.0版本
• 数值模拟的方法分为：有限元(limited element)法、有限 差分(limited difference)法和边界元法(boundary element) 等，不管是哪种方法，都得将一个连续的系统分割成n单 元，如果整个系统有m个独立的变量的话，那么每算一步， 就要解m×n个方程。如果系统尺度很大，而我们要保证 模拟的准确度，那么n就必须足够大，这样就导致计算工 作量相当大，在计算机技术不发达时，这对数值模拟来说 是一个相当大的难题。就现代计算机技术水平及发展趋势 来看,这已 经不是一个大的问题。
• 解析方法就是用数学上的积分法或积分变换等方法直接求数 学模型的解，其解称为解析解，它是数学模型的精确解，这 种解的最大优点在于把表征物质运动规律的变量与激发条件、 时空变化包含在一个表达式中，这样便于分析物质运动规律。 但实际上由于动力学方程的复杂性和系统几何结构和形态的 复杂性，大多数情况下，我们是不可能求得分析解的； • 数值模拟(numerical modeling)就是离散方法求解数学模型， 或者说用数值方法求解动力学方程组的数值解，其解为数值 集合，是数学模型的近似解。尽管不如解析法精确，但它对 复杂的动力学系统而言，是一种切实可行的方法，实际上对 地质研究而言，其精度已足够高； • 数值模拟 又称数值实验(numerical experiment), 实际上它是在 计算机的虚拟空间内定量地再造某一自然事件或回放真实的 过 程 (quantitative reconstruction of a natural event or a replay of a “real-life” process)。
3. FLAC的主要命令 的主要命令
• FLAC有两种基本的动行模式，command-driven和 manu-driven ，进行科学计算，一般都是用commanddriven； 在command-driven模式下，可以从键盘逐个输入命令， 边输入，边检查，更常用的是以将命令编成一个数据文 件（程序），以file-driven运行； FLAC的命令的基本格式为： command keyword vale ….<keyword value>
2. 应用 应用FLAC进行数值模的步骤 进行数值模的步骤
编写一个完整的FLAC模拟运算程序至少包括如下六 模拟运算程序至少包括如下六 编写一个完整的 个最基本的部分： 个最基本的部分： 1）构建几何模型： ）构建几何模型： 2）确立本构关系： ）确立本构关系： 3）模型参数赋值： ）模型参数赋值： 4）确立边界条件和初始条件： ）确立边界条件和初始条件： 5）模拟过程控制： ）模拟过程控制： 6）模拟结果输出： ）模拟结果输出：
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4. FLAC自带的 自带的FISH语言 语言 自带的
5. FLAC模拟技巧 模拟技巧
第二讲
成矿动力学数值模拟
Numerical Modelling of the Metallogenic Geodynamical Processes
提 纲
一、数值模拟的基础
1. 动力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数值模拟及其特点 2. 怎样进行数值模拟
二、FLAC软件的应用 软件的应用
1. 2. 3. 4. 5. FLAC的理论基础和主要特点 应用FLAC进行数值模的步骤 FLAC的主要命令 FLAC自带的FISH语言 FLAC模拟技巧
一、动力学数值模拟的基础
1. 动力学数值模拟及其特点 2. 怎样进行数值模拟
1. 动力学数值模拟及其优缺点
• 理论上说，了解成矿的动力学过程应该有实验的 (experimental )和数学的 数学的(mathematical)两种方法，但事 数学的 实事上，由于极端物理、化学条件和巨大的时空尺度， 我们无法在实验室以物理和化学的手段再现实际的成矿 过程，而数学的方法却不受这些条件限制； • 动力学的核心数学问题是动力学方程组 是动力学方程组，主要由平衡方 是动力学方程组 程(能量、质量和动量) 和系统的本构方程组成，实际上 是一组复杂的偏微分方程组成，理论上说研究这些方程 组应该有两种不同的方法，一是解析法(或称分析法 , analytic method )， 另一种是数值法(numerical method);
2) 软件 A numerical code to simulate this story You can either write your codes or use existent codes Computer codes mostly written using Finite element or finite difference methods.
3) 几何模型 Construction of geometry (mesh) Geometrical structures are approximated by a mesh that may include internal structural elements.
4) 本构关系 Selection of appropriate rheology (constitutive laws) e.g. elastic; elastic-plastic; viscous; conductive heat transport etc, each represents a certain approximation of rock behaviours
(3) 实现对多种材料和多种过程的模拟 可以模拟弹性模型, 莫尔-库仑模型, 横观各向同性、遍 有节理模型, 应变硬化和软化等多种材料模型。此外该软 件还提供了交界面模型, 用户可以用滑动面来模拟断层和 节理。还可以根据实际情况采用某一种模型, 也在计算范 围内定义若干子区域, 赋予不同的材料不同参数值, 以模拟 复杂的地质条件；