Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Компьютерное моделирование плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред

ВАК РФ 25.00.11, Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения

Автореферат диссертации по теме "Компьютерное моделирование плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред"

005002217

На правах рукописи УДК 681.3.06:553

ВАХРУШЕВ Андрей Михайлович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ РАСПЛАВНЫХ РУДОНОСНЫХ СРЕД

Специальность 25.00.11 - Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 7 НОЯ 2011

Москва-2011

005002217

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов» (ФГУП ЦНИГРИ)

Научный руководитель Научный консультант

доктор геолого-минералогических наук, профессор [Кривцов Анатолий Иванович!

доктор геолого-минералогических наук, профессор Ручкин Георгий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Филатов Евгений Иванович

кандидат геолого-минералогических наук Кочнев-Первухов Владимир Ильич

Ведущая организация Институт минералогии, геохимии и

кристаллохимии редких элементов (ФГУП «ИМГРЭ»)

Защита состоится 8 декабря 2011 г., в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 216,016.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии («Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институтV/ цветных и благородных металлов» (ФГУП ЦНИГРИ)

Адрес: 117545, Москва, Варшавское шоссе, д. 129, корп. 1

С диссертацией можно ознакомиться в геолфонде ФГУП ЦНИГРИ

Автореферат разослан «5 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета у „••. " Кряжев С.Г.

Введение

Актуальность работы. В серии работ теоретического и методического содержания А.И. Кривцовым разработаны геолого-генетические модели медно-никелевых месторождений норильского типа, предусматривающие реконструкции распределения плотностных характеристик рудоносных расплавов и гравитационное разделение рудно-силикатного расплава в динамике его продвижения по длине магматического канала с накоплением сульфидных масс в процессе перемещения расплава. Этими исследованиями определены также методические подходы к компьютерному моделированию процессов рудонакопления.

Актуальность работы определяется необходимостью создания компьютерной модели гравитационного расслоения сульфидно-силикатного расплава, обособления и укрупнения диспергированных в нем частиц рудосодержащего сульфидного вещества и их осаждения на дно канала на основе реальных физических величин, присущих расплавным силикатным средам и содержащимся в них сульфидным частицам. Это, что особенно важно, позволяет перейти к численным значениям параметров процесса и выявить закономерности рудонакопления на дне модельного магматического канала, что в сопоставлении с природным объектом может быть использовано для определения направления поисков наиболее рудоносных частей интрузива и наиболее вероятных мест скопления руд определенного состава. Немаловажное значение для геологии медно-никелевых месторождений имеют исследования количественных характеристик моделируемых скоплений вещества, что вносит «число и меру» в концепции формирования рассматриваемых месторождений и создает предпосылки для совершенствования научно-методических подходов к прогнозу и поискам месторождений.

Цель работы. Провести компьютерное моделирование плотностной дифференциации рудоносного сульфидно-силикатного расплава в динамике его продвижения по длине магматического канала на основе реальных физических

величин, присущих силикатным расплавным средам и содержащимся в них рудоносным сульфидным частицам.

Основные задачи исследований

1. Разработать систему алгоритмов и программное обеспечение плотностной дифференциации рудоносных силикатных расплавиых сред, рассмотреть несколько вариантов усложнения геометрии модельного магматического канала с приближением к реальной форме и параметрам Талнахского интрузива.

2. Провести компьютерное моделирование гравитационной дифференциации и перемещения капель сульфидных металлоносных частиц с расчетом дальности и траекторий их переноса, масштабов укрупнения в результате слияния и определения положения участков рудоконцентрирования.

3. Проанализировать полученное моделированием распределение металлоносных сульфидных частиц в расчетных интервалах (ареалах) рассеяния с реальным их распределением в Талнахском плутоне.

4. Оценить возможность использования компьютерной модели в прогнозных целях, в частности, определения позиции залежей сплошных и вкрапленных руд.

Фактическая оспова работы и личный вклад автора. Автором работы созданы новые и усовершенствованы ранее предложенные алгоритмы расчета движения частиц сульфидного вещества при гравитационной дифференциации в сульфидно-силикатных системах. По этим расчетным алгоритмам проведено непосредственно компьютерное моделирование, результаты которого проанализированы в сравнении с природным объектом исследования — Талнахским интрузивом. В ходе выполнения работ была использована среда разработки приложений Borland Delphi; встроенная среда разработки Visual Basic For Application. Использованы также результаты начальных стадий компьютерного моделирования плотностной дифференциации расплавных сред, а также разработки по совершенствованию методологии и требований к компьютерному моделированию и его результатам, содержащиеся в опубликованных и рукописных фондовых работах А.И. Кривцова, Н.В. Дубова,

B.C. Звездова и др. При анализе особенностей геологического строения и формирования Талнахского интрузива, распределения в его теле сульфидных масс и рудообразующих элементов использованы фактические материалы, содержащиеся в публикациях А.И. Кривцова, В.И. Кочнева-Первухова, А.П. Лихачева и многочисленных других исследователей, в рукописных работах сотрудников ЦНИГРЙ — А.П. Лихачева, В.И. Кочнева-Первухова, В.К. Степанова и др. (1984); В.К. Степанова, Т.Е. Зенько, Д.М. Туровцева и др. (1987, 1991), а также сотрудников Норильской ГРЭ В.А. Люлько и др. (1978).

Защищаемые положения

1. Разработанные методические основы и система алгоритмов компьютерного моделирования плотностной дифференциации рудоносных силикатных расплавных сред позволяют оценивать расстояния и траектории перемещения сульфидных частиц различного состава и плотности, анализировать характеристики распределения осевших частиц в пространстве эллиптического канала, прогнозировать участки стабильного и пикового их накопления.

2. Расстояние переноса сульфидных частиц в магматическом канале зависит от их плотностных характеристик и геометрии канала; в канале, осложненном выступом дна, сульфидные массы максимально накапливаются в придонных частях интрузива на пережимах подошвы основания, что экспериментально подтверждает реальные закономерности распределения рудного вещества.

3. При высокой удельной концентрации сульфидных частиц в расплаве образуются крупные быстроосаждающиеся обособления, что сопровождается существенным сокращением интервалов рудонакопления и возрастанием их продуктивности.

4. Скапливающиеся в придонных частях канала значительные объемы сульфидной расплавной жидкости получают возможность перемещения совместно с силикатной составляющей от тыловых к фронтальным частям интрузива: средние скорости перемещения сульфидного и силикатного слоев становятся равными при отношении их мощностей 1 к 10.

Научная новизна. С помощью вновь разработанных компьютерно-графических расчетных алгоритмов создана компьютерная модель переноса рудного вещества, учитывающая реальные физические величины движущегося сульфидно-силикатного расплава в магматическом канале с различной геометрией его дна. Впервые получена количественная характеристика моделируемых скоплений рудного вещества, включая число частиц, их массу, мощность скоплений, «продуктивность» расплавов по длине потока.

Практическое значение. На основе разработанной системы алгоритмов, программного обеспечения и созданных компьютерных моделей плотностной дифференциации рудно-силикатного расплава можно оценивать расстояния и траектории перемещения частиц рудного вещества различной плотности и размера, определять участки пикового и стабильного их накопления. Результаты компьютерного моделирования экспериментально подтверждают реальное распределение сульфидных масс в придонных частях Талнахского интрузива, что позволяет определить какой продуктивной части принадлежит данное сечение интрузива, возможное положение наиболее продуктивных его частей и устанавливать наиболее вероятные места скопления руд определенного состава. Эти данные можно использовать при направлении поисков в наиболее рудоносные части интрузива, а также вероятные места скопления руд определенного состава.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались на: научно-практической конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений на основе их комплексных моделей — достижения и перспективы» (4—6 апреля 2006 г., Москва, ЦНИГРИ); 17-й Молодежной научной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» в рамках Международной конференции «Северная Европа XXI века: природа, культура, экономика» (9— 12 октября 2006 г., Петрозаводск, КарНЦ РАН); годичной сессии МО РМО, посвященной 110-летию со дня рождения А.Г. Бетехтина (1987—2007) «Роль минералогии в познании процессов рудообразования» (28—29 мая 2007 г., Москва,

ИГЕМ РАН—РИС ВИМС); научной конференции, посвященной 70-летию инсппуга и 95-летию X. Абдуллаева «Актуальные проблемы геологии и геофизики» (4—6 сентября 2007 г., Ташкент, АН республики Узбекистан); научно-практической конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений — достижения и перспективы» (20—22 мая 2008 г., г. Москва, ЦНИГРИ); научно-практической конференции «Научно-методические основы прогноза, поисков и оценки месторождений твердых полезных ископаемых — состояние и перспективы» памяти Анатолия Ивановича Кривцова (24—25 мая 2011 г., Москва, ЦНИГРИ).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, среди которых 3 статьи в реферируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения общим объемом текста 110 страниц, 37 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 77 наименований.

Благодарности. Автор глубоко благодарен научному руководителю.

доктору геолого-минералогических наук, профессору |А.И. Кривцову| (ЦНИГРИ) за его постоянное внимание, за требовательность и ценные советы в период подготовки диссертации. За советы, рекомендации, критические замечания и консультации при подготовке и обсуждении работы автор выражает признательность Г.В. Ручкину, В.В. Кузнецову, А.П. Лихачеву, Ю.К. Голубеву (ЦНИГРИ). Отдельную признательность автор выражает Е.С. Заскинду и О.М. Конкиной (ЦНИГРИ) за предоставленные для изучения образцы вкрапленных руд Талнахского месторождения. За помощь в оформлении материалов работы автор благодарит сотрудников отдела ОКТиИ, в особенности Н.П. Кудрявцеву, И.В. Карлину.

Глава 1. Геологические основы компьютерного моделирования плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред

В качестве основного природного объекта по моделированию плотностной дифференциации сульфидно-силикатных сред выбран Талнахский интрузив, к которому относятся рудные тела уникального по масштабам

Талнахского сульфидного медно-никелевого месторождения. Талнахский интрузив в значительном объеме хорошо изучен. Особенности его геологического строения и формирования освещены в многочисленных публикациях и рукописных материалах; построены крупномасштабные схемы строения и условий локализации интрузива, отражающие рельеф подошвы, изменения его мощности, мощностей отдельных дифференциатов, слагающих массив, и тел массивных сульфидных руд. В информационных ресурсах ЦНИГРИ накоплен весьма значительных массив данных по распределению в теле Талнахского интрузива сульфидных масс и рудообразующих элементов. При написании настоящей главы автором использованы многочисленные источники информации, как опубликованные, так и рукописные, на которые в списке использованной литературы даны соответствующие ссылки.

Талнахское месторождение относится к группе магматических месторождений в соответствии со сводной генетической классификацией месторождений полезных ископаемых В.И. Смирнова (1976). Магматические месторождения образуются непосредственно из металлоносных магматических расплавов ультраосновного, основного или щелочного состава путем обособления рудного вещества от силикатной составляющей расплава при его дифференциации и кристаллизации.

Особенности геологического строения Талнахского интрузива и распределения связанных с интрузивом сульфидных масс

Талнахское месторождение пространственно и генетически связанно с интрузивными телами габбро-долеритовой рудоносной формации. Оно характеризуется сульфидными медно-никелевыми рудами со средними содержаниями никеля 0,5—3,5 %, меди 1,0—7,5 % при средних отношениях N1 к Си 1:1,2—2,5 с высокими содержаниями Со, металлов платиновой группы (МПГ), а также золота, серебра, селена и других элементов.

Характеристика Талнахского интрузива приводится по материалам А.И. Кривцова, В.И. Кочнева-Первухова, О.М. Конкиной, В.К. Степанова,

Е.С. Заскинда (Кривцов и др., 2001), А.П. Лихачева, В.И. Кочнева-Первухова, В.К. Степанова и др. (1984), В.К. Степанова, Т.Е. Зенько, Д.М. Туровцева и др. (1987; 1991), В.А. Люлько и др. (1978).

Талнахский интрузив прослежен бурением в северо-восточном направлении на расстоянии около 20 км. Его максимальная ширина 1,9 км, минимальная — 0,8 км, средняя — 1,2 км. Узкое тело Талнахского интрузива почти на всем протяжении не меняет ширины и полого (4—7°) погружается на северо-восток, до глубины 1700 м от поверхности с градиентом 100 м/км. Мощность Талнахского интрузивного тела меняется от 50 и менее метров до 200— 210 м. Изменения мощности интрузива показывает, что его тело состоит из серии чередующихся раздувов и пережимов, которые контролируются осевой зоной интрузива на всем его протяжении. Выделяются 12 раздувов с мощностью более 200 м. Расстояние между центрами раздувов изменяется от 500 м до 2 км, составляя в среднем от 1 до 1,5 км. В пережимах мощность интрузива убывает до 50—100 м; длина суженных участков по простиранию — 150—200 м. Раздувы мощности определяются главным образом прогибами подошвы интрузивов при сравнительно ровной поверхности кровли. В целом Талнахское магматическое тело представляют собой уплощенную трубу переменного сечения, и контрастные изменения его мощностей могут существенно влиять на гидродинамические характеристики потока расплава, и на распределение рудных концентраций.

Талнахский интрузив, как и другие рудоносные интрузивы Норильского района — дифференцированные тела основного состава. В. В. Дистлером с соавторами выделены три расслоенные серии: нижняя габбровая — контактовые безоливиновые и такситовые оливиновые габбро-долериты; главная, основание которой слагает мощный слой пикритовых габбро-долеритов с прослоями плагио-оливинитов, троктолитов и клинопироксенитов; выше расположено несколько слоев, различающихся по содержаниям оливина; самые верхние части представлены кварцсодержащими безоливиновыми габбро-долеритами; верхняя габбровая начинается (снизу) с призматически-зернистых габбро-диоритов, над

которыми залегают диориты, хромитоносные такситовые габброиды, лейкократовые габбро, анортозиты и контактовые габбро-долериты.

По классификации, разработанной геологами Норильской комплексной геологоразведочной экспедиции, (Люлько и др., 1978) промышленная сульфидная минерализация представлена тремя типами руд: 1) вкрапленные руды в интрузиве, которые приурочены к пикритовому и такситовому горизонтам; 2) вкрапленные и прожилково-вкрапленные руды в породах нижнего экзоконтакта Талнахского интрузива и 3) массивные (сплошные) руды, залегающие в породах нижнего экзоконтакта, иногда проникающие в породы нижней габбровой серии и пикритовые габбро-долериты.

Распределение масс сульфидов, концентраций и масс меди, а также никеля и МПГ обнаруживает отчетливую зависимость от морфологии интрузива и контрастности изменения его мощностей — при росте этих показателей по простиранию интрузива в направлении с севера на юг все выявленные экстремумы совпадают с участками сужения—расширения поперечного сечения интрузива.

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ™

...... 1

А т 1 | А | А [у.Л т

Г /:Д м рг \г ;л\ V 3 с г 1 ¡V; ; /■>: л-х х- Л», М г . 1 •• 1 Ш / ■А ; /

7 «Н' ^ ,

! ЯТпИ

с ю

Рис. 1. Изменение мощности Талнахского интрузива (ТИН) (нри горизонтальном положении верхней границы), положение вкрапленных ((1) и массивных (т) руд показано над (вкрапленные) и под (массивные) нижней границей ТИН (по А.И.Кривцову, В.И.Кочневу-Иревухову и др., 2001).

Необходимо отметить, что при этом проявлено совпадение мест накопления сульфидного вещества вкрапленных в интрузивах, массивных в экзоконтакговых рудах.

Руды Норильских месторождений характеризуются чрезвычайно разнообразной минералогией — в них обнаружено более 100 гипогенных минералов, среди которых согласно A.B. Генкину с соавторами (1981) главными являются минералы группы пирротина, пентландит, минералы группы халькопирита, кубанит, магнетит. В рудах определено около 50 минералов благородных металлов; наиболее распространенными среди них являются золото, атокит, изоферроплатина, станнопалладинит, сперрилит и др. (Дистлер и др., 1999).

Краткое обоснование базовой модели рудонакопления

Базовые представлений о формировании сульфидных залежей норильского типа при гравитационном разделении сульфидно-силикатных расплавов были разработаны М.Н. Годлевским (1968) на основе наличия в расплавах сульфидных обособлений, несмешивающихся с силикатными составляющими. В дальнейшем эти подходы получили развитие в вариантах гравитационного разделения силикатных и рудных составляющих при дифференциации рудно-силикатных расплавов, протекающих при их движении — однонаправленном или возвратно-поступательном (Кривцов и др., 2001; Налдретг, 2003; Лихачев, 2006; Туровцев, Степанов, 1984).

Как показано А.И. Кривцовым, A.II. Лихачевым, В.К. Степановым и Т.Е. Зенько (Степанов и др., 1991) и другими исследователями, принципиальное значение для анализа природы рудонакопления имеют сфероидальные обособления сульфидов («овоиды», «капли»), которые широко представлены среди мелкой интерстициальной сульфидной вкрапленности во вкрапленных рудах пикритового горизонта выше залежей массивных руд и прослеживаются почти на всем протяжении Талнахского интрузива. Овоиды могут рассматриваться как промежуточное звено между рассеянной сульфидной вкрапленностью и

массивными рудами. Рудные расплавы, из которых возникли последние, могли формироваться за счет слияния овоидов по мере их погружения и продвижения по латерали. Сульфидные расплавы, накопившиеся при таком процессе в придонных частях интрузивов, вследствие весьма высокой текучести в дальнейшем перемещались относительно независимо от других частей рудоносного расплава и проникали как в интрузивные породы, так и во вмещающие их осадочные образования.

Таким образом, в качестве базовой для проведения моделирования гравитационного разделения сульфидно-силикатных систем принята модель рудонакопления, предполагающая гоготностную дифференциацию этих сред с переходом сульфидов, содержащихся в родоначальной магме в рассеянной (каплевидной) сульфидной форме, во вкрапленные и массивные руды. Сульфидные капли, обладающие избыточной плотностью по сравнению с силикатным расплавом, осаждаются в гравитационном поле к донной части магматического потока. Часть из них, не достигнув дна, кристаллизуется с возникновением залежей вкрапленных руд. Другая — в результате гравитационного осаждения и взаимного слияния образует в придонной части магматического тела крупные скопления сульфидного расплава, при кристаллизации которого формировались массивные руды.

Глава 2. Методические основы и общие подходы к моделированию плотностной дифференциации расплавиых рудоносных сред

Автором данной работы анализируется модель гравитационного расслоения многокомпонентного сульфидно-силикатного расплава в динамике его продвижения по длине магматического канала, что сопровождается обособлением и укрупнением диспергированных сульфидных частиц с осаждением их на дно канала (Вахрушев, 2006, 2008, 2010). Методические основы такого моделирования были разработаны в ЦНИГРИ под руководством А. И. Кривцова. Содержание этих разработок изложено в ряде опубликованных (Кривцов и др., 1985, 1996; Система

моделей..., 1995; Кривцов, 2005) и рукописных (Кривцов, Карлина, Вахрушев, 2004; Кривцов, Кочнев-Первухов, Звездов, Дубов, 2002) работ. В частности, показано, что такое моделирование позволяет воспроизвести места и масштабы накопления рудного вещества, его распределение по латерали и вертикали с оценкой интенсивности, выявить рудную зональность. Н. В. Дубов и В. С. Звездов (2002) исследовали проблему сепарации сульфидной составляющей рудоносного расплава в обстановке его ламинарного течения в полого залегающем трубообразном канале эллиптического сечения с применением компьютерных расчетов. Этими авторами моделировался небольшой отрезок канала при ограниченном числе переносимых сульфидных частиц.

А.И. Кривцовым, И.В. Карлиной, A.M. Вахрушевым (Кривцов и др., 2004) проводилось безразмерное графическое моделирование процесса переноса сульфидного вещества, с условным положением частиц, без учета параметров системы и произвольно заданными наклонами траекторий. Задачами этого моделирования, по своей сути, имитационного, в первую очередь, являлись воспроизведение положения и масштабов накопления рудного вещества и его распределения по латерали и вертикали с оценкой интенсивности и выявления рудной и минеральной зональности. Кроме этого, в процессе таких исследований формировались требования к компьютерному моделированию и возможные технологии.

Графическое моделирование обособления сульфидного вещества из исходного расплава

При графическом моделировании построения выполнялись на безразмерном продольном сечении потока, вертикальная ось которого отвечает оси питающих фронтов, а горизонтальная — протяженности канала по латерали. Было принято, что сульфидные обособления содержатся в силикатном расплаве, который перемещается по горизонтали в канале, имеющем параллельные ограничения (вариант 1 — «труба») и осложненном выступом дна (вариант 2 — «плотина»).

В этой модели структура потока реконструируется как система последовательных (пошаговых) «волн» с однотипным распределением траекторий и трасс миграции частиц сульфидного вещества различной плотности, которые при пересечении трасс объединялись в «капли» с увеличением размеров и ростом масс; построения трасс велись в продольном потоке с началом от вертикальных осей каждого из питающих фронтов. Построения выполнялись для разделения расплава в горизонтальном канале с фиксацией «капель» на горизонтальном дне, что возможно в случае придонной кристаллизации расплава, лишающей сульфидные капли подвижности.

Разработанные варианты геометрического моделирования определили методические подходы к компьютерному моделированию и воспроизведены в компьютерной версии, учитывающей конкретные параметры сульфидных и силикатных составляющих расплава, их реальную плотность (удельный вес), чем определяется геометрия трасс и траекторий, скорость движения расплава, его вязкость и реальные особенности сечения канала на примере Талнахского интрузива.

Агенты и граничные условия постановки задачи компьютерного моделирования сепарации и перемещения вещества в сульфидно-силикатных системах

Компьютерно-графическое моделирование разделения рудно-силикатных расплавов предполагает перемещение рудного вещества, находящегося в начальной магме (расплаве) в рассеянной форме, в придонные части расплава с формированием рудных тел под воздействием гравитационного поля. Исходя из результатов ранее проведенных исследований (Дубов, Звездов, 2002; Кривцов и др., 1995; Lago et al., 1982), создана компьютерная модель переноса рудного вещества, учитывающая реальные физические величины, присущие силикатным расплавам и содержащимся в них частицам сульфидного расплава, что позволило перейти к численным значениям параметров моделируемого процесса и выявить закономерности рудонакопления на дне модельного магматического канала.

При выборе математического аппарата расчета и постановке задач компьютерного моделирования в качестве базовой была принята модель рудонакопления, которая, как показано в гл. 1, предполагает переход металлоносных выделений сульфидной жидкости, содержащихся в родоначальных магмах в рассеянной форме, при последующей раскристаллизации этих выделений, во вкрапленные и массивные (сплошные) руды.

Компьютерное моделирование плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред является сложной задачей, требующей учета многих факторов. Принятая упрощенная форма конфигурации магматического канала позволяет составить модель дифференциации сульфидной составляющей рудоносного расплава в обстановке его ламинарного течения. В математической модели процесса были учтены наиболее значимые и необходимые параметры: вязкость, скорость движения и плотность силикатного расплава; значение градиента давления; геометрические параметры сечения канала и радиус частиц сульфидного вещества, которые были выбраны по параметрам Талнахского интрузива и размеру обособлений сульфидных минералов во вкрапленных рудах Талнаха. Условно принято, что плотность частиц сульфидного вещества соответствует плотностям главных и некоторых второстепенных минералов Талнахского месторождения.

Математическая модель н компьютерные алгоритмы моделирования перемещения сульфидных включений силикатным расплавом

Задача моделирования была сведена к расчету скоростей движения сульфидных капель в рассматриваемом потоке с расчетом тангенсов углов наклона траекторий и интервалов осаждения. В качестве математического аппарата, определяющего движение силикатного расплава, использовано адаптированное решение уравнений Навье-Стокса, на основе которого разработан алгоритм расчета плотностной дифференциации сульфидной составляющей ламинарного магматического потока в трубообразном канале постоянного эллиптического

сечения, что позволяет промоделировать характер миграции сульфидных капель во времени и пространстве.

Компьютерная реализация алгоритмов сепарации сульфидных частиц при перемещении силикатного расплава в трубообразном канале

Для реализации представленных алгоритмов были разработаны компьютерная программа и статистические модули расчета параметров миграции частиц в потоке жидкости.

Компьютерная программа применялась для расчета параметров частиц в случае возможных столкновений и слияний между ними. На вход программы подаются следующие данные: плотности силикатного расплава и переносимых им сульфидных частиц, количество и размеры последних, геометрические параметры сечений трубообразного канала (длина, большая и малая полуоси эллипса),

значение кванта времени А^, либо соответствующий этому временному кванту интервал расстояния, пройденного расплавом (ДУ), конфигурация питающей системы.

Статистические модули использовались лишь при расчете точек осаждения частиц в отсугствии процессов слипания. По итоговым результатам работы компьютерной программы и статистических модулей полученные данные обрабатывались и систематизировались.

Содержание 1 и 2 глав работы является основой первого защищаемого положения.

Глава 3. Результаты моделирования плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред

Компьютерная модель переноса сульфидных капель рудоносным расплавом

в трубообразном канале постоянного эллиптического сечеиия

В случае отсутствия процессов слипания между частицами применялась техника компьютерно-графических построений, позволяющая упростить расчет и

14

уменьшить время достижения окончательного результата. Структура потока реконструировалась как система последовательных (пошаговых) «волн» с однотипным распределением траекторий и трасс миграции сульфидных обособлений различной плотности, которые не взаимодействуют при пересечении трасс.

Компьютерно-графическое моделирование проводилось для трех различных конфигураций канала: горизонтальный канал, воздымающийся канал и нисходящий канал с изломом. Общими для всех конфигураций являются следующие параметры питающей системы и геометрии канала: длина канала Ь >20 км, мощность (высота) каната Н = 100 м; количество питающих точек в волне п = 20, расстояние между питающими точками в волнсЛ Л = 5 м, расстояние между волнами А 1 ~ 5 м; конфигурации отличаются наклоном дна и количеством питающих волн.

Анализ результатов моделирования дифференциации расплавной рудоносной среды в трубообразном канале постоянного сечения при различных углах наклона дна позволил установить следующее: стабилизация процесса осаждения ведет к тому, что распределение металлоносных капель на дне канала в некоторой его области остается постоянным, с характерным интервалом между местами накопления различных по плотности частиц; существенное влияние на процесс осаждения частиц оказывает геометрия канала; в воздымающемся канале мощность питающей системы для стабилизации процесса осаждения существенно меньше таковой для горизонтального канала; в нисходящем канала с изломом — наоборот, существенно больше; в канале с изломом наблюдается активный процесс осаждения частиц непосредственно после излома дна, с четкой сепарацией распределения условно тяжелых и условно легких.

Компьютерная модель распределения сульфидных масс для конфигурации канала с выступом дна (типа «плотина»)

Для канала, осложненного выступом дна, подъем дна — «плотина» — сокращает мощность питающей системы вполовину. Сокращение мощности

15

начинается в трех километрах от начала канала и продолжается до 4 км; в интервале 4—5 км подъем сменяется горизонтальной площадкой на высоте 50 м, которая в интервале 5—6 км сменяется склоном. Скорость движения силикатного расплава на подъеме «плотины» плавно возрастает и удваивается в области горизонтальной площадки. На спуске плотины скорость постепенно уменьшается до исходного значения.

На рис. 2 представлена интегральная картина распределения всех учтенных при моделировании частиц, а также содержащихся в них основных металлов (Р1, Рс1, №,Си).

Для наиболее тяжелых минералов (изоферроплатина, плюмбопалладинит), средняя доля осевшей массы на километр от общей массы частиц в системе достаточно стабильно на всем протяжении канала. Она в большей степени зависит от действия выступа дна, ограничивающего максимальную мощность питающей системы. Для легких рудных минералов (магнетит, пирротин, пентландит, хромит, халькопирит), наблюдается эффект «дюны», когда на подъеме дна «плотины» происходит пиковое накопление массы рудного вещества, а на склоне выступа дна и в некоторой области за ним — накопление фактически отсутствует. Выступ дна аккумулирует вещество на своей передней стенке, и формирует область с нулевым накоплением в некотором интервале после верхней площадки плотины. Небольшие пики распределения массы тяжелых и легких частиц за плотиной связаны с осаждением пролетных частиц из верхней области питающей системы, не задержанных выступом дна. Пространство канала как бы разделяется на несколько зон с различными составами рудных частиц и их соотношениями. Таким образом, по длине канала получены различные выражения вертикальной минеральной зональности.

Результаты компьютерного моделирования дифференциации сульфидного вещества в магматическом канале, осложненным выступом дна («плотина») экспериментально подтверждают реальное распределение сульфидной массы в придонных частях Талнахского интрузива, установленное А.И. Кривцовым с

Рис. 2. Продольное сечение канала, осложненное выступом дна. Интегральное распределение: а — условных рудных минералов (1—7), б — условных металлов (8—11) в долях от их общей накопленной массы (выступ дна в интервале 3—6 км не показан) (по

А.М. Вахрушеву, 2008):

I — изоферроплатина; 2 — плюмбопалладинит; 3 — магнетит; 4 — пирротин; 5 — пентландит; 6—хромит; 7—халькопирит; 8—платина; 9—палладий; 10—никель;

II — медь.

соавторами (2002) и А. П. Лихачевым (2006) — ее максимальное накопление на интервалах перехода от расширенных к суженным участкам. Это заключение может быть проиллюстрировано на фрагменте продольного профиля Талнахского интрузива между 7 и 9 км, геометрия дна интрузива на котором наиболее близка таковой принятой в компьютерной модели (рис. 3). Хорошо прослеживается зависимость распределения масс сульфидов от морфологии интрузива, и совпадения общих тенденций в формировании экстремумов рудоконцентрирования как в природной системе, так и по результатам

Рис. 3. Совмещение распределения массивных руд (по А.И.Кривцову, В.И.Кочневу-Превухову и др., 2001) и суммарной массы осевших модельных сульфидных частиц (по А.М.Вахрушеву) на фрагменте продольного профиля Талнахского интрузива между 7 и 9 километрами:

1 — геологический контур подошвы интрузива;

2 — контур, отражающий геометрию дна модельного канала; 3 — положение массивных руд ТИН;

4 — распределение суммарной массы осевших модельных сульфидных частиц

Изложенное в разделах главы 3 подтверждает второе защищаемо положение.

Компьютерная модель накопления рудных масс с учетом возможности слипания металлоносных выделений сульфидной жидкости при пересечении их траекторий

Результаты моделирования, описанные выше, не учитывали возможност слипания минеральных частиц. В природных системах процессы слияни (укрупнения) рудных частиц на пересечении траекторий их движени

компьютерных экспериментов.

9 8 7 км

Поток (| Л";-

1232 Шз

обусловливают существенно меньшую (чем в эксперименте) протяженность интервалов рудонакопления и их высокую продуктивность.

На основе анализа составов и содержаний компонентов в массивных и вкрапленных рудах Норильских интрузивов было рассчитано соотношение между халькопиритом, пентландитом и пирротином, требуемое для соответствия содержаний полезных компонентов по модельной и реальной руде, которое имеет пропорцию 1:1:4.

Ситуация со слипанием частиц смоделирована на основе варианта субгоризонтального канала, с сокращением максимального количества питающих фронтов до 100 и количества базовых частиц, поступающих в систему до 3 (1 частица халькопирита, 1 — пентландита и 4 слившихся пирротиновых частицы). В точке пересечения траекторий движения частиц фиксировалось слипание и возникала поликомпонентная частица. Самая крупная частица, образовавшаяся в процессе слипания, состоит из 3906 различных базовых частиц, имеет массу около 150 г и радиус порядка 2 см. По результатам моделирования было выявлено резкое нарастание крупности частиц, с последующим переходом к стабилизации их масс и размеров. Также было установлено, что после образования крупной частицы добавление в систему питающих фронтов не вызывает вновь лавинообразного накопления, а лишь продлевает интервал стабилизации крупности частиц. Скорее всего, это является следствием упорядоченности питающей системы.

Содержание этого раздела формирует третье защищаемое положение.

Компьютерная модель перемещения осевших расплавных сульфидных масс

Установленное по результатам компьютерного моделирования обособление крупных сульфидных агрегатов можно рассматривать как предпосылку образования в придонных частях интрузива более плотной сульфидной жидкости, которая имеет гораздо меньшую вязкость, нежели силикатный расплав, и выступает в роли смазки. Исходя из этого положения, было троанализировано совместное течение двух разных по характеристикам

19

несмешивающихся жидкостей в канале для различных отношений мощностей слоев этих жидкостей.

По результатам расчетов было установлено, что наличие менее вязкой сульфидной смазки оказывает влияние на скорость продвижения силикатного расплава. Так, при толщине сульфидного слоя, равной 10 см, средняя скорост движения силикатного расплава возрастает на 27 %, а при значении 1м — уж более чем в 2,5 раза. При значениях отношений мощностей сульфидного ; силикатного слоев, равного 1 к 10, средняя скорость движения сульфидно; составляющей становится больше скорости силикатного слоя и продолжает раст: с увеличением этого отношения. В то же время средняя скорость силикатно составляющей уменьшается (Вахрушев, 2010, 2011).

По результатам моделирования установлено, что сульфидная менее вязка жидкость не только оказывает действие «смазки» на силикатную составляющук но при существенных значениях мощности слоя по скорости начинает е опережать. Это подтверждает возможность в реальных природных система продвижения крупных масс осевшего сульфидного вещества, а в некоторы случаях даже говорит о возможности опережения сульфидными скоплениям фронта движущегося силикатиого расплава (Вахрушев, 2010,2011).

При объединении данных по распределению осевших слипшихся части из предыдущего раздела с результатами расчетов совместного течения сульфидно и силикатной жидкости в канале, получены оценочные значения точек равенств скоростей и пройденных расстояний сульфидного и силикатного расплаво) максимально возможной мощности накопленного сульфидного вещества.

Изучение продвижения двухкомпонентного расплава выявил дифференциацию скоростей течения сульфидной и силикатной составляющих, возникновение эффекта «смазки», действующего со стороны сульфидно жидкости на силикатную, что вкупе с анализом результатов экспериментов с слипанием частиц позволило установить точки равенства скоростей и пройденны

расстояний сульфидного и силикатного расплавов, оценить максимальную возможную мощность накопленного вещества.

Вышеизложенное аргументирует четвертое защищаемое положение.

Заключение

Основными задачами работы являлись дальнейшее развитие имеющихся моделей на основе разработки новых и адаптации уже созданных алгоритмов моделирования плотностной дифференциации многокомпонентных расплавов, разработка новых методов решения задач плотностной дифференциации в сульфидно-силикатных средах, с выявлением закономерностей распределения рудного вещества и его составов.

Численно-графическим моделированием плотностной дифференциации минералов в магматическом потоке проиллюстрированы зависимость дальности переноса рудных частиц от их радиуса и плотности; влияние конфигурации продольного сечения питающей системы на возможные отложения рудных частиц, существенное влияние геометрии канала на процесс осаждения и зональное распределение частиц на дне.

В итоге получена расчетная картина сепарации сульфидной составляющей расплава в обстановке его ламинарного течения в полого залегающем трубообразном канале переменного эллиптического сечения, которая не противоречит основным положениям ранее предложенных количественных геолого-генетических моделей сульфидно-силикатных систем (Дубов, Звездов, 2002; Кривцов, 1989, 2008; Кривцов и др, 1995, 2001, 2004). С помощью созданных компьютерных моделей переноса сульфидных капель рудным расплавом, на основе усовершенствованных ранее предложенных и вновь разработанных нами компьютерно-графических расчетных алгоритмов можно оценивать расстояния и траектории перемещения частиц рудного вещества разной плотности и размера, анализировать характер распределения осевших рудоносных сульфидных капель в

магматическом канале во времени и пространстве, определять участки пикового стабильного их накопления.

По результатам компьютерных экспериментов получена картин теоретически возможной латерально-вертикалыюй рудной зональности, показан влияние изменения геометрии дна и его выступов на интенсивность скоплени рудного вещества, возникновение наиболее бедных и богатых по минеральном составу рудных обособлений. На подъемах выступов наблюдаются наиболс богатые и разнообразные, на спуске — наиболее бедные как по составу, так и г массовым характеристикам скопления, с четкой сепарацией легких и тяжелы рудных частиц.

Опираясь на полученные результаты можно определить, во-первых, какс продуктивной части интрузива принадлежит данное сечение; во-вторы направление поисков наиболее продуктивных его частей и возможное V. местоположение. Опираясь на зависимости распределения масс рудоноснь сульфидных капель от геометрии дна, можно определить наиболее вероятнь места скопления руд определенного состава.

По результатам компьютерного моделирования с учетом возможное! слипания сульфидных частиц при пересечении их траекторий установлено, чт укрупнение капель в результате слияния наиболее интенсивно на начальнс стадии движения, с возможностью образования частиц с радиусом до 2 см (п| радиусе исходных частиц 1 мм).

Эксперименты со слипанием частиц указывают на возможное образования особо крупных быстро осаждающихся агрегатов, что являет! предпосылкой для накопления в придонных частях сульфидной жидкости.

Изучение продвижения двухкомпонентного расплава выяви дифференциацию скоростей течения сульфидной и силикатной составляющих, возникновение эффекта «смазки», действующего со стороны сульфидной жидкости ] силикатную, что вкупе с анализом результатов экспериментов со слипанием часп позволило установил, точки равенства скоростей и пройденных расстояш

сульфидного и силикатного расплавов, оценить максимальную возможную мощность накопленного вещества и смещение поискового «шага» по простиранию канала.

Таким образом, компьютерным моделированием плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред в магматическом потоке проиллюстрированы: зависимость дальности переноса капель от их радиуса и плотности; рост скорости погружения сульфидных капель в расплаве при их укрупнении в результате слияния; влияние конфигурации питающей системы на возможные составы капель; влияние геометрии канала на процесс осаждения частиц н их зональное распределение на дне; влияние накапливающегося в придонной части сульфидного расплава на характер движения силикатной фазы и возможность совместного продвижения осевших сульфидных масс совместно с силикатным расплавом на различные расстояния, в зависимости от их мощности.

Прикладное значение выполненных экспериментов заключается в выявлении возможных направлений поиска промышленных скоплений рудоносного вещества, определении поискового шага, в зависимости от особенностей геометрии канала, которые можно использовать для прогноза наиболее продуктивных частей интрузива.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Вахрушев A.M. Обособление рудных компонентов в динамике перемещения рудно-силикатных расплавов по горизонтали (абстрактная модель) // Руды и металлы, 2008, № 5, с. 74—82.

2. Вахрушев A.M. Компьютерные модели обособления рудных масс при субгоризонтальном движении сульфидно-силикатных расплавов // Руды и металлы, 2010, № 6, с. 58 -64.

3. Вахрушев A.M. Совершенствование поисковых критериев сульфидных медно-никелевых руд на основе моделирования гравитационной дифференциации

силикатных расплавных сред // Руды и металлы. Специальный выпуск. 20 № 3—4, с. 31—32.

Публикации в материалах конференций:

4. Вахрушев A.M. Компьютерно-графическая модель дифференциации силиката

рудоносных расплавных сред // Тезисы докладов научно-практичес! конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений основе их комплексных моделей - достижения и перспективы», Моек ЦНИГРИ, 4—6 апреля 2006 г. — М.: ЦНИГРИ, 2006, с. 43.

5. Вахрушев A.M. Компьютерное моделирование плотностной дифференциаг рудоносных расплавных сред // Геология, полезные ископаемые и геооколо; Северо-Запада России: Материалы 17-й Молодежной научной конференц посвященной памяти К.О. Кратца, Петрозаводск, 9—12 октября 2006

— Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2006, с. 16—18.

6. Вахрушев A.M. Компьютерное моделирование рудообразующих флюи, сульфидно-силикатных расплавных систем // Роль минералогии в позпаг процессов рудообразования: Материалы годичной сессии МО РА посвященной 110-летию со дня рождения А.Г. Бетехтина (1987—201 Москва, 28—29 мая 2007 г. — М.: ИГЕМ РАН—РИС ВИМС, 2007, с. 66—7С

7. Вахрушев A.M. Компьютерно-графическая модель дифференциации рудоноа

силикатных расплавных сред // Актуальные проблемы геологии и геофизг Материалы научной конференции, посвященной 70-летию Института и летаю академика Хабиба Абдуллаева, Ташкент, А—6 сентября 2007 г. Из; «Фан» АН РУз, 2007. Том 1, с. 100—105.

8. Вахрушев A.M. Компьютерно-графическое моделирование расслое сульфидно-силикатных расплавов // Прогноз, поиски, оценка рудных нерудных месторождений — достижения и перспективы: Тезисы докла научно-практической конференции, Москва, ЦНИГРИ, 20—22 мая 20С

— М.: ЦНИГРИ, 2008, с. 41.

Подписано в печать 31.10.2011 г. Формат бумаги 60x90/16 Тираж 100 экз. Заказ №111 Полиграфическая база ФГУП ЦНИГРИ 117545, Москва, Варшавское шоссе, д. 129, корп. 1

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Вахрушев, Андрей Михайлович

Введение.

Глава 1. Геологические основы компьютерного моделирования плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред.

1.1. Положение Талнахского месторождения в систематике сульфидных медно-никелевых месторождений.

1.2. Особенности геологического строения Талнахского интрузива и распределения связанных с интрузивом сульфидных масс.

1.3. Краткое обоснование базовой модели рудонакопления.

Глава 2. Методические основы и общие подходы к моделированию плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред.

2.1. Графическое моделирование обособления сульфидного вещества из исходного расплава.

2.2. Агенты и граничные условия постановки задачи компьютерного моделирования сепарации и перемещения вещества в сульфидно-силикатных системах.

2.3. Математическая модель и компьютерные алгоритмы моделирования перемещения сульфидных включений силикатным расплавом.

2.4. Компьютерная реализация алгоритмов сепарации сульфидных частиц при перемещении силикатного расплава в трубообразном канале.

Глава 3. Результаты моделирования плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред.

3.1. Компьютерная модель переноса сульфидных капель рудоносным расплавом в трубообразном канале постоянного эллиптического сечения.

3.2. Компьютерная модель распределения сульфидных масс для конфигурации канала с выступом дна (типа «плотина»).

3.3. Компьютерная модель накопления рудных масс с учетом возможности слипания металлоносных выделений сульфидной жидкости при пересечении их траекторий.

3.4. Компьютерная модель перемещения осевших расплавных сульфидных масс.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Компьютерное моделирование плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред"

Актуальность работы

В серии работ теоретического и методического содержания А.И. Кривцовым разработаны геолого-генетические модели медно-никелевых месторождений норильского типа, предусматривающие реконструкции распределения плотностных характеристик рудоносных расплавов и гравитационное разделение рудно-силикатного расплава в динамике его продвижения по длине магматического канала с накоплением сульфидных масс в процессе перемещения расплава. Этими исследованиями определены также методические подходы к компьютерному моделированию процессов рудонакопления.

Актуальность работы определяется необходимостью создания компьютерной модели гравитационного расслоения сульфидно-силикатного расплава, обособления и укрупнения диспергированных в нем частиц рудосодержащего сульфидного вещества и их осаждения на дно канала на основе реальных физических величин, присущих расплавным силикатным средам и содержащимся в них сульфидным частицам. Это, что особенно важно, позволяет перейти к численным значениям параметров процесса и выявить закономерности рудонакопления на дне модельного магматического канала, что в сопоставлении с природным объектом может быть использовано для определения направления поисков наиболее рудоносных частей интрузива и наиболее вероятных мест скопления руд определенного состава. Немаловажное значение для геологии медно-никелевых месторождений имеют исследования количественных характеристик моделируемых скоплений вещества, что вносит «число и меру» в концепции формирования рассматриваемых месторождений и создает предпосылки для совершенствования научно-методических подходов к прогнозу и поискам месторождений.

Цель работы

Провести компьютерное моделирование плотностной дифференциации рудоносного сульфидно-силикатного расплава в динамике его продвижения по длине магматического канала на основе реальных физических величин, присущих силикатным расплавным средам и содержащимся в них рудоносным сульфидным частицам.

Основные задачи исследований

1. Разработать систему алгоритмов и программное обеспечение плотностной дифференциации рудоносных силикатных расплавных сред, рассмотреть несколько вариантов усложнения геометрии модельного магматического канала с приближением к реальной форме и параметрам Талнахского интрузива.

2. Провести компьютерное моделирование гравитационной дифференциации и перемещения капель сульфидных металлоносных частиц с расчетом дальности и траекторий их переноса, масштабов укрупнения в результате слияния и определения положения участков рудоконцентрирования.

3. Проанализировать полученное моделированием распределение металлоносных сульфидных частиц в расчетных интервалах (ареалах) рассеяния с реальным их распределением в Талнахском плутоне.

4. Оценить возможность использования компьютерной модели в прогнозных целях, в частности, определения позиции залежей сплошных и вкрапленных руд.

Фактическая основа работы и личный вклад автора

Автором работы созданы новые и усовершенствованы ранее предложенные алгоритмы расчета движения частиц сульфидного вещества при гравитационной дифференциации в сульфидно-силикатных системах. По этим расчетным алгоритмам проведено непосредственно компьютерное моделирование, результаты которого проанализированы в сравнении с природным объектом исследования — Талнахским интрузивом. В ходе выполнения работ была использована среда разработки приложений Borland Delphi; встроенная среда разработки Visual Basic For Application. Использованы также результаты начальных стадий компьютерного моделирования плотностной дифференциации расплавных сред, а также разработки по совершенствованию методологии и требований к компьютерному моделированию и его результатам, содержащиеся в опубликованных и рукописных фондовых работах А.И. Кривцова, Н.В. Дубова, B.C. Звездова и др. При анализе особенностей геологического строения и формирования Талнахского интрузива, распределения в его теле сульфидных масс и рудо образующих элементов использованы фактические материалы, содержащиеся в публикациях А.И. Кривцова, В.И. Кочнева-Первухова, А.П. Лихачева и многочисленных других исследователей, в рукописных работах сотрудников ЦНИГРИ — А.П. Лихачева, В.И. Кочнева-Первухова, В.К. Степанова и др. (1984); В.К. Степанова, Т.Е. Зенько, Д.М. Туровцева и др. (1987, 1991), а также сотрудников Норильской ГРЭ В. А. Люлько и др. (1978).

Защищаемые положения

1. Разработанные методические основы и система алгоритмов компьютерного моделирования плотностной дифференциации рудоносных силикатных расплавных сред позволяют оценивать расстояния и траектории перемещения сульфидных частиц различного состава и плотности, анализировать характеристики распределения осевших частиц в пространстве эллиптического канала, прогнозировать участки стабильного и пикового их накопления.

2. Расстояние переноса сульфидных частиц в магматическом канале зависит от их плотностных характеристик и геометрии канала; в канале, осложненном выступом дна, сульфидные массы максимально накапливаются в придонных частях интрузива на пережимах подошвы основания, что экспериментально подтверждает реальные закономерности распределения рудного вещества.

3. При высокой удельной концентрации сульфидных частиц в расплаве образуются крупные быстроосаждающиеся обособления, что сопровождается существенным сокращением интервалов рудонакопления и возрастанием их продуктивности.

4. Скапливающиеся в придонных частях канала значительные объемы сульфидной расплавной жидкости получают возможность перемещения совместно с силикатной составляющей от тыловых к фронтальным частям интрузива: средние скорости перемещения сульфидного и силикатного слоев становятся равными при отношении их мощностей 1 к 10.

Научная новизна

С помощью вновь разработанных компьютерно-графических расчетных алгоритмов создана компьютерная модель переноса рудного вещества, учитывающая реальные физические величины движущегося сульфидно-силикатного расплава в магматическом канале с различной геометрией его дна. Впервые получена количественная характеристика моделируемых скоплений рудного вещества, включая число частиц, их массу, мощность скоплений, «продуктивность» расплавов по длине потока.

Практическое значение

На основе разработанной системы алгоритмов, программного обеспечения и созданных компьютерных моделей плотностной дифференциации рудно-силикатного расплава можно оценивать расстояния и траектории перемещения частиц рудного вещества различной плотности и размера, определять участки пикового и стабильного их накопления. Результаты компьютерного моделирования экспериментально подтверждают реальное распределение сульфидных масс в придонных частях Талнахского интрузива, что позволяет определить какой продуктивной части принадлежит данное сечение интрузива, возможное положение наиболее продуктивных его частей и устанавливать наиболее вероятные места скопления руд определенного состава. Эти данные можно использовать при направлении поисков в наиболее рудоносные части интрузива, а также вероятные места скопления руд определенного состава.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались на: научно-практической конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений на основе их комплексных моделей — достижения и перспективы» (4—6 апреля 2006 г., Москва, ЦНИГРИ); 17-й Молодежной научной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» в рамках Международной конференции «Северная Европа XXI века: природа, культура, экономика» (9—12 октября 2006 г., Петрозаводск, КарНЦ РАН); годичной сессии МО РМО, посвященной 110-летию со дня рождения А.Г. Бетехтина (1987—2007) «Роль минералогии в познании процессов рудообразования» (28—29 мая 2007 г., Москва, ИГЕМ РАН—РИС ВИМС); научной конференции, посвященной 70-летию института и 95-летию X. Абдуллаева «Актуальные проблемы геологии и геофизики» (4—6 сентября 2007 г., Ташкент, АН респ. Узбекистан); научно-практической конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений — достижения и перспективы» (20—22 мая 2008 г., г. Москва, ЦНИГРИ); научно-практической конференции «Научно-методические основы прогноза, поисков и оценки месторождений твердых полезных ископаемых — состояние и перспективы» памяти Анатолия Ивановича Кривцова (24—25 мая 2011 г., Москва, ЦНИГРИ).

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, среди которых 3 статьи в реферируемых журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения общим объемом текста 110 страниц, 37 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 77 наименований.

Благодарности

Автор глубоко благодарен научному руководителю, доктору геологоминералогических наук, профессору [А.И. Кривцову! (ЦНИГРИ) за его постоянное внимание, за требовательность и ценные советы в период подготовки диссертации. За советы, рекомендации, критические замечания и консультации при подготовке и обсуждении работы автор выражает признательность Г.В.Ручкину, В.В.Кузнецову, А.П.Лихачеву, Ю.К.Голубеву (ЦНИГРИ). Отдельную признательность автор выражает Е.С.Заскинду и О.М.Конкиной (ЦНИГРИ) за предоставленные для изучения образцы вкрапленных руд Талнахского месторождения. За помощь в оформлении материалов работы автор благодарит сотрудников отдела ОКТиИ, в особенности Н.П.Кудрявцеву, И.В.Карлину.

Заключение Диссертация по теме "Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения", Вахрушев, Андрей Михайлович

Заключение

Основными задачами работы являлись дальнейшее развитие имеющихся моделей на основе разработки новых и адаптации уже созданных алгоритмов моделирования плотностной дифференциации многокомпонентных расплавов, разработка новых методов решения задач плотностной дифференциации в сульфидно-силикатных средах, с выявлением закономерностей распределения рудного вещества и его составов.

Численно-графическим моделированием плотностной дифференциации минералов в магматическом потоке проиллюстрированы зависимость дальности переноса рудных частиц от их радиуса и плотности; влияние конфигурации продольного сечения питающей системы на возможные отложения рудных частиц, существенное влияние геометрии канала на процесс осаждения и зональное распределение частиц на дне.

В итоге получена расчетная картина сепарации сульфидной составляющей расплава в обстановке его ламинарного течения в полого залегающем трубообразном канале переменного эллиптического сечения, которая не противоречит основным положениям ранее предложенных количественных геолого-генетических моделей сульфидно-силикатных систем (Дубов, Звездов, 2002; Кривцов, 1989, 2008; Кривцов и др, 1995, 2001, 2004). С помощью созданных компьютерных моделей переноса сульфидных капель рудным расплавом, на основе усовершенствованных ранее предложенных и вновь разработанных нами компьютерно-графических расчетных алгоритмов, можно оценивать расстояние и траекторию перемещения частиц рудного вещества разной плотности и размера, анализировать характер распределения осевших рудоносных сульфидных капель в магматическом канале во времени и пространстве, определять участки пикового и стабильного их накопления.

По результатам компьютерных экспериментов получена картина теоретически возможной латерально-вертикальной рудной зональности, показано влияние изменения геометрии дна и его выступов на интенсивность скопления рудного вещества, возникновение наиболее бедных и богатых по минеральному составу рудных обособлений. На подъемах выступов наблюдаются наиболее богатые и разнообразные, на спуске и некотором интервале за ним — наиболее бедные как по составу, так и по массовым характеристикам скопления, с четкой сепарацией легких и тяжелых рудных частиц.

Опираясь на полученные результаты можно определить, во-первых, какой продуктивной части интрузива принадлежит данное сечение («хвост», «начало» и т.п.); во-вторых, направление поисков наиболее продуктивных его частей и возможное их местоположение. Опираясь на зависимости распределения масс рудоносных сульфидных капель от геометрии дна, можно определить наиболее вероятные места скопления руд определенного состава.

По результатам компьютерного моделирования с учетом возможности слипания сульфидных частиц при пересечении их траекторий установлено следующее:

- укрупнение капель в результате слияния наиболее интенсивно на начальной стадии движения и вызывает параболический рост скорости Pix погружения;

- при начальных радиусах капель 1 мм процесс их укрупнения в результате пересечения траекторий осаждения приводит к возникновению частиц с радиусом до 2 см;

- происходит усреднение плотностей комплексных частиц по мере их слияния;

- в случае слияния капель наблюдается стабилизация процесса укрупнения в некотором интервале действия питающей системы;

- стабилизация процесса укрупнения частиц ведет к тому, что распределение минералов на дне канала в некоторой его области остается стабильным, с характерным интервалом между местами накопления; Эксперименты со слипанием частиц указывают на возможность образования особо крупных быстро осаждающихся агрегатов, что является предпосылкой для накопления в придонных частях сульфидной жидкости.

Изучение продвижения двухкомпонентного расплава выявило дифференциацию скоростей течения сульфидной и силикатной составляющих, и возникновение эффекта «смазки», действующего со стороны сульфидной жидкости на силикатную, что вкупе с анализом результатов экспериментов со слипанием частиц позволило установить точки равенства скоростей и пройденных расстояний сульфидного и силикатного расплавов, оценить максимальную возможную мощность накопленного вещества и смещение поискового «шага» по простираншо канала

Таким образом, компьютерным моделированием плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред в магматическом потоке проиллюстрированы: зависимость дальности переноса капель от их радиуса и плотности; рост скорости погружения сульфидных капель в расплаве при их укрупнении в результате слияния; влияние конфигурации питающей системы на возможные составы капель; влияние геометрии канала на процесс осаждения частиц и их зональное распределение на дне; влияние накапливающегося в придонной части сульфидного расплава на характер движения силикатной фазы и возможность совместного продвижения осевших сульфидных масс совместно с силикатным расплавом на различные расстояния, в зависимости от их мощности.

Прикладное значение выполненных экспериментов заключается в выявлении возможных направлений поиска промышленных скоплений рудоносного вещества, определении поискового шага, в зависимости от особенностей геометрии канала, которые можно использовать для прогноза наиболее продуктивных частей интрузива.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Вахрушев, Андрей Михайлович, Москва

1. Авдонин В.В., Старостин В.И. Геология полезных ископаемых — М.: Издательский центр «Академия», 2010. 384 с.

2. Берд, Р., Стыоарт, В., Лайтфут, Е. Явления переноса. Перевод с английского. — М.: Из-во «ХИМИЯ», 1974. 688 с.

3. Бетехтнн А.Г. Минералогия. — М.: Государственное издательство геологической литературы, 1950. 958 с.

4. Вахрушев A.M. Обособление рудных компонентов в динамике перемещения рудно-силикатных расплавов по горизонтали (абстрактная модель) // Руды и металлы, 2008. № 5. С. 74—82.

5. Вахрушев A.M. Компьютерные модели обособления рудных масс при субгоризонтальном движении сульфидно-силикатных расплавов // Руды и металлы, 2010. № 6. С. 58—64.

6. Вахрушев A.M. Совершенствование поисковых критериев сульфидных медно-никелевых руд на основе моделирования гравитационной дифференциации силикатных расплавных сред // Руды и металлы. Специальный выпуск, 2011. №3—4. С. 31—32.

7. Випников В.А., Каркашадзе Г.Г. Гидромеханика. Учебник для вузов. — М.: Из-во Московского государственного горного университета, 2003. 302 с.

8. Генкин А.Д., Дистлер В.В., Гладышев Г.Д. и др. Сульфидные медно-никелевые руды норильских месторождений. —М.: Наука, 1981. 234 с.

9. Годлевский М.Н. К вопросу о генезисе сульфидных медно-никелевых месторождений на сибирской платформе // Геология рудных месторождений, 1959. №2. С. 17—30.

10. Годлевский М.Н. О дифференциальной подвижности компонентов при формировании сульфидных медно-никелевых руд // Геология рудных месторождений, 1967. Т. 9. № 2. С. 17—31.

11. Годлевский М.Н. Магматические месторождения / Генезис эндогенных рудных месторождений. — М.: Недра, 1968. С. 7—83.

12. Годлевский М.Н. Проблемы формирования медно-никелевых месторождений // Эндогенные рудные месторождения. Международный геологический конгресс. XXIII сессия. Доклады советских геологов. Проблема 7. — М.: Наука, 1968. С. 7—14.

13. Зенько Т.Е., Степанов В.К и др. Информационный отчет «Разработать количественную петролого-минералого-геохимическую модель рудообразующей системы Талнахского типа». — М.: ЦНИГРИ, 1991. 28 с.

14. Калшнер А. А., Яхно О. М. Гидромеханика в инженерной практике. — К.:Техшка, 1987. 175 с.

15. Киселев С.П., Руев Г.А., Трунев А.П. и др. Ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах. — Новосибирск: Наука, 1992. 261 с.

16. Конеев Р.К, Турасебеков А.Х., Игнатиков E.H. Анализ нанокристаллических структур и проблемы переработки минерального сырья // Проблемы переработки минерального сырья. Материалы республиканского научно-практического семинара. — Ташкент, 2005. С. 73—76.

17. Кочнев-Первухов В.И., Кривцов А.И., Августгшчик И.А., Заскинд Е.С. Методическое руководство по оценке прогнозных ресурсов алмазов, благородных и цветных металлов. Выпуск «Никель и кобальт» / Отв. ред. А.И. Кривцов. — М.: ЦНИГРИ, 2002. 54 с.

18. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. К.П.Мищенко, А.А.Равделя. 3-е изд., доп. — JL: Госхимиздат, 1959. 124 с.

19. Кривцов А. И. Прикладная металлогения. —М.: Недра, 1989.

20. Кривцов А.И., Чиэ/сова И.М., Евстигнеева Т.П. Количественные характеристики рудонакопления в сульфидно-силикатных расплавах // Руды и металлы, 1995. № 2. С. 55—66.

21. Кривцов А.И., Кочнев-Первухов В.И., Конкина О.М. и др. Cu-Ni-МПГ месторождения норильского типа. Серия: Модели месторождений благородных и цветных металлов — М.: ЦНИГРИ, 2001. 177 с.

22. Кривцов А.И., Карлина КВ., Baxpyuiee A.M. «Геометрическое моделирование распределения сульфидных обособлений в движущемся по горизонтали силикатном расплаве». Отчет НИР. Фонды ЦНИГРИ, 2004.

23. Методика прогноза и поисков месторождений цветных металлов / под ред. А.И. Кривцова. — М.: ЦНИГРИ, 1987.257 с.

24. Митепков Г.Л., Шишкин H.H., Михайлова В.А., Карпенков A.M., Сидоров А. Ф., Рудашевский Н.С. Новые данные о пентландите. — Минералы и парагеиезисы минералов рудных месторождений. — Д.: Наука, 1973. С. 19—-31.

25. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Т. 1,2. — М.: Наука, 1987.

26. Округин A.B. Механизм концентрации элементов платиновой группы в процессе кристаллизационно-ликвационной дифференциации ультра-базит-базиговых магм // Отечественная геология, 2004. № 4. С. 21—26.

27. Олдер Б., Фернбах С., Ротенберг М. (ред.) Вычислительные методы в гидродинамике. — М.: Мир, 1967. 384 с.

28. Педлоски Длс. Геофизическая гидродинамика в 2-х т. Пер. с англ. Г.М. Резника, Т.Б. Цыбаневой. Т. 1, 2. Монография. — М.: Мир, 1984. Т.1. 398 с. — Т. 2. 416 с.

29. Пискунов В.Н. Моделирование кинетики формирования частиц в дисперсных системах на основе интегрального подхода // ДАН. Т. 397. №1. 2004. С. 52—56.

30. РоучП. Вычислительная гидродинамика. — М.: Мир, 1980. 618 с.

31. Руднев Б.П., Енбаев И.А., Осоков В.П., Дюдин Ю.К. Разработка технологии предконцентрации ценных компонентов, включая золото, из отвальных хвостов при их гидротранспорте // Добывающая промышленность, 2006. № 1. С. 34—44.

32. Система моделей месторождений благородных и цветных металлов / А.И.Кривцов, М.М.Константинов, В.В.Кузнецов и др. // Отечественная геология, 1995. № 3. С. 11—31.

33. Туровцев Д.М., Степанов В.К. и др. «Разработать геолого-генетическую и поисковую модели рудного поля Норильского типа как основу для создания