Компьютерное моделирование плотностной дифференциации расплавных рудоносных сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.11, кандидат геолого-минералогических наук Вахрушев, Андрей Михайлович

• Вахрушев, Андрей Михайлович
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Вахрушев, Андрей Михайлович, 2011 год

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