Моделирование формирования порфировых медных месторожденийНИР

Simulation of porphyry copper deposit formation

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 мая 2016 г.-31 декабря 2016 г. Моделирование формирования порфировых медных месторождений
Результаты этапа: Создана термодинамическая модель бинарной смеси соль-вода (NaCl-H2O). Свойства жидких и газовых фаз описываются кубическим уравнением состояния, а для твёрдой фазы используется отдельное явное уравнение состояния. Модель откалибрована по имеющимся в научной литературе лабораторным данным о свойствах смеси. Модель использовалась при разработке метода расчёта свойств смеси в широком диапазоне давлений, температур и концентраций соли. В рамках метода могут определяться однофазные, двухфазные и трехфазные термодинамические равновесия бинарной смеси с учётом твердой фазы соли. Показано, что возможны качественно различные трёхфазные равновесия смеси. Погрешность расчёта свойств смеси не превышает погрешности их измерения в лабораторных условиях. Построена фазовая диаграмма смеси в переменных давление-энтальпия-состав, с помощью которой исследовались фазовые превращения магматического флюида при формировании рудного месторождения. Разработанный метод встроен в комплекс программ MUFITS в рамках расширения функциональности модуля для расчёта фильтрации бинарных смесей. На основе построенной модели фильтрации бинарного флюида (соль-вода) проведены расчеты дегазации магматического очага через слой проницаемых водонасыщенных пород. Показано, что при подъеме высокотемпературного флюида к поверхности происходит его сегрегация на паровую и жидкую фазы. Пар мигрирует к поверхности, оставляю высококонцентрированный раствор, охлаждение которого приводит к выпадению части соли в осадок, блокирующий поровое пространство. Над очагом в толще пород происходит формирование линзы рассола, соленость которого соли может превышать 15 раз соленость в исходном магматическом флюиде. Вместе с солью могут концентрироваться различные рудные минералы, поэтому образующиеся линзы могут являться источниками формирования медных порфировых месторождений. Принята в печать статья в журнале из списка Scopus, содержащая результаты исследований. Разработан программный модуль для расчета транспорта примесных элементов с учетом распределения и химических реакций с флюидами и вмещающими породами. Создан интерфейс между разработанным модулем и комплексом программ MUFITS. Программа валидирована на ряде тестовых сценариев, в результате было получено совпадение результатов программы с известными решениями. Подготовлены сводки по количественным характеристикам медно-порфировых месторождений, которые будут использованы в данном проекте для верификации результатов математического моделирования. Показано, что природный высококонцентрированный флюид, существовавший в медно-порфировых системах может содержать и переносить достаточное количество рудных компонентов (медь, молибден, серебро и т.д.), но содержит недостаточное количество серы для формирования месторождений. Показано, что формирование природного высококонцентрированного флюида медно-порфировых систем не требует специфической магмы, а может быть получено дегазацией большого объема распространенных в надсубдукционных системах риолитовых магм. Подготовлена публикация в журнал из списка Scopus, содержащая анализ существующих геологических моделей формирования медно-порфировых месторождений с петролого-геохимической точки зрения.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Моделирование формирования порфировых медных месторождений
Результаты этапа: Построено уравнение состояния системы вода-соль-сернистый газ в пределе малых концентраций сернистого газа. В результате проведения расчетов дегазации кислых магматических очагов получена зависимость концентрации рассола, содержащего рудные компоненты, от глубины очага, состава магматического флюида, распределения проницаемости и пористости вмещающих водонасыщенных пород, температурного градиента и других параметров вулкано-магматической системы. Проведены тестовые расчеты взаимодействия образовавшейся линзы рассола с вулканическими газами, содержащими серу. Получено распределение зафиксированной в виде серосодержащих минералов меди над областью дегазации очага основной магмы. В результате расчетов подтверждена двухстадийная модель образования медных порфировых месторождений, предложенная сотрудниками Бристольского университета. В сотрудничестве с Минералогическим музеем РАН проведены работы по изучению природных флюидных включений в минералах медно- порфировых систем с целью обнаружения флюида второй стадии формирования месторождений.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Моделирование формирования порфировых медных месторождений
Результаты этапа: В 2018 г. получены следующие результаты: 1. Уравнение состояния для тройной системы вода-соль-сернистый газ, позволяющее корректно описать теплофизические свойства смеси при больших давлениях и температурах с учетом распределения серы между различными её соединениями (SO2, H2S, HSO4-). Уравнение состояния для тройной системы вода-соль-сернистый газ построено в предположении малой массовой доли сернистого газа при отсутствии обратного влияния SO2 на термодинамические свойства системы вода-соль. Плотности и энтальпии суммарной смеси вода-соль-сернистый газ получаются суммированием по объемным долям этих компонентов, причем свойства чистого SO2 и H2S как функции температуры и давления определяются уравнениями состояния на основе задания энергия Гельмгольца как функции редуцированной температуры (отнесенной к критической) и редуцированной плотности. Для замыкания описания системы с помощью минимизации энергии Гельмгольца свойства системы H2O-NaCl-SO2(-H2S) найдены как функции давления, температуры и солености вдоль кривых фазового равновесия с учётом коэффициентов распределения SO2 и H2S между рассолом и паром. Описание тройной системы учитывают диспропорционирование SO2(aq) при снижении температуры с образованием сульфат-иона и сероводорода, который вступает в реакцию с медью с образованием халькопирита. Для описания транспорта серы в пористой среде в рамках симулятора MUFITS решаются уравнения баланса массы для SO2, HSO4- и H2S с учетом раздельного транспорта компонентов во флюидной и газовой фазах, реакций диспропорционирования и формирования халькопирита). Растворимость меди (равновесие халькопирит-рассол) рассчитывается на основе аппроксимации экспериментальных данных. 2. Результаты параметрического исследования взаимодействия сернистого газа с линзой рассола, содержащего в растворенном состоянии медь, позволили выявить условия, наиболее способствующие образованию медных порфировых месторождений. Проведены параметрические исследования процессов дегазации магматического очага с образованием медных порфировых месторождений. Показано, что в результате формируется рудное тело, во внутренней части которой находится область, заполненная рассолом, причем максимальная концентрация отложенного халькопирита достигается не на оси канала, а в осесимметричном теле. Установлено, что с ростом расхода магматического флюида, его солености, температуры и содержания меди размер образующегося месторождения увеличивается. Уменьшение проницаемости окружающих канал пород ведут к подавлению конвекции метеорной воды, что уменьшает размытие линзы рассола и способствует образованию большего по объему месторождения. Детальная локальная структура, возникающая при закачке соленой жидкости в пористые породы, получена в результате решения автомодельной задачи о распаде произвольного разрыва применительно к процессам неизотермической фильтрации соленой жидкости с учетом возможности выпадения в пористой среде осадка в виде твердой фазы соли и сопутствующего снижения проницаемости. Показано, что решение необходимо строить только из сильных разрывов и областей однородного распределения параметров, а центрированные волны Римана не возможны. Исследованы возможные типы решений задачи. (А.А. Афанасьев, А.А. Чернова О решении задачи Римана, описывающей закачку нагретого раствора соли в водонасыщенный пласт// Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2019. Принята в печать). 3. Расширенная функциональность симулятора MUFITS для численного моделирования фильтрации смеси вода-соль- сернистый газ; Интеграция модуля переноса примесей с симулятором. Для численного моделирования тройной системы вода-соль-сернистый газ в симуляторе MUFITS разработан новый блок уравнения состояния, позволяющий рассчитывать термодинамические свойства системы вода-соль + газов с малой массовой долей (подход реализован для компонентов серы SO2, HSO4-, H2S и углекислого газа). Реакции переноса растворенной в рассоле меди, диспропорционирования сернистого газа, а также осаждения меди в виде халькопирита на вмещающие породы реализовано в виде отдельного программного решения. В режиме интеграции с симулятором MUFTIS все необходимые для вычислений термогидродинамические параметры берутся из симулятора; после расчета шага по времени изменения концентраций SO2, HSO4-, H2S, а также изменение пористости и проницаемости в результате отложения халькопирита возвращаются в MUFITS для расчета переноса компонент и изменения температуры. 4. Результаты моделирования конкретных МПМ для восстановления истории их формирования. Были проведены расчеты формирования медно-порфирового месторождения при дегазации батолита Yerington, Невада. Геологическое строение и интенсивность дегазации магмы для этого батолита детально исследованы и закладывались в симулятор. Построенная геологическая модель и исследована дегазация магмы в течение 100 тысяч лет. Результаты расчетов (см. Приложение) по форме, глубине, полной массе и концентрации отложенных минералов меди хорошо совпали. Таким образом, модель адекватно воспроизводит приведенные геологические данные. 5. Результаты исследования поведения серы в островодужных магматических системах в рамках обработки данных флюидных включений конкретных медно-порфировых месторождений в отобранных для исследования образцах (месторождения Талицкое, Малмыж, Эрденет). Проведены микротермометрические и рамановские исследования флюидных включений в кварце и карбонате из образцов месторождения Кайракты, в кварце сульфидной брекчии из месторождения Малмыж. Имеющиеся образцы медно-порфирового месторождения Эрденет не содержат минералов с пригодными для изучения флюдными включениями. Этот объект был заменен на сульфид-содержащие коровые ксенолиты в продуктах извержения вулкана Безымянный. Все флюидные включения месторождения Верхнее Кайракты содержат хлоридные растворы, в составе катионов которых, судя по (Тэвт. = -28,5...-30 оС), помимо преобладающего Na+, возможно присутствуют и другие ионы (Mg, Ca - в небольших количествах). Соленость флюидов варьирует в узком диапазоне от 5,5 до 9,3 мас%-экв NaCl. Температуры гомогенизации, +250...+300оС. В кварце из сульфидной брекчии месторождения Малмыж температуры гомогенизации флюидных включений составляют от 230 до 290 оС. В составе хлоридного раствора ФВ среди катионов преобладает Mg+2 (Тэвт.=-37,1...-39 оС). Соленость флюида довольно высокая (19,5 - 21,7 мас%-экв.№С1). В плагиоклазе коровых ксенолитов вулкана Безымянный на границе с вмещающей магматической породой содержатся первичные расплавные включения и в небольшом количестве вторичные флюидные включения. ФВ представлены в большинстве случаев трехфазными: газ, раствор и черная твердая фаза. Флюид, заключенный в таких включениях характеризуется Na-хлоридным составом, с невысокой концентрацией (2,6 - 3,7 мас%-экв.NaCl) и Тгом от 200 до 220 оС. Кроме термо- и криометрических экспериментов ФВ было проведено изучение дочерних фаз с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Изучение природных флюидных включений подтвердило присутствие серы в рудообразующем флюиде (в виде сульфатов и гидросульфатов магния) при формировании сульфидной брекчии месторождения Малмыж (в этом году) и Талицкое (предыдущий отчет). В ксенолитах вулкана Безымянный нами зафиксирована зональность (относительно контакта с магмой) отложения сульфидов всего спектра (от MSS до кубанита). В данном случае источником серы (и халькофильных элекментов) являлась магма и весь процесс флюидопереноса и отложения сульфидов зафиксирован природой в сантиметровом масштабе. В результате выполнения проекта создана методика и разработан инструментарий для моделирования формирования медных порфировых месторождений, позволяющий учитывать реальное геологическое строение вмещающих пород и состав и температуру магматического флюида. При незначительной адаптации возможно использования симулятора для других типов рудных месторождений. Математическое моделирование позволяет восстановить историю формирования месторождения по данным частичного опробования и предсказать распределение рудного тела в пространстве, что может позволить сократить объем буровых работ при разведке месторождения.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".