現(xiàn)代海底熱液循環(huán)是物質(zhì)和熱量在巖石圈、水圈和生物圈的主要運(yùn)移過程。超慢速(半擴(kuò)張速率小于10 mm/a)擴(kuò)張洋中脊作為全球洋中脊系統(tǒng)的重要端元(end member)而成為國際研究熱點(diǎn)。而在超慢速擴(kuò)張洋脊上發(fā)現(xiàn)活動的高溫?zé)嵋簢娪謩t又—次刷新了人們對于現(xiàn)代海底熱液循環(huán)系統(tǒng)的認(rèn)知水平。超慢速擴(kuò)張洋脊上的熱液系統(tǒng)已逐漸被證實有發(fā)育大型海底硫化物礦床的條件。自2001年以來,我國對超慢速擴(kuò)張洋脊上的熱液系統(tǒng)的觀測、采樣和研究與國際水平同步,通過—系列航次獲取了西南印度洋脊及諸熱液區(qū)的—些重要數(shù)據(jù)資料和科學(xué)認(rèn)識。但是,局限于人類目前的科技水平,無法對海底熱液系統(tǒng)的深部活動進(jìn)行直接觀測。對深部的了解來源于主動源和天然地震的觀測、零星的幾處深海鉆探、高溫高壓試驗,但其數(shù)據(jù)來源和能夠說明的問題都有—定的局限性。要對整個熱液循環(huán)的動力學(xué)特征、循環(huán)機(jī)制、熱液對流與物質(zhì)和熱量的運(yùn)移,乃至流體上升過程中的水-巖反應(yīng)和礦物沉淀過程有進(jìn)—步認(rèn)識,基于數(shù)學(xué)-物理基本原理以及實際觀測數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬無疑是目前不可或缺的研究方法。本文旨在利用有限元方法研究超慢速擴(kuò)張洋脊環(huán)境下的高溫?zé)嵋合到y(tǒng)中的流體循環(huán)動力學(xué)特征;熱液對流、物質(zhì)運(yùn)移和礦物反應(yīng)過程;基于實際觀測的地質(zhì)-地球物理資料構(gòu)建龍旂熱液系統(tǒng)的循環(huán)模型,研究其熱液循環(huán)機(jī)制。將對海底熱液活動的認(rèn)識具有—定的學(xué)術(shù)價值和科學(xué)意義,也會對熱液成礦方面的研究有—定的借鑒意義。論文利用數(shù)值模擬方法主要探討了三個問題:(1)超慢速擴(kuò)張洋脊環(huán)境下,熱源深度、熱源溫度、滲透率和斷層是如何影響熱液系統(tǒng)的對流模式、對流穩(wěn)定性、噴又溫度?(2)熱液循環(huán)中的礦物沉淀及其對低滲透性環(huán)境下的高溫?zé)嵋簢娪钟惺裁簇暙I(xiàn)?(3)龍旂高溫?zé)嵋合到y(tǒng)的循環(huán)機(jī)制、熱液區(qū)分布的位置及噴又流體高鹽度的問題。從目前觀測到的海底熱液活動分布來看,超過50%分布在洋中脊上。而洋中脊熱液系統(tǒng)中,有超過17%分布在超慢速擴(kuò)張洋脊上,高溫?zé)嵋合到y(tǒng)占有較大的比例。高溫?zé)嵋合到y(tǒng)形成有兩大必要條件:熱源和通道。前者可能與巖漿活動有關(guān),對于以拆離斷層控制的超慢速擴(kuò)張洋脊可能并沒有淺部的巖漿房,而熱液系統(tǒng)的驅(qū)動熱源可能來自于深部,比如海底以下十幾千米的脆性-韌性轉(zhuǎn)換帶;后者與構(gòu)造活動(斷層和裂隙)有關(guān),可以用滲透率表征。淺部洋殼的滲透率較高,尤其是以構(gòu)造控制作用為主的超慢速擴(kuò)張洋脊更為明顯。熱源深度和洋殼滲透率是如何影響熱液系統(tǒng)溫度?在前人研究基礎(chǔ)上,基于有限元方法和水的熱力學(xué)量,以超慢速擴(kuò)張洋脊構(gòu)造環(huán)境為背景構(gòu)建簡化的模型,設(shè)置—系列不同影響因素的參數(shù)值,模擬超慢速擴(kuò)張洋脊環(huán)境下的熱液循環(huán)基本動力學(xué)特征:在各項同性介質(zhì)中,滲透率較大的情況下則會形成明顯的羽流分裂現(xiàn)象;海底熱液噴又的流體溫度極限由海底壓力和海水的非線性熱力學(xué)性質(zhì)決定的;滲透率是控制噴又溫度和熱液對流穩(wěn)定性的最主要因素,滲透率越大則對流越不穩(wěn)定,噴又溫度隨時間擾動越大;相比滲透率,熱源的深度對溫度的影響不明顯,但熱液循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間會隨著熱源深度的增大而增大;斷層則為集中熱液噴流提供有利條件,熱液會沿著滲透率較大的斷層區(qū)域向海底流動。海底廣泛分布的高溫?zé)嵋合到y(tǒng)以及淺部洋殼的高滲透性(比如洋殼的2A層可達(dá)10-14～10-11 m2)是基本事實。但是,前人對海底熱液循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究—致表明:由于冷的流體(海水)下滲并與上升的高溫?zé)嵋夯旌献饔?滲透率越高(比如10-14 m2)越難以形成高溫?zé)嵋簢娪�。解釋這種現(xiàn)象的—種可能機(jī)制就是熱液流動過程中的礦物沉淀對洋殼滲透率結(jié)構(gòu)的二次改造。前人對海底熱液循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中并沒有考慮礦物反應(yīng)的作用,論文中提出了熱液對流-礦物反應(yīng)-物質(zhì)運(yùn)輸模型,在對熱液循環(huán)的基本動力學(xué)特征認(rèn)識的基礎(chǔ)上,將流體流動與化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合�；谟彩�、黃鐵礦和黃銅礦三種主要熱液礦物的溶解度(Solubility)模擬了熱液流動伴隨的礦物沉淀和溶解過程。將礦物沉淀量用飽和度表示,利用Kozeny-Carman公式將礦物飽和度轉(zhuǎn)換為洋殼滲透率的變化。硬石膏在熱液上升流周圍沉淀,造成周圍介質(zhì)的孔隙度降低,從而形成類似煙囪狀的低滲透率結(jié)構(gòu),有效的阻止了淺部洋殼中海水與熱液上升流的充分混合,為高溫?zé)嵋貉h(huán)提供了有效通道。此外,黃鐵礦和黃銅礦在淺部洋殼和煙囪結(jié)構(gòu)中央?yún)^(qū)域逐漸沉淀,形成蓋子狀的硫化物堆積體。由于反應(yīng)溫度不同,三種礦物從內(nèi)向外的分布順序分別為黃銅礦、黃鐵礦和硬石膏。最后,將以上所述的熱液流體循環(huán)數(shù)值模擬方法應(yīng)用于龍旂熱液系統(tǒng),研究其高溫?zé)嵋貉h(huán)的機(jī)制�；趯嶋H觀測地質(zhì)、地球物理資料構(gòu)建龍旂熱液系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng),同時考慮地形、拆離斷層、地溫梯度和地殼層狀結(jié)構(gòu)。龍旂熱液系統(tǒng)是—個玄武巖為基底的活動的高溫、高鹽度熱液系統(tǒng),因此除了考慮從微震資料推測得到的深部脆性-韌性轉(zhuǎn)換帶(650℃等溫線)作為熱源,還考慮了蛇紋石化反應(yīng)放熱的貢獻(xiàn)。拆離斷層的滲透率相對于周圍洋殼較高,為了解釋高溫(379℃)高熱功率(250±100 MW)的熱液噴又,必須考慮礦物沉淀的影響。根據(jù)實際觀測的流體化學(xué)組分推測深部的化學(xué)組分(Fe,S,Ca)的濃度。綜合以上幾種因素,構(gòu)建了龍旂熱液循環(huán)系統(tǒng)的二維熱液對流-礦物反應(yīng)模型,得出每種因素對噴又溫度和熱通量的影響作用,以此解釋此高溫?zé)嵋貉h(huán)系統(tǒng)的形成機(jī)制。論文中探討的熱液對流和礦物反應(yīng)均發(fā)生在海底以下的洋殼中,而實際的熱液噴又在海底也會逐漸形成硫化物堆積體和煙囪體,熱液流體噴出海底以后如何與海水混合、礦物如何堆積造成煙囪體的不斷生長以及噴出的化學(xué)物質(zhì)如何隨海流進(jìn)行擴(kuò)散等問題,將在后期研究中利用更復(fù)雜熱液對流模型和礦物反應(yīng)模型進(jìn)行研究。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P736;P618.2
【部分圖文】：

現(xiàn)代海底熱液活動的分布范厘廣泛，主要分布右ｉ巖石圈板塊離散和ｔＣ聚邊界??的區(qū)域ａ在太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南極洲、紅海和地中海均有發(fā)現(xiàn)??（圖２．１）６迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的海底熱液區(qū)（包括活動的、非活動的和熱液異常點(diǎn)）多??達(dá)？７００處＼衾要分布在太平祥（約占６３％），其坎是大西樣（約占１９％）、印度洋??（約占１６％）、地中海（約占３％）和北冰洋（約占３％），如圖２．１和２．２（ａ）所示年??來，據(jù)不完全統(tǒng)計，平均每年調(diào)查．發(fā)現(xiàn)新的熱液活動多達(dá)４處。特別是近十??年，國際上投入洋中脊區(qū)域的調(diào)查研究時間平均８００?ｄ／ｙｒ，平均有十段以上的洋中脊被??遞惑??２５０１?，?３４％????Ｉｎａｃｔｉｖｅ?．??■?ＨｉｇｈＴ?５７％?Ｗ?ＴｅＣｔ〇ｎｉＣ??２〇〇．?■?ＬｏｗＴ????Ｍ?（３９８）?ＭＯＲ??Ｉ?１５０?１?Ｉ?？?Ｂａｃｋ?ａｒｃ??＾?３％?．—，??■?■?■?■?（１７）??■?■?■?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??ｍ?－ｒ?－Ｈｉ９ｈ??」■＿■■■■■■＆?（１５〇）?＾?—?ｉｎａｃｔｉｖｅ??Ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａｎ?Ｉｎｄｉａｎ?Ａｒｃｔｉｃ?Ｎ．?Ａｔｌａｎｔｉｃ?Ｎ．?Ｐａｃｉｆｉｃ?Ｓ．?Ａｔｌａｎｔｉｃ?Ｓ．?Ｐａｃｉｆｉｃ?Ｓｏｕｔｈｅｒｎ??（ａ）熱液區(qū)在八大洋的分布?（ｂ）構(gòu)造棄境及噴又狀態(tài)??圖２．２熱液區(qū)全球分布統(tǒng)計??Ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａｎ；?Ｉｎｄｉａｎ；?＾?Ａｔｌａｎｔｉｃ：?Ｓ．?Ａｔｌａｎｔｉｃ：?ＡＡｌｆＳ

水的熱力學(xué)性質(zhì)ＩＶ，?ａ／，?Ｐ／，?ｃｐ／，?Ｐ／和焓是基于ＩＡＰＳ－８４水的狀態(tài)方程１?（Ｌｅｓｔｅｒ，?ｅｔ??ａｌ．，１９８４）。根據(jù)給定的溫度和壓力間隔，利用ＰＲ０ＳＴ４．１?（Ｂａｕｅｒ，１９９８）計算出每個熱??力學(xué)參量的值并存儲在文件里面以便模擬程序查表，如圖３．１所示。因為水的熱力??學(xué)參量是Ｐ和ｒ的非線性函數(shù)，所以式３－２和３－３是強(qiáng)非線性方程。同時具有雙曲??型（對流方程）和拋物型（擴(kuò)散方程）特征。我們利用有限元方法求解控制方程組??Ｈａｓｅｎｃｌｅｖｅｒ?ｅｔ?ａｌ．?（２〇１４），計算程序基于?ＭＩＬＡＭＩＮ?（Ｄａｂｒｏｗｓｋｉ?ｅｔ?ａｌ．，２〇〇８）。模擬計算的??網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)，因此可以根據(jù)研究問題的需要，在不同區(qū)域設(shè)置不??同的網(wǎng)格單元大小，兼顧計算效率和空間分辨率。比如在形成熱液柱的區(qū)域，將??網(wǎng)格單元大小定義為ｌ－ｌ〇ｍ，在遠(yuǎn)離熱液柱的溫度變化不大的注水??區(qū)定義較粗的網(wǎng)格（１００－５００?ｍ）。尤其是在斷層控制的龍旅熱液區(qū)，可以沿斷層及周??圍區(qū)域定義局分辨率的網(wǎng)格。??對于速度方程（式２－１）、壓力方程（式３－２）和溫度（能量守恒）方程（式３－３）分別??采用隱式２有限元方法求解之：求解方程３－２得到壓力場

ｒ?■？?Ａｆｎ＋ｌ?ｆ?：?ｉ?：?１?時間循環(huán)?Ｉ?．??ｒ?［能Ｇ?ｉ?－—?ｉ??１?￣擴(kuò)散Ｗ試３－ｆ對流項（式３－３）?：??＜??Ｓｅｍｉ－Ｌａｇｒａｎｇｅ?！??＿式高散?二階猜度的預(yù)測校Ｅ?：??Ｉ??［更新物理１?；??．－力ｆ舞力?ｆ麵速度１?ｒ￣?ｆ邊界條件１?＼???？??＊？?—＞?Ａｔ?—？??ｐｈ?＼ｉｆ，?ａｆ，?（３／?式?３－２?Ｖ?式?２－１?Ｔ，ｐ??＼?／Ｉ?Ｖ?〉?＞??＊３，２單粗熱液赫娜模擬細(xì)情羞??
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本文編號：2855861