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1、第41卷 第2期 2005年3月 地质与勘探 GEOLOGY ANDPROSPECTIN G Vol141 No12 March, 2005 技术 ? 方法 收稿日期2004 - 03 - 17; 修订日期2004 - 05 - 13; 责任编辑余大良 。 基金项目中国科学院知识创新工程重要方向项目( KZCX2 - 101)。 第一作者简介谢建华 (1978 年- ) ,男,2003年毕业于中南大学,获硕士学位,在读博士生,现主要从事研究方向为数值模拟工作。 数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介 谢建华 1, 2 ,夏 斌 1 ,徐振华 3 ,张宴华 4 (1 1中科院广州地球化学研究所
2、,广州 510640;2.中国科学院研究生院,北京 100039; 3.仲恺农业技术学院,广州 520225;4. CSIRO Exploration 侯恩科等(2001年 ) 8 提出利用三维地 形模型与数值模拟的耦合来简化复杂数值模拟前处 理思路 ,并以具体的三维地学模拟软件microLYNX 与数值模拟软件RFP A 和 FLAC 的耦合为例,提出 了耦合的具体模式和方法,开发出数据转换程序 ,利 用该转换程序不但可以将 microLYNX构建的任意 复杂程度的二维和三维地质模型数据转换成RFPA 和 F LAC 所能接受的数据文件,而且还可以根据模 拟需要方便地修改地质体的力学参数和边
3、界条件等 数据 。同时 ,此耦合方法具有普遍的适用性,可以适 用于其他三维地学模拟和数值模拟系统的耦合,从 而极大地简化了数值模拟的前处理,拓宽了三维地 学模拟的应用领域。 3 工作流程 F LAC 工作的具体流程如下 6, 9 : 1) 建立FLAC应变模型 。包括产生网格 ,根据 要求的形状变形,指定边界条件和初始条件,定义本 构模型和材料特性等。 2) 确定模型平衡状态。在给定的边界条件和 初始条件作用下,模型应处于初始平衡状态,通过对 最大不平衡力,节点速度以及位移的监测,用户需要 确定模型在何种情况下达到平衡状态。 3) 检查模型的反应。 F LAC 模型的反应是通过 其显式动态代码
4、进行监控的。当模型动能降到可以 忽略值或允许范围之内时,可以认为模型处于力的 平移状态或稳流状态。否则 ,就要返回步骤1) ,对 模型进行重新设置。 4) 执行改造 、 改变设置条件。在求解过程中, F LAC允许改变模型的条件,包括对任何节点的载 荷或应力的增加和删减,也允许节点的约束和解除 约束 ,以及对任何材料特性的改变,从而实现对模型 进行改善 。 5) 求解FLAC 模型 。 FLAC 是采用显式时间逼 近法 来 求 解 代 数 方 程 组 ,求 解 过 程 的 时 步 是 由 F LAC代码进行自动控制,因此 ,用户只需在认为结 果到达满足时,即可结束求解过程。 6) 实施附加改变
5、。就是对模型做进一步的改 善 ,确定是否需要对一些参数进行研究,若需要 ,则 可返回到步骤1)或 4)重新设置进行,否则 ,即可得 到结果 。 7) 获得结果,并对结果进行解释。最好将结果 直接以图形的形式展示,并且这个图形产物的格式 能够同现场测量和观察直接进行对比,同时模型中 的任何变量的参数值都能够很容易地通过模拟器获 得更多的详细解释。 4 国内 、 外地质应用实例 4 . 1 利用约束卡迪兹海湾对泥火山及其流量进行 数值模拟 10 泥火山分布在大陆和海底环境50cm 到 800m 87 地质与勘探 2005年 ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical
6、 Disc Co., Ltd. All rights reserved. 深的范围 ,它们的高度和形状的变化影响了形成它 们的驱动力和物质的物理性质。作用在泥火山构造 后面的驱动力来自于处在沉积柱深度的流态泥浆的 超压力 ,尽管超压力的很多成分来自一个泥浆池中 通过粘土矿物脱水和区域构造压力形成的不稳定产 物 ,但是一个主要参数是沉积柱的厚度。因此 ,很大 程度上泥火山理论上能达到的最大高度是流态泥浆 和它的沉积覆盖层之间的密度对比以及泥浆源深度 的函数 ;通过泥浆和沉积物之间的均衡补偿模型,可 以预测出泥火山下面的流态泥浆池的深度,因此 ,一 旦火山爆发,就可以预测到泥浆流动的一般行为。 利
7、用一个粘性- 重力流量模型来描述单个泥浆流动 的爆发 ,提出了一个包括多个层理辐射流的圆锥形 泥火山 ,这个模型证明泥浆流的厚度、 爆发率和速度 很大程度依赖流态泥浆的粘性、 密度和超压力。该 模型还被用来论证对卡迪兹海湾和摩洛哥边缘海底 泥火山的观测资料,应用该模型对两个设计好的泥 火山进行研究,得到大量的流量率、 流量速度 、 爆发 持续周期 、 高度和管道半径等估计值,从而计算出流 态泥浆角砾岩平均动粘滞率和密度,并且可以计算 出不同深度之间的流动速度。通过研究,若要在深 度达250m形成类似于卡迪兹海湾的两个被研究的 圆锥形泥火山,预测出总量达234个流量至少维持 117天的爆发活动。
8、 4. 2 青海省乌兰县托莫尔日特金矿区构造应力场 与流体运移势的计算机数值模拟 11 托莫尔日特金矿区位于柴达木盆地东北缘 ,哇 洪山断裂北中段西侧,区内岩浆活动频繁,断裂构造 发育 ,具有较好的成矿地质构造背景 。 矿区内出露的地层主要是滩间山群及少量第四 系 ,滩间山群为一套绿片岩相(局部为角闪岩相)的 变质岩 ,其岩性主要为变质凝灰岩、 安山岩 、 绿片岩 、 斜长角闪片岩,局部夹有大理岩、 云母石英片岩等, 在矿区西部广泛分布,第四系主要分布于沟谷地区, 以冲积和洪积砂砾及风积粘土为主。矿区岩浆活动 频繁 ,以加里东期及印支期为主,岩浆岩在矿区广泛 分布 ,矿区构造以断裂为主,在矿区
9、及其外围断裂构 造均十分发育。 张拴宏等人运用有限元数值模型,对托莫尔日 特地区成矿初期及主成矿期构造应力场及流体运移 势进行了二维计算机模拟。模拟结果显示NW - NWW 向断裂构造带对本区构造应力场的控制是十 分明显的 。在该断裂带穿过的乌达热乎、 赛坝沟成 矿带及其北部、 石棉沟西部地区,是强烈的应力梯度 带 、 高剪应力带 、 高应变能密度带及低流体运移势分 布区 ,反映了这些地区构造环境优越,且是流体运移 的有利渗流区。 4 . 3 南海形成演化及其动力学数值模拟 南海位于欧亚板块、 太平洋板块以及印度洋- 澳大利亚板块三者的交汇处,面积达350 10 4 km 2 , 是西太平洋边
10、缘最大的海盆,由于南海具有丰富的 油气资源以及其独特的构造发育模式、 复杂的演化 过程 ,吸引了众多国内外地质、 地球物理学家的关注 和研究 。前人的研究结果表明,南海的成因非常复 杂 。有些将之解释为扩张形成,而且有不同的扩张 模式 ,如多次海底扩张(何廉声 , 1988、 姚伯初 , 1996 等 ) 、 多中心微型扩张(李卢玲 , 1985等 )等 ,扩张时 间不一 ,但较统一的是认为受太平洋板块向欧亚大 陆俯冲 ,以及印度板块与欧亚板块发生碰撞这双重 作用所制约的;也有将南海成因认为是地幔上蚀 (谢继哲 ,1982、 黄福林 ,1986等 ) ,认为南海是在“ 南 海地台 ” 上发展而
11、成的,其成因机制为地幔上拱,地 台裂陷 ,陆壳下沉导热的上地幔中,地幔熔融物取代 原来的陆壳形成新的洋壳。 为了真实全面地了解和分析南海的成因,运用 F LAC数值模拟软件,建立了南海的平面动力学数 值模拟模型,并考虑了两种方案,即 (1)只单独考虑 印度板块与欧亚板块发生碰撞,而不考虑太平洋板 块对欧亚大陆的俯冲作用,目的在于同Tapponnier (1982) 12 等提出的试验模式做对比 ,和方案(2)在 考虑印度板块与欧亚板块发生碰撞的同时,还考虑 了太平洋板块向欧亚大陆俯冲作用这两种模式 ,来 分析南海地区动力学应力场矢量的分布及其南北、 东西方向的位移矢量,结果分析表明,在这两种模
12、式 下 ,均能产生南海地区的南北向扩张;同时,我们还 对南海地区进行了剖面模型的数值模拟,设计了3 种方案 : (1)只考虑拉张( 6Ma 拉张20% ) ; (2)只考 虑软流圈上涌(在 6Ma); (3)在 6Ma,同时考虑20% 的构造拉张和软流圈上涌。模拟结果表明纯南北向 拉张不足以导致南海的打开,纯软流圈的上涌能引 起很大的岩石圈减薄 ,但不能产生足够的地壳减薄, 而在同时考虑两者时,能有效地引起岩石圈和地壳 的减薄 ,极有可能导致南海的打开。综合平面模型 和剖面模型两方面的模拟结果,我们认为,南海的打 开成因是印度板块与欧亚板块的碰撞和太平洋板块 向欧亚大陆俯冲作用,以及地幔柱上涌
13、三者共同作 用的结果,并三者在不同时期起不同的主导制约作 用 。该成果将另文发表。 5 结 语 在国外 ,数值模拟技术得到广泛的应用,而我国 97 第2期 谢建华等:数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介 ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 80年代末才将F LAC 应用于岩土工程地质力学分 析 ,在地质学方面的应用已进入快速发展阶段 (王 岳军等(2001) 13 模拟了湖南印支期过铝质富钾花 岗岩形成和基性岩浆底侵以及地壳加厚热效应的工 作 ) ;尹光志等( 2001) 14 利
14、用实验室相似模型试验 和有限差分程序F LAC, 对南桐煤矿二井三区煤层 开采引起的岩体移动、 矿山压力分布和地表沉降的 基本规律进行研究,对现场开采及灾害预测和防治 均取到指导作用;席先武等(2003) 15 利用 FLAC软 件 ,再现了湖南中生代岩石圈构造体制由挤压转换 为伸展减薄过程中,区域构造应力和地温场的可能 的演化历程,探讨了其耦合成矿效应和深部动力学 制约 。 数值模拟技术在地学方面的应用,使得原先只 能做定性研究的问题进行定量化研究了,并可实现 各种不同空间尺度上的模拟,如小至劈理 、 节理发育 形成过程大到岩石圈尺度甚至全球性的地球动力学 分析 ,为地质学家解决诸多地学难题
15、提供强有力的 方法和手段。目前国内一些地质学家提出许多区域 大地构造演化的动力学模型,如青藏高原碰撞挤压 及其隆升 、 大别- 苏鲁造山带的深俯冲作用及碰撞 后下地壳拆沉作用等,但是由于这些模型缺乏对力 学机制和动力学过程的定量模拟,使得无法进行更 深入的研究。因此 ,如果在合理构建地质模型的基 础上 ,利用数值模拟方法,定量模拟其热、 流动 、 力学 和动力学过程,探讨 、 验证岩石圈内部热动力驱动、 流体运移 、 应力演变与构造变形的递进、 叠加与耦合 效应 ,并将构造地质- 地球物理- 地球化学方面的 资料进行联系对比,从而对各不同区域的大地构造 演化获取动力学的定量理解,并将有助于地学
16、研究 定量化的发展,将极大地提升国内大地构造学研究 的水平 。 致谢 :非常感谢澳大利亚联邦科学与工业研究组 织张宴华教授在南海动力学数值模拟工作中的帮助。 参考文献 1 董清华.工程地震勘探数值模拟研究 J .地质与勘探,2000, 4: 5659. 2 吴洪词,胡 兴,包 太 1采场围岩稳定性的FLAC算法分析 J .矿山压力与顶板管理, 2002, 4: 96981 3 来兴平,伍永平,蔡美峰 1FLAC在地下巷道离层破坏非线性 数值模拟中的应用 J .西安科技学院学报, 2000, 20 (3) : 193 1951 4 寇晓东,周维垣,杨若琼,等 1应用三维快速拉格朗日法进行 三峡船
17、闸高边坡锚固稳定与机理研究 J .土木工程学报, 2002, 35 (1) : 68821 5 杨立强,张中杰,林舸,等 1FLAC基本原理及其在地学中的应 用 J .地学前缘,2003, 10( 1)1 6 ItascaConsulting Group, Inc1FLAC 3D , Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, version 210, usersmannual R 1USA: ItascaConsulting Group, Inc1,19971 7 胡 斌,张倬元,等 1FLAC 3D前处理程序的开发及仿真效果检
18、 验 J .岩石力学与工程学报, 2002, 21 (9) : 138713911 8 侯恩科,等 1三维地学模拟与数值模拟的耦合方法研究 J . 煤炭学报, 2002, 27(4) : 3883921 9 龚纪文,席先武,王岳军,等 1应力与变形的数值模型方法 J .华东地质学院学报,2002, 25 (3) : 220227. 10 Murt on, B ra m ley; B iggs, Juliet Numerical modelling of mud vol2 canoesand their flows using constraints from the Gulf of Cadiz
19、 J . Marine Geology, 195 ( 4) : 223236. 11 张拴宏,周显强,田晓娟,等 青海省乌兰县托莫尔日特金矿区 构造应力场与流体运移势的计算机数值模拟 J 1 地质与勘 探, 2002, 38 ( 1) : 4045. 12 P Tapponnier, et al1Propagating extrusion tectonics in A sia: New insights for msi mple experiments withplasticine J 1Geol ogy, 1982, 10: 611616. 13 王岳军, Y H Zhang,范蔚茗,等.湖
20、南印支期过铝质花岗岩的 形成:岩浆底侵与地壳加厚效应的数值模拟 J1中国科学(D 辑) , 2002 ,32 (6) : 491499. 14 尹光志,鲜学福,代高飞等.大倾角煤层开采岩移基本规律的 研究 J.岩土工程学报,2001, 23 (4) : 450453. 15 席先武,杨立强,王岳军等.构造体制转换的温度场效应及其 耦合成矿动力学数值模拟 J .地学前缘, 2003, 10 ( 1) : 47 55. BR IEF INTR OD UCT IO N O F NUM ER ICALSI M ULAT ION SO FTW ARE FLAC AND ITS APPL ICAT IO
21、N O N GEO SC IENCES X IE Jian - hua 1, 2 , X IA B in 1 , XU Zhen - hua 3 , ZHANG Yan - hua 4 (1. Guangzhou Institute of Geoche m istry,ChineseAcademy of Sciences, Guangzhou 510640; 2. Graduate School, ChineseAcadem ic Sciences, B eijing 100039; 3. Zhongkai U niversity of Agriculture and Technology,
22、Guangzhou 520225; 4 . CSIRO Exploration& M ining,PO Box 1130, B entleyWA 6102, Australia ) Abstract:The principle of Lagrangian elementmethod,a common numeric analysis, is briefly discussed . Advantages and shortcomingsof themethod are discussed using FLAC soft ware, andwork flows of the software ar
23、e als o presented .It is shown themethod is very suitable to res olve non - linear and large - ana morphic problems .Some geo- scientific applications in home and abroad arepresentedand s ome suggesti ons of technology using numeric si mu2 lation in geosciencesare also put forward. Key words: numerical si mulation, finite difference method, fastLagrangian analysis of Continua,geosciences 08 地质与勘探 2005年 ? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.