新疆喀拉通克铜镍矿田成矿条件、岩浆通道与成矿潜力分析

位于中亚造山带北缘的喀拉通克早二叠世铜镍硫化物矿区是新疆规模最大的铜镍矿山,包含13个岩体,相当部分为隐伏岩体,其中1号、2号、3号、9号矿床为主力矿床,经过30余年持续开发,最大开采深度已达740 m,已面临后备资源不足的危机。已知矿体主要产于辉长岩、苏长岩、辉长苏长岩以及橄榄苏长岩中,甚至角闪辉长岩局部也含矿,未见超镁铁岩产出,具有显著的磁性(200 nT)、重力(0.29×10~(-5)m/s~2)、激化率异常,以镁铁岩含矿、岩体规模小且成群成带、分异演化程度高、富铜(Cu/Ni约3:2)、PGE较高、块状硫化物贯入矿体普遍发育为特色。其围岩为含炭质板岩、片岩和凝灰岩,变形强烈,常规电法受到炭质层的干扰。依据岩石学、地球化学研究,岩浆源于软流圈地幔,基于与东天山同期铜镍矿床含矿岩相及其比例和剩余重力异常的比较,推断其应发育有相当比例的超镁铁岩,因而深部出现超基性岩的可能性很高,且含矿性应更好。这一推断得到坑道钻探的证实,2013年矿区在Y2岩体东段650~740 m深度和Y2岩体西段400~500 m深度发现隐伏超镁铁岩且含矿,局部见贯入块状矿体。橄榄辉石岩、辉石橄榄岩系矿区首次发现,粒度很细,发育强烈的蛇纹石化、纤闪石化,推测只是隐伏超基性岩的头部。结合控岩控矿构造的追溯及南、北岩带的侧伏和倾伏方向判断,硫化物珠滴构造的发现与系统观测统计,围岩烘烤边和角岩化的研究分析,提出南岩带主岩浆通道位于Y2与Y3岩体之间,而不是原普遍认为的岩浆通道位于Y1与Y2岩体之间。结合矿区的现状,提出采用高分辨率浅层地震、CSAMT和瞬变电磁地-井测量,结合传统的高精度重力勘探、磁法勘探和激发极化法来勘探和预测南岩带深部隐伏含矿超镁铁岩的空间位置和产状,圈定岩浆通道和隐伏铜镍矿体,进而推动北岩带和外围G21、22号岩体的深部探矿工作。     

东昆仑东段东昆中构造带韧性剪切作用及其地质意义

东昆仑东段东昆中构造带经历了多期(次)构造事件,现今保留了复杂多样的构造样式。哈图沟、清水泉—塔妥和沟里等地区构造变形十分强烈,且发育有呈NWW-SEE展布的韧性剪切带。通过野外调研及显微构造研究,对东昆中构造带几何学、运动学及动力学等进行了分析,并通过费氏台和EBSD技术对其进行石英C轴组构分析后认为该剪切带为一压-扭性构造界面,且早期为左旋逆冲,晚期为右旋走滑,变形温度为400~550℃。对剪切带内的石英亚颗粒及动态重结晶粒度测量计算出研究区内韧性剪切带古应力值约为153.791 MPa。哈图沟牦牛山组变形砾岩(4个测点)有限应变测量结果显示,越靠近东昆中断裂带砾石Flinn指数、应变程度、罗德系数(绝对值)越大,且Flinn指数均大于1,属拉伸变形。结合区域地质资料,认为东昆仑东段东昆中韧性剪切带形成于晚海西—印支期。     

新疆哈拉奇地区泥盆纪层序地层学特征及沉积环境

通过对哈拉奇地区泥盆系岩石学特征、层序地层格架、岩石地球化学特征和沉积构造的研究,对研究区泥盆纪地层进行了层序地层划分和沉积环境的恢复。研究区泥盆系划分为4个三级层序,沉积物源区主要为被动大陆边缘的再旋回造山带物源区,研究区泥盆系为无障壁滨浅海沉积环境。构造运动和海平面升降系该区泥盆系三级层序及其内部体系域形成的主要控制因素。     

深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定

应用经典塑性力学理论确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场存在一些问题,这影响深部圆形巷道的稳定性评价及支护设计的合理性。应用塑性力学求解新体系确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场准确解,进行了各向同性均质地层中圆形巷道破损区、地层残余强度与支护压力关系方面的研究,取得了如下成果:(1)破损区随开采深度的增加而增大,它们基本呈线性关系。(2)建立了支护压力与巷道埋深、围岩强度、围岩破坏后残余强度、围岩泊松比和重度之间的关系。研究成果可为支护设计提供重要参考。     

三轴应力状态下盐岩强度分析探讨

通过分析盐岩在三轴应力状态下的变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析。研究揭示了应利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正,得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数,围压为20 MPa时的轴向压缩变形量是5 MPa时的3.09倍。围压越高,对数应变修正得到的最大轴向应力与不修正的差值越大,用对数应变修正后的轴向应力低于不修正的结果,围压达到20 MPa时,前者仅为后者的63.85%。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。     

液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究

液氮温度极低,约在-195.56^-180.44℃之间,当与岩石接触时会对岩石孔隙结构产生损伤。根据这一特点,低温液氮有望作为压裂流体对储层进行压裂改造。为了研究液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响,选取两种不同砂岩岩样,分别在不同初始含水饱和度条件下进行液氮冻结处理。对冻结前、后的岩样进行孔隙度以及核磁共振测试,得到岩样在冻结前、后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布以及T2谱面积变化情况。试验结果表明:液氮冻结会对岩石的孔隙结构产生损伤,损伤程度受到岩性、孔隙度和岩石含水饱和度等因素影响;岩石含水饱和度越大,损伤就越严重,当岩石含水饱和度达到100%时,岩石表面产生了明显裂纹;岩石在液氮冻结下损伤形式主要是微孔隙的发育和扩展,微孔隙的增加会使岩石孔隙结构的连通性增强,甚至会产生新的大尺寸孔隙,从而对孔隙结构造成严重损伤。     

温度对煤系泥岩力学特征影响的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究,分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响。研究结果表明,不同温度下泥岩的力学特性有差异。随温度的升高,其峰值应力、峰值应变有不同程度的降低,其峰值应力从25℃时的9.153 MPa下降到55℃时的8.271 MPa,降幅为9.6%;峰值应变从25℃时的11.002×10-3下降到55℃时的8.249×10-3,降幅达25.0%。弹性模量随温度的升高逐渐减小,变形模量随温度的升高而增大,泊松比随温度的升高逐渐减小,由此得到各参数变量随温度的变化关系。研究成果可为深井高温软岩巷道的围岩控制提供理论基础。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。