花岗岩侵位后的热应力时空演化及其影响因素

花岗岩与岩浆热液型矿床、油气成藏等有密切的成因关系。高温岩浆侵位到较冷的围岩中会形成岩浆热场和热应力,但热应力的大小和其影响范围尚缺乏系统研究。随着岩浆热耗散、与周围地层达到热平衡后,热应力会逐渐消失,因而数值模拟是定量研究岩浆热应力的常见方法之一。以往模拟岩浆热应力时往往采用岩石在常温下的线性热膨胀系数,但这与高温下岩石线性热膨胀系数存在较大差距。文章利用FLAC3D软件模拟花岗质岩浆侵位至上地壳范围内引起的热应力。求解物理方程包括热传导方程与线性热弹性本构方程,其中热场可通过温度差和线性热膨胀系数改变应力场,但应力场的变化不影响热场(即热场与应力场的单向耦合)。通过一系列数值模拟实验考察围岩岩性(花岗岩或碳酸盐岩)、杨氏模量、热学参数和岩浆侵位深度如何影响岩浆在上覆围岩产生的热应力。数值实验结果表明:岩石热传导系数通过传热快慢影响热应力的变化;围岩的杨氏模量越大,热应力也越大;由于花岗岩的平均杨氏模量大于碳酸盐岩,所以围岩为花岗岩时产生的热应力要高于碳酸盐岩;围岩无论是花岗岩还是碳酸盐岩,其在高温条件下的线性热膨胀系数比常温时高约1个数量级,产生的热应力最高可达100 MPa。花岗岩浆侵位后,围岩温度逐渐升高,对应的热应力不断增大;随着与岩浆房距离的增大,热应力不断减小,影响范围为岩浆房上方2 km以内;侵位深度浅的岩浆房冷却较快,其产生的热应力更有利于上覆围岩裂隙的形成和扩展。综合数值模拟结果可知,岩浆侵位所产生的热应力可影响岩体2 km内的应力场,这一局部存在且短瞬的热应力促使围岩破裂,为热液流体成矿提供运移通道或容矿空间。

花岗岩体高温热年代学研究的新思路、方法及计算实例

对国内外花岗岩体723对锆石U-Pb年龄(tZr)和全岩Rb-Sr等时线年龄(tRb)进行的相关分析,拟合出相关系数很高(R=0.997),回归系数接近l的线性回归方程(tZr=1.0005×tRb+0.493041)。ΔtZr-Rb(tZr-tRb)频数统计分析表明:ΔtZr-Rb呈对称正态分布(偏度系数CSK=0.193;峰度系数CKU=6.722),其均值为0.624 Ma,众数值为1.0 Ma。这表明花岗岩体锆石U-Pb定年的测定结果与全岩Rb-Sr等时线定年测定结果在允许的误差范围内是一致的。不存在花岗岩体锆石U-Pb年龄必定大于全岩Rb-Sr等时线年龄的规律表明,同位素热年代学方法只适用于研究花岗岩结晶固结后的低温热演化史。前人根据锆石U-Pb年龄和全岩Rb-Sr等时线年龄差值及相应同位素体系封闭温度研究的10个花岗岩体的冷却速率(CRZr-Rb)表明,它们与岩体体积尺度不相关,这有悖于"热物体的体积(质量)愈大,则在相同热物理条件下其冷却速率愈小"的热物理学基本定律。根据热传导理论及本文作者(2010)提出的侵位结晶时差概念我们得出"在相同热物理学条件下,体积尺度是决定花岗岩体冷却速率最主要因素"的结论。以上述10个花岗岩体为例,本文计算得出它们在结晶固结前高温阶段的冷却速率(CRECTD)并拟合出冷却速率与岩体体积尺度呈幂函数关系:CRECTD=7544.7×D-2.1686,计算结果符合热物理学基本定律。