流体构造动力学及其研究现状与进展
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流体力学的发展现状引言:流体力学是研究流体运动和力学性质的学科,广泛应用于工程、物理、地球科学等领域。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括其研究内容、应用领域、技术进展和未来发展趋势。
一、流体力学的研究内容流体力学研究的核心内容包括流体的运动规律、流体力学方程、流体的性质和流体与固体的相互作用等。
具体而言,流体力学主要研究以下几个方面的内容:1. 流体的运动规律:研究流体在不同条件下的运动规律,包括速度场、压力场、密度场等的分布和变化规律。
2. 流体力学方程:包括连续性方程、动量方程和能量方程等,用于描述流体的运动和力学性质。
3. 流体的性质:研究流体的物理性质,如粘度、密度、表面张力等。
4. 流体与固体的相互作用:研究流体与固体的相互作用,如流体在固体表面的流动、流体对固体的冲击力等。
二、流体力学的应用领域流体力学在各个领域都有广泛的应用,以下是一些典型的应用领域:1. 工程领域:流体力学在工程领域中的应用非常广泛,如航空航天、汽车工程、建筑工程等。
例如,在飞机设计中,流体力学可以用于模拟飞机在不同速度下的气动特性,优化飞机的外形设计。
2. 能源领域:流体力学在能源领域中的应用主要包括石油工程、水力发电等。
例如,在石油工程中,流体力学可以用于模拟油井中的油气流动规律,优化油井的生产效率。
3. 环境科学:流体力学可以用于模拟大气和海洋中的流动规律,研究气候变化、海洋循环等问题。
例如,通过模拟海洋中的流动,可以预测海洋中的污染物扩散情况,指导环境保护工作。
4. 生物医学:流体力学在生物医学领域中的应用主要包括血液流动、呼吸系统等。
例如,在心血管疾病研究中,流体力学可以用于模拟血液在血管中的流动规律,帮助医生诊断和治疗心血管疾病。
三、流体力学的技术进展随着科学技术的不断发展,流体力学研究的技术也在不断进步。
以下是一些流体力学研究中的技术进展:1. 数值模拟方法:数值模拟方法在流体力学研究中得到了广泛应用。
流体力学的发展现状流体力学是研究流体的力学性质和行为的学科,涵盖了流体的运动、力学特性、流体与固体的相互作用等方面。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括研究领域、技术进展以及应用前景等方面的内容。
一、流体力学的研究领域流体力学的研究领域非常广泛,涉及到自然界中各种不同类型的流体,如气体、液体和等离子体等。
主要研究内容包括:1. 流体的基本性质:研究流体的物理性质,如密度、粘度、压力、温度等,以及流体的宏观行为,如流速、压力分布、温度分布等。
2. 流体的运动:研究流体在不同条件下的运动规律,包括流体的速度分布、流线、涡旋等。
3. 流体与固体的相互作用:研究流体与固体之间的相互作用,如流体对固体的作用力、固体对流体的影响等。
4. 流体的稳定性和不稳定性:研究流体系统的稳定性和不稳定性,如流体的层流和湍流等现象。
5. 流体的数值模拟和实验研究:利用计算机模拟和实验手段研究流体的各种性质和行为。
二、流体力学的技术进展随着科学技术的不断发展,流体力学领域也取得了许多重要的技术进展,主要包括以下几个方面:1. 数值模拟方法的发展:借助计算机技术,流体力学领域发展了各种数值模拟方法,如有限元法、有限体积法和拉格朗日法等,用于模拟和预测流体的运动和行为。
2. 实验技术的改进:流体力学领域的实验技术也得到了很大的改进,例如高速摄影技术、激光测速技术和纳米颗粒示踪技术等,可以更精确地观察和测量流体的运动和性质。
3. 数据处理和分析方法的提升:随着计算机技术的发展,流体力学领域的数据处理和分析方法也得到了提升,例如图像处理技术、数据挖掘和机器学习等,可以更有效地处理和分析大量的流体数据。
4. 多尺度模拟方法的应用:为了研究更复杂的流体系统,流体力学领域开始应用多尺度模拟方法,将微观和宏观的流体行为相结合,以更全面地理解流体的力学性质和行为。
三、流体力学的应用前景流体力学在许多领域都有广泛的应用,具有重要的科学研究和工程实践价值。
流体力学的发展现状引言概述:流体力学是研究流体运动规律和性质的学科,广泛应用于工程、地球科学、生物医学等领域。
随着科技的发展和需求的增加,流体力学的研究也在不断深入。
本文将从五个大点来阐述流体力学的发展现状,包括数值模拟方法、流体力学在工程中的应用、流体力学在地球科学中的应用、流体力学在生物医学中的应用以及流体力学的未来发展方向。
正文内容:1. 数值模拟方法1.1 网格方法:传统的有限差分法和有限体积法1.2 基于粒子的方法:如粒子追踪方法和格子玻尔兹曼方法1.3 基于网格的方法:如拉格朗日-欧拉方法和前后处理技术1.4 基于粒子和网格的混合方法:如混合欧拉-拉格朗日方法和混合欧拉-网格方法1.5 多尺度模拟方法:如分子动力学方法和连续介质方法的耦合2. 流体力学在工程中的应用2.1 空气动力学:用于飞机、汽车、建筑物等的气动设计和优化2.2 水动力学:用于船舶、水利工程、海洋工程等的水动力设计和优化2.3 热力学:用于燃烧、传热、流体流动等的热力学分析和优化2.4 多相流动:用于化工、石油、矿业等的多相流动分析和优化2.5 液体动力学:用于液体的流动、液体结构和相变等的研究和应用3. 流体力学在地球科学中的应用3.1 大气科学:用于气象预测、气候模拟和大气环境研究3.2 地下水资源管理:用于地下水流动和污染传输的模拟和预测3.3 地震地质学:用于地震波传播和地震灾害模拟3.4 地表水资源管理:用于河流、湖泊和湿地的水动力学模拟和管理3.5 地球内部流体运动:用于地幔对流、岩浆运动和地壳变形等的研究4. 流体力学在生物医学中的应用4.1 血液流体力学:用于心血管疾病的诊断和治疗4.2 呼吸系统流体力学:用于肺部疾病的研究和治疗4.3 细胞流体力学:用于细胞运动、细胞力学和细胞信号传导的研究4.4 药物输送和微流控:用于药物输送系统和微流控芯片的设计和优化4.5 生物流体力学仿真:用于人体组织、器官和器械的仿真和优化5. 流体力学的未来发展方向5.1 多物理场耦合:将流体力学与热传导、电磁场等耦合起来进行研究5.2 多尺度模拟:发展更精确的多尺度模拟方法,提高模拟结果的准确性和可靠性5.3 高性能计算:利用高性能计算平台,加快流体力学模拟的速度和精度5.4 人工智能和机器学习:将人工智能和机器学习应用于流体力学的建模和优化5.5 可视化技术:开发更先进的可视化技术,直观展示流体力学模拟结果总结:流体力学作为一门重要的学科,其发展现状可以从数值模拟方法、工程应用、地球科学应用、生物医学应用以及未来发展方向来进行阐述。
轮机系统流体动力学研究进展与应用探讨轮机系统作为船舶、发电厂等大型动力设备的核心组成部分,其性能的优劣直接影响着整个系统的运行效率、可靠性和安全性。
而流体动力学在轮机系统的设计、优化和故障诊断等方面发挥着至关重要的作用。
近年来,随着计算技术和实验手段的不断进步,轮机系统流体动力学的研究取得了显著的进展,并在多个领域得到了广泛的应用。
一、研究进展1、数值模拟技术的发展数值模拟已经成为轮机系统流体动力学研究的重要手段。
计算流体动力学(CFD)方法在处理复杂几何形状和流动现象方面具有显著优势。
通过建立精确的数学模型和采用高效的数值算法,能够对轮机系统内部的流场进行详细的预测和分析。
例如,在叶轮机械的设计中,可以模拟叶片周围的气流流动,优化叶片形状和叶栅结构,提高效率和压比。
2、多相流研究的深入轮机系统中常常涉及到气液、液固等多相流现象。
对多相流的研究有助于更好地理解燃料喷射、润滑冷却和杂质携带等过程。
近年来,基于欧拉拉格朗日方法和欧拉欧拉方法的多相流模型不断完善,能够更准确地描述相之间的相互作用和传递现象。
3、湍流模型的改进湍流是轮机系统中常见的流动现象,对其准确模拟一直是流体动力学研究的难点。
新的湍流模型不断涌现,如大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等,能够在一定程度上捕捉到湍流的小尺度结构,提高了模拟的精度。
4、实验技术的创新实验研究在轮机系统流体动力学中仍然不可或缺。
激光测速技术(LDA)、粒子图像测速技术(PIV)等先进的测量手段能够获取流场的详细信息,为数值模拟提供验证和补充。
同时,透明模型实验和热线热膜技术也在不断发展,为研究复杂流动提供了更多的实验数据。
二、应用领域1、轮机系统的优化设计利用流体动力学的研究成果,可以对轮机系统的主要部件进行优化设计。
例如,优化螺旋桨的外形和桨叶分布,以提高船舶的推进效率;优化涡轮机和压缩机的叶片形状和流道结构,提高能量转换效率。
2、性能预测与评估通过数值模拟和实验研究,可以对轮机系统在不同工况下的性能进行准确预测和评估。
流体力学的发展现状流体力学是研究流体运动规律和性质的科学领域,涉及到液体温和体的运动、力学和热力学等方面。
它在工程、地球科学、生物医学等领域具有重要应用价值。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括研究领域、理论模型、实验方法和数值摹拟等方面。
一、研究领域流体力学的研究领域非常广泛,涵盖了许多不同的学科和应用领域。
目前,流体力学的研究主要集中在以下几个方面:1. 流体动力学:研究流体的运动规律和力学特性,包括流体的速度场、压力场、涡旋等。
2. 流体热力学:研究流体的热力学性质和热传导过程,包括温度场、热传导方程等。
3. 流体结构相互作用:研究流体与固体结构的相互作用,包括流体对结构的载荷、结构对流体的影响等。
4. 多相流体力学:研究多种不同相态的流体的运动和相互作用,包括气液两相流、固液两相流、气固两相流等。
5. 生物流体力学:研究生物体内的流体运动和力学特性,包括血液流动、呼吸系统流动等。
二、理论模型在流体力学的研究中,为了描述和预测流体的运动和力学特性,人们发展了许多理论模型。
以下是一些常用的理论模型:1. 纳维-斯托克斯方程:描述流体的运动规律,是流体力学中最基本的方程之一。
2. 热传导方程:描述流体的热传导过程,用于研究流体的温度场和热力学性质。
3. 质量守恒方程:描述流体的质量守恒原理,用于研究流体的流量和密度变化。
4. 动量守恒方程:描述流体的动量守恒原理,用于研究流体的速度场和压力场。
5. 介观模型:用于研究微观尺度下流体的运动和性质,如份子动力学摹拟、格子气模型等。
三、实验方法实验是流体力学研究中不可或者缺的手段,通过实验可以验证理论模型和数值摹拟结果。
以下是一些常用的实验方法:1. 流体力学实验室:建立流体力学实验室,利用实验装置和测量设备进行流体力学实验。
2. 流体流动可视化:通过染料、颗粒追踪等方法,观察流体的流动状态,获取流体流动的信息。
3. 测量技术:使用压力传感器、流速计等测量设备,对流体的压力、速度等参数进行测量。
流体力学的发展现状流体力学是研究流体力学性质和行为的学科,涉及流体的运动、力学和热力学等方面。
随着科技的不断发展,流体力学在各个领域都有着广泛的应用,如航空航天、海洋工程、能源领域等。
本文将介绍流体力学的发展现状。
一、数值模拟技术在流体力学中的应用1.1 数值模拟技术的发展随着计算机技术的不断进步,数值模拟技术在流体力学中得到了广泛应用。
1.2 流体动力学模拟数值模拟技术可以模拟流体的运动状态和流场分布,帮助工程师优化设计。
1.3 求解流体方程的数值方法数值方法的发展使得求解流体方程变得更加高效和精确。
二、多相流体力学的研究进展2.1 多相流体的特性和行为多相流体力学研究不同相态流体的相互作用和运动规律。
2.2 气液两相流体力学气液两相流体力学在核工程、石油工程等领域有着重要应用。
2.3 多孔介质流体力学多孔介质流体力学研究地下水流动、油藏开采等问题。
三、激光测量技术在流体力学中的应用3.1 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术可以实时测量流体的速度和流场分布。
3.2 激光干涉技术激光干涉技术可以用于测量流体的密度和压力分布。
3.3 激光诊断技术激光诊断技术可以实时监测流体的性质和变化。
四、流体力学在航空航天领域的应用4.1 飞行器气动力学流体力学在飞行器气动设计和性能优化中起着关键作用。
4.2 涡流控制技术涡流控制技术可以改善飞行器的气动性能和稳定性。
4.3 高超声速气动力学高超声速气动力学研究在超音速飞行器设计中具有重要意义。
五、流体力学在能源领域的应用5.1 水力学水力学研究水流动的规律和水力发电技术。
5.2 气体动力学气体动力学研究气体的流动和燃烧过程,应用于燃气轮机等领域。
5.3 流体力学在核能领域的应用流体力学在核反应堆设计和安全评估中发挥着重要作用。
总结:流体力学作为一门重要的学科,正在不断发展和完善。
数值模拟技术、多相流体力学、激光测量技术等新技术的应用为流体力学研究带来了新的机遇和挑战。
流体力学的发展现状流体力学是研究流体运动和力学性质的学科,涵盖了流体的力学行为、流体的运动规律以及与流体相关的各种现象和应用。
随着科学技术的不断进步和应用领域的不断扩展,流体力学在工程、地球科学、生物医学等领域的重要性日益凸显。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括研究领域、应用领域以及相关的最新进展。
一、研究领域1. 流体的运动规律研究流体力学的核心研究内容之一是流体的运动规律。
研究者通过数学模型和实验手段,探索流体在不同条件下的运动规律,包括流体的速度分布、压力分布、流量、流体的旋转运动等。
这方面的研究对于理解和预测流体的行为具有重要意义,为工程设计和应用提供了理论基础。
2. 流体力学的数值模拟随着计算机技术的发展,数值模拟成为流体力学研究的重要手段。
通过建立数学模型和运用数值方法,模拟流体的运动过程,可以预测流体的行为和性质。
数值模拟在气象学、海洋学、地质学等领域得到广泛应用,为科学研究和工程应用提供了重要的支持。
3. 多相流体力学研究多相流体力学是研究多种物质同时存在并相互作用的流体力学分支。
多相流体力学研究的对象包括气固、气液、液固等多种组合形式的流体。
多相流体力学的研究对于工程领域的燃烧、气固流动、颗粒悬浮物输送等问题具有重要意义。
二、应用领域1. 工程领域流体力学在工程领域的应用非常广泛。
例如,在飞机、汽车、火箭等交通工具的设计中,流体力学的研究可以优化空气动力学性能,提高运行效率。
在水利工程中,流体力学的研究可以帮助设计和优化水坝、水管、水泵等设施,提高水资源的利用效率。
此外,流体力学在石油、化工、能源等领域的应用也非常重要。
2. 地球科学领域流体力学在地球科学领域的应用主要涉及大气科学、海洋科学和地质学。
通过研究大气和海洋的运动规律,可以预测天气、气候变化以及海洋环境的演变。
在地质学中,流体力学的研究可以帮助理解地下水流动、岩石变形等地质过程,并为地质灾害的预防和治理提供科学依据。
船舶流体动力学研究的前沿进展与应用探索船舶在人类的历史长河中扮演着至关重要的角色,从最初的简单木筏到如今的现代化巨轮,船舶的发展见证了人类文明的进步。
而船舶流体动力学作为研究船舶在水中运动规律的科学,一直是船舶设计、建造和运营中的关键领域。
随着科技的不断发展,船舶流体动力学研究也取得了诸多前沿进展,并在各个领域得到了广泛的应用探索。
船舶流体动力学的基本原理是研究船舶在水中运动时,水流与船体之间的相互作用。
这包括水流对船体的阻力、升力、漩涡的产生和消散,以及船舶运动引起的水流变化等。
这些相互作用直接影响着船舶的性能,如速度、稳定性、操纵性和燃油效率等。
在过去的几十年里,计算流体动力学(CFD)技术的发展为船舶流体动力学研究带来了革命性的变化。
CFD 能够通过数值模拟的方法,对复杂的船舶流场进行精确的预测和分析。
它不仅可以大大减少物理模型试验的次数和成本,还能够在设计阶段就对船舶的性能进行评估和优化。
例如,在新船型的开发中,设计人员可以利用 CFD 技术对不同的船体形状和结构进行模拟,快速筛选出最优的设计方案。
另一个重要的前沿进展是多相流研究。
船舶在航行过程中,经常会遇到气泡、水雾等多相流现象。
这些多相流会对船舶的阻力、噪声和结构强度产生影响。
通过深入研究多相流的特性和机理,我们可以更好地理解这些影响,并采取相应的措施来减少其负面影响。
例如,在船舶螺旋桨的设计中,考虑多相流的作用可以提高螺旋桨的效率和可靠性。
船舶流体动力学的研究在船舶设计领域的应用最为直接和显著。
通过对船舶流场的精确分析,设计人员可以优化船体的外形,减少阻力,提高船舶的航行速度和燃油经济性。
比如,采用流线型的船体设计可以降低水流的分离和漩涡的产生,从而减少阻力。
同时,对船舶的附体,如舵、螺旋桨等的优化设计,也能够提高船舶的操纵性和推进效率。
在船舶运营方面,船舶流体动力学的研究可以帮助船舶运营商制定更加合理的航行策略。
例如,根据不同的海况和水流条件,选择最佳的航速和航线,以降低燃油消耗和运营成本。
流体力学的发展现状一、引言流体力学是研究流体运动规律的一门学科,广泛应用于工程、地球科学、生物医学等领域。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括其研究内容、应用领域、技术发展等方面。
二、流体力学的研究内容1. 流体力学的基本概念流体力学研究的对象是流体,包括液体温和体。
其基本概念包括流速、压力、密度、黏度等。
流体力学的研究内容主要包括流体静力学、流体动力学和流体力学的数值摹拟等。
2. 流体静力学流体静力学研究静止流体的力学性质,主要涉及流体的压力分布、浮力、大气压、液体压力计等。
该领域的研究成果广泛应用于建造工程、水利工程等领域。
3. 流体动力学流体动力学研究流体的运动规律,主要包括流体的速度分布、流速场、流量等。
该领域的研究成果广泛应用于飞行器设计、水力发电等领域。
4. 流体力学的数值摹拟随着计算机技术的发展,流体力学的数值摹拟方法得到了广泛应用。
数值摹拟可以通过数值计算方法来摹拟流体力学问题,如流体的流动过程、流体与固体的相互作用等。
这种方法能够准确预测流体力学问题的发展趋势,为工程设计提供重要参考。
三、流体力学的应用领域1. 工程领域流体力学在工程领域中有广泛应用,如飞行器设计、汽车气动性能优化、建造结构的风荷载分析等。
通过流体力学的研究,可以提高工程设计的安全性和效率。
2. 地球科学领域流体力学在地球科学领域中的应用包括气候摹拟、海洋环流研究、地下水流动摹拟等。
通过流体力学的分析,可以深入了解地球系统的运行规律,为环境保护和资源管理提供科学依据。
3. 生物医学领域流体力学在生物医学领域中的应用包括血液流动研究、心脏瓣膜仿真、呼吸系统摹拟等。
通过流体力学的研究,可以改善医疗设备设计,提高医疗效果。
四、流体力学的技术发展1. 数值摹拟方法的发展随着计算机技术的进步,流体力学的数值摹拟方法得到了快速发展。
基于有限元、有限体积等数值计算方法的摹拟软件不断更新,摹拟结果更加准确,计算速度更快。
2. 实验技术的改进实验技术在流体力学研究中起着重要作用。
流体力学的发展现状流体力学是研究流体运动和力学性质的学科,广泛应用于工程、地球科学、生物医学等领域。
本文将详细介绍流体力学的发展现状,包括研究领域、应用领域、技术进展和未来发展方向等内容。
一、研究领域1. 流体运动理论:流体力学研究流体在不同条件下的运动规律,包括流体的速度、压力、密度等参数的变化规律,以及与流体运动相关的力学性质。
2. 流体力学模拟:通过数值模拟和实验研究等方法,模拟和分析流体在不同条件下的运动行为,探索流体力学中的复杂现象和问题。
3. 流体力学实验:通过实验手段,观察和测量流体在不同条件下的运动特征,验证理论模型的准确性,并提供实验数据用于模拟和分析。
二、应用领域1. 工程应用:流体力学在工程领域的应用非常广泛,例如飞机、汽车、船舶等交通工具的设计与优化,石油、化工等工业过程的流体流动分析,水利、环境等领域的水流模拟等。
2. 地球科学:流体力学对地球大气和海洋的研究有着重要的意义,可以预测和解释气候变化、海洋环流等现象,为环境保护和资源开发提供科学依据。
3. 生物医学:流体力学在生物医学领域的应用主要涉及血液流动、呼吸系统、心脏病理等方面,可以帮助医生诊断疾病、设计医疗器械等。
三、技术进展1. 数值模拟方法:随着计算机技术的发展,数值模拟方法在流体力学中得到了广泛应用。
有限元法、有限体积法、拉格朗日方法等数值方法的发展,使得流体力学模拟更加准确和高效。
2. 实验技术:实验技术在流体力学研究中的地位依然重要。
随着测量技术的不断进步,如激光测速仪、高速摄影技术等,实验数据的获取和分析能力得到了大幅提升。
3. 多尺度模拟:多尺度模拟是流体力学研究的一个重要方向。
通过将微观和宏观的流体力学模型相结合,可以更好地解释和预测复杂流体现象,如湍流、相变等。
四、未来发展方向1. 多学科交叉:未来流体力学的发展将更加注重与其他学科的交叉,如计算机科学、材料科学、生物学等。
多学科的融合将推动流体力学研究的深入和应用的拓展。
流体构造动力学及其研究现状与进展徐兴旺,蔡新平,王杰,张宝林,梁光河.(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)摘要:流体构造动力学是介于流体地质学和构造地质学之间的一个重要前沿领域,主要研究由流体的温度和压力等物理状态及其变化、流体的迁移与运动和流体与岩石矿物发生化学反应等物理与化学过程所引起的构造作用和动力学机制,研究内容涉及流体与构造的关系、流体的构造作用方式、流体构造类型与动力学成因机制。
对流体构造动力学主要研究方向的研究成果进行了总结和回顾,介绍了流体构造动力学的一些研究进展,并指出流体是地壳运动、造山作用及岩石的褶皱和断裂等构造过程的重要参与者和组织者。
关键词:流体;构造;构造动力学;流体构造动力学。
随着流体与构造作用之间相互关系研究的深入开展,越来越多的地质学家意识到:流体的运动及其与围岩的相互作用也可导致岩石的破裂和变形、诱发新的构造作用,流体是一个重要的构造动力源和构造运动的发动机。
为了更好地促进流体构造作用研究的深入开展,我们认为有必要确立一个与之相对应的研究方向和分支学科,并称之为流体构造动力学。
本文简要介绍了其研究内容、研究现状与进展。
1流体构造动力学概述流体构造动力学(Tectonic Dynamics of Fluids)是介于流体地质学和构造地质学之间的交叉学科,是当今地球科学研究的前沿课题之一,其研究方向和研究内容包括基础理论和应用研究两部分。
流体构造动力学基础理论部分主要研究由流体自身物理状态(温度、压力和运动等)和化学组分与特性(酸碱度、氧逸度和溶解度)所引起的构造作用及其动力学过程,包括:①由流体的温度和压力等物理状态及其变化和流体的迁移与运动等物理过程所产生的构造作用和动力学过程;②由于流体化学组分的加入导致岩石矿物物理性质的变化和流体与岩石矿物发.生化学作用等所引起的构造作用和动力学过程。
其研究内容主要涉及流体与构造的关系、流体的构造作用方式、流体构造类型与动力学成因机制。
流体构造动力学应用研究指应用流体构造动力学的理论和研究成果直接或间接解决生产和生活所面临的难题。
目前应用较多的领域是石油井下开采、隐伏矿床(含油气)定位预测与地震滑坡等灾害预测。
石油井下开采过程所采用的水压致裂榨油技术就是根据流体液压致裂理论开展的。
流体构造动力学的研究工作从流体与岩石矿物相互作用过程所形成和保存于岩石矿物中的形变相变形迹的研究着手,划分形变相变形迹的类型、序次,研究形变相变形迹的空间分布规律和组构特征,借助于先进的测试分析手段研究形变相变形迹中的物理化学信息,进而反演流体的运动及其与岩石矿物相互作用和构造作用的动力学过程。
2流体与构造的关系构造与流体的相互作用是非常复杂和多方面的。
岩石矿物的压溶作用和物质再沉淀过程及其对变形的影响就是构造与流体相互作用的典型例子。
由压力作用造成矿物接触界面附近物质溶解的压溶作用(pressure solution)是岩石形变相变的重要过程[1],被溶解的物质在岩石-流体系统中通过颗粒边界通道发生扩散迁移[2,3],压溶作用及物质的再沉淀过程被认为是地壳变形的一种重要的流变机制[4,5], 称为压溶流变(pressu re-solution creep)或溶解迁移流变(solution-transfer creep)。
Shimizu[6]给出了石英矿物中压溶流变的动力学模型,他的计算结果显示,温度在150℃、250℃和350℃时石英质岩石处于变质状态下压溶流变的应变速率分别为每秒10-9~13、10-8~11和10-7~11。
构造对流体的作用可概括为4个方面:(1) 构造带,特别是断裂构造带,是流体的主要输导系统[7],是成矿流体运移的通道(channelways)和矿床定位的有利部位[8]。
(2) 在构造应力作用下,岩石矿物发生各种物理及化学变化,产生压实、压溶、应力溶蚀(s tress corrosion)、剪切、交代、重结晶等作用,致使岩石矿物释放出结晶时封存的流体或释放出矿物岩石的结晶水、晶间水和裂隙水[9~11],杨魏然等(1996)将这种由构造应力作用直接形成的流体称为构造流体。
例如,在逆冲推覆构造形成过程中,强烈的挤压作用将导致下盘地块岩石中孔隙水的挤出并通过剪切带进入上覆推覆体,通过推覆面的流体量可达4×109gm-2[12]。
(3) 构造变形过程,由于岩石矿物之间的相互作用和反应(如石英与白云石发生反应形成Ca -钙硅酸盐矿物如滑石、透闪石、透辉石、直闪石、硅辉石等),形成一些流体。
Tobisch 等[13]对花岗闪长岩向条带状糜棱岩转化过程成分变化的研究表明,随着韧性变形的增强,岩石中SiO2、CaO、FeO、Fe、Sr不断增加,而Na2O、K2O、FeO、MgO则减少,岩石中的流体不断增加。
(4) 构造变形导致构造带附近流体发生迁移并进入构造带,成矿元素于特定的构造部位聚集沉淀成矿。
Ledru等[8]认为剪切变形形成的张性空间和压力影是成矿流体的聚集空间,成矿物质富集沉淀的机制。
Roddy等[14]研究了美国亚利桑那州(Arizona)H arcuvar 山区伸展断层内的钾交代作用(K-metasomation)和矿化作用,断层内的钾被认为源于断层作用造成其上部盆地海水往下渗透和注入。
Newton[15]在讨论深部地壳的流体与剪切带关系时认为:深部大陆地壳正常情况下是缺失流体的;在构造作用(拉张、逆冲推覆和剪切)过程和构造作用之后,深部地壳将有大量流体聚集,并伴生多样的现象,如麻粒岩相变质作用(granulite-facies metamorphism)、剪切带碱性花岗岩(shear zone alkaline granites)、碳酸岩-煌斑岩-正长岩杂岩体(carbonatite-lamprophyre -syenite complexes)和不同类型的蚀变作用(包括区域碳酸盐化、花岗岩化等)。
Losh [16]研究了内华达(Nevada)地区斯内克岭(Snake Range)拆离断层(detachment)和Mor mon Peak 伸展断层带稳定同位素和流体特征,结果显示断层角砾岩、脉体和断层上部弱变形灰岩的氧同位素(δ18O‰)组成复杂,可能成因于伸展断层活动过程断层上部地势较高地区的水往下注入断层并形成快速水流,或由于地热梯度引起断层上盘水流体对流的结果,这种对流在变形过程得到强化和稳定,给出的模型计算出伸展断层活动过程其中流体流的流速为 1 700~11 000 kg/cm2。
即断层活动可导致断层上部岩石中的水注入断层并形成快速流。
3流体构造作用方式由流体的温度和压力等物理状态及其变化和流体的迁移与运动等物理过程所产生的构造作用,其作用方式主要有:.(1) 高压流体对围岩的压裂和爆裂作用。
Hubbert等[17]提出的水压致裂理论认为:岩石中存在许多封闭的破裂、节理,破裂和节理部分的切过孔隙,这些间隙范围内岩石的强度系数可能接近于0;要保持间隙区内岩石不发生破裂,孔隙内的流体压力必需低于最小应力,一旦流体压力高于该最小应力值时,在破裂的尖端将出现张应力集中,破裂迅速地扩展和生长。
当高压气液流体的压力突然发生变化(降低)时,气液流体将发生爆炸,形成爆发角砾岩或侵入角砾岩[18~30],其成因模式有流化作用(fluid izatation)[31]、岩浆气化爆破(phreatomagmatic explosions)[32]、能量释放导致的爆破(explosions induced by energy release )[33]和流体温压双重致裂(fluids double-fracturing)[34,35]等。
角砾岩筒是一些金属和贵金属矿产(如金刚石、铜、钼、金、银、锡、铀、铅和锌等)的重要容矿构造。
Fyfe等[36]认为地壳深部高的水压可导致断层的形成。
Davies等[37]认为高压流体可导致岩石中先存断裂的张开,并诱发地震的产生。
(2) 流体的运动导致变形构造的形成。
岩浆体从深部往上运动和侵位时,可使围岩发生变形,形成褶皱和断裂构造[38,39]。
钱维宏[40]认为全球构造的形成与地球内部流体运动有关。
流体运动还可引发地震,如水库诱发地震就起因于水库蓄水而导致地下水动态异常[41]。
(3) 流体及流体压力对岩石变形的影响。
Hubbert和Rubey(1959)较早地注意到流体压力对逆冲推覆断层力学成因机制的作用,流体超压在逆冲推覆构造的运动中起到气垫托的作用[42]。
Hobbs[43]曾系统回顾了变质环境(温度、压力和流体)对矿物变形的影响,不同化学组分的流体与温度压力一起控制矿物点缺陷的集中和活动。
Rutter [44]对温度、应变速率和裂隙水对钙质岩石变形影响的实验研究结果显示,在温度20~500 ℃范围内水的孔隙压力对卡拉拉(Carrara)大理岩的变形影响不大,而在常温下孔隙水对Solnhofen大理岩的变形具软化的作用,但这种软化作用在高温下将变得非常有限。
流体的孔隙压力还控制着岩石的变质过程,影响熔融作用的速率和深度。
(4) 流体作为润滑剂可降低岩石矿物颗粒间的摩擦系数[45],利于颗粒的粒间滑移,促进岩石的韧性变形和剪切带的发展[15]。
(5) 流体相变过程体积改变将产生并积聚构造应力,对围岩发生作用并使岩石致裂。
如岩浆的结晶过程,液态水的结冰固化都将导致系统体积的膨胀,产生构造应力,形成断裂和节理构造。
许多岩浆岩体周边一些断裂构造的形成可能就与此有关。
Burnham(1980)对岩浆熔体结晶过程体积及机械能的改变与断裂强度的关系进行了较系统的研究,结果表明,当含水2.7%的花岗质熔体在2 km深处全部结晶时,体积将膨胀近50%,所积聚的内压可高达几千万个kPa,远大于岩石的强度[46]。
Mueller等[47]在讨论晶体与熔体的平衡时,也注意到体系相变过程体积的变化,给出了钠长石和钙长石结晶过程体积的变化量为9.0 cm3/mol和2.5 cm3/mol。
(6) 流体的热应力致裂与热干挠作用。
流体热应力致裂作用并形成一系列破裂构造,是自然界的一种重要破裂机制[48],近年来已引起许多地质学家的注意。
山东七宝山角砾岩筒的形成就与流体热应力的作用密切相关[34,35]。
热干扰现象是在研究新疆鄯善县蚂蟥沟金矿床石英脉与其附近的泥质片岩的关系时发现的,该片理已明显的被挠乱而形成无序的块状体。
热干挠的范围和流体与围岩之间热状态的差异程度有关。
由于流体化学组分的加入导致岩石矿物物理性质的变化以及流体与岩石矿物发生化学作用等所引起的构造作用,其作用方式主要有:(1) 流体与岩石矿物相互作用和变质反应,形成新的易于变形的片状或细粒状矿物,强化岩石的韧性和塑性。