Contrôles hydrologiques sur les précipitations de métaux communs et zonage au porphyre

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3786 (2023) Citer cet article

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La précipitation du minerai dans les systèmes porphyriques de cuivre est généralement caractérisée par un zonage métallique (Cu-Mo à Zn-Pb-Ag), qui est suggéré comme étant variablement lié aux diminutions de solubilité pendant le refroidissement du fluide, aux interactions fluide-roche, à la partition pendant la séparation et le mélange des phases fluides. avec des fluides extérieurs. Nous présentons ici les nouvelles avancées d'un modèle de processus numérique en considérant les contraintes publiées sur la solubilité du Cu, du Pb et du Zn, dépendante de la température et de la salinité, dans le fluide minéralisé. Nous étudions quantitativement les rôles de la séparation vapeur-saumure, de la saturation des halites, de la teneur initiale en métaux, du mélange des fluides et de la remobilisation en tant que contrôles de premier ordre de l'hydrologie physique sur la formation du minerai. Les résultats montrent que les phases magmatiques de vapeur et de saumure montent avec des temps de séjour différents mais sous forme de mélanges de fluides miscibles, la salinité augmentant générant des fluides en vrac sous-saturés en métaux. Les taux de libération des fluides magmatiques affectent l'emplacement des fronts thermohalins, conduisant à des mécanismes contrastés de précipitation du minerai : des taux plus élevés entraînent une saturation de l'halite sans zonage métallique significatif, des taux plus faibles produisent des coquilles de minerai zonées en raison du mélange avec l'eau météorique. Des teneurs variables en métaux peuvent affecter l’ordre de la séquence finale de précipitation des métaux. La redissolution des métaux précipités entraîne des configurations de coquilles de minerai zonées dans des emplacements plus périphériques et dissocie également la saturation des halites de la précipitation du minerai.

Les systèmes de cuivre porphyrique constituent nos principales ressources pour l’approvisionnement mondial en Cu et contiennent en outre une grande variété d’autres métaux à des qualités économiques ou sous-économiques1. Les précipitations de minerai dans les systèmes magmatiques-hydrothermaux centrés sur les porphyres produisent généralement des modèles de zonage des métaux de base qui font une transition vers le haut et vers l'extérieur du Cu-Mo proximal au Zn-Pb-Ag distal, avec des étendues latérales variables allant jusqu'à 8 km1,2. Des études expérimentales et une modélisation thermodynamique indiquent que le refroidissement des fluides magmatiques accompagné d'une interaction fluide-roche constitue un contrôle de premier ordre sur les modèles de précipitation et de zonation des métaux, résultant de différentes solubilités des métaux respectifs le long des voies fluides. Le moment et le rôle de l'incursion de fluides externes dans la formation du minerai sont débattus, certaines études indiquant que le mélange de fluides peut déjà se produire pendant la minéralisation primaire et/ou qu'une circulation ultérieure peut provoquer une redistribution des métaux5,6,7,8.

Les métaux tels que Cu, Pb et Zn dans les systèmes porphyriques sont principalement transportés par les fluides hydrothermaux sous forme de complexes de chlorure à des températures élevées et dans des conditions plutôt acides9,10. Les données sur les inclusions fluides suggèrent que les fluides s'exsolvant des intrusions granitiques à granodioritiques dans la croûte supérieure produisent des salinités globales de 5 à 15 % en poids de NaClequiv11. En fonction de la salinité du fluide, de la température, de la pression et de la teneur en métaux du magma parental, les teneurs en métaux du fluide magmatique primaire monophasé varient entre 20 et 20 000 ppm de Cu (moyenne 2 660 ppm), 10 et 4 500 ppm Pb (moyenne 330 ppm). ), ainsi que 20 et 6 500 ppm de Zn (600 ppm)12.

Ce fluide primaire exsout de la phase magmatique se sépare lors de la remontée en raison de la décompression en une phase de vapeur à faible salinité et une phase de liquide hypersalin (saumure). Les analyses d'inclusions fluides et les études expérimentales montrent que les métaux communs comme le Cu, le Pb et le Zn se répartissent préférentiellement dans la phase saumâtre13, la répartition apparente du Cu dans la phase vapeur étant désormais expliquée comme un artefact dû à la diffusion post-piégeage dans les inclusions de vapeur14,15. Cependant, les rôles respectifs des phases vapeur et saumure pour la minéralisation dans les systèmes porphyriques de Cu restent débattus, car les considérations de bilan de masse suggèrent que la séparation des phases en profondeur produit de plus grandes quantités de vapeur que la saumure16,17 et qu'une partie de la phase vapeur ascendante peut se condenser en un phase liquide pendant la montée et le refroidissement18,19,20. Les preuves géophysiques et la modélisation numérique suggèrent en outre que des lentilles de saumure se forment sous les volcans actifs et endormis21, ce qui a inspiré des propositions selon lesquelles ces fluides hypersalins riches en métaux avec des teneurs en Cu allant jusqu'à 7 000 ppm stockés en profondeur pourraient avoir un potentiel économique22. Cependant, on ne sait pas si ces accumulations de saumure sont des caractéristiques de longue durée ou plutôt transitoires, les deux scénarios étant permissifs dans différentes configurations de simulations numériques22,23.

400 °C and salinities > 40 wt% NaClequiv as they are not yet constrained by the data from Kouzmanov and Pokrovski12. For the time being, we use extrapolations to higher temperatures and salinities with this parameterization, which leads to higher solubilities in these ranges and is generally in line with other studies on Cu contents in hydrothermal fluids14. However, metal precipitation is expected to rather occur within the data range covered in Kouzmanov and Pokrovski12. Metals are completely dissolved in the fluid phases if \({c}_{t}\le {c}_{metal}(T,x)\) and metals are precipitated when \({c}_{t}>{c}_{eq}(T,x)\). The capacity to form sulfide minerals typical for porphyry systems (e.g., Cu: chalcopyrite, bornite, chalcocite; Pb: galena; Zn: sphalerite) would depend on sulfur availability and other chemical parameters such as pH and redox, which cannot be resolved here./p> 0.7) under near-lithostatic pressures, the fluids separate into a low-salinity, low-density vapor and a high-salinity, high-density brine phase. This region is characterized by elevated bulk salinities between 30 and 50 wt% NaCl (Fig. 2b, e), low Cu saturation (Fig. 3a, c), but relatively high Cu contents (Fig. 3b, d). Even though the Cu content increases due to preferential partitioning into the brine phases, the bulk Cu saturation is reduced because metal solubilities are not linearly correlated with salinity (Fig. 1). The spatial extent of the two-phase region is smaller in simulation 1 (Fig. 3a, b) than in simulation 2 (Fig. 3b, d)./p>

0.9 (dark red; Fig. 5d). In contrast, at initial fluid contents of 330 ppm, Pb has a rather moderate ratio because of the partial overlap with the Cu and Zn shells and is located proximal to the Cu zone (Fig. 5c). Initial Pb contents of 33 ppm result in low ratios located more distal to the Cu zone (Fig. 5d)./p> 0.5 kg/m3 of the total rock metal contents is displayed for simulation 4 (Fig. 7a) and 5 (Fig. 7b). Both simulations exhibit a zonation pattern from Cu to Pb to Zn. The highest total metal contents are found on and beneath the intersection of the Cu and Pb shells (Fig. 7a, b), while areas overlain by the related Zn shells yield lower values (Fig. 7a, b). The Pb and Zn ore shells are discontinuous and thickened at their outermost parts, whereas the corresponding Cu shell is continuous and rather stretched down to greater depths along the flanks (Fig. 7a). In contrast, the Zn ore shell of simulation 5 is discontinuous and peripheral precipitates are rather oriented to shallower depths, whereas the Cu and Pb shells are continuous and regularly formed (Fig. 7b)./p> 10% to the overall fluid budget (Fig. 3a). Our simulations indicate that meteoric water incursion is generally necessary as a cooling and diluting fluid component for the hydrothermal systems. Progressive fluid mixing along the porphyry-epithermal transition is in line with interpretations of modern stable isotope studies, but the modelled amount of meteoric water incursion required for base metal precipitation generally exceeds their estimates3. The modeled sequence of base metal precipitations (Cu–Pb–Zn) follows the parameterization of metal solubilities used for this study and is also detectable in natural ore bodies41, especially when considering the strong overlap of the Pb–Zn mineralized zones2,42,43. Other porphyry-related base metal deposits show a zonation from Cu to Zn to Pb, which is more common1,6,44 and could be reproduced if the initial fluid is Pb-poor./p>

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