Transport phenomena in hydrothermal systems : the redistribution of chemical components around cooling magmas

Résumé En Fr

Numerical analogs of the processes which redistribute chemical components in cooling magma environments simulate the dynamics of hydrothermal systems and provide a basis for interpreting data on modern and fossil systems. These simulation techniques are based on partial differential equations which represent the concentration change in any extensive variable with respect to time as a function of advective and molecular transfer. Numerical approximation of these equations then permits calculation, with modern, high-speed large memory computers, of transport phenomena for multicomponent-multiphase systems. First approximations to these equations have been made for geologic environments analogous to the porphyry copper systems, and they indicate the general style of processes in hydrothermal systems. Magmas emplaced into the upper crust change stress conditions sufficiently to cause extensive and systematic rock failure by fracture. Abundance and style of fractures depends on the composition of the magma. Mechanical energy associated with magma crystallization, differential thermal expansion of host rocks, magma, and pore fluids develops stress conditions which exceed rock strength throughout the crystallization and cooling history of the pluton. The resulting fractures are sufficient and necessary to develop hydrothermal circulation systems since the fluid potential is an inevitable consequence of magma intrusion, but for significant amounts of fluid flow permeabilities greater than 10-14 cm2 are required. Fluid circulation and conductive heat transfer produce temperature, pressure, and fluid flux conditions in the environments, and are the fundamental causes of mineral alteration reactions and the gains and losses in chemical components. Source regions for aqueous solutions are restricted to permeable portions of the host and pluton ; solutions from these sources flow along pathlines through the system where reactions occur between rocks and fluid. The net rate of change in chemical compositions is caused by perturbations in pore fluid compositions, the result of advection, intergranular diffusion, and both equilibrium and nonequilibrium reactions. Mass transport styles in the pluton, porphyry-copper zone, maintain equilibrium at temperatures > 400° C, but at lower temperatures advective rates are large and overall non-equilibrium between original rock minerals and solutions are generally noted. The latter conditions are also typical of the high permeability portions of the lithocap and skarn zones. Components which are concentrated around and within the fractured plutons are derived from source-regions, which include all rock types in the system whose permeabilities exceed 10-14 cm2. These components are advected from these sourceregions along fluid pathlines to the location where reaction between fluid and minerals causes deposition of alteration mineral phases. The extent of nonequilibrium reactions along the flow path determines the relative involvement of a component over its background concentration. Data that defines temperature, pressure, and fluid compositions at numerous relative ages of fossil and modern hydrothermal systems is required to improve the quality of numerical analyses of these systems. These types of data also permit estimates of transport parameters, such as permeability, to be made, if all other initial conditions are well defined.

La simulation numérique des mécanismes qui redistribuent les constituants chimiques dans l'environnement d'intrusions magmatiques en voie de refroidissement permet d'approcher la dynamique des systèmes hydrothermaux et fournit des bases pour l'interprétation de systèmes actuels et fossiles. Les techniques de simulation sont basées sur les équations aux différentielles partielles correspondant aux modifications de concentration avec le temps et en fonction des transferts de masse. Les approximations numériques de ces équations permettent alors, grâce à l'utilisation d'ordinateurs modernes à grande vitesse et grande capacité de mémoire, de calculer les phénomènes de transport pour des systèmes multi-constituants-multiphasés. Les premiers essais effectués sur des environnements du type porphyres cuprifères donnent le style général des mécanismes dans les systèmes hydrothermaux. Les magmas qui se mettent en place dans la croûte supérieure modifient suffisamment le régime des contraintes pour entraîner une fracturation importante et systématique des roches. L'abondance et le type des fractures dépend de la composition du magma. L'énergie mécanique associée à la cristallisation du magma, la dilatation différentielle des roches encaissantes du magma et des fluides présents dans les pores entraînent des contraintes qui excèdent la résistance mécanique des roches tout au long de la cristallisation et du refroidissement du pluton. Les fractures résultantes sont nécessaires et suffisantes pour permettre une circulation hydrothermale : en effet, la présence de fluide est une conséquence inévitable de l'intrusion magmatique ; toutefois, des perméabilités supérieures à 10-4cm2 sont nécessaires à l'existence d'un débit significatif. La circulation fluide et le transfert de chaleur par conduction conditionnent la température, la pression et le flux de fluide dans l'encaissant ; ces grandeurs sont à leur tour les causes essentielles des réactions d'altération et des échanges chimiques. Les zones d'origine des solutions aqueuses sont limitées aux portions perméables des formations encaissantes et du pluton. Ces solutions se déplacent ensuite selon des cheminements à travers le système, tout en réagissant avec les roches. Le taux net d'échanges chimiques dépend des perturbations dans la composition des fluides des pores, de l'advection, de la diffusion intergranulaire, ainsi que des réactions réversibles et irréversibles. Dans un tel système, le style des transferts de masse est tel que, dans la zone de type porphyre cuprifère (pluton et son environnement immédiat), l'équilibre prévaut pour des températures supérieures ou de l'ordre de 400° C. En dessous, le déséquilibre entre roches originelles et solutions devient la règle. Ce dernier cas est aussi typique des parties très perméables des «zone du lithocap » et «zone des skarns ». Les constituants concentrés dans et autour des intrusions fracturées proviennent des zones d'origine des solutions, c'est-à-dire de toutes les formations du système dont la perméabilité dépasse 10-14 cm2. Ces constituants sont transportés par les fluides depuis leur lieu d'origine jusqu'à ce que les réactions entre fluides et minéraux causent la précipitation des produits de réaction. L'importance des réactions irréversibles le long du «chenal » conditionne la participation relative d'un constituant à des concentrations supérieures à sa concentration «normale ». Des données concernant température, pression, composition des fluides aux différentes étapes de l'évolution de systèmes anciens et modernes sont nécessaires pour améliorer la qualité de la simulation numérique. Ce type de données permet également d'estimer certains paramètres de transport tels que perméabilité, dès que toutes les autres conditions initiales sont bien définies.