Controlli idrologici sulla precipitazione dei metalli vili e zonazione del porfido

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3786 (2023) Citare questo articolo

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La precipitazione del minerale nei sistemi di rame-porfido è generalmente caratterizzata dalla zonazione del metallo (da Cu–Mo a Zn–Pb–Ag), che si suggerisce sia correlata in modo variabile alla diminuzione della solubilità durante il raffreddamento del fluido, alle interazioni fluido-roccia, alla partizione durante la separazione e miscelazione della fase fluida con fluidi esterni. Qui presentiamo i nuovi progressi di un modello di processo numerico considerando i vincoli pubblicati sulla solubilità dipendente dalla temperatura e dalla salinità di Cu, Pb e Zn nel fluido minerale. Investigheremo quantitativamente il ruolo della separazione vapore-salamoia, della saturazione dell'alogeno, del contenuto iniziale di metalli, della miscelazione e della rimobilizzazione dei fluidi come controlli di primo ordine dell'idrologia fisica sulla formazione del minerale. I risultati mostrano che le fasi di vapore magmatico e salamoia salgono con tempi di residenza diversi ma come miscele di fluidi miscibili, con aumenti di salinità che generano fluidi sfusi sottosaturi di metalli. I tassi di rilascio dei fluidi magmatici influenzano la posizione dei fronti termoalini, portando a meccanismi contrastanti per la precipitazione del minerale: tassi più elevati determinano una saturazione di salgemma senza una significativa zonazione del metallo, tassi più bassi producono gusci di minerale zonati a causa della miscelazione con l'acqua meteorica. La variazione del contenuto di metallo può influenzare l'ordine della sequenza finale di precipitazione del metallo. La ridiscioglimento dei metalli precipitati dà luogo a modelli di gusci di minerale suddivisi in zone in posizioni più periferiche e disaccoppia anche la saturazione di salgemma dalla precipitazione del minerale.

I sistemi di rame porfido rappresentano le nostre principali risorse per la fornitura globale di Cu e contengono inoltre un'ampia varietà di altri metalli di qualità economica o subeconomica1. La precipitazione del minerale nei sistemi magmatico-idrotermali incentrati sul porfido produce generalmente modelli di zonizzazione dei metalli di base che passano verso l'alto e verso l'esterno dal Cu-Mo prossimale allo Zn-Pb-Ag distale, con estensioni laterali variabili fino a 8 km1,2. Studi sperimentali e modelli termodinamici indicano che il raffreddamento dei fluidi magmatici accompagnato dall'interazione fluido-roccia è un controllo di primo ordine sui modelli di precipitazione e zonazione dei metalli, risultante dalle diverse solubilità dei rispettivi metalli lungo i percorsi dei fluidi3,4. I tempi e il ruolo dell'incursione di fluidi esterni per la formazione del minerale sono dibattuti, con alcuni studi che indicano che la miscelazione dei fluidi potrebbe già avvenire durante la mineralizzazione primaria e/o che la successiva circolazione può causare la ridistribuzione del metallo5,6,7,8.

Metalli come Cu, Pb e Zn nei sistemi di porfido vengono trasportati prevalentemente da fluidi idrotermali come complessi di cloruro a temperature elevate e condizioni piuttosto acide9,10. I dati sull'inclusione dei fluidi suggeriscono che i fluidi che escono dalle intrusioni granitiche a granodioritiche nella crosta superiore producono salinità di massa comprese tra il 5 e il 15% in peso di NaClequiv11. A seconda della salinità del fluido, della temperatura, della pressione e del contenuto di metalli del magma parentale, il contenuto di metalli del fluido magmatico primario monofase varia tra 20 e 20.000 ppm Cu (media 2660 ppm), 10 e 4500 ppm Pb (media 330 ppm ), nonché 20 e 6500 ppm di Zn (600 ppm)12.

Questo fluido primario espulso dalla fase magmatica si separa durante la risalita a causa della decompressione in un vapore a bassa salinità e una fase liquida ipersalina (salamoia). Le analisi delle inclusioni fluide e gli studi sperimentali mostrano che i metalli di base come Cu, Pb e Zn si ripartiscono preferenzialmente nella fase salamoia13, con l'apparente partizione del Cu nella fase vapore che ora viene spiegata come un artefatto dovuto alla diffusione post-intrappolamento nelle inclusioni di vapore14,15. Tuttavia, i rispettivi ruoli delle fasi vapore e salamoia per la mineralizzazione nei sistemi di porfido Cu rimangono dibattuti, poiché considerazioni sul bilancio di massa suggeriscono che la separazione di fase in profondità produce quantità maggiori di vapore rispetto alla salamoia16,17 e parte della fase vapore ascendente può condensare in una fase liquida durante la risalita e il raffreddamento18,19,20. Le prove geofisiche e la modellazione numerica suggeriscono inoltre che le lenti della salamoia si formano sotto i vulcani attivi e dormienti21, il che ha ispirato l'ipotesi che questi fluidi ipersalini ricchi di metalli con contenuti di Cu fino a 7000 ppm immagazzinati in profondità possano avere un potenziale economico22. Tuttavia, non è noto se tali accumuli di salamoia siano caratteristiche di lunga durata o piuttosto transitorie, poiché entrambi gli scenari sono permissivi in diverse configurazioni nelle simulazioni numeriche22,23.

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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