Modélisation numérique couplée hydro-thermale et probabilité de minéralisation : nouveaux apports

Modélisation numérique couplée hydro-thermale et probabilité de minéralisation : nouveaux apports

De nouveaux modèles numériques de circulations de fluides autour de plutons ont été réalisés dans cette étude. Cette modélisation par éléments finis couple les équations de transfert de la chaleur à la loi de Darcy par un jeu de grandeurs et paramètres physiques entièrement interdépendants. Cependant, afin de bien résoudre les questions liées à l’hydrodynamisme de tels systèmes, ces modèles restent simples et axés sur la seule physique des écoulements : les fluides multiphasés, la diffusion chimique, la topographie et la production de fluides par les magmas ne sont pas simulés.Les innovations principales sont les suivantes : i) la perméabilité varie de façon continue avec la profondeur suivant une loi puissance. Aucune discrétisation n’a donc été nécessaire ; ii) les modèles sont transitoires et permettent un pas de temps précis ainsi que l’étude du flux de fluide pendant la mise en place de l’intrusion, et pas seulement pendant la phase de refroidissement ; iii) les simulations mettent un jeu de grands plutons mis en place dans une section de croûte continentale atteignant la profondeur de 24 km. Ceci permet d’explorer des plutons asymétriques ainsi que la zone sous l’intrusion ; iv) A notre connaissance, pour la première fois dans ce type de modélisation péri-plutonique, des modèles 3D ont été calculés avec succès aboutissant à des résultats importants.

 Le rôle de la profondeur d’emplacement du pluton

 La perméabilité des roches encaissantes est liée dans les modèles étudiés à la profondeur. La profondeur d’emplacement du pluton joue donc un rôle fondamental en modifiant fortement l’hydrodynamique classique à deux cellules de convection connues pour les plutons supracrustaux depuis les études pionnières sur ce sujet. Les plutons mis en place à une profondeur supérieure à 10 km n’induisent pas d’advection significative, le transfert de chaleur est exclusivement conductif. Ceci est cohérent avec le peu d’altération hydrothermale observée autour de plutons mis en place à la limite ductile fragile de la croûte continentale. Pour des profondeurs d’emplacement inférieures à 4.5 km, le seuil de perméabilité de 10-16 m 2 est atteint et des cellules de convection de second ordre induisent des zones de décharge supplémentaires propices au dépôt de phases minérales. Autour de ces plutons peu profonds, d’importantes augmentations des vitesses sont reconnues (deux ordres de grandeur). Il apparaît également que la zone sous jacente au pluton est peu favorable, ce qui est cohérent avec le peu de gisements de ce type localisés en base d’intrusion.

Les effets de la géométrie du pluton et des apex

 Pour des volumes équivalents de magma, les formes de pluton tabulaires (laccolithe) engendrent des zones de forte probabilité de minéralisation bien plus étendues que celles induites par d’autres géométries de pluton. Cette zone favorable occupe une large surface dans les roches encaissantes au-dessus du laccolithe. Les apex de faible hauteur de pluton mis en place profondément jusqu’à 8 km n’engendrent aucun effet sur l’hydrodynamique autour du corps magmatique. Par contre, des apex très longs, qui atteignent des zones au dessus du seuil de perméabilité, provoquent des changements importants dans la circulation des fluides. Ces grands apex, similaires aux intrusions de type porphyres, re-localisent et focalisent les cellules de convections autour d’eux plutôt qu’autour du pluton parent principal. Ce point doit avoir des conséquences importantes dans la genèse des porphyres cuprifères.

Le rôle des zones de haute perméabilité : les auréoles fracturées et les failles.

 A l’inverse des apex courts, les auréoles thermiques fracturées jouent un rôle important sur la distribution des zones favorables de minéralisation autour des plutons intermédiaires à profonds.Ces auréoles fracturées restreignent et localisent fortement le flux des fluides et les zones favorables aux bordures et surtout aux coins des intrusions. Il est remarquable que pour les cas naturels de gisements d’or associés à des granites, ces « coins » de pluton sont effectivement riches en minéralisation. Les détachements extensifs synchrones de la mise en place d’un pluton (cas classique dans les « metamorphic core complexes » pendant l’extension post orogénique) sont capables de changer drastiquement la distribution des fluides autour du pluton. Ces failles plates sont très « efficaces » pour pomper les fluides mis en mouvement par convection thermique et localiser des zones probables de minéralisation. C’est une différence importante avec les failles à fort pendage. 

La thermo-chronologie et le lien génétique de l’intrusif dans le processus de minéralisation. 

Tout d’abord, pour de grands pluton souvent mis en place par injections successives depuis les zones d’alimentation, la phase de refroidissement n’est pas la phase de convection maximale des fluides de l’encaissant. L’advection de chaleur et les zones les plus probables de minéralisation peuvent se mettre en place légèrement avant ou pendant la phase de température maximum dans le pluton (i.e. avant que le magma ne cristallise complètement). De plus, pour des intrusions de la croûte supérieure, les conditions physiques favorables pour une précipitation minérale se réalisent pendant un court laps de temps encadrant la phase de température maximale du pluton. C’est pourquoi nous pensons que, malgré le manque d’arguments chimiques (e.g. haute salinité dans les inclusions fluides), les gisements aurifères associés à des granites peuvent s’expliquer d’un point de vue hydrodynamique par les seules convections hydrothermales induites lors de la mise en place du magma granitique. Dans ce cas le granite a bien un rôle génétique, sa chimie (granite de type réduit souvent) pouvant éventuellement contribuer à fournir les éléments utiles. Cependant, le volume d’encaissant lessivé par les fluides convectifs est tel que (importante altération hydrothermale, métasomatose…) pour certaines concentrations minérales peri-granitiques (e.g. Pb, Zn), la contribution de l’intrusif pourrait se réduire uniquement à son rôle thermique (déclenchement des cellules hydrothermales). 6. Un cas naturel spécifique : le système W-Au associé au granite de Tighza (Maroc central) Le pluton de Tighza offre un vrai défi pour améliorer la compréhension du rapport entre l’intrusion et la minéralisation aurifère. Précédemment, des études détaillées ont été faites au  

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