Numerical investigation of transient hydrothermal processes around intrusions

Les circulations de fluides autour des intrusions magmatiques ont été évaluées par modélisation numérique couplant circulation de fluide et transfert de chaleur. Ce travail rend compte de modèles physiques simples qui ne simulent pas i) les fluides polyphasés ; ii) la diffusion chimique, iii) la topographie, iv) l’entrée dans le système d’eaux météoriques ou magmatiques. Néanmoins, l’originalité de notre modélisation par rapport aux travaux préexistants repose sur les points suivants : i) la perméabilité varie de façon continue avec la profondeur (loi puissance) ; ii) les modèles ont été élaborés en tenant en compte de la période de mise en place de l’intrusion ; iii) un nouvel index de probabilité de précipitation minérale a été établi et cartographié sur les modèles (R2AI) ; iv) de nombreuses de situations géologiques naturelles ont été testées. Elles présentent des différentes profondeurs d’emplacement, des zones de perméabilité élevée (auréoles thermiques fracturées, failles), ainsi que des géométries de pluton complexes avec des apex ; v) la zone en dessous de pluton a été explorée.

Les conditions physiques favorables pour la minéralisation sont atteintes autour de plutons mis en place dans la croûte moyenne, pendant une durée courte centrée sur la phase la plus chaude de l’intrusion. Nous proposons que, même si les arguments chimiques sont absents pour démontrer un rôle génétique de l’intrusion, la circulation de fluides induite par la seule mise en place de magma, joue un rôle fondamental dans la genèse des gisements d’or associés aux intrusions. En ce sens, le lien génétique entre intrusion et minéralisation est fort. Par ailleurs, la formation de ce type de gisements aurifère est grandement favorisée par l’occurrence d’une auréole thermique fracturée autour de l’intrusion. Fluid flow around plutons has been extensively studied, traced and modeled within contact aureoles. Hydrodynamics around intrusions has also been assessed through 2D heuristic and finite element modeling, where heat transfer, mass transport and chemical alteration are dominant processes. Spatial distribution of ore deposits around plutonic rocks reveal particular interactions between heat transfer and fluid flow near and within contact aureoles (e.g. Gow et al., 2002). However, circulation of hot and variably pressurized fluid in the first upper kilometers of the crust is not easily predictable since rock and fluid properties may show large and time- or depth-dependent variations within such geological systems. For instance, ongoing deformation reduces effective stress and mineral reactions which are susceptible to change the host rock permeability during metamorphism (Cui et al., 2001). Thus, transient phenomena have to be considered when fluid flow around plutons is investigated. The host rock permeability presents a threshold from which heat dissipation during cooling of the system is achieved by fluid advection rather than by conduction.

Values of this threshold for homogenous country rocks span a 10-16-10-18 m2 interval (Norton and Knapp, 1977; Norton and Knight, 1977; Gerdes et al., 1998; Cui et al., 2001) , which is easily reached at a few kilometers depth (e.g. Ingebritsen and Manning, 1999). Moreover, hot plutons create density gradients and induce long-lived (>105 years after rapid magma emplacement) large- scale regional flows in the country rocks (Cathles, 1977; Norton and Knight, 1977; Cook et al.,1997). As a consequence, it was suggested that these heated fluids are responsible for development of large convective cells around the intrusion. Norton and Knight (1977) quantified a very large amount of fluid involved in convective cells far from the pluton. Expulsion of magmatic brines from intrusion increases fluid salinities and thus enhances buoyancy forces. However, production of magmatic and metamorphic fluids constitutes a pressure-driven force that interacts with buoyancy forces. Taking into account the fluid production, models of Hanson (1992), Hanson (1995) and Manning and Ingebritsen (1999) show that below a critical permeability threshold of 10-16 m2, fluid production forces trigger supra-hydrostatic fluid pressures and dominate density-driven forces. Sophisticated numerical models integrating fluid production, layered and transient permeabilities during chemical reaction emphasize the complexity and the partitioning of the flow pattern (Cui et al., 2001). This complex pattern of flow is confirmed by works on metamorphic mineral reactions and stable light isotopes distribution around natural aureoles (Ferry and Dipple, 1992; Nabelek and Labotka, 1993.