Hydrologische Kontrollen der Grundmetallausfällung und Zoneneinteilung im Porphyr

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3786 (2023) Diesen Artikel zitieren

1007 Zugriffe

2 Zitate

Details zu den Metriken

Eine Autorenkorrektur zu diesem Artikel wurde am 8. Mai 2023 veröffentlicht

Dieser Artikel wurde aktualisiert

Die Erzausfällung in Porphyr-Kupfer-Systemen ist im Allgemeinen durch Metallzonierung (Cu-Mo bis Zn-Pb-Ag) gekennzeichnet, die vermutlich in unterschiedlichem Zusammenhang mit der Abnahme der Löslichkeit während der Flüssigkeitskühlung, den Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Gestein und der Aufteilung während der Phasentrennung und -mischung der Flüssigkeit steht mit externen Flüssigkeiten. Hier stellen wir neue Fortschritte eines numerischen Prozessmodells vor, indem wir veröffentlichte Einschränkungen der temperatur- und salzgehaltabhängigen Löslichkeit von Cu, Pb und Zn in der Erzflüssigkeit berücksichtigen. Wir untersuchen quantitativ die Rolle der Dampf-Sole-Trennung, der Halitsättigung, des anfänglichen Metallgehalts, der Flüssigkeitsmischung und der Remobilisierung als Kontrollen erster Ordnung der physikalischen Hydrologie bei der Erzbildung. Die Ergebnisse zeigen, dass die magmatischen Dampf- und Solephasen mit unterschiedlichen Verweilzeiten aufsteigen, jedoch als mischbare Flüssigkeitsmischungen, wobei der Salzgehalt zunimmt und metalluntersättigte Massenflüssigkeiten entstehen. Die Freisetzungsraten magmatischer Flüssigkeiten beeinflussen die Lage der thermohalinen Fronten und führen zu gegensätzlichen Mechanismen der Erzausfällung: Höhere Raten führen zu einer Halit-Sättigung ohne nennenswerte Metallzonierung, niedrigere Raten erzeugen zonierte Erzschalen aufgrund der Vermischung mit meteorischem Wasser. Unterschiedliche Metallgehalte können die Reihenfolge der endgültigen Metallausscheidungssequenz beeinflussen. Die erneute Auflösung ausgefällter Metalle führt zu zonierten Erzschalenmustern an periphereren Standorten und entkoppelt außerdem die Halitsättigung von der Erzausfällung.

Porphyr-Kupfer-Systeme sind unsere Hauptressourcen für die weltweite Versorgung mit Cu und enthalten darüber hinaus eine große Vielfalt anderer Metalle in wirtschaftlichen oder subwirtschaftlichen Qualitäten1. Die Erzausfällung in porphyrzentrierten magmatisch-hydrothermischen Systemen erzeugt im Allgemeinen Grundmetallzonenmuster, die vom proximalen Cu-Mo zum distalen Zn-Pb-Ag nach oben und außen übergehen, mit variablen seitlichen Ausdehnungen von bis zu 8 km1,2. Experimentelle Studien und thermodynamische Modellierungen weisen darauf hin, dass die Abkühlung magmatischer Flüssigkeiten, die mit der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Gestein einhergeht, eine Kontrolle erster Ordnung über die Metallausfällung und die Zonierungsmuster darstellt, die aus unterschiedlichen Löslichkeiten der jeweiligen Metalle entlang der Flüssigkeitswege resultieren3,4. Der Zeitpunkt und die Rolle des Eindringens externer Flüssigkeiten für die Erzbildung werden diskutiert, wobei einige Studien darauf hinweisen, dass eine Flüssigkeitsvermischung bereits während der Primärmineralisierung stattfinden kann und/oder dass eine spätere Zirkulation eine Metallumverteilung bewirken kann5,6,7,8.

Metalle wie Cu, Pb und Zn werden in Porphyrsystemen überwiegend durch hydrothermale Flüssigkeiten als Chloridkomplexe bei erhöhten Temperaturen und eher sauren Bedingungen transportiert9,10. Daten zum Flüssigkeitseinschluss deuten darauf hin, dass Flüssigkeiten, die sich aus granitischen zu granodioritischen Intrusionen in der oberen Kruste lösen, einen Massensalzgehalt von 5 bis 15 Gew.-% NaCl ergeben11. Abhängig vom Salzgehalt der Flüssigkeit, der Temperatur, dem Druck und dem Metallgehalt des Ausgangsmagmas schwanken die Metallgehalte der primären einphasigen magmatischen Flüssigkeit zwischen 20 und 20.000 ppm Cu (im Mittel 2660 ppm), 10 und 4500 ppm Pb (im Mittel 330 ppm). ), sowie 20 und 6500 ppm Zn (600 ppm)12.

Diese aus der Magmaphase gelöste Primärflüssigkeit trennt sich beim Aufstieg aufgrund der Dekompression in einen Dampf mit niedrigem Salzgehalt und eine hypersaline Flüssigkeitsphase (Sole). Flüssigkeitseinschlussanalysen und experimentelle Studien zeigen, dass sich unedle Metalle wie Cu, Pb und Zn bevorzugt in die Salzlösungsphase verteilen13, wobei die offensichtliche Verteilung von Cu in die Dampfphase nun als Artefakt aufgrund der Diffusion nach dem Einschluss in Dampfeinschlüsse erklärt wird14,15. Die jeweiligen Rollen der Dampf- und Solephasen für die Mineralisierung in Porphyr-Cu-Systemen bleiben jedoch umstritten, da Überlegungen zur Massenbilanz darauf hindeuten, dass die Phasentrennung in der Tiefe größere Mengen an Dampf als Sole erzeugt16,17 und ein Teil der aufsteigenden Dampfphase zu a kondensieren kann flüssige Phase während des Aufstiegs und Abkühlens18,19,20. Geophysikalische Beweise und numerische Modellierungen deuten außerdem darauf hin, dass sich unter aktiven und ruhenden Vulkanen Solelinsen bilden21, was zu der Annahme führte, dass diese metallreichen hypersalinen Flüssigkeiten mit Cu-Gehalten von bis zu 7000 ppm, die in der Tiefe gelagert werden, ein wirtschaftliches Potenzial haben könnten22. Es bleibt jedoch unklar, ob es sich bei solchen Soleansammlungen um langlebige oder eher vorübergehende Merkmale handelt, wobei beide Szenarien in unterschiedlichen Konfigurationen numerischer Simulationen zulässig sind22,23.

Darüber hinaus homogenisiert eine große Anzahl von Soleeinschlüssen im Erzstadium durch das Verschwinden von Halit, was entweder die Sättigung im festen Halit24 oder Modifikationen nach dem Einschluss25 widerspiegelt. Halit-Sättigung tritt auch in numerischen Simulationen von Porphyrsystemen mit unterschiedlichen Modellen und Aufbauten auf26,27. Der Übergang von der Flüssigkeits-Dampf-Stabilität zur Dampf-Halit-Stabilität der aufsteigenden Flüssigkeit würde mit einer abrupten Abnahme und schließlich dem Verschwinden des Flüssigkeitsmassenanteils einhergehen. Dieser Prozess würde zu einer abrupten Abnahme der Fähigkeit der Flüssigkeit führen, gelöste Metalle zu transportieren, was zur Ausfällung unedler Metalle führen könnte24, obwohl unter diesen Bedingungen auch ein weiterer Transport als dispergierte Partikel während potenzieller Eruptionsprozesse möglich sein könnte.

Die Quantifizierung des dynamischen Verhaltens der Stoff- und Wärmeübertragung in Porphyrsystemen kann durch numerische Simulationen mithilfe von Modellen erreicht werden, die Hochtemperatur-Mehrphasenströmungen von H2O-NaCl-Flüssigkeiten in porösen Medien verarbeiten können28. Diese numerischen Modelle können die Entwicklung der Mineralisierung simulieren und haben aufschlussreiche Ergebnisse für bestimmte Erzbildungsprozesse geliefert26,29, basieren jedoch immer noch auf einigen Vereinfachungen. Insbesondere die Möglichkeiten zur vollständigen Modellierung des reaktiven Transports, einschließlich der chemischen Speziation, des pH-Werts und der Redoxbedingungen sowie der Rolle der Ligandenkomplexierung für den Metalltransport bei der Bildung von Hochtemperatur-Erzlagerstätten, befinden sich noch in der Entwicklung. Frühere Arbeiten mit der Software CSMP++ konzentrierten sich auf die physikalische Hydrologie und implementierten einen einfachen Proxy für die temperaturabhängige Cu-Anreicherung23,26,29. Diese numerischen Simulationen legen nahe, dass die Abmessungen der resultierenden Erzhülle vom Zusammenspiel zwischen magmatischer Flüssigkeitsfreisetzung, meteorischer Wasserkonvektion und dynamischen Permeabilitätsverteilungen abhängen und typische Kupfererzkörper mit glockenförmigen Formen und seitlichen Ausdehnungen von 1–3 km reproduzieren 23. Kürzlich Simulationen von klastisch-dominanten (CD-Typ) Pb-Zn-Ablagerungen unter Verwendung desselben Modells berücksichtigten außerdem die Remobilisierung von Pb und Zn durch zirkulierende erhitzte Flüssigkeiten, basierten ihre Parametrisierungen jedoch nur auf der Temperaturabhängigkeit der Metalllöslichkeit30. Diese Modelle berücksichtigen noch nicht den Einfluss des Salzgehalts der Flüssigkeit und der Metallverteilung zwischen den Flüssigkeitsphasen.

Für diese Studie haben wir daher eine neue Parametrisierung entwickelt, die individuelle temperatur- und salzgehaltsabhängige Löslichkeiten für Cu, Pb und Zn berücksichtigt. Die verwendeten Metalllöslichkeiten basieren auf Berechnungen von Kouzmanov und Pokrovski12, ähnlich, aber nicht identisch mit Parametrisierungen in den Simulationen von Blundy et al.22, die auch temperatur- und salzgehaltabhängige Cu-Löslichkeiten und Verteilung während der Phasentrennung in ihr Modell einführten. Die Zugabe von Pb und Zn stellt eine weitere Einschränkung für die Hydrologie am Porphyr-Epithermal-Übergang dar und bietet die Möglichkeit zu testen, ob die Metallzonierung mit variabler seitlicher Ausdehnung durch einfache Abkühlung entlang charakteristischer Flüssigkeitspfade erklärt werden kann. Darüber hinaus nutzen wir die von Rodríguez et al.30 eingeführte Remobilisierungsfunktion, um deren Auswirkungen auf unedle Metallerzschalen im Zusammenhang mit Porphyrsystemen einzuschränken. Bisher ist eine vollständige Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Fluid und Gestein unter diesen Bedingungen noch nicht möglich, da hierfür ein in sich konsistentes thermodynamisches Modell erforderlich wäre, das Fluidphasen mit hoher Temperatur und niedriger Dichte zuverlässig abdecken kann. Die neuen Entwicklungen stellen jedoch einen Schritt vorwärts hin zu mehr geologischem Realismus dar, indem sie zusätzliche geochemische Einschränkungen einbeziehen. Wir verwenden dieses erweiterte numerische Modell, um die Rolle der Phasentrennung, Solebildung, Halitsättigung, Flüssigkeitsmischung und Remobilisierung als Kontrolle erster Ordnung der physikalischen Hydrologie auf die Ausfällungsmechanismen von Grundmetallen in Porphyrsystemen zu untersuchen.

Wir berechnen den Flüssigkeitsfluss mit einem Kontinuumsansatz für poröse Medien unter Verwendung des numerischen Schemas der Control Volume Finite Element Method (CVFEM), das in der Complex Systems Modeling Platform (CSMP ++)31 implementiert ist. Mithilfe eines realistischen Ausdrucks der nichtlinearen Flüssigkeitseigenschaften (z. B. Dichte, Viskosität und Enthalpie) und der physikalischen Trennung vollständig mischbarer mehrphasiger Flüssigkeiten (Flüssigkeit, Dampf und Halit im H2O-NaCl-System) kann das Modell einen kompressiblen Flüssigkeitsfluss erzeugen bei Temperaturen bis 1000 °C und Drücken bis 500 MPa32,33.

Bei gegebener Darcy-Geschwindigkeit \(v\) einer Fluidphase i (Flüssigkeit (l) oder Dampf (v)) wird unter Verwendung der erweiterten Form des Darcy-Gesetzes die Zirkulation dieser Fluide wie folgt berechnet

Dabei ist \(k\) die Durchlässigkeit des Gesteins und \({k}_{r,i}\) die relative Durchlässigkeit, \({\mu }_{i}\) die dynamische Viskosität und \({\rho }_{i}\) die Dichte der angegebenen flüssigen Phase \(i\). Die Erdbeschleunigung ist durch \(g\) und der gesamte Flüssigkeitsdruck durch \(p\)34 gegeben. Salzhaltige Flüssigkeiten können außerdem eine feste Halitphase \(h\) ausfällen. Wir verwenden ein lineares relatives Permeabilitätsmodell mit

wobei \({S}_{h}\) die volumetrische Sättigung der unbeweglichen Halitphase ist. Die Restsättigung der Flüssigkeit wird mit \({R}_{l}=0,3(1-{S}_{h})\) und die Restsättigung des Dampfs mit \({R}_{l}) angegeben. =0,0\).

Die Erhaltung der Flüssigkeitsmasse wird berechnet als:

Dabei ist \(\phi\) die Porosität, \(Q_{{H_{2} O + NaCl}}\) bezieht sich auf den Quellterm der Fluidmasse und \(t\) ist die Zeit. Die Erhaltung der Salzmasse ist gegeben durch

mit \({Q}_{NaCl}\) als Quellterm und \({X}_{i}\) als Massenanteil von NaCl in der angegebenen flüssigen Phase. Die Energieerhaltung wird durch Wärmeadvektion durch die Flüssigkeit und Wärmeübertragung durch das Gestein mit der Wärmeleitfähigkeit \(K\) beschrieben und ist gegeben durch

wobei das Gestein durch den Index \(r\) bezeichnet wird und \({h}_{i}\) die spezifische Enthalpie der Phase \(i\) ist. Der Wärmequellenterm wird als \({Q}_{e}\) und die Temperatur als \(T\) angegeben. Unter der Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts zwischen Flüssigkeit und Gestein wird die Gesamtenthalpie innerhalb eines Kontrollvolumens des Netzes auf der Grundlage ihrer thermodynamischen Eigenschaften auf Gestein und Flüssigkeit verteilt.

Die Permeabilität \(k\) wird als dynamische Elementeigenschaft modelliert23,26 und basiert auf den folgenden Annahmen: (1) einem tiefenabhängigen Hintergrundpermeabilitätsprofil, (2) einer nahezu kritisch beanspruchten spröden Kruste und einem daraus resultierenden Versagenskriterium für Brüche bei nahezu hydrostatischen Flüssigkeitsdruckbedingungen, (3) ein zunehmend duktiles Verhalten durch Erhitzen, was zu einer Verringerung der Permeabilität und Differenzspannung führt, was zu Versagenskriterien bei nahezu lithostatischen Flüssigkeitsdrücken führt (wobei der Übergang von spröde zu duktil bei 360 beginnt). °C), (4) ein druckabhängiger Permeabilitätsanstieg, der dem temperaturabhängigen Permeabilitätsabfall entgegenwirkt, und (5) ein schrittweiser Anstieg der Permeabilität als Reaktion auf hydraulisches Brechen um bis zu zwei Größenordnungen, wenn der Flüssigkeitsdruck den lokalen Wert übersteigt spannungszustandsabhängiges Versagenskriterium. Weitere Einzelheiten zum numerischen Ansatz und zu Benchmark-Lösungen finden sich in Weis26 und Weis, et al.31.

Das Hauptaugenmerk dieser Studie liegt auf der Weiterentwicklung des numerischen Modells für Porphyr-Cu-Systeme im Hinblick auf (i) die Löslichkeit von Cu, Pb und Zn in der Erzflüssigkeit in Abhängigkeit von Temperatur und Salzgehalt, (ii) die Verteilung dieser Metalle zwischen diesen Dampf und Flüssigkeit, (iii) der Metalltransport durch Erzflüssigkeiten, (iv) variierende Metallkonzentrationen der primären magmatischen Flüssigkeit und das daraus resultierende Metallanreicherungspotential und (v) Remobilisierung zuvor ausgefällter Metalle.

i) Metalllöslichkeiten werden mithilfe von temperatur- und salzgehaltsabhängigen Funktionen für die einzelnen Metalle \({C}_{i}(T,x)\) berechnet, wobei eine einfache Interpolation der Pyrit-Magnetit-Hämatit-gesättigten Löslichkeitsdaten bei angewendet wird pH = 5 von Kouzmanov und Pokrovski12 für erhöhte Temperaturen und Salzgehalte mit

Dabei ist T die Temperatur in °C, x der Gewichtsanteil NaCl in der Flüssigkeit, a00,Cu = −9,215, a01,Cu = 0,1126, a10,Cu = 0,03875, a20,Cu = −3,209 ∙ 10–5, a11 ,Cu = −1,213 ∙ 10–4, a00,Pb = −3,269, a01,Pb = 0,1068. a10,Pb = 0,01408, a20,Pb = −5,685 ∙ 10–6, a11,Pb = −7,534 ∙ 10–5, a00,Zn = − 2,234, a01,Zn = 0,1245, a10,Zn = 0,01313, a20,Zn = −4,914 ∙ 10–6, a11,Zn = −1,367 ∙ 10–4. Die resultierenden Ausdrücke sind in Abb. 1b dargestellt. Diese Löslichkeitsbeziehungen müssen mit weiteren experimentellen Daten für T > 400 °C und Salzgehalte > 40 Gew.-% NaCl verfeinert werden, da sie noch nicht durch die Daten von Kouzmanov und Pokrovski12 eingeschränkt werden. Derzeit verwenden wir bei dieser Parametrisierung Extrapolationen auf höhere Temperaturen und Salzgehalte, was zu höheren Löslichkeiten in diesen Bereichen führt und im Allgemeinen mit anderen Studien zu Cu-Gehalten in hydrothermalen Flüssigkeiten übereinstimmt14. Es wird jedoch erwartet, dass Metallausfällungen eher innerhalb des von Kouzmanov und Pokrovski12 abgedeckten Datenbereichs auftreten. Metalle werden vollständig in den flüssigen Phasen gelöst, wenn \({c}_{t}\le {c}_{Metall}(T,x)\) und Metalle werden ausgeschieden, wenn \({c}_{t}>{ c}_{eq}(T,x)\). Die Fähigkeit zur Bildung von Sulfidmineralien, die für Porphyrsysteme typisch sind (z. B. Cu: Chalkopyrit, Bornit, Chalkosin; Pb: Bleiglanz; Zn: Sphalerit), hängt von der Schwefelverfügbarkeit und anderen chemischen Parametern wie pH-Wert und Redox ab, die hier nicht gelöst werden können.

ii) Die gesamten Metallkonzentrationen \({C}_{t}\) in der Dampf- und Flüssigphase werden ausgedrückt durch

Modellkonfiguration und Proxies für Metalllöslichkeiten (a) Der Modellierungsbereich stellt einen zweidimensionalen Querschnitt der oberen Kruste mit Abmessungen von 10 × 30 km Höhe und Breite dar, einschließlich eines Magmareservoirs mit einer Ausdehnung von 3 × 10 km. Der Radialfaktor beschreibt die Ausdehnung der Magmakammer in der (unaufgelösten) dritten Dimension relativ zur Ausdehnung in horizontaler Richtung und steuert dadurch das Gesamtvolumen des Magmareservoirs in drei Dimensionen. Es wird angenommen, dass sich magmatische Flüssigkeiten unterhalb einer Kuppelregion in etwa 5 km Tiefe ansammeln, bevor sie in das Wirtsgestein freigesetzt werden (modifiziert nach Weis26). (b) Modellierte Proxys für temperatur- und salzgehaltsabhängige Metalllöslichkeiten basierend auf thermodynamischen Berechnungen von Kouzmanov und Pokrovski 12 für Zink, Blei und Kupfer.

Analytische und experimentelle Daten deuten darauf hin, dass die Metallverteilung zwischen Flüssigkeit und Dampf vom Salzgehalt der jeweiligen Phase abhängt. Wir nähern uns dieser Beobachtung an, indem wir zunächst die Löslichkeit der einzelnen Phasen mit ihren jeweiligen Salzgehalten und dann die Löslichkeit der Hauptflüssigkeit berechnen. Wenn die Flüssigkeit mit einem entsprechenden Metall gesättigt ist, teilen wir die Konzentration entsprechend den jeweiligen Phasenlöslichkeiten auf, was zu einer salzgehalts- und massenabhängigen Aufteilung führt. Wenn die Hauptflüssigkeit an einem Metall untersättigt ist, verwenden wir den gleichen Verteilungsgrad, indem wir in beiden Phasen den gleichen Untersättigungsgrad annehmen.

iii) Wir führen Cu, Pb und Zn als Tracer für die Massenerhaltung ein

mit der individuellen Metallkonzentration in der Flüssigkeit \({C}_{i}\), dem Diffusions-Dispersionskoeffizienten D und einem Quellterm \({Q}_{i}= {C}_{i}^{ initial} \cdot {Q}_{{H}_{2}O+NaCl}\), was unterschiedliche Cu-, Pb- und Zn-Konzentrationen \({C}_{i}^{initial}\) im primären Magmatischen widerspiegelt Erzflüssigkeit. Der Einfachheit halber geht diese Formulierung davon aus, dass in der festen Halitphase keine Metalle gespeichert sind. In unseren Simulationen hängt die aus der Magmakammer ausgestoßene Flüssigkeitsmenge von der Größe der Magmakammer ab, die durch den Radialfaktor gesteuert wird (Abb. 1a). Der Radialfaktor beschreibt die Ausdehnung der Magmakammer in der unaufgelösten z-Richtung eines zweidimensionalen Modellierungsgebiets. Bei einer Ausdehnung von 10 km in x-Richtung würde ein Radialfaktor von 0,5 einer Ausdehnung von 5 km in z-Richtung entsprechen (Abb. 1a).

iv) Um die bestmögliche Vergleichbarkeit mit anderen numerischen Modellierungsstudien23,26,29 zu gewährleisten, enthält die primäre magmatische Flüssigkeit 500 ppm Cu, was auf Messungen von Flüssigkeitseinschlüssen mittlerer Dichte (ID) in Porphyr-Cu-Systemen und experimentellen Studien basiert. Die Pb-Konzentrationen von 330 ppm sowie die Zn-Konzentrationen von 600 ppm beziehen sich auf Mittelwerte von ID-Flüssigkeitseinschlüssen, die aus zahlreichen porphyrischen Cu-Lagerstätten stammen12. Um die Auswirkung der anfänglichen Metallkonzentrationen und der Metallzonierung zu untersuchen, führten wir auch Simulationen mit niedrigeren anfänglichen Zn-Konzentrationen von 330 ppm (wie Pb) und Pb-Konzentrationen von 33 ppm durch. Als Modellierungs-Proxy für die Erzgehaltsverteilungen berechnen wir Metallanreicherungspotenziale als

mit der Masse der ausgeschiedenen Metalle \({m}_{i}\) und dem Kontrollvolumen \(V.\)

v) In einer ersten Reihe von Simulationen gehen wir davon aus, dass sich Metalle im Laufe der Zeit nur aufgrund der Metallausfällung aus übersättigten Flüssigkeiten ansammeln. Als zusätzliche Funktionalität schließen wir die Remobilisierung zuvor ausgefällter Metalle ein, wenn untersättigte hydrothermale Flüssigkeiten durch Volumina fließen, die Metallausfällungen enthalten. Wir gehen davon aus, dass Flüssigkeiten Metalle remobilisieren können, bis entweder die Flüssigkeiten gesättigt sind oder das jeweilige Volumen vollständig an dem jeweiligen Metall erschöpft ist. Diese Funktionalität zur Remobilisierung deckt auch den möglichen Fall ab, dass Cu, Pb und Zn als Cl-Komplexe zusammen mit festem Halit vorübergehend gespeichert werden und anschließend durch späteres Eindringen von weniger salzhaltigen Flüssigkeiten wieder aufgelöst werden. Weiter flussabwärts können die Metalle erneut ausgefällt werden, sobald die Flüssigkeiten wieder übersättigt sind.

Obwohl wir temperatur- und salzgehaltsabhängige Metalllöslichkeiten berücksichtigen, kann das aktuelle Modell den Effekt der chemischen Speziation (z. B. einschließlich pH-Wert, Redox-, Chlorid- und Bisulfidkomplexierung) auf Metalltransport, -verteilung, -ausfällung und -remobilisierung nicht aufklären. Der vollständige reaktive Transport ist nur für weniger komplexe hydrothermale Systeme, die sich bei niedrigeren Temperaturen bilden, gut etabliert35,36,37, hat aber das Potenzial, auf höhere Temperaturen ausgeweitet zu werden, sobald robuste thermodynamische Datensätze verfügbar sind. Vorerst müssen wir die oben genannten vereinfachenden Annahmen nutzen und diese bei der Bewertung der Modellierungsergebnisse kritisch berücksichtigen.

Der Modellierungsbereich ist ein zweidimensionaler Querschnitt von 30 km Breite und 10 km Höhe sowie eine zusätzliche Topographie, die durch einen Zentralvulkan von etwa 1,5 km Höhe beschrieben wird (Abb. 1a). In 5 km Tiefe befindet sich eine elliptische Magmakammer (~ 3 km Höhe, 10 km Breite) mit einer Anfangstemperatur von 900 °C (Abb. 1a). Frühere Modellierungsarbeiten zur Auflösung des inkrementellen Magmawachstums zeigen, dass solche Magmareservoirs mit Magmaflüssen in der Größenordnung von etwa 10−2 km3/Jahr29 aufgebaut werden können. Zwei Radialfaktoren (0,25 und 0,5) wurden angewendet, was zu einem theoretischen Magmavolumen von ~ 47 km3 bzw. ~ 95 km3 führte. Dies steht im Einklang mit einem angenommenen Mindestvolumen von 50 km3, das zur Bildung porphyrischer Cu-Lagerstätten vorgeschlagen wird1,38. Ein etwa verdoppeltes Magmavolumen geht auch mit einer etwa verdoppelten Flüssigkeitsfreisetzungsrate einher, wobei angenommen wird, dass primäre magmatische Flüssigkeiten ausschließlich aus dem Kuppelbereich der Magmakammer ausgestoßen werden (Abb. 1a). Frühere Modellierungsarbeiten zur Lösung von Magma-Entgasungsmechanismen aus Reservoirs ähnlicher Größe beschreiben, wie sich die gezielte Flüssigkeitsfreisetzung während des Abkühlens und Entgasens selbst organisieren kann39. Bei dieser Konfiguration steht die Flüssigkeitsfreisetzung in direktem Zusammenhang mit der Abkühlung und Kristallisation des Magmareservoirs aufgrund der Wärmeleitung und Konvektion der umgebenden Flüssigkeiten23. Diese Parametrisierung führt zur Flüssigkeitsfreisetzung, sobald der äußere Rand die Wassersättigung erreicht hat, mit den höchsten Freisetzungsraten in den früheren Stadien und einem allmählichen Rückgang, wenn das Reservoir eine radiale Abkühlung erfährt.

Frühere Studien, die dieses Modell für Porphyr-Kupfer-Systeme verwendeten, haben gezeigt, wie die dynamische Permeabilitätsentwicklung die thermische Entwicklung steuert23. Insgesamt führen höhere Durchlässigkeiten zu räumlich begrenzteren potenziellen Erzgehalten. In ähnlicher Weise könnten Porphyrvorräte, die in natürlichen Systemen ebenfalls oberhalb der Kupolregion injiziert werden, in unserer vereinfachten Geometrie jedoch vernachlässigt werden, auch als Pfade mit höherer Permeabilität dienen, die die Fluidfokussierung unterstützen könnten. Darüber hinaus fließt die Konvektion der umgebenden Meteorflüssigkeiten in der Tiefe im Allgemeinen entlang der Ränder des Magmareservoirs in Richtung der Kuppelregion. Die Topographie eines Stratovulkans führt jedoch aufgrund der hydraulischen Höhe der Grundwassersäule zu einem seitlichen Transport gemischter magmatisch-meteorischer Flüssigkeiten in flacheren Ebenen zur Basis des Vulkans26. Obwohl die Simulationen mit mäßiger Wirtsgesteinspermeabilität unter einem Stratovulkan weniger begrenzte Porphyr-Kupfererz-Hüllen ergeben, verwenden wir diese Konfiguration für die vorliegende Studie, da sie am besten geeignet ist, die Prozesse zu verstehen, die die Metallzonierung am Porphyr-Epithermal-Übergang über einen lateralen Bereich steuern Distanz von mehreren Kilometern.

Das Wirtsgestein hat eine Porosität von 0,05 und ist zunächst mit reinem Wasser unter einem hydrostatischen Druckgradienten entlang eines Wärmegradienten von 22,5 °C km−1 gesättigt, der durch einen Grundwärmefluss von 45 mW m−2 aufrechterhalten wird. Bei der Simulation stellt die obere Grenze die Erdoberfläche bei Atmosphärendruck dar und ist durchlässig. Aufsteigende Flüssigkeiten können bei vom Modell berechneten Temperaturen über die obere Grenze austreten. Aufladeflüssigkeiten gelangen als salzfreies flüssiges Wasser mit einer Temperatur von 10 °C in den Modellbereich. Allerdings können die Flüssigkeiten das Modellgebiet nicht über die linken, rechten und unteren Grenzen verlassen, da diese als No-Flow-Grenzen definiert sind. Die Gesteinseigenschaften werden konstant gehalten, darunter eine Dichte von 2700 kg m−3, eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W m−1 C−1, ein Diffusions-Dispersionskoeffizient von 10–12 m2 s−1 und eine Wärmekapazität von 880 J kg−1 °C−1. Die gleichen Werte gelten für die Magmakammer, allerdings beginnend mit einer zweifachen Wärmekapazität, die allmählich abnimmt, wenn die Magmakammer unter Berücksichtigung der latenten Wärmefreisetzung während der Kristallisation abkühlt40.

Wir präsentieren Ergebnisse der fünf repräsentativsten Simulationen, um den Einfluss von drei Schlüsselparametern zu untersuchen:

Magmavolumen und Flüssigkeitsfreisetzungsrate: Magmavolumen von ~ 47 km3 (Simulation 1) bzw. ~ 95 km3 (Simulation 2); anfängliche Flüssigkeitskonzentrationen von 500 ppm Cu, 330 ppm Pb und 330 ppm Zn; ohne Metallremobilisierung

Metallgehalt: Magmavolumen von ~ 47 km3; anfängliche Flüssigkeitskonzentrationen von 500 ppm Cu, 33 ppm Pb und 600 ppm Zn (Simulation 3); ohne Metallremobilisierung

Remobilisierung: Magmavolumen von ~ 95 km3 (Simulation 4) bzw. ~ 47 km3 (Simulation 5); anfängliche Flüssigkeitskonzentrationen von 500 ppm Cu, 330 ppm Pb und 330 ppm Zn; mit Metallremobilisierung

Unsere Simulationen zeigen, dass die Freisetzungsrate magmatischer Flüssigkeiten aus dem Kupolbereich einer Magmakammer eine wichtige Kontrolle über die Ausbreitung der thermischen und salzhaltigen Fronten nach außen sowie über die Lage der hydrologischen Kluft darstellt (Abb. 2). Diese hydrologische Kluft (angezeigt durch einen Porenflüssigkeitsfaktor von 0,7; rote gestrichelte Linie) trennt einen inneren Bereich, der von aufsteigenden magmatischen Flüssigkeiten unter nahezu lithostatischen Drücken und nominell duktilem Gesteinsverhalten dominiert wird, von einem äußeren spröden Bereich, der durch die Konvektion kälterer Flüssigkeiten unter nahem Lithostaten gekennzeichnet ist -hydrostatische Drücke23,26. Die Flüssigkeitsfreisetzungsrate ist proportional zu den Abmessungen, dem Wassergehalt und der Abkühlungsrate des Magmareservoirs. In Simulation 1, die ein Reservoirvolumen von ~ 47 km3 (Radialfaktor = 0,25) annimmt, liegt die Wasserscheide nach 10, 50 und 100.000 Jahren auf einem Tiefenniveau von ~ 2,2 km, ~ 2,1 km und ~ 3,6 km (Abb. 2a–c). Im Vergleich dazu führt die Annahme eines größeren Gesamtreservoirvolumens von ~ 95 km3 (Radialfaktor = 0,5) zu einer Wasserscheide, die nach 10, 50 und 100.000 Jahren in vergleichsweise geringeren Tiefen bei ~ 1,8 km, ~ 1,9 km und ~ 3,1 km liegt bzw. (Abb. 2d–f).

Zeitliche und räumliche Entwicklung der Hydrologie von Porphyr-Kupfer-Systemen mit einer Vulkantopographie nach 10 (a, d), 50 (b, e) und 100 (c, f) Jahren Simulationszeit, mit Darstellung modellierter Temperaturverteilungen (Isolinien). Gesamtsalzgehalt der Flüssigkeitsmischung (rote Farben) und der Bereich mit Halit-gesättigten Flüssigkeiten (gelb). Erzschalen werden durch Metallanreicherungspotenziale dargestellt (siehe Text). Der Porenflüssigkeitsfaktor (Flüssigkeitsdruck dividiert durch lithostatischen Druck) von 0,7 zeigt den Übergang von nahezu hydrostatischen zu nahezu lithostatischen Flüssigkeitsdrücken an. Simulation 1 verwendete einen Radialfaktor von 0,25 und Metallanreicherungspotentiale von 250 für Cu, Zn und Pb (a–c). Simulation 2 verwendete einen Radialfaktor von 0,5 und Metallanreicherungspotentiale von 500 (d–f). Pfeile in einer Tiefe von 5 km beziehen sich auf den Flüssigkeitseinspritzort im Kuppelbereich des Magmareservoirs.

In beiden Simulationen werden die höchsten Massensalzgehalte auf der Seite der spröden Domäne der Wasserscheide bei 10 bzw. 50 Kyrs gefunden (Abb. 2a, b, d, e). Allerdings sind in Simulation 1 sowohl der Salzgehalt der Flüssigkeitsmasse als auch das Ausmaß der thermischen und salzhaltigen Wolke geringer als in Simulation 2 mit höherer magmatischer Flüssigkeitsfreisetzung (Abb. 2), was ein gegensätzliches Phasentrennungsverhalten widerspiegelt. Während der gesamten Entgasungsperiode von Simulation 1 wird die primäre magmatische Flüssigkeit als einphasige Flüssigkeit injiziert, die sich beim Aufstieg in eine Dampf- und Solephase trennt, es findet jedoch keine Sättigung mit festem Halit statt. Im Gegensatz dazu steigt Simulation 2 bei niedrigeren Drücken zu etwas flacheren Krustenniveaus an, wo das Flüssigkeits-Dampf-Fluid-Gemisch die Halit-Sättigung erreicht (gelbe Bereiche) und somit in das Dreiphasenfeld (VLH) des H2O-NaCl-Systems eintritt (Abb. 2d– F). Unter diesen Bedingungen kann die flüssige Phase schließlich vollständig verschwinden und die Flüssigkeiten treten mit einer flüchtigen Dampfphase geringer Dichte und einer unbeweglichen festen Halitphase in das zweiphasige VH-Feld ein, was zu den beobachteten hohen Massensalzgehalten führt.

Die Erzausfällung in Simulation 1 erfolgt über dem Bereich mit dem höchsten Salzgehalt der flüssigen Masse bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von 400 bis 200 °C (Abb. 2b, c). Die Erzschalen weisen ein Metallanreicherungspotential von 250 auf und zeigen eine nach außen gerichtete Zonierung von Cu über Pb bis Zn (Abb. 2b). Ein Metallanreicherungspotenzial von 1000 entspricht einem Erzgehalt von etwa 2,5 Gew.-%, sollte jedoch nur als Richtwert betrachtet werden, da es die Effizienz der Cu-Ausfällung nicht berücksichtigt26. Dieses Zonierungsmuster wird bei weiterer Abkühlung des Magmas stärker ausgeprägt (Abb. 2c). Im Gegensatz dazu entwickeln sich Erzschalen in Simulation 2 im begrenzten Bereich der Halit-Sättigung der Erzflüssigkeit, der durch höhere Temperaturen von 450 bis 350 °C gekennzeichnet ist (Abb. 2e). Die Erzausfällung wird mit einem Metallanreicherungspotential von 500 dargestellt, wobei berücksichtigt wird, dass in Simulation 2 im Vergleich zu Simulation 1 die doppelte Menge an magmatischen Flüssigkeiten verwendet wird (Abb. 2e, f). Die Cu-, Pb- und Zn-Erzschalen weisen kein nennenswertes Zonierungsmuster auf (Abb. 2e, f). Zusätzlich zum Rückzug der thermischen und salzhaltigen Fronten, der durch die Abkühlung der Magmakammer verursacht wird, geht auch der Bereich der Halit-Sättigung zurück, während die Erzschalen an Ort und Stelle bleiben (Abb. 2c, f), was zeigt, dass die Metallanreicherung von der dominiert wird Frühphasen des Hydrothermalsystems mit den höchsten Flüssigkeitsfreisetzungsraten.

Die Auswirkungen unterschiedlicher Mengen magmatischer Flüssigkeiten, die aus der Magmakammer ausgestoßen werden, können weiter veranschaulicht werden, indem der Grad der Cu-Sättigung (Wert zwischen 0 und 1) und der Cu-Gehalt (in ppm) der Flüssigkeit überwacht werden (Abb. 3). Die magmatischen flüchtigen Stoffe werden als einphasige Flüssigkeiten mit Cu-Gehalten von 500 ppm und einer Cu-Sättigung von etwa 0,66 in den Kupol der Magmakammer in einer Tiefe von ~ 5 km injiziert (Abb. 3). Bei anhaltendem Aufstieg im inneren Teil (Porenflüssigkeitsfaktor > 0,7) unter nahezu lithostatischen Drücken trennen sich die Flüssigkeiten in eine Dampfphase mit niedrigem Salzgehalt und geringer Dichte und eine Solephase mit hohem Salzgehalt und hoher Dichte. Diese Region zeichnet sich durch erhöhte Salzgehalte zwischen 30 und 50 Gew.-% NaCl (Abb. 2b, e), eine niedrige Cu-Sättigung (Abb. 3a, c), aber relativ hohe Cu-Gehalte (Abb. 3b, d) aus. Auch wenn der Cu-Gehalt aufgrund der bevorzugten Verteilung in die Solephasen zunimmt, ist die Gesamt-Cu-Sättigung verringert, da die Metalllöslichkeiten nicht linear mit dem Salzgehalt korrelieren (Abb. 1). Die räumliche Ausdehnung des Zweiphasengebiets ist in Simulation 1 (Abb. 3a, b) kleiner als in Simulation 2 (Abb. 3b, d).

Kupfersättigung (a, c) und Kupfergehalt (b, d) der Flüssigkeiten im hydrothermalen System nach 25 Jahren für die Simulationen 1 (a, b) und 2 (c, d). Der Porenflüssigkeitsfaktor von 0,7 gibt die hydrologische Wasserscheide an. Der Anteil der magmatischen Flüssigkeit wird durch Isolinien von 1, 0,9 und 0,5 dargestellt, was einen Beitrag der magmatischen Flüssigkeit von 100, 90 und 50 % bzw. einen Beitrag der meteorischen Flüssigkeit von 0, 10 und 50 % widerspiegelt. Schwarze Pfeile zeigen schematisch den Flüssigkeitsfluss im überwiegend spröden Bereich.

Hochdruckbedingungen ermöglichen den weiteren Aufstieg der schweren Sole innerhalb des überdruckten inneren Bereichs und daher entwickelt sich nach dem Druckabfall auf nahezu hydrostatische Werte eine von Sole dominierte Zone auf der Wasserscheide (Abb. 2). In Simulation 2 ist dies die Zone, in der eine Halit-Sättigung auftritt, die mit einem schnellen Anstieg der Cu-Sättigung einhergeht (Abb. 3c), da die Sättigung der Solephase bei der VLH-Koexistenz verringert wird und zum vollständigen Verschwinden führen kann der Solephase, wenn die Flüssigkeit in das VH-Feld gelangt. Anschließend fallen Cu, Pb und Zn gemeinsam aus (Abb. 2e, f) und der Cu-Gehalt in der Erzflüssigkeit nimmt ab (Abb. 3d). Die Erzausfällung erfolgt in magmatischen Flüssigkeitsfraktionen zwischen 0,9 und 1, was einen geringen Beitrag relativ kühler Meteorflüssigkeiten mit niedrigem Salzgehalt zwischen 0 und 10 % widerspiegelt (Abb. 3c).

Ohne Halitsättigung, wie in Simulation 1, ist die Solezone mit Cu angereichert (Abb. 3b) und die Erzausfällung erfolgt direkt oben durch Verdünnung der metallreichen magmatischen Solen (Abb. 2b). Diese Zone ist durch die Konvektion erheblicher Mengen meteorischer Flüssigkeiten gekennzeichnet (Abb. 3a). Zum Zeitpunkt der Erzausfällung steigt der meteorische Wasserbeitrag in dieser Simulation deutlich auf 50 % im Bereich der Cu- und Pb-Schalen und sogar auf über 50 % innerhalb der Zn-Schale (Abb. 2b, c, 3a). Ähnlich wie in Simulation 2 geht die Erzausfällung in Simulation 1 mit einer Abnahme des Cu-Gehalts der Erzflüssigkeit einher, was darauf hindeutet, dass der Großteil der Metalle abgelagert wurde (Abb. 3a, b). Im Vergleich zur Simulation mit Halit-Sättigung (Abb. 2f) wurden die potenziellen Erzhüllen an peripherere Standorte verschoben und sind seitlich stärker ausgebreitet (Abb. 2c), was der charakteristischen Erzhüllengeometrie von porphyrischen Cu-Lagerstätten weniger ähnelt nähert sich jedoch dem maximalen Ausmaß der Grundmetallzonierung, die in einigen Porphyr-Epithermalsystemen beobachtet wird.

Simulation 1 erzeugt ein Muster der Metallzonierung, das direkt den allgemeinen Trend der Metalllöslichkeiten während des Abkühlens und Verdünnens widerspiegelt (Abb. 1), wobei Cu zuerst ausfällt, gefolgt von Pb und Zn als letztes. Einige Lagerstätten weisen jedoch eine andere Zonenfolge auf, wie beispielsweise die polymetallische Morococha-Lagerstätte in Peru mit einer nach außen gerichteten Cu-Zn-Pb-Zonierung2. Die Erzausfällung hängt mit dem Zeitpunkt der Sättigung der jeweiligen Metalle zusammen, der von den Metallgehalten in der Eingangsflüssigkeit abhängt. In Simulation 3 reduzieren wir den anfänglichen Pb-Gehalt auf 33 ppm und erhöhen den anfänglichen Zn-Gehalt auf 600 ppm. Bezüglich der Isolinie der maximalen Zn-Sättigung aus Simulation 1 führen höhere Zn-Gehalte nur zu geringen Abweichungen zu größeren Tiefen (Abb. 4a). Im Gegensatz dazu verschieben sich die Niederschläge durch die verringerten Pb-Gehalte in deutlich geringere Tiefen (Abb. 4b).

Schwankungen der Sättigung von Zn (a) und Pb (b) aufgrund unterschiedlicher anfänglicher Metallkonzentrationen in den Simulationen 1 (gestrichelte Linien) und 3 (Konturen) nach 25 Jahren Simulationszeit.

In Abb. 5a zeigt der Vergleich der Simulationen 1 und 3 die Auswirkung unterschiedlicher anfänglicher flüssiger Metallgehalte auf die endgültige Metallanreicherung (nach 100 Jahren Simulationszeit). Wir verwenden einen willkürlichen Schwellenwert von 0,5 kg/m3 des gesamten Metallgehalts im Gestein (Summe der Cu-, Pb- und Zn-Gehalte) als Proxy für eine potenzielle polymetallische Erzhülle.

Gesamter modellierter Metallgehalt des Gesteins nach 100 Jahren Simulationszeit über einem Schwellenwert von 0,5 kg/m3 (Summe der Kupfer-, Blei- und Zinkgehalte) für die Simulationen 1 (a) und 3 (b). Einzelne Metallfraktionen innerhalb dieser Anreicherungsbereiche veranschaulichen die modellierte Grundmetallzonierung (c, d).

Unter Berücksichtigung anfänglicher flüssiger Metallgehalte von 500 ppm Cu sowie 330 ppm Pb und Zn (Simulation 1) werden die höchsten gesamten Gesteinsmetallgehalte an der Schnittstelle der Cu- und Pb-Schalen gefunden und weisen somit auf eine Dominanz von Cu und Pb hin der Gesamtmetallgehalt des Gesteins (Abb. 5a). Der Bereich der Gesamtmetallgehalte, der von der entsprechenden Zn-Hülle überlagert wird, liefert allerdings eher mittlere Werte (Abb. 5a). Im Vergleich dazu zeigt Abb. 5b die höchsten Gesamtmetallgehalte direkt auf und unter dem Schnittpunkt der Cu- und Zn-Schalen und zeigt somit die Dominanz von Cu und Zn im Gesamtmetallgehalt des Gesteins. Der Bereich der gesamten Gesteinsmetallgehalte, der von der entsprechenden Pb-Hülle überlagert wird, liefert allerdings eher niedrige Werte (Abb. 5b).

Die Abbildungen 5c und d zeigen die Verhältnisse der einzelnen Metalle im Verhältnis zum Gesamtmetallgehalt. Cu befindet sich am nächsten zur Flüssigkeitsquelle. Die Cu-Verhältnisse sind für beide Simulationen ähnlich, da die anfänglichen Cu-Gehalte in der Erzflüssigkeit gleich sind und die anfänglichen Metallgehalte insgesamt ähnlich sind (vergleiche 1160 ppm für Simulation 1 und 1130 ppm für Simulation 3). Zink liefert außerhalb der mit Cu angereicherten Zone relativ hohe Anteile (Abb. 5c, d). Die Erhöhung des anfänglichen flüssigen Zinkgehalts auf 600 ppm führte jedoch dazu, dass die Zinkanreicherung in größeren Tiefen einsetzte und höhere Anteile von bis zu > 0,9 (dunkelrot) erreichte ; Abb. 5d). Im Gegensatz dazu weist Pb bei anfänglichen Flüssigkeitsgehalten von 330 ppm aufgrund der teilweisen Überlappung mit den Cu- und Zn-Schalen ein eher moderates Verhältnis auf und befindet sich in der Nähe der Cu-Zone (Abb. 5c). Anfängliche Pb-Gehalte von 33 ppm führen zu niedrigen Verhältnissen, die weiter distal der Cu-Zone liegen (Abb. 5d).

Durch die Remobilisierung von Metallen verschiebt sich die Position der Erzschalen über die Solezone hinaus in peripherere Gebiete (Abb. 6). Aufgrund des Abwärtsflusses kühlender Umgebungsflüssigkeiten vom Stratovulkan zu den Flanken (siehe Abb. 3c) wird die Metallsättigung bei der Remobilisierung auch in größere Tiefen verschoben (Abb. 6). Die Reihenfolge der Metallzonierung ähnelt früheren Simulationen, daher bildet das Zn-Erscheinungsbild die breiteste Schale, Pb das mittlere und die Cu-Schale die schmalste (Abb. 6a–c). Zn und Pb entwickeln jedoch Erzhüllen, die ausschließlich die Flanken der oberen Grenze der Solezone besetzen, während Cu nach 25.000 Jahren Simulationszeit nahezu eine kontinuierliche Erzhülle bildet (jeweils Abb. 6a–c).

Lage der Anreicherungspotentiale von Cu (a), Zn (b) und Pb (c) von 500 nach 25 Jahren Simulationszeit mit (rote Isolinie; Simulation 4) und ohne (schwarze Isolinie; Simulation 2) Metallremobilisierung sowie Zink (a), Blei- (b) und Kupfersättigung (c) von Simulation 4 (Farbkonturen).

Abbildung 7 zeigt einen Vergleich der endgültigen Formen und Ausdehnungen der Erzhüllen, die durch die Remobilisierung für Simulationen mit (Simulation 4 mit einem größeren Magmareservoir) und ohne Halitsättigung (Simulation 5 mit einem kleineren Magmareservoir) nach 100.000 Jahren Simulationszeit verursacht wurden. Für Simulation 4 (Abb. 7a) und 5 (Abb. 7b) wird ein Schwellenwert von > 0,5 kg/m3 der gesamten Gesteinsmetallgehalte angezeigt. Beide Simulationen zeigen ein Zonierungsmuster von Cu über Pb bis Zn. Die höchsten Gesamtmetallgehalte finden sich auf und unter dem Schnittpunkt der Cu- und Pb-Schalen (Abb. 7a, b), während Bereiche, die von den zugehörigen Zn-Schalen überlagert werden, niedrigere Werte ergeben (Abb. 7a, b). Die Pb- und Zn-Erzhüllen sind diskontinuierlich und an ihren äußersten Stellen verdickt, wohingegen die entsprechende Cu-Hülle kontinuierlich ist und sich entlang der Flanken eher in größere Tiefen erstreckt (Abb. 7a). Im Gegensatz dazu ist die Zn-Erzhülle von Simulation 5 diskontinuierlich und periphere Ausscheidungen sind eher auf geringere Tiefen ausgerichtet, während die Cu- und Pb-Hüllen kontinuierlich und regelmäßig gebildet sind (Abb. 7b).

Gesamter modellierter Metallgehalt nach 100 Jahren Simulationszeit über einem Schwellenwert von 0,5 kg/m3 (Summe der Kupfer-, Blei- und Zinkgehalte) für die Simulationen 4 (a) und 5 (b). Einzelne Metallfraktionen innerhalb dieser Anreicherungsbereiche veranschaulichen die modellierte Grundmetallzonierung (c, d).

Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass die Freisetzungsrate der aus der Magmakammer stammenden Flüssigkeiten die Lage der thermischen und salzhaltigen Fronten (Abb. 2) und damit die Flüssigkeitsphasenbeziehungen und Mechanismen für die Metallausfällung beeinflusst. Höhere Flüssigkeitsfreisetzungsraten aus einem größeren Magmareservoir verschieben die hydrologische Kluft in flachere Tiefen und damit zu niedrigeren Drücken, wo die zweiphasige Flüssigkeit in festem Halit gesättigt ist (Abb. 2d, e). Im Gegensatz dazu können meteorische Flüssigkeiten bei geringeren Flüssigkeitsfreisetzungsraten aus einem kleineren Reservoir die magmatischen Flüssigkeiten in größeren Tiefen und höheren Drücken effektiver abkühlen und verdünnen, was eine Halit-Sättigung verhindert (Abb. 2a, b).

Die Simulationen mit niedrigeren Flüssigkeitsfreisetzungsraten legen nahe, dass Metalle aus einer zweiphasigen Dampf-Sole-Flüssigkeit ausgefällt werden und zonierte Erzhüllenmuster entwickeln, ähnlich den typischen Beobachtungen in Porphyr-Cu-Systemen1,2 (Abb. 2b, c, 5, 7). Die Metallausfällung erfolgt direkt über der Zone mit dem höchsten Cu-Fluidgehalt (Abb. 3b) durch Beimischung von relativ kühlem und weniger salzhaltigem zirkulierendem Meteorwasser, das > 10 % zum gesamten Fluidhaushalt beiträgt (Abb. 3a). Unsere Simulationen deuten darauf hin, dass meteorischer Wassereinbruch im Allgemeinen als kühlende und verdünnende Flüssigkeitskomponente für die hydrothermalen Systeme notwendig ist. Die fortschreitende Flüssigkeitsmischung entlang des Porphyr-Epithermal-Übergangs steht im Einklang mit Interpretationen moderner stabiler Isotopenstudien, aber die modellierte Menge an meteorischem Wassereinbruch, die für die Ausfällung von Grundmetallen erforderlich ist, übersteigt im Allgemeinen ihre Schätzungen3. Die modellierte Abfolge der Ausfällungen unedler Metalle (Cu–Pb–Zn) folgt der für diese Studie verwendeten Parametrisierung der Metalllöslichkeiten und ist auch in natürlichen Erzkörpern nachweisbar41, insbesondere wenn man die starke Überlappung der Pb–Zn-Mineralisierungszonen berücksichtigt2,42,43 . Andere porphyrbezogene Grundmetalllagerstätten weisen eine Zonierung von Cu über Zn bis Pb auf, die häufiger vorkommt1,6,44 und reproduziert werden könnte, wenn die anfängliche Flüssigkeit Pb-arm ist.

Die Simulationen zeigen, dass der Metallgehalt und die Löslichkeit der einphasigen magmatischen Eingangsflüssigkeit ein limitierender Faktor für die Erzausfällung sind, insbesondere für Cu. Während des Aufstiegs und der Phasentrennung der nahezu Cu-gesättigten primären magmatischen Flüssigkeit wird der Cu-Gehalt in der gesamten zweiphasigen Flüssigkeit aufgrund der bevorzugten Verteilung in die Solephase und des schnelleren Aufstiegs der Dampfphase erheblich erhöht. Unsere modellierten Konzentrationen sind vergleichbar mit den in Soleeinschlüssen gemessenen Werten45. Diese zweiphasige Flüssigkeit ist jedoch mit Cu untersättigt, da die Löslichkeit nach Angaben von Kouzmanov und Pokrovski12 nichtlinear mit dem Salzgehalt zunimmt. Durch Druckentlastung und Abkühlung an der hydrologischen Front kann zunächst die Dampfmenge innerhalb der Zweiphasenzone erhöht werden, was zu Cu-Gehalten nahe der Sättigung führt. Sobald der Flüssigkeitsdruck jedoch nahezu hydrostatische Werte erreicht, dominiert die hochdichte Solephase, was zu Cu-Gehalten führt, die deutlich über denen der Eingangsflüssigkeit liegen, jedoch wiederum zu sehr niedrigen Cu-Sättigungen. Eine Cu-Ausfällung kann daher nur durch weitere Abkühlung und/oder Soleverdünnung erreicht werden.

Die Simulationen verdeutlichen außerdem, dass die Phasentrennung ein zeitlich und räumlich kontinuierlicher Prozess ist, was die Debatte darüber, ob die Dampf- oder die Solephase den Großteil des Cu-Erzes transportiert und ausfällt, schwierig macht. Dampf und Sole steigen gemeinsam auf, wenn auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und sind gemäß den gegebenen TPX-abhängigen Phasenbeziehungen jederzeit vollständig mischbar. Selbst wenn sich Cu vorzugsweise in die Salzlösungsphase und S in die Dampfphase verteilt, sind beide Elemente wahrscheinlich immer noch in der Zweiphasenmischung verfügbar, um im Falle einer Übersättigung Cu-Sulfidmineralien zu bilden18,19,20.

Die Sättigung mit Halit kann zur gleichzeitigen Ausfällung von Cu, Pb und Zn führen (Abb. 2e, f). Unter der Annahme in unserem Modellaufbau, dass Halit keine Metalle einbauen kann, steigt die Metallsättigung der Restsole anschließend schnell an und führt zur Ausfällung der Metalle. Das Fehlen einer signifikanten Metallzonierung steht jedoch im Gegensatz zur typischen Unterscheidung zwischen Cu-haltigen Erzgängen im Erzstadium und Pb-Zn-Adern in Porphyrsystemen. Dies begrenzt möglicherweise das Potenzial einer Halit-Sättigung einer reinen magmatischen Flüssigkeit während der Erzbildung. Die modellierte Halit-Sättigung ist ein vorübergehendes Merkmal während der Entwicklung des hydrothermalen Systems, da Halit durch späteres Eindringen von Flüssigkeit wieder aufgelöst wird. In ähnlicher Weise können Metalle, die vorübergehend in festen Sulfid- oder Chloridphasen gelagert werden, bei späterer Remobilisierung periphere Zonenmuster entwickeln. Solche metallreichen Solen könnten während der Verdünnung und Remobilisierung während des Eindringens von meteorischem Wasser immer noch Halit enthalten, was wiederum bei einer Interpretation von Halit-gesättigten Erzflüssigkeiten zulässig wäre. Ob Flüssigkeitseinschlüsse, die durch das Verschwinden von Halit homogenisieren, ein indirekter Beweis für die Halitsättigung sind24 oder aus Modifikationen nach dem Einschluss resultieren25, bleibt jedoch umstritten, und unsere neuen Modellierungsergebnisse können nur bestätigen, dass es sich um ein mögliches, aber nicht um ein unvermeidliches kurzlebiges Merkmal handelt.

Die Ermöglichung der Wiederauflösung bereits ausgefällter Metalle in Abhängigkeit von ihrer berechneten Löslichkeit und Häufigkeit entkoppelt die Halitsättigung von der Erzausfällung und führt auch zur Bildung eines zonierten Erzhüllenmusters (Simulation 4, Abb. 6, 7). Die Neuausfällung von Metallen erfolgt außerhalb des Solebereichs durch weitere Vermischung mit zirkulierendem Meteorwasser, allerdings an weiter entfernten Orten und bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu Simulationen ohne Remobilisierung. Beim gewählten Simulationsaufbau mit einem Stratovulkan an der Oberfläche wird der Fluidstrom im spröden Bereich nach unten und außen gerichtet, wodurch sich diskontinuierliche Erzschalen (Abb. 6, 7a) mit Metallanreicherung in Randbereichen bilden können.

Die in dieser Studie vorgestellten Simulationen ergaben breitere und horizontaler ausgedehnte Cu-Erzkörper, als sie typischerweise in hochgradigen porphyrischen Cu-Lagerstätten beobachtet werden. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass die Begrenzung der Ausdehnung vertikaler ausgedehnter Erzhüllen auf 1–3 km erreicht werden kann, indem die Permeabilität des Wirtsgesteins in der Modellparametrisierung erhöht wird23. Die Dimension der peripheren Zonierung mit seitlichen Ausdehnungen von bis zu 8 km stimmt im Allgemeinen mit Beobachtungen einiger Porphyr-Epithermalsysteme überein 1,46, insbesondere wenn auch niedriggradige Metallgehalte berücksichtigt werden (Abb. 8). Allerdings wandern die Pb- und Zn-Ausfällungsfronten auch unter Berücksichtigung der Remobilisierung nicht in oberflächennahe epithermale Bereiche (Abb. 8a, c, d) und weisen daher typische subepithermale Adern auf1. Ausgeprägte epithermale Mineralisierungsereignisse können daher ein ausgeprägtes Fluidereignis oder einen Puls erfordern, der zu höheren Fluidtemperaturen im epithermalen Bereich führen könnte.

Modellierte Erzhüllen nach 100.000 Jahren für Simulationen ohne (a, b) und mit (c, d) Remobilisierung. Die unterschiedlichen Schwellenwerte für Metallanreicherungspotentiale (25 vs. 50; 250 vs. 500) spiegeln die unterschiedlichen Flüssigkeitsfreisetzungsraten wider, die durch die unterschiedlichen Reservoirvolumina gesteuert werden, die in den jeweiligen Simulationen verwendet werden.

Unsere Simulationen haben viele Ähnlichkeiten mit den Simulationen von Blundy et al.22, unterscheiden sich jedoch in den Verweilzeiten metallangereicherter magmatischer Solen, die durch Phasentrennung gebildet werden. Während Blundy et al.22 langlebige Solelinsen simulieren und ein wirtschaftliches Potenzial für die Metallgewinnung vorschlagen, deuten unsere Simulationen auf ein eher vorübergehendes Auftreten hypersaliner Soleschichten hin, die durch meteorisches Eindringen von Wasser verdünnt und aus dem System transportiert werden. Die Flüssigkeitsmischung wird in unserem Modell verbessert, da es ein Magmareservoir in 5 km Tiefe als Treiber für externe Konvektion einschließt, während Blundy et al.22 den Effekt der Injektion magmatischer flüchtiger Stoffe hervorheben. Die beiden Modelle verwenden auch unterschiedliche Parametrisierungen der Permeabilität des Wirtsgesteins. Daher können die Verweilzeiten magmatischer Solen von der Permeabilitätsentwicklung sowie der Größe und Tiefe des darunter liegenden Magmareservoirs abhängen – Parameter, die bisher sowohl in fossilen als auch in aktiven Systemen typischerweise nicht gut eingeschränkt sind.

Die modellierte physikalische Hydrologie und ihre geochemischen Implikationen beruhen auf einer Reihe von Vereinfachungen, von denen einige darauf abzielen, die Komplexität des Systems zu verringern, während andere auf einen Mangel an geeigneten Daten oder numerischen Werkzeugen zurückzuführen sind. Unsere Modellierungsbemühungen werden immer noch durch Einschränkungen bei der Formulierung physikalischer und chemischer Prozesse eingeschränkt, z. B. der dynamischen Permeabilitätsentwicklung bei spröden und duktilen Bedingungen, Fluid-Gesteinsreaktionen, die Schwankungen des pH-Werts, Redoxbedingungen, Sulfidverfügbarkeit, Mineralchemie und Arten wässriger Flüssigkeiten beeinflussen was einen erheblichen Einfluss auf die Metalllöslichkeiten haben kann12. Eine Senkung des pH-Werts von beispielsweise 5 auf 4 kann die Metallgehalte und Löslichkeiten der einphasigen Flüssigkeit um eine Größenordnung für Cu und um zwei Größenordnungen für Pb und Zn12 erhöhen. Solche Komplexitäten werden erst gelöst werden können, wenn eine vollständige Modellierung des reaktiven Transports für magmatisch-hydrothermale Systeme möglich sein sollte. Unsere Simulationen können jedoch bereits genutzt werden, um neue Erkenntnisse über die Machbarkeit der Erzbildung durch Abkühlung und Verdünnung magmatischer Flüssigkeiten zu gewinnen.

Wir untersuchten die Rolle der Phasentrennung, Solebildung und Remobilisierung bei der Ausfällung unedler Metalle in Porphyr-Cu-Systemen mithilfe eines fortschrittlichen numerischen Modells, das veröffentlichte temperatur- und salzgehaltsabhängige Metalllöslichkeiten berücksichtigt. Basierend auf diesen vereinfachten Parametrisierungen legen die Simulationen einige Rückkopplungen erster Ordnung zwischen physikalischer Hydrologie und Geochemie nahe:

Unsere Simulationen können das allgemeine Muster der Metallzonierung mit seitlichen Ausdehnungen von bis zu mehreren Kilometern und einer Pb-Zn-Mineralisierung am Rande der Cu-Mineralisierung für Szenarien reproduzieren, die eine Halit-Sättigung durch Abkühlung und Verdünnung magmatischer Solen aufgrund eines erheblichen Eindringens von meteorischem Wasser vermeiden.

Die Dampf- und Solephasen der zweiphasigen Erzstufenflüssigkeit steigen gemeinsam mit unterschiedlichen Verweilzeiten auf, stehen aber immer noch in ständigem Kontakt miteinander. Die Solephase reichert sich aufgrund der bevorzugten Verteilung an unedlen Metallen an, bleibt jedoch selbst bei gesättigten primären einphasigen Eingangsflüssigkeiten metalluntersättigt, wenn die Löslichkeiten nichtlinear mit dem Salzgehalt der Flüssigkeit zunehmen.

Unsere Simulationen konnten unterschiedliche Erzhüllen erzeugen, insbesondere wenn die Modellaufbauten eine mögliche Remobilisierung von Metallen mit anschließender Neuausfällung berücksichtigten. Die Sättigung von festem Halit kann zu hochgradigen Lagerstätten bei gleichzeitiger Ausfällung von Erzmetallen führen, was im Gegensatz zu den charakteristischen Adertypen an den Lagerstätten steht, daher aber die Bedeutung der Remobilisierung für zukünftige Modellierungsansätze unterstreicht.

Solelinsen unter Stratovulkanen sind vorübergehende Erscheinungen, die eher zur direkten Erzbildung als zur längerfristigen Speicherung einer metallreichen Solephase führen.

Zukünftige Simulationen sollten verbesserte thermodynamische Modelle umfassen, die pH-, Redox-, Chlorid- und Bisulfidkomplexierung umfassen, um detailliertere Einblicke in die relevanten geochemischen Prozesse einschließlich der Rolle von Fluid-Gesteinsreaktionen zu ermöglichen.

Die Studie nutzt die Software CSMP++ und den algebraischen Multi-Grid-Löser SAMG, die über https://mineralsystems.ethz.ch/software/csmp.html und https://www.scai.fraunhofer.de/ lizenzpflichtig sind. de/geschaeftsfelder/schnelle-loeser/produkte/samg.html. Die notwendigen Informationen zur numerischen Methode und den Simulationsaufbauten finden Sie im Methodenteil und den darin enthaltenen Referenzen (Weis, 2015; Weis et al., 2012, 2014).

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34496-y

Sillitoe, RH Porphyr-Kupfersysteme. Wirtschaft. Geol. 105, 3–41 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Catchpole, H., Kouzmanov, K., Putlitz, B., Seo, JH & Fontboté, L. Zonierte Basismetallmineralisierung in einem Porphyrsystem: Ursprung und Entwicklung mineralisierender Flüssigkeiten im Distrikt Morococha in Peru. Econ Geol 110, 39–71. https://doi.org/10.2113/econgeo.110.1.39 (2015).

Artikel Google Scholar

Hedenquist, JW, Arribas, A. & Reynolds, TJ Entwicklung eines intrusionszentrierten hydrothermischen Systems; Porphyr- und epithermale Cu-Au-Lagerstätten im äußersten Südosten von Lepanto auf den Philippinen. Wirtschaft. Geol. 93, 373–404 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Rusk, BG, Reed, MH & Dilles, JH Hinweise auf Flüssigkeitseinschlüsse für magmatisch-hydrothermale Flüssigkeitsentwicklung in der Porphyr-Kupfer-Molybdän-Lagerstätte bei Butte Montana. Wirtschaft. Geol. 103, 307–334 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Sheppard, SMF, Nielsen, RL & Taylor, HP Wasserstoff- und Sauerstoffisotopenverhältnisse in Mineralien aus Porphyr-Kupfer-Lagerstätten. Wirtschaft. Geol. 66, 515–542 (1971).

Artikel CAS Google Scholar

Proffett, JM Geologie der Porphyr-Kupfer-Gold-Lagerstätte Bajo de la Alumbrera in Argentinien. Wirtschaft. Geol. 98, 1535–1574 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Fekete, S. et al. Gegensätzliche hydrologische Prozesse des meteorischen Wassereinbruchs während der magmatisch-hydrothermischen Erzablagerung: eine Sauerstoffisotopenstudie mittels Ionenmikrosonde. Erde-Planet-Sci. Lette. 451, 263–271 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Li, Z.-Z. et al. Das Eindringen von meteorischem Wasser löst Molybdänit-Ausfällung in Porphyr-Mo-Lagerstätten aus: eine Fallstudie der riesigen Mo-Lagerstätte Chalukou. Erzgeol. Rev. 109, 144–162 (2019).

Artikel Google Scholar

Seward, TM & Barnes, HL Metalltransport durch hydrothermale Erzflüssigkeiten. In Geochemistry of hydrothermal ore resources (Hrsg. Hubert, LB) 435–486 (Wiley, 1997).

Wood, SA & Samson, IM Löslichkeit von Erzmineralien und Komplexierung von Erzmetallen in hydrothermalen Lösungen. In Techniken in der Geologie hydrothermaler Erzlagerstätten. (Hrsg. Jeremy, PR & Peter, BL) 33–80 (Society of Economic Geologists, Littleton, 1998).

Audétat, A. Der Metallgehalt magmatisch-hydrothermaler Flüssigkeiten und seine Beziehung zum Mineralisierungspotential. Wirtschaft. Geol. 114, 1033–1056 (2019).

Artikel Google Scholar

Kouzmanov, K. & Pokrovski, GS Hydrothermale Kontrollen der Metallverteilung in porphyrischen Cu (-Mo-Au)-Systemen. In Geology and Genesis of Major Copper Deposits and Districts of the World: A Tribute to Richard H. Sillitoe Vol. 16 (Hrsg. Hedenquist, JW, Harris, M. & Camus, F.) 573–618 (Society of Economic Geologists Special Publication, 2012).

Simon, AC, Pettke, T., Candela, PA, Piccoli, PM & Heinrich, CA Kupferverteilung in einer Schmelze-Dampf-Sole-Magnetit-Pyrrhotin-Anordnung. Geochim. Kosmochim. Acta 70, 5583–5600 (2006).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lerchbaumer, L. & Audétat, A. Hohe Cu-Konzentrationen in dampfförmigen Flüssigkeitseinschlüssen: Ein Artefakt?. Geochim. Kosmochim. Acta 88, 255–274 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Seo, JH & Heinrich, CA Selektive Kupferdiffusion in in Quarz enthaltene Dampfeinschlüsse: Hinweise auf andere Wirtsmineralien, treibende Kräfte und Konsequenzen für die Cu-Au-Erzbildung. Geochim. Kosmochim. Acta 113, 60–69 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Henley, RW & McNabb, A. Magmatische Dampffahnen und Grundwasser-Wechselwirkung in Porphyr-Kupfer-Einlagerungen. Wirtschaft. Geol. 73, 1–20 (1978).

Artikel CAS Google Scholar

Landtwing, MR et al. Die Porphyr-Cu-Mo-Au-Lagerstätte Bingham Canyon. III. Zonenweise Kupfer-Gold-Erzablagerung durch magmatische Dampfexpansion. Wirtschaft. Geol. 105, 91–118 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Fournier, RO Hydrothermale Prozesse im Zusammenhang mit der Bewegung von Flüssigkeit aus Kunststoff in sprödes Gestein in der magmatisch-epithermalen Umgebung. Wirtschaft. Geol. 94, 1193–1211 (1999).

Artikel CAS Google Scholar

Monecke, T. et al. Quarzlöslichkeit im H2O-NaCl-System: ein Rahmen zum Verständnis der Aderbildung in Porphyr-Kupfer-Lagerstätten. Wirtschaft. Geol. 113, 1007–1046 (2018).

Artikel Google Scholar

Schirra, M., Laurent, O., Zwyer, T., Driesner, T. & Heinrich, CA Flüssigkeitsentwicklung in der Porphyr-Cu-Au-Lagerstätte Batu Hijau, Indonesien: hypogene Sulfidfällung aus einer einphasigen wässrigen magmatischen Flüssigkeit während der Chloritphase –Weiß-Glimmer-Änderung. Wirtschaft. Geol. 117, 979–1012 (2022).

Artikel Google Scholar

Magee, C. et al. Magma-Rohrleitungssysteme: eine geophysikalische Perspektive. J. Benzin. 59, 1217–1251 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Blundy, J. et al. Das wirtschaftliche Potenzial metallhaltiger subvulkanischen Solen. R. Soc. Öffnen Sie Sci. 8(202192), 1–28. https://doi.org/10.1098/rsos.202192 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Weis, P., Driesner, T. & Heinrich, CA Porphyr-Kupfer-Erzschalen bilden sich an stabilen Druck-Temperatur-Fronten innerhalb dynamischer Flüssigkeitsfahnen. Science 338, 1613–1616 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Lecumberri-Sanchez, P., Steele-MacInnis, M., Weis, P., Driesner, T. & Bodnar, RJ Salzniederschlag in magmatisch-hydrothermalen Systemen, die mit Plutons der oberen Kruste verbunden sind. Geologie 43, 1063–1066 (2015).

CAS Google Scholar

Audétat, A. Ein Plädoyer für mehr Skepsis gegenüber Flüssigkeitseinschlüssen: Teil II. Die Homogenisierung durch Halitauflösung in Soleeinschlüssen aus magmatisch-hydrothermischen Systemen ist häufig das Ergebnis von Modifikationen nach dem Einschluss. Wirtschaft. Geol. 118(1), 43–55. https://doi.org/10.5382/econgeo.4974 (2023).

Artikel Google Scholar

Weis, P. Das dynamische Zusammenspiel zwischen Salzflüssigkeitsfluss und Gesteinspermeabilität in magmatisch-hydrothermischen Systemen. Geofluids 15(1–2), 350–371 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Afanasyev, A., Blundy, J., Melnik, O. & Sparks, S. Bildung magmatischer Solelinsen durch fokussierten Flüssigkeitsfluss unter Vulkanen. Erde-Planet-Sci. Lette. 486, 119–128. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.01.013 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ingebritsen, SE, Geiger, S., Hurwitz, S. & Driesner, T. Numerische Simulation magmatischer hydrothermaler Systeme. Rev. Geophys. https://doi.org/10.1029/2009RG000287 (2010).

Artikel Google Scholar

Korges, M., Weis, P. & Andersen, C. Die Rolle des inkrementellen Magmakammerwachstums bei der Erzbildung in Porphyr-Kupfer-Systemen. Erde-Planet-Sci. Lette. 552, 116584 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Rodríguez, A., Weis, P., Magnall, JM & Gleeson, SA Hydrodynamische Einschränkungen der Erzbildung durch Flüssigkeitsströmung im Beckenmaßstab an Kontinentalrändern: Modellierung der Zn-Metallogenese im devonischen Selwyn-Becken. Geochem. Geophys. 22, e2020GC009453 (2021).

ADS Google Scholar

Weis, P., Driesner, T., Coumou, D. & Geiger, S. Hydrothermale, mehrphasige Konvektion von H2O-NaCl-Flüssigkeiten von Umgebungs- bis magmatischen Temperaturen: ein neues numerisches Schema und Benchmarks für den Codevergleich. Geofluids 14, 347–371 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Driesner, T. Das System H2O–NaCl. Teil II: Korrelationen für Molvolumen, Enthalpie und isobare Wärmekapazität von 0 bis 1000 °C, 1 bis 5000 bar und 0 bis 1 XNaCl. Geochim. Kosmochim. Acta 71(20), 4902–4919. https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.05.026 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Driesner, T. & Heinrich, CA Das System H2O–NaCl. Teil I: Korrelationsformeln für Phasenbeziehungen im Temperatur-Druck-Zusammensetzungsraum von 0 bis 1000 °C, 0 bis 5000 bar und 0 bis 1 XNaCl. Geochim. Kosmochim. Acta 71(20), 4880–4901. https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.01.033 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ingebritsen, SE, Sanford, WE & Neuzil, CE Grundwasser in geologischen Prozessen (Cambridge University Press, 2006).

Buchen Sie Google Scholar

Yao, Q. & Demicco, RV Dolomitisierung der kambrischen Karbonatplattform, südkanadische Rocky Mountains; Dolomitfrontgeometrie, Fluideinschlussgeochemie, Isotopensignatur und hydrogeologische Modellierungsstudien. Bin. J. Sci. 297, 892–938 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yapparova, A., Gabellone, T., Whitaker, F., Kulik, DA & Matthäi, SK Reaktive Transportmodellierung der Dolomitisierung unter Verwendung des neuen gem-gekoppelten Codes csmp++: maßgebliche Gleichungen, Lösungsmethode und Benchmarking-Ergebnisse. Transp. Poröses Med. 117, 385–413 (2017).

Artikel MathSciNet CAS Google Scholar

Yapparova, A., Gabellone, T., Whitaker, F., Kulik, DA & Matthäi, SK Reaktive Transportmodellierung der hydrothermischen Dolomitisierung unter Verwendung des CSMP++ GEM-gekoppelten Codes: Auswirkungen von Temperatur und geologischer Heterogenität. Chem. Geol. 466, 562–574 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Schöpa, A., Annen, C., Dilles, JH, Sparks, RSJ & Blundy, JD Magma-Einlagerungsraten und Porphyr-Kupfer-Lagerstätten: thermische Modellierung des Yerington-Batholithen Nevada. Wirtschaft. Geol. 112, 1653–1672 (2017).

Artikel Google Scholar

Lamy-Chappuis, B., Heinrich, CA, Driesner, T. & Weis, P. Mechanismen und Muster des magmatischen Flüssigkeitstransports bei kühlenden wasserhaltigen Intrusionen. Erde-Planet-Sci. Lette. 535, 116111 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Hayba, DO & Ingebritsen, SE Mehrphasige Grundwasserströmung in der Nähe von Kühlplutons. J. Geophys. Res. Solid Earth 102, 12235–12252 (1997).

Artikel Google Scholar

Plotinskaya, OY, Grabezhev, AI, Groznova, EO, Seltmann, R. & Lehmann, B. Das spätpaläozoische Porphyr-Epithermalspektrum des Birgilda-Tomino-Erzclusters im Südural Russland. J. Asiatische Erdwissenschaften. 79, 910–931 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Nash, JT & Theodore, TG Erzflüssigkeiten in der Porphyr-Kupfer-Lagerstätte im Copper Canyon Nevada. Wirtschaft. Geol. 66, 385–399 (1971).

Artikel CAS Google Scholar

Mao, J. et al. Porphyrische Cu-Au-Mo-epithermale Ag-Pb-Zn-distale hydrothermale Au-Lagerstätten im Gebiet Dexing, Provinz Jiangxi, Ostchina – ein verbundenes Erzsystem. Erzgeol. Rev. 43, 203–216 (2011).

Artikel Google Scholar

Masterman, GJ et al. Fluidchemie, strukturelle Lage und Lagergeschichte der epithermalen Cu-Mo-Porphyr- und Cu-Ag-Au-Adern Rosario, Distrikt Collahuasi, Nordchile. Wirtschaft. Geol. 100, 835–862 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Bodnar, R., Lecumberri-Sanchez, P., Moncada, D. & Steele-MacInnis, M. 13.5 – Flüssigkeitseinschlüsse in hydrothermalen Erzlagerstätten. In Treatise on Geochemistry 119–142 (Elsevier, 2014).

Lang, JR & Eastoe, CR Beziehungen zwischen einer Porphyr-Cu-Mo-Lagerstätte, Basis- und Edelmetalladern und Laramid-Intrusionen, Mineral Park Arizona. Wirtschaft. Geol. 83, 551–567 (1988).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken G. Pokrovski und K. Kouzmanov für die Bereitstellung der Metalllöslichkeitsdaten, die zur Ableitung der Parametrisierung in dieser Modellierungsstudie verwendet wurden. Wir danken außerdem zwei anonymen Gutachtern für ihre sehr aufschlussreichen und konstruktiven Gutachten, die zur Verbesserung des Manuskripts beigetragen haben. Dieses Projekt ist Teil des internationalen Graduiertenkollegs StRATEGy an der Universität Potsdam (Deutschland) und wurde gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Brandenburg gefördert.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Institut für Geo- und Umweltwissenschaften, Universität Potsdam, Karl-Liebknecht-Straße 24/25, 14476, Potsdam, Deutschland

Malte Stoltnow, Philipp Weis & Maximilian Korges

GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum, Telegrafenberg, 14473, Potsdam, Deutschland

Malte Stoltnow & Philipp Weis

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MS hat den ersten Entwurf des Manuskripts und der Abbildungen erstellt, mit Beiträgen von PW. Alle Autoren haben zu den Überarbeitungen beigetragen. PW hat für dieses spezielle Setup neue Funktionalitäten geschrieben und bereits vorhandene Teile der Software bearbeitet. PW und MK verarbeiteten Daten für neue Parametrisierungen der Software. MS hat Simulationsläufe in der Software eingerichtet und in Zusammenarbeit mit PW und MK die von der Software erfassten Daten ausgewertet und interpretiert

Korrespondenz mit Malte Stoltnow.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: Die ursprüngliche Version dieses Artikels enthielt einen Fehler in den Methoden unter der Unterüberschrift „Maßgebliche Gleichungen“, wo die Notation von Gleichung 6 falsch war. Ausführliche Informationen zur vorgenommenen Korrektur finden Sie in der Korrektur zu diesem Artikel.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Stoltnow, M., Weis, P. & Korges, M. Hydrologische Kontrollen der Grundmetallausfällung und Zoneneinteilung am Porphyr-Epithermal-Übergang, eingeschränkt durch numerische Modellierung. Sci Rep 13, 3786 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30572-5

Zitat herunterladen

Eingegangen: 22. Dezember 2022

Angenommen: 27. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30572-5

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.