Transport phenomena in hydrothermal systems : the redistribution of chemical components around cooling magmas
Authors: Norton Denis 
Published: March 2019

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.