Hydrogeologic modeling of the genesis of carbonate-hosted lead-zinc ores

Abstract

 Carbonate-hosted lead–zinc ore deposits in the Mississippi Valley region of North America and in the central midlands region of Ireland provide good examples where ancient groundwater migration controlled ore formation deep within sedimentary basins. Hydrogeologic and geochemical theories for ore genesis are explored in this paper with mathematical models that allow for complex permeability fields in two or three dimensions, hydrothermal flows in fault systems, and coupled effects of geochemical reactions. The hydrogeologic framework of carbonate-hosted ores is analyzed with the aim of developing a quantitative understanding of the necessary and sufficient processes required to form large ore deposits. Numerical simulations of basin-scale hydrodynamics and of deposit-scale reactive flow are presented to demonstrate the processes controlling low-temperature Pb–Zn ore genesis in two world-class ore districts, in southeast Missouri, USA, and central Ireland.

The numerical models presented here provide a theoretical basis for the following observations: (1) topography-driven brine migration was the most effective mechanism for forming the large ore districts of the Mississippi Valley, such as the Viburnum Trend of southeast Missouri, during the uplift of the Appalachian–Ouachita mountain belt in late Paleozoic time; (2) three-dimensional flow fields were created by a dolomite facies of the Viburnum Trend, which acted as a giant lens for focusing metal and heat in southeast Missouri to produce the largest known concentration of lead in the Earth's crust; (3) ore-mineralization patterns were controlled locally by basement relief, permeability structure, and sandstone pinchouts, because of their effects on cooling and fluid-flow rates along the Viburnum Trend; (4) both density-driven and topography-driven fluid flow were important for ore genesis in the Irish midlands, where brines moved northward away from the Variscan orogen, leaked into the Hercynian basement, and discharged along normal faults up into the sedimentary cover; and (5) mixed convection within northeast–southwest fault planes elevated heat flow and flow rates that fed ore deposition by fluid mixing, in some cases near the Carboniferous seafloor in Ireland.

Résumé

Les dépôts de minerai de plomb-zinc dans les carbonates de la région de la vallée du Mississippi en Amérique du Nord et dans les comtés du centre de l'Irlande fournissent de bons exemples de lieux où, à des époques géologiques passées, les mouvements d'eau souterraine ont contrôlé la formation de minerai en profondeur dans des bassins sédimentaires. Dans ce papier, les théories hydrogéologiques et géochimiques de la formation de minerais sont examinées au moyen de modèles mathématiques qui prennent en compte des champs de perméabilité complexes en deux et en trois dimensions, des écoulements hydrothermaux dans des systèmes de failles et les effets couplés de réactions géochimiques. Le cadre hydrogéologique des minerais dans les formations carbonatées est analysé dans le but de proposer une compréhension quantitative des processus nécessaires et suffisants requis pour former des dépôts de minerais importants. Des simulations numériques de l'hydrodynamique à l'échelle du bassin et de l'écoulement réactif à l'échelle du dépôt sont présentés afin de montrer les processus contrôlant la genèse du minerai Pb–Zn à basse température dans deux districts miniers de référence mondiale, dans le sud-est du Missouri et en Irlande centrale.

Les modèles numériques présentés ici donnent une base théorique aux observations suivantes: 1) la migration de saumure pilotée par la topographie a été le mécanisme le plus évident pour la mise en place des vastes gisements de la vallée du Mississipi, tels que le Viburnum Trend dans le sud-est du Missouri, au cours de la surrection de la chaîne de l'Appalache-Ouachita au Paléozoïque terminal; 2) des champs d'écoulements tridimensionnels ont été créés par un faciès dolomitique du Viburnum Trend, qui se comporte comme une lentille gigantesque concentrant le métal et la chaleur dans le sud-est du Missouri pour produire la plus vaste concentration connue de plomb dans la croûte terrestre; 3) l'organisation des minéralisations métallifères a été localement contrôlée par le relief du substratum, la structure de la perméabilité et le biseautage des grès, à cause de leurs effets sur le refroidissement et sur les flux de fluide le long de Viburnum Trend; 4) les écoulements de fluides commandés à la fois par la densité et par la topographie ont été importants dans la genèse du minerai dans les comtés du centre de l'Irlande, où des saumures se sont écoulées vers le nord à partir de la chaîne varisque, ont pénétré dans le substratum hercynien et se sont écoulées le long de failles normales jusque dans la couverture sédimentaire; et 5) la convection de mélanges dans des plans de failles NE–SW a élevé les flux thermique et hydrique qui ont alimenté la formation de minerai par mélange de fluides, dans certains cas à proximité du fond marin au Carbonifère en Irlande.

Resumen

Los yacimientos minerales de plomo y zinc en rocas carbonatadas en el Valle del Mississippi (EE.UU.) y en las Central Midlands de Irlanda proporcionan buenos ejemplos de cuencas sedimentarias donde las aguas subterráneas controlaron en el pasado la formación de yacimientos de minerales a gran profundidad. En este artículo se estudian teorías hidrogeológicas e hidroquímicas de génesis de yacimientos mediante modelos matemáticos que permiten simular campos de permeabilidad complejos en dos o tres dimensiones, flujo hidrotermal en las fracturas y efectos acoplados de reacciones geoquímicas. Se analiza el marco hidrogeológico de los yacimientos en rocas carbonatadas, con el objetivo de desarrollar, de mod  °Cuantitativo, el conocimiento de los procesos que son necesarios y suficientes para la formación de grandes yacimientos minerales. Se presentan simulaciones numéricas de los procesos hidrodinámicos que tienen lugar a escala de cuenca y del flujo reactivo a escala de depósito para mostrar los procesos que controlan la génesis de los yacimientos de Pb-Zn a bajas temperaturas en las zonas antes mencionadas de Estados Unidos e Irlanda.

Los modelos numéricos proporcionan una base teórica para entender las siguientes observaciones: 1) la migración de salmueras por efectos topográficos fue el principal mecanismo que condujo a la formación de los grandes yacimientos del Valle del Mississippi, como el Viburnum Trend al sudeste de Missouri, formado durante la orogenia de las Appalaches-Ouachita en el Paleozoico Superior; 2) la facies dolomítica del Viburnum Trend originó un flujo tridimensional que actuó como un foco de concentración de metal y calor que dio lugar a la mayor concentración de plom Conocida en la Tierra; 3) la acumulación del mineral quedó controlada localmente por el relieve del basamento, la estructura de permeabilidad y la presencia intercalada de areniscas, debido a sus efectos sobre el enfriamiento y la variación de los caudales subterráneos; 4) tanto el flujo debido a las variaciones de densidad como a las de topografía fueron importantes para la génesis de yacimientos en las Midlands de Irlanda, donde las salmueras se movieron en dirección norte, alejándose del orógeno Variscano, se infiltraron en el basamento Herciniano y descargaron en la cubierta sedimentaria a lo largo de fallas normales; y 5) la convección a lo largo de los planos de fallas de dirección noreste-sudoeste produjo un aumento de los flujos de calor y agua subterránea, lo que contribuyó a la formación de depósitos minerales en algunas zonas de Irlanda.