层控型矽卡岩铜金矿化的流体动力学控制：中国东部桐官山矿田孔隙流体对流的数值模拟

《Journal of Geochemical Exploration》：Fluid-dynamic controls on strata-bound skarn Cu Au mineralization: Numerical modeling of pore-fluid convection in the Tongguanshan orefield, eastern China

　　

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  二维THC模拟揭示了层控型Cu–Au分带作用的机制。
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  储层与盖层之间的渗透率差异控制了矿液的侧向汇聚。
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  Cu和Au络合物的溶解度梯度驱动了金属分带作用。
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  TSR来源的硫强化了硫化物的沉淀。
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  盖层完整性和H₂S供给控制了矿化强度。

引言

层控型矽卡岩系统是具有重要全球意义的一类矿床类型，其成因过程对传统的岩浆-热液成矿模式提出了挑战（Malo等，2000；Meinert等，2005；Shu等，2024）。与经典的接触矽卡岩不同——在后者中，矿化仅局限于岩体边缘——层控型系统通常表现为大规模、强烈的岩性控制特征，以及在同一地层序列系统内呈现的有序金属分带（Chang和Liu，1983；Yu等，1995；Deng和Qu，1995；Shu等，2024）。尽管经过数十年的研究，一个基本的科学问题仍未得到解决，即：单一的、持续的岩浆-热液事件如何能在同一地层剖面中产生稳定的、系统性的金属空间分异，例如铜（Cu）和金（Au）的分带，而无需诉诸多期流体脉冲或独立的矿化阶段（Li等，2019；Osório等，2024）。

虽然早期模型倾向于认为其为同生矿床（Gu，1984；Deng和Qu，1995；Du等，2015），但当前研究越来越多地支持层控型系统具有后生岩浆-热液成因，并与侵入活动有密切的遗传联系（Mao等，2009；Liu等，2014b；Du等，2015；Li等，2018）。然而，周围沉积地层既作为化学缓冲剂又作为物质来源，引入了双重控制作用，其中金属和硫往往源自岩浆流体与反应性围岩之间复杂交互作用的结果（Lu等，2008；Jiang等，2011；Li等，2018；Shi等，2020）。这意味着矿体的空间构造不仅是与岩体有关的化学反应的产物，而是受整个热液系统的动态演化所控制。其核心挑战在于揭示在矿田尺度上调控流体循环、金属迁移以及最终矿化格局的动态机制。

流体流动和质量传输是控制热液系统演化的第一性过程（Cox，2005；Ingebritsen等，2010；Ingebritsen和Appold，2012；Andersen等，2017；Stissi等，2021；Dutrieux等，2023）。流体通道的几何形态、对流循环的效率以及渗透率结构与温度梯度之间的相互作用决定了金属在哪里汇聚、混合并最终沉淀（Rowland和Simmons，2012；Duwiquet等，2021）。由于这些耦合的热-水-化学（THC）过程的内在复杂性使得无法在天然系统中直接观测，数值模拟已成为检验各种成矿假说的不可或缺的工具。自20世纪70年代末的里程碑式研究以来（Norton和Knight，1977；Cathles，1977），模拟研究已发展至完全耦合的THC框架，研究表明由岩体驱动的稳定对流可持续数万年，并组织矿化作用，而无需外部构造聚焦的驱动（Ingebritsen等，2010；Chang和Luo，2021；Fan等，2021；Hu等，2020；Hu等，2022；Hu等，2023a；Hu等，2023b；Shan等，2023；Liu和Zhao，2023；Liu和Zhao，2024；Calisto等，2025）。然而，针对具有侧向流体聚焦和金属分异特征的层状碳酸盐岩组合的数值研究仍然鲜见。

铜官山矿田是解决上述全球性科学问题的理想天然实验室。该矿田包含一系列层控型矽卡岩矿床——包括铜官山铜矿、天马山金（硫）矿和黄狮垴金矿——均受同一中-上石炭统碳酸盐岩单元控制，但在金属组合方面表现出系统性的空间分异（Du等，2004；Wu等，2010；Yang等，2010；Li等，2013；Jiang等，2020；Huang等，2024）。虽然以前的工作为该矿区的成因提供了概念性认识（Yu等，1995；Yu等，1998；Cen和Yu，2001），但近期研究已建立了铜陵地区和铜官山矿田的区矿尺度三维地质框架、找矿预测模型以及物理驱动的数值模拟方法（Zhang等，2021；Liu等，2024）。这些研究显著提升了人们对成矿构造和隐伏矿化潜力的认识。然而，负责产生此类分带作用的热液循环系统的定量重建仍然缺乏。

本研究采用基于有限元的耦合THC数值模拟，重建了铜官山矿田中由岩体驱动的热液系统的演化过程。我们的目标是阐明热驱动孔隙流体对流、流体混合和流体-岩石相互作用如何共同决定铜和金在单次矿化事件中的空间沉淀分布。通过将流体动力学与矿化构造相联系，本研究为理解全球范围内层控型系统中的金属分带提供了基于物理的框架，并为复杂与岩体有关的热液环境中的找矿预测提供了新的启示。

章节摘要

铜陵矿区

铜陵矿区位于长江中下游成矿带中段，是该成矿带内最重要的矿化集中区之一（图1a；Chang等，1991；Zhai等，1992）。区内出露地层以志留纪至第四纪的沉积岩为主（图1b）。志留纪至泥盆系上部地层主要由海相粉砂岩、石英砂岩和页岩组成，而

数值方法与模型

岩浆-热液矿化数值模拟通常采用有限差分法或有限元法（Ingebritsen等，2010）。有限元法在求解耦合多物理场问题方面尤为有效，且经常用于构建复杂模型。以往研究已应用有限元法探索多孔介质中流体流动和热传导对成矿过程的影响（例如Eldursi等，2009；Eldursi等，2018；

结果与讨论

本节系统地展示了铜官山矿田耦合THC数值模拟的结果。首先，描述了参考模型（M0）中物理场（温度、压力和流体速度）和化学场（主要成矿组分）的时空演化过程，以及Cu和Au矿化速率的模拟空间分布。随后，开展了一系列敏感性实验以定量评价

结论

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  耦合热-水-化学（THC）模拟表明，稳定的、由岩体驱动的孔隙流体对流系统在矿化阶段可持续活跃循环约5000年。在高渗透率的中-上石炭统（C₂₊₃）储层（5×10^?13 m²）中，峰值流体速度可达约5×10^?9 m/s。这种强烈的侧向流动汇聚主要受与上覆低渗透率盖层（P₁g–P₂d）之间的岩性差异控制，

CRediT作者贡献声明

Lingshuai Min（闵灵帅）：撰写——初稿、可视化、方法学、概念化。Han Zheng（郑涵）：撰写——审阅与编辑、监督、资助获取、概念化。Feihu Zhou（周飞虎）：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学。Shibo Han（韩石博）：方法学、调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金委员会的资助（批准号：42430812和42372272）。我们衷心感谢中南大学刘良明教授在本手稿准备全过程中提供的宝贵指导。特别感谢铜陵有色金属集团有限公司在野外调查方面的协助以及授予其勘探数据的访问权限。我们同样感谢两位匿名

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