沉积岩型金矿床中构造对流体流动与金沉淀控制的数值模拟

《Journal of Structural Geology》：Numerical Simulation of Structural Controls on Fluid Flow and Gold Precipitation in A Sedimentary Rock-hosted Gold Deposit

　　

摘要

流体流动的结构控制及沉积岩型雅达金矿床中金沉淀的过程通过数值模拟进行了研究，以揭示金矿化期间多个物理和化学场的耦合过程。雅达金矿床的围岩由变形和变质的石灰岩和粉砂岩组成。金矿体定位于高角度逆断层沿线，特别是沿倾角细微弯曲带和断层核宽度较小的区域。雅达金矿床中的金沉淀主要通过含 [Au(HS)₂]^- 流体与富铁粉砂岩的反应发生。利用有限元方法和已发表的数据，我们建立了复制实际矿体分布的耦合模型。结果显示，由于更大的流体流入，上盘的流体流速和 [Au(HS)₂]^- 浓度远高于下盘，这是由差异孔隙流体压力、渗透率差异分布和断层倾角共同决定的。断层变窄和弯曲部分的流速增加促进了 [Au(HS)₂]^- 向粉砂岩中的更大流入。由此导致的水岩比和反应速率升高触发了 [Au(HS)₂]^- 与富铁粉砂岩反应产生的金沉淀。虽然高孔隙度和渗透率的石灰岩中的矿液显示出高的流速和 [Au(HS)₂]^- 浓度，但石灰岩中缺乏活跃的铁阻止了金的沉淀。这揭示了结构几何形态/岩性对流体流动和金沉淀的协同控制，阐明了矿体形成中的构造 - 流体耦合机制。

引言

总储量超过 10000 吨金的沉积岩型金矿床，包括卡林型（Pinet et al., 2023）、部分造山型（Large et al., 2011）和部分浅成低温热液型金矿床（Vallance et al., 2024），代表地球上金资源的重要部分（Gaboury, 2021; Pinet et al., 2023; Vallance et al., 2024）。在这些系统中，金矿化通常受构造控制，如高角度逆断层弯曲和步移区（例如，重叠步移；Jin et al., 2021; Wang et al., 2023），以及褶皱枢纽和层间滑脱带（Wilson and Leader, 2014; Wilkins and Quayle, 2021）、里德尔剪破裂（Zoheir, 2008）和流变学对比带（Groves et al., 2018）。沉积岩型金矿床的典型围岩包括低级变质岩，如砂岩、千枚岩和页岩（Groves et al., 1993; Large et al., 2011）。尽管存在这些变化，金通常以低盐度、富含 H₂S 流体中的还原硫络合物形式（例如 [Au(HS)₂]^-）运移，沉淀主要由硫化作用驱动，即络合物与围岩中的 Fe²⁺ 反应（例如 Goldfarb et al., 2005; Su et al., 2009; Groves et al., 2018）。

沉积岩型金矿床中矿体的分布受断层几何形态和岩性的共同控制（Hobbs et al., 2007; Micklethwaite et al., 2015; Kohanpour et al., 2018）。以往的研究分别探讨了构造控制（Henry et al., 2006; Kohanpour et al., 2018; Groves et al., 2018, 2020），其他研究则关注流变学和流体 - 岩石相互作用（Vollgger et al., 2020; Voisey et al., 2020; Petrella et al., 2021）。然而，控制流体迁移和金沉淀的耦合机制仍然了解不足（Aghbelagh and Yang, 2014; Wang et al., 2021; Wang and Chi, 2023）。金矿化是由多个物理和化学场的复杂相互作用引起的，涉及流体流动、质量传输、热传递、岩石变形和化学反应（例如 Vearncombe, 1998; Cox, 2005; Chi and Lin, 2015; Deng et al., 2020; Chi et al., 2022; Li et al., 2022; Wang et al., 2022）。解读这一机制需要一种能够捕捉这些参数之间动态反馈的方法。

金矿形成过程在现场难以察觉，也无法在实验室条件下完全复制（Chi and Xue, 2011; Yapparova et al., 2019）。多过程耦合动态数值模拟已被证明可行，可为洞察不同物理场之间的相互作用提供见解（Hobbs et al., 2000, 2007; Jing and Feng, 2003; Zhu et al., 2014; Liu et al., 2021; Malvoisin et al., 2021）。以往的数值模拟调查了不同矿床类型中岩石变形、流体流动或热传递的耦合，包括条带状铁矿（McLellan et al., 2004）、SEDEX 锌铅银矿床（Zhang et al., 2006, 2010; Feltrin et al., 2009; Sheldon et al., 2021）、矽卡岩型铜矿床（Zhang et al., 2011a）、不整合面相关铀矿床（Cui et al., 2012; Li et al., 2017, 2018, 2021）、斑岩铜矿床（Weis et al., 2012）、浅成低温热液金矿床（Chang et al., 2024）和造山型金矿床（例如 Schaubs et al., 2006; Potma et al., 2008）。沉积岩型金矿床中控制矿体形成和分布的多个物理和化学场的具体耦合过程仍不清楚。

这里我们提出中国西南部酉阳盆地沉积岩型雅达金矿床的一个案例研究来解决这一知识空白。酉阳盆地包含数十个金矿床，总储量超过 800 吨金（Wang et al., 2020; Yang et al., 2020, 2022）。以前的研究检查了雅达金矿床的地质学、金矿化的物理化学条件和金沉淀机制（例如 Su et al., 2009; Jin et al., 2021; Wang et al., 2022, 2023），为数值建模提供了坚实基础。为了定量研究断层几何形态和岩性如何通过其对流体流动、热和质量传输以及反应的耦合效应共同控制矿化，我们基于有限元数值模拟方法构建了一个集成模型（Li et al., 2009; Petrillo et al., 2019）。该方法耦合了应力、流体流动、热传递、质量传输和化学反应，对于捕捉控制矿体定位的动态相互作用至关重要。具体来说，数值模拟用于揭示特定的几何特征，特别是断层带宽度和弯曲，如何控制流体流动路径和压力分布，从而决定金沉淀机制。

章节摘要

地质背景

雅达金矿床是酉阳盆地中一个代表性的构造控制金矿床，其形状、大小和产出主要受区域 EW 向褶皱和断层控制，这些褶皱和断层是由 NS 向挤压形成的（图 1；Zhang et al., 2003; Hu et al., 2017; Li et al., 2020; Wang et al., 2020; Yang et al., 2021a）。酉阳盆地在印支期（三叠纪）和燕山期（侏罗纪 - 白垩纪）造山运动中经历了多阶段构造变形，导致

数值建模框架

我们使用有限元方法开发了一个多场耦合数值模型。该模型求解一组控制方程（详见第 3.2 节），定量描述了热液成矿过程中涉及的耦合物理和化学过程。该方法已被广泛应用于地球系统过程建模（Olivo et al., 2006; Cui et al., 2012; Ingebritsen and Appold, 2012; Petrillo et al., 2019; Goldman et al., 2022）。

控制方程与场耦合

该模型耦合了五个相互作用的

建模结果

在 150 年流体压力为 50 MPa 下多场耦合模型的结果如图 4 所示。应力场说明了模型内的整体位移和变形模式，浅层区域的幅度大于深层区域（图 4a）。

流体流场中孔隙流体压力的分布显著受初始静水压力和断层基底超压流体的影响（Sibson, 2004），导致

讨论

Fe(S, As)₂Au₂·S 的浓度作为模型中金品位分布的指标。Fe(S, As)₂Au₂·S 浓度在上盘粉砂岩中 F₁ 断层中部、F₂ 断层中下部和 F₃ 断层上部显著增加（图 4f）。这些高 Fe(S, As)₂Au₂·S 浓度与实际矿体位置吻合良好（图 4f）。所有矿体位于高角度

结论

本研究开发了一个综合的矿床尺度数值模型，以追踪酉阳盆地雅达金矿床中的多场耦合过程。建模显示，流体流动和金沉淀受断层几何形态和围岩中铁浓度的控制。金矿体出现在断层变窄和弯曲部分紧邻的上盘粉砂岩中。上盘金络合物（[Au(HS)₂]^-）浓度更高

CRediT 作者贡献声明

杨林：写作 – 审阅与编辑，资金获取，概念化。赵世宇：写作 – 原稿，软件，方法学，形式分析。曾玉山：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿。李华建：写作 – 审阅与编辑，方法学。王庆飞：写作 – 审阅与编辑，资金获取，概念化。刘钊：写作 – 审阅与编辑

未引用参考文献

Groves, 1993; Wilkins and Quayle, 2021.

资助

本研究由中国国家自然科学基金（42125203）、国家重点研发计划（2020YFA0714802）、“深时数字地球”中央高校前沿科学中心团队基金、中国地质大学（北京）（2652023001）以及科学技术部 111 计划（BP0719021）共同资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢编辑伊恩·阿尔索普（Ian Alsop）和马尼什·A·曼塔尼（Manish A. Mamtani），以及两位匿名审稿人在审稿过程中提供的建设性意见。我们感谢迟国祥教授对稿件早期版本提出的建设性意见。

赵世宇 | 杨林 | 李华建 | 曾玉山 | 刘钊 | 王庆飞

中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室，中国 北京 100083