1。介绍

最近的数值建模技术的进步带来了前所未有的机遇探索和量化的热液成矿过程的控制因素。这样的系统是具有挑战性的研究,因为驱动力是相互耦合的,由复杂的化学和物理过程的流动相互作用,在时间和空间演化瞬变。阅读在矿床地质和地球化学记录存档需要深入了解的驱动力。化学反应负责热液蚀变和金属动员从烃源岩和空间集中矿石沉淀,最终形成矿床。理解这些化学反应需要建模复杂fluid-mineral的热力学平衡和金属物种形成的分子控制水液体。物理过程驱动流体流动和渗透率的演化,孔隙和裂缝网络的规模和效率,从而控制金属运输从源沉积。

现代数值方法的日益严格和预测能力允许发展中定量场景解释实地观察。共同细化模拟和数据收集的字段是一个非常强大的,但仍地质新兴工具,允许限制热液成矿过程。这个特殊问题的目的是汇集一系列贡献的研究和评论文章显示最新进展的发展和应用先进的数值模型模拟的成矿过程。这个问题涉及的方面的分子模型金属物种形成、流动平衡的热力学,大规模的物理和化学反应质量输运模型。

2。主题

2.1。流动的热力学平衡

地球化学建模和流动的基本热力学平衡是必不可少的工具,获得地壳的成矿过程的基本理解。地质流体运输金属可以有一个广泛的属性、起源和演化路径(1⁠。岩浆的身体提供热量,金属,和流体来源必须形成斑岩Cu-Mo存款和发展超热中子基础和贵重金属沉积在较浅的深度。这些矿床可以通过一系列复杂的地质形成过程包括冷却和沸腾的岩浆流体/冷凝,与国家互动岩石,与大气水和/或交互。其他存款,如密西西比河谷型铅锌矿和层状sediment-hosted铜存款通常涉及结构控制和交互与氧化还原沉积形成的水域边界(例如,2])。

流动平衡的热力学处理这些化学复杂系统的各个方面。流动反应路径的模拟预测的化学液体和发展平衡态之间的稳定的矿物集合体。准确计算这些矿物的稳定性,水物种,和气体需要足够的活动的发展模型,方程,和潜在的健壮的热力学数据库正确的压力,温度,nonideality的解决方案(例如,3])。解决这些问题将使我们能够限制我们理解金属溶解在水热液pH值的函数,盐度,配体的活动复杂地质环境中与金属和控制他们的机动性。这些知识的基本框架模拟成矿过程和流动相互作用在不同的尺度和条件,可以与讨论的主题部分2。2和2。3。

2.2。金属物种形成的分子模型

金属运输在地球深处在高压力和温度的液体具有复杂的化学组成。的水化和络合金属热液流体中的关键过程控制元素在地壳的流动,形成的矿床是世界上供应的铁、锰、银、金、钯、铜、锌、Co、铅、U,钼开采(4]。在过去的20年里,大量的原位光谱数据,辅以越来越准确从头开始分子动力学模拟和地球化学建模,可以显著提高我们理解金属运输上地壳的化学过程(5]。

从头开始分子动力学(MD)模拟,原子间的相互作用是量子力学描述,提供了一种方式来确定金属配合物的性质和稳定性的情况下,超出实验实用性(综述(6])。这种方法是通过高性能计算资源的可用性和密度泛函理论的实现7]。金属物种形成和水化性能在广泛的温度和压力可以准确地预测利用从头计算分子动力学。计算方法的进步增强抽样允许我们计算化学反应的自由能约束分子动力学(8]。因此,我们可以使用这种方法来衍生物金属络合反应的热力学性质。分子动力学模拟还提供了一种新的方法来研究矿物的结构和热力学性质和融化;因此,现在我们能够预测分区之间微量元素矿物质和融化。结合先进的实验方法如synchrotron-based原位x射线吸收光谱学和原位拉曼光谱,分子模拟提供一个独立的物种形成的再确认和热力学金属和配体的成矿流体。这些方法提供分子水平上的见解负责矿床的形成的化学过程(如综述(5])。

2.3。大规模的物理和化学反应质量输运模型

热液矿床形成流体流动比存款本身更大的系统。了解成矿过程,因此,需要考虑“矿物系统”框架包括金属、液体,和配体的来源,驱动力,流路径,矿沉积。流体流动的数值模拟可以提供有价值的输入建立框架,区分场景荣誉流的物理过程的传热传质和其他场景,似乎从场的角度直观但身体不现实的。身体的关键价值合理的模型是他们做出预测,通常可以测试领域的改善我们的概念的理解这些自然系统是如何工作的。

system-scale建模的典型例子是流体绕流冷却深成岩体,健壮的理解出现时的全部属性水,沸腾的正确治疗,与温度有关的渗透率模型,介绍了Hayba和Ingebritsen9]。之后,更复杂的盐水在岩浆流体属性,改进我们的观点的超热中子和岩浆热液成矿过程和预测如岩浆的作用与大气流体测试(10]。未来的发展方向将把流体流动之间的相互反馈,传热、矿物溶解/沉淀,和岩石力学,即代表明确由断裂力学。后者是关键理解渗透在成矿系统的瞬态特性和确定矿石的结构控制沉积的原因。这些进步将允许探索问题如骨折控制成矿流体或流体压力的路径激活那些特别有利的裂缝流体压力消失吗?

除了超热中子和岩浆热液矿床,模拟研究主要集中在basin-hosted一起在海底块状硫化物矿床成矿系统和主动传播山脊和海底火山弧。未来的研究basin-hosted存款可能会测试更广泛范围的场景包括实际与蒸发盆地演化和构造事件。瓶颈在推进前沿模拟海底块状硫化物的形成可以说是缺乏热力学模型等液体溶质在超临界条件下,防止被动运输模型的应用程序。计算化学方法中提到的部分2。2在关闭这一差距可能会扮演一个关键的角色。

3所示。突出部分和内容的特殊问题

3.1。“CuCl汽相络合:从从头开始分子动力学模拟”,y梅等。

在这项研究中,作者从头开始使用分子动力学模拟调查CuCl的水合作用⁰在HCl-bearing水蒸气复杂流体密度0.02 - -0.09克/厘米³在分子水平上。仿真结果表明CuCl⁰复杂稳定的第二电子层水化和H-bonds低密度液体。本研究的亮点是第一个理论证实beyond-first-shell-hydrated金属复合物中扮演重要角色在低密度热液流体运输。

3.2。使用HKF“水物种的热力学性质计算模型:不同的溶剂水热力学和静电模型如何影响计算水属性呢?“gdp miron2005 et al。

建模的基础化学流动相互作用热力学形式描述溶质的性质作为温度的函数,压力,和液体成分。反过来,这些形式都是基于概念分子相互作用的物理模型(水水,water-solute solute-solute)在水的液体,需要准确表征属性如密度和静态介电常数。虽然这些是可用的环境条件的精度高,不确定性增加随着温度和压力的正确表示。g·d·米隆等人提供了一个评估广泛应用HKF模型的敏感性不同发表表示水的体积和介电性能。他们的研究结果强调目前的高温成矿过程是热力学建模的局限性不是问题的建模软件,但潜在的实验数据和热力学模型需要改进。

3.3。“稀土元素在矿床:在热液流体和分区物种形成方解石“e·p·佩里和a . p . Gysi

在这项研究中,作者模拟的物种形成和溶解性有关的热液流体REE碳酸盐岩和有关稀土矿藏。一系列的物种形成图生产,解释了在平衡稳定的稀土配合物方解石脉的函数博士研究的亮点是进步的模拟变化和稀土元素进入热液方解石作为温度的函数,盐度,配体的热液流体的活动。这项研究强调了不同LREE与三个成分的方解石可以用来解释在矿床形成条件。

3.4。“铀F-Cl-Bearing运输水分和热液改造U-Cu IOCG矿床矿石”y兴et al。

在这项研究中,作者回顾了热力学性质的U (IV / VI) - f, U (IV / VI) cl,和U (IV / VI)在水热条件下-哦水复合物。在此基础上,F和Cl的相对重要性相比,U的水热传输通过计算沥青铀矿和U的溶解度₃O₈(s)在酸性F-bearing解决方案( )在25 - 450°C。此外,无功传输模型进行模拟的变更low-Cu-U magnetite-dominated hematite-stable矿石的液体。研究表明,氟对U运输主要是重要的 ,而超过250°C,氯是更重要的。氟扮演着更重要的角色在控制U IOCG矿床禀赋,F的coenrichment和矿石中U可以实现通过后期变更和升级流程。

3.5。“大洋中脊热液流体化学:比较数值建模和发泄地球化学数据”由美国皮埃尔et al。

数值模拟被用来探索矿物学的演化和流体化学seawater-basalt系统400°C在500酒吧。这些模拟被用来确定质子和阳离子活动,pH值、氧化还原进化的海水在不同的平衡阶段,流动比率。这个手稿的亮点是模拟流体化学与地球化学数据的比较测量海底热泉流体成分从大洋中脊。这些比较允许解释自然数据作为温度的函数和流动比率。

3.6。“渗透率变化造成石英沉淀和溶解上部地壳入侵”s·w·斯科特和t . Driesner

强大的压力和温度梯度的液体循环冷却周围岩浆入侵可能导致明显的孔隙度和渗透率的变化由于矿物溶解和沉淀。s·w·斯科特和t . Driesner目前通用的模拟石英溶解/沉淀,允许一个一阶的量化问题。由于逆行溶解度石英ca。350°C以上,充电地下水热液系统将首先在加热溶解二氧化硅朝着附近的入侵然后再沉淀它入侵,因为它进一步加热。然而,随着降水区域变化是暂时性的内冷却的入侵,整个堵塞效应似乎是有限的,仍然是温和与主要寄主岩石 。这些发现可能对未来相关开发过热在冰岛地热系统目前探索。

3.7。“模拟地震引起的中温的金矿地区沿着根深蒂固的Cadillac-Larder湖的错,Abitibi,加拿大“p . Bedeaux et al。

这项研究调查了对地区级的核相互作用地震、断层活化,和地壳渗透率及其结构控制金沉积。静态应力建模被用来量化和探索Cadillac-Larder湖断层的作用和发展的太古代地震热液系统和地区金矿地区的起源Abitibi,加拿大。长期存在重复出现的地震引发的热液流体沿聚焦流体通路导致迭代矿石形成到地表的放电区域通过情景下降和增大的压力。这个手稿的突出显示这些建模区域关联积极与实际观察到的黄金在Abitibi分布,如Rouyn和Malartic淘金热沿着joanne段地震破裂有关。这些模拟损伤区也被证明与区域交代足迹,可以作为探索的工具。

的利益冲突

编辑们宣称他们没有利益冲突有关的出版这个特殊的问题。

亚历山大Gysi
袁枚
托马斯Driesner