Surface-derived fluid percolation along detachment systems enhanced by syn-kinematic granites: uranium mineralization as an application

Percolation des fluides météoriques le long des systèmes de détachement favorisées par la mise en place de granites syn-cinématiques : application aux minéralisations uranifères

¹ University of Rennes, CNRS, Geosciences Rennes, UMR 6118, 35000 Rennes, France
² Goethe University Frankfurt, FB 11, Geosciences Institute, Altenhöferallee 1, 60438 Frankfurt, Germany

^* e-mail: khaled.bock@univ-rennes.fr

Received: 15 September 2023
Accepted: 7 May 2024

Abstract

Detachment zones are privileged areas for the interaction between surface-derived fluids and rocks, potentially leading to ore deposition. However, the hydrodynamics of detachments and specifically the way by which surface-derived fluids reach crustal depths, remain enigmatic. This question is even more puzzling when the heating caused by the emplacement of a syn-kinematic granite increases the buoyancy of fluids, thus impeding their descent. Here, 2D hydrothermal numerical models are performed. The geometry comprises a detachment and secondary normal faults in the hanging wall. Sensitivity tests were carried out to assess the impact of topographic gradients, syn-tectonic magmatic activity and the depth-dependent permeability contrast between the detachment and the crust. Several flow indicators, integrated over time and combined with particle tracking, enable us to highlight the main controls of fluid circulations. Our study reveals that the infiltration of surface-derived fluids into detachment zones is enhanced by the presence of a heat source at depth, such as a syn-kinematic pluton. Secondary faults are the main percolation path for surface-derived fluids infiltrating the detachment. Plume-like thermal anomalies have been spotted between these faults. The dynamic permeabilities of magmatic intrusions, which depend on sub-solidus temperatures, spatially and temporally reproduce the conceptual model of uranium mineralization in the South Armorican Variscan Domain, which is used as an example.

Résumé

Les zones de détachement sont des zones privilégiées pour l’interaction entre les fluides de surface et les roches, ce qui peut conduire à des minéralisations. Cependant, l’hydrodynamique des détachements et plus particulièrement la manière dont les fluides météoriques atteignent des profondeurs crustales restent énigmatiques. Cette question est d’autant plus prégnante lorsque la chaleur émise par la mise en place d’un granite syn-cinématique peut augmenter la flottabilité des fluides, limitant ainsi leur descente. Des modèles numériques hydrothermaux en 2D sont donc réalisés dans cette étude. La géométrie comprend un détachement et des failles normales secondaires localisées à son toit. Des tests de sensibilité ont été menés pour évaluer les effets du gradient topographique, de l’activité magmatique syntectonique, ainsi que du contraste de perméabilité entre le système du détachement et la croûte, avec une perméabilité qui varie avec la profondeur. Plusieurs indicateurs de flux, intégrés dans le temps et combinés au suivi des particules, nous permettent de mettre en évidence les principaux contrôles sur la circulation des fluides. Cette étude révèle que l’infiltration des fluides météoriques dans les zones de détachement est favorisée par la présence d’une source de chaleur en profondeur, telle qu’un pluton syn-cinématique. Les failles secondaires constituent la principale voie de percolation des fluides météoriques qui s’infiltrent dans le détachement. Des anomalies thermiques en forme de panache ont été repérées entre ces failles. Les perméabilités dynamiques des intrusions magmatiques, qui dépendent des températures sub-solidus, reproduisent spatialement et temporellement le modèle conceptuel de la minéralisation de l’uranium dans le domaine varisque sud-armoricain, qui est utilisé comme cas d’application.