Reactive transport modeling of the role of fluorine-rich groundwater in the formation of fluorite ore deposits in the Illinois-Kentucky district, USA

Abstract

The Illinois-Kentucky ore district hosts the largest deposits of fluorite in the USA. A long-standing hypothesis for the formation of the Illinois-Kentucky deposits is that the ore fluid was a sedimentary brine infused with F-rich fluids exsolved from Permian ultramafic magmas. This ore fluid may have had a F concentration between 680 and 4,300 ppm, three orders of magnitude greater than typical F concentrations in sedimentary brines, and a highly acidic pH between 0 and 1.4. The ore fluid likely ascended faults that intersected permeable limestone formations where neutralization of the ore fluid by reaction with limestone likely drove fluorite precipitation. The present study was undertaken to test the implications of such an acidic F-rich fluid for fluorite ore formation using reactive transport modeling. The models show that an acidic F-rich fluid could have ascended a silicified fault transecting 100s of meters of limestone without becoming neutralized. Upon exiting the fault into a limestone aquifer, the F-rich fluid would have reacted with the limestone and become neutralized within a few meters, producing intense localized limestone dissolution. The models indicate that the neutralization of acidic F-rich fluid is an efficient fluorite precipitation mechanism that can quickly produce a large fluorite-dominant mineral deposit and abundant host rock dissolution consistent with field observations. Conversely, an ore fluid that has a low F concentration and a higher pH more typical of sedimentary brines cannot produce a fluorite-dominant deposit as large as those observed in the field within a geologically reasonable amount of time.

Résumé

Le district minier de l’Illinois-Kentucky héberge les gisements de fluorine les plus importants des Etats Unis d’Amérique. Une hypothèse ancienne concernant la formation des gisements de l’Illinois-Kentucky est que le fluide minéralier était une saumure sédimentaire imprégnée par des fluides riches en F expulsés des magmas ultramafiques du Permien. Ce fluide minéral peut avoir eu une concentration en F comprise entre 680 et 4,300 ppm, soit trois ordres de grandeur au-dessus des concentrations en F classiques dans les saumures sédimentaires, et un pH fortement acide entre 0 et 1.4. Le fluide minéral semble être remonté par des failles recoupant des formations calcaires perméables dans lesquelles la neutralisation du fluide minéral par réaction avec les calcaires a probablement entraîné la précipitation de la fluorine. La présente étude a été conduite dans le but de tester l’implication d’un tel. fluide acide, riche en F dans la formation d’un gisement de fluorine en utilisant un modèle de transport réactif. Les modèles montrent qu’un fluide acide, riche en F pourrait avoir remonté le long d’une faille silicifiée recoupant des 100 aines de mètres de calcaires sans subir de neutralisation. Au point de pénétration de la faille dans l’aquifère calcaire, le fluide riche en F aurait réagi avec le calcaire et aurait été neutralisé en quelques mètres, provoquant une intense dissolution localisée du calcaire. Les modèles indiquent que la neutralisation d’un fluide acide riche en F est un mécanisme efficace de précipitation de la fluorine qui peut rapidement produire un dépôt minéral important à dominante fluoritique et la dissolution abondante de la roche-hôte, ceci en accord avec les observations de terrain. Inversement, un fluide minéral qui a une concentration en F basse et un pH élevé, plus typique des saumures sédimentaires, ne peut pas produire un dépôt à dominante fluorée aussi important que ceux observés sur le terrain dans un délai géologiquement raisonnable.

Resumen

El distrito minero de Illinois-Kentucky contiene los mayores yacimientos de fluorita de los Estados Unidos. Una hipótesis de hace mucho tiempo sobre la formación de los depósitos de Illinois-Kentucky es que el fluido mineral era una salmuera sedimentaria inyectada con fluidos ricos en F disueltos en magmas ultramáficos del Pérmico. Este fluido mineral puede haber tenido una concentración de F entre 680 y 4,300 ppm, tres órdenes de magnitud mayor que las concentraciones típicas de F en las salmueras sedimentarias, y un pH altamente ácido entre 0 y 1.4. El fluido mineral probablemente ascendió por fallas que interceptaron formaciones calcáreas permeables donde la neutralización del fluido mineral por reacción con la caliza probablemente impulsó la precipitación de fluorita. El presente estudio se llevó a cabo para comprobar las consecuencias de un fluido tan ácido y rico en F para la formación de mineral de fluorita utilizando modelos de transporte reactivo. Los modelos muestran que un fluido ácido y rico en F podría haber ascendido por una falla silicificada que atraviesa cientos de metros de caliza sin neutralizarse. Al salir de la falla hacia un acuífero calcáreo, el fluido rico en F habría reaccionado con la caliza y se habría neutralizado en pocos metros, produciendo una intensa disolución localizada de la caliza. Los modelos indican que la neutralización del fluido ácido, rico en F, es un mecanismo eficiente de precipitación de fluorita que puede producir rápidamente un gran depósito de mineral dominante de fluorita y una abundante disolución de la roca receptora, consistente con las observaciones de campo. Por el contrario, un fluido mineral que tiene una baja concentración de F y un pH más alto, más típico de las salmueras sedimentarias, no puede producir un depósito dominante de fluorita tan grande como los observados en el campo dentro de una cantidad de tiempo geológicamente razonable.

摘要

伊利诺伊州-肯塔基州矿区拥有美国最大的萤石矿床。对于伊利诺伊州-肯塔基州矿床形成, 长期假设的是, 矿石流体是注入了从二叠纪超镁铁质岩浆溶出的富氟流体的沉积盐水。这种矿石流体的 F 浓度可能在 680 到 4,300 ppm 之间, 比沉积盐水中的典型 F 浓度高三个数量级, 并且pH呈高酸性, 值从0 到 1.4 之间。矿石流体可能沿切断上升, 该断层切割渗透性好的石灰岩地层, 在该处通过与石灰石反应中和矿石流体从而驱动萤石沉淀。本研究旨在使用反应性传输模型测试这种酸性、富 F 流体对萤石矿形成的影响。模型表明, 富含 F 的酸性流体可能在没有被中和的情况下上升到切割 100 米石灰岩的硅化断层。在离开断层进入石灰岩含水层后, 富氟流体将与石灰岩发生反应并在几米内被中和, 从而产生强烈的局部石灰岩溶解。这些模型表明, 酸性富氟流体的中和是有效的萤石沉淀机制, 可以快速产生大量以萤石为主的矿床和促进丰富的母岩溶解, 这与现场观测结果一致。相反, 具有低 F 浓度和较高 pH 值的更典型沉积盐水的矿石流体不能在地质视角合理的时间内产生与现场观察到的一样大的以萤石为主的矿床。

Resumo

O distrito mineral de Illinois-Kentucky abriga os maiores depósitos de fluorita nos USA. Uma hipótese que perdura sobre a formação dos depósitos Illinois-Kentucky é que o fluido rochoso era uma salmoura sedimentar infusa em fluidos ricos em F dissolvidos de magmas ultra máficos do Permiano. Esse fluído mineral pôde ter concentrações de F entre 680 e 4,300 ppm, três ordens de magnitude maior que as concentrações de F em salmouras sedimentares, e um pH altamente ácido entre 0 e 1.4. O fluido mineral provavelmente ascendeu por falhas que interseccionam formações calcárias permeáveis onde a neutralização do fluído mineral pela reação com o calcário provavelmente gerou a precipitação de fluoreto. O estudo presente foi executado para testar as implicações de um fluido rico em F acidificado para a formação de rocha fluoretada usando modelagem de transporte reativo. Os modelos mostram que um fluido rico em F acidificado pode ter ascendido uma falha silicificada transectando 100 metros de calcário sem tornar-se neutralizado. Em consequência da existência de uma falha no aquífero calcário, o fluído rico em F reagiria com o calcário e se tornaria neutralizado com poucos metros, produzindo uma dissolução intensa localizada de calcário. Os modelos indicam que a neutralização do fluido rico em F acidificado é um mecanismo de precipitação eficiente de fluorita que pode rapidamente produzir um grande deposito mineral dominante em fluorita e abrigo abundante de dissolução de rocha consistente com observações de campo. Por outro lado, um fluxo mineral que tenha uma concentração de F baixa e um pH maior, mais típico de salmouras sedimentares não podem produzir um deposito com dominância de fluorita tão grande quanto aqueles observados no campo com uma quantidade de tempo razoável geologicamente.