Role of hydrodynamic factors in controlling the formation and location of unconformity-related uranium deposits: insights from reactive-flow modeling

Abstract

The role of hydrodynamic factors in controlling the formation and location of unconformity-related uranium (URU) deposits in sedimentary basins during tectonically quiet periods is investigated. A number of reactive-flow modeling experiments at the deposit scale were carried out by assigning different dip angles and directions to a fault and various permeabilities to hydrostratigraphic units). The results show that the fault dip angle and direction, and permeability of the hydrostratigraphic units govern the convection pattern, temperature distribution, and uranium mineralization. A vertical fault results in uranium mineralization at the bottom of the fault within the basement, while a dipping fault leads to precipitation of uraninite below the unconformity either away from or along the plane of the fault, depending on the fault permeability. A more permeable fault causes uraninite precipitates along the fault plane, whereas a less permeable one gives rise to the precipitation of uraninite away from it. No economic ore mineralization can form when either very low or very high permeabilities are assigned to the sandstone or basement suggesting that these units seem to have an optimal window of permeability for the formation of uranium deposits. Physicochemical parameters also exert an additional control in both the location and grade of URU deposits. These results indicate that the difference in size and grade of different URU deposits may result from variation in fluid flow pattern and physicochemical conditions, caused by the change in structural features and hydraulic properties of the stratigraphic units involved.

Résumé

Le rôle des facteurs hydrodynamiques dans le contrôle de la formation et de l’emplacement des dépôts d’uranium associés à des discontinuités (URU) dans des bassins sédimentaires au cours des périodes de calme tectonique est étudié. Un certain nombre d’expériences de modélisation de transport réactif à l’échelle du dépôt a été effectué en attribuant différents angles de pendange et directions à une faille et différentes perméabilités à des unités hydrostratigraphiques (exemple des bassins au Canada). Les résultats montrent que l’angle de pendage de la faille et la direction, et la perméabilité des unités hydrostratigraphiques régissent le mode de convection, la distribution de la température et la minéralisation de l’uranium. Une faille verticale donne lieu à une minéralisation d’uranium à la base de la faille dans socle, tandis qu’une faille avec pendage conduit à la précipitation d’uraninite en dessous de la discontinuité, soit loin de ou le long du plan de faille, en fonction de la perméabilité de la faille. Une faille plus perméable cause des précipités d’uraninite le long du plan de faille, alors qu’une faille moins perméable donne lieu à la précipitation d’uraninite loin d’elle. Aucune minéralisation de minerai économique peut se former lorsque des perméabilités soit très faibles soit très élevées sont attribuées au grès ou au sous-sol suggérant que ces unités semblent avoir une fenêtre optimale de perméabilité pour la formation de dépôts d’uranium. Les paramètres physicochimiques exercent également un contrôle supplémentaire à la fois dans l’emplacement et la qualité des dépôts URU. Ces résultats indiquent que la différence en taille et qualité des différents dépôts URU peut résulter d’une variation dans le mode d’écoulement du fluide et des conditions physicochimiques, provoquée par un changement des caractéristiques structurelles et des propriétés hydrauliques des unités stratigraphiques concernées.

Resumen

Se investiga el rol de los factores hidrodinámicos en el control de la formación y la localización de los depósitos de uranio relacionados con discordancias (URU) en cuencas sedimentarias durante períodos tectónicamente calmos. Se llevaron a cabo una serie de experimentos con modelos de flujo reactivo a escala del depósito asignando diferentes ángulos y direcciones de inclinación a una falla y varias permeabilidades a las unidades hidroestratigráficas (ejemplos de cuencas en Canadá). Los resultados muestran que el ángulo de inclinación y la dirección de las fallas y la permeabilidad de las unidades hidroestratigráfica gobiernan el esquema de convección, la distribución de la temperatura, y la mineralización de uranio. Una falla vertical da como resultado en la mineralización de uranio en la parte inferior de la falla dentro del basamento, mientras que una falla en inclinación conduce a una precipitación de uraninita por debajo de la discordancia tanto fuera como a lo largo del plano de la falla, dependiendo de la permeabilidad de la falla. Una falla más permeable produce precipitados de uraninita a lo largo del plano de la falla, mientras que una menos permeable da origen a una precipitación de uraninita alejada de ella. No se puede formar ninguna mineralización económica tanto cuando se asignan muy bajas o muy altas permeabilidades a areniscas o al basamento lo que sugiere que estas unidades parecen tener una ventana óptima de permeabilidad para la formación de depósitos de uranio. Los parámetros fisicoquímicos también ejercen un control adicional tanto en la localización y como en el grado de los depósitos URU. Estos resultados indican que la diferencia en el tamaño y el grado de los diferentes depósitos URU puede ser el resultado de las variaciones del esquema de flujo y en las condiciones fisicoquímicas de los fluidos, causadas por el cambio en las características estructurales y las propiedades hidráulicas de las unidades estratigráficas involucrados.

Resumo

O papel de fatores hidrodinâmicos no controle da formação e locação de depósitos de urânio relacionados a discordâncias (URD) em bacias sedimentares durante períodos tectônicos calmos foi investigado. Vários experimentos de modelagem de fluxo reativo em escala de depósito foram conduzidos pela atribuição de ângulos de mergulho e direções de falhas e várias permeabilidades a unidades hidroestratigráficas (exemplos de bacias no Canadá). Os resultados mostraram que o ângulo de mergulho das falhas e direção, e a permeabilidade da unidade hidroestratigráfica governam o padrão de convecção, distribuição e temperatura, e mineralização do urânio. Uma falha vertical resulta na mineralização do urânio no fundo da falha dentro do embasamento, enquanto uma falha inclinada leva à precipitação de uraninita abaixo da discordância, quer seja para longe ou ao longo do plano da falha, dependendo da permeabilidade da falha. Uma falha mais permeável causa precipitação da uraninita ao longo do plano da falha, enquanto uma menos permeável dá origem a precipitação da uraninita longe dela. Nenhuma mineralização económica do minério se forma quando nem permeabilidades muito baixas nem muito elevadas são atribuídas ao arenito ou embasamento, sugerindo que estas unidades parecem ter uma janela de permeabilidade ótima para a formação de depósitos de urânio. Parâmetros físico-químicos também exercem um controle adicional, tanto na localização quanto no grau dos depósitos de URD. Estes resultados indicam que a diferença de tamanho e grau de diferentes depósitos de URD pode resultar das variações do padrão de fluxo e de condições físico-químicas dos fluidos, causadas pela mudança de características estruturais e propriedades hidráulicas das unidades estratigráficas envolvidas.