Hydrothermale Prozesse 2 - KIT
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Hydrothermale Prozesse - 2 Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Epithermale Au-Lagerstätten: Merkmale Epithermale Gold-Lagerstätten • aktiver/ rezenter Vulkanismus • seichte krustale Bereiche („Epizone“): 160-270°C; 50-1000 m Tiefe proximal distal Charakteristische Eigenschaften von „low-“ und „high-sulfidation“ epithermalen Lagerstätten Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Epithermale Au-Lagerstätten: Entstehung Epithermale Gold-Lagerstätten • mögliche räumliche und genetische Verbindung zwischen low- and high-sulfidation Low-sulfidation: Round Mountain, Comstock Load, Midas, Sleeper (Nevada, USA) High-Sulfidation: Yanacocha, Pierina, El Indio-Tambo (Anden) Low- and high-sulfidation: Kasuga, Hishikari, Kyushu, Japan Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Epithermale Au-Lagerstätten: Entstehung (nach Arribas et al., 1995) Zweistufiges Bildungsmodell von epithermalen Goldlagerstätten Low-sulfidation Eigenschaft Transport Fällung neutraler pH, reduzierend Au(HS)2- High-sulfidation << pH, oxisch, salinar, hohe Temperaturen Au(HS) • Sieden (H2S Dampfphase) Au(HS)2- + H+ + 0,5H2 Au + H2S • Fluid-Mixing (Zumischung von oxischem Fluid) Au(HS)2- + 8H2O Au + 2SO42- + 3H+ +7,5H2 oder AuCl2- Fluid-Mixing Verdünnung pH - Anstieg Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Epithermale Au-Lagerstätten: Beispiele Die Kasuga und Hishikari (Kyushu, Japan) epithermale Au-Ag-Lagerstätten HS LS (nach Izawa et al., 2001) Schematische Profile durch die Kasuga (a) und Hishikari (b) epithermalen Goldlagerstätten mit der Lage der Vererzung und der Alterationszonen Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Merkmale Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten (volcanogenic/ volcanic-hosted massive sulfide; VMS/VHMS) Allgemeine Charakteristika • Schichtgebundene/ Schichtförmige massive sulfidische Erzkörper von Fe-Cu-Zn±Pb Erze • Mafische bis felsische (oft breccifizierte) Vulkanite ± Pyroklastika Proximal: • Hängende: scharfer Kontakt • Liegende: diffuse Alterationszone ± diskordantes Stockwerk • silizifizierte Sedimente (Fe,Mn) • chloritisierte Nebengesteine Distal: • sedimentär-vulkanogen • Py dominiert • keine Zonalität • keine Alterationszone im Liegenden (aus Misra, 2000) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Merkmale Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten: Zonalität • Vertikale /laterale Zonalität: - Fe Fe+Cu Cu+Pb+Zn Pb+Zn+Ba • Die Zonalität spiegelt Änderungen in der Menge der transportierten Metalle wider - steigende (!) Temperaturen - Komplexierungseigenschaften (Cl-Komplexe) - Zeit (Wachstum des Erzkörpers) Typische Tendenzen in Fluidentwicklung, Erzbildung, Zonalität und paragenetischer Sequenz bei VMS Lagerstätten (nach Large, 1992 aus Robb, 2008) Temperaturabhängige Löslichkeit ausgewählter Metalle unter Bedingungen charakteristisch für die Bildung von VMS Lagerstätten (pH=4; 1M NaCl; aH2S=0.001; SO4/H2S=0.01) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS: Entstehung Submariner Hydrothermalismus „Black smokers“: modernes Pendant der VMS Austrittsstelle einer heißen Quelle in 1.700m Wassertiefe auf dem Grund des Pazifischen Ozeans. Die schwarze Farbe der 340°C heißen Fontäne ist auf feinverteilte Mineralbildungen zurückzuführen. Dieser „Black Smoker“ wurde im Frühjahr 1989 mit dem französischen Tieftauchboot NAUTILE entdeckt. (WEFER, 2002) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Submariner Hydrothermalismus Hydrothermale Schlote („vents“) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. http://www.divediscover.whoi.edu/vents/vent-chemistry.html Cold seawater sinks down through cracks in the crust. Oxygen and potassium are removed from the seawater. Calcium, sulfate and magnesium are removed from the fluid. Sodium, calcium and potassium from the surrounding crust enter the fluid. The fluids have reached their highest temperatures. Copper, zinc, iron, and sulfur from the crust dissolve in the fluids. Hot fluids carrying dissolved metals rise up through crust. The hydrothermal fluids mix with cold, oxygen-rich seawater. Metals and sulfur combine to form black metalsulfide minerals.. Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS: Entstehung Submariner Hydrothermalismus Hydrothermale Schlote Die Skizze zeigt die Charakteristika und Zirkulation der Fluide im Bereich mittelozeanischer Rücken und die Bildung von „black smokers“. Herkunft der Metalle Vulkanite Herkunft des Schwefels marin Argumente: - Massenbilanz - Vererzung und assoziierte Vulkanite zeigen ähnliche Elementverhältnisse - S-Isotopie (aus Robb, 2004) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS: Entstehung, Submariner Hydrothermalismus Querschnitt durch einen „Black Smoker“ Schlot. Kupferkies Schlot eines „Black Smokers“: Der Strömungskanal ist im Inneren mit Ablagerungen des Kupfer-Sulfid - Kupferkies ausgekleidet, das bei Temperaturen von mehr als 300°C aus der Lösung kristallisiert ist. Außenbereich: Zinkblende Pyrit Baryt (WEFER, 2002) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Submariner Hydrothermalismus Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Typisierung Klassifizierung Chemismus des assoziierten Vulkanismus / Sedimente • • • • • Mafisch Bimodal-mafisch Pelitisch-mafisch Bimodal-felsisch Siliziklastisch-felsisch Dominierende Metallassoziation • • • • • Cu±Zn: Zypern-Typ = mafisch Cu-Zn: Noranda-Typ = bimodal mafisch Cu-Pb: Besshi-Typ = pelitisch -mafisch Zn-Cu±Ag: Mattabi-Typ = felsisch Zn-Pb-Cu: Kuroko-Typ = bimodal felsisch Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Typisierung Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten: Zyprus-Typ Cu ± Zn • Cu-Abbau seit der Bronzezeit • Troodos Ophiolit: obduziertes Segment ozeanischer Kruste: - basaltische Pillows - Sheeted Dyke Komplex - Ultrabasische Kumulate • Erz: massiger Pyrit+Chalkopyrit • Intensive Silifizierung- Chloritisierung • Tonschiefer / Chert („Umber“) –Decke • 300-350 °C- Fluide (Meerwasser) • „black smokers“ entlang von Verwerfungen parallel zur Riftzone, z.T. distal zur Achse Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Typisierung, Beispiele Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten: Beshhi-Typ • konkordanter, wulstig-knolliger oder zylindrischer Massivsulfid-Erzkörper • hohes mafisch/felsisch-Verhältnis • Abwesenheit von fragmentierten oder vesikulären Laven (>500 m Wassertiefe) • sericitisierter - chloritisierter Schlot im Liegenden (zonale Struktur) Beshhi-Typ (Cu+Pb) • Assoziierung mit Metapeliten/ Metagrauwacken • Metabasalte (Amphibolit, Greenstone) • distale Lage zum Inselbogen-Vulkanismus • fehlende „feeder zone“ im Liegenden Noranda-Typ (Cu-Zn): • Bimodal-mafischer Vulkanismus Beispiele: • Besshi, Sanbagawa, Shikoku Insel, Japan; Folldal, Norwegen Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Typisierung, Vorkommen Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten: Kuroko-Typ (Misra, 2000) Zn-Pb-Cu Zonalität • Si-Erz (keiko): sph+gal • Gips-Erz (sekkoko): gy/anh+ py+cp • Pyrit-Erz (ryukako): py+cp • gelbes Erz (oko): py+cp±Au • schwarzes Erz (kuroko): sph+gal+py+bt • Baryt-Erz • Fe-reicher Chert (tetsusekiei Schicht) Mattabi-Typ: Zn-Cu±Ag Schematisches Profil durch eine idealisierte Kuroko-Lagerstätte • niedrig mafisch/ felsisch • felsischer Inselbogen-Vulkanismus • rel. höhere Pb-Gehalte •„Miocene green tuff belt“, Japan Weitere Vorkommen: • 3000 m mächtige vulkano-sedimentäre Abfolge • Iberischer Gürtel • back-arc setting (extensional regime) • Tasmanien • dominant: felsischer Vulkanismus • Bathrust, New Brunswick • > 2000 m Wassertiefe • Buchans, Newfoundland, Kanada Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten: Kuroko-Typ (after COLLEY, 1976). Querprofil durch das Island Arc Gebiet einer Kuroko Erzlagerstätte Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Plattentektonisches Umfeld Plattentektonisches Umfeld der Zypern-, Kuroko-, Besshi-Sulfiderztypen Schematisches Querprofil eines Inselbogensystems im Bereich konvergenter Platten mit der Zuordnung der einzelnen Lagerstättentypen und der Lokation (after GARSON & MITCHELL, 1977) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 VMS Lagerstätten: Vorkommen, weitere Beispiele Kaledonische Vulkangürtel des Skandinavischen Schildes (Frühpaläozoisch) Miozäne GrüntuffGürtel von Japan Archaische/ früproterozoische Greenstone-Gürtel des Kanadischen Schildes Iberische Pyritgürtel (Oberpaläozoisch) (aus Misra, 2000) • Abitibi greenstone belt: Noranda, Mattabi, Mattagami, Kidd Creek (Kanada) • Bathrust-Newcastle, New Brunswick, Buchans (Kanada) • Fennoskandinavisches Schild: Outukumpu (Finnland); Skellefte (Schweden) • Iberischer Pyrit-Gürtel: Rio Tinto, Neves Corvo, Cerro Colorado, (Portugal, Spanien) • Tethys: Kalavasos, Zypern; Ergani Maden, Türkei; Oman • Hokuoruku District, Uchnotai, Matsumine (Kuroko), Besshi (Japan) • Jerome District, Arizona; Shasta, Kalifornien (USA) • Mount Lyell, Hellyer (Tasmanien) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 SEDEX Lagerstätten: Charakteristika Sedimentär-exhalative Lagerstätten (SEDEX) Eigenschaften: • meistens in intrakratonischen Rift-Becken (±) ohne Bezug zum Vulkanismus • in klastischen / chemischen Sedimenten (oft Proterozoisch) • Pb-Zn (<< Cu); größer als VMS • metasomatische Verdrängungsmineralisation epigenetisch rel. zur Sedimentation Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 SEDEX Lagerstätten: Entstehung SEDEX-Lagerstätten: Entstehung (Brignell et al. 1976) Verteilung der Austrittsstellen von HTFluiden im Roten Meer • Zirkulation von Meerwasser (Rifting, Verwerfungen) • SEDEX – VMS Kontinuum • Heiße salinare Lösungen unterschiedlicher Dichte • Atlantis II: 14x5 km, 180 m mächtig • Laugung der Gesteine (sedimentär/ magmatisch) • Salzlösungen: 60°C; 30% NaCl • Transport und Fällung (variable Entfernungen/Tiefe) • Schlämme : 1,3% Cu; 3,4% Zn Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 SEDEX Lagerstätten: Entstehung VMS/ SEDEX-Lagerstätten Siedepunkt des Meerwassers in Abhägigkeit der Tiefe - Ein bei ca. 2700 m austretendes, 350°C heises HT-Fluid bildet am Meeresgrund einen „black smoker“ - Bei geringere Wassertiefe, das gleiche Fluid siedet noch bevor seinem Austrittspunkt, so dass den Meeresgrund nur Wasserdämpfe erreichen können die Fällung erfolgt unter dem Meersgrund (nach Delaney and Cosens, 1982; aus Robb 2005) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 SEDEX Lagerstätten: Beispiele Red Dog Zn-Pb-Ag (SEDEX) Lagerstätte, Alaska • größter Zn-Konzentrat Produzent Weitere Beispiele: • HYC, Mount Isa, Broken Hill, Australien • Sullivan, British Columbia • Gamsberg, Süd Afrika • Navan, Irland • Meggen, Rammelsberg, Deutschland • 100*106 t Erz mit 18% Zn, 5% Pb • Erz: Sphalerit, Pyrit/Markasit, Galenit, Baryt • schichtgebundene Mineralisation von in einem Randbecken deponierten Schwarzschiefer und Kalkstein Abfolgen • Abrupte Faziesänderungen deuten auf synsedimentäre Verwerfungen hin Fluidzirkulation • Quelle der Metalle: organikreiche Sedimente • Ausscheidung: - exhalativ (Mixing) + Verdrängung SEDEX > ca. ½ der bekannten Zn+Pb-Reserven !! Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Metamorphe Fluide: Orogene Au-Lagerstätten Orogene Goldlagerstätten („mesothermale“/ „Lode-Gold“) Vorkommen: • Archaikum (Kratone, Greenstone): - Larder Lake-Cadillac, Abitibi - Boulder-Lefroy, Yilgarn (Australien) • Proterozoikum - Ashanti-Obuasi (W. Afrika) - Telfer (W. Australien) - Homestake, S. Dakota (USA) • Phanerozoikum - Bendigo, Stawell, Ballarat (SW Australien) - Zentral Ural (Rußland) - Juneau gold belt (Canada/ USA) - Mother Load (Kalifornien, USA) Eigenschaften: • Akkretions-/ Kollisionsereignisse (an konvergenten Plattengrenzen • Metamorphe Fluide: < Salinität, pH ~ 7 • P-T: Granulit bis Grünschiefer-Fazies • Fluidbewegung: tiefe Scher- und Bruchlinien (z.B. im Randbereich vom Greenstone-Belts) • Ausscheidung: H2O-CO2 Phasentrennung • Quarz-Gänge • breiter Alterationshof Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Metamorphe Fluide: Orogene Au-Lagerstätten Carlin-Typ Goldlagerstätten • postkollisional, während Extensionsphase • Verwerfungen am Kontakt zwischen Kalksteinen und porösen, siliziklastischen Deckschichten Aquifer für metamorphe Fluide • niedrige Temperatur (150-250°C) • Transport: als Au(HS)2-/ Au(HS); Fällung: Neutralisierung der Fluide durch Karbonate • Au: µm kleine Körner; SS im As-führenden Pyrit/ Arsenopyrit, Markasit („invisible gold“); • Vorkommen: Twin Creeks, Carlin (Nevada, USA): 90*106 t mit 2,5 g/t Au Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Konnate Fluide Lagerstättenbildung in Verbindung mit konnaten Fluiden • Entstehen wehrend der Diagenese in Folge der Laugung der Gesteine durch konnaten Fluiden • Metallführung hängt ab von: - Zusammensetzung der gelaugten Gesteine - Redoxbedingungen MVT= Mississippi Valey Typ SSC = Sediment hosted Stratiform Cu MVT MVT SSC Ein „basinal brine“ gleicher Zusammensetzung entwickelt sich unterschiedlich je nach der Lithologie der gelaugten Gesteine! Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Konnate Fluide „Red-bed“ / „sediment-hosted stratiform“ Cu-Lagerstätten (SSC) Kupferschiefer: • 0.3 – 4.0 m mächtiger Tonstein, reich an org. Material (<30% Corg) auf über 600.000 km2 • Vererzung bis 20 m mächtig mit ca. 3% Cu (Schlesien) + Au, PGE, Se Cu-Co (±Pb, Zn, Ag, Au, PGE, U) Beispiele: • Kupferschiefer: Mansfeld, Sangerhausen, Schlesien (Polen) • Zentralafrikanischer Kupfergürtel: Nchanga, Konkola, Tenge (Zambia, Kongo) • Dzhezhkasgan, (Kasachstan) • Corocoro (Bolivien) • Dongchuan (China) • White Pine, Michigan (USA) • oxische, überlagert von anoxischen Sedimenten • konnate Fluide: oxisch; neutral; <100-150°C; moderat salinar (< 20 gew.% NaCl-equiv.) • Cu als CuCl32- [evt. CuSO4, Cu(OH)22+] • Fällung: Redoxfront am Kontakt mit reduzierenden Sedimenten/Lösungen („Rote Fäule“) • Regionale Zonalität: Hämatit – gediegenes Cu – Chalkosin – Bornit – Chalkopyrit – Pb/Zn/Co-Sulphide – Pyrit Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Konnate Fluide Erz-/ Metall-Zonalität in Kupferschiefer Ausbildung typischer Metallzonalität im Kupferschiefer relativ zu der Position der oxidierten, transgressiven „Rote Fäule“ (nach Jowett et al. 1987) Modellvorstellung über dem Einfluss der Vermischung eines typischen SSC-Fluids mit ein reduzierter Lösung auf die Metallfällung. Die Abfolge entspricht dem im Kupferschiefer. (nach Metcalfe et al. 1994) (aus Robb, 2005) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Konnate Fluide Mississippi Valley Type (MVT) Lagerstätten Kenndaten: • • • • • • • epigenetisch, schichtgebunden, meist in Karbonatgesteinen (/Sandstein) Zn+Pb, meist Zn-betont Fluide: <150°; >15 gew.% NaCl; SO42-, CO2, CH4, Bitumen-Tröpfe, ähnlich Formationswässer (Erdöl) Fluidbewegung: topographische Höhenposition, auf mehrere 10 km Erz: Sphalerit (oft als Schalenblende, aus kolloidalen Lösungen); Galenit Dolomit/Kalk-Kontaktflächen, Füllung von (Karst?)Kavitäten, Taschen, als Zement von Brekzien Fällung: Neutralisierung leicht sauerer Lösungen am Kontakt mit Karbonat Beispiele: • Viburnum Trend, Missouri (USA) • Pine Point, Polaris (Canada) • Schlesien (Polen) • Mechernich (Österreich) • Sorby Hills, Coxco (australien) • Wiesloch (nach Garven et al., 1997; aus Robb, 2004) Dr. Z. Berner - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Hydrothermale Prozesse-2 Konnate Fluide MVT Lagerstätten: Viburnum Trend, Missouri, USA • Größter Pb-Lieferant der Welt • Ca. 65 km langer Gürtel in St. Francois Mts. (Viburnum Trend, Old Lead Belt) • 540*106 t Reserven mit 6% Pb + 1% Zn • Wirtsgestein: kambrischer Dolostone (Bonneterre Form.) über porösen Sandsteinen • Vererzung: epigenetisch (Karbon) • Genese: topographisch getriebene Fluidzirkulation und Wechselwirkung mit Karbonatgesteinen (oft über Aufwölbungen des Basements)
