The Nature of Fluids in Hydrothermal Copper and Molybdenum Ore Deposits - An experimental and analytical study

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Lerchbaumer, Linda:
The Nature of Fluids in Hydrothermal Copper and Molybdenum Ore Deposits - An experimental and analytical study.
Bayreuth , 2012
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The evolution of magmatic-hydrothermal fluids in porphyry Cu and porphyry Mo deposits was studied using synthetic and natural fluid inclusions by optical microscopy, microthermometry, Raman spectroscopy, and LA-ICP-MS. The partitioning of Cu between vapor and brine in aqueous NaCl-S ± KCl ± FeCl2-rich fluids was investigated by means of hydrothermal experiments in rapid quench autoclaves at 600-800°C, 70-130 MPa and at both oxidizing and reducing fO2, covering all geologically relevant conditions. Resulting partition coefficients (DCuvap/brine) are between 0.2 and 0.4 for the range of studied S-concentrations, fluid pH, fO2, and P-T conditions. These values indicate that Cu does not partition into the vapor phase at any plausible condition in contrast to data from natural quartz-hosted vapor and brine inclusions which appear to indicate Cu enrichment in the vapor. The formation of such Cu-rich vapor-type fluid inclusions was investigated in hydrothermal re-equilibration experiments. For this purpose, coexisting vapor and brine inclusions of known composition were re-equilibrated in a fluid of slightly different composition and lower pH than the trapped one at 800°C, 70-130 MPa. This procedure led to a dramatic increase in Cu concentrations in the vapor phase from 0.3 ± 0.03 to 5.7 ± 3.3 wt% after re-equilibration and the change of DCuvap/brine from a true value of 0.4 ± 0.05 to an apparent value of 8.3 ± 4.9. This post-entrapment modification can be traced back to the difference in fluid pH between the trapped and the surrounding fluid, inducing diffusion of H+ out of the inclusion and the diffusion of Cu+ (and Na+, Ag+) into the inclusion in order to maintain charge balance. Moreover, the presence of larger amounts of S within vapor inclusions as compared to brine inclusions can bind larger amounts of Cu. The re-equilibration of trails of vapor and brine inclusions in a natural quartz sample in a fluid similar to the trapped one, yet more acidic, showed that this modification process can be reversed, resulting in the loss of major amounts of Cu from natural vapor inclusions. The composition of metal-bearing melts and magmatic fluids of Mo-mineralized granites resembling porphyry Mo deposits was investigated using natural melt-, fluid-, and solid-inclusions in quartz crystals found in miarolitic cavities from minor Mo-occurrences in Colorado and Norway. Melt inclusions from the Treasure Mountain Dome are highly enriched in Mo (4-43 ppm), also melt inclusions from the Drammen and Glitrevann granites (5-32 ppm, and 12 ppm, respectively), resembling highly fractionated melts. Copper concentrations are low (<1-30 ppm) in the melts, but high in the fluids: intermediate density, supercritical fluid inclusions of these three locations host 6-1900 ppm, 8-3500 ppm, and 5-180 ppm Cu, respectively. The comparison of these results with data from economic porphyry Mo and porphyry Cu (Mo, Au) deposits shows no difference in Mo concentrations in the particular melts and fluids. Hence, other factors probably control the evolution of a granitic intrusion into large, economic Mo deposits, minor Mo occurrences, or just into barren plutons. These may be mainly the size, position, and geometry of the parental magma chamber, the multiplicity of intrusions maintaining a constant flux of metalliferous, S-rich, hot melts, and the extent of fluid focusing within small rock volumes forming high-grade ore shells.

Abstract in weiterer Sprache

Magmatisch-hydrothermale Fluide in porphyrischen Kupfer- und Molybdänlagerstätten wurden anhand von synthetischen und natürlichen Flüssigkeitseinschlüssen mit Hilfe von Auf- und Durchlichtmikroskopie, Mikrothermometrie, Raman Spektroskopie und Laser-Ablations-ICP-MS untersucht. Es wurden Hydrothermal-Experimente in ‚rapid-quench’ Autoklaven, bei Temperaturen von 600 bis 800°C und Drücken von 70 bis 130 MPa unter sowohl oxidierenden als auch reduzierenden Bedingungen durchgeführt, um die Verteilung von Kupfer zwischen der Dampf- und Flüssigkeitsphase in wässrigen, NaCl-S ± KCl ± FeCl2-reichen Fluiden zu studieren. Die gemessenen Dampf/Flüssigkeits-Verteilungskoeffizienten von Kupfer liegen zwischen 0.2 und 0.4, so dass Kupfer unter den simulierten, naturnahen Bedingungen nicht in der Dampfphase angereichert wird. Dieses Resultat steht in klarem Widerspruch zu Daten aus natürlichen Flüssigkeitseinschlüssen in Quarz, die eine Anreicherung von Kupfer in der Dampfphase zeigen. Die Bildung solch kupferreicher, Dampfphasen-dominierter Flüssigkeitseinschlüsse wurde in Reequilibrierungs-Experimenten untersucht. Dazu wurden zunächst Einschlüsse der koexistierenden Dampf- und Flüssigkeitsphase bei 800°C, 70-130 MPa synthetisiert und der Inhalt von einigen der entstandenen Einschlüsse analysiert. In einem zweiten Schritt wurden die verbleibenden Einschlüsse in einem neuen Fluid ähnlicher Zusammensetzung, aber mit neutralerem pH-Wert abermals equilibriert. Dadurch stiegen die Kupferkonzentrationen in den Einschlüssen der Dampfphase von 0.3 ± 0.03 auf 5.7 ± 3.3 wt%, was auch eine Modifikation des Verteilungskoeffizienten von Kupfer zur Folge hatte; dieser stieg durch die Reequilibrierung vom ursprünglichen, echten Wert von 0.4 ± 0.05 auf den scheinbaren Wert von 8.3 ± 4.9. Diese Modifikation des Elementgehalts eigentlich verschlossener Flüssigkeitseinschlüsse kann auf die Diffusion einzelner Ionen durch den Quarz-Wirtskristall zurückgeführt werden: Der pH-Unterschied zwischen dem eingeschlossenen und dem umgebenden Fluid löst eine Wanderung von H+ aus den Flüssigkeitseinschlüssen aus. Das entstehende Ladungsdefizit wird durch die Diffusion von Cu+ (und Na+, Ag+) in die Flüssigkeitseinschlüsse hinein kompensiert. Hinzu kommt, dass die Einschlüsse der Dampfphase, im Gegensatz zu Einschlüssen der Flüssigkeit, stark mit Schwefel angereichert sind und dadurch größere Mengen Kupfer binden können. Die Reequilibrierung natürlicher Dampf- und Flüssigkeits-Einschlüsse in einem, dem eingeschlossenen ähnlichen, jedoch deutlich saurerem Fluid zeigte, dass die Diffusion von Kupfer auch wieder rückgängig gemacht werden kann: Ein Großteil des Kupfers, das in der Dampfphase angereichert war, ging verloren. Die Eigenschaften der metallreichen Schmelzen und Fluide, die zur Bildung porphyrischer Molybdänlagerstätten führten, wurde anhand von natürlichen Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen aus molybdänreichen Graniten von Colorado und Norwegen untersucht. Schmelzeinschlüsse sowohl des Treasure Mountain Dome, als auch der Drammen und Glitrevann Granite sind Mo-reich (4-43 ppm, 5-32 ppm, und 12 ppm) und stellen stark fraktionierte Schmelzen dar. Die Kupfergehalte der Schmelzen sind eher gering (<1-30 ppm). Die Analyse von Einschlüssen superkritischer magmatischer Fluide mittlerer Dichte ergibt hingegen hohe Kupferwerte für alle drei oben genannten Vorkommen (Treasure Mountain Dome: 6-1900 ppm; Drammen: 8-3500 ppm; Glitrevann: 5-180 ppm). Der Vergleich dieser Ergebnisse von nicht wirtschaftlich nutzbaren Molybdänvorkommen mit Daten porphyrischer Molybdän- und Kupfer-(Molybdän-, Gold-)lagerstätten zeigt, dass sich die Schmelzen und primären Fluide in ihrem Mo-Gehalt nicht unterscheiden. Folglich müssen andere Faktoren ausschlaggebend sein, damit sich eine einfache granitische Intrusion zu einer Molybdänlagerstätte entwickeln kann. Diese Faktoren sind wahrscheinlich die Größe, Lage und Geometrie der ursprünglichen Magmenkammer, die stete Zufuhr heißer, metall- und schwefelreicher Schmelzen und der Grad der Fokussierung von daraus entstandenen metallreichen Fluiden in kleineren Gesteinsvolumina, die zur Bildung hochgradiger Stockwerksvererzungen führen.