Dissertation/Thesis Abstract

Geochemistry of Palaeoarchaean to Palaeoproterozoic Kaapvaal Craton Marine Shales: Implications for Sediment Provenance and Siderophile Elements Endowment
by Nwaila, Glen, Ph.D., Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany), 2017, 376; 13843980
Abstract (Summary)

Der Kaapvaal Kraton beherbergt eine Vielzahl großer Goldlagerstätten (vor allem in der Witwatersrand Hauptgruppe), die von Bergbaugesellschaften in ihrer jeweiligen stratigraphischen Position abgebaut werden. Im diesem Kraton liegen auch die größten Lagerstätten für Platingruppenelemente (vornehmlich im Bushveld Komplex), die aus diversen magmatischen Intrusionskörpern gewonnen werden. Trotz der intensiven und langen Explorationsgeschichte im Bereich des Kaapvaal Kratons ist die Herkunft des Goldes in den Witwatersrand Lagerstätten und die der Platingruppenelemente in den Lagerstätten des Bushveld-Komplex noch ungeklärt und Gegenstand aktueller Diskussionen.

Ziel der Arbeit war die geochemische Charakterisierung von Tonschiefern in den Barberton-, Witwatersrand und Transvaal-Hauptgruppen, um Aussagen über deren Provenienz zu treffen und die Gehalte an siderophilen Elementen darin zu ermitteln. Ein verbessertes Verständnis, warum manche archaischen und proterozoischen Einheiten stark mineralisiert sind und andere nicht, sollte bei der Planung zukünftiger Explorationsprojekte dienlich sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden unalterierte und nicht mineralisierte Proben mariner Tonschiefer aus der Barberton Hauptgruppe (Fig Tree und Moodies Gruppen), der Witwatersrand Hauptgruppe (West Rand und Central Rand Gruppen) und der Transvaal Hauptgruppe (Black Reef Formation und Pretoria Gruppe) aus Untertage Bergbau-Bereichen sowie aus Bohrkernen genommen. Zur Charakterisierung der Tonschiefer kamen verschiedene Methoden zum Einsatz, darunter die Pulverdiffraktometrie (XRD), Durchlichtmikroskopie, Röntgenfluoreszenz (XRF), Optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES), Laserablationsmassenspektrometrie (ICP-MS) und Elektronenstrahlmikrosonde (EMPA), sowie Bestimmung der Gold und Platingruppen-Elementkonzentrationen mittels Graphitrohr-AAS nach Voranreicherung mit der Nickelsulfid-Dokimasie.

Die untersuchten Tonschiefer verhielten sich seit ihrer Ablagerung als größtenteils geschlossene Systeme. Nur entlang der Kontakte mit unter- und überlagernden grobkörnigeren Metasedimentgesteinen sowie entlang durchkreuzender Störungen, Quarzadern und Gängen konnte lokal nennenswerte Alteration festgestellt werden. Solche Zonen wurden explizit von der Provenienz-Analyse ausgenommen.

Systematische Unterschiede in der primären chemischen Zusammensetzung einzelner Tonschiefer-Abfolgen belegen unterschiedliche Sedimentquellen. So wurde in der Barberton Hauptgruppe der Sedimenteintrag der Fig Tree-Gruppe von einer ultramafisch-mafischen Quelle dominiert, während in der Moodies-Gruppe felsische Quellen eine zunehmende Rolle spielten. In der Witwatersrand Hauptgruppe wurde eine Dominanz von Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit sowie kalkalkaline Granite im Liefergebiet der West Rand Gruppe festgestellt, während in der Central Rand Gruppe anfänglich mafisch-ultramafische Gesteine im Sedimentliefergebiet vorherrschten, im Lauf der Zeit aber granitische Gesteine mehr und mehr durch Erosion im Hinterland freigelegt worden waren. Die Geochemie der Witwatersrand Tonschiefer unterstützt die Hypothese, dass die Sedimente der West Rand Gruppe an einem passiven Kontinentalrand abgelagert wurden, jene der Central Rand Gruppe in einem Vorlandbecken.

Alle untersuchten archaischen Tonschiefer zeigen, verglichen mit dem Durchschnitt der oberen Erdkruste, deutlich erhöhte Gehalte an Gold und Platingruppenelementen, wobei die marinen Tonschiefer aus der Central Rand Gruppe mit durchschnittlich 9,85 ppm Au die höchsten Konzentrationen aufweisen. Die Gehalte an siderophilen Elementen in der palaeoproterozoischen Transvaal Hauptgruppe nähern sich hingegen typischen kontinentalen Krustenwerten an.

Der verstärkte Eintrag von Au und PGE in die archaischen marinen tonigen Sedimente wird durch mechanische Koagulation und Aggregation erklärte, wobei feinstkörnige Goldpartikel im suspendierten Sediment weit ins Meer transportiert worden sind. Adsorption von Au aus Meerwasser an syn-sedimentärem Pyrit spielte auch eine Rolle, aber keine ausschlaggebende.

Für die Quelle des Goldes und der Platingruppenelemente in den untersuchten Tonschiefern wurde folgendes genetisches Modell entwickelt.

(1) Es wird angenommen, dass sich die Kaapvaal-Kruste aus einem Mantelreservoir differenzierte, welches an siderophilen Elementen angereichert war. Diese Anreicherung könnte entweder das Produkt eines nicht vollständig homogenisierten Eintrags kosmischen Materials sein, welches im Hadaikum oder im Paläoarchaikum durch intensives Meteoritenbombardement eingebracht wurde, oder durch den Aufstieg eines Manteldiapirs aus dem Bereich der Kern-Mantel-Grenze.

(2) Tiefgründige Verwitterung unter anoxischen Bedingungen ermögliche die Freisetzung großer Mengen von Au, welches in gelöster Form über Oberflächenwässer in den archaischen Ozean transportiert wurde. Hinweise auf solch intensive Verwitterung liefern die geochemischen Daten der hier untersuchten Tonschiefern, insbesondere hohe chemische Alterationsindizes. Fixierung dieses Goldes durch verschiedene Oberflächenprozesse, wie Filterung aus archaischen/paläoproterozoischen Flüssen durch Photosynthese-betreibende Bakterienrasen führte vor allem im Mesoarchaikum in Zeiten der Sedimentation der Central Rand Gruppe zu lokal extremen Goldanreicherungen, die in der Folge durch Erosion und mechanischen Transport großteils weiter umgelagert wurden.

Punkt 1 könnte eventuell die räumliche Nähe der weltweit größten bekannten Goldanomalie im Witwatersrand Becken und der größten PGE-Anomalie im Bushveld Komplex erklären. In wie weit die erhöhten Hintergrundkonzentrationen von Gold und Platingruppenelementen im Kaapvaal Kraton einzigartig sind, gilt es in zukünftigen Studien dieser Art auch an marinen Tonschiefern aus dem Archaikum in anderen Kratonen zu testen.

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Advisor: Frimmel , Hartwig Egbert , Gauert , Christoph
Commitee:
School: Bayerische Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Geology
Keywords: Kaapvaal Craton
Publication Number: 13843980
ISBN: 9781392739303
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