MAGMATSKI PROCESI U FORMIRANJU MINERALNIH LEŽIŠTA

ORTOMAGMATSKA LEŽIŠTA

• KROMITI• MASIVNI SULFIDI• KIMBERLITI

Klasifikacija rudnih ležišta

Stratiformni kromit

Laterit

Hidrotermalna mineralizacija

Uvod

• Magmatske stijene su domaćini za veliki broj različitih tipova mineralnih ležišta• mafične stijene – halkofilni i siderofilni elementi• felsične stijene – litofilni elementi

Magme i metalogenija

• siderofilni i halkofilni elementi – plašt i jezgra• Rudarenje do 4 km u dubinu (the TauTona Au rudnici ili Western

Deep Levels Au mine, JAR)

OCEANSKA KORAKONTINENTALNA

KORA

PROSJEČNA DEBLJINA

7 km 30 do 50 km

GUSTOĆA 3.0 g/cm3 2.7 g/cm3

SASTAVBazalt ispod kojeg se

nalazi gabro

Granit, ostale plutonske stijene, škriljavci, gnajsevi

Oceanska kora (5-10 km debljine)

Opx -enstatit – ferosilitMg2Si2O6 - Fe2Si2O6

Cpx - diopsid - hedenbergit

Ca(Mg, Fe)Si2O6

- augit(Ca, Na)(Mg, Fe, Al)(Si, Al)2O6

Magma

bazaltna andezitna riolitna alkalna

- Zašto je visoko-temperaturni olivin obogaćen Mg?

Peridotit

Forsterit Mg2SiO4 Tm = 1910°C Fayalit Fe2SiO4 Tm = 1503°C

(Fe,Mg)2SiO4

r (Mg2+) = 0.67 År (Fe2+) = 0.74 Å

- Zašto je visoko-temperaturni plagioklas obogaćen Ca?

Anortit CaAl2Si2O8

Albit NaAlSi3O8

r (Ca2+) = 1.08 År (Na+) = 1.10 Å

Plagioklas

Ionski potencijal (Z/r)

Bazalt (48-52 wt.% SiO2)

• srednjooceanski grebeni- oceanska kora• otočni lukovi• intrakontinentalni riftovi• vruće točke unutar ploča

• parcijalno taljenje plašta (peridotit po sastavu)• komatiit - ultramafična bazaltna magma (>18% MgO)

- ograničeni na Arhajske greenstone pojaseve- predstavljaju visoke stupnjeve parcijalnog taljenja plašta tijekom uvjeta visokog toka topline koji su prevladavali u ranoj formaciji kore, prije 2500 mil.god.

• mineralna ležišta – siderofilni i halkofilni elementi

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

Ionski radijus vs. ionski nabojSupstitucije Radijus elementa koji dolazi kao supstitucija bi trebao biti u okvirima od 15% u odnosu na element koji je supstituiran; također se naboj ne bi smio razlikovati za više od 1 pod uvjetom da se razlika u naboju može kompenzirati drugom supstitucijom.

Andezit (52-63 wt.% SiO2)

• otočni lukovi• subdukcijske zone

• mineralna ležišta - porfirna Cu-Au ležišta

Riolit (>68 wt.% SiO2)

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

• parcijalno taljenje duž oceansko – kontinentalnih otočnih lukova• kolizija kontinent - kontinent

• mineralna ležišta – litofilni elementi• S-tip granit - Sn, U i Th• I-tip granit - Cu, Mo, Pb, Zn i Au

Alkalne magme i kimberliti

Kimberlit

• alkalno – obogaćenje na Na, K i Ca, osiromašeno SiO2

• najčešće alkalne magme: nefelitna i karbonatitna

• KIMBERLIT: magmatska stijena nastala pod visokim pritiskom i temperaturom u plaštu

• sadrži Cr- bogati diopsid (Px), kromit, Mg-bogati ilmenit, i granate (pirop-almandin)• nastaju u početnom stadiju riftinga

• LAMPROIT: (sub)vulkanska stijena nastala u plaštu, obogaćena K, Mg i inkompatibilnim elementima; osiromašena na CaO, Al2O3, Na2O

• nosioci DIJAMANATA!• dijamanti nastali u plaštu! Uklopljeni u magmu kaoksenokristali.

• kimberlitne i lamproitne žile često formiraju klastere

Što možemo saznati iz dijamanata?

Kemijski sastav: CGustoća (calc.))= 3.52 g/cm3

Kristalni sustav: kubični (4/m 3 2/m)Kalavost: {111} savršenaTvrdoća: 10Boja: bezbojan, žuti, crveni, plavi, crni…Sjaj: dijamantan

Temperature vs. depth  in the lithosphere (geothermal gradient).

Diamonds are stable under the high pressure and temperature conditions that are only met at great depth in the Earth’s mantle. This phase diagram depicts the stability fields of graphite and diamond in relation to the convecting mantle (asthenosphere) and the lithospheric mantle.

The block diagram depicts the basic relationship between a continental craton, its lithospheric mantle keel (the thickportion of the lithospheric mantle under the craton), and diamond stability regions in the keel and the convectingmantle. Under the right conditions of low oxidation, diamonds can form in the convecting mantle, the subductingslab, and the mantle keel. Adapted from Stachel et al. (2005), Tappert and Tappert (2011), and Shirey et al. (2013).

The pressure-temperature diagram compares the melting curve for mantle peridotite containing volatiles and carbonate (black) versus mantle peridotite that is dry and free of volatiles and carbon (red).

Peridotitic (P-type, A and B) and eclogitic (E-type, C andD) inclusions of silicate (A,C) and sulfide (B,D) mineralgroups that have been successfully used for radioisotopicage dating (geochronology).

• P – dijamanti (peridotitni) : 3.3 mlrd. god.• E – dijamanti (eklogitni): 1580-990 mil. god

• intrudiraju kroz seriju tenzijskih pukotina na kratonu• Kad?

• „superkrone”• početak raspada kontinenata

1. faza: visoki tlak, erupcija magme je najveće brzine (70 km/h)2. faza: sniženi tlak, erozija okolnih stijena (eng. wall rock)3. faza: formiranje kimberlitne cijevi; značajno zatrpavanje

eruptiranim materijalom4. faza (nije prikazana): hidrotermalna metamorfna alteracija

kimberlitne cijevi

YUBILEYNY RUDNIK DIJAMANATA, RUSIJA

- 130,000,000 karata (26,000 kg) dijamanta se izvadi godišnje 100,000 kg dijamanata se godišnje sintetizira 49% dijamanata dolazi iz središnje i južne Afrike ostali izvori dijamanta: Kanada, Indija, Rusija, Brazil, i Australija kimberlitne i lamproitne vulkanske cijevi

Yubileyny rudnik dijamanata, Yakutia, Rusija, je najveći rudnik dijamanata na svijetu

- 153 milijuna karata (Mct) zaliha- dnevni kop; u vlasništvu i operativnom vodstvu državne firmeAlrosa- dnevni kop: trenutno radi na 320 m dubine, očekuje se da će doseći 720 m.

25. siječnja 1905., u rudniku Premier u Pretoriji, Južnoafrička Republika, pronađen je dijamant od 3106-karata (603,3 g). Nazvan je Cullinan, najveći dijamant ikad pronađen.

Rudarenje dijamanata - činjenice

Cullinan

Cullinan I (the Great Star of Africa)

The head of the Sovereign's Sceptre with Cross

Cullinan II (the Great Star of Africa)

The Imperial State Crown

Rudnik Kimberley, Republika Južna Afrika

Ortomagmatska mineralna ležišta

Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje

Nemiješanje magmi

• stratiformna ležišta kromita• podiformna ležišta kromita

• Ni–Cu ležišta sulfida• uranska ležišta u granitima

• KONTAMINACIJA MAGME!!

Krom

kromit, FeCr2O4 (spinel)

Geokemijsko ponašanje Cr

Magmatska frakcionacija- siderofilan do litofilan- Cr3+ (jako kompatibilan); Cr6+ (jako inkompatibilan)

Hidrotermalna mobilnost- Ovisi o redox potencijalu otopine- Cr6+ je mobilan (i toksičan!)- Cr3+ je slabo mobilan

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

Cr6+

Cr3+

Cr

Stratiformna ležišta Cr

• 98% svjetskih zaliha Cr• slojevi u uslojenim magmatskim kompleksima – nastaju u velikim

magmatskim komorama• ultrabazične stijene nosioci mineralizacije (duniti, peridotiti, pirokseniti)• kromitnu zona Bushveld čini 29 slojeva kromita, iznad koje se nalazi Merensky

Reef obogaćen PGE. U najvišem dijelu kompleksa nađene su značajne količineV-bogatog magnetita.

Stratiformni kromit, kompleks Bushveld

Podiformna ležišta Cr

• lećasta do nepravilna rudna tijela• vezana uz ofiolite - nastaju u malim magmatskim komorama• nastaju na srednjooceanskim grebenima• ultrabazične stijene nosioci mineralizacije (harzburgit, peridotit)

Podiformni kromit, Turska

Podiformni kromit, Glogovac, Kosovo

PGE • Platinska Grupa Elemenata (PGE) • rutenij (Ru), rodij (Rh), paladij (Pd), osmij (Os), iridij (Ir) i

platina (Pt)• odlična katalitička svojstvaMagmatska frakcionacija

• Pt je inkompatibilan• Pd je umjereno inkompatibilan• Rh je kompatibilan• Ru, Os, i Ir su jako kompatibilni elementi

• PGE mogu biti podijeljeni u dvije podgrupe s obzirom namineralna ležišta s kojima su vezani:

• Ir grupa (Ir, Os, i Ru) – vezana uz kromite uultrabazičnim stijenama u obliku samorodnihelemenata ili sulfida

• Pd grupa (Rh, Pd, Pt) – vezana uz sulfide Fe, Ni i Cumagmatskog porijekla

TitanijRutil (TiO2)

Ilmenite (FeTiO3)

Geokemijsko ponašanje Ti

Magmatska frakcionacija

Hydrothermal transport

- litofilan (izdvaja se radije u okside i silikate, nego u sulfide)

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

Vanadium

- kao legura u čelicima- kemijska industrija (katalizator)

Vanadinit (Pb5(VO4)3Cl)

Geokemijsko ponašanje VHidrothermalni transport (VO4

3-)

Magmatska frakcionacija

- V2+, V3+, V4+ and V5+

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

Ortomagmatska mineralna ležišta

Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje

Nemiješanje magmi

• stratiformna ležišta kromita• podiformna ležišta kromita

• Ni–Cu ležišta sulfida• uranska ležišta u granitima

Ravnotežno (eng. batch) taljenje / ravnotežna kristalizacija

- Ravnoteža krute faze i taljevine

Početna koncentracija elementa i u krutoj fazi (i cijelom sustavu)

Koncentracija elementa i koja ostaje u krutoj fazi

Koncentracija elementa i u taljevini (tekuća faza)

Udio taljevine

D<<F → CL/C0=1/F

F≈0→ CL/C0=1/D

Frakcijsko taljenje / frakcijska (Rayleigh) kristalizacija

- Jedino infinitezimalno mali udio taljevine dolazi u ravnotežu s krutom fazom, odnosno, tekuća faza je odstranjena iz sustava čim je nastala.

Početna koncentracija elementa i u krutoj fazi (i cijelom sustavu)

Koncentracija elementa i u taljevini (tekuća faza)

Udio taljevine

Ravnotežno taljenje: Frakcijsko taljenje:

Parcijalno taljenje i kristalna frakcionacija kao procesi u formiranju mineralnih ležišta

Kd ili D = koeficijent distribucije za element i

D Cpx / bazaltna taljevina

Ni 5

U 0.03

Zadatak:Izračunaj Cl/Co za Ni i U zaF=0.01, 0.1 i 0.5a) Za ravnotežno taljenjeb) Za frakcijsko taljenje

Pracijalno taljenje i koncentracija inkompatibilnih elemenata: Rössing – mineralno ležište urana, Namibija

• najveći otvoreni kop urana u svijetu• otkriven 1928 / početak radova 1976• 8 % svjetske proizvodnje U

• stijena domaćin: leukogranit (rezultat parcijalnog taljenja starijeg bazena građenog od granita metasedimentne sekvence)

• mineralni sastav ležišta: raspršeni uraninit (UO2)• starost: cca 500 Ma (Damaran orogen)• stupanj obogaćenja (eng. grade): 310 ppm (Clarke vrijednost za U is 2.7 ppm)

Uraninit (pehblenda)

Geokemijsko ponašanje U

Magmatska frakcionacija

- U je jako inkompatibilan

Hidrotermalna mobilnost- Ovisi o redoks potencijalu otopine- U6+ je mobilan- U4+ zanemariva mobilnost

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+

Ortomagmatska mineralna ležišta

Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje

Nemiješanje magmi

• stratiformna ležišta kromita• podiformna ležišta kromita

• Ni–Cu ležišta sulfida• uranska ležišta u granitima

• KONTAMINACIJA MAGME!!

TEMPERATURA

VISOKA NISKA

DOBRA

MJEŠIVOST

NEMIJEŠIVOST

TALJEVINA

UDIO SiO2

NIZAK VISOK

DOBRA

MJEŠIVOST

NEMIJEŠIVOST

TALJEVINA

fO2

NIZAK VISOK

DOBRA

MJEŠIVOST

NEMIJEŠIVOST

TALJEVINA

Nikal

Ni rudni minerali:Pentlandit ((Fe,Ni)9S8)Ni-bogat pirhotit (FeS)Garnierit (smjesa Ni-silikata)

Garnierit

Geokemijsko ponašanje nikla

Magmatska frakcionacija- Siderofilan s halkofilnim i litofilnim afinitetom- Ni2+ (jako kompatibilan)

Hidrotermalna mobilnost- Mobilan u niskim pH uvjetima- transport Cl-compleksima

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+ Cr

Bakar

Name Formula % Cu

kuprit Cu2O 88.8

halkozit Cu2S 79.8

covellit CuS 66.5

bornit 2Cu2S·CuS·FeS 63.3

malahit CuCO3•Cu(OH)2 57.7

azurit 2CuCO3·Cu(OH)2 55.1

tennantin Cu12As4S13 51.6

halkopirit CuFeS2 34.5

Geokemijsko ponašanje bakra

Magmatska frakcionacija- halkofilan- U magmatsko-hidrotermalnim sistemima preferirano odlazi u

magmatski fluid

Hidrotermalna mobilnost- Mobilan u niskim pH uvjetima- transport bisulfidnim (kao i Au) i Cl-kompleksima(kao i Zn, Pb,…)

Fe3+

Eu2+

Ce4+

Al3+

Si4+

REE3+ Cr

PGE • Platinska Grupa Elemenata (PGE) • rutenij (Ru), rodij (Rh), paladij (Pd), osmij (Os), iridij (Ir) i

platina (Pt)• odlična katalitička svojstvaMagmatska frakcionacija

• Pt je inkompatibilan• Pd je umjereno inkomplatibilan• Rh je kompatibilan• Ru, Os, i Ir su jako kompatibilni elementi

• PGE mogu biti podijeljeni u dvije podgrupe s obzirom namineralna ležišta s kojima su vezani:

• Ir grupa (Ir, Os, i Ru) – vezana uz kromite uultrabazičnim stijenama u obliku samorodnihelemenata ili sulfida

• Pd grupa (Rh, Pd, Pt) – vezana uz sulfide Fe, Ni i Cumagmatskog porijekla

Kontaminacija magme i nemiješivost sulfida: Ni-Cu Sudbury mineralno ležište

- >40 rudnika; 1.5 milijardi tona rude@ 1.2 tež. % Ni i 1 tež. % Cu (PGE)- Rezultat velikog udara meteorita prije 1850 milijuna godina- Meterorit je udario u koru sačinjenu od arhajskih gnajseva i paleoproterozojskih vulkansko-sedimentnim stijena- Glavnina kompleksa Sudbury je sačinjena od diferenciranog paketa norita (mafični intruziv; Ca-bogati plagioklas labradorit, Opx i Ol), kvarcni

gabro, i granofir (kvarc i alkalni feldspati)- Ni–Cu ruda se nalazi u bazi paketa

Rudni minerali:• halkopirit• pentlandit• pirhotit

The following features are essential for the formation of orthomagmaticdeposits:1. Crystal fractionation and gravity-

induced crystal settling.2. Density stratification of magma

chambers and the ability of magmas to undergo density changes as crystallization proceeds.

3. Repeated recharge of chambers by injection of fresh magma.

4. The ability of fresh magma to find its own density level and to mix with the residual magma.

5. The existence of transient periods of crystallization when only a single phase such as chromite is on the liquidus.

6. The formation of immiscible globules of sulfide liquid once the magma becomes saturated or supersaturated with respect to sulfide.

7. The very high partition coefficients of siderophilic elements for the immiscible sulfide fraction.