MAGMATSKI PROCESI U FORMIRANJU MINERALNIH LEŽIŠTA ORTOMAGMATSKA LEŽIŠTA KROMITI MASIVNI SULFIDI KIMBERLITI
Klasifikacija rudnih ležišta Stratiformni kromit Hidrotermalna mineralizacija Laterit
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 KORA KONTINENTALNA KORA PROSJEČNA DEBLJINA 7 km 30 do 50 km GUSTOĆA 3.0 g/cm3 2.7 g/cm3 SASTAV Bazalt ispod kojeg se nalazi gabro Granit, ostale plutonske stijene, škriljavci, gnajsevi
Oceanska kora (5-10 km debljine) Cpx - diopsid - hedenbergit Ca(Mg, Fe)Si 2 O 6 - augit (Ca, Na)(Mg, Fe, Al)(Si, Al) 2 O 6 Opx -enstatit ferosilit Mg 2 Si 2 O 6 - Fe 2 Si 2 O 6
Magma bazaltna andezitna riolitna alkalna
Ionski potencijal (Z/r) - Zašto je visoko-temperaturni olivin obogaćen Mg? Forsterit Mg 2 SiO 4 T m = 1910 C Fayalit Fe 2 SiO 4 T m = 1503 C - Zašto je visoko-temperaturni plagioklas obogaćen Ca? (Fe,Mg) 2 SiO 4 r (Mg 2+ ) = 0.67 Å r (Fe 2+ ) = 0.74 Å Anortit CaAl 2 Si 2 O 8 Albit NaAlSi 3 O 8 r (Ca 2+ ) = 1.08 Å r (Na + ) = 1.10 Å Peridotit Plagioklas
Bazalt (48-52 wt.% SiO 2 ) 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
Ionski radijus vs. ionski naboj Supstitucije 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. REE 3+ Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+
Andezit (52-63 wt.% SiO 2 ) otočni lukovi subdukcijske zone mineralna ležišta - porfirna Cu-Au ležišta
Riolit (>68 wt.% SiO 2 ) 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 REE 3+ Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+
Alkalne magme i kimberliti alkalno obogaćenje na Na, K i Ca, osiromašeno SiO 2 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, Al 2 O 3, Na 2 O Kimberlit nosioci DIJAMANATA! dijamanti nastali u plaštu! Uklopljeni u magmu kao ksenokristali. kimberlitne i lamproitne žile često formiraju klastere
Što možemo saznati iz dijamanata? 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. Kemijski sastav: C Gustoća (calc.))= 3.52 g/cm 3 Kristalni sustav: kubični (4/m 3 2/m) Kalavost: {111} savršena Tvrdoća: 10 Boja: bezbojan, žuti, crveni, plavi, crni Sjaj: dijamantan
The block diagram depicts the basic relationship between a continental craton, its lithospheric mantle keel (the thick portion of the lithospheric mantle under the craton), and diamond stability regions in the keel and the convecting mantle. Under the right conditions of low oxidation, diamonds can form in the convecting mantle, the subducting slab, 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 and D) inclusions of silicate (A,C) and sulfide (B,D) mineral groups that have been successfully used for radioisotopic age 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 materijalom 4. faza (nije prikazana): hidrotermalna metamorfna alteracija kimberlitne cijevi
Rudarenje dijamanata - činjenice - 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 firme Alrosa - dnevni kop: trenutno radi na 320 m dubine, očekuje se da će doseći 720 m. YUBILEYNY RUDNIK DIJAMANATA, RUSIJA 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.
Cullinan
Cullinan I (the Great Star of Africa) Cullinan II (the Great Star of Africa) The head of the Sovereign's Sceptre with Cross The Imperial State Crown
Rudnik Kimberley, Republika Južna Afrika
Ortomagmatska mineralna ležišta Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje Nemiješanje magmi stratiformna ležišta kromita podiformna ležišta kromita uranska ležišta u granitima Ni Cu ležišta sulfida KONTAMINACIJA MAGME!!
Krom kromit, FeCr 2 O 4 (spinel)
Geokemijsko ponašanje Cr Magmatska frakcionacija - siderofilan do litofilan - Cr 3+ (jako kompatibilan); Cr 6+ (jako inkompatibilan) REE 3+ Cr Eu2+ Ce4+ Cr 3+ Fe3+ Al3+ Si4+ Cr 6+ Hidrotermalna mobilnost - Ovisi o redox potencijalu otopine - Cr 6+ je mobilan (i toksičan!) - Cr 3+ je slabo mobilan
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 količine V-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) Magmatska frakcionacija odlična katalitička svojstva 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 na mineralna ležišta s kojima su vezani: Ir grupa (Ir, Os, i Ru) vezana uz kromite u ultrabazičnim stijenama u obliku samorodnih elemenata ili sulfida Pd grupa (Rh, Pd, Pt) vezana uz sulfide Fe, Ni i Cu magmatskog porijekla
Titanij Rutil (TiO 2 ) Ilmenite (FeTiO 3 )
Geokemijsko ponašanje Ti Magmatska frakcionacija - litofilan (izdvaja se radije u okside i silikate, nego u sulfide) Hydrothermal transport Eu2+ REE 3+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+
Vanadium - kao legura u čelicima - kemijska industrija (katalizator) Vanadinit (Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl)
Geokemijsko ponašanje V Magmatska frakcionacija Hidrothermalni transport (VO 4 3- ) - V 2+, V 3+, V 4+ and V 5+ REE 3+ Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+
Ortomagmatska mineralna ležišta Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje Nemiješanje magmi stratiformna ležišta kromita podiformna ležišta kromita uranska ležišta u granitima Ni Cu ležišta sulfida
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 C L /C 0 =1/F F 0 C L /C 0 =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. Koncentracija elementa i u taljevini (tekuća faza) Udio taljevine Početna koncentracija elementa i u krutoj fazi (i cijelom sustavu)
Parcijalno taljenje i kristalna frakcionacija kao procesi u formiranju mineralnih ležišta Ravnotežno taljenje: Frakcijsko taljenje: Kd ili D = koeficijent distribucije za element i D Cpx / bazaltna taljevina Ni 5 U 0.03 Zadatak: Izračunaj C l /C o za Ni i U za F=0.01, 0.1 i 0.5 a) Za ravnotežno taljenje b) 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 (UO 2 ) 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 REE 3+ Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+ Hidrotermalna mobilnost - Ovisi o redoks potencijalu otopine - U 6+ je mobilan - U 4+ zanemariva mobilnost
Ortomagmatska mineralna ležišta Frakcijska kristalizacija Parcijalno taljenje Nemiješanje magmi stratiformna ležišta kromita podiformna ležišta kromita uranska ležišta u granitima Ni Cu ležišta sulfida KONTAMINACIJA MAGME!!
TEMPERATURA VISOKA DOBRA MJEŠIVOST NISKA NEMIJEŠIVOST TALJEVINA UDIO SiO 2 DOBRA NEMIJEŠIVOST NIZAK VISOK MJEŠIVOST TALJEVINA fo 2 DOBRA NEMIJEŠIVOST NIZAK VISOK MJEŠIVOST TALJEVINA
Nikal Ni rudni minerali: Pentlandit ((Fe,Ni) 9 S 8 ) Ni-bogat pirhotit (FeS) Garnierit (smjesa Ni-silikata) Garnierit
Geokemijsko ponašanje nikla Magmatska frakcionacija - Siderofilan s halkofilnim i litofilnim afinitetom - Ni 2+ (jako kompatibilan) REE 3+ Cr Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+ Hidrotermalna mobilnost - Mobilan u niskim ph uvjetima - transport Cl-compleksima
Bakar Name Formula % Cu kuprit Cu 2 O 88.8 halkozit Cu 2 S 79.8 covellit CuS 66.5 bornit 2Cu 2 S CuS FeS 63.3 malahit CuCO 3 Cu(OH) 2 57.7 azurit 2CuCO 3 Cu(OH) 2 55.1 tennantin Cu 12 As 4 S 13 51.6 halkopirit CuFeS 2 34.5
Geokemijsko ponašanje bakra Magmatska frakcionacija - halkofilan - U magmatsko-hidrotermalnim sistemima preferirano odlazi u magmatski fluid REE 3+ Cr Eu2+ Ce4+ Fe3+ Al3+ Si4+ Hidrotermalna mobilnost - Mobilan u niskim ph uvjetima - transport bisulfidnim (kao i Au) i Cl-kompleksima (kao i Zn, Pb, )
PGE Platinska Grupa Elemenata (PGE) rutenij (Ru), rodij (Rh), paladij (Pd), osmij (Os), iridij (Ir) i platina (Pt) Magmatska frakcionacija odlična katalitička svojstva 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 na mineralna ležišta s kojima su vezani: Ir grupa (Ir, Os, i Ru) vezana uz kromite u ultrabazičnim stijenama u obliku samorodnih elemenata ili sulfida Pd grupa (Rh, Pd, Pt) vezana uz sulfide Fe, Ni i Cu magmatskog 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 orthomagmatic deposits: 1. Crystal fractionation and gravityinduced 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.