Au Deposit, Argentina

212 Pages·2008·21.46 MB·German

ETH Library
Genesis of the Bajo de la
Alumbrera porphyry Cu-Au
deposit, Argentina
Geological, fluid geochemical, and isotopic
implications
Doctoral Thesis
Author(s):
Ulrich, Thomas
Publication date:
1999
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-003840170
Rights / license:
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DISS ETHNr. 13383
Genesis of the Bajo de la Alumbrera Porphyry Cu-
Au Deposit, Argentina: Geological, Fluid Geochemical,
and Isotopic Implications
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
forthe degree of
Doctor ofNatural Science
presented by
Thomas Ulrich
Dipl. Natw. ETH
bornNovember 25th 1969
citizen ofUnterstammheim (ZH)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. C. A. Heinrich ETHZürich, examiner
Prof. Dr. V. Koppel ETHZürich, co-examiner
Prof. Dr.A. H, Clark Queen'sUniversity Kingston, co-examiner
1999
ConIenI
Contents
Zusammenfassung l
Summary 5
Introduction and Aim of the Study 7
Statement ofthe Problem 7
Organization ofthe Work 8
PART I: GEOLOGYAND GENESIS OF THE BAJO DE LAALUM¬
BRERAPORPHYRY CU-AU DEPOSIT, ARGENTINA
Abstract 9
Introduction 10
Regional Geologic Setting ll
Geology and Igneous Petrology 15
Wall RockAndésites 15
Hypabyssal RockTypes at Bajo de laAlumbrera 16
Geologic map and description ofsection 47 17
LosAmarillos Porphyry 19
NE Porphyry dike 21
Quartz-Eye Porphyry 21
Colorado Norte Porphyry 21
Igneous Breccia 22
Early-P3 Porphyry 23
Campamiento Porphyry 23
North Porphyry 24
NW-Porphyry Dikes and Late Porphyries 24
Post-Mineralization Porphyry (P4) 25
Alteration Mineralogy and Zonation 26
Quartz-MagnetiteAlteration 28
PotassicAlteration 28
Chlorite-Rpidote alteration (propylitic alteration) 30
Feldspar-Destructive Alteration (Ph\llic andArgillicAlteration) 31
Vein Sequence and Mineralization 34
Pre-Ore Stage Veins 34
Main Ore Stage Vein 37
Late Sulfide Vein Stage 39
Post-Mineralization Stage 41
Content
Ore Distribution 42
Supergene Processes at Alumbrera 44
Magmatic Geochemistry and Mass-Balance Calculation of Hydro-
thermal Alteration.... 45
Sample Selection 45
Results ofGeochemistry and Calculation ofAlterationReactions 47
Composition ofunaltered porphyries 47
Mass-balance calculation 48
Quartz-magnetitezone 53
Potassic alteration zone 53
Chlorite-epidote alteration zone 55
Feldspar-destructive overprint 55
Interpretation and Genesis of the Deposit 57
PART II: FLUID INCLUSIONAND STABLE ISOTOPE STUDY OF THE
BAJO DE LAALUMBRERAPORPHYRY CU-AU DEPOSIT,
ARGENTINA
Abstract 63
Introduction 64
Fluid Inclusion Study 66
Sample Material forFluid Inclusion and Isotope Studies 66
Fluid InclusionTypes at Bajo de laAlumbrera 68
Polyphase brine inclusions 68
Opaque-bearing brine inclusions 69
Brine inclusions 70
Aqueous inclusions 70
High-density vapor inclusions 70
Low-densityvapor inclusions 72
Relative Timing ofFluid InclusionTypes 72
Deposit-Scale Distribution ofFluid Inclusion Types 78
MicrothermometryAnalyses ofFfydrothermal Fluids 82
Experimental setup and high-temperature measurements 82
Polyphase brine inclusions 84
Opaque-bearing brine inclusions 85
Brine inclusions 85
Aqueous inclusions 85
ITigh-density vapor inclusions 87
Low-density vapor inclusions 89
Temperature-Pressure Estimates 89
Boiling assemblages 90
Content
Fluid inclusion assemblages homogenizingbyvapordisappearance 90
Fluid inclusion assemblages homogenizing byhalite dissolution 91
Interpretation ofP-T-XNaCl evolutionintime and space 92
LAICP-MS Analysis ofFluid Compositions 97
Liquid-rich inclusions 97
Boiling assemblages (coexisting liquid and \apor inclusions) 105
Vapor-rich inclusions (high-density and low-density assemblages) 108
Estimate ofFluid/Rockratio forthe Potassic Alteration and Cu Mineralization 111
Melt Inclusion Study 113
Sample Material, Timing and Microthcrmomctry ofMelt Inclusions 113
Composition ofMelt Inclusions 114
TentativeInterpretation ofMeltInclusions 115
Oxygen and Hydrogen Isotope Study 117
Fractionation Factors andResults ofthe Stable IsotopeAnalyses 119
lsotopic Composition ofHydrothermal Fluids 121
Magmatic fluid 121
lsotopic fluid composition ofthe potassic alteration 122
Fluid composition ofthe chlorite-epidote alteration 123
Fluid composition ofthe feldspar-destructive alteration 124
Interpretation and Discussion ofthe Stable Isotopes 124
Discussion of the Fluid Evolution 126
Summary and Conclusion 130
Acknowledgments 132
Reference 134
Curriculum Vttae 144
Appendix 145
A)Analytical methods 146
B) List ofsurface samples and drill hole samples 151
C) Microthermometry data offluid inclusion assemblages 162
D)LA-1CP-MS data ofindividual fluid inclusions 171
E) Selection ofRaman spectra 196
F) Selection ofXRD-spectra 197
G) Geochemical whole-rock data 199
Fl) Matrices : Conversion ofoxides into moles ofminerals 201
1) RawdataofO andH-Analyses 206
1 Zusammenfassung
Zusammenfassung
Magmatisch-hydrothermale Erzlagerstätten gehören zu den wichtigsten metallischen
RohstoffvorkommenderErde, SolchenatürlichenMetall-Anreicherungenentstehen imErdirmem
durch Transport gelöster Komponenten in einer heissen wässrigen Lösung, aus der schliesslich
Erzmineralien in Adern ausgefällt werden. Die Erforschung der genauen Prozesse, die zu ganz
unterschiedlichen Metallanreicherungenführen können, sind von grundlegendem geologischem
Interesse — aber auch von grosser praktischer Bedeutung, um weitere potentielle Vorkommen
aufzufinden.
Die vorliegende Arbeit umfasst die Untersuchungen einer der grössten Kupfer-und
Goldlagerstätten der Welt (806 Millionen Tonnen Erz mit 0.53 % Cu und 0.64 g/t Au), die
porphyrische Cu-Au-Lagerstätte von Bajo de la Alumbrera im Nordwesten von Argentinien.
Geologisch-petrographische,geochemischeundisotopischeAnalysensowie in-situgeochemische
Mikroanalysen von Flüssigkeitseinschlüssen wurden kombiniert, um eine umfassende
Charakterisierung der Prozesse abzuleiten. Das Ziel war insbesondere, die Fluidentwicklung in
diesemsehrgutaufgeschlossenenHydrothermalsystem zurekonstruieren. DiequantitativeAnal¬
ysevonFlüssigkeitseinschlüssen miteinemspeziellfürsolcheUntersuchungenanderETFIZürich
entwickelten Laser-Ablations - ICP - Massenspektrometer wurde zum ersten Mal an einer
porphyrischen Cu-Au-Lagerstätte angewendet. Mit dieser Methode und den herkömmlichen
Untersucluingsmethoden fürFlüssigkeitseinschiüsse (Mikrothermometrie,Raman-Spektroskopie)
dessen sich die chemischen Konzentrationen des Fluids in Raum und Zeit verfolgen. Durch
Kombination mit Sauerstoff-und Wasserstoff-Isotopenanalysen wurde zudem der Zeitpunkt und
die Bedingungen für die Entmischung des Fluids aus einer Schmelze, die chemischen und
thermischenProzesse derErzausfällung, sowie dasAuftreten und dieHerkunftunterschiedlicher
Fluide bestimmt.
DieLagerstätte istausverschiedenen dazwischen Porphyr-Sehloten aufgebaut, welche indie
andesitischen Vulkanite des „Farallön Negro Volcanic Complex" intrudierten. Zusammen mit
zwei frühen Intrusionen sind jeweils separate Fluidpulse aufgestiegen, welche eine
Zusammenfassung 2
charakteristische,nahezukonzentrischeAlterationsverteilungverursachten. Diesebestehtauseiner
frühen Quarz-Magnetit-Zone, einerpotassischen Zone und einerpropylitisehen Zone, sowie
einer späteren phyUischen Überprägung, Geocliemische Analysen der Gesteine aus diesen
Alterationszonen zeigen Konzentrationsveränderungen im Gestein durch Fluid/Gesteins-
Reaktionen an, die in der Quartz- Magnetit- Zone das Gestein um bis zu 300% an Si()„ und
100% an Fe angereichert haben. Die biotit- und kalifeldspatrcichc potassisch alterierte Zone ist
gekennzeichnetdurch die Zunahme m K, Si, Fe und Cu und einerAbnahmevonNa und Ca. Die
phyllischeAlterationszone ist in fast allen Elementen abgereichert, hingegen durch Zufuhrvon
HCl zu serizitreichcn Gesteinen hydrolysiert. Die propylitische Alteration mit Epidot, Chlorit
und Calcit zeigt eine Zunahme an Ca und CO,, hat aber K und Na verloren. Die Cu-Au-
Mineralisation ist verknüpft mit der potassischen Alteration und tritt als Kupferkiesadern mit
Goldeinschlüssen und feinverteilt in den frühen porphyrischen Stöcken und dem angrenzenden
andesitisehenUmgebungsgestem auf. Die höchsten Erzgehaltetreten ineiner Erzzone um einen
zentralen unmineralisierten Kern auf.
AufgrundderVerteilungverschiedenerTypenvonFlüssigkeitseinschlüssen (unterschiedliche
Dichte und Salinität) in einzelnen Proben und in der gesamten Lagerstätte konnte eine relative
ZeitabfolgevonverschiedenenFluidpulsenabgeleitetwerden.Dabei isteineHäufungvonfrühen,
hochsalinenundhochtemperierten LösungenimZentrumderLagerstättezubeobachten,während
weniger saline und gas-reiche Fluide vor allem in der späten phyUischen Alteration und gegen
denRand derLagerstätte auftreten. Das ZentrumderLagerstätte umden unmineralisierten Kern
enthältEinschlüssederfrühstenundheissestenFluideundrepräsentiertdenehemaligenHauptkanal
vonheissemaufsteigendemFluid.AusmikroanalytischenMessungen andenEinschlüssendieser
Kernzone wird ersichtlich, dass diese Fluide Gold und Kupfer in hoher Konzentration
transportierten, aber wegen zu hoher Temperaturen zunächst nicht ausschieden. Erst nach einer
Abkühlungaufetwa400°CwurdenAuundCuzusammenausgefallt. Diesführtezurbeobachteten
engen Korrelation zwischen Cu- und Au-Gehalten in der gesamten Lagerstätte, sowie zur
petrographischen Vergesellschaftungvon Kupferkies und Gold im Bereich der potassischenAl¬
teration. Die Zusammensetzung der ersten Hochtemperatur-Fluide ist dominiert von K, Fe, Na
3 Zusammenfassung
undenthältCu(0.1 -1 Gew.%)sowie Au(0.3- 1 ppm),welchesin dieserArbeitzumerstenMal
in einzelnen Flüssigkeitseinschlüssen gemessen werden konnte. Die Übereinstimmung des
Konzentrationsverhältnis (Au/Cu) im Fluid mit dem Elementverhältnis im Erz ist ein starker
Hinweis aufdie direktemagmatische Herkunft derFluide und für deren bestimmende Rolle fin¬
den gesamtenMetallgehalt solcher Lagerstätten.
DieTemperatur-undDruckabschätzungen mitüber700°Cundum 1 kbarliegen knappunter
dem Liquidus einer unter dem Erzvorkommen liegenden Magmakammer und sind bezeichnend
für eine Fluidentmischung während der Auskristallisation des Magmas. Aus den
Druckabschätzungen wurde eine Tiefe von über 4 km unter der Paläooberfläche für die
Fluidentmischung abgeleitet. Die Salinitätsentwicklungund Metallkonzentrationenstimmen mit
publizierten Experimenten zur Fraktionierung \on Cu und Cl zwischen Silikatschmelzen und
Hydrothermalfluiden beiDrückenüber Ikbar überein. Das frühesteFluid hatteeine Salinitätvon
etwa30 bis 45 Gewichtsprozentundtrennte sich kurznach derEntmischung aus demMagmain
zwei Phasen (,Sieden' zu Flüssigkeitund Gas). Dabei erhöhte sich die Salinität in der flüssigen
Phase durch die physikalischeAbtrennung der Gasphase. Anhand der mikrothermometrischen
Daten konnte gezeigt werden, dass diese Auftrennung durch Druckabfall erfolgte, und dass die
Druck- und Temperaturentwicklung im System primär für die Variation der Fluidsalinität
verantwortlich ist. Assoziierte gas-reiche Einschlüsse zeigen im allgemeinen höhere
Kupferkonzentrationen (bis zu 3 bis 4 Gewichtsprozent Cu) und deuten aufeine Fraktionierung
von Cu in die Gasphase, welche sich damit neben der Flüssigkeit als eigenes potentielles
TransportmediumfürKupfer±Goldinporphynschenund assoziiertenepithermaienLagerstätten
erweist.
Abnehmende Temperaturen durch Wärmetransfer vom kochenden magmatisch-
hydrothermalen Fluid ans Umgebungsgesteinund an zirkulierendes meteorisches Wasser, sowie
Druckabnahme und Fluid-Gesteinsreaktionen, waren in erster Linie verantwortlich für die
Ausfallung von Cu und Au in Bajo de la Alumbrera. Die Metallabscheidung liess sich direkt
anhand einer mehr als J()-fachen Abnahme der Cu Konzentration in Flüssigkeitseinschlüssen
dokumentieren, während direktes Verdünnen magmatischen Fluids erst nach der Erzausfällung
Zusammenfassung 4
einsetzte. Aus derchemischenZusammensetzung derGesteine undden Elementkonzentrationen
im FluidwurdeeinrelativtiefesFluid/Gesteins-Verhältnisvonetwa2zu 1 fürdieCu-Mineralisation
der gesamten Lagerstätte errechnet, was aufeine sehr effiziente Erzausfällung innerhalb eines
begrenzten Gesteinsvolumens hinweist.
Aus Sauerstoff- und Wasserstoff-Isotopenanalysen an Quarz und wasserhaltigen
Alterationsmineralien wurde die Isotopenzusammensetzung der Fluide errechnet. Diese variiert
je nach Herkunft der Fluide und zeigt für das Flydrothermalsystem vonAlumbrera einen Trend
vonfrühenmagmatischenFluidenzueinerMischungausmagmatischenundmeteorischenFluiden
inderspäterenphyUischenAlteration.Derspäte EinflussdesmeteorischenWassers, in derletzten
PhasederFluidentwicklungundbeiTemperaturenunter300°C, istauchausdergeringen Salinität
und den tiefenMetallgehalten der entsprechenden Flüssigkeitseinschiüsse ersichtlich.
DieResultateausderKombinationgeologischerKartierung,petrographischerBeobachtungen
und verschiedener bekannter Labormethoden mit der neuen Fluid-Mikroanalytik mittels Laser-
Ablations-ICP-MS erlaubten erstmals eine Rekonstruktion der physikalischen und chemische
Fluidentwicklung in einer porphyrischen Lagerstätte. Die Resultate beweisen quantitativ, dass
Kupfer und Gold zusammen aus einem Magma ins Fluid fraktionieren, sodann durch
Fluidfokussierung in den Porphyrschlot transportiert werden, wo sie in konzentrierter Form
ausfallenund dadurcheinewirtschaftlichwertvolleAnreicherungderMetalleimGesteinergeben.
J Summary
Summary
The Bajo de la Alumbrera Cu-Au porphyry deposit in northwestern Argentina (Catamarca
province) is a major gold and copper producer. The research project documented herein com¬
prises acomprehensive study atthe geology ofthe deposit, providingthebasisfor stable isotope
investigationsand quantitative fluid inclusion analysis. This first studyofthe quantitative analy¬
sis ofthe fluid composition in porphyry Cu deposits strongly supports a direct relationship be¬
tween magmatic fluid and mineralization, and shows that this fluid controls the metal budget in
such deposits. Moreover, these chemical data, in combination with isotopic data, are a major
contributiontothe understandingofprocesses active inmagmatic-hydrothermal systems such as
Bajo de laAlumbrera.
The deposit is hosted by several dacitic porphyric intrusions within cogentic, andesitic to
basaltic-andesiti'c volcanic rocks ofthe Farallon Negro Volcanic Complex. The individual intru¬
sionswere associatedwith separate fluidpulses, whichcausedthe characteristic, almostconcen¬
tricalteration pattern ofan earlyquartz-magnetite zone, potassic, propylitic, and alater overprint
ofphyllic alteration. Geochemical analyses ofthese alteration zones reveal changes in element
concentrationsdueto fluid-rockinteractions. The quartz-magnetite alteration is characterizedby
large gains in Si and Fe, whereas most other elements were depicted. The fluid was oxidized at
this stage, indicated bythe S species dominated bySO,.Thepotassicalterationischaracterized in
gains ofK, Si, Fe and Cu and losses ofNa and Ca, vhereas in the phyllic alteration almost all
majorelementsaredepleted exceptforCaand CO,. Thepropylitic alterationzone gained Ca and
C02, but lost KandNa.
Mineralization is related to the potassic alteration and occurs as chalcopyrite vemlets and
disseminations in the early porphyry stocks and adjacent andesiticwall rock. The ore-grades are
roughlycorrelatedwithdifferentporphyriesandarehighestintwooftheearliestintrusions(Colo¬
radoNortePorphyry and Early-P3 Porphyry). The quartz-magnetite -rich zoneneartothe center
ofthe deposithas low ore-grades dueto non-depositionofCu, because oftoohightemperatures
during early stages, but the core is also intruded by later barren porphyries. A shell-like, high-