Chování skandia v minerálech granitických hornin během magmatické a hydrotermální fáze

Mgr. Jakub Výravský, Ph.D.

Doctoral thesis

Behaviour of scandium in minerals from granitic rocks during magmatic and hydrothermal stage

Abstract:

V rámci této disertační práce bylo podrobně studováno chování skandia v průběhu magmatické i hydrotermální fáze vývoje tří vybraných granitických systémů: 1) V LCT pegmatitech u Dolních Borů (žíla č. 3 a 4) se Sc v magmatické fázi koncentruje mj. do zirkonu (až 5,56 hm. % Sc2O3) a wolframoixiolitu (až 4,36 hm. % Sc2O3). V subsolidu došlo při interakci fluid s těmito prekurzory za T = ≈350-300 °C a P ≤ 2 kbar k jejich rekrystalizaci procesem dissolution-reprecipitation za vzniku sekundárního pretulitu (ScPO4) a thortveititu (Sc2Si2O7). 2) V NYF pegmatitu Kožichovice II v Třebíčském plutonu byl nalezen magmatický kolumbit-(Mn) obsahující ≈1,6 hm. % Sc2O3, který v subsolidu podlehl při reakci s Ca-bohatými fluidy částečné přeměně na fersmit (≈0,16 hm. % Sc2O3) za současného vzniku nioboheftetjernitu (ScNbO4). V pozdější fázi došlo k přínosu Si a Sn a krystalizaci nejmladšího kristiansenitu (Ca2ScSn(Si2O7)(Si2O6OH)), thortveititu, titanitu a kalciomikrolitu. Pomocí mass-balance výpočtů bylo zjištěno, že ≈ 40 % Sc původně obsaženého v kolumbitu-(Mn), bylo při jeho rekrystalizaci mobilizováno a odneseno fluidy mimo systém. 3) V greisenizovaném, A-typovém granitu na ložisku Cínovec je nejvýznamnějším nositelem Sc v greisenech zinnwaldit (40-85 ppm Sc), který váže až 93 % celkového obsahu Sc v hornině. Vysoké a potenciálně i ekonomicky zajímavé koncentrace Sc jsou také ve wolframitu (až 1 hm. % Sc2O3) a kasiteritu (až 0,32 hm. % Sc2O3). Kolumbit (až 3 hm. % Sc2O3) a zirkon (až 2,5 hm. % Sc2O3) jsou kvůli svému malému zastoupení významnými nositeli Sc jen v granitech, které jsou oproti greisenům celkově chudší skandiem. Nejvyšší koncentrace Sc (až 4,9 hm. % Sc2O3) byly zjištěny v sekundárním ixiolitu, který vznikal společně se Sc-chudým scheelitem při subsolidové rekrystalizaci Sc-Nb-obohaceného wolframitu. Vzhledem ke kompatibilnímu chování Sc dochází k saturaci Sc-minerálů v magmatické fázi jen výjimečně (thortveitit) a většina Sc-minerálů v granitických systémech vzniká při subsolidových alteracích Sc-bohatých akcesorických minerálů jako je např. zirkon, kolumbit, beryl, biotit apod. Pravděpodobně takto vznikají i hydrotermální Sc-minerály v dutinách a na trhlinách bez prokazatelné prostorové vazby na alterovaný Sc-bohatý prekurzor, jelikož Sc může být mobilizováno a transportováno fluidy i za podmínek, kdy jsou ostatní HFSE jako Zr, Nb, Y, REE apod. imobilní.

Abstract:

In this thesis, behaviour of scandium during magmatic and hydrothermal stage was studied in three selected granitic systems: 1) In LCT pegmatites near Dolní Bory (dykes No. 3 and 4), Sc was concentrated in accessory zircon (up to 5.56 wt.% Sc2O3) and wolframoixiolite (up to 4.36 wt.% Sc2O3) during the magmatic stage. In subsolidus conditions, these precursors reacted with hydrothermal fluids at T = ≈350-300 °C and P ≤ 2 kbar via a dissolution-reprecipitation process, which facilitated formation of secondary pretulite (ScPO4) and thortveitite (Sc2Si2O7). 2) In the NYF pegmatite dyke Kožichovice II, magmatic columbite-(Mn) containing ≈1.6 wt.% Sc2O3 was partly transformed to fersmite (≈0.16 wt.% Sc2O3) during subsolidus reaction with Ca-rich fluids, which led to simultaneous crystallization of nioboheftetjernite (ScNbO4). In later stage, the fluids became enriched also in Si and Sn and caused precipitation of younger kristiansenite (Ca2ScSn(Si2O7)(Si2O6OH)), thortveitite, titanite and calciomicrolite. Based on mass-balance calculations, it was found out, that ≈ 40 % of the original Sc content of the columbite-(Mn) was mobilized and transported away by the fluids during its recrystallization. 3) In the greisenized, A-type Cínovec granite, the most important Sc-carrier in greisens is zinnwaldite (40-85 ppm Sc), which hosts up to 93 % of the bulk-rock Sc. High and potentially economical concentrations of Sc were found also in wolframite (up to 1 wt.% Sc2O3) and cassiterite (up to 0.32 wt.% Sc2O3). Due to its scarcity, columbite (up to 3 wt.% Sc2O3) and zircon (up to 2,.5 wt.% Sc2O3) are important carriers of Sc only in granites, which are in general Sc-poor compared to greisens. The highest concentrations of Sc (up to 4.9 wt.% Sc2O3), were found in secondary ixiolite, which formed alongside the Sc-poor scheelite during subsolidus recrystallization of Sc-Nb enriched wolframite. Due to compatible behaviour of Sc, saturation of Sc-minerals during magmatic stage is achieved only rarely (thortveitite). Most of the Sc-minerals in granitic systems therefore form during subsolidus alterations of Sc-enriched accessory minerals such as zircon, columbite, beryl, biotite etc. Probably, also the hydrothermal Sc minerals in pockets and fractures, without direct link to an altered Sc-rich precursor form by the same process, since Sc could be mobilized even at conditions when HFSE like e.g. Zr, Nb, Y and REE are immobile.

Keywords

skandium, minerály skandia, granit, granitický pegmatit, greisen, Český masiv, scandium, scandium minerals, granite, granitic pegmatite, Bohemian massif

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 7. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 10. 11. 2022
• Supervisor: doc. Mgr. Radek Škoda, Ph.D.
• Reader: RNDr. Miloš René, CSc., prof. RNDr. Pavel Uher, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology / Mineralogie, petrologie a ložisková geologie