Povariské paleofluidní systémy v karbonských sedimentech Moravsko-slezského paleozoika

Mgr. Jan Kučera, Ph.D.

Doctoral thesis

Postvariscan palaeofluid systems in Carboniferous sediments of the Moravosilesian Palaeozoic

Abstract:

Studované povariské polymetalické mineralizace se vyskytují ve spodno a svrchno karbonských siliciklastických horninách Moravsko-slezského paleozoika (oblast Nízkého Jeseníku, Drahanské vrchoviny a hornoslezské pánve). Hydrotermální žíly SZ – JV, S – J a SSV – JJZ směru jsou tvořeny převážně křemenem, dolomit–Mg-ankeritem, sfaleritem, galenitem, chalkopyritem, pyritem, kalcitem, barytem a markazitem. Velká část studovaných dolomitů, sfaleritů a kalcitů vykazuje růstovou či oscilační zonálnost, která je způsobená změnami chemismu jednotlivých přínosových period fluid, dokládajících polyfázový vývoj mineralizace. Strmý sklon hydro-termálních žil ve všech studovaných regionech ukazuje na extenzní tektonický režim oblasti, během kterého probíhaly minerotvorné procesy. Studium výluhů fluidních inkluzí, stabilních izotopů kyslíku, uhlíku a síry a mikrotermometrie fluidních inkluzí v dolomitech, kalcitech a sfaleritech pomohly objasnit geochemii, původ a pravdě-podobné cesty migrace fluid. Chemické analýzy základních a stopových prvků v dolomitech a sfale-ritech také napomohly k pochopení vývoje fluid. Teploty homogenizace fluidních inkluzí staršího mineralizačního stádia se pohybují mezi 50 až 148°C, generelně s výskytem vyšších teplot v Nízkém Jeseníku než v hornoslezské pánvi a Drahanské vrchovině. Nejvyšší teploty homogenizace (až 148°C) vykazují lokality v blízkosti regionálně významných zlomů a nejnižší teploty naopak lokality vzdálenější od těchto zlomů, či ve vyšších stratigrafických úrovních. Fluidní inkluze obsahují vysokosalinní (7,2 až 28,4 hmot. % NaCl ekv.) fluida typu H2O-CaCl2-NaCl(±MgCl2-KCl). Teploty homogenizace fluidních inkluzí mladšího mineralizačního stádia se pohybují v intervalu 37 až 115°C. Fluidní inkluze obsahují nízkosalinní fluida (0,0 až 14,0 hmot. % NaCl ekv.) typu H2O-NaCl-KCl. Mineralizace vznikala za velmi nízkých tlaků (pod 80 MPa), pravděpodobně v hloubkách mezi 1 až 6 km. Teplotní korekce studo-vané mineralizace odpovídá cca 5 až 25°C. Nízké molární poměry Cl/Br v dolomitech, barytu a sfaleritu (pohybující se převážně mezi 210 až 277) a vypočtené izotopové složení kyslíku fluid mezi –0,9 až +3,0 ‰ SMOW indikují, že fluida staršího mineralizačního stádia mají původ v evaporované mořské vodě. Tyto fluida vykazují pouze malé mixování s nízkosalinními formačními vodami. Pro vysvětlení izotopových trendů bylo využito modelování stabilních izotopů. Izotopové hodnoty dolomitů (13C = –6,0/+2,0 ‰ PDB, 18O = +15,5/+22,5 ‰ SMOW) jsou výsledkem frakcionace a krystalizace v otevřeném systému za teplot mezi 80 až 160°C. Ovlivnění horninami vysvětluje izotopové složení za nízkého poměru w/r. Oxidovaná organická hmota způsobila přítomnost izotopově lehkého uhlíku ve fluidech a interakce fluida-hornina převážně kontrolovala chemismus fluid (obsah K, Li, Br a Na, molární poměry K/Cl, I/Cl a Li/Cl). Chemismus fluid dobře dokumentuje interakci fluid s podložními vápenci a také s jílem a organikou bohatými siliciklastiky. Izotopové složení síry sulfidů (mezi –27,9 až +36,0 ‰ CDT) a barytů (mezi +5,1 až +34,4 ‰ CDT) indikuje, že síra obsažená ve většině sulfidů byla derivována z okolních hornin. Redukovaná síra, z níž krystalizovaly baryty a část sulfidů, mohla vzniknout bakteriální a/nebo termochemickou redukcí mořského sulfátu. Molární poměry Cl/Br v kalcitech (pohybující se převážně mezi 337 až 516) a vypočtené izotopové složení kyslíku fluid mezi –12,2 až +6,8 ‰ SMOW indikují, že mladší fluida staršího mineralizačního stádia a fluida mladšího mineralizačního stádia mají původ v evaporované mořské vodě, která byla převážně namixována s meteorickou vodou.

Abstract:

Izotopové složení uhlíku fluid mezi –16,6 až +9,7 ‰ PDB ukazuje na interakci fluid se siliciklastickými horninami bohatými na jílové minerály a organickou hmotu. Distribuce REE v dolomitech může být výsledkem: 1) krystalizace dolomitu z téměř neutrálních fluid s významnou koncentrací komplexujících ligandů (převážně Cl- a F-) jako hlavního faktoru pro distribuci REY, 2) interakce migrujících fluid s okolními nebo podložními horninami, a nebo pravděpodobně 3) kombinace obou variant. Interakce fluid s horninami byla silně ovlivněna teplotou fluid. Dolomity, které krystalizovaly z fluid teplejších než 110°C, jsou většinou obohacené o obsahy REY, zatímco fluida chladnější než 110°C produkují dolomity ochuzené o REY. Obohacení o REY může indikovat vyšší efektivitu loužení minerálů obsahujících REE (nejpravdě-podobněji monazitu, allanitu, plagioklasu a biotitu) za vyšších teplot. Přednostní ochuzení o LREE v dolomitech III. a IV. skupiny mohlo být způsobeno rekrystalizací nebo remobilizací dolomitu. Generelně nárůst salinity a obsahů Cl a F ve fluidech je převážně doprovázen vyššími obsahy REY v dolomitech. Pozitivní Eu anomálie v dolomitech jsou pravděpodobně výsledkem nárůstu Eh v matečných fluidech. Interakce fluid s organickou hmotou a mixování vysokosalinních solanek s meteorickou vodou byly patrně hlavními mechanismy, které způsobily krystalizaci hydrotermálních minerálů. Během migrace fluid došlo k vyloužení S, Zn, Pb, C, Na, K, I, Li a dalších prvků z okolních hornin, přostřednictvím intenzivní interakce mezi fluidem a horninou. Regionální rozložení výskytů studovaných povariských žil ukazuje na jejich vazbu na zlomové struktury. Zlomy SZ – JV a SV – JZ směru, v hornoslezské pánvi i zlomy směru SSV – JJZ a V – Z, a zejména křížení těchto zlomů reprezentují hlavní migrační cesty pro výstup hydrotermálních fluid. Absence regionálního trendu změny teploty a chemismu fluid naznačuje význam vertikální migrace fluid podél hlavních reaktivovaných zlomů, reagujících na extenzní režim oblasti východního okraje Českého masivu. Migrace mineralizovaných fluid mohla být způsobena dilatačním pumpovacím mechanizmem nebo seismickým pumpováním. Propustné proterozoické podloží a zlomy porušené sedimentární sekvence způsobili generelní charakter fluidního systému. Charakter mineralizace a fluid je srovnatelný s řadou obdobných povariských (převážně mesozoických) polymetalických a fluorit-barytových mineralizací, vyskytujících se jak v Českém masivu, tak i v okolní Evropě. Výsledky výzkumu podporují rozsáhlou migraci fluid na východním okraji Českého masivu, která byla součástí mesozoické hydrotermální aktivity probíhající v Evropě, spojené s intenzivním vznikem extenzních zlomů.

Abstract:

Plenty of post-Variscan Zn-Pb-Cu occurrences at the Nízký Jeseník Mountains, the Upper Silesian Basin and the Drahany Upland (Moravosilesian Palaeozoic) were studied. Lower and Upper Carboniferous siliciclastics at the eastern margin of the Bohemian Massif hosted this mineralization. NW – SE, N – S and NNE – SSW oriented hydrothermal veins mostly consist of quartz, dolomite–ankerite, sphalerite, galena, chalcopyrite, pyrite, calcite, barite and marcasite. Most of studied dolomites, sphalerites a calcites show the growth or oscillatory zonality which is caused by the changing of fluid chemistry supported polyphase mineralization evolution. Steep dip of veins from all studied areas show on extensive tectonic regime which was proceeding during mineralization stages. Crush-leach, stable isotope (oxygen, carbon and sulphur) and microthermometry analysis of the fluid inclusions in dolomites, calcites and sphalerites enables understanding the geochemistry, origin and possible migration pathways of the fluids. Also chemical analyses of basic and trace elements in dolomites and sphalerites help to understanding of the fluid evolution. Homogenisation temperatures of fluid inclusions in first mineralization stage range between 50 and 148°C, with generally higher temperatures in the Nízký Jeseník Mountains area than in the Upper Silesian Basin and Drahany Upland. The highest homogenisation temperatures (up to 148 °C) have been found near major regional faults and the lowest homogenisation temperatures in a distant position or at higher stratigraphic levels. Highly saline (7.2–28.4 eq. wt. % NaCl) H2O-CaCl2-NaCl(±MgCl2-KCl) fluids occur in inclusions. Homogenisation temperatures of fluid inclusions in second mineralization stage range between 37 and 115°C. Low saline (0.0–14.0 eq. wt. % NaCl) H2O-NaCl-KCl fluids occur in inclusions. Mineralizations are originated under very low pressures (below 80 MPa) in depth probably between 1 and 6 km. Temperature corrections of studied mineralization approximately correspond to difference between 5 and 25°C. Low Cl/Br molar ratios in dolomites, barite and sphalerite (mostly between 210 and 277) and a calculated oxygen isotopic fluid composition between –0.9 and +3.0 ‰ SMOW of trapped fluids indicate that the fluids of first mineralization stage were derived from evaporated seawater. They are showing only slight mixing with low saline formation waters. Stable isotopic modelling has been used to explain stable isotopic trends. Isotopic values (13C = –6.0/+2.0 ‰ PDB, 18O = +15.5/+22.5 ‰ SMOW of dolomites) resulted from fractionation and crystallisation within an open system at temperatures between 80 and 160°C. Rock-buffering explains the isotopic composition at low w/r ratios. Organic matter maturation caused the presence of isotopically light carbon in the fluids and fluid-rock interactions largely controlled the fluid chemistry (K, Li, Br and Na contents, K/Cl, I/Cl and Li/Cl molar ratios). The fluid chemistry reflects well the interaction between the fluid and underlying limestones as well as with clay- and organic-rich siliciclastics. Sulphur isotopic composition of sulphides (between –27.9 and +36.0 ‰ CDT) and barites (between +5.1 and +34.4 ‰ CDT) indicate that sulphur contented in most of sulphides was derived from host rocks. Reduced sulphur for barites and part of sulphides can be originated by bacterial and thermochemical reduction of seawater sulphate. Cl/Br molar ratios in calcites (mostly between 337 and 516) and a calculated oxygen isotopic fluid composition between –12.2 and +6.8 ‰ SMOW of trapped fluids indicate that the younger fluids of first mineralization stage and fluids of second mineralization stage were derived from evaporated seawater which was mostly mixed with meteoric water. Carbon isotopic fluid composition between –16.6 and +9.7 ‰ PDB shows that the fluids interacted with clay- and organic-rich siliciclastics. REE patter

Abstract:

ns in dolomites can be the result of 1) precipitation of dolomite from near neutral fluids with important concentrations of complexing ligands (mostly Cl- and F-) as a main factor for the REY partitioning, 2) interaction of migrating fluids with host or basement rocks, or, most probably, 3) a combination of both. Interaction of fluids with rocks was strongly affected by the fluid temperature. Dolomites which precipitated from fluids hotter than 110°C are mostly REY-enriched while fluids colder than 110°C produced REY-depleted dolomite. The REY-enrichment may indicate higher effectiveness of leaching of REE-bearing minerals (most probably monazite, allanite, plagioclase and biotite) at higher temperatures. The preferential loss of LREE in dolomites of groups III and IV can be caused by the recrystallization or remobilization of dolomite. Generally, an increase in salinity and contents of Cl and F in fluids is mostly accompanied by a higher REY content in dolomite. Positive Eu anomalies in dolomites are most probably the result of an increase of Eh in the parent fluid. Interaction of fluids with organic matter and mixing of highly saline evaporated seawater with meteoric water was probably main mechanism for crystallization of hydrothermal minerals. During fluid migration was leached S, Zn, Pb, C, Na, K, I and Li content from rocks through intensive fluid – rock interaction. Regional location of studied post-Variscan veins suggest that they are controlled by faults. As a main migration pathways are considered NW – SE and NE – SW oriented faults (in Upper Silesian basin also NNE – SSW and E – W oriented faults) and especially their crossing. No regional trends in temperature or fluid geochemistry favour a fluid migration model characterised by an important vertical upward migration along major reactivated faults which reacted on extensional regime of the eastern margin of the Bohemian Massif. Migration of mineralized fluids can be driven by dilatational or seismic pumping mechanism. A permeable basement and fractured sedimentary sequence enhanced the general nature of the fluid system. Mineralization and fluid characteristics are comparable with the many post-Variscan (mostly Mesozoic) Pb-Zn and fluorit-barite mineralization in Bohemian Massif and Europe. Results of research support extensive fluid migration on the eastern margin of the Bohemian Massif which was part of Mesozoic hydrothermal activity in Europe associated with intensive origin of extensive faults.

Keywords

Keywords, Bohemian Massif, Moravo-Silesian Palaeozoic, polymetallic mineralization, post-Variscan fluid flow, water-rock interaction, fluid chemistry, stable isotopes, rare earth elements, dolomite Klíčová slova, Český masiv, Moravsko-slezské paleozoikum, polymetalická mineralizace, povariská migrace fluid, interakce fluida-hornina, chemismus fluid, stabilní izotopy, prvky vzácných zemin, dolomit Keywords, dolomite

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2009
• Supervisor: doc. RNDr. Marek Slobodník, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Vratislav Hurai, CSc., RNDr. Jiří Zachariáš, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences