Die Rolle von Magmen- und Fluidfluss für die Verteilung von Kupfer, Nickel und Platingruppenelementen

Die großen lagigen Intrusionen wie der Bushveld-Komplex, der Duluth-Komplex und der Sudbury-Komplex gehören zu den weltweit wichtigsten Quellen für Cu, Ni und Platingruppenelementen (PGE). Die meisten Sulfiderze in diesen Komplexen sind das Ergebnis von magmatischer Segregation und Fraktionierung. Verschiedene auf diesen Prozessen basierende Modelle wurden in der Vergangenheit verwendet, um die Mineralogie, Petrologie und Entstehung dieser Erze zu verstehen. Jedoch haben kürzliche Studien über mineralisierte magmatischen Komplexe auch auf die Rolle hingewiesen, die physikalische Prozesse während der Platznahme des Magmas für die Bildung und Modifikation der Merkmale dieser Erze spielen, wie etwa die Interaktion des Magmas mit dem Liegenden, Fluidsegregation, oder die Überprägung durch hydrothermale Prozesse.Im vorgeschlagenen Projekt soll ein neues und komplexes Modell entwickelt werden, das gleichermaßen Segregation-Fraktionierung und zusätzlich Fluid-bezogene Prozesse umfasst, um das Verhalten und die Anreicherung von Metallen dieser Systeme besser zu verstehen, basierend auf Studien mineralisierter Intrusionen des Duluth-Komplexes. Das Hauptaugenmerk wird auf folgenden Aspekten liegen: 1. Ursprung, Richtung und Turbulenz des Magmenflusses und die Auswirkung dieser Faktoren auf die Zusammensetzung der segregierten Sulfidschmelzen. 2. Partielle Aufschmelzprozesse im Liegenden der Intrusion und die Interaktion der Teilschmelzen und ihrer segregierten Fluide mit den Intrusionen. 3. Ein Beitrag zum Wissensstand über magmatisch-hydrothermale Systeme von mafisch-ultramafischen Intrusionen und die Erarbeitung eines Modelles, das auch die Rolle von Fluiden bei der Verteilung von Cu, Ni und PGE während der Kristallisation eines lagigen mafisch-ultramafischen Komplexes in Betracht zieht. 4. Erarbeitung eines Modelles über Prozesse, die zur Bildung PGE-angereicherter Sulfiderze im Liegenden von lagigen Intrusionen führen. 5. Beobachtungen und Modelle über das geochemische Verhalten der PGE in magmatischen und Fluid-Systemen solcher großer lagiger mafisch-ultramafischer Komplexe zu liefern. Das Projekt wird als Kooperation von sechs führenden Wissenschaftlern von der Karl-Franzens-Universität Graz, Austria, der Eötvös Lornd Universität Budapest, Ungarn, dem Natural Resources Research Institute, University of Minnesota, Duluth und der University of Nevada, Reno, U. S. A., durchgeführt. Methodisch kommen Petrographie, Elektronenstrahl-Mikrosondenanlytik, geochemische Analysen, sowie das Studium von Flüssigkeitseinschlüssen und Schwefelisotopen zum Einsatz. Das Projekt ist für 3 Jahre geplant (2011-2014). Im vorgeschlagenen Budget ist auch die Anstellung eines Post-doc-Forschers an der Karl-Franzens-Universität Graz vorgesehen.

Der Fokus dieses Projektes lag im Verständnis der Mineralisationprozesse von Cu-Ni-Co Platin-Gruppenelementen sowie der damit verbundenen Rolle von Fluiden im mafisch-ultramafischen Duluth-Intrusionskörper in Minnesota, USA. Derartige Mineralisationstypen lassen sich vor allem in ausgedehnenten mafisch-ultramafischen Intrusionskörpern beobachten. Beispielshaft wären die weltweit bedeutenden Cu, Ni, Co und Platin-Gruppen-Element (PGE) Lagerstätten des Bushveld Komplexes in Süd Afrika oder des magmatischen Komplexes von Sudbury in Kanada zu nennen. Der Duluth Komplex und die damit assoziierten Intrusionen (1,1 Mrd. Jahre Alt) im Nordosten von Minnesota, USA, bestehen aus einem der größten Intrusionskomplexe der Welt. Die Cu-Ni-Co-PGE Vererzung ist an den basalen Einheiten der Duluth Intrusion gebunden und steht im Kontakt mit dem Umgebungsgestein welches sich durch Metavulkanite, Metasedimente und Granitoide aufbaut. Obwohl sich alle Lagerstätten durch eine ähnlich gestreute Verteilung von Cu-Ni Sulfiden charakterisieren, lassen sich Unterschiede in der magmatischen Stratigraphie, Sulfidmineralogie, Vererzungsgrad von Cu-Ni und PGEs, Mineralisationsmächtigkeit und der damit schlussendlich verbundenen abbauwürdigen Menge feststellen. Diese breitgestreuten Variationen zwischen den einzelnen Lagerstätten sind auf die Bedeutung von unterschiedlichen Aspekten der Sulfidablagerung zurückzuführen. In diesem Zusammenhang sind chemische als auch phylikalische Stadien von Magmenimpulsen, Ausdehnung und Art der magmatischen Suflidsegregation und Fraktionierung, Magmeninteraktionen mit verschiedenen Lithologien im Liegenden, magmatische Fluidseparation sowie übergreifende Wasser/Gesteinswechselwirkungen zu nennen. Im Zuge einer äußerst umfangreichen Bohrkampagne wurden mehrere tausend Meter an Bohrkernen gewonnen. Studien an diesen Bohrkernen zeigen auf, dass die basale Mineralisation im Duluth Komplex nicht durch einen einzigen Magmenimpuls und Differenzationsprozess entstanden ist. Vielmehr sollte eine multiple Magmeninjektion mit unterschiedlichen Charakteristiken in Betracht gezogen werden. Diese Unterschiede könnten aus einer heterogenen Natur der mineralisierten Zone resultieren. Es sei dennoch erwähnt, dass nicht nur die initialen Unterschiede der intrudierenden Magmenimpluse einen chemischen als auch petrologischen Unerschied hervorrufen sondern eine Interaktion zwischen dem Magma und dem unterliegenden Gestein eine wesentliche Rolle spielt, wie es durch Schwefel Isotopie angezeigt wird. In diesem Zusammenhang spielt die Beteiligung von felsischen Umgebungsgestein sowie des darin enthaltenen Schwefels im Magma einen entscheidenden Faktor in der Sulflidsättigung und der Verteilung der Metalle. Darüber hinaus, beeinflussten Fraktionierungsprozesse im Magma die lokale und regionale Mineralogie der resultierenden Erzlagerstätten. Des Weiteren zeigt der Duluth Komplex eine Überprägung durch hydrothermale Systeme welche sich aus späten bzw. kontaminierten Schmelzen kontnuierlich entwickelt haben könnten. All diese Prozesse haben entscheidende Konsequenzen für die Erzzusammensetzung sowie die physikalischen und chemischen Charakteristika der Umgebungsgesteine. Dieses Projekt belegt die Existenz zweier Mineralisationsgenerationen: 1) im Zusammenhang mit der primären magmatischen Differentiation und 2) bezogen auf den Transport durch Cl-reiche Fluide welche zur Erzanreicherung an der basalen Zone des Komplexes führte. Durch die Beteiligung von Post docs, PhDs und Masterstudierenden trug das Projekt zu erzieherischen, wissenschaftlichen als auch ökonomischen Aspekten bei und schlägt Mineralisationsmodelle vor, die für weltweit ökonomisch wertvolle Metalllagerstätten eine Bedeutung haben.