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Zoheir, Basem (2004): Gold mineralization in the Um El Tuyor area, South Eastern Desert, Egypt: Geologic context, characteristics and genesis. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

This thesis reports petrographic, mineralogical and geochemical data that constrain the hydrothermal alteration and gold mineralization in the Um El Tuyor area, SE Egypt. In order to distinguish the characteristics and envisage the genesis of gold mineralization in the study area, insights into the geologic context, structural evolution and geochemistry of the country rocks are provided. The geochemical investigations have been integrated with field and petrographic relationships, along with Landsat (TM) imagery interpretations to better constraints on the tectonic setting of the basement complex in the study area. The particular geographic location near the intersection of two major high strain zones, namely the Allaqi-Heiani suture and Hamisana Shear Zone, played a crucial role in the deformation history of the Um Tuyor area. The basement complex cropping out in the Um El Tuyor area is part of the Neoproterozoic Allaqi-Heiani ophiolitic belt, comprising allochtonous ophiolitic thrust slices and detached sheets, island arc volcano-sedimentary-plutonic assemblages, and syn-orogenic and post-orogenic intrusions. The ophiolitic rocks exhibit field and geochemical characteristics that make them akin to the supra-subduction zone ophiolites, formed most likely in a back-arc basin. The island arc assemblage comprises mainly calc-alkaline metavolcanic-plutonic rocks and back-arc pelitic metasediments. Early calc-alkaline granite intrusions tapered along the foliation and thrust planes during the orogenic episodes, whereas less fractionated tholeiitic olivine gabbro and peraluminous monzogranite encompass a course of post-orogenic plutonism evolved in a within plate setting. An early period of crustal shortening (Dm) involved transportation and overriding of huge ophiolitic sheets from the north to south is manifested by major thrust faults and imbricate ophiolitic thrust slices. Regional folds and pervasive foliation cleavage signify a NE-SW compressional regime (D2) superimposed on the thrust fabrics. A third deformation increment is indicated by the presence of abundant NNW-trending major folds and left-lateral faults superimposed on the older structural fabrics (D3). D4 records an episode of transcurrent deformation yielded slip reactivation of the pre-existing NW-trending faults and formation of discrete shear zones, one of which accommodates gold mineralization in the study area. Finally, a weak shear strain (D5) is indicated by the intersecting fault and joint trends traversing the post-orogenic rocks. Regional metamorphism was coeval with deformation, and peaked under conditions of amphibolite facies during D2. Geothermobarometry calculations point to temperatures of 534-561oC and pressure of 5.26-6.20 kbar for the peak of the metamorphic path of Um El Tuyor basement. Gold is mainly confined to the quartz veins and less commonly to narrow domains of the next quartz-sericite alteration zones. Field, microscopic and microprobe observations suggest that hydrothermal alteration in the Um El Tuyor mine area was post-peak metamorphism, and syn-kinematic with local shearing. The main auriferous veins in the Um El Tuyor mine area consist of massive, partially recrystallized, or laminated quartz ±carbonate. The quartz-carbonate veins are essentially fault-fill bodies, which have been fractured and re-filled with milky to grey laminated quartz in later stages of the geothermal system. The laminated quartz veins contain narrow elongate slivers of the host pelitic rocks (composed essentially of chrorite-sericite-sulphides±graphite), assumed to have been peeled off and incorporated during incremental (crack-seal) vein growth. vii Gold occurs as inclusions or within the lattice in arsenopyrite and arsenian pyrite, commonly in association with subordinate sphalerite, chalcopyrite, and pyrrhotite in the auriferous quartz veins. Another, high fineness type of gold fills microfractures in sulphides and quartz, and/or occurs as dispersed blebs and globules in domains of pervasive alteration, particularly where sericite and carbonate are intergrown. In the mine area, a metal zonation extends from an inner Fe-As-Zn-Au ±Pb±Ag±Te bearing veins through an intermediate Fe-As-Cu rich wallrocks to a distal halo enriched in Fe-Cu-Co, and Ni. A three stage hydrothermal alteration model (initial, transitional and advanced) is proposed for the Um El Tuyor ore-forming hydrothermal system, on basis of the field and microscopic observations and the electron microprobe data. The initial stage involved hydrolysis of the wallrocks in presence of a near acid fluid, whose pH was buffered by the wallrock mineralogy. The transitional stage involved also hydrolysis reactions, but was dominated by carbonatization, sulphidation and redox reactions. The latter reduced the interacting fluids, particularly where the fluid : rock ratio was low and provided favourable conditions for gold deposition. It is interpreted that sulphidation has affected the gold solubility via changes in oxygen fugacity through redox reactions. The advanced stage was most likely a phase of intense sericitization (after chlorite), which consumed K+, liberated H+, and buffered the solution pH. Cation-exchange reactions were limited to the time when favoured Na+ activity and temperature conditions promoted deposition of albite. Sulphidation remained operating through this stage, and the un-buffered conditions were locally attained under high fluid/rock ratios. Compositional zoning of the auriferous pyrite and arsenopyrite crystals, along with the presence of patchy pyrrhotite and sphalerite inclusions in these crystals, and the absence of these features in pyrite and arsenopyrite of the late sulphide assemblage may imply incipient low oxygen fugacity conditions during gold deposition. Further, compositional zoning of the large arsenian pyrite crystals, from barren cores to auriferous margins, is considered as a function of redox reactions involving oxidation of Au and reduction of As. Fluid inclusion studies revealed heterogeneous entrapping of immiscible aqueous and carbonic fluids in the Um El Tuyor auriferous quartz veins. Criteria including the primary and secondary modes of occurrence of the carbonic inclusions, coexistence of inclusions with carbonic and aqueous fluids of variable relative proportions, densities, filling degrees, partial homogenization temperatures, and bulk compositions are considered evocative for phase separation as gold deposition mechanism in the Um El Tuyor auriferous quartz veins. The initially homogenous ore fluid was likely a low salinity aqueous-carbonic solution (±1-2 mol% CH4 or N2), which started to separate into two phases and precipitate gold when conditions attained ~340°C at ~1.5 kbar (at depth of ~6 km under lithostatic condition). Destabilization of gold-sulphur complexes through interplay of cooling, redox state variation, pH changes, and decrease in sulphur fugacity should have contributed in gold deposition in the auriferous veins. The entire gold-base metal mineralization and quartz veining event extended over conditions of 170-429oC at 0.9-2.1 kbar respectively, equivalent to depths of 3-8 km and compatible with crustal conditions of greenschist metamorphism and brittle–ductile transition. This wide range of pressure probably represents the total fluid pressure regime within the shear zone from the formation of the auriferous quartz veins to periods of continuous pressure decrease during uplift, including a sudden pressure decrease occurred as a consequence of incremental opening of the fissure, followed by filling by newly deposited quartz.

Abstract

Diese Dissertation beschreibt die petrographischen, mineralogischen und geochemischen Hintergründe, die zur Goldmineralisation und zur hydrothermalen Nebengesteinsalteration im Gebiet von Um El Tuyor, Südost Ägypten beigetragen haben. Um jedoch die genetischen Hintergründe und Charakteristika der Goldmineralisation im Untersuchungsgebiet näher zu verstehen, bedarf es zunächst einer eingehenden Analyse der geologischen Zusammenhänge, der strukturgeologischen Entwicklungsgeschichte und Geochemie der gesamten Nebengesteinsabfolgen. Die geochemischen Auswertungen wurden in die Feldarbeiten und die petrographischen Untersuchungen eingebunden, ebenso die Satellitenbildinterpretationen (TM-Szenen) zum besseren Verständnis der Tektonik des Grundgebirges im Untersuchungsgebiet. Die spezielle geographische Position des Um El Tuyor Gebietes im Umfeld der Überschneidung von zwei „high strain“ Suturzonen, nämlich des Allaqi-Heiani Gürtels und der von Süden kommenden Hamisana Zone trug wesentlich sowohl zu deren komplexen Deformationsgeschichte als auch Lagerstättengenese bei. Der anstehende Grundgebirgskomplex des Um El Tuyor Gebietes stellte sich als ein Teil des Neoproterozoischen Allaqi-Heiani Ophiolit Gürtels heraus, der aus allochtonen ophiolitischen Überschiebungspartien und abgesonderten Schuppen vulkano-sedimentärer und plutonischer Abfolgen vom Inselbogentyp sowie syn-und post-orogener Intrusionen besteht. Die ophiolitischen Gesteine lassen sich sowohl nach den Geländedaten als auch geochemisch als Supra-Subduktionszonen-Ophiolite eines Back-Arc Beckens deuten. Während des Pan-African (Spätes Proterozoikum) wurden diese Ophiolite transportiert, durch mittlere bis steile Verfaltung verkürzt und verschuppt wobei sie immature Inselbogenabfolgen mit zwischengeschalteten Back-Arc Metasedimenten überlagerten. Die Inselbogenabfolge besteht hauptsächlich aus kalk-alkalinen metavulkanisch-plutonischen Gesteinen und pelitischen Back-Arc Metasedimenten. Frühe kalk-alkaline Granitintrusionen drangen entlang der Faltungs- und Überschiebungflächen während der orogenen Episoden ein, wohingegen tektonisch weniger beanspruchte Olivin-Gabbros und Peraluminium-Mozogranite sich als postorogene Plutonite mit einer „Within plate“ Affinität darstellen. Eine frühe Krustenverkürzungsperiode (Dm) verursachte den Transport und die Überschiebung mächtiger ophiolitischer Decken von Nord nach Süd. Die Deformation ist Hauptüberschiebungsbahnen und durch verschuppte ohiolitische Splitter belegt. Regionale Störungen und Foliationsflächen, den Deckenbau überlagern deuten auf ein NE-SW verlaufendes Kompressionsregime (D2) hin.. Eine dritte Deformatiosphase (D3) wird durch zahlreiche NNW verlaufende größere Störungen und linkslaterale Verfaltungen repräsentiert, die älteren Strukturelemente überprägt. weist auf Eine Episode querverlaufender Deformation (D4), die zur Reaktivierung präexistenter NW-gerichtete Störungen und der Bildung diskreter Scherzonen führte, beherbergt einen Teil der Goldführung im Untersuchungsgebiet. Schließlich verursachte eine schwache Scherrichtung (D5) die Störungs- und Kluftrichtungen der post-orogenen Plutonite. Die Regionalmetamorphose fand gleichzeitig mit der Deformation statt und hatte während der D2-Phase unter amphibolitfaziellen Bedingungen ihren Höhepunkt. Geothermobarometrischen Berechnungen deuten auf Temperaturen von 534-561°C und Drücken von 5.26-6.20 kbar während dieses Metamorphose Maximums . Die Goldmineralisation ist im Wesentlichen auf Quarzgänge und gelegentlich auf schmale Bereiche der gangnahen Quarz-Serizit Alterationszonen beschränkt. Feldbeobachtungen, mikroskopische und Mikrosonden-Analysen ergaben, dass die hydrothermale Alteration im Gebiet der Um El Tuyor Mine nach dem Höhepunkt der Metamorphose und syn-kinematisch mit lokalen Zerscherungen stattfand. Die wichtigsten goldhaltigen Quarzgänge im Minengebiet von Um El Tuyor sind massiv, teilweise rekristallisiert oder lamelliert. Sie bestehen hauptsächlich aus Quarz-Karbonat-Gängen, die zerbrochen und mit milchigem bis grau lamellierten Quarz späterer Phasen des geothermalen Systems aufgefüllt sind. Die lamellierten Quarzgänge enthalten schmale, ausgelängte Einschlüsse des pelitischen Nebengesteins (bestehend vorwiegend aus Chlorit-Serizit-Sulfiden±Graphit), die vermutlich während des Aufspaltens der Gänge abgerissen und eingeschlossen wurden (Crack-seal Vorgang). Gold tritt in den goldführenden Gängen als Einschlüsse oder im Kristallgefüge in Arsenkies und arsenhaltigem Pyrit auf, gewöhnlich in Verbindung mit untergeordnet Zinkblende, Kupferkies und Magnetkies. Ein weiterer hochreiner Goldtyp füllt Mikrorisse in Sulfiden und Quarz und/oder tritt als disperse Bläschen und Kügelchen in Bereichen mehrfacher Alteration besonders bei Verwachsungen mit Serizit und Karbonat auf. Im Minengebiet lässt sich eine Zonierung vom Fe-As-Zn-Au±Pb±Ag±Te-haltigen Inneren der Gänge über ein Fe-As-Cu-haltiges Zwischenbereich und in einen distalen Rand mit Fe-Cu-Co und Ni beobachten. Ein dreistufiges Alterationsmodell (frühes, Übergang- und fortgeschrittenes Stadium) wird für das erzbringende Hydrothermalsystem von Um El Tuyor vorgeschlagen. Das frühe Stadium bewirkt eine Nebengesteinshydrolyse in Gegenwart eines schwach sauren Fluids, dessen pH durch die Nebengesteinsmineralogie gepuffert wird. Während des Übergangsstadiums kommt es zu ebenfalls Hydrolysereaktionen, es dominieren jedoch Karbonatisierung und Sulfidisierung neben Redoxreaktionen. Letztere reduzierten die Fluide vor allem dort, wo das Fluid/Gesteins Verhältnis niedrig war und stellten damit günstige Bedingungen zur Goldfällung dar. Es lässt sich folgern, dass die Sulfidisierung die Goldlöslichkeit über die Änderung der Sauerstofffugazität als Folge der Redoxreaktionen beeinflusst hat. Das fortgeschrittene Stadium stellte höchstwahrscheinlich eine Phase intensiver Serizitisierung nach Chlorit dar, die K+ verbrauchte, H+ erzeugte und den pH-Wert der Lösung erniedrigte. Kationenaustauschreaktionen waren auf die Zeiten günstiger aNa+/aK+ und Temperaturbedingungen beschränkt, die Albitbildung ermöglichten. Sulfidisierung fand weiterhin während dieses Stadiums statt und ungepufferte Bedingungen waren lokal bei hohen Fluid/Gesteins Verhältnissen wirksam. Chemische Zonierung der goldhaltigen Pyrit- und Arsenkieskristalle in Gegenwart kleiner Einschlüsse von Magnetkies und Zinkblende in diesen Kristallen und das Fehlen derartiger Verwachsungen im Pyrit und Arsenkies der späten Sulfidabfolge dürfte mit einer beginnenden niedrigeren Sauerstofffugazität während der Goldablagerung zu erklären sein. Weiterhin wird der chemische Übergang großer arsenführender Pyritkristalle von den tauben inneren Gangkernen zu den goldführenden Randbereichen als eine Funktion der Redoxreaktionen angesehen, die eine Oxidation der Goldkomplexe und Arsenreduktion bewirken. Untersuchungen der Flüssigkeitseinschlüsse ergaben heterogene Einschlüsse nicht mischbarer, wässriger und kabonischer (CO2-dominierter) Fluide in den goldführenden Quarzgängen von Um El Tuyor. Kriterien wie primäre und sekundäre Formen der karbonischen Einschlüsse, die Koexistenz von Einschlüssen mit karbonischen und wässrigen Fluiden in unterschiedlichen Verhältnissen, Dichten, Füllungsgrad, partialen Homogenisationstemperaturen und Zusammensetzungen weisen auf eine Phasentrennung als Mechanismus der Goldfällung in den goldführenden Quarzgängen von Um El Tuyor hin. Das ursprünglich homogene, erzbringende Fluid war eine gering salinare wässrig-karbonische Lösung (±1-2 mol% CH4 oder N2) das sich in zwei Phasen zu separieren und Gold auszuscheiden begann als die Druck-Temperaturbedingungen von ~340°C bei ~ 1.5 kbar erreicht wurden (bei Tiefen von ~6 km unter lithostatischen Gegebenheiten). Der Zerfall der Gold-Schwefel Komplexe durch das Wechselspiel von Abkühlung, Änderung des Redoxpotentials und pH-Wertes und Abnahme der Schwefelfugazität haben mit großer Wahrscheinlichkeit zur Goldmineralisation der Gänge geführt. Die gesamte Gold-Buntmetallmineralisation und die Bildung des Quarzgangsystems entstand bei Bedingungen von 170-429°C und 0.9-2.1 kbar, d.h. wahrscheinlich in einer Tiefe von 3-8 km und unter Bedingungen der Grünschiefermetamorphose im Übergang von duktiler zu spröder Deformation. Der weite Druckbereich steht vermutlich für das gesamte Fluiddruckregime innerhalb der Scherzone. Er beinhaltet die Bildung der goldhaltigen Quarzgänge während Perioden kontinuierlicher Druckabnahme als Folge des Aufstieges und ebenso plötzlichen Druckabfalls als Folge zunehmender Rissöffnungen, gefolgt von Verfüllungen neuerlich gebildeten Quarzes.