title: From mantle source to ore deposit: Tracing magmatic and hydrothermal processes of critical metal enrichment
Creators: name: Höß, Alica
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Critical elements
subject: Ore deposits

description: Der Übergang zu grüner, erneuerbarer Energie hängt von einer stetigen Versorgung mit Metallen und Halbmetallen ab, die in der Erdkruste vergleichsweise selten vorkommen. Die Bewältigung des steigenden weltweiten Bedarfs an kritischen und strategischen Metallen, einschließlich Seltenen Erden (REE) und Kupfer (Cu), erfordert ein besseres Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Prozessen, die zur Metallanreicherung und zur Bildung von Erzlagerstätten führen. Obwohl es zahlreiche Studien über Erzlagerstätten gibt, bleiben offene Fragen in Bezug auf i) die Rolle der Magmenquelle und einer Metallanreicherung in der Quelle vor Magmenbildung, ii) den Einfluss von Prozessen in der Kruste während des Magmenaufstiegs und iii) die Auswirkung hydrothermaler Prozesse auf die Metallanreicherung nach der Magmenintrusion. Diese Arbeit widmet sich den genannten Fragestellungen sowohl auf der Größenskala einer Lagerstätte, als auch auf einer übergeordneten, regionalen Ebene. Der REE-angereicherte alkalische Schiel Komplex ist räumlich und zeitlich mit der magmatischen Großprovinz (LIP) Bushveld verwandt und bietet wertvolle Einblicke in die Petrogenese von REE-reichen alkalischen-karbonatitischen Komplexen und LIPs. Neue geochronologische Daten (U-Pb) und geochemische Trends belegen eine enge petrogenetische Verbindung zwischen den mafischen und felsischen Gesteinen aus dem westlichen Schiel Komplex, die zudem denen von Laven und Gesteinen aus der Etendeka-LIP ähneln. Radiogene Nd- und Hf-Isotope der primitiven Magmen deuten zum ersten Mal auf eine Plume-bezogene Magmenbildung in einem OIB-Typ Mantel hin, ähnlich der Etendeka-LIP. Krustale Assimilation der mafischen Schmelzen während des Aufstiegs wurde anhand systematischer Trends in Haupt- und Spurenelement und Isotopenverhältnisse nachgewiesen. Die felsischen Gesteine sind durch die höchsten REE Gehalte gekennzeichnet und sind hauptsächlich durch fraktionierte Kristallisation mit nur geringer Assimilation geprägt. Der Tethysche Metallogene Gürtel umfasst zahlreiche porphyrische Cu-Lagerstätten, darunter die Skouries Au-Cu Lagerstätte in Griechenland und die Miduk und Sarcheshmeh Cu-Lagerstätten im Iran, und bietet ein ideales Forschungsziel für magmatische und hydrothermale Prozesse im Zusammenhang mit der Anreicherung kritischer und strategischer Metalle. Auf der Größenskala einer Lagerstätte wurden in Bohrkernproben von Skouries Korrelationen zwischen der hydrothermalen Alteration und den Verhältnissen inkompatibler Spurenelemente beobachtet, die üblicherweise verwendet werden, um auf die Fertilität der Magma zu schließen, und die belegen, dass diese Signaturen durch hydrothermale Fluide verändert werden können. Massive Plagioklasfraktionierung führte möglicherweise zur Freisetzung großer Fluidvolumen, die Alteration und Mineralisierung verursachten. Daten von Fluideinschlüssen, Ti-in-Quarz-Thermometrie und Spurenelementgehalte von Sulfiden wurden verwendet, um die Fluidbedingungen zu ermitteln. Die Zusammensetzungen der Fluideinschlüsse und die Spurenelementsystematik in Pyrit weisen auf eine frühe Phasentrennung des Fluids als einen wichtigen erzbildenden Prozess hin. Die Fraktionierung von Sulfiden in Verbindung mit der Phasentrennung führte zur Ausfällung von nativen Goldpartikeln in der frühen Entwicklungsphase des Porphyrs, sodass die Au Anreicherung hauptsächlich durch hydrothermale Prozesse und nicht durch das magmatische System gesteuert wurde. In einem größeren Maßstab wurden magmatische Prozesse, die zur Bildung von porphyrischen Cu-Lagerstätten führen, anhand von Bohrkernen aus der Miduk und Sarcheshmeh Lagerstätte (südöstliches Bogensegment) und unmineralisierten Magmen entlang des Urumieh-Dokhtar magmatischen Bogens untersucht. Die Spurenelementsystematik und die Sr-Nd-Pb-Isotopendaten der Miduk und Sarcheshmeh Proben sind mit den unmineralisierten Magmen vergleichbar, was auf eine ähnliche Mantelquelle schließen lässt, die zuvor durch eine Sedimentkomponente metasomatisiert wurde. Systematiken in den Seltenen Erden von Miduk und Sarcheshmeh Proben spiegeln eine Verlagerung zu Karbonat-reichen Sedimenten oder Granat in der Mantelquelle wider. Die dominierende Fraktionierung entweder von Amphibol oder Plagioklas reflektiert Unterschiede im Wassergehalt der Magmen. Längerer, fokussierter und statischer Magmatismus führte zur Bildung von metallreichen, oxidierten und besonders wasserhaltigen Magmen im südöstlichen Bogensegment, während die Migration des Bogens die Bildung von mineralisierten Porphyrlagerstätten im zentralen Bogensegment verhinderte. In dieser Arbeit werden Prozesse in der Magmenquelle und in der Kruste am Beispiel des REE-angereicherten Schiel Komplexes untersucht. Nach der Magmenintrusion in der Kruste wird der Einfluss von hydrothermalen Prozessen auf die Metallanreicherung, mit besonderem Augenmerk auf die Gold-Anreicherung, anhand von Erkenntnissen aus der Skouries Au-Cu Lagerstätte untersucht. In einem größeren Maßstab werden vergleichbare magmatische Prozesse von der Quelle bis zur Magmenintrusion entlang des Urumieh-Dokhtar magmatischen Bogens entschlüsselt, um zu verstehen, welche Prozesse zur Bildung wirtschaftlicher porphyrischer Cu-Lagerstätten führten. Insgesamt liefert diese Arbeit wichtige neue Erkenntnisse über das komplexe Zusammenspiel von magmatischen und hydrothermalen Prozessen, die mit der Anreicherung kritischer und strategischer Metalle verbunden sind.
description: The transition to green, renewable energy relies on a steady supply of metals and semi-metals that are comparably rare in the earth’s crust. Meeting the increasing global demand for critical and strategic metals, including rare earth elements (REE) and copper (Cu), requires a better understanding of the complex interplay of processes leading to metal enrichment and ore deposit formation. Although numerous studies on ore deposits exist, open questions regarding i) the role of the magma source and metal contribution to the source prior to magma generation, ii) the influence of crustal processes during magma ascent, and iii) the importance of hydrothermal processes for metal deposition after magma emplacement, remain. This thesis addresses these questions at both the deposit scale and at a broader regional scale. The REE-enriched Schiel alkaline complex is spatially and temporally related to the Bushveld large igneous province (LIP), providing valuable insights into the petrogenesis of REE-rich alkaline-carbonatite complexes and LIPs. New geochronological data (U-Pb) and compositional trends support a close petrogenetic relation between mafic and felsic rocks from the western Schiel complex that resemble those of lavas and rocks from the Etendeka LIP. Radiogenic Nd and Hf isotopes of the primitive magmas suggest, for the first time, plume-related magma generation in an OIB-type mantle similar to the Etendeka LIP. Crustal assimilation of the mafic melts during ascent was traced through major and trace element systematics and isotope ratios. The felsic rocks are characterized by the highest REE contents and were mainly dominated by fractional crystallization with only minor assimilation. The Tethyan Metallogenic Belt is host to numerous porphyry Cu deposits, including the Skouries Au-Cu deposit in Greece and the Miduk and Sarcheshmeh Cu deposits in Iran, providing ideal research targets for magmatic and hydrothermal processes related to the enrichment of critical and strategic metals. On the deposit scale, correlations between the hydrothermal alteration and incompatible trace element ratios, commonly used to infer magma fertility, were observed for Skouries drill core samples and are evidence that they can be obscured by hydrothermal fluids. Massive plagioclase fractionation potentially resulted in the release of large fluid volumes that caused alteration and mineralization. Fluid inclusion data, Ti-in-quartz thermometry, and sulfide trace element contents were used to trace fluid conditions. Implications from fluid inclusion assemblages and trace element systematics in pyrite record early phase separation as a major ore-forming process. The fractionation of sulfides combined with phase separation drove the precipitation of native gold particles early in the porphyry evolution, and thus, the Au endowment was mainly controlled by hydrothermal processes rather than the underlying magmatic system. On a larger scale, arc-wide magmatic processes leading to the formation of porphyry Cu systems were investigated based on drill cores from the Miduk and Sarcheshmeh porphyry deposits (southeastern arc segment) and barren arc magmas along the Urumieh-Dokhtar magmatic arc through space and time. Trace element systematics and Sr-Nd-Pb isotopic data of the Miduk and Sarcheshmeh samples are comparable to barren arc magmas suggesting a similar mantle source, which was previously metasomatized by a sediment component. Rare earth element systematics of Miduk and Sarcheshmeh rocks reflect a shift to carbonate-rich sediments or residual garnet in the mantle source. Dominant fractionation of either amphibole or plagioclase represents differences in the water contents of porphyry-related and barren magmas. Prolonged, focused, and static magmatism resulted in the formation of metal-rich, oxidized, and especially hydrous magmas in the southeastern arc segment, whereas arc migration prevented the formation of fertile porphyry deposits in the central arc segment. This thesis examines source processes and mechanisms in the crust on the example of the REE-enriched Schiel alkaline complex. After magma emplacement in the crust, the control of hydrothermal processes on the metal deposition, with special emphasis on the gold endowment, is investigated by insights from the Skouries Au-Cu deposit. On a larger scale, comparable magmatic processes from source to magma emplacement are traced along the Urumieh-Dokhtar magmatic arc to understand which processes led to the formation of economic porphyry Cu deposits. Altogether this thesis provides important new insights into the complex interplay of magmatic and hydrothermal processes associated with the enrichment of critical and strategic metals.