Resumen de Active Components of the Subcontinental Lithospheric Mantle for Crustal Metallogenic Endowment in Off-Craton Regions

Erwin Schettino

• español

  Los depósitos minerales son volúmenes de roca con concentraciones anómalas de elementos que tienen valor económico. Los depósitos de minerales metálicos se pueden formar en un amplio espectro de ambientes geológicos, aunque predominantemente el magmático e hidrotermal. A pesar de la extensa investigación sobre el origen de estos yacimientos, existe aún mucha incertidumbre sobre los procesos que controlan la génesis y distibución de los depósitos magmático-hidrotermales en la corteza continental. En particular, aún queda por resolver si la formación de estos tipos de dépositos minerales está en primera instancia controlada por una fuente enriquecida en metales a partir de la cual se extraen los magmas parentales, o es resultado de la concentración eficiente y localizada a partir de una fuente con metales diseminados en muy baja concentración. A este respecto, una mejor comprensión de los mecanismos y repositorios que controlan la movilidad, el transporte y el almacenamiento de ciertos metales en las rocas del manto y los magmas es clave. El objetivo general de esta tesis doctoral es evaluar los factores geológicos que gobiernan la movilización, el transporte y la concentración de metales calcófilos en el manto litosférico subcontinental (MLSC), enfatizando sus impactos en la formación y distribución de depósitos minerales de tipo magmático-hidrotermal en la corteza suprayacente. Para lograr este objetivo principal, la tesis investiga la mineralogía, geoquímica y petrología de xenolitos de peridotitas del manto y de rocas volcánicas asociadas procedentes de regiones mineralizadas de México central y del sureste de España. Se presta un énfasis especial al análisis de los sulfuros de metales base (SMB), minerales del grupo del platino (MGP) y partículas metálicas de tamaño nanométrico a micrométrico, usándolos como trazadores mineralógicos y geoquímicos del comportameniento de metales preciosos y semimetales en el MLSC. Para ello, se ha utilizado una combinación de métodos analíticos tradicionales (p. ej., microscopía óptica de luz transmitida/reflejada, microscopía electrónica de barrido, análisis por microsonda electrónica) con técnicas avanzadas para el análisis in situ de minerales (p. ej., espectrometría de masas con fuente de plasma inductivamente acoplado (multicolector) y ablación láser, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución). La estructura de la tesis incluye una primera introducción general a los temas de investigación (Capítulo 1), seguida de una descripción de los objetivos (Capítulo 2) y métodos utilizados (Capítulo 3). Sucesivamente, el primer capítulo de la sección de resultados (Capítulo 4) presenta un estudio mineralógico y geoquímico de SMB y silicatos de xenolitos de peridotitas del manto procedentes de los campos volcánicos de Santo Domingo, Ventura-Espíritu Santo y Durango (México central). Los resultados obtenidos sugieren que estas rocas registraron bajos grados de fusión parcial en los campos de estabilidad de las peridotitas con granate (⁓ 2%) y espinela (⁓ 2-4%), y la interacción con fundidos alcalinos hidratados posiblemente durante la fase tectónica extensional del Basin and Range desde el Oligoceno tardío. Los granos de solución sólida monosulfurada incluidos en los silicatos de las peridotitas de Santo Domingo o intersticiales entre ellos son residuos de la extracción de 0.1-0.5 fracciones de fundido sulfurado rico en Ni-Cu durante eventos de fusión del manto. Por otro lado, los sulfuros globulares (pentlandita ± calcopirita) en venas de vidrio en las peridotitas de Ventura- Espíritu Santo y Durango cristalizaron a partir de gotas de fundido sulfurado rico en Ni-Cu, inmiscibles en los magmas silicatados Cuaternarios que transportaron los xenolitos a la superficie. Las edades modelo obtenidas a partir del análisis de isótopos de Re-Os en estos sulfuros indican que parte del MLSC del terreno Oaxaquia (debajo de Santo Domingo y Ventura-Espíritu Santo) se originó en el Arcaico-Paleoproterozoico como extensión más meridional del cratón de Laurentia, y se ensambló con el terreno Central (debajo de Durango) durante la orogenia Grenville (⁓ 1.0 Ga). Las edades modelo del Paleozoico temprano (⁓ 500 Ma) comunes a sulfuros en las peridotitas de los tres campos volcánicos sugieren que el bloque compuesto Oaxaquia-Central se separó de América del Norte durante la ruptura de Rodinia, y experimentó la orogenia Panafricana- Brasiliana que produjo el ensamblaje de Gondwana. Durante el Cenozoico, la reactivación de las fallas translitosféricas que limitan este MLSC antiguo proporcionó los canales preferenciales para el ascenso de magmas/fluidos productores de menas metálicas durante la subducción debajo del margen Pacífico de México. El segundo capítulo de la sección de resultados (Capítulo 5) examina un conjunto de xenolitos de peridotitas con espinela (más una con plagioclasa) encajados en los basaltos alcalinos del campo volcánico de Tallante (sureste de España). La percolación de fundidos subalcalinos metasomáticos en el Mioceno provocó la cristalización de agregados de clinopiroxeno + ortopiroxeno + espinela en lherzolitas fértiles durante la migración hacia el oeste del frente de subducción en el Mediterráneo occidental. En el Plioceno, el aporte de calor y especies volátiles por los magmas alcalinos encajantes causó tasas muy bajas de fusión de los agregados metasomáticos de piroxeno-espinela, generando fundidos silicatados que se enfriaron dando lugar a vidrio rico en silice y alcalis y coronas de reacción alrededor de clinopiroxeno y espinela. El evento de refertilización registrado en las peridotitas de Tallante conllevó la precipitación de abundantes sulfuros de metales base que ahora se encuentran como inclusiones sólidas en clino- y ortopiroxeno metasomáticos. Estas inclusiones sulfuradas consisten en agregados de pentlandita ± calcopirita ± bornita con una composición homogénea en términos de elementos mayores (Ni, Fe, Cu) y semimetales (Se, As, Te, Sb, Bi), pero con un fraccionamiento muy variable entre los elementos del grupo del platino (EGP) (0.14 < PdN/IrN < 30.74). Asimismo, se identifican abundantes inclusiones euhédricas de minerales del grupo del platino (MGP) ricos en Pt-Pd- Sn y partículas de Au en el interior de los SMB. Dicha distribución geoquímica y mineralógica de los EGP en los sulfuros no puede explicarse mediante modelos convencionales de fraccionamiento de elementos calcófilos en fundidos sulfurados. Más bien, estas características reflejan la posible incorporación mecánica de distintas poblaciones de SMB, MGP y nanopartículas metálicas (especialmente de Pt, Pd y Au) durante la fusión del manto y/o la percolación de fundidos. Por lo tanto, estos resultados respaldan que los fundidos subalcalinos, producidos en el Mioceno por el ascenso de la astenosfera debido a la ruptura del margen continental Ibérico subducido, generaron dominios metasomaticos enriquecidos en metales preciosos dentro de este sector de MLSC. Las altas concentraciones de Au en los SMB de las lherzolitas de Tallante (concentración mediana = 1.78 ppm) sugieren que estos dominios metasomatizados proporcionaron la fuente fértil de metales, especialmente oro, que dió lugar durante el Mioceno tardío a los magmas parentales de los depósitos minerales en el Mediterráneo occidental. El tercer capítulo de la sección de resultados (Capítulo 6) documenta la presencia de nanopartículas ricas en Pb incluidas en SMB de xenolitos de peridotitas metasomatizadas del manto (campo volcánico de Tallante) y diques de lamproítas asociadas espacial y genéticamente (campo volcánico de Fortuna) de la Provincia Volcánica Neógena del Sureste de España. Estos SMB cristalizaron a partir de gotas de fundido sulfurado extraídas por fusión parcial del MLSC, que luego fueron transportadas fisicamente en magmas alcalinos silicatados a lo largo de toda la sección litosférica. Las nanoinclusiones de galena en SMB poseen características nanoestructurales inconsistentes con un origen por exsolución a baja temperatura de PbS originalmente disuelto en la estructura del SMB. Más bien, éstas cristalizaron a partir de nanofundidos ricos en Pb (y Cu) originalmente inmiscibles en el líquido sulfurado. Esta es quizás la primera evidencia mineralógica de inmiscibilidad entre nanofundidos ricos en metales (Pb) y líquidos sulfurados en la naturaleza, y desafía los modelos tradicionales de transporte de metales y sulfuros en magmas silicatados, basados únicamente en la solubilidad química y la partición de tipo calcófilo. En cambio, estos resultados requieren evaluar el impacto de las relaciones físicas basadas en la energía superficial entre nanofases, líquidos sulfurados y magmas silicatados en el transporte y la concentración de metales derivados del manto en la corteza.

• English

  Ore deposits are rock volumes with anomalously high concentrations of selected elements that enable their extraction with economic profit. Metallic ore deposits may form in a wide spectrum of geological conditions, although they mostly occur in the magmatic and hydrothermal environments. Despite extensive investigation aimed to clarify the genesis and distribution of magmatichydrothermal ores, major controversies still concern the processes that drive the transfer and storage of metals from background levels in their source region to exploitable amounts in the crust. A key unresolved aspect regards whether the ore-productive magmas inherit their metallogenic fertility from pre-enriched domains of the mantle source, or they attain high metal concentrations due to favorable fractionation conditions during magma percolation and ascent. This issue is especially important for targeting mineral camps, as it constrains the specific geological conditions and environments that enhance the metallogenic endowment of the continental crust. To this regard, a better knowledge of the mechanisms and repositories that control the mobility and storage of metals in mantle rocks and magmas is essential. The general aim of this Ph.D. thesis is to assess the geological factors that govern the mobilization, transport, and concentration of chalcophile metals in the subcontinental lithospheric mantle (SCLM), emphasizing their impacts on the formation and distribution of magmatic-hydrothermal ore deposits in the overlying crust. To achieve this main goal, the thesis investigates the mineralogy, geochemistry and petrology of mantle peridotite xenoliths and associated volcanic rocks from mineralized regions in Central Mexico and Southeast Spain, focusing on base-metal sulfides (BMS), platinum-group minerals (PGM) and nano-tomicrometer- sized metal-rich particles as mineralogical-geochemical tracers of the behavior of precious and semi-metals in the SCLM. For this purpose, this study combines traditional analytical methods (e.g., transmitted/reflected light optical microscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis) with advanced techniques for the in-situ characterization of minerals (e.g., laser ablation-(multicollector) inductively coupled plasma-mass spectrometry, highresolution transmission electron microscopy). The structure of the thesis comprises a general introduction to the research topics, followed by the description of aims and methods. Subsequently, the first chapter of the results section (Chapter 4) presents a mineralogical and geochemical study of BMS and silicates in mantle peridotite xenoliths from the Santo Domingo, Ventura-Espíritu Santo and Durango volcanic fields (Central Mexico). The obtained results support that these rocks record low degrees of partial melting in the stability fields of garnet (⁓ 2%) and spinel peridotites (⁓ 2- 4%), and interaction with hydrous alkaline melts possibly during the Basin and Range extensional tectonism since Late Oligocene. Enclosed and intergranular grains of monosulfide solid solution (mss) in Santo Domingo peridotites are residues after the extraction of 0.1-0.5 fractions of Ni-Cu-rich sulfide melt during mantle melting events. On the other hand, globular sulfides (pentlandite ± chalcopyrite) hosted in glass veinlets in the Ventura-Espíritu Santo and Durango peridotites crystallized from Ni-Cu-rich droplets of sulfide melt, immiscible in the Quaternary silicate magmas that brought the xenoliths to the surface. Rheniumdepletion model ages extrapolated by Re-Os isotope analysis of these sulfide populations indicate that part of the SCLM of the Oaxaquia terrane (beneath Santo Domingo and Ventura-Espíritu Santo) originated in the Archean-Paleoproterozoic as the southernmost extension of the Laurentia craton, and was assembled with the Central terrane (beneath Durango) during the Grenville orogeny (⁓ 1.0 Ga). Early Paleozoic (⁓ 500 Ma) model ages common to sulfides from the peridotite xenoliths of the three volcanic fields suggest that the Oaxaquia-Central composite block split away from North America during the Rodinia break-up and experienced the Pan-African-Brasiliano orogeny that led to Gondwana assembly. During the Cenozoic, the reactivation of translithospheric faults bounding this composite old SCLM provided preferential pathways for focusing the ascent of ore-productive magmas/fluids associated with the subduction-related metallogeny of the Pacific active margin of Mexico. The second chapter of the results section (Chapter 5) examines a suite of spinel peridotite xenoliths (plus one plagioclase-bearing) hosted in alkaline basalts from the Tallante volcanic field (Southeast Spain). Mantle metasomatism in fertile lherzolites from Tallante caused the crystallization of clinopyroxene + orthopyroxene + spinel clusters due to the percolation of Miocene subalkaline melts during the westward migration of the subduction front in the western Mediterranean. In the Pliocene, heat and volatiles provided by alkaline hostmagmas triggered very low melting degrees of metasomatic pyroxene-spinel assemblages, generating melt quenched to silicate glass and reactive spongy coronae around clinopyroxene and spinel. The refertilization event documented by the Tallante peridotites involved the precipitation of abundant base-metal sulfides currently included as spherical droplets within metasomatic clino- and orthopyroxene. These sulfide inclusions consist of pentlandite ± chalcopyrite ± bornite aggregates with homogeneous compositions in terms of major elements (Ni, Fe, Cu) and semi-metals (Se, As, Te, Sb, Bi), but with wide variability of platinum-group elements (PGE) fractionation (0.14 < PdN/IrN < 30.74). Furthermore, several grains of Pt-Pd-Sn-rich platinum-group minerals (PGM) and/or Au-particles were detected as euhedral nano-to-micrometer-sized inclusions within the BMS. The heterogeneous geochemical and mineralogical distribution of precious metals within the Tallante sulfides cannot be explained by conventional models of chalcophile partitioning from sulfide melt. Rather, these characteristics reflect the possible incorporation of distinct populations of BMS, PGM, and metal nanoparticles (especially of Pt, Pd, and Au) during mantle melting and/or melt percolation. Therefore, these results support that Miocene subalkaline melts released by asthenosphere upwelling upon slab tearing of the Iberian continental margin effectively produced metal-rich metasomatized domains within this sector of SCLM. Remarkably high Au concentrations in Tallante BMS (median 1.78 ppm) support that these metasomatized domains provided a fertile source of metals, especially gold, for the ore-productive Miocene magmatism of the westernmost Mediterranean. The third chapter of the results section (Chapter 6) reports the presence of Pb-rich nanoparticles enclosed in BMS from metasomatized mantle peridotite xenoliths (Tallante volcanic field) and spatially/genetically associated lamproite dykes (Fortuna volcanic field) from the Neogene Volcanic Province of Southeastern Spain. These BMS document the journey of sulfide melt droplets extracted by partial melting of the SCLM and transported in silicate alkaline magmas through the lithosphere. Nanoinclusions of galena in BMS have microstructural features that are inconsistent with their origin by low-temperature exsolution of PbS previously dissolved within the BMS crystal-lattice. Rather, these minerals likely crystallized from Pb(-Cu)-rich nanomelts originally immiscible within the sulfide liquid. This first mineralogical evidence of immiscibility between metal(Pb)-rich nanomelts and sulfide liquids challenges the traditional models of metal and sulfide transport in silicate magmas based solely on chemical solubility and chalcophile partitioning. Instead, these results require evaluating the role of surface-energy physical relationships between nanophases, sulfide liquids and silicate magmas in the transport and concentration of mantlederived metals in the crust.