Gold mobility in the crust: From source to ore deposit formation

Gold ist ein Edelmetall mit einer geringen Konzentration in der Erdkruste (~1.2 ng·g-1),
während Au-Erz heute ab einem Au-Gehalt von mehr als 1 μg·g-1 profitabel ist. Um eine
Anreicherung um drei Größenordnungen zu erreichen, muss Au aus einer Quelle mobilisiert,
durch ein Fluid transportiert und in der Kruste durch effiziente Fällungsmechanismen
konzentriert werden. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Quelle-Senke-Prozesse besser zu
verstehen, die die Bildung von Au-Lagerstätten und ihre Metallassoziation in orogenen und
kontinentalen Vulkanbögen kontrollieren. Orogene Au-Lagerstätten im Central Lapland
... mehr
Greenstone Belt und im Pohjanmaa Belt (Finnland) stehen für erstere, letztere für den Vulkan
Nea Kameni und die hybride Epithermal-SMS-Au-Mineralisierung von Kolumbo
(Griechenland). Auf der Basis dieser Untersuchungsobjekte werden folgende
Forschungsschwerpunkte entwickelt: 1) Verbesserung der Au-Analyse durch Laserablation und
induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) auf Presspulver-Pellets (PPP)
zur Untersuchung von Au-Muttergestein und Mobilisierungsprozessen; 2) Charakterisierung
der Metallquellen, die bei der Bildung von Au-reichen Lagerstätten eine Rolle spielen; 3)
Untersuchung der Mobilisierungs- und Transportmechanismen von Au und anderen Metallen;
4) Untersuchung der Mineralisierungsprozesse, die zur Bildung von Au-Lagerstätten führen,
und der Parameter, die die Metallassoziation steuern. Um die Prozesse, die zur Mobilisierung
von Au in der Kruste führen, besser einzugrenzen, wurde eine Methode für die PPP-LA-ICPMS-
Analyse entwickelt, die eine Nachweisgrenze für Au von nur 0,10-0,05 ng·g-1 erreicht und
die Analyse der Au-Verteilung in Au-armen Gesteinen ermöglicht.
Die Untersuchung der finnischen orogenen Au-Lagerstätten und des zugehörigen
Grundgebirges zeigt, wie die Metallassoziation und der Gehalt der Lagerstätten von den lokalen
Mineralisierungsbedingungen, dem Zeitpunkt der Bildung während der mehrstufigen
Mineralisierungsereignisse und der Muttergesteinslithologie abhängen, die den Gehalt an Au,
unedlen Metallen und Liganden in den metamorphen Fluiden steuern.
Zusätzlich unterstreicht diese Studie die Rolle der magmatischen Entgasung bei der
Bildung von Au-Lagerstätten in Vulkanbögen. Die Untersuchung der magmatischen
Differentiation in Kolumbo zeigt, dass Au und andere chalkophile Elemente bei der Entgasung
mobilisiert werden, trotz früher Schwefelsättigung. Wir stellen eine starke Korrelation
zwischen der Bildung von Sulfid-Gas-Tropfen im Magma und der Mineralisierung von
Kolumbo fest, was darauf hindeutet, dass metallreiche, magmatische Fluide wahrscheinlich an
der Bildung von Porphyr- und epithermalen Lagerstätten teilhaben.
Die Untersuchung atypischer Lagerstätten wie orogener Au-Lagerstätten mit atypischer
Metallvergesellschaftung und hybrider SMS-epithermaler Lagerstätten ermöglicht ein tieferes
Verständnis der Au-Mobilität in der Kruste, da sie Metallmobilisierungsprozesse aufzeigen, die
in typischen Lagerstätten nicht beobachtet werden können.

Gold is a precious metal with a low concentration in the Earth’s crust (~1.2 ng·g-1) while
Au ore is generally economically exploitable today when it contains more than 1 μg·g-1 of Au.
To form primary Au ore, a three orders of magnitude enrichment is necessary and Au must be
efficiently mobilised from a source, transported by a fluid and concentrated in the crust by
precipitating mechanisms. This thesis aims to better understand the source-to-sink processes
controlling formation of Au deposits and their metal association in orogenic and continental
volcanic arc settings. ... mehrThe former is represented by orogenic Au deposits in the Central Lapland
Greenstone Belt and the Pohjanmaa Belt (Finland) and the latter by the Nea Kameni volcano
and the hybrid epithermal-SMS Au mineralisation of the Kolumbo submarine volcano
(Greece). To understand source-to-sink processes, the following research directions are
developed: 1) improving Au analysis by laser ablation-inductively coupled plasma-mass
spectrometry (LA-ICP-MS) on pressed-powder pellet (PPP); 2) characterisation of the metal
sources involved in Au-rich deposit formation; 3) study of Au and other metal mobilisation and
transport mechanisms; 4) understanding mineralising processes leading to Au deposit
formation.
To better identify Au mobilisation in the crust, a method by PPP-LA-ICP-MS has been
developed for whole rock analysis; reaching limit of detection as low as 0.10-0.05 ng·g-1 Au
and enabling Au analysis of Au-depleted rocks.
The study of Finnish orogenic Au deposits and associated basement rocks shows how the
metal association and endowment of deposits are conditioned by local mineralisation
conditions, timing of formation during multi-stage mineralising events and source lithology,
which control the content of Au, base metals and ligands in metamorphic fluids.
Furthermore, this study stresses the role of magmatic degassing in the formation of Au
deposits in volcanic arcs settings. Investigation of magmatic differentiation at Kolumbo reveals
that Au and other chalcophile elements are mobilised upon degassing, despite early sulfide
saturation. We identify a strong correlation between formation of sulfide-volatile compound
drops in the magma and the Kolumbo mineralisation, indicating that metal-rich magmatic fluids
are likely involved in porphyry and epithermal deposits formation.
Investigating atypical deposits such as orogenic Au deposits with atypical metal association
and hybrid SMS-epithermal deposits provides a deeper understanding of Au mobility in the
crust by revealing metal mobilising processes that may be not observed in typical deposits.