< Terug naar vorige pagina

Project

Water-gesteente interactie en de oorsprong van de metalen in de Centraal Afrikaanse Copperbelt.

De Centraal Afrikaanse Copperbelt is een uitzonderlijk rijke metallogenetische provincie in de Democratische Republiek van Congo (DRC) en Zambia. Decennialang onderzoek resulteerde in een grote hoeveelheid kennis omtrent de vorming van de verscheidene ertsafzettingen. De bron van de
ertsmetalen is echter nog niet goed gekend. Vele auteurs refereren op een eerder vage wijze naar metamorfe en stollingsgesteenten in de sokkel onder de ertsafzettingen als metaalbron. Dit onderzoek focust daarom op de oorsprong van de metalen in de ertsafzettingen van de Copperbelt.

Een veelbelovende methode om een ertsafzetting te relateren aan zijn metaalbron, is het vergelijken van de Sr en Nd isotopencompositie van potentiële brongesteenten, en de gangmineralen die geassocieerd voorkomen met de ertsmineralen. Dit concept werd systematisch toegepast op stratiforme Cu-Co afzettingen in de DRC (Kamoto, Kambove West, en Luiswishi) enZambia (Nkana en Konkola). De rol van Co in deze afzettingen is cruciaal met betrekking tot de metaalbronnen en werd in detail behandeld. Behalve de stratiforme afzettingen werden ook twee ader-type Cu-Zn-Pb mineralisaties in de DRC (Dikulushi en Kipushi) als gevallenstudies gebruikt.

De studie werd opgezet om drie onderzoeksvragen te beantwoorden. De eerste vraag is of de metaalbronnen voor de gevallenstudies nader bepaald kunnen worden met de strategie van de isotopensignatuur. De tweede vraag omhelst de precieze verschillen tussen de stratiforme Cu-Co
afzettingen in de DRC en Zambia, en hoe deze gerelateerd zijn aan hun metaalbronnen. De laatste onderzoeksvraag richt zich op de bruikbaarheid van spoorelementen in ertssulfiden voor de identificatie van de metaalbronnen.

Het analytische instrument dat gebruikt werd om de hoofd- en spoorelement samenstelling van sokkelgesteenten te bepalen, was een Inductief Gekoppelde Plasma Optische Emissie Spectrometer (ICP-OES). De Sr en Nd isotopencompositie van deze stalen, en van gangcarbonaten van de verschillende gevallenstudies, werd bepaald met een Multi Collector Inductief Gekoppelde Plasma Massa Spectrometer (MC-ICP-MS). De samenstelling vande ertssulfiden werd gemeten met behulp van een Electronen Microsonde (EPMA).

Met betrekking tot de stratiforme Cu-Co afzettingen in de Katanga Copperbelt (d.w.z. het Congolese deel van de Centraal AfrikaanseCopperbelt), tonen de gangcarbonaten van de diagenetische mineralisatiefase variabele Sr and Nd isotopensamenstellingen. Het lage aantal beschikbare stalen
en hun variabele isotopensignatuur maakt het moeilijk omze te relateren aan een specifieke groep sokkelgesteenten. De sokkel onmiddelijk onder de Katanga Copperbelt is bovendien onbekend. Toch stemmen de isotopencomposities van de diagenetische gangcarbonaten in het algemeen overeen met de signatuur van felsische sokkelgesteenten. In tegenstelling hiermee is de hoogstwaarschijnlijk
mafische bron voor het hogeCo-gehalte in deze afzettingen. Syn-orogene mineralisatie in Katanga was het gevolg van remobilisatie van diagenetische sulfiden. Dit veroorzaakte homogene radiogene isotopenratio's en een ertsmineraal assemblage gelijkaardig aan de diagenetische fase. De isotopencompositie van enkele stalen van de Kamoto afzetting getuigen mogelijk van een nieuwe, beperkteaanvoer van metalen uit felsische sokkelgesteenten. Deze bijdrage is wellicht nog detecteerbaar vanwege de relatief lage metamorfe graad die bereikt werd te Kamoto.

De pre- tot syn-kinematische mineralisatiefase van de Zambiaanse stratiforme Cu-Co afzettingen bevatten gangcarbonaten met isotopencomposities die overeenkomen met felsische gesteenten van de Domes Regio. Toch zijn de isotopensignaturen van de Nkana en Konkola afzettingen licht verschillend. Dit suggereert dat de metalen afkomstig zijn van Domes Regio sokkelgesteenten die dicht bij elke afzetting voorkomen. De gangmineralen van de hieropvolgende syn-kinematische mineralisatiefase hebben isotopencomposities gelijkaardig aan de eerdere mineralisatiefase op iedere afzetting. Remobilisatie van eerdere ertsmineralen vond wellicht plaats tijdens de syn-kinematische mineralisatie. Een nieuwe metaalbron leverde waarschijnlijk de ertsmetalen in de laat-kinematische fase in Nkana, aangezien deze Co- en Ni-sulfiden bevat. Toch wordt deze nieuwe bron niet gereflecteerd in afwijkende isotopenwaarden voor degangcarbonaten geassocieerd met deze mineralisatiefase. De isotopensignatuur is gelijkaardig aan die van de eerdere fasen.De gangcarbonaten vande Cu-Co afzettingen in de DRC hebben duidelijk andere isotopensignaturen dan in Zambia. In de DRC zijn de 87Sr/86Sr
ratio's van de gangmineralen lager, terwijl de eNd-waarden hoger zijn. Twee andere belangrijke verschillen onderscheiden de Katanga en Zambiaanse Copperbelt. Als eerste komen hogere Co-concentraties voor in de Katanga afzettingen, en als tweede zijn de gastgesteenten in de DRC carbonaatrijk, terwijl vooral siliciclastische gastgesteenten voorkomen in Zambia. Deze verschillen
liggen in lijn met elkaar en suggereren sterk dat de brongesteenten voor de Katanga afzettingen een belangrijke mafische component bevatte. Helaaslaat de beperkte informatie omtrent de sokkel in Katanga niet toe om een specifiek brongesteente aan te duiden. Wanneer de isotopencomposities van gangmineralen van alle stratiforme afzettingen in de DRC samen worden bekeken, lijken ze op een verticale trend te liggen in de Sr-eNd isotopenruimte. De eindcomponenten van deze trend vertegenwoordigen mogelijk enerzijds felsische gesteenten gelijkaardig aan de felsische gesteenten van de Domes Regio, en anderzijds onbekende mafische gesteenten gesitueerd in de Katanga ondergrond. Naar analogie met de lokale bronnen voor deNkana en Konkola afzettingen, zijn lokale sokkelgesteenten (met inbegrip van mafische gesteenten) de meest plausibele bron voor de Katanga afzettingen.

Het andere belangrijke verschil tussen de Katanga en Zambiaanse Copperbelt gaat over het type gastgesteente. De siliciclastischegesteenten in Zambia kunnen mogelijk de isotopencompositie van de
gangcarbonaten in Nkana en Konkola beïnvloed hebben. Dit is vooral zo voorhet Rb-Sr isotopensysteem, wat gevoelig is aan remobilisatie en alteratie. Toch werd geargumenteerd dat deze mogelijke interactie de interpretatie van de Domes Regio felsische gesteenten als metaalbron niet beïnvloedde. Ten eerste werd eerder aangetoond dat de Katanga Supergroep, die de ertslichamen bevat, niet voldoende metalen bevatte om een mogelijke metaalbron te zijn geweest voor de
gekende afzettingen. Ten tweede zijn de metasedimentaire gesteenten afkomstig van de onderliggende Domes Regiosokkel (dit is ook de geïnterpreteerde bron), wat wellicht leidde tot gelijkaardige isotopensignaturen voor de gastgesteenten en deze sokkel. Dus zelfs indien de siliciclastische gesteenten de isotopencompositie vanhet mineraliserende fluïdum en gangcarbonaten van de Zambiaanse afzettingen beïnvloedde, waren de lokale sokkelgesteenten de belangrijkste metaalbron.

Het verschil in Co concentraties en de gerelateerde isotopensignaturen tussen de Katanga en Zambiaanse stratiforme afzettingen isduidelijk. Een gelijkaardig, maar meer subtiel effect is herkenbaar voor de Nkana en Konkola afzettingen in de Zambiaanse Copperbelt. De Nkana afzetting bevat meer Co en de gangmineralen hebben hogere eNd waarden enlagere 87Sr/86Sr ratio's dan de Konkola afzetting. Mengberekeningen tonen dat de metaalbron voor Nkana minstens 5% meer mafische gesteenten bevatte dan de metaalbron voor de Konkola afzetting. Co is afwezig in de stratiforme Cu-afzettingen aan de
noordoostelijke zijde van de Kafue Anticline. De mafische gesteenten die het Co konden leveren aan de Zambiaanse afzettingen bevinden zich dus wellicht aan de zuidwestelijke zijde van deze structuur (dit is dichtbij de gevallenstudies). 

Metbetrekking tot de ader-type Cu-Ag en Cu-Zn afzettingen van Dikulushi enKipushi (DRC), respectievelijk, vertoonden de gangcarbonaten zeer hoge eNd waarden. Dit komt overeen met de aanwezigheid van mafische gesteenten nabij elke afzetting, d.w.z. gabbro's in de Axiale Breccia van de
Kipushi anticline, en bazalten in een breccia geobserveerd in de Dikulushi mijn. Toch kunnen de vereiste mafische gesteenten net zo goed voorkomen in de diepe ondergrond. De gangmineralen van de syn-orogene mineralisatie te Dikulushi liggen op een trend tussen de isotopensamenstelling vande Gombela Subgroup gastgesteenten en de vereiste mafische component. Mengberekeningen
tonen aan dat een mengeling van beide metaalbronnen zonder problemen kon resulteren in de isotopencompositie van de gangmineralen. In contrast met de zeer 'mafische' isotopensignaturen van de Kipushi gangcarbonaten, suggereerde eerder onderzoek op vloeibare insluitsels een felsische metaalbron. Daarom werd de mogelijke invloed van felsische sokkelgesteenten op de isotopencompositie
van de gangcarbonaten ingeschat. Wanneer de volledige gemeten variatie in eNd-waarden wordt verklaard in termen van meer of minder invloed van felsische gesteenten,is er ongeveer 10% meer felsische bijdrage nodig om de laagste eNd-waarde te verklaren vergeleken met de hoogste. Desondanks moeten mafische gesteenten het dominante gesteentetype geweest zijn in de bepaling van de isotopensignatuur van de Kipushi afzetting.

Uit microsonde analyse van ertssulfiden bleek dat de intrakristallijne spoorelement variabiliteit ongeveer even groot is als de interkristallijne variabiliteit voor de gevallenstudies. Het is dus niet mogelijk om met behulp van deze techniek sulfiden van verschillende mineralisatiefasen te karakteriseren. Bovendien werden weinig systematische verschillen gevonden tussen de gevallenstudies. Dit kon nochtans verwacht
worden voor de typisch 'mafische' elementen Co, Cr en Ni. Toch bevatten chalcopyrieten van de laat-kinematische mineralisatiefase te Nkana iets hogere Co-concentraties dan chalcopyrieten van de twee eerdere mineralisatiefasen te Nkana. Dit isin overeenstemming met de toevoeging van 'mafische' metalen tijdens deze mineralisatiefase. Daarenboven was de Ge-concentratie opmerkelijk
laag voor sulfiden van de Nkana afzetting, terwijl de hoogste Ge- enAg-waarden gemeten zijn voor stalen van de Dikulushi afzetting.

In het algemeen, blijkt uit de resultaten vandit onderzoek dat de Sr en Nd isotopensignaturen van gangcarbonaten waardevol zijn om de metaalbron(nen) van een ertsafzetting nader te bepalen. De juiste groep sokkelgesteenten en het gesteentetype kunnen bepaald worden door de signaturen
van gangmineralen te vergelijken met de isotopencomposities van de sokkelgesteenten. De lokale sokkel onder of dichtbij de verschillende ertsafzettingen is de meest waarschijnlijke metaalbron voor de Centraal Afrikaanse Copperbelt afzettingen. Met betrekking tot de rol van Co, toonden de Co-rijke afzettingen een typische isotopensignatuur. Dit versterkt het vermoeden dat (nog onbekende)
mafische lichamen voorkomen in de sokkel, die het Co leverde aan de mineraliserendefluïda. In het geval van hernieuwde mineralisatiefasen in eenzelfde afzetting, meestal gerelateerd aan de Lufilische orogenese, is er nadruk gelegd op het belang van remobilisatie van de ertsmetalen. De volgende stap voorwaarts in dit onderzoeksdomein zal de gedetailleerde karakterisering zijn van de lokale
sokkel onder elke ertsafzetting. Op die manier zal de geochemische signatuur van elke afzetting gerelateerd kunnen worden aan een specifieke gesteente-eenheid.
Datum:1 okt 2010 →  31 dec 2014
Trefwoorden:Geochemistry, Nd and Sr isotopes, Metallogenesis, Central African Copperbelt
Disciplines:Geologie, Andere chemie, Geochemie, Andere biologische wetenschappen
Project type:PhD project