Metallogenic evolution of gold and iron deposits from the Ossa-Morena Zone (SW Iberia) - Constraining ore deposition conditions and vectoring future mineral exploration

Abstract

This PhD thesis is the product of a research project that aimed to constrain the metallogenic conditions behind the formation of gold and iron ore deposits in the Ossa-Morena Zone, particularly in the Montemor-o-Novo - Ficalho metallogenic belt. An additional goal of providing a proposal for the use of mining heritage as a tool for formal and informal educational activities was set during the PhD works, therefore contributing not only for the valorisation of the mineral resources from the Alentejo region, but also providing a product that can be used by local communities and other stakeholders as an economic activity (e.g. geotourism). Three key areas were selected for this thesis, from the NW to the SE of the Ossa-Morena Zone: i) Montemor-o-Novo area which comprises a set of iron deposits of probable Cambrian age that were mined during the late 19th century and early 20th century. These iron deposits, although currently subeconomic, were selected for this study since the model attributed to their genesis is debatable and magnetite chemistry could help in their classification and discrimination. This area is also characterised by numerous gold prospects and deposits, referred as the Escoural gold district, that was disclosed during the last decades by several mineral exploration projects, with orebodies being mostly intersected by drill cores. The Monfurado deposit/prospect, part of the Escoural gold district was selected for this PhD project, due to its proximity to a large iron orebody (mainly magnetite) which was also mined in early times (Monges iron mine); ii) the second area is the ancient Alvito iron mine, which comprises a set of open pits mined during the 19th century. The orebodies are mainly composed of magnetite and corresponds to an exoskarn formed in a carbonate unit by means of the interaction of magmatic-hydrothermal fluids inputted by the emplacement of a Gabbro-Diorite Complex. This area was selected due to the lack of recent studies focusing on the characterisation of the ores and the recent identification of Ni-Cu mineralisation in the surrounding Beja Igneous Complex. iii) The third area, to the southeast of the Montemor-o-Novo-Ficalho belt, corresponds to the Azenhas-Orada iron deposits, a skarn deposit with magnetite hosted by an extremely metasomatized amphibolite. This area was selected because this skarn system contrasts with that of Alvito, with the skarn formation being previously attributed to a reactional skarn promoted by the thrust-fault imbrication of metavolcanic units over carbonate rocks. Furthermore, LA-ICP-MS trace element analysis of magnetite and isotopic inspection could contribute to understanding the mechanisms behind its formation. As stated, the Escoural gold district was the target for the constraint of the mechanisms behind the concentration and deposition, and the chosen gold deposit was Monfurado. The paragenetic, geochemistry and fluid inclusion studies were performed in samples from six drill cores and two distinct types of gold mineralisation were found, where: Type i corresponds to massive sulfide horizons in which gold is hosted in arsenopyrite and pyrite or, seldomly, gold particles hosted in an arsenopyrite-rich layer. In this type arsenopyrite geothermometer indicates a temperature between 188ºC and 372ºC and sulfidation processes are responsible for the redox destabilisation of the gold-transporting fluid, therefore imposing gold deposition. Type ii corresponds to quartz-chlorite-pyrite veins crosscutting acid metavolcanic rocks with rhyolite-rhyodacite affinities, in which gold is found filling fractures in pyrite, sometimes accompanied by Bi-Te phases. Primary fluid inclusions were studied in quartz samples to estimate the conditions and fluid composition responsible for gold transport in this type. Secondary H2O-NaCl fluid inclusions (Lw2) were found, with mean salinities of 6.0 eq. w(NaCl) and mean homogenization temperature of 226ºC, with corresponding pressures of 3.0 MPa. Chlorite geothermometer results are in the range of 229 ºC and 309 ºC, agreeing with the fluid inclusion homogenization temperatures for Lw2 fluids. Sulfur isotope signatures of sulfides from the mineral assemblages (pyrite, pyrrhotite, arsenopyrite) revealed values within the narrow range of 8.5 ‰ and 10.6 ‰, suggesting a similar sulfur source for both mineralisation types. All the gathered data suggests that gold possibly derives from the devolatilization of the Escoural formation (Série Negra) and was transported by reduced fluids through anisotropies created by the Montemor-o-Novo Shear Zone. When these fluids interacted with the magnetite-rich carbonate rocks from the Monfurado Formation sulfidation of magnetite to pyrrhotite occurred, forcing a change to the redox condition of the fluids and forcing the precipitation of gold in the massive sulfide layers of Type i mineralization. In situ LA-ICP-MS trace element analysis of magnetite allowed the textural and chemical characterisation of the ores from the Montemor-o-Novo Iron Complex (MIC) and from the Alvito and Azenhas-Orada skarn deposits. This thesis contributes to the clarification of the processes of formation of iron deposits in the metallogenic belt of Montemor-o-Novo – Ficalho with emphasis on the iron deposits whose classification is the subject of debate, such as those of the MIC and Azenhas-Orada. Results show that the magnetite from the MIC deposits has trace element contents that clearly distinguish them from the magnetites from the studied skarns. Magnetites from the MIC deposits display concentration of temperature sensitive elements, such as Ti, V, Al, Ga, Sn, Cr and high field strength elements, extremely lower than those found in the magnetites from skarns. MIC magnetites usually display trace element concentrations and variations consistent with those formed under low-temperature hydrothermal regimes. In contrast, the Alvito and Azenhas-Orada skarn magnetites are much more closely related to high-temperature hydrothermal fluids. The magnetites from the studied deposits are not only distinguishable by the individual analysis of trace element concentrations but also by the discriminant diagrams, such as the Al + Mn vs Ti + V and Ti vs Ni/Cr, as well as by the proposed discrimination diagram of Co vs Zn. Furthermore, the application of machine learning algorithms to the classification of LA-ICP-MS trace element data of magnetite, by the means of Random Forest, proved to be a powerful and precise method for the classification of ore deposits. The results from the Random Forest classified 100% of the magnetite from the MIC as VMS and 65 % of magnetite from the Alvito and Azenhas-Orada deposit and Skarn. The oxygen isotope signatures are aligned to the processes behind the formation of magnetite, as well as with the post-deposition modifications imposed by orogenic metamorphism in the case of the MIC magnetites; - Evolução metalogénica de depósitos de ouro e ferro da Zona de Ossa-Morena (SO Ibérico) – Caracterização das condições de deposição e definição de vetores para a prospeção mineral - Resumo Alargado: A tese de doutoramento doravante apresentada é o produto de um projeto que pretende compreender as condições metalogénicas envolvidas na génese de depósitos de ouro e ferro da Zona de Ossa-Morena, focando-se no sector metalogénico de Montemor-o-Novo - Ficalho. Como objetivo adicional foi apresentada uma proposta do uso do património mineiro enquanto ferramenta para atividades educacionais formais e informais contribuindo não só para a valorização dos recursos minerais do Alentejo, mas também para promover o uso do património geológico enquanto produto económico (e.g. geoturismo) que possa ser usado pelas comunidades locais e outros agentes. Três localizações chave foram selecionadas como alvos de estudo neste projeto de doutoramento: i) a área de Montemor-o-Novo que compreende um conjunto de depósitos de ferro de idade provável Câmbrica, e que foram alvo de exploração durante o final do século XIX e o início do século XX. Estes depósitos, embora que atualmente sejam sub-económicos, foram selecionados para este estudo uma vez que os modelos metalogénicos atribuídos para a sua génese são discutíveis, sendo que a análise química de magnetites pode contribuir para a sua classificação e discriminação. A área de Montemor-o-Novo é também caracterizada pelas numerosas ocorrências e depósitos de ouro, aqui referidas como os depósitos de ouro do Escoural, que foram identificados no decorrer das últimas décadas por vários projetos de prospeção mineral, tendo os corpos mineralizados sido intersectados por sondagens de prospeção. O depósito de Monfurado, parte dos depósitos de ouro do Escoural, foi selecionado como alvo preferencial para este projeto de doutoramento uma vez a sua proximidade do depósito de ferro (magnetite) dos Monges. ii) A segunda área escolhida para este projeto corresponde à antiga mina de ferro do Alvito que compreende um conjunto de explorações a céu aberto cuja atividade decorreu durante o século XIX. Os corpos mineralizados são constituídos principalmente por magnetite e correspondem a exoskarns desenvolvidos em unidades carbonatadas provocado pela interação entre fluídos magmático-hidrotermais introduzidos no sistema através da instalação de um Complexo Gabro-Diorítico. Esta área foi selecionada devido à larga falta de estudos recentes focados na caracterização do minério, bem como devido à recente identificação de mineralizações de Ni-Cu nas unidades adjacentes do Complexo Ígneo de Beja. iii) A terceira área, a sudeste do Sector de Montemor-o-Novo, corresponde ao complexo de depósitos do tipo skarn Azenhas-Orada, nos quais a magnetite é hospedada por anfibolitos intensamente metassomatizados. Esta área foi selecionada uma vez que este depósito skarn contrasta com aquele encontrado em Alvito, tendo a génese dos depósitos das Azenhas-Orada sido atribuída anteriormente a um sistema skarn reacional promovido pela imbricação tectónica de unidades metavulcânicas sobre rochas carbonatadas. Alés disso, a análise in-situ de elementos traço em magnetites aliada à análise isotópica pode contribuir para a identificação dos mecanismos associados à formação dos depósitos selecionados. Como já referido, os depósitos de ouro do Escoural foram alvo de estudo por forma a constranger os mecanismos de concentração e deposição de ouro no caso do depósito de ouro de Monfurado. Os estudos paragenéticos, geoquímicos e de inclusões fluídas foram realizados em amostras recolhidos em seis sondagens de prospeção tendo sido identificados dois tipos de mineralização de ouro, nomeadamente: O Tipo i corresponde a horizontes maciços de sulfuretos nos quais o ouro de encontra hospedado em cristais de arsenopirite e pirite, assim como foram observadas partículas de ouro livre em níveis ricos em arsenopirite. Neste tipo de mineralização o geotermómetro da arsenopyrite indica temperaturas na ordem dos 188ºC e os 372ºC, e os processos de sulfidização foram identificados como sendo responsáveis pela destabilização das condições redox do fluído transportador do ouro, o que provocou a sua deposição. O segundo tipo, Tipo ii, corresponde a veios de quartzo-clorite-pyrite que cortam rochas ácidas metavulcânicas, com afinidade geoquímica a reólitos e riodacitos, nos quais as partículas de ouro são observadas como preenchimento de micro fracturas em pirite, por vezes acompanhados por fases de Bi-Te. As inclusões fluídas estudadas tiveram um papel preponderante para a estimativa das temperaturas e composição dos fluídos responsáveis pelo transporte do ouro na mineralização Tipo ii. Foram identificadas inclusões fluídas secundárias aquo-salinas (H2O-NaCl) com salinidade média de 6.0 eq. w(NaCl) e temperatures de homogeneização médias de 226ºC, com pressões estimadas na ordem dos 3.0 MPa. O geotermómetro da clorite revelou resultados na ordem dos 229ºC aos 309ºC, coerentes com os resultados obtidos através do estudo de inclusões fluídas. A assinatura de isótopos de enxofre dos sulfuretos encontrados na paragénese da mineralização de ouro (pirite, pirrotite, arsenopirite) revelaram valores na ordem dos 8.5 ‰ e 10.6 ‰, o que revela fraca variação. Estes resultados indicam que muito embora tenham sido identificados dois tipos de mineralização de ouro a fonte do enxofre poderá ser a mesma. Em suma, os resultados obtidos na análise do depósito de ouro de Monfurado sugerem que o ouro possivelmente foi remobilizado das unidades metassedimentares da Formação do Escoural (Série Negra) e transportado através de fluídos metamórficos reduzidos através de anisotropias geradas pela atividade da Zona de Cisalhamento de Montemor-o-Novo. Quando estes fluídos entraram em contacto com as unidades carbonatadas ricas em magnetite geraram-se processos de sulfidização que provocaram a alteração da magnetite em pirrotite, forçando uma alteração às condições redox do fluído, imponto a precipitação do ouro. As análises in-situ de elementos traço com recurso ao LA-ICP-MS permitiu a caracterização química e textural dos minérios de ferro dos depósitos de Montemor-o-Novo (MIC), e dos depósitos skarn do Alvito e Azenhas-Orada. O trabalho apresentado contribuí para clarificar os processos envoltos na génese dos depósitos de ferro do sector Montemor-o-Novo – Ficalho, com ênfase nos depósitos de ferro de Montemor-o-Novo e Azenhas-Orada, cujos modelos são debatíveis. Os resultados demonstram que a magnetite dos depósitos de ferro de Montemor-o-Novo apresentam conteúdos em elementos traço que as discriminam claramente das magnetites dos depósitos do tipo skarn estudados. Estas magnetites apresentam concentrações baixas em elementos traço indicadores de ambientes de baixa temperatura, tais como Ti, V, Al, Ga, Sn, Cr e HFSE (high field strength elements), quando comparadas com as magnetites dos depósitos skarn. As magnetites do complexo de depósitos de ferro de Montemor-o-Novo (MIC) apresentam, usualmente, concentrações e variações em elementos traço consistentes com as encontradas em magnetites formadas sob condições hidrotermais de baixa temperatura enquanto as magnetites dos depósitos do Alvito e Azenhas-Orada apresentam características químicas que as colocam mais próximas de ambientes hidrotermais de alta temperatura. As magnetites dos depósitos estudados não só são distinguidas pela análise individual da concentração em elementos traço, mas também pelos diagramas discriminatórios propostas pela literatura, tais como os diagramas Al + Mn vs Ti + V e Ti vs Ni/Cr, assim como pelo diagrama Co vs Zn proposto nos trabalhos inerentes a esta tese. Adicionalmente, a aplicação de algoritmos de machine learning, nomeadamente Random Forest, provou ser um método preciso para a classificação de depósitos minerais usando as análises químicas da magnetite como base para essa classificação. O algoritmo Random Forest classificou 100% das magnetites dos depósitos de Montemor-o-Movo como estando associadas a depósitos do tipo VMS, enquanto no caso das magnetites do Alvito e Azenhas-Orada 65% foram classificadas como skarn. As assinaturas em isótopos de oxigénio das magnetites analisadas estão alinhadas com os processos envolvidos na génese destas mesmas magnetites, assim como com as modificações após a sua deposição introduzidas pelo metamorfismo regional no caso das magnetites dos depósitos de ferro de Montemor-o-Novo.