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Structural and Fluid System Evolution in the Otavi Mountainland (Namibia) and its Significance for the Genesis of Sulphide and Nonsulphide Mineralisation

Laukamp, Carsten

German Title: Die geodynamische Entwicklung des Otavi Berglandes (Namibia) und der daran gekoppelten Hydrothermalsysteme: Bedeutung für die Genese von sulfidischen und sulfidfreien Buntmetalllagerstätten

English Title: Structural and Fluid System Evolution in the Otavi Mountainland (Namibia) and its Significance for the Genesis of Sulphide and Nonsulphide Mineralisation

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Abstract

Das Otavi Bergland (Namibia) liegt im nördlichsten Teil des nördlichen Vorland Falten- und Überschiebungsgürtels des Pan-Afrikanischen Damara Orogens. Neoproterozoische Plattformkarbonate (Otavi Gruppe) lagern dem Paläoproterozoischen Grundgebirge des „Grootfontein Inlier“ und siliziklastischen Sedimenten des Kryogeniums (Nosib Gruppe) auf. Die damarische Otavi Gruppe führt verschiedene Typen von sulfidischen und sulfidfreien Buntmetall-Lagerstätten. Ziel der vorliegenden Studie war es, die geodynamische Entwicklung des Otavi Berglandes und die daran gekoppelten hydrothermalen Systeme zu beschreiben sowie ein Modell zur Bildung der Lagerstätten zu erstellen. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Betrachtung möglicher Liefergesteine der Buntmetalle. Die Geländearbeit im Otavi Bergland und strukturgeologische, petrographische und geochemische Studien an Proben der Lagerstätten und der Paleo- und Neoproterozoischen Gesteinseinheiten wurden mit Ergebnissen weiterer Mitarbeiter, bestehend aus Analysen stabiler und radiogener Isotope, kombiniert. Das Paläoproterozoische Grundgebirge des „Grootfontein Inlier“ gliedert sich in den „Grootfontein Metamorphic Complex“ und den „Grootfontein Mafic Body“. Haupt- und Spurenelement-Zusammensetzungen des Paläoproterozoischen Grundgebirges weisen auf eine Intrusion dioritischer bis granitischer Schmelzen in einem konvergenten plattentektonischen Regime hin. Eine Korrelation mit anderen Grundgebirgsanteilen des südlichen Sao Francisco-Kongo Kratons und spät-Eburnische Rb-Sr Alter (1816 ± 26 Ma) von Hellglimmern aus Pegmatiten-Intrusionen deuten auf eine Bildung des „Grootfontein Metamorphic Complex“ während der Eburnischen Orogenese hin. Geochemische Analysen an Gabbros des „Grootfontein Mafic Body“ zeigen jedoch eine deutlich abweichende Zusammensetzung, die für eine Intrusion in einem kontinentalen Regime spricht. Unterschiedliche Magmenquellen oder eine teilweise Kontamination durch ältere Grundgebirgskörper könnten dabei eine wichtige Rolle gespielt haben. Während des Zerfalls Rodinias im Neoproterozoikum bildete sich ein Horst- und Graben- System im Paläoproterozoischen Grundgebirge aus, das durch siliziklastische Sedimente der Nabis Formation verfüllt wurde. Die Horst- und Grabenbildung wurde von der Intrusion tholeiitischer Vulkanite der Askevold Formation begleitet, deren Vorkommen bereits aus dem südlichen Otavi Bergland bekannt waren und in dieser Studie auch im zentralen Otavi Bergland nachgewiesen wurden. Nabis und Askevold Formation sind Teil der damarischen Nosib Gruppe, die während der Pan-Afrikanischen Orogenese grünschieferfaziell überprägt wurde (M1). In der Askevold Formation enthaltene Magnetite bildeten sich nach den vulkanogenen Massivsulfid-Lagerstätten (VMS) der Nosib Gruppe. Pb-Pb Datierungen an Magnetiten der Askevold Formation ergeben ein Alter von 587 ± 12 Ma und zeigen eine Bildung der VMS-Vererzungen im Kryogenium an. Die Hauptphase der Pan-Afrikanischen Orogenese erfolgte nach der Ediakarischen Bildung der Magnetite. Hieraus ergibt sich das Höchstalter dieser Orogenese im Otavi Bergland. Anhand strukturgeologischer und petrographischer Analysen konnte eine dreiphasige Überprägung der Damara Supergruppe und von Anteilen des sie unterlagernden Grundgebirges durch die Pan-Afrikanische Orogenese festgestellt werden: Vermutlich verursachten Kollisionsprozesse im westlich gelegenen Kaoko Gebirgsgürtel die Ost-West gerichtete Verkürzung während des frühen Ediakariums (D1). Die darauf folgende Hauptphase der Pan-Afrikanischen Orogenese (D2) entstand durch die Konvergenz und schließlich Kollision der Sao Francisco-Congo und Kalahari Kratone im späten Ediakarium bis frühen Kambrium und verursacht eine Nord-Süd gerichtete Einengung. Dextrale Seitenverschiebungen und Abschiebungen waren das Ergebnis der späten Pan-Afrikanischen Anhebung der nördlichen Platform (D3) während der späten Kollision zwischen Sao Francisco-Congo und Kalahari Kraton. Die während des Kryogeniums angelegten Grabenbrüche wurden während der gesamten Pan-Afrikanischen Orogenese und während späterer plattentektonischer Prozesse, vermutlich auch der Öffnung des Südatlantiks in der Kreide, reaktiviert. Zusammenfassend ergibt sich folgendes Modell für eine Entwicklung der Buntmetall-Lagerstätten im Otavi Bergland: Die Zirkulation mineralgesättigter Lösungen aus tieferen Beckenbereichen und die Mobilisierung bestimmter Buntmetalle durch die Pan-Afrikanische Regionalmetamorphose wurde durch einzelne Phasen der Pan-Afrikanischen Orogenese im Damara Gebirgsgürtel gesteuert. Sie führten zur Bildung von sulfidischen und sulfidfreien Buntmetallvorkommen in den Karbonaten der Otavi Gruppe. Syntektonische Granitintrusionen im zentralen Damara Gebirgsgürtel kontrollierten vermutlich die Zirkulation hydrothermaler Wässer. Als Liefergesteine der Buntmetalle können außer dem „Grootfontein Mafic Body“ auch intermediäre bis mafische Gesteine des „Grootfontein Metamorphic Complex“ gedient haben. Geochemische Analysen an siliziklastischen und vulkanischen Gesteinen der Nosib Gruppe sowie an Sulfiderzvorkommen in der Otavi Gruppe unterstützen die Annahme, dass die Askevold Formation und die daran gebundenen VMS-Vererzungen eine weitere Quelle für Buntmetall-Vererzungen im Otavi Bergland waren. Zn-Pb Sulphide des Berg Aukas-Typs wurden während D1 in sedimentären und tektonischen Brekzien abgelagert. Zirkulierende hydrothermale Wässer erzeugten eine weitere Brekziierung, die zu einer weiteren Konzentration der Zn-Pb Sulphide führte. Vermutlich wurden die Berg Aukas-Typ Lagerstätten während D2 hydrothermal alteriert und dienten damit als Vorläufer späterer Buntmetall-Vererzungen. Syn-D2 wurden auch die Cu-As-reichen Sulfosalze und Pb-Cu-Zn Sulphide des Tsumeb-Typs in Karströhren und Störungsbrekzien, die an Schnittbereichen verschiedener Störungssysteme entstanden, abgelagert. Während D3 wurden die primären Sulfid-Vererzungen des Tsumeb- und vermutlich auch des Berg Aukas-Typs wiederholt remobilisert. Dies führte zu einer Verdrängung der primären Erzkörper und/oder einer Ausfällung in weitere D2-Strukturen (z.B. Kombat Mine). Erste Rb-Sr Datierungen an Zinksilikaten (Willemit), die vornehmlich Zn-Sulfide des Berg Aukas-Typs ersetzten, ergaben Alter von 562 bis 436 Ma und weisen damit auf eine gleichzeitige Bildung mit den Tsumeb-Typ Lagerstätten und deren Remobilisaten hin. Dies wird durch die Ausfällung der Zinksilikate in Pan-Afrikanischen Störungszonen bestätigt. Die Ausfällung von Pb-Zn-Cu Vanadaten fand im späten Oligozän bis Pleistozän statt ((U-Th)/He an Descloizit) in post-damarischen Karstfüllungen, Brekzien und Nord bis Nordost streichenden Störungen statt. Die Eigenschaften der Fluideinschlüsse und O- und C-Isotopensignaturen von Karbonatzementen, die an die Vanadate gebunden sind, sprechen für eine tief greifende Zirkulation mäßig erhitzter meteorischer Wässer in einem kontinentalen Klima. Laut den Untersuchungen der Pb-Isotopen und der Haupt und Spurenelemente, spiegelt die Zusammensetzung der Vanadate die Zusammensetzung der primären sulfidischen Buntmetall-Lagerstätten aus ihrer näheren Umgebung wieder.

Translation of abstract (English)

The Otavi Mountainland (OML) in Namibia is located in the northernmost part of the northern foreland fold and thrust belt of the Pan-African Damara Orogen. Neoproterozoic platform carbonates (Otavi Group) rest unconformably on the Paleoproterozoic basement of the Grootfontein Inlier and Cryogenian rift sediments (Nosib Group). The Damaran Otavi Group is host for various types of sulphide and nonsulphide mineralisation. The aim of this study was to establish a model of the structural and fluid system evolution of the OML, in order to constrain the sources of the ore forming fluids and to understand the timing and the formation of several types of base metal ore deposits in this target area. Field work and structural analysis, petrographic and geochemical studies of samples from mining sites and the Paleoproterozoic and Neoproterozoic successions were accompanied by analysis of stable and radiogenic isotopes by co-workers. The Paleoproterozoic basement comprises the Grootfontein Metamorphic Complex and the Grootfontein Mafic Body. The obtained major and trace element compositions of the Grootfontein Metamorphic Complex suggest a magmatic evolution from dioritic towards granitic compositions in a convergent tectonic setting. A correlation with other basement units of the southern margin of the Sao Francisco-Congo Craton and a late-Eburnean Rb-Sr age of micas from pegmatitic intrusions in the Grootfontein Metamorphic Complex (1.816 ± 26 Ma) indicate a formation of the Paleoproterozoic basement that was related to the Eburnean orogeny. The acquired distinctly different chemical compositions of gabbros of the Grootfontein Mafic Body suggest an emplacement in a continental regime and could be related to distinct magma sources or to contamination from older basement rocks. Beside the Grootfontein Mafic Body, intermediate to mafic rocks of the Grootfontein Metamorphic Complex could have been source rocks for base metal mineralisation in the OML. Due to the Neoproterozoic break-up of Rodinia, a horst-graben-system evolved in the Paleoproterozoic basement, which was filled by siliciclastic rocks (Nabis Formation). Related rift volcanics of the Askevold Formation, which were already known from the southern OML, have been now observed in the central OML as well. Geochemical studies on these rift volcanics yield a tholeiitic composition. Both the Nosib and the Askevold formations are part of the Damaran Nosib Group, which was deformed during the Pan-African orogeny under greenschist facies conditions (M1). A Pb-Pb age of 587 ± 12 Ma was obtained for pre Pan-African magnetites from the Askevold Formation, whose segregations postdate VMS-type ores, contained in the Nosib Group. This age points to a Cryogenian deposition of the VMS-type ores and results in a maximum age of the Pan-African orogeny in the OML. Comparative geochemical studies on siliciclastic and volcanic rocks from the Nosib Group as well as on sulphide ores hosted by the Otavi Group indicate the Askevold Formation and related VMS-type deposits as favourable sources for base metals deposited in the OML. Structural and petrographic analyses suggest a three-staged Pan-African overprint in the OML: 1. Early Ediacaran E-W shortening (D1) that was presumably caused by collisional processes in the Kaoko Belt. 2. The main deformational event and the related N-S shortening in late Ediacaran to early Cambrian times (D2), which were due to convergence and finally collision of the Sao Francisco-Congo and Kalahari Cratons. 3. Dextral strike slip and extensional normal faulting (D3), which were triggered by the late Pan-African uplift of the Northern Platform during the waning stages of the convergence between the Sao Francisco-Congo and Kalahari Cratons. The Cryogenian rift-related normal faults were reactivated throughout the Pan-African orogeny and later deformational events, presumably such as the opening of the southern Atlantic in Cretaceous times. The formation of sulphide and nonsulphide mineralisation, hosted by platform carbonates of the Damaran Otavi Group, resulted from circulation of basinal and/or metamorphic brines and were correlated with the successive deformational events of the Pan-African orogeny. During D1, Zn-Pb sulphides of the Berg Aukas-type were deposited in sedimentary and tectonic breccias. Percolating hydrothermal fluids caused further brecciation, leading to further refining of the Zn-Pb sulphide ores. Paragenetic and geochemical studies suggest that Berg Aukas-type deposits could have been subject to hydrothermal remobilisation during D2 and therefore acted as precursor for later phases of base metal mineralisation. In a second stage (syn-D2), hydrothermal fluids were triggered by the regional metamorphism (M1) and by the emplacement of syntectonic granites in the central Damara Belt. Cu-As-rich sulphosalts and Pb-Cu-Zn sulphides of the Tsumeb-type were emplaced in karst pipes and fault breccias, which developed at cross junctions of different tectonic trends. During D3, repeated remobilisation of primary Tsumeb-type and eventually also Berg Aukas-type deposits resulted in direct replacement of the primary ores and/or further distribution of sulphide ore into D2-structures (e.g. Kombat). Synchronous to and possibly also after the formation of Tsumeb-type deposits and their subsequent remobilisation, Zn-silicate ore (willemite) locally replaced primary Zn sulphides of the Berg Aukas-type, as indicated by preliminary Rb-Sr ages in the range from 562 to 436 Ma and by their localisation in Pan-African shear zones. As suggested by (U-Th)/He ages on the Zn-Pb vanadate descloizite ranging from Late Oligocene to Pleistocene, the precipitation of the vanadates commenced significantly after the Pan-African orogeny. Fluid inclusions characteristics and O and C isotope signatures of carbonate cements, related to the formation of the vanadates, indicate that a circulation of slightly heated meteoric fluids took place during a phase of deep continental weathering in the late Kenozoic. This circulation fostered the formation of supergene Pb-Zn-Cu vanadates in post-Damaran karst fillings, solution collapse and tectonic breccias and North- to NE-striking faults. According to our Pb-isotope and major and trace element studies, the chemical composition of the vanadate ores reflects the original composition of the primary sulphide deposits in the same area.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bechstädt, Prof. Thilo
Date of thesis defense: 14. February 2007
Date Deposited: 07. Mar 2007 13:02
Date: 2006
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Buntmetalllagerstätte, Namibia, Geodynamik
Uncontrolled Keywords: Pan-Afrikanischore deposit, Namibia, nonsulphides, sulphides, Pan-African
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