Geochemistry of Archaean and Palaeoproterozoic mafic-ultramafic rocks in NE Fennoscandia and implications for their Ni-Cu-PGE prospectivity

Abstract

Abstract

Northeastern Fennoscandia contains multiple generations of extrusive and intrusive mafic-ultramafic magmatism in the Archaean greenstone belts and Palaeoproterozoic rift-related basins, resulting in the formation of many mineral deposits. This study is focused on the geochemistry of the mafic-ultramafic rocks to constrain the petrogenesis and ore potential of different magmatic events and to identify key factors in ore formation which have potential implications for exploration. The study is sub-divided into three parts focusing on 1) Archaean komatiites in Russian Karelia, 2) Palaeoproterozoic dyke swarms in NE Fennoscandia, and 3) Palaeoproterozoic basaltic, komatiitic and picritic metavolcanites in several rift-related supracrustal belts in NE Fennoscandia.

Samples of Archaean komatiites and komatiitic basalts from the Vedlozero-Segozero and Tikshozero greenstone belts in Russian Karelia were analysed for their major, trace and chalcophile element contents. The results indicate a lack of both enrichment or depletion of chalcophile elements in the analysed samples. With the exception of localised mobility of Pd, Cu and Au during alteration and metamorphism, the behaviour of platinum-group elements (PGE) in these rocks is largely consistent with the fractionation of chromite and platinum-group minerals (PGM). The apparent paucity of dynamic lava channel environments, as indicated by the scarcity of olivine-rich adcumulates, and the lack of exposed sulphidic sedimentary rocks in the region lead to the conclusion that the potential of the Archaean greenstone belts in Russian Karelia to host Ni-Cu sulphide mineralisation is relatively low.

During the Palaeoproterozoic, the Karelian craton underwent several rifting events. In this study, they are divided into early (2.5−2.3 Ga), middle (2.3−2.06 Ga) and late (2.06−1.94 Ga) stages of rifting. During the early-stage rifting at 2.5–2.45 Ga, two main magma types were identified in a suite of dykes, siliceous high-magnesian basalt (SHMB) and tholeiitic basalt. The SHMB group shows large variation in trace element ratios (e.g., La/Sm, Th/Nb) and high initial 87Sr/86Sr ratios from 0.7028 to 0.7036. These features are consistent with crustal contamination of a mantle-derived magma, which was confirmed by thermodynamic modelling. The preferred model for the formation of SHMB-group dykes involves crustal contamination of a komatiitic magma in the deeper crust at a pressure of ca. 300 MPa followed by fractional crystallisation at a shallower depth, at a pressure of ca. 100 MPa. In contrast, the magma of the tholeiitic group mainly experienced fractional crystallization with less crustal contamination.

Based on trace element and isotope characteristics, the SHMB dykes are suitable candidates for the parental magmas to some of the Finnish PGE-mineralised layered intrusions (e.g., Penikat and Portimo), whereas the tholeiitic dykes may represent the parental magma to the Tsipringa layered intrusion in Russian Karelia. Both the SHMB and tholeiitic dyke types are fertile with respect to PGE, suggesting that the magmas remained sulphide undersaturated during mantle melting and en route to the upper crust. This interpretation is consistent with the fact that most of the ~2.45 Ga Fennoscandian layered intrusions contain PGE mineralisation. Sulphide melt saturation in the dykes and layered intrusions was mostly attained after their final emplacement, likely due to crystal fractionation.

The mafic volcanic rocks of the middle-stage rifting (Jatulian stage, 2.3–2.06 Ga) are contemporaneous with wide-spread mafic dyke swarms across the Karelian craton. Volcanic rocks from different belts show variable depletion or enrichment in LREE. These features probably indicate diverse mantle sources, which have experienced variable extents of earlier melt extraction. New PGE data show that the magmas of this stage in both the Peräpohja and Kuusamo belts are clearly richer in Pt and Pd compared to global basaltic volcanic rocks. However, low Cu/Pd ratios together with high PGE contents and positive correlation between PGE and Cu with Zr, indicate that sulphide saturation did not widely occur at this stage.

In the late-stage rifting event (2.06–1.98 Ga), the magmas in the Central Lapland Greenstone Belt (CLGB) also show unusual high PGE contents, but with a higher Pt/Pd ratio than in the Jatulian stage. Sulphide saturation occurred widely in both primitive and evolved magmas in the CLGB, the Pechenga belt and the Kiiminki belt, reflected by high Cu/Pd ratios and PGE depletion, consistent with the formation of many significant Ni-Cu-(PGE) sulphide deposits in this stage. The oceanic plateau-related mafic volcanic rocks in the Kittilä belt in northern Finland show variable PGE contents and Cu/Pd ratios, indicating a PGE-rich primitive magma from which sulphide melt locally segregated. This also indicates some potential for exploration of Ni-Cu-PGE sulphide deposits in palaeo-oceanic environments, though the major deposits are generally considered to have formed in a continental environment.

The unusually high PGE contents (up to 32 ppb Pd and 24 ppb Pt at MgO of 10.8 wt.%) of mafic rocks in both the middle and late rifting stages in NE Fennoscandia is interpreted to be the result of a mantle source enriched in undissolved late veneer. The large variation of Pt/Pd ratio in these magmas could indicate the contribution of metals from diverse types of meteorites. If correct, the model would imply that the homogenization of late veneer materials in the Earth’s mantle may have been operating until at least Palaeoproterozoic, i.e. much longer than the previously considered.

The differences in the ore-formation potential from the early to the late stage of rifting may be largely controlled by the lithospheric structure. During the early stage of rifting the lithosphere was still relatively thick, permissive to the formation of large, slowly cooling magma chambers in which magmas could fractionate extensively to form reef-type PGE sulphide deposits. Progressive extension during the middle stage of rifting weakened and thinned the lithosphere, preventing the formation of large magma chambers in the upper crust. During the late-stage rifting, interaction of magmas with sulphur-rich sediments deposited in deep rift basins allowed the formation of Ni-Cu- dominated sulphide deposits in magma conduits.

Tiivistelmä

Koillisen Fennoskandian arkeeisissa vihreäkivivyöhykkeissä ja paleoproterotsooisissa repeämäaltaissa on useita generaatioita ekstrusiivista ja intrusiivista magmatismia, joihin liittyy useita malmiesiintymiä. Tämä tutkimus kohdistuu mafis-ultramafisten kivien geokemiaan tarkoituksena selvittää eri magmaattisten tapahtumien syntyä ja malmipotentiaalia ja identifioida malminmuodostuksen avaintekijöitä, joilla on malminetsinnällistä merkitystä. Tämä työ koostuu kolmesta osasta, jotka käsittelevät 1) arkeeisia komatiitteja Venäjän Karjalassa, 2) paleoproterotsooisia juoniparvia koillisessa Fennoskandiassa ja 3) paleoproterotsooisia basalttisia, komatiittisia ja pikriittisiä metavulkaniitteja useissa repeämiseen liittyvissä suprakrustisissa vyöhykkeissä koillisessa Fennoskandiassa.

Tässä tutkimuksessa määritettiin pää- ja hivenalkuainekoostumuksia sekä kalkofiilisten alkuaineiden pitoisuuksia komatiiteissa ja komatiittisissa basalteissa Vedlozero-Segozeron and Tikshozeron vihreäkivivyöhykkeiltä Venäjän Karjalasta. Tulokset osoittavat, että analysoiduissa näytteissä ei ole merkittävää kalkofiilisten alkuaineiden rikastumista tai köyhtymistä. Lukuun ottamatta paikallista Pd:n, Cu:n ja Au:n mobilisoitumista muuttumisprosesseissa ja metamorfoosissa platinaryhmän metallien käyttäytyminen näissä kivissä on selitettävissä kromiitin ja platinaryhmän mineraalien (PGM) kiteytymisen kautta. Dynaamisten laavakanavaympäristöjen vähäisyys päätellen oliviinirikkaiden adkumulaattien harvinaisuudesta sekä paljastuneiden sulfidirikkaiden sedimenttien puuttuminen tutkimusalueelta viittaa siihen, että Venäjän Karjalan arkeeisten vihreäkivivyöhykkeiden potentiaali sisältää Ni-Cu-mineralisaatioita on suhteellisen alhainen.

Karjalan kratoni koki useita repeämistapahtumia paleoproterotsooisena aikakautena. Tässä tutkimuksessa ne on jaettu varhaisen vaiheen (2,5−2,3 Ga), keskivaiheen (2,3−2,06 Ga) ja myöhäisen vaiheen (2,06−1,94 Ga) repeämisiin. Varhaisen vaiheen aikana 2,5–2,45 miljardia vuotta sitten syntyneissä juonikivissä on erotettu kaksi magman päätyyppiä: pii- ja magnesiumrikas basaltti (SHMB) ja tholeiittinen basaltti. SHMB-ryhmän juonilla on suuri vaihtelu hivenalkuainesuhteissa (esim. La/Sm, Th/Nb) ja korkeat initiaaliset 87Sr/86Sr-suhteet vaihdellen välillä 0,7028−0,7036. Nämä piirteet ovat sopusoinnussa vaippaperäisen magman kuorellisen kontaminaation kanssa, mikä on myös vahvistettu termodynaamisen mallintamisen avulla. Parhaana mallina SHMB-ryhmän juonien synnylle pidetään komatiittisen magman syvällä kuoressa, 300 MPa:n paineessa tapahtunutta kuorellista kontaminaatiota, jota seurasi fraktioiva kiteytyminen ylempänä kuoressa noin 100 MPa:n paineessa. Sitä vastoin tholeiittisen ryhmän magma kävi läpi pääasiassa fraktioivaa kiteytymistä kuorellisen kontaminaation määrän ollessa vähäisempää.

Hivenalkuaine- ja isotooppikoostumusten perusteella SHMB-juonet ovat sopivia kandidaatteja kantamagmalle, joka tuotti joitakin suomalaisia PGE-mineralisoituneita kerrosintruusioita (esim. Penikat ja Portimo), kun taas tholeiittiset juonet voivat edustaa kantamagmaa Tsipringan kerrosintruusiolle Venäjän Karjalassa. Sekä SHMB-juonet että tholeiittiset juonet ovat fertiilejä PGE:n suhteen, mikä viittaa siihen, että niiden magmat pysyivät sulfidin suhteen alikylläisinä niiden syntyessä vaipassa ja noustessa yläkuoreen. Tämä tulkinta on sopusoinnussa sen kanssa, että useimmat ~2,45 Ga:n ikäiset kerrosintruusiot Fennoskandiassa sisältävät PGE-mineralisaatioita. Sulfidikylläisyyden saavuttaminen juonissa ja kerrosintruusioissa tapahtui niiden lopullisen paikalleen asettumisen jälkeen todennäköisesti fraktioivan kiteytymisen kautta.

Keskivaiheen repeytymiseen (Jatulinen vaihe, 2,3–2,06 Ga) liittyvät mafiset vulkaaniset kivet ovat samanikäisiä laajalle levinneiden mafisten juoniparvien kanssa läpi Karjalan kratonin. Vulkaaniset kivet eri vyöhykkeillä osoittavat vaihtelevaa keveiden lantanidien (LREE) köyhtymistä tai rikastumista. Nämä piirteet todennäköisesti indikoivat erilaisia vaipan lähteitä, jotka olivat kokeneet aikaisempia, vaihtelevan asteisia sulamistapahtumia. Uudet PGE-analyysit osoittavat, että tämän vaiheen magmoissa Peräpohjan ja Kuusamon vyöhykkeillä on selvästi korkeammat Pt- ja Pd-pitoisuudet verrattuna globaaleihin basalttisiin vulkaanisiin kiviin. Alhaiset Cu-Pd-suhteet yhdessä korkeiden PGE-pitoisuuksien ja PGE:n, Cu:n ja Zr:n välillä olevan positiivisen korrelaation kanssa kuitenkin indikoivat, että kylläisyyttä sulfidin suhteen ei tapahtunut laajalti tässä vaiheessa.

Myöhäisen repeämistapahtuman aikana (2,06–1,98 Ga) syntyneillä Keski-Lapin vihreäkivivyöhykkeen (CLGB) magmoilla on myös epätavallisen korkeita PGE-pitoisuuksia, mutta niillä on korkeammat Pt/Pd-arvot kuin Jatuli-vaiheen vulkaniiteilla. Sulfidin kylläisyys saavutettiin laajalti sekä primitiivisissä että kehittyneissä magmoissa CLGB:ssä sekä Petsamon ja Kiimingin vyöhykkeissä, mikä heijastuu korkeissa Cu/Pd-suhteissa ja PGE:n köyhtymisenä, mikä on sopusoinnussa monien Ni-Cu-(PGE)-malmien muodostumisen kanssa tässä vaiheessa. Kittilän vyöhykkeessä Pohjois-Suomessa esiintyvillä, merelliseen tasankoon liittyvillä mafisilla vulkaniiteilla on vaihtelevia PGE-pitoisuuksia ja Cu/Pd-suhteita indikoiden PGE-rikasta magmaa, josta sulfidisula on paikallisesti erottunut. Tämä myös indikoi jonkinlaista potentiaalia Ni-Cu-PGE-sulfidiesiintymisen löytymiselle paleomerellisessä ympäristössä, vaikkakin suuret esiintymät ajatellaan yleisesti muodostuneen mantereisessa ympäristössä.

Mafisten kivien epätavallisen korkeat PGE-pitoisuudet (maksimissaan 32 ppb Pd ja 24 ppb Pt MgO-tasolla 10,8 p.-%) keski- ja myöhäisvaiheen repeämisen aikana koillisessa Fennoskandiassa ovat tulkittu johtuvaksi vaipan lähteen rikastumisesta metalleista, jotka tulivat maaplaneetalle sen ytimen muodostumisen jälkeen myöhäisen meteoriittipommituksen tuloksena (late veneer -hypoteesi). Näissä magmoissa todettu laaja vaihtelu Pt/Pd-suhteessa voisi johtua metalleista, jotka ovat peräisin erityyppisistä meteoriiteista. Jos näin on, tämä malli tarkoittaisi, että myöhäisessä pommituksessa tulleen materiaalin homogenisoituminen maan vaipassa olisi kestänyt ainakin paleoproterotsooiselle aikakaudella saakka eli paljon pitempään kuin on aikaisemmin ajateltu.

Erot varhais-, keski- ja myöhäisvaiheen malmipotentiaalissa voivat johtua litosfäärin rakenteesta. Varhaisen vaiheen repeämisen aikana litosfääri oli vielä suhteellisen paksu, mikä mahdollisti suurten, hitaasti jäähtyvien magmasäiliöiden synnyn, joissa magma saattoi fraktioitua pitkälle ja muodostaa reef-tyyppisiä PGE-sulfidiesiintymiä. Etenevä ekstensio keskivaiheen repeytymisessä heikensi ja ohensi litosfääriä estäen suurten magmasäiliöiden synnyn yläkuoreen. Myöhäisen vaiheen repeytymisessä magmojen vuorovaikutus sulfidirikkaiden sedimenttien kanssa syvissä repeämäaltaissa mahdollisti Ni-Cu-sulfidimalmien muodostumisen magman tulokanavissa.