@misc{10481/81248,
year = {2023},
url = {https://hdl.handle.net/10481/81248},
abstract = {Ore deposits are rock volumes with anomalously high concentrations of selected
elements that enable their extraction with economic profit. Metallic ore deposits
may form in a wide spectrum of geological conditions, although they mostly
occur in the magmatic and hydrothermal environments. Despite extensive
investigation aimed to clarify the genesis and distribution of magmatichydrothermal
ores, major controversies still concern the processes that drive the
transfer and storage of metals from background levels in their source region to
exploitable amounts in the crust. A key unresolved aspect regards whether the
ore-productive magmas inherit their metallogenic fertility from pre-enriched
domains of the mantle source, or they attain high metal concentrations due to
favorable fractionation conditions during magma percolation and ascent. This
issue is especially important for targeting mineral camps, as it constrains the
specific geological conditions and environments that enhance the metallogenic
endowment of the continental crust. To this regard, a better knowledge of the
mechanisms and repositories that control the mobility and storage of metals in
mantle rocks and magmas is essential.
The general aim of this Ph.D. thesis is to assess the geological factors that
govern the mobilization, transport, and concentration of chalcophile metals in the
subcontinental lithospheric mantle (SCLM), emphasizing their impacts on the
formation and distribution of magmatic-hydrothermal ore deposits in the
overlying crust. To achieve this main goal, the thesis investigates the mineralogy,
geochemistry and petrology of mantle peridotite xenoliths and associated volcanic
rocks from mineralized regions in Central Mexico and Southeast Spain, focusing
on base-metal sulfides (BMS), platinum-group minerals (PGM) and nano-tomicrometer-
sized metal-rich particles as mineralogical-geochemical tracers of the
behavior of precious and semi-metals in the SCLM. For this purpose, this study
combines traditional analytical methods (e.g., transmitted/reflected light optical
microscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis) with
advanced techniques for the in-situ characterization of minerals (e.g., laser ablation-(multicollector) inductively coupled plasma-mass spectrometry, highresolution
transmission electron microscopy).
The structure of the thesis comprises a general introduction to the research
topics, followed by the description of aims and methods. Subsequently, the first
chapter of the results section (Chapter 4) presents a mineralogical and
geochemical study of BMS and silicates in mantle peridotite xenoliths from the
Santo Domingo, Ventura-Espíritu Santo and Durango volcanic fields (Central
Mexico). The obtained results support that these rocks record low degrees of
partial melting in the stability fields of garnet (⁓ 2%) and spinel peridotites (⁓ 2-
4%), and interaction with hydrous alkaline melts possibly during the Basin and
Range extensional tectonism since Late Oligocene. Enclosed and intergranular
grains of monosulfide solid solution (mss) in Santo Domingo peridotites are
residues after the extraction of 0.1-0.5 fractions of Ni-Cu-rich sulfide melt during
mantle melting events. On the other hand, globular sulfides (pentlandite ±
chalcopyrite) hosted in glass veinlets in the Ventura-Espíritu Santo and Durango
peridotites crystallized from Ni-Cu-rich droplets of sulfide melt, immiscible in the
Quaternary silicate magmas that brought the xenoliths to the surface. Rheniumdepletion
model ages extrapolated by Re-Os isotope analysis of these sulfide
populations indicate that part of the SCLM of the Oaxaquia terrane (beneath Santo
Domingo and Ventura-Espíritu Santo) originated in the Archean-Paleoproterozoic
as the southernmost extension of the Laurentia craton, and was assembled with
the Central terrane (beneath Durango) during the Grenville orogeny (⁓ 1.0 Ga).
Early Paleozoic (⁓ 500 Ma) model ages common to sulfides from the peridotite
xenoliths of the three volcanic fields suggest that the Oaxaquia-Central composite
block split away from North America during the Rodinia break-up and
experienced the Pan-African-Brasiliano orogeny that led to Gondwana assembly.
During the Cenozoic, the reactivation of translithospheric faults bounding this
composite old SCLM provided preferential pathways for focusing the ascent of
ore-productive magmas/fluids associated with the subduction-related metallogeny
of the Pacific active margin of Mexico.
The second chapter of the results section (Chapter 5) examines a suite of
spinel peridotite xenoliths (plus one plagioclase-bearing) hosted in alkaline basalts
from the Tallante volcanic field (Southeast Spain). Mantle metasomatism in fertile
lherzolites from Tallante caused the crystallization of clinopyroxene +
orthopyroxene + spinel clusters due to the percolation of Miocene subalkaline
melts during the westward migration of the subduction front in the western
Mediterranean. In the Pliocene, heat and volatiles provided by alkaline hostmagmas
triggered very low melting degrees of metasomatic pyroxene-spinel
assemblages, generating melt quenched to silicate glass and reactive spongy
coronae around clinopyroxene and spinel. The refertilization event documented by
the Tallante peridotites involved the precipitation of abundant base-metal sulfides
currently included as spherical droplets within metasomatic clino- and
orthopyroxene. These sulfide inclusions consist of pentlandite ± chalcopyrite ±
bornite aggregates with homogeneous compositions in terms of major elements
(Ni, Fe, Cu) and semi-metals (Se, As, Te, Sb, Bi), but with wide variability of
platinum-group elements (PGE) fractionation (0.14 < PdN/IrN < 30.74).
Furthermore, several grains of Pt-Pd-Sn-rich platinum-group minerals (PGM)
and/or Au-particles were detected as euhedral nano-to-micrometer-sized
inclusions within the BMS. The heterogeneous geochemical and mineralogical
distribution of precious metals within the Tallante sulfides cannot be explained by
conventional models of chalcophile partitioning from sulfide melt. Rather, these
characteristics reflect the possible incorporation of distinct populations of BMS,
PGM, and metal nanoparticles (especially of Pt, Pd, and Au) during mantle
melting and/or melt percolation. Therefore, these results support that Miocene
subalkaline melts released by asthenosphere upwelling upon slab tearing of the
Iberian continental margin effectively produced metal-rich metasomatized
domains within this sector of SCLM. Remarkably high Au concentrations in
Tallante BMS (median 1.78 ppm) support that these metasomatized domains
provided a fertile source of metals, especially gold, for the ore-productive
Miocene magmatism of the westernmost Mediterranean.
The third chapter of the results section (Chapter 6) reports the presence of
Pb-rich nanoparticles enclosed in BMS from metasomatized mantle peridotite
xenoliths (Tallante volcanic field) and spatially/genetically associated lamproite
dykes (Fortuna volcanic field) from the Neogene Volcanic Province of
Southeastern Spain. These BMS document the journey of sulfide melt droplets
extracted by partial melting of the SCLM and transported in silicate alkaline
magmas through the lithosphere. Nanoinclusions of galena in BMS have
microstructural features that are inconsistent with their origin by low-temperature
exsolution of PbS previously dissolved within the BMS crystal-lattice. Rather,
these minerals likely crystallized from Pb(-Cu)-rich nanomelts originally
immiscible within the sulfide liquid. This first mineralogical evidence of
immiscibility between metal(Pb)-rich nanomelts and sulfide liquids challenges the
traditional models of metal and sulfide transport in silicate magmas based solely
on chemical solubility and chalcophile partitioning. Instead, these results require
evaluating the role of surface-energy physical relationships between nanophases,
sulfide liquids and silicate magmas in the transport and concentration of mantlederived
metals in the crust.},
abstract = {Los depósitos minerales son volúmenes de roca con concentraciones anómalas de
elementos que tienen valor económico. Los depósitos de minerales metálicos se
pueden formar en un amplio espectro de ambientes geológicos, aunque
predominantemente el magmático e hidrotermal. A pesar de la extensa
investigación sobre el origen de estos yacimientos, existe aún mucha
incertidumbre sobre los procesos que controlan la génesis y distibución de los
depósitos magmático-hidrotermales en la corteza continental. En particular, aún
queda por resolver si la formación de estos tipos de dépositos minerales está en
primera instancia controlada por una fuente enriquecida en metales a partir de la
cual se extraen los magmas parentales, o es resultado de la concentración eficiente
y localizada a partir de una fuente con metales diseminados en muy baja
concentración. A este respecto, una mejor comprensión de los mecanismos y
repositorios que controlan la movilidad, el transporte y el almacenamiento de
ciertos metales en las rocas del manto y los magmas es clave.
El objetivo general de esta tesis doctoral es evaluar los factores geológicos
que gobiernan la movilización, el transporte y la concentración de metales
calcófilos en el manto litosférico subcontinental (MLSC), enfatizando sus
impactos en la formación y distribución de depósitos minerales de tipo
magmático-hidrotermal en la corteza suprayacente. Para lograr este objetivo
principal, la tesis investiga la mineralogía, geoquímica y petrología de xenolitos
de peridotitas del manto y de rocas volcánicas asociadas procedentes de regiones
mineralizadas de México central y del sureste de España. Se presta un énfasis
especial al análisis de los sulfuros de metales base (SMB), minerales del grupo del
platino (MGP) y partículas metálicas de tamaño nanométrico a micrométrico,
usándolos como trazadores mineralógicos y geoquímicos del comportameniento
de metales preciosos y semimetales en el MLSC. Para ello, se ha utilizado una
combinación de métodos analíticos tradicionales (p. ej., microscopía óptica de luz
transmitida/reflejada, microscopía electrónica de barrido, análisis por microsonda
electrónica) con técnicas avanzadas para el análisis in situ de minerales (p. ej.,
espectrometría de masas con fuente de plasma inductivamente acoplado (multicolector) y ablación láser, microscopía electrónica de transmisión de alta
resolución).
La estructura de la tesis incluye una primera introducción general a los
temas de investigación (Capítulo 1), seguida de una descripción de los objetivos
(Capítulo 2) y métodos utilizados (Capítulo 3). Sucesivamente, el primer capítulo
de la sección de resultados (Capítulo 4) presenta un estudio mineralógico y
geoquímico de SMB y silicatos de xenolitos de peridotitas del manto procedentes
de los campos volcánicos de Santo Domingo, Ventura-Espíritu Santo y Durango
(México central). Los resultados obtenidos sugieren que estas rocas registraron
bajos grados de fusión parcial en los campos de estabilidad de las peridotitas con
granate (⁓ 2%) y espinela (⁓ 2-4%), y la interacción con fundidos alcalinos
hidratados posiblemente durante la fase tectónica extensional del Basin and Range
desde el Oligoceno tardío. Los granos de solución sólida monosulfurada incluidos
en los silicatos de las peridotitas de Santo Domingo o intersticiales entre ellos son
residuos de la extracción de 0.1-0.5 fracciones de fundido sulfurado rico en Ni-Cu
durante eventos de fusión del manto. Por otro lado, los sulfuros globulares
(pentlandita ± calcopirita) en venas de vidrio en las peridotitas de Ventura-
Espíritu Santo y Durango cristalizaron a partir de gotas de fundido sulfurado rico
en Ni-Cu, inmiscibles en los magmas silicatados Cuaternarios que transportaron
los xenolitos a la superficie. Las edades modelo obtenidas a partir del análisis de
isótopos de Re-Os en estos sulfuros indican que parte del MLSC del terreno
Oaxaquia (debajo de Santo Domingo y Ventura-Espíritu Santo) se originó en el
Arcaico-Paleoproterozoico como extensión más meridional del cratón de
Laurentia, y se ensambló con el terreno Central (debajo de Durango) durante la
orogenia Grenville (⁓ 1.0 Ga). Las edades modelo del Paleozoico temprano (⁓
500 Ma) comunes a sulfuros en las peridotitas de los tres campos volcánicos
sugieren que el bloque compuesto Oaxaquia-Central se separó de América del
Norte durante la ruptura de Rodinia, y experimentó la orogenia Panafricana-
Brasiliana que produjo el ensamblaje de Gondwana. Durante el Cenozoico, la
reactivación de las fallas translitosféricas que limitan este MLSC antiguo
proporcionó los canales preferenciales para el ascenso de magmas/fluidos
productores de menas metálicas durante la subducción debajo del margen Pacífico
de México.
El segundo capítulo de la sección de resultados (Capítulo 5) examina un
conjunto de xenolitos de peridotitas con espinela (más una con plagioclasa)
encajados en los basaltos alcalinos del campo volcánico de Tallante (sureste de
España). La percolación de fundidos subalcalinos metasomáticos en el Mioceno
provocó la cristalización de agregados de clinopiroxeno + ortopiroxeno + espinela
en lherzolitas fértiles durante la migración hacia el oeste del frente de subducción
en el Mediterráneo occidental. En el Plioceno, el aporte de calor y especies
volátiles por los magmas alcalinos encajantes causó tasas muy bajas de fusión de
los agregados metasomáticos de piroxeno-espinela, generando fundidos
silicatados que se enfriaron dando lugar a vidrio rico en silice y alcalis y coronas
de reacción alrededor de clinopiroxeno y espinela. El evento de refertilización
registrado en las peridotitas de Tallante conllevó la precipitación de abundantes
sulfuros de metales base que ahora se encuentran como inclusiones sólidas en
clino- y ortopiroxeno metasomáticos. Estas inclusiones sulfuradas consisten en
agregados de pentlandita ± calcopirita ± bornita con una composición homogénea
en términos de elementos mayores (Ni, Fe, Cu) y semimetales (Se, As, Te, Sb,
Bi), pero con un fraccionamiento muy variable entre los elementos del grupo del
platino (EGP) (0.14 < PdN/IrN < 30.74). Asimismo, se identifican abundantes
inclusiones euhédricas de minerales del grupo del platino (MGP) ricos en Pt-Pd-
Sn y partículas de Au en el interior de los SMB. Dicha distribución geoquímica y
mineralógica de los EGP en los sulfuros no puede explicarse mediante modelos
convencionales de fraccionamiento de elementos calcófilos en fundidos
sulfurados. Más bien, estas características reflejan la posible incorporación
mecánica de distintas poblaciones de SMB, MGP y nanopartículas metálicas
(especialmente de Pt, Pd y Au) durante la fusión del manto y/o la percolación de
fundidos. Por lo tanto, estos resultados respaldan que los fundidos subalcalinos,
producidos en el Mioceno por el ascenso de la astenosfera debido a la ruptura del
margen continental Ibérico subducido, generaron dominios metasomaticos
enriquecidos en metales preciosos dentro de este sector de MLSC. Las altas
concentraciones de Au en los SMB de las lherzolitas de Tallante (concentración
mediana = 1.78 ppm) sugieren que estos dominios metasomatizados
proporcionaron la fuente fértil de metales, especialmente oro, que dió lugar
durante el Mioceno tardío a los magmas parentales de los depósitos minerales en
el Mediterráneo occidental.
El tercer capítulo de la sección de resultados (Capítulo 6) documenta la
presencia de nanopartículas ricas en Pb incluidas en SMB de xenolitos de
peridotitas metasomatizadas del manto (campo volcánico de Tallante) y diques de
lamproítas asociadas espacial y genéticamente (campo volcánico de Fortuna) de la
Provincia Volcánica Neógena del Sureste de España. Estos SMB cristalizaron a
partir de gotas de fundido sulfurado extraídas por fusión parcial del MLSC, que
luego fueron transportadas fisicamente en magmas alcalinos silicatados a lo largo
de toda la sección litosférica. Las nanoinclusiones de galena en SMB poseen
características nanoestructurales inconsistentes con un origen por exsolución a
baja temperatura de PbS originalmente disuelto en la estructura del SMB. Más
bien, éstas cristalizaron a partir de nanofundidos ricos en Pb (y Cu) originalmente
inmiscibles en el líquido sulfurado. Esta es quizás la primera evidencia
mineralógica de inmiscibilidad entre nanofundidos ricos en metales (Pb) y
líquidos sulfurados en la naturaleza, y desafía los modelos tradicionales de
transporte de metales y sulfuros en magmas silicatados, basados únicamente en la
solubilidad química y la partición de tipo calcófilo. En cambio, estos resultados
requieren evaluar el impacto de las relaciones físicas basadas en la energía
superficial entre nanofases, líquidos sulfurados y magmas silicatados en el
transporte y la concentración de metales derivados del manto en la corteza.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {The BES- 2017-079949 “Ayudas para Contratos Predoctorales para la Formación de Doctores” fellowship to Erwin Schettino associated with the project CGL2016- 81085-R of the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad de España.},
organization = {Spanish projects PID2019-111715GB-I00/AEI/10.13039/501100011033 and RTI2018-099157-AI00, and by the Junta de Andalucía research group RNM-131},
organization = {Project FUMESA B-RNM-189-UGR18. Research grants, infrastructures, and human resources leading to this research have benefited from funding by the European Social Fund and the European Regional Development Fund.},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {Subcontinental lithospheric mantle},
keywords = {Peridotite xenoliths},
keywords = {Base-metal sulfides},
keywords = {Platinum-group minerals},
keywords = {Metal nanoparticles},
keywords = {Chalcophile elements},
keywords = {Re-Os isotopes},
keywords = {Magmatic-hydrothermal ore deposits},
keywords = {Manto litosférico subcontinental},
keywords = {Xenolitos de peridotitas},
keywords = {Sulfuros de metales base},
keywords = {Minerales del grupo del platino},
keywords = {Nanopartículas de metales},
keywords = {Elementos calcófilos},
keywords = {Isotopos de Re-Os},
keywords = {Depósitos minerales magmáticohidrotermales},
title = {Active Components of the Subcontinental Lithospheric Mantle for Crustal Metallogenic Endowment in Off-Craton Regions},
author = {Schettino, Erwin},
}