Evolution of PGE mineralization in hortonolitic dunites of the Mooihoek and Onverwacht pipes, Bushveld Complex

Summary

Platinum group minerals (PGM) and associated silicates, oxides and sulfides from four samples of platiniferous hortonolitic dunites of the Mooihoek and Onverwacht pipes, Bushveld Complex, show the following PGM assemblages: 1) (Pt, Fe) alloy similar to isoferroplatinum in composition, syngenetic with olivine; 2) sperrylite, syngenetic with clinopyroxene; 3) tetraferroplatinum, laurite, hollingworthite, unnamed mineral (Rh, Ru)AsS, syngenetic with titanomagnetite; 4) tetraferroplatinum (?), sperrylite, geversite, hollingworthite, platarsite, cabriite, rustenburgite, sobolevskite (?) and unnamed (Pd, Pt)₄(Cu, Fe)₂(Sn, Sb)₃, (Pt, Ir)₃Sb, (Rh, Ir, Pt)SbS, Rh(Sb, Bi)S, and Pt(Bi, Sb), syngenetic with late amphiboles, magnetite, chlorite, ilmenite, and pentlandite.

Fine (less than 0.1 mm) drop-like sulfide inclusions, consisting of troilite, ferruginous chalcopyrite, ferruginous pentlandite, and encircled by micrograins of magnetite, ilmenite, amphiboles, and biotite, were found in nonbroken grains of olivine. The inclusions' bulk composition is that of high-temperature sulfide phase in equilibrium with high-iron silicate melt, under conditions of low sulfur fugacity.

The temperatures at which different mineral assemblages were formed were studied in a sample of wehrlite, rich in titanomagnetite, and the following stages were identified: 1) a high temperature (980–1020°C) stage measured using two-pyroxene thermometry; and 2) a high to medium temperature stage, measured using exsolution textures of titanomagnetite aggregates. This stage occurs in three stages: first, exsolution in the magnetite-ulvöspinel-spinel system (separation of Zn-Cr-hercynite, 800–1000°C); later, in the magnetite-ulvöspinel system (separation of ulvöspinel, about 500°C); and finally oxidizing exsolution with the genesis of ilmenite (590–410°C with −log fO₂ being 21 and 33, respectively).

Evolutionary features of mineral assemblages suggest that hortonolitic dunites underwent, partly at least, a magmatic stage and a lengthy stage of subsolidus autometamorphic transformations under the influence of metal-bearing fluid.

Low solubility of platinoids in silicate and low-sulfur sulfide melts probably was the reason for, on the one hand, direct crystallization of PGM from melt, unrelated to separations of primary sulfide phase, and, on the other hand, concentration of platinum group elements (PGE) in fluid. The PGE-rich fluid generated numerous PGM assemblages both at the stage of crystallization of residual melt which concentrated iron and titanium (inclusions in titanomagnetite) and as the result of intense medium-temperature autometasomatic reworking of primary hortonolitic dunites (simultaneously with minerals of the late chlorite-magnetite-amphibole assemblage).

Zusammenfassung

Minerale der Platingruppe (PGM) und assoziierte Silikate, Oxide und Sulfide aus vier Proben von Platin-führenden Hortonolith-Duniten der Mooihoek und Onverwacht-Pipes, Bushveld-Komplex, führen die folgenden Mineralassoziationen: 1. (Pt, Fe) Legierung, die in ihrer Zusammensetzung Isoferroplatin ähnlich und syngenetisch mit Olivin ist 2) Sperrylith, der syngenetisch mit Klinopyroxen ist 3) Tetraferroplatin, Laurit, Hollingworthit, ein noch nicht benanntes Mineral (Rh, Ru)AsS, das syngenetisch mit Titanomagnetit ist 4) Tetraferroplatin (?), Sperrylith, Geversit, Hollingworthit, Platarsit, Cabriit, Rustenburgit, Sobolevskit (?) sowie die noch nicht benannten Minerale (Pd, Pt)₄(Cu, Fe)₂(Sn, Sb)₃, (Pt, Ir)₃Sb, (Rh, Ir, Pt)SbS, Rh(Sb, Bi)S, and Pt(Bi, Sb), die syngenetisch mit späten Amphibolen, Magnetit, Chlorit, Ilmenit und Pentlandit sind.

Feine (weniger als 0.1 mm) tröpfchenförmige Sulfdeinschlüsse, die aus Troilit, eisenreichem Chalcopyrit und eisenreichem Pentlandit bestehen und von winzigen Körnern von Magnetit, Ilmenit, Amphibol und Biotit umgeben sind, kommen im Olivin vor. Die Gesamtzusammensetzung dieser Einschlüsse ist bei niedriger Schwefelfugazität im Gleichgewicht mit einer eisenreichen Silikatschmelze.

Die Temperaturen, bei denen die verschiedenen Mineralgesellschaften gebildet wurden, wurden in einer Probe von Titanomagnetit-reichem Wehrlit untersucht, und die folgenden Stadien wurden identifiziert: 1) ein Hochtemperaturstadium (980–1020°C), das auf der Basis von Zwei-Pyroxen-Thermometrie bestimmt wurde und 2) ein Hoch- bis Mitteltemperaturstadium, das auf der Basis von Entmischungstexturen von Titanomagnetit-Aggregaten gemessen wurde. Hier sind drei Gruppen zu unterscheiden:

• 1.) Entmischung im Magnetit-Ulvöspinell-Spinell-System (Bildung von Zn-Cr-Hercynit, 800–1000°C); später, im Magnetit-Ulvöspinell-System (Abtrennung von Ulvöspinell bei ungefähr 500°C) und schließlich oxidierende Entmischung mit Entstehung von Ilmenit (590–410°C mit-log fO2 von 21 bzw. 33).

Die beobachteten Mineralvergesellschaftungen weisen darauf hin, daß die Horthonolit-Dunite zumindest teilweise ein magmatisches Stadium durchlaufen haben und daß sich dann ein sehr ausgedehntes Stadium von autometamorphem Subsolidusumwandlungen unter dem Einfluß von metallführenden Fluiden anschloß.

Die niedrige Löslichkeit von Platinmetallen in Silikatschmelzen und in schwefelarmen Sulfid-Schmelzen war wahrscheinlich der Grund dafür, daß einerseits eine direkte Kristallisation von PGM aus der Schmelze erfolgte, die in keinerlei Beziehung zur Abtrennung einer primären Sulfdphase stand und daß andererseits Konzentrationen der Platingruppenelemte (PGE) in Fluiden zustande gekommen sind. Die PGE-reichen Fluide führten zur Entstehung zahlreicher PGM-Vergesellschaftungen und zwar sowohl im Stadium der Kristallisation der Restschmelze, die Eisen- und Titan konzentrierte (Einschlüsse in Titanmagnetit) und als Resultat intensiver autometasomatischer Beeinflussung bei mittleren Temperaturen der primären Horthonolit-Dunite gleichzeitig mit den Mineralen der späten Fluid-Magnetit-Amphibol-Vergesellschaftung.