K-Ar dating of white micas from the Ventersdorp Contact Reef of the Witwatersrand Basin, South Africa: timing of post-depositional alteration

Summary White micas from metamorphosed and hydrothermally-altered basaltic lavas, conglomerates, quartzites and shales in and around the Ventersdorp Contact Reef of the Witwatersrand Basin, South Africa, were dated by the K-Ar method to constrain post-depositional thermal and mineralization processes. The minerals were separated into various grain sizes between < 0.4 and 10m, and characterized in terms of composition, paragenetic sequence and texture, by XRD, SEM and TEM techniques. The K-Ar isochron of all white micas in the basaltic lavas suggests an age of 1994 ± 60 Ma, and that of the smaller mica particles (< 2m) in the quartzites defines a younger age of 1917 ± 66 Ma. This range is considered to reflect the timing of long-lived hydrothermal alteration in the Ventersdorp Contact Reef. The older age is slightly younger than the intrusion of the Bushveld Complex (2060–2054 Ma) and the Vredefort catastrophism (2020 Ma), which are well-documented events that were superimposed onto the Witwatersrand Basin. The younger age may be associated with the Eburnian orogenesis along the western edge of the Kaapvaal Craton resulting in continental-scale fluid migration and hydrothermal activity that extended throughout the Griqualand Basin and even into the Witwatersrand Basin. The K-Ar ages obtained here for the white mica fractions of the Ventersdorp Contact Reef in the Witwatersrand Basin confirm that the period between 2.0 and 1.9 Ga was significant, as far as alteration, and possibly also gold mobilization, was concerned.

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K-Ar Datierung von Hellglimmern aus dem hentersdorp Contact Reef des Witwatersrand Beckens, Südafrika: die zeitliche Eingrenzung der nach der Sedimentablagerung erfolgten Alteration

Zusammenfassung Hellglimmer von metamorph und hydrothermal überprägtem Basalt, Konglomerat, Quarzit und Pelit aus dem Ventersdorp Contact Reef im Witwatersrand Becken, Südafrika, wurden mittels der K-Ar Methode datiert, um das Alter der postsedimentären thermischen Überprägung einzugrenzen. Mineralkörner wurden in einzelne Fraktionen zwischen < 0.4 und 10m separiert und auf deren Zusammensetzung, Paragenese und Textur mittels Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie untersucht. Das Isochronenalter für alle Hellglimmerproben aus dem Metabasalt liegt bei 1994 ± 60 Ma, jenes für die Glimmer mit einer Korngröße < 2m im Quarzit bei 1917 ± 66 Ma. Diese Altersspanne wird als Ausdruck einer lang anhaltenden hydrothermalen Veränderung des Ventersdorp Contact Reef interpretiert. Das ältere Alter ist etwas jünger als die Intrusion des Bushveld Komplex (2060–2054 Ma) und die Vredefort Katastrophe (2020 Ma) - zwei gut dokumentierte Ereignisse, die das Witwatersrand Becken erfaßten. Das jüngere Alter könnte mit der eburnischen Orogenese entlang des Westrandes des Kaapvaal Kratons in Zusammenhang stehen, während der es zu Fluid Migration und hydrothermaler Aktivität quer über den Kontinent vom Griqualand Becken bis in das Witwatersrand Becken kam. Die neuen K-Ar Alter bestätigen somit, daß die Zeitspanne von 2.0–1.9 Ga wesentlich für die Alteration und möglicherweise auch für die Mobilisierung von Gold im Witwatersrand Becken war.

     

The significance of the Vredefort Dome for the thermal and structural evolution of the Witwatersrand Basin, South Africa

Summary The Vredefort Dome represents an area of significant ( 10 km) structural uplift within the central parts of the economically important Witwatersrand Basin. Its rocks experienced higher grades of metamorphism than the equivalent stratigraphic horizons exposed around the periphery of the basin. Recent studies of this medium- to high-grade metamorphism, as well as new evidence concerning the origin of the dome, have contributed to a metamorphic model for the Witwatersrand Basin as a whole. This evidence shows that the gold-bearing strata experienced at least two metamorphic events at ca. 2 Ga. The unusually high strain rate and shock deformation features exposed in the rocks of the dome rule out an endogenous origin by tectonic or diapiric processes. Recent work on these features has shown that the dome is best explained as the central uplift of a large, 250–300 km diameter, 2023±44 Ma old meteorite impact structure, the extent of which closely correlates with the present-day limits of the Witwatersrand Basin. Impact-related deformation features in the Vredefort rocks facilitate the separation of metamorphic textures developed during a pre-impact event associated with the 2.05–2.06 Ga Bushveld magmatism, and textures developed during a slightly lower-grade, post-impact, static overprint. The post-impact overprint decreases in intensity outwards from the dome. It is attributed to the massive disturbance of the thermal structure of the crust by impact-induced exhumation, and to shock heating of the rocks as a consequence of the impact event.

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Die Bedeutung des Vredefort-Domes für die thermische und strukturelle Entwicklung des Witwatersrand-Beckens, Südafrika

Zusammenfassung Der Vredefort Dom ist ein Gebiet von signifikantem (ca. 10 km), strukturellem Uplift im Zentralbereich des wirtschaftlich bedeutungsvollen Witwatersrand-Beckens. Die Ges-teine des Doms haben höhere Metamorphosebedingungen erfahren als die stratigraphisch äquivalenten Lagen, die im Randbereich des Beckens aufgeschlossen sind. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen dieser mittel-bis hochgradigen Metamorphose und neueste Ergebnisse zur Entstehung des Domes haben einen Beitrag zu einem Metamorphose-Modell für das gesamte Witwatersrand-Becken geleistet. Diese neuen Befunde zeigen, daß die Gold-hältigen Gesteinsschichten zumindest zwei metamorphe Ereignisse vor ca. 2 Ga erfahren haben. Die ungewöhnlich hohen Beanspruchungsraten und die Stoßwellendeformationsstrukturen, die in den Gesteinen des Doms belegt sind, sprechen gegen einen endogenen Ursprung durch tektonische oder diapirische Prozesse. Neuere Arbeiten an diesen Phänomenen haben gezeigt, daß der Dom am besten als die zentrale Struktureinheit (Zentralberg) einer sehr grossen, 250–300 km weiten und 2023±4 Ma alten Meteoriteneinschlagsstruktur verstanden werden kann, deren Ausmaß eng mit den jetzigen Grenzen des Witwatersrand-Beckens übereinstimmt. Die Gegenwart von Impakt-bezogenen Deformationsstrukturen in Vredefort-Gesteinen erlaubt es, die metamorphen Texturen, die während eines hochgradigen, mit dem 2.05–2.06 Ga Bushveld Magmatismus korrelierten, metamorphen Stadiums vor dem Impaktereignis entstanden sind, von den Texturen zu trennen, die ein statisch metamorphes Ereignis von etwas geringerer Stärke, das nach dem Impakt stattfand, produzierte. Die Spuren des post-Impakt Ereignisses nehmen in ihrer Stärke zum Rand des Domes ab. Dieser Effekt wird durch eine massive Störung der thermischen Krusten-Struktur erklärt, die als Resultat einer Kombination von Impakt-induzierter Exhumierung, von Schock-Aufheizung der Krustengesteine, und von Erwärmung durch einen gewaltigen, jetzt erodierten Impaktschmelzgesteinskörper gesehen wird.

     

Witwatersrand iron-formations and their significance for gold genesis and the composition limits of orthoamphibole

Summary In the West Rand Group of the 3.07–2.71 Ga old Witwatersrand Supergroup, South Africa, a series of banded iron-formations occur. They are of chemical origin and were deposited in an offshore shelf environment. The coarser-grained, in places pyrite-bearing, and partly auriferous metasedimentary rocks forming the bulk of the Witwatersrand Supergroup are regressive. The iron-formations, however, were deposited during transgression. The presence of allogenic pyrite in the fluviatile metaconglomerates and that of magnetite and, in places, haematite in the marine iron-formations suggests a lower pH and higher sulfur activity for the Archaean meteoric environment than for recent hydrothermal fluids on the ocean floor. Post-depositional alteration of the Witwatersrand rocks includes burial metamorphism at temperatures between 300 and 350 °C and pressures around 2.5 kbar, and multiple hydrothermal inflitration events at slightly lower temperatures, coeval with the brittle deformation of the basin fill during the deposition of the Transvaal Supergroup and the Bushveld Vredefort events.Additional thermal metamorphic overprint of the iron-formations around the Vredefort Dome caused the growth of orthoamphiboles. They show a wide range of compositions between ferro-anthophyllite and ferrous alumino-gedrite, suggesting that the crest of the solvus curve for Fe-rich orthoamphiboles is below 500 °C.Chlorite and amphibole compositions, and the presence of Fe-oxide-bearing horizons between pyrite-bearing ones indicate that the fluid composition during post-depositional alteration was largely controlled by the bulk rock composition of the infiltrated stratigraphic horizons and not by some external source.

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Zusammenfassung Die West Rand Group innerhalb der 3.07–2.71 Milliarden Jahre alten Witwatersrand Supergroup, Südafrika, führt eine Reihe von Magnetit- und Hämatit-haltigen Eisenformationen. Diese sind chemischen Ursprungs und wurden in einem flachmarinen Schelfmilieu abgelagert. Der überwiegende Teil der Witwatersrand Abfolge, bestehend aus klastischen, verschiedentlich Pyrit-führenden und teilweise goldhaltigen Metasedimentgesteinen, kann regressiven Phasen zugeschrieben werden. Die Eisenformationen wurden hingegen während transgressiven Phasen abgelagert. Aufgrund des Auftretens allogener Pyrite in den fluviatilen Konglomeratlagen und von Magnetit und Hämatit in den marinen Eisenformationen lassen sich für den meteorischen Bereich im Archaikum niedrigere pH-Werte und höhere Schwefelfugazität ableiten als für rezente submarine hydrothermale Fluide. Post-diagenetische Alterationsprozesse sind der Versenkungsmetamorphose mit Temperaturen zwischen 300 und 350 °C und Drucken um 2.5 kbar sowie etwas niedriger temperierten hydrothermalen Fluiden zuzuschreiben, die als Folge der inkompetenten Deformation der Beckenfüllung in diese während mehrer Stadien infiltrierten. Infiltration hydrothermaler Fluide während der Ablagerung der Transvaal Supergroup (2.55 Ga) und während des Bildung der Vredefort Struktur (2.0 Ga) sind durch Altersdaten belegt.Zusätzliche thermische Metamorphose der Fe-reichen Pelite und Eisenformationen im Bereich der Vredefort Struktur führte zur Bildung von Orthoamphibolen, deren Zusammensetzung von Anthophyllit bis zu Fe-reichem Alumino-Gedrit reicht. Dies läßt darauf schließen, daß die Solvuskurve für Fe-reiche Orthoamphibole unterhalb von 500 °C liegt.Die Zusammensetzung der Chlorite und Amphibole sowie das Auftreten von Fe-Oxid-führenden Horizonten in den generall Pyrit-reichen Metasedimentgesteinen gestatten die Annahme, daß die post-diagenetische Fluidzusammensetzung hauptsächlich durch die jeweilige Zusammensetzung der infiltrierten Gesteinshorizonte und nicht durch eine externe Quelle bestimmt wurde.

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With 8 Figures     

The metamorphic and alteration history of West Rand Group shales from distal portions of the Witwatersrand Basin

Summary The maximum metamorphic grade in West Rand Group shales from three boreholes to the east and south of the Vredefort Dome is lower greenschist facies. In most samples the peak metamorphic assemblage consists of quartz + muscovite + chlorite, with the phyllosilicates defining a tectonic cleavage. In many of the samples more coarsely crystalline alteration zones that clearly crosscut both bedding and the tectonic cleavage overprint this assemblage. The alteration zones are localized around minor faults and shears where fluid ingress has occurred. Muscovite was not observed in these zones and the cleaved matrix assemblages has been replaced by assemblages consisting of pyrite + quartz ± chlorite ± stilpnomelane ± calcite ± carbonaceous matter ± Mn-garnet ± epidote ± chalcopyrite. In some of the alteration zones stilpnomelane is a very common product and appears to arise through the breakdown of chlorite + muscovite. K and Fe metasomatism are indicated during this reaction, as well as the obvious mobility of S, Cu and C. Assays on small samples indicate gold introduction into the shales during the alteration event. Chlorite thermometry was used to estimate the equilibration temperature of chlorite from the cleaved matrix and the alteration zones. Temperatures close to 300°C are indicated for both chlorite varieties, and for all three boreholes. These results, and the petrographic data, imply that fluid influx post-dated the formation of the tectonic cleavage, but occurred close to the peak of metamorphism. Comparison between the chlorite thermometry data from this study with those from similar studies in the goldfields indicates very similar peak metamorphic grades in both areas, suggesting that these metamorphic conditions may be typical of almost the entire basin. The one exception is obviously the amphibolite facies metamorphism exposed in the northwestern sector of the collar of the Vredefort Dome. Several recent studies have suggested that this metamorphism is representative of a widespread zone of higher grade metamorphism within the central portions of the basin. The results of this study indicate that this is unlikely to be the case and suggest that these amphibolite facies rocks are probably unique to the northern portions of the dome.

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Die Metamorphose- und Alterationsgeschichte von Peliten der West Rand Group im distalen Bereich des Witwatersrand Beckens

Zusammenfassung Dieser Artikel dokumentiert die Metamorphose und Alteration einiger Tonschiefer der West Rand Group, welche in drei Bohrkernen östlich und südlich des Vredefort Domes aufgeschlossen sind. In allen untersuchten Proben entspricht der maximale Metamorphosegrad der unteren Grünschiefer Fazies. Die maximalen metamorphen Bedingungen sind häufig durch die Mineralparagenese Quarz + Muscovit + Chlorit charakterisiert, wobei die Schichtsilikate eine ausgeprägte Schieferung definieren. Viele der Proben zeichnen sich durch gröber kristalline Bereiche intensiver Alteration aus, die sowohl die Schieferung als auch die Schichtung deutlich schneiden und in denen die metamorphe Mineralparagenese überprägt ist. Diese Alterationszonen befinden sich im Bereich von kleineren Störungen und Scherzonen, entlang derer Fluide eingedrungen sind. Muscovit fehlt in diesen Bereichen und die Matrixminerale sind durch die Paragenese Pyrit ± Quarz ± Chlorit ± Stilpnomelan ± Kalzit ± Kohlenstoff-haltiges Material ± Mn-Granat ± Epidot ± Kupferkies verdrängt worden. In einigen Alterationszonen findet man häufig Stilpnomelan, welcher möglicherweise auf Kosten von Muscovit und Chlorit gewachsen ist. Versuche, diese Reaktion mit Hilfe von gemessenen Mineralzusammensetzungen unter Annahme eines isochemischen Systems auszugleichen, scheiterten. Dies ist wahrscheinlich auf die Mobilität von K und Fe, sowie S, Cu and C zurückzuführen. Untersuchungen an kleinen Proben deuten darauf hin, daß die Alteration mit einer Goldanreicherung verbunden war. Die Abschätzung der Gleichgewichtstemperaturen von Chlorit der geschieferten Matrix sowie der Alterationszone mit Hilfe von Chlorit-Thermometrie ergab Temperaturen um 300°C für beide Chlorit-Varietäten aus allen drei Bohrkernen, Diese thermometrischen und petrographischen Daten sprechen dafür, daß die Fluidinfiltration nach Anlegung der Schieferung nahe dem Metamorphosehöhepunkt erfolgte. Ein Vergleich der Daten aus der Chlorit-Thermometrie dieser Studie mit den Ergebnissen ähnlicher Studien in den Goldfeldern ergibt sehr ähnliche metamporphe Bedingungen, was möglicherweise dafür spricht, daß diese Bedingungen typisch für das ganze Becken sind. Die einzige Ausnahme bildet offensichtlich die amphibolitfazielle Metamorphose in den nordwestlichen Randbereichen des Vredefort Domes. Einige neuere Studien spekulieren, daß diese Metamorphose eventuell für eine breite Zone höhergradiger Metamorphose im zentralen Teil des Beckens repräsentativ ist. Unsere Resultate deuten jedoch eher darauf hin, daß diese amphibolitfaziellen Gesteine auf den nördlichen Teil des Domes beschränkt sind.

     

Zur Geochemie der Alkalien im tiefen Grundgebirge

Zusammenfassung Es wird auf die Schwierigkeiten und Fehlerquellen hingewiesen, die rich bei der Untersuchung der geochemischen Verteilungsgesetze der Alkalien im tiefen Grundgebirge ergeben. Die Hauptschwierigkeit liegt bei der Probenahme. An Hand von Beispielen wird gezeigt, daß die Streubreite vieler metamorpher Gesteine bei weitem größer ist als zur Bestimmung von Unterschieden der Gruppenmittel fur die betreffende Probenzahl zulässig. Die Probenahme muß auf Grund der ermittelten Streuung nach statistischen Gesichtspunkten erfolgen. Die Berechnung von Zu- und Wegfuhren unter Benutzung verschiedener Konstantwerte wird diskutiert.An einigen Beispielen, die repräsentativ für ihre Gruppe stehen, wird gezeigt, daß die geochemisch konservative Metamorphose fest fest keine oder nur interne Alkaliverschiebungen bewirkt. Großraumige Alkalimigrationen treten erst ein, wenn mobile Phasen auftreten; und zwar H₂O-reiche Lösungen im höheren und H₂O-haltige anatektische Schmelzen im tieferen Grundgebirge. Durch Differentiation werden zunächst K-, später Na-reiche Restlösungen gebildet, die das Muttergestein selbst, das Nebengestein and auf längeren Migrationwegen auch entfernte, h6her liegende Erdrindenteile alkalisieren können.Die Ursache für den relativ hohen Alkaligehalt im tiefen Grundgebirge wird diskutiert und angenommen, daß dieser Alkaligehalt bei der Erstbildung entstanden ist (alkalireiche Sedimente, saurer Vulkanismus). Die gegenwartige Alkaliverteilung wird als fixiertes Ungleichgewicht sehr verschiedener geochemischer Prozesse gedeutet. Die Na-Lücke der metamorphen Gesteine wird durch das Zusammenwirken von geochemisch konservativem mit geochemisch mobilem Alkali erklärt.     

Der Bau der Südrandstörung des Wettersteingebirges

Zusammenfassung Auf Grund eingehender Untersuchung der Südrandstörung des Wettersteingebirges wird der Nachweis erbracht, daß sie nicht einheitlich, sondern aus hunderten von Einzelverwerfungen in verschiedenen Richtungen zusammengesetzt ist. Diese Verwerfungen mit nahezu horizontalen Rutschstreifen stehen senkrecht, die seltenen Ausnahmen führen zu überschiebungen geringen Ausmaßes. Bezeichnend ist die plötzliche oder allmähliche Richtungsänderung der Verwerfungen und ihre Ablösung am Rande durch neue. Sie beweisen eine Summe von Differentialbewegungen gleichzeitig mit der Gesamtbewegung der Streifenschollen in O-W-Richtung. Das nötigt erneut zur Ablehnung einer, einheitlichen, S-N bewegten Decke.Auf die übereinstimmung mit den Ergebnissen vonCloos im Kristianiagebiete, wo ebenfalls seitliche Verschiebungen von Blöcken gegeneinander die einzige Erklärungsmöglichkeit bieten, wird hingewiesen.     

Über Borgehalte in einigen ostalpinen Kohlen und anderen Biolithen

Zusammenfassung Es wurden 35 Kohlengesteinsproben und andere Biolithe vornehmlich von österreichischen Vorkommen emissionsspektrographisch auf Bor untersucht. Als maximaler Borgehalt im lufttrockenen Kohlengestein wurde 0·06% B und in der Asche 0·46% B gefunden. Die Boranreicherung dürfte im wesentlichen auf das Borspeichervermögen der pflanzlichen Substanz zurückgehen.Es wurden Koinzidenzen im Borgehalt limnischer und paralischer Kohlen festgestellt, so daß die Verwendung des Bors als Leitelement zunächst problematisch erscheint.Die höchsten Borgehalte zeigen die Glanzbraunkohlen der inneralpinen Molasse, die als limnisch-fluviatile Bildungen betrachtet werden. Eine Überprüfung dieser Faziesangaben erscheint notwendig.Mit 4 Textabbildungen     

The relationship of silver and gold in the basal reef of the Witwatersrand System,South Africa

Ag/Au ratios of individual gold particles and of ore-samples obtained from the Basal Reef conglomerate horizon of the Upper Witwatersrand System in the Orange Free State Goldfield (South Africa) are discussed. The Ag/Au values of individual gold grains were found to be exceptionally constant at about 0.0812, whereas the Ag/Au ratios of the ore-samples have markedly higher values and show a large variation. These values indicate that the detrital gold has been homogenized during transportation and sedimentation and that part of the original silver content has been redistributed. It is likely that the first refining of detrital gold particles occurred in streams which eventually drained into the Witwatersrand basin. Further redistribution of the silver relative to the gold took place in the littoral zone of the basin, where the conglomerates were reworked by wave action and erosion. It is contended that supergenic enrichment of gold might also have taken place close to the original shore-line. These processes are believed to account for an increase in the Ag/Au values of ore-samples towards the northwest in the area investigated. Finally, the gold has been homogenized during the metamorphic period of the Witwatersrand System, when pseudohydrothermal transport and redeposition of certain constituents took place. It is suggested that the main portion of the silver content of the original alloy, which was redistributed during the various processes outlined above, is now present as finely dispersed silver minerals. The hypothesis of an elevation control of the Ag/Au values has been found to be improbable.

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Es werden Ag/Au Verhältnisse von Goldkörnern und von Erzproben aus dem Basal Reef-Konglomerathorizont des Oberen Witwatersrand-Systems im Oranje-Freistaat-Goldfeld mitgeteilt. Die Ag/Au-Werte der Goldkörner sind außerordentlich konstant und bewegen sich um 0,0812, während die Ag/Au-Verhältnisse der Erzproben merklich höher sind und starken Schwankungen unterliegen. Das detritische Gold muß daher während seines Transportes und während seiner Ablagerung homogenisiert worden sein und dabei einen Teil seines ursprünglichen Silbergehaltes verloren haben. Eine erste Raffinierung des Goldes geschah wahrscheinlich während des Flußtransportes der Partikel in den Sedimentationsraum. Weitere Umlagerungen von Silber relativ zu Gold fanden in der Küstenzone des Witwatersrand Beckens statt, im Bereich starker Wellenbewegung und intensiver Aufbereitung des Sedimentmaterials. Es wird zudem angenommen, daß in der Nähe der ehemaligen Küste deszendente Prozesse aktiv waren, welche Gold anreicherten. Diese Silberumlagerungen werden als Grund dafür betrachtet, daß im Untersuchungsgebiet die Ag/Au-Werte von Erzproben in der Haupttransportrichtung gegen Nordwesten hin zunehmen. Schließlich wurde das Gold im Gefolge der Metamorphose der Witwatersrand-Sedimente pseudohydrothermal über kurze Distanzen umgelagert und dabei weitgehend homogenisiert. Es wird angenommen, daß die Silbergehalte, welche bei den verschiedenen Umlagerungsprozessen freigesetzt wurden, heute größtenteils in Form fein verteilter Silbermineralien vorliegen. Eine Abnahme der Ag/Au-Werte mit zunehmender Teufe konnte nicht bestätigt werden.

     

Zu Verkittungsvorgängen an Psammiten

Zusammenfassung Die Sandsteine und Eisenoolithe im Schwäbischen Jura sind im allgemeinen unvollständig verkittet.An der Eisenerzlagerstätte von Geislingen (Steige), einem etwa 2 m mächtigen, langgestreckten Eisenoolithkörper im Oberen Braunen Jura, sind Verkittungserscheinungen besonders auffallend und wurden eingehend untersucht.Die verkitteten Teile können überall im Flözprofil auftreten, insgesamt ist die Verkittung aber oben ausgedehnter als unten. Es wird der Nachweis geführt, daß der Kalkzement primär ± homogen im Profil verteilt war und bei der diagenetischen Mobilisierung vorzugsweise nach oben gewandert ist. Für die Sandsteinhorizonte des Braunen Jura und z. T. des Schwarzen Jura gilt ähnliches.Da der unverkittete Oolith im Korngefüge Setzungserscheinungen zeigt, der verkittete dagegen nicht, läßt sich die Zeit der Verkittung als frühdiagenetisch angeben.Es wird angenommen, daß die Mobilisierung des Kalkzements im Rahmen der Setzungsentwässerung der liegenden Tonschichten erfolgte.Durch Wechsel von Zementation und Erosion ist am Dach des Lagers eine konglomeratische Schicht entstanden. Die Entstehung der konkretionär entstandenen Konglomeratkomponenten wird zu den Verkittungsvorgängen im Flöz in Beziehung gesetzt.     

A comparison of fluids causing post-depositional hydrothermal alteration in Archaean basement granitoids and the Witwatersrand Basin

Summary Some Archaean granitoids occurring along the north-western and western edge of what is classically known as the Witwatersrand Basin have been hydrothermally altered in two different styles. Both styles - pervasive and vein-controlled alteration - are characterised by sulphide mineralisation as well as by thorium-, uranium-, gold- and REE-rich nodules of carbonaceous material (fly-speck carbon). All of the granitoids displaying these characteristic alteration styles are associated with secondary moderate-to high-salinity, Ca-rich fluid inclusions with low homogenisation temperatures in magmatic quartz and quartz veins. C-isotopes of the fly-speck carbon and the fluid composition of the associated fluid inclusions are typical of modified basin brines. Similar types of Ca-rich fluid inclusions were found in authigenic quartz and hydrothermal quartz veins from gold-bearing, hydrothermally altered sediments of the Witwatersrand Basin, although the salinities of the fluids in the basement granitiods are somewhat higher. The moderate- to high salinity of this inclusion fluid and its present composition is considered to be the result of modifications by fluid-rock interaction during transport and subsequent metamorphism within the Witwatersrand Basin. Available age data on the hydrothermally derived minerals in these granitoids range between 2.7 and 2.0 Ga indicating several fluid pulses, with fluids repeatedly expelled during the dewatering of the Witwatersrand Basin. These data are consistent with the conclusion that major parts of the alteration are the result of sediment dewatering which affected both the granitoids and the gold-bearing strata within the Witwatersrand Basin.

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Ein Vergleich zwischen Formationswässern in archaischen Granitoiden und dem Witwatersrand Becken

Zusammenfassung Einige archaische Granitoide, die am nordwestlichen und westlichen Rand des Witwatersrand Beckens vorkommen, zeigen zwei Arten von hydrothermaler Überprägung. Beide Arten, pervasiv und gangförmig, sind mit einer Sulfidmineralisation und Thorium-, Uran-, Gold-, und SEE-reichen Knollen aus kohliger Substanz assoziiert. Alle Granitoide, die sich durch diese spezielle hydrothermale Überprägung auszeichnen, besitzen sekundäre moderat- bis hochsalinare, Ca-reiche Fluideinschlüsse mit niedrigen Homogenisierungstemperaturen in magmatischen und hydrothermalen Quarzen. Diese Fluide werden als modifizierte Beckenwässer gedeutet. Ähnliche Ca-reiche Fluideinschlüsse wurden in authigenen und hydrothermalen Quarzen in goldführenden, hydrothermal veränderten Sedimenten des Witwatersrand Beckens beobachtet, obwohl die Salinitäten der wässrigen Fluide in den Granitoiden noch höher sind. Die moderate bis hohe Salinität und die derzeitige Zusammensetzung der Einschlußfluide wird als eine Konsequenz aus der Fluid-Gesteinswechselwirkung, die während des Transportes im Becken stattfand, und der nachfolgenden Metamorphose angesehen. Vorläufige Altersdaten von den hydrothermal gebildeten Mineralen weisen auf mehrere hydrothermale Ereignisse während einer Zeitspanne zwischen 2.7 und 2.0 Ga hin. Während dieser Zeitspanne kam es durch Beckenentwässerung zu wiederholten Fluidschüben aus dem Becken in die Granitoide aufgrund lokaler tektonischer Ereignisse. Diese Daten deuten an, daß ein großer Teil der hydrothermalen Überprägung sowohl der Granitoide als auch der goldführenden Sedimente durch Formationswässer aus dem Witwatersrand Becken gebildet worden ist.

     

Material transport in channelized fluids-examples from high-temperature shear zones in the Central-European Variscan belt

Summary Two Variscan small scale shear zones and their precursors were analyzed to evaluate fluid-assisted chemical and physical changes. The retrograde transformation of the Weissenstein eclogite under amphibolite facies conditions (Münchberg Massif/Bavaria) and the shear deformation in the Lattersberg amphibolite (Odenwald/Hesse) are accompanied by significant mass transport, mainly of K, Ba, P, Sr, Zr and the LRE elements. The whole rock and mineral chemistry reveal that the active fluids during retrogression were alkali-rich as well as F- and/or (PO ₄ ^3- )-rich, and probably explain the observed mobility and transport of so-called immobile elements such as Zr. The calculated fluid/rock ratios of the shear zones are not higher than 2–10.The comparison with retrogressed eclogites of the Schwarzwald shows similar chemical changes as in the Weissenstein eclogite. Additionally, the comparison with retrogressed but minor deformed parts of the Weissenstein eclogites reveals that the degree of chemical changes does not depend on the state of deformation.The transformation of the eclogites led to a significant volume increase of about 20%, which must imply structural consequences like pure shear ductile deformation in the surrounding rocks and extensional tectonics above the retrogressed rocks.The interpretation of the chemical composition of retrogressed and/or fluid ingressed metabasic rocks must be handled with caution concerning LIL, LRE elements and Zr.

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Materialtransport in kanalisierten Fluiden-Beispiele von Hochtemperatur-scherzonen der Mitteleuropäischen Varisziden

Zusammenfassung Zwei geringmächtige variskische Scherzonen und ihre Ausgangsgesteine wurden auf fluid-unterstützte chemische und physikalische Änderungen hin untersucht. Die retrograde, amphibolitfazielle Umwandlung des Weissenstein Eklogites (Münchberger Gneismasse/Bayern) und die Zerscherung des Lattersberg Amphibolites (Odenwald/ Hessen) wurden von signifikanten Massentransporten, insbesondere von K, Ba, P, Sr, Zr und den LRE Elementen, begleitet. Die Gesamtgesteins- und Mineralchemie zeigt, daß die während der retrograden Überprägung aktiven Fluide sowohl reich an Alkalien als auch an F und/oder (PO ₄ ^3– ) waren. Dies erkl:art wahrscheinlich die Mobilität des immobilen Elementes Zr. Das berechnete Fluid/Gesteinsverhältnis betrug maximal 2–10.Der Vergleich mit Daten von retrograden aber weniger deformierten Bereichen des Weissenstein Eklogites zeigt, daß hier das Ausmaß der chemischen Änderungen unabhängig von der Deformation ist. Ein Vergleich mit retrograd überprägten Eklogiten aus dem Schwarzwald zeigt vergleichbare chemische Änderungen wie im Weissenstein Eklogit.Die retrograde Entwicklung der Eklogite führte zu einem signifikanten Volumengewinn von etwa 20%. Dies könnte strukturelle Konsequenzen für die Nebengesteine, wie z.B. einfache Scherung und Dehnung, gehabt haben.Die Interpretation der chemische Zusammensetzung retrograd überprägter und/oder fluidinfiltrierter basischer Gesteine in bezug auf LIL, LRE Elemente und Zr muß, nach den vorliegenden Ergebnissen, mit Vorsicht behandelt werden.

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With 7 Figures     

Die niehtkarbonatisehen Bestandteile des Göttinger Musehelkalkes mit besonderer Berücksichtigung der Mineralneubildungen

Zusammenfassung Die mineralogische und chemische Zusammensetzung des Säurerückstandes von 32 Gesteinsproben des Göttinger Muschelkalkes wurde untersucht. Die Röntgenanalysen der feinsten Schlämm- und Zentrifugenfraktionen ergaben Illit, Quarz und geringe Mengen von Kaolinit. Für den Illit wurde durch Vergleich von mineralogischer und chemischer Analyse die Formel errechnet. Die verschiedenen Stadien der Glimmerzersetzung, die schließlich zum Illit führt, ließen sich mikroskopisch beobachten. In den Fraktionen > 2 Ø fanden sich mikroskopisch Quarz; Feldspat (Orthoklas, Mikroklin, Albit, Oligoklas) und Glimmer (Muskovit, Biotit, Zersetzungsprodukte). Quarz und Feldspat kommen als Neubildungen vor. Der authigene Kalifeldspat ist triklin und hat einen optischen Achsenwinkel von 2V = 43° gegenüber 69° für magmatischen Orthoklas Der authigene Albit hat einen Achsenwinkel von 2V = 85–90° gegenüber 77° für magmatischen Albit. Vergleichsweise wurden auch andere Vorkommen untersucht; die dieselben Resultate lieferten.Neben die Hoch- und Tief temperatur-feldspate der Effusiv- bzw. Intrusivgesteine treten demnach die Niedrigtemperaturfeldspate der kalkigen Sedimentgesteïne. Diese Feldspate entsprechen weitgehend den reinen Komponenten KAlSi₃O₈ und NaAlSi₃O₈. Die Beobachtungen lassen vermuten, daß die Albitisierung bereits vor der Sammelkristallisation und völligen Erhärtung des Gesteines stattfand, während die Kalifeldspatisierung erst während oder nach der Diagenese geschah. Der SiO₂-, Al₂O₃- und K₂O-Bedarf wurde wahrscheinlich von den Zersetzungsprodukten der Glimmer gedeckt, der Na₂O-Bedarf vom Meerwasser. Während die Leichtmineralzufuhr im Muschelkalkmeer des untersuchten Gebietes zeitlich und räumlich konstant blieb, schwankte die authigene Feldspatbildung von vorwiegender Kalifeldspatisierung im untersten und im mittleren Muschelkalk zu überwiegender Albitisierung im oberen Muschelkalk. Die eigelben Gesteine des unteren Muschelkalkes sind durch die Zersetzungsprodukte der Magnetitkörner gefärbt. Die Schwerminerale wurden nur qualitativ untersucht.     

Zur Mechanik der ostalpinen Deckenbildung

Zusammenfassung Die Mechanik der Deckenbildung ist eine aktuelle Streitfrage bei der Deutung alpiner Gebirgsbildung. Zwei Leitvorstellungen stehen zur Diskussion: 1. Tangentialdruck in der Erdkruste verursacht Faltungen und Deckenüberschiebungen in der mobilen geosynklinalen Zone; 2. Gravitationstektonik zufolge von endogen bedingten Hebungen und Senkungen verursacht die lateralen Massenverlagerungen der alpinen Orogenese.Im ersten Falle also Mobilismus (Wandertektonik), mit Einengung der Geosynklinale, begleitet von Verschluckung der Sialkruste oder crustal buckling. Im zweiten Falle Fixismus (Standtektonik), das heißt nur Durchbewegung der Tektonosphäre zufolge von Materialkreisläufen im geosynklinalen Bereiche, ohne daß notwendigerweise auch die Nebengebiete mitbeteiligt werden und sich nähern müssen.An der Hand von drei genetischen Profilen über Salzburg und die Hohen Tauern wird erläutert, daß es möglich ist, die ostalpine Orogenese mit Hilfe des zweiten Leitbildes zu erklären.Die Gravitationstektonik oder Sekundärtektogenese tritt in verschiedenen Stockwerken auf. Die Abgleitung der alpinen Sedimenthaut liefert Decken von helvetischem Typ. Wenn auch das kristalline Grundgebirge am lateralen Transport mitbeteiligt ist, entstehen Decken vom ostalpinen Typ. Die Verfließungen der tiefen, rheomorphen Teile der Kruste (Migma und z. T. palingenes Magma) liefern die Decken penninischen Charakters, welche im Tauernfenster aufgeschlossen sind.Die erste orogene Hauptphase war die tieforogene oder Gosauphase der mittleren Kreide, wobei die Proto-Austriden und Proto-Penniden in die Tauernvortiefe wanderten.Die zweite orogene Hauptphase war die hochorogene oder Molassephase des Mitteltertiärs, wobei die Tauernzone als Geantiklinale emporgewölbt wurde. In den nördlichen Kalkalpen fanden nordvergente, in den südlichen Kalkalpen südvergente Bewegungen statt.Zum Schlusse wurden die nördlichen Kalkalpen gegen die Molasse aufgeschoben, welche Bewegung im zentralen Tauernsektor wahrscheinlich mechanisch mit der Gailabschiebung in der Südflanke der Geantiklinale zusammenhängt.Die Deutung der Mechanik der ostalpinen Deckenbildung nach dem Leitbild der Schwerkrafttektonik führt also zum Ergebnis, daß Krustenverkürzung keine notwendige Begleiterscheinung alpiner Orogenese ist. Diese Schlußfolgerung steht in Übereinstimmung mit gravimetrischen und seismischen Beobachtungen.     

Folgerungen für die Entstehung der Basalte aus dem speziellen Auftreten der Pyroxene in diesen Gesteinen

Zusammenfassung Die früheren Angaben über die Pyroxenführung, besonders über den Gehalt an rhombischem Pyroxen, wurden in den Basalten der südwestlichen Ausläufer des Vogelsberges überprüft. Es kann in Abhängigkeit vom SiO₂-Gehalt dieser Gesteine eine Beziehung über die Zusammensetzung der Basalte und die Art der auftretenden Pyroxene aufgestellt werden. Vereinfacht ergibt sich, daß die Olivinbasalte keinen rhombischen Pyroxen in der Grundmasse führen - abgesehen von den Olivinknollen - und die Gesteine mit Bronzitführung dem gabbrodioritischen bzw. dioritischen Magmentyp angehören. Daneben kommt Pigeonit in weiter Verbreitung vor. Diese Befunde unterstützen die Auffassung, daß die Olivinknollen der Basalte Reste von assimilierten Peridotiten sind. die dem basaltischen primären Magma zugefügt werden. Dadurch wird ein Hinweis auf den Ort der Bildung der basaltischen Magmen gegeben.     

Schichtverbiegungen als Folgeerscheinung plastischer Deformation von Erdkrustenteilen

Zusammenfassung Zur Deutung der in saxonischen Gebirgen häufig auftretenden Verbiegungen in der Nähe großer Verwerfungen wird durch Idealisierung der geometrischen Gestalt der betrachteten Gebilde und des Spannungszustandes ein mechanisches Modell konstruiert, das die tektonisch wesentlichen Vorgänge bei größeren Verschiebungen längs den Verwerfungen qualitativ und quantitativ zu erkennen und den Einfluß der Materialeigenschaften abzuschätzen gestattet. Durch Vergleich von gerechneten Kurven mit natürlichen Profilen, speziell des Göttinger Leinetalgrabens wird der Nachweis versucht, daß die Zerlegung des betreffenden Krustenstreifens und seine weitere Ausgestaltung auf einen der Form nach gleichen Spannungszustand zurückzuführen sind. Außerdem wird mit Hilfe des Modells eine Abschätzung der Größe der einwirkenden Kräfte und der Dauer der Vorgänge durchgeführt. In der Theorie wird wohl der Einfluß der Eigenschwere des Materials, nicht aber der durch Störung des Massengleichgewichts hervorgerufene Effekt berücksichtigt.Vorliegende Arbeit wurde durchgeführt mit Unterstützung der Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft, der ich hiermit meinen herzlichsten Dank ausspreche. Für wertvolle Ratschläge und Hilfe bei der Durchführung der Rechnung bin ich ferner Herrn Priv.-Doz. Dr. W.Flügge (Göttingen) zu großem Dank verpflichtet.     

Mineralogisch-petrographische Untersuchungen an den Sedimenten (Schichtflutfanglomeraten) des Oberrotlieegenden von Schramberg

Zusammenfassung Die Sedimente des Oberrotliegenden von Schramberg bestehen aus Gesteinsbruchstücken und Quarz-, Feldspat- und Glimmerkörnern. Außer bei den selten vorkommenden Sandlagen überwiegen die Gesteinsbruchstücke.Die im Sediment auftretenden Gesteinsarten (Granit, Gneis, Quarzporphyr, Granitporphyr) stimmen mit den heute in der Nähe anstehenden Gesteinsarten des Grundgebirges überein, weshalb die nähere Umgebung als Ursprungsgebiet angesehen werden muß. Die größte Entfernung (ca. 10 km) hat vermutlich der Gneis zurückgelegt. Im Grundgebirge der Schramberger Gegend scheinen während des Oberrotliegenden keine anderen Gesteisarten mehr angestanden zu haben, als heute dort anstehen.Die prozentuale Verteilung und die Kornverteilungen der Minerale in den Gesteinsbruchstücken der Hauptgesteinsart (Granit) und bei den Einzelmineralkörnern stimmen überein. Hieraus ergibt sich, daß Einzelmineralkörner und Gesteinsbruchstücke dem selben Ursprungsort entstammen. Das einzige beobachtete Tonmineral ist aus den Ursprungsgesteinen stammender Muscovit.Hämatit überkrustet fast alle Körner des Sediments. Er kann aus eisenhaltigen Mineralien, und zwar nur bei tief liegendem Grundwasserspiegel und einer mittleren Jahrestemperatur von mehr als 15° C gebildet worden sein.Die frei vorhandenen Schweremineralien stammen aus den gleichen Ursprungsgesteinen wie die anderen Bestandteile des Sediments. Granat ist nur in den Gesteinsbruchstücken, nicht jedoch in Form von freien Körnern erhalten geblieben. Rutil wurde sowohl in Form freier Körner als auch in den Gesteinsbruchstücken überwiegend in Anatas umgewandelt.Die Beobachtungen der Gesteinsschichtung lassen auf Wassertransport in Form von Schichtfluten mit rascher Abnahme von Turbulenz und Geschwindigkeit mit anschließendem vollständigem Versickern schließen.Die Untersuchung von Kugeligkeit und Rundung der Körner ergab zwei Maxima, und zwar bei 0,2–0,6 mm und > 4 mm Korndurchmesser. Das feinkörnige Maximum wird als Folge von Windtransport (wobei nicht Transport in das endgültige Lager gemeint ist), das grobkörnige durch Wassertransport gedeutet. Die Tatsache der Zurundung der Kornklassen > 4 mm schließt Transport in Form von Schlammströmen aus. Ein Vergleich der gemessenen Rundung mit der Rundung eines rezenten Sedimentes ergibt übereinstimmend mit den Ergebnissen der lithologischen Untersuchung einen Transportweg der Größenordnung 10 km.Mit Ausnahme der Sandlagen zeigen die Sedimente bimodale Kornverteilung, die folgendermaßen gedeutet wird: Das Ursprungsgestein (hauptsächlich Granit) unterlag physikalischer Verwitterung. Zusätzlich wurden durch Windeinwirkung kleinere Gesteinsbruchstücke zerstört, sodaß im entsprechenden Korngrößenbereich ein Defizit, und im Korngrößenbereich der Einzelmineralkörner ein Mazimum entstand, da durch Wind an Einzelmineralkörnern keine Zerstörung, sondern nur Abrundung stattfinden kann. Abtransport duch Wasser und vollständige, plötzliche Ablagerung bedingen die Begrenzung der Kornverteilungshistogramme auf der grobkörnigen Seite. Die Transportfähigkeit des Wassers wid demnach durch diese Begrenzung ausgedrückt.Ws wird die zusammenfassende genetische Bezeichnung Schichtflutfanglomerate vorgeschlagen.Die vorliegenden Untersuchungen bestätigen die bisherige Ansicht über die Entstehung der Sedimente des Oberrotliegenden im Schwarzwald.     

Carbonatites from Eastern Paraguay and genetic relationships with potassic magmatism: C, O, Sr and Nd Isotopes

Summary Geochemical characteristics were systematically determined for Early Cretaceous samples of carbonatitic rocks from Eastern Paraguay (Rio Apa, Amambay and Central Provinces). The data show that all the occurrences have an enriched isotopic signature and that the carbonatites have negligible or absent crustal signature. A petrogenetic model (parent liquids, fractional crystallization, hydrothermal interactions and weathering) is proposed as a function of incompatible trace element, stable (O-C) and radiogenic (Sr-Nd) isotope variations with the aim to test the significance of carbonatitic complexes as a marker of the metasomatized subcontinental lithospheric mantle. The results indicate that the carbonatites and primary carbonates from eastern Paraguay, and those from the north eastern Paraná Basin (SE Brazil), were affected by metasomatic events distinct in time and composition.

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Karbonatite aus Ost-Paraguay und ihre genetische Beziehung zu Kalium-Magmatismus: C O, Sr und Nd isotope

Zusammenfassung Die geochemischen Charakteristika von frühkretazischen Karbonatitproben aus Ostparaguay (Rio Alpa, Amambay und Zentrale Provinzen) wurden untersucht. Die Daten belegen, daß alle Vorkommen eine isotopische Anreicherungssignatur zeigen und daß ihnen eine entsprechende Krustensignatur fehlt. Ein Petrologisches Modell (Ausgangsschmelze, fraktionierte Kristallisation, hydrothermale Interaktion und Verwitterung) wird auf Grund der Verteilung der inkompatiblen Spurenelemente, der stabilen (C-O) und radiogenen (Sr-Nd) Isotope vorgeschlagen. Es versucht die Bedeutung der Karbonatitkomplexe als Markerhorizonte des metasomatischen subkontinentalen Mantels zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, daß die Karbonatite und die primären Karbonate in Ostparaguay, und jene aus dem Paraná Becken SüdostBrasiliens durch zeitlich und zusammensetzungsmäßig unterschiedliche metasomatische Prozesse erfaßt wurden.

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With 10 Figures     

The mantle rock (“laterite”) of the Gold Coast and its origin

Zusammenfassung Der Verwitterungsmantel (Laterit s. l.) der südlichen Goldküste besteht aus Horizonten, die sowohl verschiedene Entstehungsart als verschiedenes Alter haben. Brekzien oder Steinschichten sind unter aridem Klima als Wüstenpflaster entstanden. Zonen chemisch verwitterten Felses, Horizonte von lehmigem Sand (an deren Aufbau Termiten wesentlich beteiligt sind) und Konkretionen haben sich unter feuchtem Klima gebildet. Harte limonitische Oberflächen-Krusten deuten auf progressive Austrocknung hin. Unter diesen drei klimatischen Bedingungen gebildete Horizonte wiederholen sich mehrfach im Verwitterungsmantel der Goldküste. Ein junger, unvollständiger Zyklus ist weit verbreitet, ein älterer Zyklus tritt nur in begrenzten Vorkommen auf, und ein dritter Zyklus ist fast nur noch in aufgearbeiteten, limonitisierten Bruchstücken erhalten. Die wiederholten Klimaschwankungen machen es wahrscheinlich, daß der Verwitterungsmantel zeitlich dem größeren Teil des Quartärs entspricht. Wahrscheinlich können die Ergebnisse auf weit größere Gebiete angewandt werden.     

Some thoughts on the origin and processes responsible for the concentration of gold in the early precambrian of southern-africa

The important gold deposits of the early Precambrian of Southern Africa are confined to two main geologic environments. The source of the gold and modes of concentration in each of these environments are discussed. The first is comprised of the ancient granite-greenstone terrains of the Rhodesian and Kapvaal cratons where the gold occurs almost exclusively in the greenstone belts. The ultimative source of the metal is considered to have been the primitive mafic and ultramafic lavas at the base of such belts. Concentration of this disseminated gold has been brought about by a number of geological and possible biological processes. The second geologic environment comprises the important placer deposits of the Dominion Reef and Witwatersrand Systems. All available evidence suggests that the sediments of these two basins were largely derived from the erosion of a granite-greenstone terrain similar to the Barberton region of the Eastern Transvaal. An attempt is made to show the correlation between the expected placer minerals derived from successive erosional levels of such a terrain, and the actual placer minerals encountered in the Dominion Reef and Witwatersrand Systems.

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Zusammenfassung Im südlichen Afrika sind die wichtigsten Goldlagerstätten des frühen Präkambriums zur Hauptsache auf zwei geologische Bereiche beschränkt. Für beide Bereiche werden die primäre Herkunft des Goldes und die Art und Weise seiner Konzentration diskutiert. Der erste Bereich umfaßt die alten Granit-Grüngestein-Komplexe des Rhodesien- und des Kapvaal-Kratons. In beiden Kratonen tritt das Gold fast ausschließlich in den Grüngesteinszonen auf. Als primäre Zubringer des Metalles werden die primitiven basischen bis ultrabasischen Laven an der Basis der Grüngesteinszonen angenommen. Das primäre Gold, welches zur Hauptsache als feinverteilte Imprägnationen auftritt, ist durch verschiedene geologische und möglicherweise auch durch biologische Prozesse umgelagert und konzentriert worden. — Der zweite geologische Bereich umfaßt die wichtigen Seifenlagerstätten in den Dominion Reef und Witwatersrand Systemen. Alle verfügbaren Untersuchungsergebnisse lassen den Schluß zu, daß der Ursprungsort der Sedimente in diesen beiden Ablagerungsräumen in ähnlichen Granit-Grüngestein-Komplexen, wie sie in der Umgebung von Barberton im östlichen Transvaal auftreten, gesucht wetden muß. Abschließend wird versucht, eine Korrelation zwischen den Seifenmineralien, welche von sukzessiven Erosionsniveaus solcher Granit-Grüngesteins-Komplexe zu erwarten sind und den Seifenmineralien, wie sie in den Sedimenten der Dominion Reef und Witwatersrand Systeme auftreten, aufzuzeichnen.