Gold mobilizing fluids in the Witwatersrand Basin: composition and possible sources

Summary Crush-leach data were obtained, using High Performance Gradient Ion-Chromatography and Capillary Electrophoresis, on individual generations of aqueous fluid inclusions in hydrothermal quartz from three different auriferous conglomerate horizons (reefs) in the late Archaean Witwatersrand Basin, South Africa. These data, supplemented by oxygen isotope analyses of hydrothermal quartz and in combination with microthermometric analyses, help to constrain the chemical composition, pH, temperature of formation and the possible source of the mineralizing fluid which, in places, was capable of mobilizing some of the primarily detrital gold in the fluvial Witwatersrand sediments. The dominant cations in the aqueous fluid inclusions are Na⁺ and Ca²⁺, with Cl^– or HCO ₃ ^– being the dominant anion, whereas K⁺, Mg²⁺, and SO ₄ ^2– are subordinate. Most fluid inclusions have elevated NH ₄ ⁺ concentrations which are directly correlated with those of N03. In a number of samples small amounts of organic acids (formate, propionate, and acetate) were also detected.A largely meteoric source is inferred for the gold-mobilizing fluids in the Witwatersrand reefs because of a lack of Br in the fluid, a composition distinctly different from that of seawater, the presence of organic acids, and ¹⁸O_fluid values around O%o. The fluids are ascribed to hydrothermal infiltration triggered by the 2020 Ma Vredefort impact which also created a secondary permeability in the form of a dense network of micro-fractures preferentially in the conglomerate beds of the already metamorphosed Witwatersrand rock sequence. This fluid differs from the regional metamorphic fluid in the basin by having a considerably higher pH (5.7–7.2). The difference in pH might explain why the older, fairly acidic metamorphic fluid was apparently less capable of mobilizing the gold as gold solubility reaches its peak at the pH calculated for the fluid ascribed to the impact.

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Gold-mobilisierende Fluide inn Witwatersrand Becken: Zusammensetzung und mögiche Herkunft

Zusammenfassung Einzelne Generationen von wäßrigen Flüssigkeitseinschlüssen in hydrothermalem Quarz von drei verschiedenen Gold-haltigen Konglomerathorizonten (Reefs) im spät-Archaischen Witwatersrand Becken, Südafrika, wurden mittels Ionenchromatographie und Kapillarelektrophorese untersucht. Weiters bestimmten wir die Sauerstoffisotopen-Verhältnisse hydrothermaler, zum Teil Gold-führender Quarze. Zusammen mit mikrothermometrischen Ergebnissen helfen die neu gewonnenen Daten, die chemische Zusammensetzung, pH-Wert, Bildungstemperatur und mögliche Herkunft der Gold-mobilisierenden Fluide zu rekonstruieren. Die dominierenden Kationen und Anionen in den wäßrigen Einschlüssen sind Na⁺ und Ca²⁺ beziehungsweise Cl^– und HCO ₃ ^– . In geringeren Mengen fanden sich K^-, Mg²⁺ und SO ₄ ^2– . In den meisten Einschlüssen wurden erhöhte Konzentrationen von NH ₊ ⁴ festgestellt, welche direkt mit denen von NO _- ³ korrelieren. Weiters konnten in etlichen Einschlüssen auch organische Säuren (Formfiat, Propionat und Azetat) nachgewiesen werden.Auf Grund des Mangels an Br^–, einer Zusammensetzung, die stark von Meerwasser abweicht, der Anwesenheit organischer Säuren und ¹⁸O_fluid-Werten um 0%o ist eine meteorische Herkunft der Gold-mobilisierenden Fluide im Witwatersrand Becken wahrscheinlich. Die Zirkulation dieser Fluide wird durch das 2020 Ma Vredefort Impakt-Ereignis erklärt, welches durch Bildung einer sekundären Permeabilität in Form eines feinen Netzwerkes von Mikrospalten, vor allem in den Konglomeratlagen, die bereits metamorph geprägten Gesteine des Witwatersrandes für die hydrothermale Infiltration vorbereitet hat. Diese Fluide unterscheiden sich von den älteren, regionalmetamorphen Fluiden durch einen wesentlich höheren pH-Wert (5.7–7.2), bei dem Gold seine maximale Löslichkeit unter den gegebenen physikalisch-chemischen Bedingungen besitzt. Dieser Unterschied im pH-Wert mag erklären, warum die relativ sauren regionalmetamorphen Fluide im Vergleich zu den Impakt-Fluiden kaum in der Lage waren, die ursprünglich detritischen Goldkörner zu mobilisieren.