Jörg Reichert

A metallogenetic model for carbonate-hosted non-sulphide zinc deposits based on observations of Mehdi Abad and Irankuh, Central and Southwestern Iran

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 07.05.2007

Abstract
Das metallogenetische Modell basiert auf Untersuchungen an den iranischen nicht-sulfidischen Zinklagerstätten Iran-Kuh und Mehdi-Abad. Die Entwicklung eines sekundären nicht-sulfidischen Erzkörpers kann in zwei Bildungsstadien untergliedert werden: dem Oxidationsstadium und dem Post-Oxidationsstadium. Das nicht-sulfidische Zinkerz kann sich unter günstigen Bedingungen zu zwei Endliedern differenzieren: dem roten- und dem weißen Zinkerz. Das rote Zinkerz enthält neben Zn (>20%), Fe (>7%) auch Pb und As. Das weiße Zinkerz weist Zn Konzentrationen von bis zu 40 % auf, aber im Vergleich zum roten Zinkerz nur sehr geringe Konzentrationen Fe (<7%) und geringe Konzentrationen Blei. Die Metalldifferenzierung ist auf eine sukzessive Neutralisierung migrierender metallhaltiger Fluide aus der Oxidationszone in das karbonatische Nebengestein zurückzuführen. Die Bildung einer sauren Oxidationszone (pH < 7) in einem karbonatischen Environment ist auf "Armouring" - Prozesse des Kalzits vor allem durch Gips und Fe-Oxyhydroxide sowie pH-Pufferreaktionen zurückzuführen. Die Fe-Oxyhydroxide in der Oxidationszone können pH-abhängig verschiedene Mengen Zn, Pb und andere Metalle adsorbieren und den Fluiden somit entziehen. Die hohen SO42-Konzentrationen innerhalb der Oxidationszone bewirken eine fast quantitative Fällung des Bleis als Anglesit. Der größte Anteil des Zinks (bis zu 80% bei pH 6 oder 97% bei pH 5) kann in wässriger Lösung die Oxidationszone verlassen und führt aufgrund des hohen CO2 Partialdruckes (PCO2) zur Kristallisation von Smithsonit im angrenzenden karbonatischen Gestein. Während der Post-Oxidationsphase geht der PCO2 wieder zurück und verschiebt die Stabilitätsbedingungen zugunsten von Hydrozinkit. Das Post-Oxidationsstadium ist mit der sukzessiven Bildung von Zn-(Hydro-) Silikaten verbunden, die sich vor allem in Hohlräumen und Klüften innerhalb der nicht-sulphidischen Zinkerze bilden. Die Formierung der Zn-(Hydro-) Silikate ist stark von der SiO2 Verfügbarkeit abhängig.
Im Allgemeinen bilden aride Klimabedingungen die günstigsten Vorraussetzungen für eine effektive Oxidation des Sulfiderzes und eine nachfolgende Formierung nicht-sulphidischer Zinkerze. Ein tiefer Grundwasserspiegel verhindert Verünnungseffekte bzw. die Auflösung des Nicht-Sulfiderzes.

The proposed metallogenetic model is based on observations from the Iranian non-sulphide zinc deposits Mehdi-Abad and Iran-Kuh. The emplacement of non-sulphide ore can be generally subdivided into an "oxidation stage", which is followed by a "post-oxidation stage". The non-sulphide zinc ore spectrum has two end members: red zinc ore, rich in Zn (>20%), Fe (>7%), Pb - (As) and white zinc ore with typically high zinc grades (up to 40%) but low concentrations of iron (<7%) and lead. Metal separation is caused by a gradual change from an acidic oxidation zone to alkaline conditions in the adjacent carbonate wall rock. The formation of an acidic oxidation zone within carbonate host rocks is facilitated by the "armouring" of calcite by gypsum and hydrous ferric oxides (HFO) and by several pH-buffering reactions. The HFO within the oxide zone additionally adsorb various amounts of Pb and Zn, depending to the pH. The high activity of sulphuric acid-related SO42- ions during the oxidation stage leads to the precipitation of (under these conditions) highly insoluble anglesite. Most of the zinc (up to 80% at pH 6 or 97% at pH 5) leaves the oxidation zone and precipitates as smithsonite in adjacent parts of the carbonate host rock due to a high PCO2 environment. During the "post-oxidation stage" the PCO2 decreases and reaches the level of atmospheric PCO2. Under these conditions, hydrozincite becomes stable and starts to replace smithsonite. The "post-oxidation stage" is also associated with the successive formation of local zinc (hydro-) silicates, depending on the availability of SiO2 within the solution.
Generally, arid climates provide the best conditions for the preservation of non-sulphide deposits. The limited availability of meteoric water and deep to very deep water tables protect the non-sulphide ore from subsequent dissolution.

Keywords:
Zink, Blei, supergen, Oxidation, Armouring, Hemimorphit, Smithsonit, Hydrozinkit, Cerussit, Mehdi-Abad, Iran-Kuh

Zinc, lead, supergene, oxidation, armouring, hemimorphite, smithsonite, hydrozincite, cerussite, Mehdi-Abad, Iran-Kuh

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Inhaltsverzeichnis
Front page, List of abbreviations, Table of content
Abstract (1-2)
1 Introduction (3-6)
2 Materials and methods (6-13)
3 Geological situation of Iran (13-21)
4 Results (22-79)
5 Data interpretation and numerical modelling of carbonate-hosted nonsulphide zinc deposits (80-116)
6 Conclusions (117-119)
7 References (120-129)
8 Appendix (130-152)