Crustal evolution and hydrothermal gold mineralization in the Katuma Block of the Paleoproterozoic Ubendian Belt, Tanzania

Kazimoto, Emmanuel Owden

Orogenic belts are regions of the Earth’s continental crust, in which regional metamorphic rocks occur that may have formed in the deep crust of an orogen. Studies of metamorphic belts are thus important to an understanding of processes that are taking place in roots of mountain belts. In order to determine the formation and crustal evolution of the linear Paleoproterozoic Ubendian Belt in Tanzania and the age and origin of its precious base metal deposits, the rocks in the Katuma Block of the northwestern Ubendian Belt were geochemically and petrologically investigated and their U-Pb zircon and U-Th-total Pb monazite ages determined using Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer and an Electron Probe Micro Analyser, respectively. Internal textures of the zircon grains in combination with their U-Pb ages indicate that the magmatic formation of the protoliths of the orthogneisses and metabasites of the Katuma Block occurred mostly in the Neoarchean (ca. 2.71-2.64 Ga) but also during the Paleoproterozoic (2.05-1.94 Ga). These two periods are separated for about 600 Ma and are interpreted as active continental margin stages at the border of the Tanzania Craton, as deduced by the calc alkaline nature and trace element geochemistry of the metabasites and orthogneisses. The granulite facies corona assemblages in metabasites consisting of garnet, clinopyroxene, quartz and hornblende replacing magmatic orthopyroxene and plagioclase indicate that the magmatic protoliths experienced a near isobaric cooling after their intrusion into the deep crust during a tectonically quite period (< 2.64 Ga). The detrital zircon grains from the metasediments of the Katuma Block gave ages ranging between 2.64 and 2.05 Ga, similar to the magmatic formation ages of rocks of the Katuma Block, suggesting that the Katuma Block itself was most likely the source for the detritus. The time interval of sedimentation is constrained by the oldest age of the detrital zircon at about 2680 Ma and the age of the first metamorphism of the sediments at about 1960 Ma. This event is documented by the age of metamorphic zircon rims and that of monazite cores. The stage of sedimentation and the near isobaric cooling of the metabasites in the deep crust is ascribed to a passive continental margin stage of the Tanzania Craton between 2.65 and 2.05 Ga. In contrast to the post magmatic cooling nature of the Archean metamorphism of the metabasites, the common occurrence of sillimanite pseudomorphs after cm sized kyanite crystals in migmatitic metapelites provides evidence for two stages of prograde metamorphism associated with Paleoproterozoic crustal thickening events. An early stage of metamorphism took place in the kyanite stability field whereas the subsequent peak metamorphism is characterised by the stability of the mineral assemblage sillimanite-garnet/cordierite-K-feldspar. Pseudosection modelling of the XMg ratios for garnet in combination with GASP barometry revealed that the formation of the compositionally homogenous cores of garnet porphyroblasts formed at conditions of about 7 kbar and 770 ̊C. The formation of late stage plagioclase coronas around garnet in metapelites and the decrease of XMg and of the spessartine component in rims of garnet porphyroblasts point to a near isothermal uplift after peak metamorphism and thus to a crustal thickening event that preceded the peak metamorphism. The U-Th-total Pb monazite ages suggest that during the Paleoproterozoic time the Katuma metapelites experienced two separate metamorphic events at about 1.96 Ga and 1.84 Ga. As the two ages of monazite growth zones (cores and rims) are found in monazite grains of the rock matrix and in inclusions in garnet porphyroblasts, the garnet growth must have occurred during or after the second metamorphic event at 1840 Ma. This interpretation is in agreement with the increasing depletion of HREE and Y in the monazite rims indicating concurrent growth of the monazite rims and the garnet porphyroblasts. The second, high-grade event at ca. 1840 Ma is correlated with the formation of the Ubendian Belt during the collision between the Tanzania Craton and the Bangwelu Block. The first metamorphic event at ca. 1960 Ma that preceded the collision for about 120 Ma is attributed to the kyanite grade metamorphism during accretionary processes and associated calc alkaline magmatism (2.05-1.94 Ga) along the active continental margin of the Tanzania Craton. U-Th-total Pb dating of hydrothermally altered monazite grains from hydrothermally altered metapelites hosting the Au-Cu-Pb bearing veins of the Mpanda Mineral Field in the Katuma Block yielded a Mesoproterozoic age (1171 ± 17 Ma). This age coincides with the first, amphibolite grade metamorphism of metasediments in the Wakole Block adjoining the Katuma Block to the southwest. The obtained age provides a link between the metamorphism of the Wakole metasediments and the generation of hydrothermal fluids responsible for the formation of the gold copper lead bearing veins in the Katuma Block.

Tief erodierte Orogene sind Regionen der kontinentalen Erdkruste, in denen regionalmetamorphe Gesteine vorkommen, die sich in der tiefen Kruste gebildet haben. Studien an solchen metamorphen Gürteln sind daher wichtig für das Verständnis von Prozessen, die in Wurzeln von Gebirgsgürteln stattfinden und zur Entschlüsselung von Krustenbildungsvorgängen und der Krustenentwicklung. In dieser Arbeit geht es um die Entschlüsselung der orogenen Entwicklung eines linearen paläoproterozoischen Gebirgsgürtels, dem Ubendian Belt von Tanzania, der unter anderem auch eines der ältesten in einem Gebirge aufgeschlossenen Eklogitvorkommen der Erde enthält. Um die Bildung und Krustenentwicklung dieses linearen Ubendian Belts, sowie das Alter und die Entstehung der dortigen Lagerstätten an edlen und unedlen Metallen zu bestimmen, wurden die Gesteine des Katuma-Blocks des nordwestlichen Ubendian Belts geochemisch und petrologisch untersucht. Zudem wurde das Alter von Zirkon (U-Pb) und Monazit (U-Th-total Pb) unter Verwendung von Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Massenspektrometrie beziehungsweise der Elektronenstrahlmikrosonde. Interne Texturen der Zirkonkörner in Verbindung mit ihren U-Pb-Altern deuten darauf hin, dass die magmatische Bildung der Protolithe der Orthogneise und Metabasite des Katuma-Blocks hauptsächlich im Neoarchaikum (ca. 2.71-2.64 Ga), aber untergeordnet auch während des Paleoproterozoikums (2.05-1.94 Ga) stattfand. Diese zwei Perioden liegen etwa 600 Ma auseinander und werden als Stadien mit aktivem Kontinentalrand an der Grenze des Tansania Kratons interpretiert, wie aus der kalkalkalischen Zusammensetzung und den Spurenelementmustern der Metabasite und Orthogneise abgeleitet werden kann. Die granulitfaziellen Säume in Metabasiten, bestehend aus Granat, Klinopyroxen, Quarz und Hornblende, welche magmatisch gewachsenen Orthopyroxen und Plagioklas ersetzen, lassen darauf schließen, dass die magmatischen Protolithe nach ihrer Bildung in der tiefen Kruste eine nahezu isobare Abkühlung während einer tektonisch ruhigen Phase (< 2.64 Ga) erlebten. Die detritischen Zirkonkörner aus den Metasedimenten liefern Alter von 2.64 bis 2.05 Ga, ähnlich den Bildungsaltern der Gesteine des Katuma-Blocks, was andeutet, dass der Katuma-Block selbst die wahrscheinliche Quelle des Sediments war. Der Zeitraum der Sedimentation kann eingeschränkt werden durch das höchste Alter detritischer Zirkone bei ca. 2680 Ma und dem Alter der ersten Metamorphose der Sedimente bei ca. 1960 Ma. Dieses Ereignis wurde datiert durch das Alter von metamorphen Zirkon-Säumen und das von Monazit-Kernen. Die Phase der Sedimentation und der nahezu isobarer Abkühlung der Metabasite in der tieferen Kruste wird einem Stadium mit passivem Kontinentalrand des Tansania Kratons zwischen 2.65 und 2.05 Ga zugeordnet. Im Gegensatz zur Art der post-magmatischen Abkühlung der archaischen Metamorphose der Metabasite, liefert das häufige Vorkommen von Sillimanit-Pseudomorphosen nach cm-großen Disthenkristallen in migmatitischen Metapeliten Beweise für zwei Stadien prograder Metamorphose verbunden mit paläoproterozoischer Krustenverdickung. Ein frühes Stadium der Metamorphose fand innerhalb des Disthen-Stabilitätsfeldes statt, wogegen der anschließende Metamorphose-Peak durch die Stabilität der Mineralparagenese Sillimanit-Granat/Cordierit-K-Feldspat charakterisiert wird. Pseudosection Modellierung der XMg-Verhältnisse für Granat zeigen, dass sich die Bildung der homogen zusammengesetzten Kerne von Granatporphyroblasten bei Bedingungen von 7 kbar und 770 ̊C ereignete, was vereinbar ist mit den Ergebnissen der GASP-Barometrie. Die Bildung von späten Plagioklas-Säumen um Granat in Metapeliten und die Abnahme von XMg der in den Rändern von Granatporphyroblasten, lassen auf eine nahezu isotherme Heraushebung nach der Peak-Metamorphose schließen und damit auf eine Krustenverdickung, die der Peak-Metamorphose vorangegangen sein muss. Die U-Th-total Pb Monazit-Alter lassen vermuten, dass die Metapelite des Katuma-Blocks während des Paleoproterozoikums zwei verschiedene Metamorphoseereignisse bei ca. 1.96 Ga und 1.84 Ga durchlebten. Da zwei Wachstumszonen von Monazits (Kerne und Säume) sowohl bei Monazitkörnern in der Gesteinsmatrix als auch bei Einschlüssen in Granatporphyroblasten gefunden werden, muss das Granatwachstum während oder nach dem zweiten metamorphen Ereignis bei ca. 1840 Ma stattgefunden haben. Diese Interpretation ist wird unterstützt von der zunehmenden Verarmung an HREE und Y in den Monaziträndern, die auf ein gleichzeitiges Wachstum der Monazitsäume und der Granatporphyroblasten hinweist. Das zweite, hochgradige Ereignis bei ca. 1840 Ma steht somit in Verbindung mit der Entstehung des Ubendian Belts während der Kollision zwischen dem Tansania-Kraton und dem Bangweulu-Block. Das erste metamorphe Ereignis bei ca. 1960 Ma, welches sich ca. 120 Ma vor der Kollision ereignete, wird einer Metamorphose bei Disthen-Stabilität zugeschrieben, die während Akkretions-Prozessen und damit verbundenem Kalk-alkalinem Magmatismus (2.05-1.94 Ga) entlang des aktiven Kontinentalrandes des Tansania-Kratons stattfand. U-Th-total Pb-Datierung an hydrothermal alterierten Monazitkörnern von hydrothermal überprägten Metapeliten, welche die Au-Cu-Pb-haltigen Adern des Mpanda Mineral Field im Katuma Blocks enthalten, liefern ein mesoproterozoisches Alter (1171 ± 17 Ma). Dieses Alter stimmt überein mit der ersten amphibolit-aziellen Metamorphose von Metasedimenten im Wakole-Block, der nach Südwesten an den Katuma-Block angrenzt. Das ermittelte Alter liefert eine Verbindung zwischen der Metamorphose der Metasedimente im Wakole-Block und der Freisetzung hydrothermaler Fluide, welche für die Entstehung der Gold-Kupfer-Blei haltigen Adern des Katuma-Blocks verantwortlich sind.

Cite

Citation style:

Kazimoto, Emmanuel: Crustal evolution and hydrothermal gold mineralization in the Katuma Block of the Paleoproterozoic Ubendian Belt, Tanzania. 2014.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export