The formation of Hongge Fe-Ti-V oxide deposit hosted in layered intrusion, Emeishan Large Igneous Province, Southwest China

Abstract

The origin of Fe-Ti-V oxide ore layers, especially the monomineralic Fe-Ti-V oxide ores, in layered intrusions remains controversial. To reveal the Fe-Ti-V oxide mineralization processes, we had chosen the giant Hongge Fe-Ti-V oxide deposit in Emeishan Large Igneous Province, Southwest China, to carry out detailed mineralogical, petrological, geochemical and experimental research. Detailed microprobe analyses on cumulus minerals (olivine, clinopyroxene, and plagioclase) from the Hongge drill core samples had shown that a broad normal fraction crystallization trend is largely absent in Hongge intrusion. Instead, from the bottom upwards, the anorthite content (An) of plagioclase and forsterite content (Fo) of olivine show frequent reversals, indicating open magma chamber processes with frequent replenishment of more primitive magmas during the solidification. Crystallization experiments using a high-Ti basaltic composition were conducted under crustal conditions with various temperatures, pressure, oxygen fugacity, and water activity. As a result, the compositions of experimental minerals (olivine, clinopyroxene, and plagioclase) show good agreements with Hongge natural samples, convincing high suitability of high-Ti basalts as parental magmas. Moreover, according to the phase relationships obtained from the experiments, the crystallization conditions of Hongge layered intrusions can be determined at ~1150-1000 °C, 200-300 MPa, QFM-1 to +1, and relatively high water activity. Based on petrological observations and in-situ Fe isotope studies, we proposed a new magmatic-hydrothermal model to explain the formation of monomineralic ore layers. Textural evidence shows that hydrothermal dissolution and re-precipitation of Fe-Ti-V oxides were critical in forming high-grade massive ores. Furthermore, Rayleigh modeling on Fe isotopes indicates that ~20-30 % of Fe from Fe-Ti-V oxides in the lower Units was hydrothermally removed and subsequently re-precipitated into the major ore layers in the MZ, which is expected to significantly increase ore tonnages and grades, forming thick massive or even monomineralic ore layers.

Der Ursprung von Fe-Ti-V-Oxiderzschichten, insbesondere der monomineralischen Fe-Ti-V-Oxiderze, in geschichteten Intrusionen bleibt jedoch umstritten. Um die Fe-Ti-V-Oxidmineralisierungsprozesse aufzudecken, haben wir die riesige Hongge-Fe-Ti-V-Oxidlagerstätte in der großen magmatischen Provinz Emeishan im Südwesten Chinas ausgewählt, um detaillierte mineralogische, petrologische, geochemische und experimentelle Untersuchungen durchzuführen. Detaillierte Mikrosondenanalysen von Kumulusmineralien (Olivin, Klinopyroxen und Plagioklas) aus den Bohrkernproben von Hongge haben gezeigt, dass ein breiter normaler Kristallisationstrend in der Hongge-Intrusion weitgehend fehlt. Stattdessen zeigen der Anorthitgehalt (An) von Plagioklas und der Forsteritgehalt (Fo) von Olivin von unten nach oben häufig Umkehrungen, was auf offene Magmakammerprozesse mit häufigem Nachfüllen primitiverer Magmen während der Erstarrung hinweist. Kristallisationsexperimente mit einer basaltischen Zusammensetzung mit hohem Ti-Gehalt wurden unter Krustenbedingungen bei verschiedenen Temperaturen, Drücken, Sauerstoffflüchtigkeit und Wasseraktivität durchgeführt. Als Ergebnis zeigen die Zusammensetzungen der experimentellen Minerale (Olivin, Klinopyroxen und Plagioklas) gute Übereinstimmungen mit natürlichen Hongge-Proben, was die gute Eignung von Hoch-Ti-Basalten als Ausgangsmagmen bestätigt. Darüber hinaus können gemäß den aus den Experimenten erhaltenen Phasenbeziehungen die Kristallisationsbedingungen der geschichteten Hongge-Intrusionen bei ~1150–1000 °C, 200–300 MPa, QFM-1 bis +1 und relativ hoher Wasseraktivität bestimmt werden. Basierend auf petrologischen Beobachtungen und In-situ-Fe-Isotopenstudien haben wir ein neues magmatisch-hydrothermales Modell vorgeschlagen, um die Bildung monomineralischer Erzschichten zu erklären. Texturelle Hinweise zeigen, dass die hydrothermale Lösung und erneute Ausfällung von Fe-Ti-V-Oxiden entscheidend für die Bildung hochgradiger Massiverze waren. Darüber hinaus zeigt 6 die Rayleigh-Modellierung von Fe-Isotopen, dass ca. 20–30 % des Fe aus Fe-Ti-V-Oxiden in den unteren Einheiten hydrothermal entfernt und anschließend wieder in die größeren Erzschichten in der MZ ausgefällt wurden, was voraussichtlich zu einer enormen Erhöhung von Erzmengen und –anreicherungen führt, die massive oder sogar monomineralische Erzschichten bilden.