Composition and provenance reconstruction of terrigenous deposits in the North-West of South Africa

Abstract

Северо-западный регион ЮАР до недавнего времени не являлся промышленно марганценосным. Однако результаты изучения последних лет дают основание думать, что здесь могут быть залежи марганцевых руд. Марганцевое оруденение в этом регионе встречается в виде марганцевых конкреций, порошкообразного марганцевого вада и марганцевых корок в коре выветривания. Марганцевые конкреции приурочены к аллювиальной части «Westwits alluvium» рудного разреза и марганцевый вад накоплялся в карстовых структурах, образовавшихся в результате приповерхностного выветривания, выщелачивания и растворения подстилающих марганценосных неоархейских доломитов. Предполагается два потенциальных источника марганца: первый расположен непосредственно под рудным телом, а второй – на существенном удалении от него. Если первый источник рудного вещества поставлял марганец из подстилающих доломитов в процессе их выветривания, то второй вариант подразумевает существенный перенос металла из неизвестных коренных источников, расположенных на значительном удалении от области рудонакопления. Таким образом, для решения этого вопроса, необходимо провести экспериментальные исследования, изучающие природу, минералогию и источник сноса терригенных отложений «вмещающих материалов» верхнего рудного разреза. Цель работы – уточнить природу марганценосных терригенных залежей «Westwits alluvium» и, что самое важное, определить их коренной источник поступления и собственно минеральный состав. Методики исследования включали: петрографическое описание пород, геохимические анализы методами XRF и SEM, подсчеты объемного состава детритовых минералов и анализ дискриминационных диаграмм. Результаты. В результате проведенных исследований было установлено, что терригенные зёрна в основном представлены кварцем. Содержание полевых шпатов, минералов цемента и глинистых минералов не более 20 %. Использована классификация составов терригенного материала, основанная на подсчете в объемных процентах зерен кварца, полевого шпата, обломочных зерен других пород (вулканических, магматических и метаморфических пород), слюды и др. По этим данным были определены вероятные источники сноса, которыми являются породы Рэнд-Антиклинального хребта, расположенного к югу от изучаемого региона, а также архейские граниты, гнейсы и мафические-ультрамафические породы Каапваальского кратона. Осадконакопление происходило в низменной равнине с тропическим умеренно влажным и субгумидным климатом. Здесь, при повышенном рН воды происходило интенсивное выщелачивание пород и замещение детритовых зерен разного минерального состава диоксидом марганца. Ключевые слова: марганцовистый аллювий, третичный, терригенные отложения, Каапваальский кратон, Южная Африка The North-West region of the Republic of South Africa was previously not considered to constitute of manganese mineralization of industrial value. However, recently published articles indicated the presence of secondary manganese mineralization in the weathering crust, underlain by the manganiferous Neoarchean dolomites. Manganese mineralization in this region occurs in the form of manganese nodules, powdered manganese wad, and manganese crusts. Manganese nodules are confined to the alluvial part of the ore section known as the «Westwits alluvium» and manganese wad is accumulated in karstic structures formed as a result of near-surface weathering, leaching, and dissolution of underlying manganese-bearing Neoarchean dolomites. Two potential sources of manganese are assumed: the first relates to the dolomites which are located directly under the ore body, and the second relates to the source areas of terrigenous deposits. If the first hypothesis suggests that manganese ore substances were supplied from the underlying dolomites during their weathering, the second option then implies a significant transfer of metal from unknown root sources located at a considerable distance from the area of ore accumulation. Thus, it is necessary to conduct petrographic study to reconstruct their source regions and understand the close relations with Mn mineralization. Aim is to clarify the nature of the manganese-bearing terrigenous deposits «Westwits alluvium» and, most importantly, to determine their root source of supply and the actual mineral composition. Methodology of study includes mainly: petrographic study of rocks, geochemical analyses with the use of XRF and SEM methods, modal compositional analysis of the detrital minerals, and analysis of discrimination diagrams. Results. As a result of the conducted research, it was found that terrigenous grains consist mainly of detrital quartz grains. The content of feldspars, cement minerals and clay minerals seldom exceeds 20 %. The classification of terrigenous material based on the calculation of the volumetric percentage of the detrital framework grains: quartz, feldspar, clastic grains of other rocks types (volcanic, igneous and metamorphic rocks), mica, indicated probable source areas of the terrigenous sediments. These include metasedimentary rocks of the Rand Anticline Ridge which is located south of the studied region, and Archean granites, gneisses, and mafic-ultramafic rocks of the Kaapvaal Craton. In the basin of deposition, sedimentation occurred in a lowland plain within tropical region, characterized by moderately humid and sub-humid climatic conditions. These conditions, combined with oxidation and increased pH of the basin waters, contributed to the replacement of detrital grains with manganese dioxide

Features of the mineral and chemical composition of the Northwest manganese ore occurrence in the Highveld region, South Africa

“…The formation of manganese oxide mineral phases indicates an early stage of ore formation, characterized by precipitation of manganese oxyhydroxides from ore solutions. The increased degree of oxidation and pH levels of the basinal solutions ascribed to weathering and dissolution of manganese-bearing dolomites led to prevalence of high valence state manganese oxides (Mn 4+ ) forming at the late stage of oregenesis: lithiophorite, cryptomelane, and romanechite [2,3]. The formation of minerals at this stage of ore genesis occurred mainly through direct precipitation from manganese-rich aqueous solutions.…”