Geology, mineralogy and stable isotope geochemistry of the Erdenetiin Ovoo porphyry Cu-Mo deposit and the Dzuunmod orogenic gold deposits in northern Mongolia: Implications for ore genesis and sources

Abstract

This study reports geological, mineralogical and stable isotope geochemical results of porphyry Cu-Mo deposit and orogenic gold deposit in northern Mongolia. The former is the Erdenetiin Ovoo deposit located in Orkhon province and the latter is the Dzuunmod gold area deposit in Selenge province. Both deposits have large tonnage of Cu, Mo and Au, and been mined for a long time. Compared to many geological studies about petrographic and mineralogical characteristic of both deposits, few researches have been conducted for ore genesis and material sources. Based on geological, mineralogical and stable isotope geochemical measurements, therefore, this study focuses on the ore genesis and sources of metal and sulfur, implying for deposit origin and mineral exploration.

The copper (δ65Cu) and sulfur (δ34S) isotope compositions of ore minerals from the Erdenetiin Ovoo porphyry Cu-Mo deposit in northern Mongolia were measured. The δ65Cu values of Cu (I) sulfide minerals ranged from 0.14 ‰ to 2.69 ‰, suggesting that Cu predominantly originated from magmatic sources, whereas Cu (II) minerals such as chrysocolla, malachite and azurite presented much larger variations of δ65Cu values from -1.01 ‰ to 10.0 ‰. The small difference between the primary and secondary Cu sulfide minerals indicates an insignificant influence of Cu isotope fractionation processes during their formation, which may be explained by large mass transport and/or the involvement of biogenic activities. The δ65Cu values of primary chalcopyrite suggest source heterogeneity and/or the occurrence of isotope fractionation under a high-temperature environment. The positive ΔCu (II) mineral – Cu (I) mineral values imply little transport of Cu in the deposit, with a rough mass balance and fast redox reaction.

The δ34S values of the primary sulfide minerals (pyrite, molybdenite and chalcopyrite) clustered near 0 ‰, indicating that the sulfur is mainly derived from a homogeneous magmatic source. By contrast, the δ34S values of secondary Cu sulfide minerals ranged from -3.2 ‰ to -0.3 ‰, with an average of -1.6 ‰. The lower δ34S values are likely influenced by either S isotope fractionation processes or input of sulfur with different S isotope compositions during their formation.

The measured δ65Cu and δ34S values of these ore minerals suggest a large mass transportation of Cu to an adjacent location, indicating little possibility of a hidden Cu occurrence in the Erdenetiin Ovoo deposit area.

The Dzuunmod gold area located in the North Khentii Gold belt (NKGB) of Central Northern Mongolia includes lode gold deposits such as Gatsuurt, Boroo, Sujigtei, Ereen and Ulaanbulag with several gold occurrences. These show similar alteration types and ore mineral assemblages, where sericite, siliceous and potassic alteration assemblages are major hydrothermal alteration types. Pyrite and arsenopyrite are main sulfide minerals with minor amount of galena, sphalerite and chalcopyrite. Gold occurs as native form and invisible gold in pyrite and arsenopyrite. The major sulfide minerals are separated into earlier non-auriferous stage and later auriferous grains containing invisible gold. Native gold postdates the major sulfide mineralization.

Gold and arsenic content of pyrite grains indicates that gold exists mainly as solid solution form (Au+1) in the Gatsuurt and Boroo deposit whereas gold nanoparticle (Au0) is present in the Sujigtei deposit. High Co/Ni and Mo/Ni ratios of pyrite grain suggest a post-sedimentary or hydrothermal origin and the ore-forming fluid was significantly affected by fluid-rock interaction during mineralization processes.

Large variation of δ34S values of pyrite and arsenopyrite from -2.6 ‰ to 17.2 ‰ indicates that sulfur seems to be mainly derived from a source with heterogeneous sulfur isotope composition, which is the pyrite-bearing sediment mainly produced by the reduction of seawater sulfate. Consistent with geological evidence, relatively positive δ34S values suggest that sulfidation plays an important role for gold and sulfide precipitation. The calculated δ18O values of hydrothermal fluid from the measured δ18O values of quartz samples (from 14.7 ‰ to 17.7 ‰) indicate that a metamorphic derivation of ore-forming fluid.

Based on the observation and analytical results in this study, gold mineralization processes seem to occur several times by multiple input of hydrothermal fluid, fluid-rock interactions and mixing of ore-forming fluids. Therefore, the gold deposits in the Dzuunmod area is considered to be orogenic gold type influenced by fluid-rock interactions in the deposit area.

이 논문은 몽골 북부에 위치한 에르데넷틴 오보 반암 동-몰리브덴 광상과 준 모드 지역 조산형 금 광상의 지질학, 광물학 및 안정동위원소 지구화학 연구이다. 두 광상 모두 많은 구리, 몰리브덴 및 금 매장량을 갖고 있으며, 오랜 기간 동안 개발되어 왔다. 그러나 암석학 및 광물학적 특징을 파악하기 위한 연구에 비해 광상의 성인과 물질들의 기원에 대한 연구는 거의 수행되지 못하였다. 따라서 이번 연구에서는 지질학, 광물학 및 안정동위원소 지구화학 연구결과를 바탕으로 광상의 성인과 금속 및 황의 기원 추적을 통해 광상의 기원과 광물 탐사에 대해 초점을 맞추고자 한다.

몽골 북부의 에르데넷틴 오보 반암 동-몰리브덴 광상에서 산출되는 광석 광물의 구리(δ65Cu) 및 황(δ34S) 동위원소 조성을 측정하였다. 1가 구리(Cu (I))를 함유한 구리 황화물의 δ65Cu 값은 0.14 ~ 2.69‰의 범위를 보이며, 이는 구리가 마그마에서 기원하였음을 지시한다. 반면에 2가 구리(Cu (II))를 함유한 크리소콜라, 공작석 및 남동석과 같은 구리 광물들의 δ65Cu 값은 -1.01 ~ 10.0‰의 더 큰 범위를 보인다. 1차 및 2차 구리 황화물 간의 작은 구리 동위원소 값의 차이는 2차 구리 황화물이 생성되는 동안 구리 동위원소 분별 작용이 크지 않았음을 지시한다. 이러한 작은 분별 작용은 대규모의 구리 이동이 일어났거나 생물학적 활동에 의한 것으로 생각된다. 황동석의 δ65Cu 값은 기원 물질의 비균질한 구리 동위원소 조성 또는 고온에서 일어난 구리 동위원소 분별 작용에 의한 것으로 여겨진다. 또한 양의 ΔCu (II) mineral – Cu (I) mineral 값은 광상에서 구리의 이동이 먼 곳까지 이뤄지지 않아 대략적인 물질 수지와 빠른 산화환원 반응이 일어났음을 지시한다.

1차 황화물(황철석, 황동석 및 휘수연석)의 δ34S 값은 0‰ 근처에 모여 있으며, 이는 황이 균질한 마그마에서 기원하였음을 지시한다. 반면에 2차 황화물들의 δ34S 값은 -3.2 ~ -0.3‰의 범위를 갖으며, -1.6‰의 평균값을 갖는다. 이러한 더 낮은 황 동위원소 조성은 황 동위원소 분별 작용 또는 다른 황 동위원소 조성을 갖는 황의 유입에 의한 것으로 여겨진다.

광석 광물의 이러한 구리 및 황 동위원소 값은 근처 지역으로 대규모의 구리 물질이 이동하여, 연구 지역에서 다른 숨겨진 광체가 발견될 가능성은 매우 작음을 지시한다.

몽골 중북부의 겐티 금 광화대에 위치한 준모드 지역에는 갓쭈르트(Gatsuurt), 보루(Boroo), 수지테이(Sujigtei), 에린(Ereen) 및 울란불라그(Ulaanbulag)와 같은 금 광상들이 나타난다. 이들은 비슷한 변질 및 광석 광물 조합을 보여주며, 주로 견운모질, 규산질 및 K-장석질의 변질 광물 조합이 금 광화작용과 연관되어 나타난다. 황철석과 황비철석이 주요 광석 광물이며, 적은 양의 방연석, 섬아연석 및 황동석이 함께 산출된다. 금은 자연금과 황화물 내에 포함된 육안으로 관찰되지 않은 금의 형태로 모두 나타난다. 주요 황화물들은 초기의 금을 함유하지 않은 광화 단계와 후기의 금을 함유한 광화 단계로 나뉘며, 자연금은 이후에 형성된 것으로 여겨진다.

황비철석 내의 금과 비소 함량은 금이 갓쭈르트와 보루 광상에서는 고용체 형태의 1가 금으로 존재하는데 반해, 수지테이 광상에서는 나노 입자 형태로 존재함을 보여준다. 황철석 내의 높은 Co/Ni과 Mo/Ni 비는 이들이 퇴적작용 이후에 생성되었으며, 광화 유체가 광화 작용 동안에 유체-암석 작용에 많은 영향을 받았음을 지시한다.

황철석과 황비철석의 δ34S 값은 -2.6 ~ 17.2‰의 넓은 범위를 갖으며, 이는 황이 비균질한 황 동위원소 조성을 갖는 물질에서 기원하였음을 지시한다. 주로 해수 내 황산염의 환원에 의해 생성된 황철석이 포함된 퇴적물이 가장 주요한 황의 기원 물질이라 여겨진다. 지질학적 증거들과 일치하여 상대적으로 양의 값을 보이는 δ34S 값은 황화작용이 금과 황화물의 침전에 중요한 역할을 하였음을 지시한다. 석영 맥 시료들의 δ18O 값(14.7 ~ 17.7‰)을 통해 계산된 열수의 δ18O 값은 광화 유체가 변성 기원을 갖음을 보여준다.

이번 연구를 통해 얻어진 관찰 및 측정 결과들은 금 광화작용이 여러 차례의 열수 유입, 유체-암석 반응과 광화 유체 간의 혼합에 의해 일어났음을 가리킨다. 따라서 연구 지역의 금 광상은 유체-암석 상호 작용에 영향을 받은 조산형 금 광상 유형으로 여겨진다.