Research Article| October 01, 2002 Roasting the mantle: Slab melting and the genesis of major Au and Au-rich Cu deposits James E. Mungall James E. Mungall 1Department of Geology, University of Toronto, 22 Russell Street, Toronto, Ontario M5S 3B1, Canada Search for other works by this author on: GSW Google Scholar Author and Article Information James E. Mungall 1Department of Geology, University of Toronto, 22 Russell Street, Toronto, Ontario M5S 3B1, Canada Publisher: Geological Society of America Received: 02 Apr 2002 Revision Received: 20 Jun 2002 Accepted: 25 Jun 2002 First Online: 02 Jun 2017 Online ISSN: 1943-2682 Print ISSN: 0091-7613 Geological Society of America Geology (2002) 30 (10): 915–918. https://doi.org/10.1130/0091-7613(2002)030<0915:RTMSMA>2.0.CO;2 Article history Received: 02 Apr 2002 Revision Received: 20 Jun 2002 Accepted: 25 Jun 2002 First Online: 02 Jun 2017 Cite View This Citation Add to Citation Manager Share Icon Share Facebook Twitter LinkedIn MailTo Tools Icon Tools Get Permissions Search Site Citation James E. Mungall; Roasting the mantle: Slab melting and the genesis of major Au and Au-rich Cu deposits. Geology 2002;; 30 (10): 915–918. doi: https://doi.org/10.1130/0091-7613(2002)030<0915:RTMSMA>2.0.CO;2 Download citation file: Ris (Zotero) Refmanager EasyBib Bookends Mendeley Papers EndNote RefWorks BibTex toolbar search Search Dropdown Menu toolbar search search input Search input auto suggest filter your search All ContentBy SocietyGeology Search Advanced Search Abstract The generation of large deposits of Au and Cu in suprasubduction-zone settings depends upon a combination of factors, including availability of the chalcophile elements to arc magmas in their mantle source regions, and the operation of suitable hydrothermal systems in the upper crust where the deposits eventually form. The removal of chalcophile elements from the mantle wedge into arc magmas can only occur if sulfide is absent from the melted source rock, requiring oxidation of the mantle wedge to values of log fO2 > FMQ + 2, where fO2 is oxygen fugacity and FMQ is the fayalite-magnetite-quartz oxygen buffer. The only agent capable of effecting this change is ferric iron, carried in solution by slab-derived partial melts or supercritical fluids. Arc magmas with high potential to generate Au and Cu deposits will have certain geochemical characteristics; they will have fO2 more than two log units above FMQ and they will have either adakitic, sodic-alkaline, or potassic-ultrapotassic affinities. Favorable tectonic settings include subduction of very young lithosphere or very slow or oblique convergence, flat subduction, and the cessation of subduction. You do not have access to this content, please speak to your institutional administrator if you feel you should have access.

The partitioning of platinum-group elements (PGE; Os, Ir, Ru, Rh, Pt, and Pd) and Au between sulfide melt and silicate melt (i.e., DPGEsul) exerts a critical control on the PGE composition of the Earth’s crust and mantle, but previous estimates have been plagued by experimental uncertainties and vary through several orders of magnitude. Here we present direct experimental measurements of DPGEsul, based on in situ microanalysis of the sulfide and silicate melt, with values ranging from ∼4 × 105 (Ru) to ∼2–3 × 106 (Ir, Pt). Our measurements of DPGEsul are >100 times larger than previous results but smaller than anticipated based on comparison of alloy solubilities in sulfide melts and S-free silicate melts. The presence of S in the silicate melt greatly increases alloy solubility. We use our new set of partition coefficients to develop a fully constrained model of PGE behavior during melting which accurately predicts the abundances of PGE in mantle-derived magmas and their restites, including mid-ocean ridge basalts, continental picrites, and the parental magmas of the Bushveld Complex of South Africa. Our model constrains mid-ocean ridge basalt (MORB) to be the products of pooled low and high degree fractional melts. Within-plate picrites are pooled products of larger degrees of fractional melting in columnar melting regimes. A significant control on PGE fractionation in mantle-derived magmas is exerted by residual alloy or platinum group minerals in their source. At low pressures (e.g., MORB genesis) the mantle residual to partial melting retains primitive mantle inter-element ratios and abundances of PGE until sulfide has been completely dissolved but then evolves to extremely high Pt/Pd and low Pd/Ir because Pt and Ir alloys form in the restite. During melting at high pressure to form picrites or komatiites Ir alloy appears as a restite phase but Pt alloy is not stable due to the large effect of pressure on fS2, and of temperature on fO2 along an internal oxygen buffer, which causes large increases in alloy solubility. The magmas parental to the Bushveld Complex of South Africa appear, at least in part, to be partial melts of mantle that has previously been melted to the point of total sulfide exhaustion at low pressure, closely resembling mantle xenoliths of the Kaapvaal craton. Using the new extremely large DPGEsul the world-class Merensky Reef and UG2 Pt deposits of the Bushveld Complex can readily be modeled as the result of sulfide saturation due to mixing of magmas with unremarkable PGE contents, obviating the need to postulate anomalously PGE-rich parent magmas or hydrothermal inputs to the deposits.

Platinum-group elements (PGEs) have a strong affinity for sulfur and tend to accumulate in the deep continental crust, either concentrated within magmatic Cu-Ni-PGE deposits or dispersed throughout disseminated sulfides. However, PGE enrichment in shallow magmatic-hydrothermal systems implies an obscure link to deep sulfide destabilization, which releases PGEs into ore-forming fluids. To bridge this gap, our study investigates the PGE composition of magmatic sulfides with oxidative textures in dacitic rocks from the southwestern Okinawa Trough. We identified three groups of magmatic sulfides, primarily precipitated as Cu-poor monosulfide solid solution (MSS), which formed at distinct stages of magma evolution from deep to shallow crustal levels. Group A sulfides manifest as small-sized inclusions (<30 μm) within most high-Mg olivines, whereas Group B and C sulfides are larger (50 ∼ 500 μm) and occur within cognate xenoliths of mafic cumulate rocks and the groundmass of host dacites. Group B and C sulfides exhibit distinct oxidative textures and newly-formed mineral assemblages, including magnetite, hematite, goethite, and magnetite ± pyrite, alongside hydrothermal silicate minerals, respectively. We attribute the oxidation process to the infiltration of orthomagmatic fluids exsolved from mafic magma that had underplated the sulfide-bearing felsic magma reservoir, which was nearly solidified. By comparing the chemical compositions between pristine sulfides and their oxidative remnants, we observed extensive mobilization of Pd, Pt, Cu, Ag, Ni, and Co from the altered sulfides of Group B, while Au enrichment occurred as nanoparticles under high oxidation states. In contrast, Au was extracted along with other mobile metals from the altered sulfides of Group C, with Pt remaining in place under more reduced conditions. These distinct scenarios may lead to the formation of PGE-rich and Au-rich fluids, respectively. The formation of deep crustal MSS and subsequent hydrothermal oxidation under varying redox conditions thus provides a viable mechanism for trans-crustal PGE mobilization and inter-element fractionation, typical of PGE-rich magmatic-hydrothermal deposits.

Abstract Globular sulfide is the best-preserved textural representation of immiscible sulfide liquids in silicate magmas, containing valuable information about the mechanisms of their transport and deposition and the formation of magmatic sulfide deposits. Previous studies have indicated that sulfide globule textures may convey useful information about their proximity to massive sulfide accumulations. This study quantitatively evaluates the genetic and spatial relationships between globular sulfides and massive orebodies in Zones 8 and 14 of the Raglan Horizon of northern Quebec by investigating their geochemical characteristics and systematically measuring globule size distributions (GSDs) across this portion of the Raglan deposit group. Their compositions suggest that sulfide globules, disseminated sulfides, net-textured sulfides, and massive sulfides in Zones 8 and 14 are genetically related and geochemically indistinguishable. The sulfide GSDs show that most samples taken from locations distal to massive lenses exhibit a simple log-linear relationship resembling the result of a single homogeneous nucleation event with linear growth and relatively constant nucleation density, or disaggregation of sulfide droplets by ligament stretching. In contrast, most samples of the proximal population show kinked GSD shapes. The kinked profiles can be attributed to processes possibly including mechanical sorting, Ostwald ripening, coalescence of sulfide globules, or the mixing of two globule populations with different size distributions. Whereas mechanical sorting, Ostwald ripening, and coalescence between sulfide globules are considered as, at most, minor contributors to the GSD shapes observed in this region, the kinked GSDs are best explained as representations of a mixed population of large, transported globules deposited in an early stage and finer-grained sulfide droplets deposited in a latter stage. Based on these interpretations, an ore-forming mechanism is proposed which starts with (1) deposition of large sulfide globules in a footwall embayment during turbulent magma flow in which the finer globules remain in suspension, followed by (2) the deposition and entrapment of fine-grained sulfide microdroplets due to a transition from turbulent to a transitional or laminar flow regime, and eventually (3) the rapid downward percolation of sulfide microdroplets through the pore network of the cumulate pile to form massive sulfide pools on the hard substrate of the footwall embayment. Furthermore, we find a close spatial relationship between samples with kinked GSDs and high globule number densities and massive sulfide ores. We demonstrate the robustness of using globule number density as a pointer to massive sulfide accumulations by successfully predicting the actual locations of orebodies 8M, 14K, and 14J in a 3-D space. Overall, we suggest that the texture of large globules immersed in finely dispersed clouds of abundant disseminated small sulfide globules is a strong indicator for proximity to massive sulfide accumulations, and the recognition of this texture may provide a critical tool for future exploration for massive magmatic sulfide ore lenses. We present schematic illustrations of favorable and unfavorable GSDs to aid in the qualitative application of these concepts during logging of exploration drill core.