Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Buret, Yannick. Publication Date: 2017

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1 Research Collection Doctoral Thesis Timing and Duration of Mineralisation at the Bajo de la Alumbrera Porphyry Copper Deposit and the Petrogenetic Link to Explosive Volcanism Author(s): Buret, Yannick Publication Date: 2017 Permanent Link: This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH NO TIMING AND DURATION OF MINERALISATION AT THE BAJO DE LA ALUMBRERA PORPHYRY COPPER DEPOSIT AND THE PETROGENETIC LINK TO EXPLOSIVE VOLCANISM A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by YANNICK BURET Master of Science (MSc) in Geology, Universités de Genève et Lausanne born on citizen of Ireland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Christoph A. Heinrich, examiner Dr. Albrecht von Quadt, co-examiner Prof. Dr. Jon Blundy, co-examiner 2017

3 Abstract Abstract This thesis comprises three papers describing the formation of the world class Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit in NW Argentina. Combining high precision zircon geochronology with geochemistry we have constrained the timescales of porphyry copper deposit formation and established a temporal and genetic link to nearby explosive volcanism. Finally, this link to explosive volcanism provides a unique opportunity to study the volcanic deposits to reveal key insights into the formation of a world class porphyry copper deposit. Chapter 1 provides a introduction and overview to the objectives of the thesis and details of the current state of research in both geochronology and the genesis of porphyry copper deposits. Chapter 2: From a long-lived upper-crustal magma chamber to rapid porphyry copper emplacement: Reading the geochemistry of zircon crystals at Bajo de la Alumbrera (NW Argentina), presents new high precision zircon U-Pb geochonological data in order to constrain the timing and duration of porphyry copper deposit formation. We calculate the duration of ore-formation by dating zircons from pre-, syn- and post-mineralisation porphyries based on intersection relations between successive intrusion and vein generations, using high precision chemical-abrasion isotopedilution thermal ionisation mass spectrometry (CA-ID-TIMS). Based on the youngest assemblages of zircon grains, which overlap within analytical error, all four intrusions were emplaced within 29 ka, which places an upper limit on the total duration of hydrothermal mineralisation. Re/Os dating of hydrothermal molybdenite fully overlaps with this high-precision age bracket. By examining the geochemistry of zircon antecrysts, which record ~200 ka of magmatic evolution, we show that that the four porphyry intrusions record a common geochemical and thermal history, and that they were derived from the same upper-crustal magma reservoir. During this upper crustal magmatic evolution, the presence of low cathodoluminescent zones ("dark-zones") in some zircon crystals record zircon crystallisation during a transient event of rapid growth. This rapid growth resulted from mafic magma injection into the base of the magma chamber, releasing a CO 2 -rich vapour phase into the dacitic crystal mush. This vapour phase then migrated upwards to the apical part of the magma chamber from where it was expelled, together with successive batches of magma, to form the porphyry copper deposit within a short time-span of less than a few 10,000 years. The short duration of host rock emplacement, hydrothermal alteration and mineralisation presented in this study provides critical constraints on fluid storage in magma chambers and the genesis of large porphyry copper deposits. This chapter is published in Earth and Planetary Science Letters. Chapter 3: Zircon petrochronological evidence for a plutonic-volcanic connection in porphyry copper deposits, presents new high-precision U-Pb zircon geochronological evidence linking the formation of the Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit to nearby explosive volcanism. The results indicate that the magmatic-hydrothermal deposit and 245 m of explosive volcanism were derived from a common magma reservoir that evolved over a minimum duration of i

4 Abstract 217 ± 25 ka before the final eruption. A time-gap of 19 ± 12 k.y. between porphyry mineralization and the onset of explosive volcanism indicate that these distinct events occurred as the result of a common magmatic process. We propose that deposit formation and volcanic eruption were both triggered by the same injection of a volatile-saturated primitive magma into the base of the magma chamber. Catastrophic loss of volatiles by explosive volcanism terminated the ore forming capacity of the upper crustal magma chamber, as evidenced by the intrusion of a syn-eruptive barren quartzfeldspar porphyry. Our results demonstrate that porphyry copper deposits provide critical information to understand how volatiles control the fate of hydrous magmas, between pluton formation and explosive volcanism. This chapter is published in Geology. Chapter 4: Magmatic petrogeneseis leading to the formation of the Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit: Insights from cogenetic explosive volcanism, builds on the findings of Chapter 3 by examining the magmatic petrogenesis of the explosive volcanism that terminated the ore formation at the Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit. We examined amphibole and apatite crystals from the entire volcanic sequence to track the magmatic evolution during the time preceding ore formation. The presence of two distinct generations of amphibole crystals from the same volcanic rocks reveals records both a deep (15-25 km) and shallow (~10 km) crustal evolution of porphyry forming magmas. The upper crustal evolution is revealed from amphibole and apatite crystals, which indicate the co-crystallisation of plagioclase, amphibole, biotite, apatite, titanite and zircon in an upper crustal magma reservoir, which evolved over ~200 ka. During the upper crustal evolution, the magma was H 2 O saturated and exsolving a magmatic fluid. The melt compositions in equilibrium with apatite reveal the upper crustal magma was not enriched in S, relative to other arc magmas. Conversely, amphibole compositions reveal low Cu concentrations (~10 ppm) in the melt at the time of eruption, which suggest either the upper crustal magma reservoir had inherently low Cu concentrations or the formation of the Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit (~19 ka prior to explosive volcanism) effectively stripped the upper crustal magma reservoir of Cu. The lower crustal record is preserved in mafic crystal clots that appear towards the upper parts of the 7 Ma volcanic sequence. The presence of olivine pseudomorphs, which are replaced by clinopyroxene and amphiboles, together with the absence of plagioclase corroborates their crystallisation in the lower crust under hydrous conditions. High fo 2 (ΔNNO > 3), revealed from the amphibole and Cr-rich spinel compositions, likely resulted from extended olivine crystallisation. Injection of this oxidised, hydrous, magma into the upper crustal magma reservoir at a late stage is recorded by abundant dissolution and reverse zoning in the major phenocryst phases towards the upper parts of the 7 Ma volcanic sequence. Our results demonstrate that the interplay between the injection of oxidised magmas from the lower crust and high Cl contents in the upper crustal magma chamber, promoted the efficient extraction of Cu and S from the melt to form the world class Bajo de la Alumbrera porphyry copper deposit. work. Chapter 5 presents the general conclusions of this thesis including the potential for future ii

5 Zusammenfassung Zusammenfassung Diese Arbeit umfasst 3 Publikationen über die Entstehung der Bajo de la Alumbrera Kupferporphyrlagerstätte in NW Argentinien. Wir haben hochpräzise Zirkongeochronologie mit Geochemie kombiniert, um die Zeitskalen der Bildung von Kupferporphyrlagerstätten zu bestimmen und eine zeitliche und genetische Verbindung zu explosivem Vulkanismus darzulegen. Diese Verbindung von Vererzung und Vulkanismus erlaubt die Studie der Vulkanischen Ablagerungen, um Schlüsseleinblicke in die Entstehung von Kupferporphyrlagerstätten zu erhalten. In Kapitel 1 wird eine Einführung und ein Überblick über die Ziele der Arbeit gegeben. Außerdem gebe ich eine detaillierte Beschreibung des derzeitigen Forschungstandes der Geochronologie und der Entstehung von Kupferporphyrlagerstätten gegeben. Kapitel 2: Der Übergang von langlebigen hochkrustalen Magmakammern zu rascher Kupferporphyrmineralisation: Einsicht durch Zirkongeochemie in Bajo de la Alumbrera (NW Argentinien). Dieses Kapitel beschreibt neue hochpräzise U-Pb Zirkonalter die den Zeitpunkt und die Dauer von Kupferporphyrmineralisation genau definieren. Wir berechnen die Dauer der Erzbildung durch die Datierung porphyrischer magmatischer Gesteine, die vor, während und nach der Erzbildung in das Nebengestein intrudiert ist. Feldbeziehungen werden genutzt um die relative zeitliche Abfolge der Intrusiva zu bestimmen und absolute Alter wurden durch hochpräzise Messungen mit der Isotopenverdünnte thermische ionisationsmassenspektrometrischen Methode an chemisch abradierten Zirkonen (CA-ID-TIMS) bestimmt. Die jüngsten Zirkonpopulationen, die im analytischen Fehler überlappen, aller vier untersuchten Intrusionen zeigen, dass diese Intrusionen in weniger als 29 ka kristallisiert sind. Diese Zeitspanne entspricht demnach auch der maximalen Dauer der hydrothermalen Erzbildung. Die Datierung von hydrothermal gebildetem Molybdenit anhand der Re/Os-Methode überlappt mit dieser Präzision Zeitspanne. Die Geochemie von Zirkon- antecrysts, die auf ~200 ka magmatischer Evolution hindeuten, zeigt, dass die vier porphyrischen Intrusionen eine gemeinsame geochemische und thermische Geschichte erlebt haben und aus demselben hochkrustalen Magmareservoir stammen. Niedrig Cathodolumeneszierende Zonen in einigen Zirkonen demonstriert Zirkonkristallisation während einer rapiden Wachstumsphase. Dieses rapide Wachstum ist das Ergebnis einer Injektion von mafischem Magma in den Unterteil der Magmakammer, die eine CO2-reiche Gasphase in der dazitischen crystal-mush freigesetzt hat. Diese Gasphase migrierte aufwärts in den obersten Teil der Magmakammer, von wo sie, gemeinsam mit sukzessiven Pulsen von Magma, freigesetzt wird und zu der raschen Bildung der Kupferporphyrlagerstätte führt. Die in diesem Kapitel beschriebene kurze Dauer der Magmaintrusionen, der hydrothermalen Alteration und Mineralisation gibt entscheidende Rahmenbedingungen für die Fluidspeicherung in Magmakammern und die Genese von großen Kupferporphyrlagerstätten. Diese Kapitel wurde in Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht. Kapitel 3: Petrochronologische Analysen an Zirkonen belegen eine genetische iii

6 Zusammenfassung Verbindung von Intrusiv- und Effusivgesteinen in Kupferporphyrlagerstätten. Diese Studie präsentiert neue hochpräzise U-Pb Alter von Zirkonen, welche eine Verbindung zwischen der Bildung der Kupferporphyrlagerstätte und naheliegenden explosivem Vulkanismus belegen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die magmatisch-hydrothermale Lagerstätte und der explosive Vulkanismus, der zur Ablagerung von 245 m mächtigen vulkanischen Gesteinen führte, aus einem gemeinsamen Magmareservoir stammen, dass über mindestens 217 ± 25 ka aktiv war. Eine Zeitlücke von 19 ± 12 ka lässt vermuten, dass dieser unterschiedlichen Ereignisse ein Ergebnis eines ähnlichen magmatischen Prozesses sind. Wir vermuten, dass die Erzlagerstättenbildung und die vulkanische Eruption durch dieselbe Injektion eines primitiven Magmas, das reich an Volatilen war, in den unteren Teil der Magmakammer ausgelöst wurden. Der rasche Verlust der flüchtigen Bestandteile durch den explosiven Vulkanismus beendete das Potential zur weiteren Erzbildung aus der oberkrustalen Magmakammer. Dies wird weiterhin belegt durch die Intrusion eines syn-eruptiven tauben Quarz-Feldspat Porphyrs. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass Kupferporphyrlagerstätten wichtige Erkenntnisse über das Verhalten von flüchtigen Bestandteilen in wasserreichen Magmen liefern können. Dieses Kapitel wurde in Geology veröffentlicht. Kapitel 4: Die Magmatische Entwicklung, die zur Bildung der Kupferporphyrlagerstätte Bajo de la Alumbrera führt:einblicke durch Kogenetischen Vulkanismus. Dieses Kapitel baut auf den Erkenntnissen aus Kapitel 3 auf, indem in diesem Kapitel die magmatische Evolution des explosiven Vulkanismus untersucht wird, der die Erzbildung in Bajo de la Alumbrera beendet hat. Wir haben Amphibole und Apatite aus der gesamten vulkanischen Sequenz analysiert, um die magmatische Evolution vor der Erzbildung zu rekonstruieren. Zwei unterschiedliche Generationen von Amphibolkristallen aus den gleichen Gesteinen lassen sowohl eine tiefkrustale (15-25), als auch eine oberkrustale (~10 km) Evolution der Erzbildenden Magmen vermuten. Die oberkrustale Evolution wird durch Amphibole und Apatite, die auf Kokristallisation von Plagioklas, Amphibol, Biotit, Apatit, Ttanit und Zirkon hindeuten, deutlich gemacht. Dieses oberkrustale Magmareservoir entwickelte sich über ~200 ka. Die Magma war wassergesättigt und hat eine hochsalines magmatisches Fluid (30 40 % wt.% NaCl) freigesetzt. Die Schmelzzusammensetzung, die im Equilibrium mit dem analysierten Apatit wäre zeigt, dass das oberkrustale Magma, relativ zu anderen Arc-Magmen, nicht an S angereichert war. Im Gegenteil, die Amphibolzusammensetzungen zeigen geringe Cu- Konzentrationen (~10 ppm) der Schmelze zum Zeitpunkt der Eruption, was darauf hindeutet, dass die Schmelzen entweder ursprünglich geringe Cu-Konzentrationen aufwiesen oder, dass die Schmelze durch die Bildung der Kupferporphyrlagerstätte (~19 ka vor dem Vulkanismus) verarmt ist. Einen Einblick in die Geochemie des unterkrustalen Magmareservoirs erhalten wir durch mafische Kristallaggregate in den jüngeren Schichten der vulkanischen Sequenz. Die Präsenz von Olivin Pseudomorphen, die durch Klinoyroxen und Amphibol ersetzt werden, zusammen mit dem Nichtvorhandensein von Plagioklas bekräftigt die Annahme, dass diese in der unteren Kruste in einer wasserhaltigen Schmelze kristallisiert sind. Die Zusammensetzungen von Amphibol und Cr-reichem Spinell lassen hohe Oxidationsstufen (ΔNNO > 3) vermuten, die wahrscheinlich das Ergebnis von Olivinkristallisation sind. Diese führte zu einer Unterdrückung der Sulfidbildung und der Auflösung von vorher kristallisierten Sulfiden. Die Injektion dieses oxidierten, wasserhaltigen und iv

7 Zusammenfassung S-, sowie Cu-reichen Magmas in das oberkrustale Magmareservoir wird belegt durch die Auflösung und die umgekehrte Zonierung von phenokristischen Hauptphasen in den jüngeren vulkanischen Ablagerungen. Unsere Ergebnisse aus der Untersuchung von kogenetischem Vulkanismus zeigen, dass einige essentielle Prozesse nötig sind um eine Kupferporphyrlagerstätte zu bilden. Kapitel 5 präsentiert die umfassenden Schlussfolgerungen dieser Arbeit, sowie einen Ausblick auf potentielle zukünftige Studien zu dem Thema. v