Orogenic gold deposit

^[1] An orogenic gold deposit is a type of hydrothermal mineral deposit. More than 75% of the gold recovered by humans through history belongs to the class of orogenic gold deposits.^[2] Rock structure is the primary control of orogenic gold mineralization at all scales, as it controls both the transport and deposition processes of the mineralized fluids, creating structural pathways of high permeability and focusing deposition to structurally controlled locations.^[3]

Orogenic gold deposits are hosted by shear zones in orogenic belts, specifically in metamorphosed fore-arc and back-arc regions and were formed during syn- to late metamorphic stages of orogeny.^[4] Formation of orogenic gold deposits is related to structural evolution and structural geometry of lithospheric crust, as hydrothermal fluids migrate through pre-existing and active discontinuities (faults, shear zones, lithological boundaries) generated by tectonic processes.^[3] These discontinuities provide pathways and channel fluid flow, not only of ore-bearing fluids, but also of fluids transporting metallic elements such as silver, arsenic, mercury and antimony and gases, as well as melts.^[5] Gold-bearing fluids precipitate at an upper-crustal level between 3 and 15 km depth (possibly up to 20 km depth), forming vertically extensive quartz veins, typically below the transition of greenschist- to amphibolite metamorphic facies.^[4]

Waldemar Lindgren made the first widely accepted classification of gold deposits and introduced the term “mesothermal” for mostly gold-only deposits in metamorphic terranes and greenstone belts.^[6] The term mesothermal refers to temperatures between 175 and 300 °C and a formation depth of 1.2–3.6 km. In 1993, the term orogenic gold deposits was introduced, as gold deposits of this type have a similar origin and gold mineralization is structurally controlled.

Die Verschmelzung zerbrochener Kontinentalmassen zu neuen Superkontinenten, bekannt als Wilson-Zyklen , spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Lagerstätten, indem sie bedeutende regionale Veränderungen der geochemischen, mineralogischen und strukturellen Beschaffenheit der Lithosphäre auslöst. ^{[ 7 ]} Orogene Goldlagerstätten bildeten sich nur in bestimmten Zeitabschnitten der Erdgeschichte . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf drei Epochen der Erdgeschichte: (1) Neoarchaikum (2,8–2,5 Ga), (2) Paläoproterozoikum (2,1–1,8 Ga) und (3) Phanerozoikum (0,500–0,05 Ga). Im Zeitraum von 1,80–0,8 Ga fehlen orogene Lagerstätten ^{[ 10 ] [ 8 ]} , der als Periode allgemein geringer erzbildender Aktivität gilt. ^{[ 9 ]} Das gleiche zeitliche Auftreten ist auch für Konglomerat -Lagerstätten dokumentiert. ^{[ 11 ]} Die zeitliche Begrenzung vieler Mineralvorkommen spiegelt den Zerfall oder die Bildung von Superkontinenten wider , was höchstwahrscheinlich auch für orogene Goldlagerstätten gilt. ^{[ 8 ]}

In magmatischen Systemen stammen Erze und Wirtsgesteine ​​aus demselben Fluid. ^{[ 12 ]} Bei hydrothermalen Fluiden sind die Wirtsgesteine ​​älter als die überwiegend wässrigen Fluide, die Metalle transportieren und ablagern. Dies erschwert die Bestimmung eines Wirtsgesteins, das mit der Bildung von Goldfluiden in Verbindung steht. Verschiedene Gesteinstypen wurden als Quelle orogenen Goldes vorgeschlagen, doch aufgrund der Variabilität der Wirtsgesteine ​​im Laufe der Erdgeschichte und im Bereich der Lagerstätten ist ihr Zusammenhang mit den Goldbildungsprozessen im Erdmaßstab unklar. ^{[ 13 ]} Darüber hinaus zeigen Altersbestimmungen der Lagerstätten und ihrer Wirtsgesteine ​​große zeitliche Lücken in ihrer Entstehung. Die Altersbestimmungen deuten darauf hin, dass die Mineralisierung 10 bis 100 Millionen Jahre nach der Bildung der Wirtsgesteine ​​stattfand. ^{[ 14 ]} Diese zeitlichen Lücken legen eine weitgehende genetische Unabhängigkeit der Fluidbildung von der der lokalen Lithologien nahe . ^{[ 15 ]}

Geochemische Untersuchungen an goldhaltigen Quarz-Karbonat-Gängen sind wichtig, um Temperatur, Druck und die chemische Signatur der entstehenden Fluide zu bestimmen. Quarz ist in der Regel das dominierende Mineral in den Gängen, jedoch gibt es in orogenen Lagerstätten auch goldhaltige, karbonatdominierte Gänge. ^{[ 16 ]} Erzkörper orogener Goldlagerstätten sind im Allgemeinen durch ≤ 3–5 % Sulfidminerale, meist Arsenopyrit in metasedimentären Wirtsgesteinen und Pyrit /Pyrrhotin in metamagmatischen Gesteinen, sowie ≤ 5–15 % Karbonatminerale wie Ankerit , Dolomit und Calcit definiert . ^{[ 17 ]} Ein gemeinsames Merkmal fast aller orogenen Goldgänge ist das Vorkommen weitverbreiteter Karbonat-Alterationszonen, insbesondere von Ankerit, eisenhaltigem Dolomit, Siderit und Calcit. ^{[ 18 ]} Die Tendenz von Gold, bevorzugt als Sulfidkomplex transportiert zu werden, erklärt auch das nahezu vollständige Fehlen von unedlen Metallen ( Cu , Pb , Zn ) in denselben Mineralsystemen, da diese Metalle Komplexe mit Chlor anstatt mit Schwefel bilden. ^{[ 19 ]}

Hydrothermale Fluide zeichnen sich im Allgemeinen durch niedrige Salinitäten (bis zu 12 Gew.-% NaCl- Äquivalent), hohe H₂O- _und CO₂ _- Gehalte (> 4 Mol-%), geringere Mengen an CH₄ und N₂ sowie einen nahezu neutralen pH-Wert aus _. [ ₁₉ ] Fluide mit ^{hoher Salinität können} durch Dehydratisierung von Evaporitsequenzen entstehen , die hohe Na- und Cl-Konzentrationen sowie die oben genannten Basismetallkomplexe enthalten . ^{[ 19 ]} Obwohl einige Autoren einen spezifischen CO₂-Bereich von etwa 5–20 % vorschlagen _, reicht die Bandbreite von nahezu reinem CO₂ _bis hin zu nahezu reinem H₂O _. [ ^{20 ] CO₂} _- reiche Fluide können dabei auf hohe Fluidproduktionstemperaturen von > 500 °C hinweisen. ^{[ 21 ]}

Orogenic gold deposits formed in metamorphosed terranes of all ages that have little in common except for being sites of complexity and low mean stress.^[3] For this reason, a discussion of the gold deposit formation in a universal genetic model is most difficult and several models have been considered. The fundamental control of the chemical signature of orogenic gold fluids can most likely be found in the processes that take place in the source region.^[16] Therefore, the discussion about genetic models of orogenic gold deposits concentrates on the possible source of gold-bearing fluids.

A magmatic-hydrothermal source from which felsic-intermediate magmas release fluids as they crystallize.^[22] Fluids that exsolved from a granitic melt intrude into the upper or middle crust and are enriched in many elements, such as S, Cu, Mo, Sb, Bi, W, Pb, Zn, Te, Hg, As, and Ag.^[23] But a main constraint is, that in many gold provinces, gold mineralization and granitic intrusion, which indicate magmatic activity, show no age relationship.^[4] In addition, the composition of granites are extremely variable and show no consistent temporal pattern through geological time. Even if some deposits clearly indicate a magmatic source, it must be considered that only due to overprinting mineralization with higher gold grades from other sources, these deposits became economic.^[24] A hybrid deposit with a combination of a magmatic and a metamorphic (mid- or sub-crustal) source is a much more common scenario.^[25]

Ein Modell, das die meisten Goldprovinzen erklärt und einige der bedeutendsten Goldvorkommen erschließt, geht von einer metamorphen Fluidquelle aus. Bei diesem Lagerstättentyp wurden Gold und andere Elemente aus Material, das sich im Zuge von Subduktionsprozessen an einen Kraton anlagerte, in metamorphe Fluide freigesetzt . ^{[ 26 ]} Höchstwahrscheinlich entstanden die Fluide unter prograder Grünschiefer- bis Amphibolitfazies- Metamorphose (220–450 °C und 1–5 kbar). ^{[ 4 ]} Der generell niedrige Salzgehalt der hydrothermalen Fluide lässt sich auf die Entgasung von Mineralen zurückführen, die mit metamorphen Phasenreaktionen, einschließlich Dehydratisierung und Dekarbonisierung, einhergeht. ^{[ 27 ]} Die Zusammensetzung der gebildeten Fluide variiert in Abhängigkeit von den Druck-Temperatur-Bedingungen und der Gesteinschemie und kann durch Fluid-Gestein-Wechselwirkungen entlang des Fließweges beeinflusst werden. ^{[ 27 ]} Die Kopplung zwischen Fluidfluss und tektonischer Deformation spielt eine Schlüsselrolle für die Mineralisierung. ^{[ 27 ]} Die Goldbildung erfolgt typischerweise in der Spätphase einer Orogenese, während sich die Fernfeldspannungen ändern . [ ^{28 ] Entstandene} und reaktivierte Verwerfungen dienen als Wege für hydrothermale Lösungen. ^{[ 27 ]} Diese gold- und kieselsäurehaltigen Fluide migrierten über weite Strecken durch Klüfte und wurden in Deformationsstrukturen am Übergang vom spröden zum duktilen Verhalten sowie nahe der Basis der seismogenen Zone ausgefällt . ^{[ 27 ]} Goldlagerstätten in diesem Modell zeichnen sich durch erhöhte Schwefel- und Arsenkonzentrationen und nur geringe Anreicherungen anderer Elemente aus. ^{[ 29 ]}

Das Modell einer subkrustalen Quelle ähnelt dem Modell einer mittelkrustalen Quelle. In beiden Fällen entstanden Fluide und Metalle aus vulkanischen und sedimentären Produkten durch tektonische Prozesse, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich des Ursprungs der Quelle und der beteiligten Prozesse. ^{[ 27 ]} Dieses Modell geht von einem Fluidaufstieg durch die Entgasung einer subduzierten Platte und eines darüber liegenden Sedimentkeils aus. ^{[ 27 ]} Ozeanischer Mantel, Kruste und darüber liegende Sedimente wurden subduziert, rasch erhitzt und HOC-reiche Dämpfe setzten während der Erhitzung bei Temperaturen unter 650 °C und Tiefen von 100 km Fluide frei. ^{[ 27 ]}

Die Serpentinisierung (Hydratisierung des Subduktionsplattenmantels) spielt aus zwei Gründen eine wichtige Rolle. Erstens bestätigen aktuelle Strömungsexperimente, dass Serpentinit als Schmiermittel für den darüber liegenden subkontinentalen lithosphärischen Mantel (SCLM) wirkt und daher in dynamischen Umgebungen eine wichtige Rolle spielt. ^{[ 27 ]} Zweitens führt die Serpentinisierung zu einer Volumenzunahme von bis zu 40 %, was die Rissbildung in Peridotiten verstärkt und die Permeabilität für hydrothermale Fluide erhöht. ^{[ 30 ]} Durch hydratisierten ozeanischen Mantel gebildeter Serpentinit transportiert bis zu 13 Gew.-% Wasser in den tiefen Mantel. ^{[ 31 ]} Die Entwässerung der Subduktionsplatte kann bereits in Tiefen von weniger als 100 km beginnen, und überdruckbehaftete Fluide wandern in Störungszonen der oberen Lithosphäre und bilden schließlich Goldlagerstätten. ^{[ 32 ]} Allerdings ist die Fluidmigration entlang von Verwerfungen in einem Kompressionsspannungsfeld möglicherweise nicht effektiv , wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass neutrale Spannungsebenen die vertikale Fluidzufuhr in den Verwerfungszonen steuern. ^{[ 33 ]} Unter dieser Annahme könnte der Auslöser für die Fluidfreisetzung das Ende der Subduktion oder ein Stillstand der Platte während der Subduktion sein, was zu einer verzögerten Fluidmigration und Goldmineralisierung führt. ^{[ 34 ]} Das subkrustale Fluidquellenmodell ist robuster, da es sowohl eine Quelle als auch einen Mechanismus beschreibt, weist aber auch Einschränkungen auf, da viele präkambrische Goldlagerstätten keine mächtigen Sedimentgesteinsfolgen aufweisen. ^{[ 35 ]}

Obwohl Anstrengungen unternommen wurden, eine spezifische Deformationsstruktur zu definieren, die mit der Bildung orogener Goldlagerstätten in Verbindung steht ^{[ 23 ]} , konnte keine spezifische Struktur identifiziert werden. Vielmehr gibt es verschiedene Arten von Verwerfungen, die Goldlagerstätten beherbergen ^{[ 3 ]} . Dennoch weisen orogene Goldlagerstätten eine Reihe sich wiederholender Strukturgeometrien auf, die die Bildung, den Transport und die Ausfällung von Erzfluiden steuern ^{[ 36 ] .}

Großräumige lithosphärische Deformationsstrukturen korrelieren mit Goldvorkommen, und die aktive strukturelle Permeabilität in der Erdkruste wird durch das vorherrschende tektonische Spannungsfeld gesteuert. ^{[ 37 ]} Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass die Bildung orogener Goldlagerstätten an spezifische geodynamische Gegebenheiten, primäre Orogengürtel, gebunden ist. ^{[ 38 ]}

In Akkretionsorogenen entstehen verschiedene Goldlagerstätten, darunter auch orogene Goldlagerstätten. ^{[ 39 ]} Orogene Goldlagerstätten befinden sich typischerweise in metamorphen Vorland- und Hinterlandbecken sowie im Inselbogen ^{[ 4 ]} und weisen eine enge räumliche Beziehung zu Lamprophyren und den damit verbundenen felsischen Porphyrgängen und -sills auf. ^{[ 40 ]} Lamprophyrgänge sind nicht die Quelle der Erzflüssigkeit selbst, sondern weisen auf eine tiefe lithosphärische Verbindung für Fluidkanäle hin. ^{[ 41 ]}

Orogene Goldlagerstätten weisen eine räumliche Beziehung zu strukturellen Diskontinuitäten auf, darunter Verwerfungen, Brüche, Dilatationszonen und Scherzonen. ^{[ 3 ]} Die erzführenden Strukturen sind Nebenverwerfungen oder Scherzonen (meist D3–D4 in einer Struktursequenz D1 bis D4), die stets mit größeren regionalen Deformationsstrukturen wie Lithosphärengrenzen und Suturzonen in Verbindung stehen. ^{[ 19 ]} Die Deformationsstrukturen, die die Goldlagerstätten beherbergen, verlaufen typischerweise diskordant zur stratigraphischen Schichtung des Wirtsgesteins. Die mineralisierten Strukturen deuten auf syn- bis postmineralische Verschiebungen hin, wie beispielsweise unter hydrothermalen Bedingungen entstandene Harnischflächen . Die Geometrie der Gangsysteme wird primär durch eine Kombination aus dynamischen Spannungsänderungen und Fluiddruckvariationen beeinflusst. ^{[ 42 ]}

Verbesserte geochronologische Daten zu Gold und Paläorekonstruktionen haben zu einem besseren Verständnis der Mineralisierung orogener Goldlagerstätten im Laufe der Zeit beigetragen. Die ältesten bekannten orogenen Goldlagerstätten (>3 Ga) befinden sich im Kaapvaal-Kraton im Barberton-Grünsteingürtel , im Ukrainischen Schild und im Pilbara-Kraton . ^{[ 43 ]} Die Witwatersrand-Seifengoldlagerstätte in Südafrika wurde schätzungsweise in einem ähnlichen Zeitraum durch orogene Prozesse mineralisiert. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Die nächste günstige Periode für die Bildung orogener Goldlagerstätten erstreckte sich von 2,8 bis 2,55 Ga in den Grünsteingürteln des Yilgarn-Kratons , der Superior-Provinz , des Dharwar-Kratons , des Simbabwe-Kratons , des Wyoming-Kratons und des Baltischen Schildes . ^{[ 45 ]}

Nach dem Archaikum erfolgte die nächste Phase der orogenen Goldlagerstättenbildung zwischen 2,1 und 1,8 Milliarden Jahren nach dem Zerfall eines archaischen Superkontinents und den darauf folgenden orogenen Prozessen. ^{[ 43 ]} In diesem Zeitraum bildeten sich Lagerstätten im australischen Inland, im nordwestlichen Afrika, im nördlichen Südamerika, in Sveconfennia und im Kanadischen Schild. ^{[ 43 ]} Darauf folgte eine Phase unbedeutender orogener Goldbildung zwischen 1,6 und 0,8 Milliarden Jahren. Diese wird entweder auf eine weltweite, mit anorogenem Magmatismus verbundene, massive Dehnung ^{[ 46 ] [ 43 ]} oder auf die Erosion schmaler Kontinentalränder zurückgeführt, in denen das orogene Gold mineralisiert war. ^{[ 45 ]}

Die Entstehung Gondwanas im Neoproterozoikum durch die Kollision von Kratonen markiert den Zeitpunkt, an dem die Bildung orogener Goldadern kontinuierlich und weit verbreitet bis heute anhält. ^{[ 43 ]} Von der Entstehung Gondwanas bis zum Beginn des Paläozoikums bildeten sich Lagerstätten im Arabisch-Nubischen Schild , in Westafrika, im brasilianischen Atlantischen Schild, im São-Francisco-Kraton und im Nordwesten Australiens. ^{[ 43 ]} Vom Paläozoikum bis zum Beginn des Mesozoikums wurden im Zusammenhang mit den verschiedenen Orogenesen, die zur Entwicklung Pangäas beitrugen , orogene Goldlagerstätten in Australien, Westland in Neuseeland, Victorialand in der Antarktis, im südlichen Südamerika, in Südeuropa, Zentralasien und im Nordwesten Chinas mineralisiert. ^{[ 43 ]}

Der Zerfall von Pangäa im Mesozoikum markiert die endgültige Entstehung bedeutender, global verteilter orogener Goldlagerstätten. Dieses Ereignis schuf ein riesiges Netz von Subduktionszonen rund um den Pazifischen Ozean. ^{[ 26 ]} Östlich des Pazifiks führte die Kordilleren- Orogenese zur Bildung zahlreicher orogener Goldlagerstätten im Mittleren Jura bis zur mittleren Kreidezeit. ^{[ 26 ]} Westlich des Pazifiks ereignete sich ein ähnliches, zeitgleiches orogenes Ereignis, das zur Mineralisierung orogener Goldlagerstätten im russischen Fernen Osten und im Nordchinesischen Kraton während der Unterkreide führte . ^{[ 26 ]}

Orogene Goldlagerstätten sind für etwa 75 % der weltweiten Goldproduktion mit über einer Milliarde Unzen verantwortlich, da viele Goldseifenlagerstätten orogenen Ursprungs sind. ^{[ 26 ] [ 47 ]} Der Goldpreis beeinflusst die wirtschaftliche Rentabilität einer Lagerstätte. Diese hängt zudem vom Gehalt und der Tonnage der Reserven sowie den Kosten der Erzgewinnung ab. Methoden zur Abgrenzung von Reserven und zur Gewinnung von Golderz verbessern sich stetig und erhöhen somit die Produktionsmöglichkeiten. ^{[ 48 ]} Andererseits rücken die Umweltauswirkungen der Goldgewinnung aus orogenen Lagerstätten, wie beispielsweise die Cyanidlaugung , zunehmend in den Fokus. ^{[ 49 ]} Die Kosten für die Sanierung der Umweltrisiken des Minenbetriebs in einer orogenen Goldlagerstätte beeinflussen deren Wirtschaftlichkeit.

Der typische Gehalt an nicht mineralisierten magmatischen , sedimentären und metamorphen Gesteinen liegt im Durchschnitt zwischen 0,5 und 5 Teilen pro Milliarde. ^{[ 50 ]} Erze mit einem Gehalt von 5 Teilen pro Million (g/t) oder höher werden in der Regel im Untertagebau abgebaut , wobei die goldhaltige Struktur berücksichtigt wird. ^{[ 51 ]} In einem Tagebau können aufgrund der vergleichsweise geringeren Betriebskosten Erze mit einem Gehalt von 1–2 Teilen pro Million (g/t) gewonnen werden . ^{[ 52 ]} Diese Werte können je nach schwankendem Goldpreis sowie den variablen Kosten und Kapazitäten für Abbau, Aufbereitung und Raffination variieren . ^{[ 53 ]}

Der Abbau von Goldlagerstätten in Gebirgszügen hat erhebliche negative Umweltauswirkungen. Über 90 % des aus diesen Lagerstätten gewonnenen Erzes werden durch Cyanidlaugung aufbereitet . ^{[ 54 ]} Die dabei entstehenden giftigen Abfälle werden in Absetzbecken gelagert , was bei Unfällen oder Fahrlässigkeit im Umgang mit den giftigen Flüssigkeiten ein Risiko für Boden- und Wasserverschmutzung darstellt. ^{[ 55 ]} Diese Verschmutzung kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch Dammbrüche, unkontrollierte Einleitung in Flüsse ^{[ 56 ]} oder Auswaschung giftiger Flüssigkeiten durch durchlässige Böden. ^{[ 57 ]} Ein Beispiel für eine solche Umweltkatastrophe ist der Cyanid-Unfall von Omai am 19. August 1995. Dabei brach der Absetzbeckendamm der kanadischen Omai Gold Mines Ltd. und setzte über 440.000 Kubikmeter cyanidhaltiges Abwasser in den Fluss Omai frei, was flussabwärts eine über 80 km lange Katastrophenzone verursachte. ^{[ 58 ]} Der Energieverbrauch beim Betrieb einer Mine in einer orogenen Goldlagerstätte verursacht ebenfalls einen hohen CO₂-Fußabdruck , der als Treibhausgas zum Klimawandel beiträgt. ^{[ 59 ]} Darüber hinaus erfordert die Schaffung von Flächen für Tagebaue, Absetzbecken und Mineninfrastruktur die Rodung großer Landflächen, was zu Entwaldung und der Zerstörung natürlicher Lebensräume führt. ^{[ 60 ]}

• Bendigo, Australien ^{[ 61 ]}
• Kalgoorlie ^{[ 62 ]}
• Fazenda, Brasilien ^{[ 26 ]}
• Timmins, Kanada ^{[ 63 ]}
• Lamaque, Kanada
• Camp Val d'Or, Kanada ^{[ 64 ]}
• Seabee, Kanada ^{[ 65 ]}
• Salsigne, Frankreich ^{[ 66 ]}
• Die orogene Goldlagerstätte Oubasi in Südghana beherbergt Mineralressourcen von über 70 Mio. Unzen Gold mit einem Gehalt von 7,39 g/t oder höher, wobei in der Vergangenheit 32 Mio. Unzen Gold gefördert wurden. ^{[ 10 ]} Die Lagerstätte befindet sich im Birimian- Orogen, wo nachweislich bereits im 17. Jahrhundert Gold abgebaut wurde, der moderne industrielle Abbau jedoch erst 1897 durch die Ashanti Goldfields Company begann. ^{[ 46 ]}
• Poura, Burkina Faso ^{[ 67 ]}
• Wassilkowsk, Kasachstan ^{[ 19 ]}
• Beresowsk, Russland ^{[ 68 ]}
• Die orogene Goldlagerstätte Olimpiada befindet sich im Jenissei-Gebirge im Westen Sibiriens (Russland). Sie enthält mehr als 50 Mio. Unzen Gold mit einem durchschnittlichen Gehalt von 4–4,6 g/t. ^{[ 46 ]} Die Exploration orogener Goldlagerstätten begann nach 1840 mit der Erforschung der Herkunft nahegelegener Seifengoldlagerstätten. Der großflächige Abbau begann in den 1990er Jahren. ^{[ 46 ]}
• Die Mother Lode Homestake-Lagerstätte befindet sich in South Dakota, USA, und ist eine historische Mine, die orogenes Gold in einer gebänderten Eisenerzformation (BIF) enthielt . ^{[ 69 ]} Diese Lagerstätte produzierte von 1876 bis 2001 mehr als 40 Mio. Unzen Gold. ^{[ 69 ]} Obwohl die Lagerstätte in einer BIF eingebettet ist, wird die Mineralisierung als hydrothermal beschrieben, wobei die BIF eine günstige chemische Falle für Gold bildete. ^{[ 69 ]}