The behaviour of base metals in arc-type magmatic-hydrothermal systems - insights from Merapi volcano, Indonesia

Porphyry and high sulfidation epithermal ore-forming systems are genetically associated with calc-alkaline volcanism in subduction zones, and where erosion has not been too deep, the volcanic rocks are still commonly exposed in close proximity to the deposits. Most models for porphyry copper and high sulfidation epithermal gold systems include a shallow magmatic reservoir (the porphyry stock), an overlying hydrothermal cell, its alteration paragenesis and a stratovolcano. Some investigations also discuss the importance of underlying granitoid batholiths as feeders for porphyry stocks and their hydrothermal systems. Although it is commonly believed that the ores deposit during the waning stages of volcanism, given the time span over which these deposits form (tens of thousands to several million years) and the undeniable existence of hydrothermal systems beneath volcanoes, it is quite probable that their formation is initiated at times when volcanoes are still active. Although currently mined ore deposits are excellent places to focus research, subduction zone stratovolcanoes provide important windows on the magmatic-hydrothermal processes at play.This thesis describes an investigation of the magmatic-hydrothermal environment that resides beneath Merapi volcano, Indonesia. The research involved sampling and chemical analysis of minuscule aliquots of evolving silicate and sulfide melts trapped as inclusions at different times and in different locations in growing crystals subsequently ejected during eruptions. The research also involved sampling and analysis of fumarolic gases (and their precipitates) emitted at Merapi volcano during times of quiescence and eruptive activity, as well as compilation of published compositional data for fumarolic gases from other arc volcanoes. These gases are the surface equivalents of ore-forming magmatic-hydrothermal fluids. Finally the research involved compilation from the literature of compositional data for fluid inclusions (micron-scale droplets of magmatic volatile phases) trapped in gangue minerals in porphyry copper deposits. The focus of the research was the behaviour of copper, nickel, cobalt, zinc, lead and molybdenum in magmatic hydrothermal systems.The research reported in Chapter 1 showed that injections of sulfide melt-saturated mafic magma into shallower, more evolved and more oxidized resident magma at Merapi volcano induced exsolution of a magmatic volatile phase from the mafic magma. This hydrothermal fluid dissolved the sulfide melt and became enriched in chalcophile (notably copper) and siderophile metals. An argument is presented that the overpressure generated by the exsolution of a fluid originating in this manner triggered an explosive eruption at Merapi volcano in 2006. This is supported by the observation that the metal content, particularly of copper, was higher in the volcanic gas sampled immediately after this eruption than during periods of quiescence and that metal ratios of the gas are remarkably similar to those of sulfide melt inclusions. In Chapter 2, it is shown that the mafic magma mixed poorly with the more felsic magma, that both magmas evolved via assimilation and fractional crystallization and, most importantly, that the magmatic volatile phase transferred base metals to the more felsic magma. In Chapter 3, the fluid inclusion and volcanic gas data are used to make inferences about the evolution of porphyry ore-forming systems and link mechanisms of ore-formation to those operative during the eruptive cycles of volcanoes. Finally, the thesis integrates the findings of this study into a model that provides new insights into the formation of porphyry copper deposits below stratovolcanoes.Les gîtes de types porphyriques et épithermaux sont génétiquement associés au volcanisme des zones de subduction et les roches volcaniques cogénétiques à ces gisements sont souvent encore présentes. Tous les modèles actuels de mise en place de ces gîtes définissent un réservoir magmatique peu profond, lequel est coiffé d'une cellule hydrothermale et de sa séquence complexe d'altération, ainsi que d'un stratovolcan. Certains auteurs discutent aussi de l'importance de batholites sous-jacents ayant généré le porphyre et ses fluides hydrothermaux. Quoiqu'il soit généralement accepté que ces gîtes se forment durant le déclin du volcanisme, étant donné la longévité des périodes proposées pour la formation de ceux-ci (de dizaines de milliers à plusieurs millions d'années) et l'existence indéniable de systèmes hydrothermaux associés, il est fort probable que la formation de ces gîtes soit initiée alors que le volcanisme est encore actif. Les volcans situés en zones de subduction représentent d'importants points d'observation des processus magmatiques-hydrothermaux actuels.La présente recherche porte sur l'environnement magmatique-hydrothermal qui existe sous le volcan Mérapi, situé en Indonésie. Des échantillons de liquides silicatés et sulfurés piégés à l'intérieur de cristaux durant leur croissance à différents moments et endroits dans le magma et avant d'être éjectés hors des réservoirs magmatiques lors d'éruptions volcaniques ont été prélevés et dosés. Des gaz fumerolliens de haute température et leurs sublimats émis au volcan Mérapi durant des phases de dégazage passif et d'éruption explosive ont été échantillonnés et analysés. Des résultats similaires pour les gaz d'autres volcans, ainsi que des analyses d'inclusions fluides de systèmes hydrothermaux de porphyres cuprifères ont été compilés à partir de la littérature. Les gaz volcaniques analysés sont les équivalents superficiels des fluides magmatiques-hydrothermaux qui génèrent les gisements métallifères.Dans le premier chapitre, il a été démontré que des magmas mafiques d'origine profonde et saturés en liquide sulfuré ont été injectés dans le réservoir magmatique peu profond de Mérapi, celui-ci contenant un magma plus évolué et plus oxydé. La décompression qu'a subie le magma mafique a provoqué l'exsolution d'une phase magmatique volatile (un fluide hydrothermal) qui a dissous le liquide sulfuré et ses métaux chalcophiles et sidérophiles (notamment le cuivre). La surpression générée par l'exsolution de ce fluide hydrothermal a provoqué l'éruption explosive du volcan Mérapi de mars à août 2006. Ceci est corroboré par l'observation que certains métaux, particulièrement le cuivre, étaient enrichis dans les gaz volcaniques émis après l'explosion par rapport aux niveaux mesurés durant la phase de dégazage passif, et par le fait que les rapports des métaux dans ces gaz post-explosion étaient soudainement semblables à ceux mesurés dans les inclusions sulfurées, alors qu'ils étaient bien différents durant les phases de dégazage passif du volcan. Dans le second chapitre, je démontre que le magma plus mafique et le magma plus felsique ne se sont pas bien mélangés, que les deux magmas ont évolué via l'assimilation de roches encaissantes et la cristallisation fractionnée, et que la phase magmatique volatile qui s'est séparée du magma mafique et qui a dissous le liquide sulfuré a transféré ses métaux au magma plus felsique. Dans le troisième et dernier chapitre, les inclusions fluides et les gaz volcaniques ont été utilisés en conjonction avec les connaissances acquises et décrites dans les deux premiers chapitres afin de proposer un modèle pour l'évolution du système porphyrique et d'établir les liens qui existent entre les mécanismes de formation des gîtes porphyriques et épithermaux acides, et ceux qui opèrent durant les cycles éruptifs des volcans. Un modèle pour la formation des porphyres cuprifères sous les stratovolcans actifs des zones de subduction est finalement proposé