Geochemical and isotope studies on polymetallic hydrothermal vein systems in the Harz Mountains, Germany
Polymetallische hydrothermale Gänge im Harz wurden jahrhundertelang auf Blei, Silber,
Kupfer und später Zink sowie die Industrieminerale Fluorit und Baryt abgebaut. Das
Gangkarbonat in diesen Mineralisationen ist mit Gehalten von bis zu mehr als 0,2 Gew.-
% bemerkenswert reich an Seltenen Erden, was auf μm-große Einschlüsse von
Seltenerd-Fluorokarbonaten, hauptsächlich Synchysit, zurückzuführen ist.
Gangkarbonat aus dem gesamten Harz und Fluorit aus dem Unterharz wurden auf ihre
Spurenelemente untersucht. Die dachförmigen REE-Muster mit einem Peak bei
Europium aus Gangkarbonaten im Oberharz sind wahrscheinlich einzigartig und
repräsentieren die Seltenerdverteilung von Synchysit-(Nd), dem seltensten Endglied der
Synchysitgruppe. Die Seltenerdverteilung in Karbonaten im Unterharz unterscheidet
sich von der im Oberharz und ist auf Einschlüsse von Synchysit-(Ce) zurückzuführen.
Das Unterharzsystem ist vergleichbar mit einem Vorkommen in Sardinien (Italien), wo
ebenfalls Synchysit-Ce in hydrothermalen Gängen vorkommt.
Verschiedene Proben von Synchysiten wurden mittels Elektronenstrahlmikrosonde
untersucht und erstmals für mehrere verschiedene Vorkommen aus unterschiedlichen
Gangsystemen detailliert beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass
Seltenerdfluorokarbonate die geochemische Signatur des hydrothermalen Fluids, aus
dem sie ausgefällt wurden, auch nach einer hydrothermalen Remobilisierung sowie
unabhängig vom Matrixmaterial bewahren können. Die unterschiedliche
Zusammensetzung der Synchysite im Oberharz im Vergleich zum Mittel- und Unterharz
spiegelt daher wahrscheinlich unterschiedliche hydrothermale Systeme wider.
Sm-Nd Isotopendaten von Gangkarbonaten und -fluoriten deuten ebenfalls auf ein
großes und einheitliches hydrothermales System im Oberharz und ein komplexes,
mehrstufiges System im Mittel- und Unterharz hin. Alle aufgeschlossenen Gesteine
können als Ausgangsmaterial der Seltenerdmineralisationen ausgeschlossen werden,
die Daten deuten jedoch auf eine Quelle krustalen Ursprungs hin, die wahrscheinlich
aus dem nicht aufgeschlossenen Grundgebirge des Harzes stammt. Die Sr-
Isotopendaten derselben Proben sind einheitlicher, was wahrscheinlich darauf
zurückzuführen ist, dass die hydrothermalen Fluide über lange Zeiträume durch die
paläozoischen Sedimentgesteine migriert sind und diese dabei ausgelaugt haben.
Polymetallic hydrothermal veins in the Harz Mountains were mined for centuries for the
metals lead, silver, copper, later zinc and the industrial minerals fluorite and barite.
Gangue carbonate in these vein mineralizations is remarkably enriched in rare earth
elements with contents up to more than 0.2 wt.-% REE, which is due to the abundance
of μm-scaled REE fluorocarbonates, mainly synchysite.
Gangue carbonate from all over the Harz Mountains and fluorite from the Lower Harz
Mountains were analyzed for their trace-element geochemistry. Roof-shaped REE
patterns with a peak at Europium from Upper Harz Mountains carbonate are probably
unique and represent the REE distribution of synchysite-Nd, which is the rarest endmember
of the synchysite group. The REE distribution in Lower Harz Mountains
carbonate is different and due to synchysite-Ce inclusions. The Lower Harz Mountains
system is comparable to a similar occurrence in Sardinia, Italy, were synchysite-Ce in
hydrothermal veins is also described.
Various synchysite specimen were investigated by electron microprobe analysis and
described in detail for the first time for various locations in different vein systems. It
could be shown, that REE fluorocarbonates can preserve the geochemical signature of
the hydrothermal fluid they primarily precipitate from, even after remobilization in a
hydrothermal environment and independent of the matrix material. Thus, different
composition of synchysite in the Upper Harz Mountains compared to the Middle and
Lower Harz Mountains likely represents different hydrothermal systems.
Sm-Nd isotope data on gangue carbonate and fluorite also hint on a large and uniform
hydrothermal system in the Upper Harz Mountains and a complex multi-stage system in
the Middle and Lower Harz Mountains. All exposed countryrocks can be excluded as
the source of the REE mineralizations, however, the data hint on a source of crustal
origin, probably from the unexposed basement of the Harz Mountains. Sr isotope data
on the same samples are more uniform and likely represent equilibration of the
hydrothermal fluids with the Paleozoic sedimentary rocks during migration.
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