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Rare metal granites, Central Eastern Desert, Egypt

Hassan, Mabrouk Sami Mohamed (2018) Rare metal granites, Central Eastern Desert, Egypt.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Ntaflos, Theodoros

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DOI: 10.25365/thesis.51141
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-16839.96005.739974-6

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Abstract in English

The present PhD-thesis uses petrological, mineralogical and geochemical methods to document and evaluate the highly fractionated rare metal-bearing granites in the northern Arabian-Nubian Shield in Egypt. Two areas (Gabal El-Ineigi and Gabal Abu-Diab), located in the Central Eastern Desert of Egypt, are discussed in detail. Gabal El-Ineigi is a composite pluton consisting of porphyritic syenogranites (SGs) and coarse- to medium-grained highly evolved alkali-feldspar granites (AFGs), intruded into older granodioritic and metagabbroic-dioritic rocks. Several rare metal minerals, including columbite-(Fe), fergusonite-(Y), rutile, zircon and thorite occur in the AFGs. Allanite and epidote are present as accessory phases in the SGs. The mineralogical and geochemical characters of the AFGs are typical of rare metal bearing granites. The AFGs are metaluminous, highly fractionated calc-alkaline granites that contain high amounts of Rb and HFSE (e.g. Nb, Y, U, Th and Ta) and are extremely depleted in Sr and Ba. Their REE patterns are characterized by enrichment in light rare-earth elements (LREE) with a pronounced negative Eu anomaly and tetrad effect, indicating that the granites were affected by late- to postmagmatic stage fluids during their magmatic differentiation. In contrast, the SGs have high Sr and Ba contents, while their REE patterns show moderate enrichment in LREE and a weak negative Eu anomaly. The AFGs are characterized by extremely high 87Rb/86Sr and 87Sr/86Sr ratios, reflecting a clear disturbance of the Rb- Sr isotopic system and which may be an indication for high temperature magma-fluid interaction. In contrast, the SGs have relatively low initial 87Sr/86Sr ratios, giving a Rb-Sr age of 569±15 Ma. Both SGs and AFGs have a positive εNd(t) value, ranging from +7.40 to +5.17, and young Nd-TDM2 ages, from 707 Ma to 893 Ma, reflecting the juvenile crustal nature of the Gabal El-Ineigi granites and precluding the occurrence of pre-Neoproterozoic continental crust in the Arabian-Nubian Shield. The two studied granites in this composite pluton are genetically not associated with each other and indicate a complex origin, involving two compositionally distinct parental magmas that were both modified during magmatic fractionation processes. The SGs were formed by partial melting of a mid-crustal source, with subsequent crystal fractionation, whilst the AFGs were generated by partial melting and fractionation of Nb- and Ta-rich amphibole and/or biotite in the lower crust. The appreciable amounts of fluorine in the magma appear to be responsible for the formation of the rare metal element complexes in the Gabal El-Ineigi AFGs. Gabal Abu-Diab constitute a multiphase pluton, largely consisting of two-mica granites (TMGs) enclosing microgranular enclaves and intruded by garnet bearing muscovite granites (GMGs) and muscovite granites (MGs). These granites are weakly peraluminous, post-collisional and show high SiO2 and alkali contents, with a highly fractionated A-type affinity. Compared to their host TMGs, the microgranular enclaves are strongly peraluminous, with low SiO2 and contain high abundances of TiO2, FeO, MgO, P2O5, F, Li, Nb, Rb, Th, U, Zr, Y and REEs. The TMGs are depleted in Ba, Nb, P and Ti and are enriched in LREEs relative to HREEs, with aweak negative Eu anomaly. In contrast, the GMGs and MGs are extremely depleted in Ba, Sr and Ti and have tetrad-type REE patterns, with pronounced negative Eu anomalies, like rare metals-bearing granites from the Central Eastern Desert of Egypt. The crystallization age of the TMGs was 585±24 Ma (Rb-Sr method). Moreover, the TMGs are characterized by restricted and relatively low initial 87Sr/86Sr ratios, suggesting that they were derived from a depleted mantle source, with insignificant contamination from the older continental crust. The GMGs and MGs have extremely high 87Rb/86Sr and 87Sr/86Sr ratios that reflect a disturbance of the Rb-Sr isotopic system and may give an indication for magmatic-fluid interaction. However, all the granitoids display positive εNd(t), from +4.41 to +6.57, and depleted mantle model ages, with TDM2 from 777 Ma to 956 Ma, which indicate a derivation from a mantle source. The microgranular enclaves likely represent remnants of mantle-derived mafic magmas injected into the more felsic TMGs magma. Geochemical and isotopic data, along with petrogenetic modelling, suggest that TMGs were formed by a low degree of partial melting (25 %) of the pre-existing I-type granodiorites, followed by extensive fractional crystallization and fluid fractionation, to produce the geochemically specialized rare metals GMGs and MGs in the outer part of Abu-Diab pluton. Due to lithospheric delamination process during the post-collisional stage of the evolution of the Arabian-Nubian Shield, the underplated fluid/volatile rich mantle magma interplated and migrated upward to shallow crustal levels, through extensional faults/shear zones, and enhanced the partial melting and fractionation of the granodiorites, to eventually form the Abu-Diab A-type granites. In this study, we focus on the GMGs, due to their enrichment in rare metal accessory minerals, including garnet, columbite, zircon ilmenorutile, rutile and thorite. The garnet (Sps61–72Alm25–35Prp1–4Adr0–1) is strongly enriched in HREE (ΣHREE= 681-2494 ppm with Y= 1616-2827 ppm) with a strong negative Eu anomaly. Zircon contains high Hf, Y, U, Th and Yb contents. Both the homogenous and weakly zoned columbites are characterized by high Mn# (Mn/Mn+Fe) and Ta# (Ta/Ta+Nb) and are thus classified as columbite-(Mn). The GMGs crystallized at relatively low pressures (<2.9 kbar) and low to moderate temperatures (650-850 °C) from relatively oxidized magmas (log fO2= -19 to -15). The spessartine-rich garnet is of magmatic origin and was formed at the expense of biotite in a highly evolved MnO-rich magma. Zircon and Mn-columbite crystallized late, during magmatic differentiation of the GMGs magma. The surrounding calc-alkaline granodiorites could be the source rock; partly melted and then extensively fractionated, to produce the highly fractionated GMGs during the post-collisional stage of the Arabian-Nubian Shield.

Schlagwörter in Englisch

Rare metal granites / Arabian-Nubian Shield / Columbite / Fergusonite / Sr-Nd isotopes / Gabal El-Ineigi / Gabal Abu-Diab / Spessartine garnet / Petrogenesis / Egypt

Abstract in German

Die vorliegende Dissertation verwendet petrologische, mineralogische und geochemische Methoden zur Dokumentation und Bewertung der hochfraktionierten Seltenerdmetall-haltigen Granite im Nord-Arabischen Nubischen Schild in Ägypten. Zwei Bereiche (Gabal El-Ineigi und Gabal Abu-Diab), die sich in der zentralöstlichen Wüste Ägyptens befinden, werden ausführlich betrachtet. Gabal El-Ineigi ist ein Komposit-Pluton, bestehend aus porphyritischen Syenograniten (SGs) und grob- bis mittelkörnigen hochentwickelten Alkalifeldspat- Graniten (AFGs), die in ältere granodioritische und metagabroisch-dioritische Gesteine intrudiert sind. Einige seltene Metallminerale, einschließlich Columbit- (Fe), Fergusonit- (Y), Rutil, Zirkon und Thorit treten in den AFGs auf. Allanit und Epidot sind als zusätzliche Phasen in den SGs vorhanden. Die mineralogischen und geochemischen Eigenschaften der AFGs sind typisch für die seltenen metallhaltigen Granite. Die AFGs sind metallhaltige, hoch fraktionierte kalkalkalische Granite, die hohe Mengen an Rb und HFSE enthalten (z. B. Nb, Y, U, Th und Ta) und extrem arm an Sr und Ba sind. Ihre REE-Muster sind durch eine Anreicherung an leichten Seltenerdelementen (LREE) mit einer ausgeprägten negativen Eu-Anomalie und einem ‚tetrad effect‘ gekennzeichnet, was darauf hindeutet, dass die Granite während ihrer magmatischen Differenzierung von spät- bis postmagmatischen Flüssigkeiten überprägt wurden. Im Gegensatz dazu haben die SGs hohe Sr- und Ba-Gehalte, während ihre REE-Muster eine moderate Anreicherung an LREE und eine schwache negative Eu-Anomalie zeigen. Die AFGs sind durch extrem hohe 87Rb/86Sr- und 87Sr/86Sr-Verhältnisse gekennzeichnet, was eine deutliche Störung des Rb-Sr-Isotopensystems widerspiegelt und ein Hinweis auf eine Hochtemperatur-Magma-Fluid-Wechselwirkung sein kann. Im Gegensatz dazu haben die SGs relativ niedrige initiale 87Sr/86Sr-Verhältnisse, was ein Rb-Sr-Alter von 569 ± 15 Ma ergibt. Sowohl SG als auch AFG zeigen einen positiven εNd (t) -Wert, der von +7,40 bis +5,17 reicht, und junge Nd-TDM2 Alter von 707 Ma bis 893 Ma. Diese Alter zeigen den juvenilen Charakter der Kruste im Gebiet der Gabal El-Ineigi-Granite und schließen somit den Einfluß von pre-Neoproterozoische kontinentalen Kruste im Arabisch-Nubischen Schild aus. Die beiden untersuchten Granite in diesem zusammengesetzten Pluton sind genetisch nicht miteinander assoziiert und weisen auf einen komplexen Ursprung hin, an dem zwei unterschiedliche Stammagmen beteiligt sind, die beide während magmatischer Fraktionierungsprozesse modifiziert wurden. Die SGs wurden durch partielles Schmelzen einer Quelle in der mittleren Kruste mit anschließender Kristallfraktionierung gebildet, während die AFGs durch partielles Schmelzen und Fraktionieren von Nb- und Ta-reichem Amphibol und / oder Biotit in der unteren Kruste erzeugt wurden. Die erheblichen Mengen an Fluor im Magma scheinen für die Bildung der selten Metallkomplexe in den Gabal El-Ineigi AFGs verantwortlich zu sein. Gabal Abu-Diab ist ein mehrphasiger Pluton, der hauptsächlich aus Zweiglimmergraniten (TMGs) besteht, die mikrogranulare Enklaven umschließen und von granathaltigen Muskovit Graniten (GMGs) und Muskovit-Graniten (MGs) durchdrungen sind. Diese Granite sind schwach peraluminös, postkollisional und zeigen hohe SiO2- und Alkaligehalte mit einer stark fraktionierten A-Typ-Affinität. Im Vergleich zu ihren Wirts-TMGs sind die mikrogranularen Enklaven stark peraluminös, mit niedrigem SiO2 und enthalten hohe Anteile an TiO2, FeO, MgO, P2O5, F, Li, Nb, Rb, Th, U, Zr, Y und SEE. Die TMGs sind in Ba, Nb, P und Ti verarmt und in LREEs relativ zu HREE angereichert, mit einer schwachen negativen Eu-Anomalie. Im Gegensatz dazu sind die GMGs und MGs extrem verarmt in Ba, Sr und Ti und haben ‚tetrad-type‘ REE-Muster mit ausgeprägten negativen Eu- Anomalien, wie seltene metallhaltige Granite aus der Central Eastern Desert Ägyptens. Das Kristallisationsalter der TMGs beträgt 585 ± 24 Ma (Rb-Sr-Methode). Darüber hinaus sind die TMGs durch begrenzte und relativ niedrige initialen 87Sr/86Sr-Verhältnisse gekennzeichnet, was darauf hindeutet, dass sie von einer verarmten Mantel Quelle stammen, mit einer unbedeutenden Kontamination von älterer kontinentalen Kruste. Die GMGs und MGs weisen extrem hohe 87Rb/86Sr und 87Sr/86Sr-Verhältnisse auf, die eine Störung des Rb-Sr-Isotopensystems widerspiegeln und einen Hinweis auf eine Magma-Fluid Wechselwirkung geben. Alle Granitoide zeigen jedoch positive εNd(t), von +4,41 bis +6,57, und Modellalter mit TDM2-Altern von 777 Ma bis 956 Ma, die für eine Genese aus einer Mantelquelle sprechen. Die mikrogranularen Enklaven stellen wahrscheinlich Reste von mafischen Mantelmagmen dar, die in das eher felsische TMG-Magma intrudiert sind. Die geochemischen Daten und Isotopensigaturen, in Kombination mit petrogenetischen Modellen, deuten darauf hin, dass die TMGs durch einen geringen Grad an partiellem Schmelzen (25%) der bereits vorhandenen I-Typ-Granodiorite gebildet wurden. Sukzessiv folgten dann umfangreiche fraktionierte Kristallisation und Flüssigkeitsfraktionierung, die zu den geochemisch speziellen und seltenen Metall-GMGs und MGs im äußeren Teil von Abu-Diab Pluton führten. Aufgrund des lithosphärischen Delaminationsprozesses während der post kollisionalen Phase in der Entwicklung des Arabisch-Nubischen Schildes migriert das unterplattete fluid-/volatil-reiche Mantelmagma durch extensive Verwerfungen/Scherzonen nach oben in die Krustenebene und verstärk so das partielle Schmelzen und die Fraktionierung der Granodiorite, um schließlich die Granite vom Abu-Diab A-Typ zu bilden. In dieser Studie konzentrieren wir uns auf die GMGs aufgrund ihrer Anreicherung von seltenen Metall-Akksessorien, einschließlich Granat, Columbit, Zirkon Ilmenorutil, Rutil und Thorit. Der Granat (Sps61-72Alm25-35Prp1-4Adr0-1) ist stark in HREE angereichert (ΣHREE = 681-2494 ppm mit Y = 1616-2827 ppm) mit einer stark negativen Eu-Anomalie. Zirkon enthält hohe Hf-, Y-, U-, Th- und Yb-Gehalte. Sowohl die homogenen als auch die schwach zonierten Columbite sind durch eine hohe Mn# (Mn/Mn + Fe) und Ta# (Ta/Ta + Nb) gekennzeichnet und werden somit als Columbit-(Mn) klassifiziert. Die GMGs kristallisierten bei relativ niedrigen Drücken (<2,9 kbar) und niedrigen bis mäßigen Temperaturen (650-850 °C) aus relativ oxidierten Magmen (log fO2 = -19 bis -15). Der spessartinreiche Granat ist magmatischen Ursprungs und wurde auf Kosten von Biotit in einem hochentwickelten MnO-reichen Magma gebildet. Zirkon und Mn-Columbit kristallisierten spät während der magmatischen Differenzierung des GMG-Magmas. Die umgebenden kalkalkalischen Granodiorite könnten das Ausgangsgestein sein; teilweise geschmolzen und dann umfassend fraktioniert, um die hoch-fraktionierten GMGs während der Post-Kollisionsphase des Arabisch-Nubischen Schildes zu erzeugen.

Schlagwörter in Deutsch

Seltener Metall-Granit / Arabische-Nubischer Schild / Ägypten / magmatischer Fraktionierungsprozess / Granat / Columbit / Petrogenese

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Hassan, Mabrouk Sami Mohamed
Title: Rare metal granites, Central Eastern Desert, Egypt
Subtitle: geochemistry and economic potentiality
Umfangsangabe: 159 Seiten
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Erdwissenschaften)
Publication year: 2018
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Ntaflos, Theodoros
Assessor: Mogessi, Aberra
2. Assessor: Puziewicz, Jacek
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie
38 Geowissenschaften > 38.25 Petrologie: Allgemeines
38 Geowissenschaften > 38.17 Geochronologie
38 Geowissenschaften > 38.30 Mineralogie
38 Geowissenschaften > 38.26 Magmatische Gesteine
AC Number: AC15032840
Item ID: 51141
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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