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Geological Survey of Canada
Bulletin 617

Targeted Geoscience Initiative 5: volcanic- and sediment-hosted massive-sulfide deposit genesis and exploration methods

J.M. Peter and M.G. Gadd (editors) 

© Her Majesty the Queen in Right of Canada, as represented by the Minister of Natural Resources, 2022

ISSN 2560-7219
ISBN 978-0-660-39280-6
Catalogue No. M42-617E-PDF
Permanent link: https://doi.org/10.4095/327993

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Peter, J.M. and Gadd, M.G. (ed.), 2022. Targeted Geoscience Initiative 5: volcanic- and
     sediment-hosted massive-sulfide deposit genesis and exploration methods; Geological Survey of 
     Canada, Bulletin 617, 344 p. https://doi.org/10.4095/327993

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Abstract

This bulletin presents results of research conducted under the Volcanic- and Sedimentary-hosted Base Metals Ore Systems project of phase 5 of the Geological Survey of Canada’s Targeted Geoscience Initiative program. The research contributions have advanced genetic and exploration models for volcanic- and sedimentary-hosted base-metal deposits and developed new laboratory, geophysical, and field techniques in support of mineral exploration.

A range of deposit types were studied: i) polymetallic hyper-enriched black shale (HEBS) deposits; ii) sedimentary exhalative (SEDEX) Pb-Zn deposits in fine-grained clastic sedimentary rocks; iii) Mississippi Valley–type (MVT) carbonate-hosted Pb-Zn deposits; iv) fracture-controlled replacement (FCR) Zn-Pb deposits; v) carbonate-hosted magnesite (MgCO3) and vi) rare-earth element (REE)–F-Ba deposits that are spatially associated with the MVT deposits; and vii) volcanogenic massive sulfide (VMS) deposits hosted in volcanic and volcanic-sedimentary host-rock sequences. 

The following noteworthy research highlights are documented in the bulletin (in no particular order):

•	A robust genetic model was developed that is consistent with all geological observations and geochemical, mineralogical, and isotopic data for hyper-enriched black shale (HEBS) deposits in the northern Canadian Cordillera (Yukon and British Columbia). This style of mineralization, though generally thin (<10 cm), is stratiform and geographically widespread at a particular time-stratigraphic horizon. Metals were scavenged from seawater onto Fe-Mn oxyhydroxide particulates in the water column and shuttled to the seafloor to precipitate on the seafloor and in the shallow subsurface by fixation from sulfide originating from microbial reduction of seawater sulfate.

•	Trace-element; carbonate REE; fluid inclusion; and C, O, Sr, and Pb isotope characteristics of pyrite were established for various carbonate-hosted MVT (Shag, Monarch, Kicking Horse, Munroe, Coral, Robb Lake, Pend Oreille, Reeves MacDonald, Jersey-Emerald, HB, and Duncan), FCR (Abbott-Wagner), magnesite (Mount Brussilof), and REE-F-Ba (Rock Canyon Creek) deposits in British Columbia in host rocks ranging from middle to late Cambrian and Late Devonian to middle Carboniferous. Differences between the trace-element compositions, carbonate REE and C and O isotope compositions, and fluid inclusion microthermometric properties of the carbonate minerals reflect different fluid histories and indicate precipitation from (or interaction with) various fluids (i.e. seawater, basinal brine, and meteoric water) over a large temperature range.

•	Laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) analyses of single primary fluid inclusions from the feeder zone, together with LA-ICP-MS analyses of sulfide minerals from the Windy Craggy VMS deposit in northwestern British Columbia, show that some elements that are commonly ascribed to magmatic input (e.g. Au, Bi, Co, Mo, Sb, Sn, and Te) are present in the mineralizing fluids and/or sulfides, suggesting a direct magmatic contribution of some metals to the deposit, in addition to a leached source for some metals.

•	Laser ablation–inductively coupled plasma–mass spectrometry analyses of pyrite in rocks that are time-stratigraphically equivalent to SEDEX deposits of the MacMillan Pass district, Selwyn Basin, Yukon, demonstrate that the Zn content (of pyrite) can be used to vector toward mineralization at the kilometre scale.

•	A new methodology using automated mineralogical analysis of the (typically unused) fine (<250 µm) fraction heavy mineral concentrate of till was developed, using the metamorphosed Izok Lake VMS deposit as a test site. Results show that a larger dispersal train is delineated than that defined by using the traditional coarser fraction.

•	Integrated analysis of multidisciplinary data sets (3-D modelling of rock types, lithogeochemical, mineralogical, rock properties, seismic, and magnetotelluric) visualized the mineralization and paleofluid pathways in the footwall at the Lalor VMS mine, Manitoba. Visualization was facilitated by the mineralogical changes common in high-grade metamorphism.

•	Three-dimensional forward modelling and inversion of magnetotelluric data using unstructured meshes, together with lithology and resistivity values from wireline logs, resulted in more realistic images of narrow and structurally dismembered sulfide mineralization at the Lalor VMS mine, Manitoba.

The research presented herein provides the foundation for future work focused on gaining deeper insight into the processes responsible for, and the detection of, concealed volcanic- and sediment-hosted base-metal sulfide deposits.

Résumé

Ce bulletin contient les résultats de recherches menées dans le cadre du projet sur les systèmes minéralisés à métaux communs dans des roches volcaniques et des roches sédimentaires de la phase 5 du programme de l’Initiative géoscientifique ciblée de la Commission géologique du Canada. Les contributions de ces recherches ont fait progresser les modèles génétiques et les modèles d’exploration des gîtes de métaux communs dans des roches volcaniques et des roches sédimentaires et ont permis de mettre au point de nouvelles techniques de laboratoire, de levés géophysiques et de terrain en soutien à l’exploration minérale. 

Nous avons étudié un éventail de types de gîtes : i) des gîtes de shales noirs surenrichis à minéralisation polymétallique; ii) des gîtes exhalatifs de Pb-Zn dans des roches sédimentaires (SEDEX), encaissés dans des roches sédimentaires détritiques à grain fin; iii) des gîtes de Pb Zn dans des roches carbonatées de type Mississippi-Valley (M-V); iv) des gîtes de Zn Pb de remplacement contrôlé par des fractures (RCF); v) des gîtes de magnésite (MgCO3) dans des roches carbonatées; vi) des gîtes d’éléments de terres rares (ÉTR)-F-Ba associés spatialement à des gîtes de type M-V; et vii) des gîtes de sulfures massifs volcanogènes (SMV) dans des séquences de roches hôtes volcaniques et volcanosédimentaires. 

Dans le présent bulletin, on présente les points saillants des recherches suivants (sans ordre particulier) : 

•	On a élaboré un solide modèle génétique cohérent avec toutes les observations géologiques et les données géochimiques, minéralogiques et isotopiques pour les gîtes de shales noirs surenrichis du nord de la Cordillère canadienne (Yukon et Colombie-Britannique). Ce style de minéralisation, bien que généralement mince (< 10 cm), est stratiforme et largement répandu géographiquement au niveau d’un horizon chronostratigraphique particulier. Les métaux ont été captés dans l’eau de mer par des matières particulaires d’oxyhydroxyde de Fe Mn dans la colonne d’eau et transportés vers le fond marin pour précipiter à la surface de celui-ci ou à faible profondeur par fixation sur les sulfures produits par la réduction microbienne des sulfates de l’eau de mer.

•	Des études portant sur les éléments en traces, les éléments de terres rares des carbonates, les inclusions fluides et les caractéristiques isotopiques de C, de O, de Sr et de Pb de la pyrite ont été réalisées pour différents gîtes de type M-V encaissés dans des roches carbonatées (Shag, Monarch, Kicking Horse, Munroe, Coral, Robb Lake, Pend Oreille, Reeves MacDonald, Jersey-Emerald, HB et Duncan), des gîtes de RCF (Abbott-Wagner), des gîtes de magnésite (Mount Brussilof) et des gîtes de ÉTR F Ba (Rock Canyon Creek), en Colombie-Britannique, que l’on trouve dans des roches hôtes remontant au Cambrien moyen-tardif et au Dévonien tardif-Carbonifère moyen. Les différences entre les compositions en éléments traces, les éléments de terres rares et les compositions isotopiques de C et de O des carbonates, ainsi que les propriétés microthermométriques des inclusions fluides dans les minéraux carbonatés nous indiquent l’existence de fluides ayant connu des histoires différentes et signalent une précipitation à partir de (ou une interaction avec) différents fluides (eau de mer, saumure de bassin et eau météorique) sur une vaste plage de températures. 

•	Les analyses par spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif jumelée à l'ablation par laser (LA-ICP-MS) d’inclusions fluides primaires simples de la zone nourricière ainsi que les analyses par la même méthode de minéraux sulfurés du gisement de sulfures massifs volcanogènes (SMV) de Windy Craggy, dans le nord-ouest de la Colombie-Britannique, montrent que certains éléments habituellement associés à un apport magmatique (p. ex. Au, Bi, Co, Mo, Sb, Sn et Te) sont présents dans les fluides minéralisateurs, les sulfures ou les deux, ce qui suggère une contribution magmatique directe de certains métaux au gisement, en plus d’une provenance par lessivage de certains métaux.

•	Les analyses par LA-ICP-MS de la pyrite de roches chronostratigraphiquement équivalentes à celles des gîtes SEDEX du district de MacMillan Pass, dans le bassin Selwin, au Yukon, montrent que la teneur en zinc (de la pyrite) peut servir de vecteur pointant vers la minéralisation à l’échelle kilométrique.

•	On a élaboré une nouvelle méthodologie fondée sur l’analyse minéralogique automatisée de la fraction fine (<250 µm), généralement ignorée, des concentrés de minéraux lourds du till en utilisant comme site d’essai le gisement de SMV métamorphisé d’Izok Lake. Les résultats montrent que la traînée de dispersion délimitée est plus large que celle définie en utilisant la fraction classique, plus grossière. 

•	L’analyse intégrée d’ensembles de données multidisciplinaires (modélisation 3D des types de roches, des propriétés des roches ainsi que des données lithogéochimiques, minéralogiques, sismiques et magnétotelluriques) permet de visualiser la minéralisation et les voies de circulation des paléofluides dans l’éponte inférieure du gisement de SMV de la mine Lalor, au Manitoba. La visualisation a été facilitée par les changements minéralogiques produits par le métamorphisme de degré élevé. 

•	La modélisation 3D directe (prévisionnelle) et inverse des données magnétotelluriques suivant une grille non structurée, combinée à l’information lithologique et aux valeurs de résistivité tirées de diagraphies par câble, a produit des images plus réalistes de la zone de minéralisation sulfurée, étroite et structuralement discontinue, du gisement de SMV de la mine Lalor, au Manitoba. 

Les résultats de recherche présentés ici forment la fondation de futurs travaux visant à acquérir une meilleure compréhension des processus responsables de la formation des gîtes de sulfures de métaux communs dans des roches volcaniques et des roches sédimentaires, ainsi que de la détection des gisements cachés.

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