Geochemistry of Hydrothermal Chlorite Replacing Igneous Biotite

Abstract

Hydrothermal chlorite replaces igneous biotite in the Gold Hill, Utah, quartz monzonite. Chemical compositions of coexisting biotite and chlorite determined by electron microprobe and wet chemical methods were used to evaluate chemical mass transfer during the alteration process. The mole ratio Mg/(Mg + Fe) varies from 0.52 to 0.65 in the chlorite and from 0.51 to 0.60 in the parent biotite. The Mg content of the chlorite decreases systematically with increase in the volume percent replacement of biotite. Homogenization temperatures of fluid inclusions in nearby quartz microveinlets indicate that the chloritic alteration took place at approximately 200°C.

Textural relationships suggest that the alteration of biotite to chlorite is isovolumetric, but a comparison of mineral compositions and mineral assemblages with phase diagrams in which Al or volume are conserved among solid phases suggests that the chlorite compositions are best explained as a function of reaction progress in an Al-conservative system. The chlorite composition changes in response to changes in solution composition produced by the dissolution of successive small amounts of biotite. Representative mass balance for the alteration of all of the biotite to chlorite in 1 m³ of rock containing 336 moles of biotite indicates that 74 moles of Mg, 35 moles of Fe³⁺, 420 moles of H⁺, and 2 moles of Mn are added to the rock and that 311 moles of K, 54 moles of Fe²⁺, 76 moles of Ti, 53 moles of F, and 6 moles of Cl are lost to solution. The mass transfer for partially altered biotite is 11 to 188 moles of K, 2 to 46 moles of Ti, 2 to 44 moles of F, and 0.3 to 6 moles of Cl removed per cubic meter of rock and 1 to 26 moles of Fe³⁺ and 20 to 347 moles of H⁺ added. The mass transfer of Mg varies from 12 moles added to 32 moles removed per cubic meter of rock depending on mineral composition and extent of replacement.

Резюме

Гидротермальный хлорит заменяет вулканический биотит в кварцевом монзоите из Золотой Горы, Юта. Химический состав сосуществующих биотита и хлорита, определенный при помощи электронной микрозонды и влажных химических методов, использовался для определения переноса химической массы во время процесса перемены. Молярное соотношение Mg/(Mg + Fe) изменяется от 0,52 до 0,65 в хлорите и от 0,51 до 0,60 в материнском биотите. Содержание Mg в хлорите систематически уменьшалось при увеличении объемного процента замененного биотита. Температуры гомогенизации жидких инклюзий в близких кварцевых микровенах указывают на то, что хлоритовые перемены происходили при температуре приблизительно 200°С.

Текстурные соотношения показывают, что процесс перемены биотита в хлорит изохорический, но сравнение минерального состава и минеральных скоплений с фазовыми диаграммами, в которых А1 или объем сохраняются в твердых фазах, указывает на то, что состав хлорита лучше объясняется как функция прогресса реакции в Al-сохраняющейся системе. Состав хлорита изменяется в соответствии с изменениями состава раствора, получаемого растворением последующих малых количеств биотита. Характерное равновесие массы для перемены всего биотита в хлорит в 1 м³ породы, содержащем 336 молей биотита, указывает на то, что 74 моля Mg, 35 молей Fe³⁺, 420 молей Н⁺, и 2 моля Мп добавляются к породе, и что 311 молей К, 54 моля Fe²⁺, 76 молей Ті, 53 моля F, и 6 молей О переходят в раствор. Перенос массы для частично измененного биотита равен 11 до 188 молям К, 2 до 46 молям Ті, 2 до 44 молям F, и 0,3 до 6 молям С1, удаленным из одного кубического метра породы, и 1 до 26 молям Fe³⁺ и 20 до 347 молям Н⁺ добавленным к нему. Перенос массы Mg изменяется от 12 молей добавленных до 32 молей удаленных из кубического метра породы в зависимости от минерального состава и степени замены. [Е.С.]

Resümee

Hydrothermaler Chlorit ersetzt Biotit im Quarz-Monzonit von Gold Hill, Utah. Die chemische Zusammensetzung von koexistierendem Biotit und Chlorit, die mittels Mikrosonde und naßchemischen Methoden untersucht wurde, wurde verwendet, um den chemischen Stofftransport während des Umwandlungsprozesses zu berechnen. Das Mol-Verhältnis Mg/(Mg + Fe) variiert von 0,52 bis 0,65 im Chlorit und von 0,51 bis 0,60 im Ausgangsbiotit. Der Mg-Gehalt des Chlorit nimmt systematisch mit zunehmendem volumenprozentuellen Ersatz des Biotit ab. Die Homogenisierungstemperaturen der fluiden Einschlüsse von benachbarten Quarz-Mikroadern deuten daraufhin, daß die chloritische Umwandlung bei etwa 200°C stattgefunden hat.

Texturelle Beziehungen lassen darauf schließen, daß die Umwandlung Biotit in Chlorit isovolumetrisch ist. Ein Vergleich der Mineralzusammensetzungen und der Mineralvergesellschaftungen mit Phasendiagrammen, in denen das Al oder das Volumen zwischen festen Phasen konstant ist, deutet jedoch darauf hin, daß die Chloritzusammensetzungen am besten als eine Funktion des Reaktionsfortschrittes in einem System mit konstantem Al erklärt werden können. Die Chloritzusammensetzung variiert je nach den Veränderungen der Lösungszusammensetzung, die durch die allmähliche Auflösung von kleinen Biotitanteilen erzeugt wird. Eine repräsentative Massenbilanz für die Umwandlung des gesamten Biotit, der in 1 m³ Gestein enthalten ist und 336 Mol Biotit enthält, in Chlorit deutet daraufhin, daß 74 Mol Mg, 35 Mol Fe³⁺, 420 Mol H⁺, und 2 Mol Mn dem Gestein zugeführt werden, während 311 Mol K, 54 Mol Fe²⁺, 76 Mol Ti, 53 Mol F, und 6 Mol CI in Lösung gehen. Der Massentransport für teilweise umgewandelten Biotit bedeutet eine Abfuhr von 11 bis 188 Mol K, 2 bis 46 Mol Ti, 2 bis 44 Mol F, und 0,3 bis 6 Mol CI und eine Zufuhr von 1 bis 26 Mol Fe³⁺ und 20 bis 347 Mol H⁺ pro m³. Der Massentransport von Mg variiert von 12 Mol Zufuhr bis 32 Mol Abfuhr pro m³ Gestein je nach Mineralzusammensetzung und Ausmaß der Umwandlung. [U.W.]

Résumé

La chlorite hydrothermale remplace la biotite ignée dans la monzonite de quartz du Gold Hill, Utah. Les compositions chimiques de biotite et de chlorite coexistantes, déterminées par microprobe à électrons et par des méthodes chimiques mouillées, ont été utilisées pour évaluer le transfert en masse chimique pendant le procédé d'altération. La proportion de mole Mg/(Mg + Fe) varie de 0,52 à 0,65 dans la chlorite, et de 0,51 à 0,60 dans la biotite mère. Le contenu en Mg de la chlorite décroît systématiquement en proportion avec un accroissement du pourcentage de volume de remplacement de la biotite. Les températures d'homogénisation d'inclusions fluides dans des micro-veines de quartz proches indiquent que l'altération chloritique s'est passée à approximativement 200°C.

Les relations texturales suggèrent que l'altération de biotite en chlorite est isovolumétrique, mais une comparaison de compositions minérales et d'assemblages minéraux avec des diagrammes de phase dans lesquels Al ou le volume sont conservés parmi des phases solides suggère que les compositions de chlorite sont expliquées le mieux en fonction de progrès de réaction dans un système Al-conservatif. La composition de la chlorite change en réponse à des changements de composition de solution produits par la dissolution de petites quantités successives de biotite. L’équilibre de masse représentatif de l'altération de toute la biotite en chlorite dans 1 m³ de roche contenant 336 moles de biotite indique que 74 moles de Mg, 35 moles de Fe³⁺, 420 moles d'H⁺, et 2 moles de Mn sont ajoutées à la roche, et que 311 moles de K, 54 moles de Fe²⁺, 76 moles de Ti, 53 moles de F et 6 moles de Cl sont perdues en solution. Le transfert en masse pour la biotite partiellement altérée est tel que 11 à 188 moles de K, 2 à 46 moles de Ti, 2 à 44 moles de F et 0,3 à 6 moles de Cl sont retirées par un mètre cube de roche, et 1 à 26 moles de Fe³⁺ et 20 à 347 moles d'H⁺ y sont ajoutées. Le transfert en masse de Mg varie de 12 moles ajoutées à 32 moles retirées par mètre cube de roche, dépendant de la composition minérale et de la quantité de remplacement. [D.J.]