An Investigation of Mineralogical, Textural and Geochemical Ore Type Variations in the Nabberen Nepheline Syenite Deposit

Abstract

Dette prosjektet har som mål å kartlegge mineralogiske, teksturelle og geokjemiske variasjoner i Nabbaren nefelinsyenittforekomst på Stjernøy, Finnmark. Dette gjøres hovedsakelig for å produsere et oppdatert kart over råmaterialet i forekomsten, til bruk i planlegging av oppredningsprosessen. Forståelse av variasjoner i en forekomst under produksjon er essensielt for optimal utnyttelse av ressursen, ettersom kjente forskjeller i forekomstens mineralogi og kjemi kan påvirke foretrukken oppbygging av oppredningsverket. De fleste studiene som er gjort på Stjernøy har fokusert på stor-skala geologisk kartlegging av provinsen og dermed ikke presentert detaljkart over forekomsten. Studier har også blitt gjennomført med fokus på kjemiske trender innad i forekomsten, men mineralogiske og teksturelle undersøkelser har ofte blitt neglisjert. Denne masteroppgaven forsøker derfor å dekke dette feltet. I løpet av høsten 2020 ble dagbruddet på Nabbaren kartlagt og 32 prøver av råmaterialet ble innhentet. Dette skulle utgjøre grunnlaget for analysene som ble gjort i forbindelse med denne masteroppgaven. For å undersøke materialet ble optisk mikroskopi, scanning electron microscopy (SEM) og automated mineralogy (AM), electron probe micro analyser (EPMA), X-ray diffraction (XRD) og X-ray fluorescence (XRF) gjennomført på alle de 32 prøvene. Dette for å produsere mineralogisk, teksturell og geokjemisk data, knytte disse sammen og øke kunnskapen om romlig fordeling av egenskaper i råmaterialet. Tidlig i undersøkelsene av materialet ble det oppdaget at mineralogiske variasjoner kunne tilskrives to hovedmalmtyper: pyroksen-type nefelinsyenitt og biotitt-type nefelinsyenitt, basert på dominerende spormineraler i materialet. Ved nærmere undersøkelser ble også teksturelle variasjoner innad i hver av disse hovedtypene oppdaget, ettersom både pyroksen-typen og biotitt-typen inneholdt områder med tydelige klaser av spormineraler og områder der spormineralene opptrådde som mindre separerte korn. Nefelinsyenittmalmtypene er likevel forventet å stamme fra samme magmakilde, ettersom magmatiske strømningsmønstre og sub-solidus hydrotermale reaksjoner kan forklare både teksturelle og mineralogiske forskjeller innad i nefelin syenitten. Den største kilden til urenheter i nefelinsyenittproduktet som produseres på Stjernøy er forhøyet Fe-innhold i konsentratet. I oppredningsprosessen forventes Fe-innholdet i råmaterialet å minimeres, ettersom mafiske spormineraler fjernes fra konsentratet gjennom magnetseparering. Dette bekreftes både av sammenligninger mellom XRF resultater før og etter magnetseparering og av undersøkelser gjort på innhold av spesifikke elementer i hver mineralfase, gjennom EPMA. Likevel rapporterer oppredningsverket om Fe-innhold høyere enn spesifikasjonene for konsentratet. Tydelige forskjeller i Fe-fordelingen, mellom mineraler, er observert for de forskjellige malmtypene. I pyroksen-typen utgjør mafiske spormineraler mer enn 95% av Fe innholdet i råmaterialet, mens nefelin står for det meste av Fe i simulert produkt. Kalsitt står for det største bidraget av Fe i biotitt-typen både før og etter lab-skala magnetseparering. Ettersom biotitt-type nefelinsyenitt inneholder mer Fe i mineralfaser som forventes å finnes i konsentratet anbefales det å deponere biotitt-typen som gråberg, eller å endre oppredningsprosessen slik at Fe-rik kalsitt fjernes.

This project aims to map out mineralogical, textural and geochemical variations within the Nabbaren nepheline syenite deposit located at Stjernøy, Finnmark, for the purpose of producing an updated raw material resource map directly applicable for production planning. The understanding of variations in an active mineral production site is crucial for allowing optimal utilisation of the resource, as differences might influence ideal mineral processing. However, most mapping studies previously done at Stjernøy has focused on a large-scale geological mapping of the province and have thereby not provided detailed mapping of the operative deposit. Some work has also been done on chemical trends and variations within the open pit, but mineralogical and textural investigations have often been neglected. This master thesis will therefore attempt to fill this void. In the autumn of 2020 on-site mapping of the open pit at Nabbaren was executed and 32 raw material samples were collected, to work as a base for analyses executed in this thesis. To thoroughly investigate the sampled material optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and automated mineralogy (AM), electron probe micro analyser (EPMA), X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) were executed on all samples. Aiming to add mineralogical, textural and geochemical data, tie these together and increase the understanding of spatial distribution in raw material properties. Early on it was discovered that mineralogical differences separated the nepheline syenite raw material into two main ore types: the pyroxene type nepheline syenite and the biotite type nepheline syenite, based on dominating accessory minerals within the material. By further inspection it was also discovered textural varieties within these main ore types, as both the pyroxene type and the biotite type occurred with strong clustering of accessory phases in some areas, whereas other areas showed smaller separated accessory mineral grains. All nepheline syenite ore types are believed to originate from the same parental magma, as magmatic flow phenomena and sub-solidus hydrothermal alteration can explain both the textural and mineralogic variations in the nepheline syenite. The main impurity, influencing the product quality at Stjernøy, is high Fe-contents of the product. In mineral processing at Stjernøy it is expected that the Fe content of the raw material is minimized, as mafic accessory phases are removed from the concentrate through magnetic separation. This is confirmed both by comparing XRF results before and after magnetic separation, and by investigating element concentrations within each mineral phase, through EPMA. But Fe-contents above concentrate specifications are still reported by the plant. Prominent variations between the ore types are observed when it comes to Fe distribution between mineral phases. In the pyroxene type nepheline syenite the mafic accessory phases seem to make up more than 95% of the samples’ total Fe content, and nepheline is the main contributor to increased Fe-contents in the simulated product, whereas calcite is the most Fe-rich phase in the biotite type both before and after lab-scale magnetic separation. As the biotite type nepheline syenite hosts more Fe in phases expected to be left in the product, it is advised that this ore type is deposited as waste or that the mineral processing circuit is adapted to try and remove Fe-rich calcite.