Petrogenesis of Fe-Ti-P rich rock in the Siljan-Hvarnes Intrusion, S.E. Norway

Abstract

Siljan -Hvarnes-intrusjonen ligger i Vestfold Graben, i S.E. Norge. Intrusjonen ble formet for 277 M. år siden under den mest aktive vulkanske perioden i dannelsen av Oslo Graben. Intrusjonen består av flere sammenflettede plutoniske ringstrukturer som ble dannet av sekvensielle intrusjoner som utviklet seg fra øst mot vest. Den totale lengden av intrusjonen er ca. 20 km. Det har blitt utført lite akademisk arbeid på denne intrusjonen tidligere, og denne studien tar sikte på å øke den generelle forståelsen av bergartsdannelsen i plutonen og de assosierte forekomstene av Fe-Ti-P-rik bergart. Noen av de større mineraliseringene av Fe-Ti-P-rik bergart i feltområdet har tidligere blitt utvunnet for jernmalm, slik som Eiriks Gruve, Jernskottet og dagbruddene ved Kåsemyrene. I dag kan apatitt fra malmen utgjøre en økonomisk interesse på grunn av høyt fosforinnhold og høy berikelse av sjeldne jordarter. Bulk-analyse av Fe-Ti-P malm og plutoniske bergarter er utført med XRF og LA-ICP-MS. Geokjemisk mineralanalyse ble utført med mikroprobe og LA-ICP-MS. Ytterligere geomagnetiske analyser ble utført for å evaluere om magnetiske anomalier fra større Fe-Ti-P-forekomster kunne identifiseres i geomagnetiske kart med åpen kildekode fra NGU. Resultatene antyder at plutonen intruderte i den øvre del av skorpen, og består av ferroiske alkaliske metalluminøse granitoider som danner en geokjemisk trend fra monzonittisk til syenittisk komposisjon. Granitoidbergartene ble senere impregnert av monzodiorittiske- ganger og kvarts-syenittiske årer. Analyse av feltspat-fenokrystaller antyder at granitoidene stammer fra forskjellige dyptliggende magmakilder. Dette kan i dag observeres som områder assosiert med to eller flere magmatyper som opptrer sammen. Bulkanalyser avslører at generelt alle bergarter i plutonen er beriket på sjeldne jordarter, og spesielt på de lette jordartene. Fe-Ti-P-rik bergart har et totalinnhold på sjeldne jordarter på 1500 ppm til 4000 ppm. Mineralanalyse antyder at apatitt er hovedbæreren for sjeldne jordarter med et innhold som spenner fra 1 vekt% til 3 vekt% i prøvene fra Kåsemyrene, og opptil 7 vekt% i apatitt fra Eiriks Gruve. P2O5- innholdet i homogent Fe-Ti-P-rikt fjell varierer fra 4,4 vekt% - 5,4 vekt%. Kjemisk- og teksturanalyse antyder at den Fe-Ti-P-rike bergarten er dannet ved krystallisering av en jernrik væskefase. Denne ble mest sannsynlig dannet ved at en homogen magma skilte seg til to ikke-blandbare væsker, en silikat-rik væske og en jern-rik væske. Alle større Fe-Ti-P-forekomster tolkes til at de ble dannet av synkende Fe-rik væske som samlet seg langs solide grenser i magmakammeret. Den geomagnetiske studien avdekket at eksisterende og tilgjengelige geomagnetiske kart har for grov oppløsning til å vise magnetiske anomalier fra større kjente Fe-Ti-P-rike malmer. Imidlertid har alle Fe-Ti-P mineraliseringer en tendens til å opptre langs overlappende magnetiske og radiometriske grenser tolket for å representere litologiske kontakter.

The Siljan -Hvarnes Intrusion located in the Vestfold Graben, S.E. Norway, formed 277 Ma. during the most active volcanic period of the rifting of Oslo Graben. The intrusion consists of several nested rings developing westwards over a span of ~20 km. Little academic work has been conducted on this intrusion previously, and this study aims to increase the general petrogenesis of the pluton and investigate associated occurrences of Fe-Ti-P rich rock. Some of the larger mineralizations of Fe-Ti-P rich rock have previously been mined for iron ore, such as Eiriks Gruve, Jernskottet and the mine pits at Kåsemyrene. Today, apatite from the ore might represent an economical interest due to high phosphorus content and enrichment of REE (Rare Earth Elements). Bulk rock analysis of both plutonic rocks and ore have been conducted with XRF and LA-ICP-MS. Mineral geochemical analysis was obtained with microprobe, and LA-ICP-MS. Additional geomagnetic analyses were conducted to evaluate if magnetic anomalies from larger Fe-Ti-P occurrences could be identified in open-source geomagnetic maps. Results implied the pluton is shallowly emplaced and consists of ferroan alkalic metaluminous granitoids, which form a geochemical trend from monzonites to syenites. The granitoid rocks were later impregnated of monzodioritic dikes and quartz syenitic veins. Feldspar phenocryst analysis suggests the granitoids stem from various more deeply situated magma sources which today can be observed as areas with extensive magma mingling. Bulk analyses reveal all rocks in the pluton are enriched in REEs and especially LREE. The Fe-Ti-P rich rock have TREE (Total Rare Earth Element) content from 1500 ppm to 4000 ppm. Mineral analysis suggest apatite is the main carrier for REEs with REE content ranging from 1 wt.% - 3 wt.% at Kåsemyrene, and up to 7 wt.% in apatite from Eiriks Gruve. P2O5 content of homogeneous Fe-Ti-P rich rock ranges from 4,4 wt.% – 5,4 wt.%. Chemical and textural analysis suggest the Fe-Ti-P rich rock formed by crystallization of a Fe-rich liquid separated during silicate liquid immiscibility. Larger Fe-Ti-P occurrences are interpreted to stem from sinking Fe-rich liquid which pooled along internal solid contacts in the magma chamber. The geomagnetic study revealed existing open-source geomagnetic maps have too coarse resolution to depict anomalies from known Fe-Ti-P rich ores. However, all Fe-Ti-P mineralizations tend to accumulate along overlapping magnetic and radiometric boundaries interpreted to represent lithological contacts.