Original paper

Rare earth elements and Nd isotopic compositions in banded iron-formations of the Griqualand West Sequence, Northern Cape Province, South Africa

Horstmann, Uwe Eduard; Cornell, David Hugh; Fryer, Brian J.; Scheepers, Reyno; Walraven, Feodor

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 152 Heft 2-4 (2001), p. 439 - 465

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published: Dec 11, 2001

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Abstract

Rare earth element (REE) concentrations and Nd isotopic compositions of various lithotypes of banded iron-formation (BIF) from the Kuruman and Griquatown Iron Formations of the Griqualand West Sequence were determined. A clear difference is seen between the REE chondrite normalised distribution patterns of iron-formation chert lithotypes and intercalated stilpnomelane lutites. The latter are characterised by a considerable enrichment of the LREE relative to the HREE, conspicuous negative Eu anomalies and minor to absent Ce anomalies, whereas the former show more balanced REE curves with variable Eu and Ce anomalies. These observations indicate an origin for the stilpnomelane lutites different from that of the chert lithotypes. The Nd isotopic composition of chert lithotypes from the Kuruman Iron Formation points to a significant influence of submarine hydrothermal sources with εNd values at 2.5 Ga ranging from 1.17 to 3.22. In the Griquatown Iron Formation, where an εNd value at 2.5 Ga of 0.24 was found, this influence seems to be less but still conspicuous. Two groups of stilpnomelane lutite samples could be distinguished by their REE patterns, pointing to stronger contamination by volcanic ash falls in group 1 and to more volcanic-hydrothermal components in group 2. A model of mixing between hydrothermally admixed sea water and volcaniclastic input can, therefore, be assumed also for the REE patterns of the stilpnomelane lutites. It is demonstrated that mixing between sea water and a hydrothermal component explains to a first approximation the observed REE patterns in BIF. An εNd (T) value of –1.59 found in a group 1 stilpnomelane lutite is in agreement with the interpretation of these rock types as volcanic ash falls, pointing to a source different from hydrothermal vents. Only a small portion of these rocks represents a hydrothermal component. Slightly positive Eu anomalies in some chert lithotype samples indicate a hydrothermal source of the REE in BIF, whereas negative Eu anomalies in chert band rhythmites reflect clastic contamination of the BIF depository. The behaviour of Eu is most simply explained by different provenances for chemical and clastic components in the BIF. An at least occasional inflow of river water, carrying some continentally derived REE, acted as a contaminant, but was not a major source of REE (and Fe) in BIF. The REE patterns and the positive, mantle-like eNd values of chert lithotypes from the Kuruman and Griquatown Iron Formations confirm the presence of a strong, hydrothermal component in the Griqualand West subbasin of the early Proterozoic ocean. The REE concentration and Nd isotope data for the Griquatown and Kuruman Iron Formation point to a close similarity of Transvaal BIFs in South Africa and BIFs of the Hamersley Group in Western Australia. A possible link to a common source for these large BIF occurrences seems thus indicated with a REE and Nd isotopic signature typical for iron-formation depositing open ocean waters at the Archaean/Proterozoic boundary.

Kurzfassung

Seltenerd-Element (REE)-Konzentrationen und Nd-Isotopenzusammensetzungen unterschiedlicher banded iron-formation (BIF)-Lithotypen aus der Kuruman– und Griquatown Iron Formation der Griqualand West Sequence wurden analysiert. Chondrit-normalisierte REE-Verteilungen von iron-formation chert Lithotypen zeigen einen deutlichen Unterschied gegenüber zwischengeschalteten Stilpnomelan-Lutiten. Letztere sind durch eine erhebliche Anreicherung der leichten Seltenerd-Elemente (LREE) relativ zu den schweren Seltenerd-Elementen (HREE) gekennzeichnet sowie durch ausgeprägte, negative Eu-Anomalien und geringe bis keine Ce-Anomalien. Die iron-formation chert-Lithotypen weisen ausgeglichenere REE-Kurven auf mit variablen Eu- und Ce-Anomalien. Diese Beobachtungen lassen auf eine unterschiedliche Entstehung der Stilpnomelan-Lutite gegenüber den ironformation chert Lithotypen schließen. Die Nd-Isotopenzusammensetzungen der chert-Lithotypen aus der Kuruman Iron Formation deuten auf einen beachtlichen Einfluß submariner, hydrothermaler Quellen mit εNd-Werten bei 2.5 Ga von 1.17 bis 3.22. In der Griquatown Iron Formation ist dieser Effekt mit εNd bei 2.5 Ga von 0.24 geringer, aber noch deutlich spürbar. Zwei Gruppen von Stilpnomelan-Lutiten konnten auf Grund ihrer REE Verteilungsmuster unterschieden werden, mit stärkerer Kontamination durch vulkanische Tufflagen in der ersten Gruppe und mehr vulkanisch-hydrothermalen Komponenten in der zweiten. Das Modell einer Mischung aus Seewasser mit hydrothermaler Prägung und vulkanoklastischen Einschüttungen kann daher auch die REE-Verteilungsmuster der Stilpnomelan-Lutite erklären. Die REE-Kurven der BIF dokumentieren, zumindest in erster Näherung, eine Mischung aus Seewasser und einer hydrothermalen Komponente. Ein εNd (T)-Wert von –1.59 eines Stilpnomelan-Lutits der Gruppe 1 erlaubt die Interpretation dieses Gesteinstyps als vulkanische Tufflagen, die nicht hydrothermalen Ursprungs sind. Nur ein kleiner Teil der Stilpnomelan-Lutite enthält eine hydrothermale Komponente. Leicht positive Eu-Anomalien in einigen ironformation chert-Lithotypen deuten auf eine hydrothermale Herkunft der REE in BIF, wogegen negative Eu-Anomalien in diesen Lithotypen eine klastische Kontamination des BIF-Ablagerungsraumes reflektieren. Das Verhalten des Eu ist am einfachsten auf Grund der unterschiedlichen Herkunft chemischer und klastischer Komponenten der BIF zu interpretieren. Ein temporärer Zulauf von Flußwasser mit REE kontinentalen Ursprungs kontaminierte die BIF, war aber nicht eine der Hauptquellen der REE (und des Fe) in diesen chemischen Sedimenten. Die REE-Verteilungsmuster und die positiven, mantelartigen εNd-Werte der iron-formation chert-Lithotypen aus der Kuruman- und Griquatown Iron Formation deuten auf eine starke, hydrothermale Komponente im Griqualand West-Teilbecken des frühproterozoischen Ozeans. Die REE-Konzentrationen und Nd-Isotopendaten aus der Kuruman- und Griquatown Iron Formation bestätigen die große Ähnlichkeit der BIFs in Transvaal/Südafrika mit denen der Hamersley Group in West-Australien. Ein möglicher, gemeinsamer Ursprung dieser beiden großen BIF-Vorkommen kann aus REE- und Nd-Isotopensignaturen abgeleitet werden, die charakteristisch sind für Wässer offener Ozeane, von denen an der Grenze Archaikum / Proterozoikum BIF abgelagert wurden.

Keywords

BIFchertdiagenesispaleoenvironmentREEneodyniumisotope ratiossea waterhydrothermal watermixingCape ProvinceSouth Africa