background image

GEOLOGICA  CARPATHICA,  APRIL  2008,  59,  2,  117—132

www.geologicacarpathica.sk

Trace element chemistry of low-temperature pyrites  –

an indicator of past changes in fluid chemistry and fluid

migration paths (Eger Graben, Czech Republic)

JIŘÍ  ZACHARIÁŠ

1

,  JIŘÍ  ADAMOVIČ

2

  and  ANNA  LANGROVÁ

2

1

Institute of Geochemistry, Mineralogy and Mineral Resources, Faculty of Science, Charles University, Albertov 6, 128 43 Praha 2,

Czech Republic;  zachar@natur.cuni.cz

2

Institute of Geology, Academy of Sciences CR, Rozvojová 269, 165 02 Praha 6, Czech Republic

(Manuscript received March 13, 2007; accepted in revised form November 13, 2007)

Abstract: Trace element contents in six generations of low-temperature ( <   ~ 5 0 °C) pyrite (Py-1 to Py-6) recognized in
silicified Cretaceous sandstones near Jeníkov in the central Eger (Ohře) Graben, Bohemian Massif, are used to decipher
late  Cenozoic  fluid  circulation  patterns  in  the  graben.  Py-1  and  framboidal  Py-2  are  generally  coeval  with  silica
cementation, while Py-3 to Py-6 postdate this process. Py-6 forms inclusions in barite crystals, clearly separated in time
from silica cementation. The average arsenic contents of 0.01, 0.15, 2.94, 3.91, 6.14 and 0.76 wt. % As for Py-1 through
Py-6 and anomalous average nickel and cobalt contents in the oldest Py-6 inclusions (3.47 and 8.86 wt. %, respectively)
indicate the presence of two contrasting fluid circulation patterns in the graben fill during the period of pyrite formation
(?Pliocene to Recent). Early fluids (Py-1 to Py-5) are interpreted as progressive deepening, fault-driven fluids originating
from acidic volcanics in the basement. The late fluids are shallow, topography-driven fluids in contact with the Tertiary
lignite beds. Earlier data from structural geology allow us to explain such change in fluid circulation by regional tectonic
stress rearrangement, which inhibited the activity on the Krušné hory Fault at about 400 ka.

Key words: Eger Graben,  silicification, fluid chemistry, fluid circulation patterns, pyrite, arsenian pyrite, arsenic.

Introduction

Low-temperature  formation  of  pyrite  is  associated  with  di-
agenetic  processes  in  sediments,  often  combined  with  bac-
terial  precipitation  under  anoxic  conditions,  and  with
hydrothermal  activity  at  shallow  depths  under  the  sur-
face.  Pyrite  is  commonly  a  stoichiometric  FeS

2

  phase;

however,  significant  amounts  of  As,  Ni,  Co  and  minor  Au
amounts  were  found  in  many  natural  samples.  As-rich  py-
rites  typically  appear  to  have  formed  at  relatively  low
temperatures  and  often  exhibit  habits  that  suggest  rapid
precipitation  (Abraitis  et  al.  2004).  The  extent  of  As  solu-
bility  and  type  of  bonding  in  the  pyrite  structure  (iso-
morphous  As

+ 1

S

—1

  substitution  vs.  nanoinclusions  of

arsenopyrite)  was  recently  discussed  by  Reich  &  Becker
(2006).  Klemm  (1965)  demonstrated  experimentally  ex-
tensive  solid  solutions  between  pyrite  (FeS

2

),  cattierite

(CoS

2

),  and  vaesite  (NiS

2

)  at  high  temperatures  ( ~ 500 °C

and  higher),  and  limited  ones  at  low  temperatures.  In
contrast,  low-temperature  (< ~150 °C)  pyrites  are  com-
monly  rich  in  Co,  or  Ni,  or  both  (bravoite).  The  formation
temperatures  of  natural  mineral  assemblages  are,  howev-
er,  still  poorly  constrained.

In  the  Eger  (Ohře)  Graben  of  the  Bohemian  Massif,

low-temperature  pyrite  formation  is  associated  with  fluid
advection  along  major  faults  in  Cenozoic  times.  Flows  of
low-saline  epithermal  fluids  were  driven  by  topography,
being  heated  on  deep  circulation  paths,  or  by  the  heat
gradient  along  subvolcanic  bodies.  These  fluids  were

streamed  into  adjacent  aquifers  of  coarse  detrital  sedi-
ments,  thereby  causing  pervasive  silicification  and  sul-
phidic  mineralization  in  zones  several  kilometers  broad.
The  lateral  extent  of  the  epithermal  mineralization  is  fur-
ther  enhanced  by  the  presence  of  sealing  horizons  above
the  aquifers.

In  this  paper  we  describe  textural  and  chemical

variations  in  six  successive  pyrite  generations,  all
associated  with  low-temperature  ( ~ 30—60 °C)  shallow
fossil  subsurface  geothermal  discharge,  in  the  silicified
Lower  Turonian  quartzose  sandstones  along  the  Krušné
hory  Fault  in  northwestern  Bohemia.  The  relationship
between  mineral  chemistry  and  present  and  past  fluid
chemistry  is  also  discussed.  The  studied  samples  come
from  the  quarry  of  Jeníkov  west  of  Teplice  in  the  Eger
Graben,  ca.  4 km  from  its  northern  boundary  fault.

Geological setting

Late  Alpine  epithermal  mineralization  is  associated

with  the  northern  boundary  fault  of  the  graben  –  the
Krušné  hory  Fault  (Fig. 1).  The  oldest  tectonic  activity
on  the  Krušné  hory  Fault  dates  back  to  the  Oligocene-
Miocene,  but  the  largest  movements  are  very  young,
extending  beyond  the  Pliocene/Pleistocene  boundary
(Malkovský  1980;  Coubal  &  Adamovič  2000).  In  the
Jeníkov  area,  the  total  vertical  displacement  magnitude
on  the  Krušné  hory  Fault  is  ~ 700 m  (Malkovský  1980).

background image

118

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

Fig. 1. A – A location map of the study area (frame) within the Eger Graben. B – A schematic geological map of the Jeníkov area.

background image

119

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

Newly  formed  mineral  phases  are  typically  hosted  by  the
Teplice  rhyolite  ignimbrite  body  and  the  overlying
Cretaceous 

and 

Neogene 

detrital 

sediments. 

Three

mineralization  stages  were  recognized  by  Čadek  et  al.
(1963):  1. silicification  stage,  2. sulphidic  stage  with
pyrite,  marcasite,  sphalerite  and  U  oxides,  and  the
youngest  3. barite-fluorite  stage  also  characterized  by  Fe
and  U  oxides,  galena,  sphalerite,  pyrite  etc.  As  for  the
character  of  fluids  and  ages  of  mineralization,  the  individ-
ual  stages  have  been  poorly  constrained  up  to  now.  Barite
and  fluorite  of  stage  3,  however,  are  clearly  separated  from
stages  1—2  in  time,  and  are  compatible  with  the  chemistry
of  the  present  thermal  springs  in  the  area.

Teplice  rhyolite  ignimbrite

The  basement  of  the  central  part  of  the  Eger  Graben  is

formed  by  rhyolite  ignimbrite  of  Carboniferous  age,
pertaining  to  the  Altenberg-Teplice  Caldera,  extensively
exposed  in  the  adjacent  part  of  the  Krušné  hory
Mountains  (e.g.  Breiter  1997;  Ulrych  et  al.  2006).  A
WSW—ENE-trending  segment  of  the  basement  between
Teplice  and  Jeníkov  (Fig. 1),  called  the  Teplice-Lahoš
Ridge,  functioned  as  a  paleohigh  in  the  pre-Late
Cretaceous  relief.  Later,  it  was  buried  beneath  Cretaceous
marine  sediments  and  beneath  the  Tertiary  sedimentary
and  volcanic  fill  of  the  Eger  Graben.  Faulted  boundaries
of  the  Teplice-Lahoš   Ridge  suggest  its  tectonic  uplift
after  the  deposition  of  the  Eger  Graben  fill.  Rhyolite
ignimbrite  in  its  core  became  re-exposed  to  the  surface
by  headward  erosion  of  the  Bílina  River  tributaries  at
approximately  500 ka  (Čadek  et  al.  1964;  Čadek  &
Malkovský  1968).  Feldspar  crystals  in  the  rhyolite  are
sericitized  and  kaolinized.  Dense  joints  are  lined  with
bleached  zones  and  covered  with  young  mineral  phases,
notably  hematite  and  quartz.

Upper  Cretaceous  sediments

In  the  central  part  of  the  Eger  Graben,  Cretaceous

sediments  have  a  stratigraphic  range  of  Cenomanian  to
Coniacian,  and  a  preserved  thickness  of  max.  80 m.  Most
of  the  sedimentary  package  is  formed  by  mud-dominated
lithologies  characterized  by  low  permeabilities,  not
permitting  effective  fluid  circulation.

Cenomanian  sediments  of  continental/estuarine  origin

(Čech  &  Váně  1988)  were  deposited  in  topographic  lows
of  the  pre-Cenomanian  relief  only.  They  are  arranged
into  upwards-fining  cycles  of  conglomerate  –  arkosic
sandstone  –  micaceous  mudstone,  and  reach  thicknesses
of max. 20 m (Hrob area NW of Jeníkov).

Lower  Turonian  marine  sandstones  transgressively  over-

lie  the  Teplice  rhyolite.  They  reach  a  thickness  of  7—25 m,
wedging  out  towards  the  axis  of  the  Teplice-Lahoš   Ridge.
The  sandstone  is  massive  or  cross-bedded,  composed  of
quartz  with  an  admixture  of  feldspar  and  rhyolite  frag-
ments  ( < 3 %).  Rhyolite  boulders  up  to  several  meters  in
size  are  common  immediately  above  the  basal  transgres-
sive  surface,  together  with  coalified  plant  debris.  Rhyolite

granules  to  pebbles  can  be  found  near  the  top  of  the  sand-
stone  body,  and  locally  concentrate  into  a  bed  of  matrix-
supported  conglomerate.  The  amount  of  glauconite  in-
creases  upwards  in  the  topmost  2  meters.  In  the  area
between  the  Krušné  hory  Fault  and  the  Teplice-Lahoš
Ridge,  Lower  Turonian  sandstones  are  pervasively
cemented  by  secondary  quartz.  The  amount  of  cement
generally  increases  towards  the  top  of  the  sandstone  body.
Silicified  sandstones  range  from  very  light  grey  to  dark
grey  in  colour,  depending  on  the  proportion  of  sulphides
(mostly  pyrite)  in  the  cement  (Fig. 2a—c).  A  prominent
peak  in  the  content  of  sulphides  occurs  in  the  topmost
0.5 m  (Fig. 3).  Higher  up,  the  silicified  sandstones  are
unconformably  overlain  by  Middle  Turonian  greyish
brown  mudstones  and  marlstones  (Čech  &  Váně  1988)  of
very  low  primary  permeability.

Structural  controls  on  quartz  cementation  and  sulphidic
mineralization

Quartz  cement  is  widely  distributed  in  permeable

detrital  sediments  of  Cretaceous  and  Neogene  age  over  a
large  area  in  the  central  Eger  Graben,  along  the  Krušné
hory  Fault.  The  highest  intensity  of  quartz  cementation
is  visible  in  areas  where  the  sediments  are  directly
underlain  by  the  Teplice  rhyolite  and  overlain  by  a  low-
permeability  sealant  rock.  This  suggests  an  advective
fluid  flow  mediated  by  the  dense  network  of  fractures  in
the  underlying  rhyolite.  Feldspar  kaolinization  along  the
flow  paths  could  have  served  as  a  potential  source  of
silica,  as  has  already  been  demonstrated  by  Čadek  &
Malkovský  (1968).

Brittle  tectonic  features  in  the  silicified  sediments  of

the  central  Eger  Graben  are  more  or  less  coeval  with
silicification  but  most  of  them  clearly  post-date  the  main
silicification  episode,  as  suggested  by  frequent  striated
fault  planes  in  the  cemented  rock.  This  excludes  a  very
young  (Holocene)  age  for  the  main  silicification  episode.
However,  the  silicification  process  must  be  younger  than
~18 Ma,  which  is  the  age  of  the  youngest  preserved
silicified  strata  (Burdigalian)  along  the  Krušné  hory
Fault  (Váně  1961).  In  the  early  stages,  the  advective/
convective  fluid  flow  could  have  been  a  thermally-
driven  process,  connected  with  the  Serravallian  to
Tortonian  (13.4  to  9 Ma)  volcanic  activity  in  this  part  of
the  graben  (Cajz  2000).  However,  no  direct  evidence  has
been  reported.

The  precipitation  of  fluorite  and  barite  is  clearly

younger  than  the  silicification  process.  Its  Late  Pliocene
to  Pleistocene  age,  coeval  with  the  largest  movements  on
the  Krušné  hory  Fault  and  fault-scarp  formation,  is
suggested  by  various  lines  of  geological  evidence
(Čadek  et  al.  1963;  Fengl  1995).  These  include  the
compatible  chemistry  of  the  present  thermal  waters  in  the
area,  the  concentration  of  barite  and  fluorite  occurrences
in  zones  of  modern  groundwater  issues,  and  their
presence  on  joints  dilated  during  the  formation  of  the
Krušné  hory  Fault  scarp.  In  the  Teplice  area,  timing  of
the  barite  mineralization  can  be  constrained  by  the

background image

120

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

exhumation  of  the  Teplice-Lahoš   Ridge  ( ~ 500 ka;
Čadek  et  al.  1964)  but  the  youngest  “radiobarites”  are
Holocene  in  age,  as  indicated  by  the  disequilibrium  be-
tween  the  activity  of 

226

Ra  and  the  parent  uranium  in

barite  (Ulrych  et  al.  2007).

The  REE  patterns  and  uniform 

ε

Nd

(t)  data  close  to  zero

for  the  fluorites  from  the  Krušné  hory  Mountains  show

interaction  of  the  mineralizing  fluids  with  granites
(Höhndorf  et  al.  1994).  Fluid  inclusion  studies  of
sandstone-hosted  vein  fluorite  indicated  homogenization
temperatures  between  50  and  160 °C  and  transport  by
fluids  of  Na—HCO

3

—Cl  type  (Höhndorf  et  al.  1994).

In  the  Jeníkov  Quarry  and  its  wider  vicinity,  no  lateral

variations  in  the  intensity  of  silicification  of  Lower

Fig. 2.  a  –  A  close-up  view  of  silicified  sandstones  (quartzites).  A  subvertical  fracture  with  sulphide  impregnation  along  its  walls  is
marked  by  an  arrow.  The  strike  of  sulphidic  impregnations,  parallel  to  the  original  sandstone  bedding,  is  highlighted  by  a  dashed  line.
b—c  –  Examples  of  sulphidic  impregnations  parallel  to  sandstone  bedding.  d—j  –  Photomicrographs  in  transmitted  light:  d  –  Clasts  of
detrital  quartz  (Qd)  rimmed  by  quartz  overgrowths  (Q3)  with  subordinate  pyrite  mineralization  (Py-2,  not  labelled  on  the  photo).  Sand-
stone pores are partly filled with microcrystalline silica (Q4) with disseminated sulphides (Py-2, -3, -4). Pore spaces that were left free after
Q4  and  Py-2  to  Py-4  precipitation  were  finally  lined  by  crystals  of  late  quartz  (Q5).  e  –  Early  pyrite  (Py-1/Py-2)  trapped  in  quartz  over-
growths (Q3). Pyrite precipitation partly postdates the onset of silicification (dustline formation). f – A quartz clast with two dustlines (in-
dicated by arrows). Pyrite (Py-2) rims the outermost (intra-Qtz-3) dustline. Microcrystalline silica (Q4) and pyrites (Py-2 trough Py-4) fill
the pores in sandstone. g – A detail of a quartz clast where Py-2 formation postdates quartz overgrowth formation (Q3). Numerous glob-
ules of framboidal Py-2, rimmed by laths of Py-2 intergrown with microcrystalline silica (Q4). h – Silica-sulphidic filling of an early frac-
ture.  Central  part  of  the  photo  is  occupied  by  an  angular  fragment  of  silicified  (Q3)  sandstone  with  pores  completely  filled  with  massive
pyrite. i – A pore that was left free after Py-2 and Qtz-4 formation was later filled with kaolinite. j – Successive pyrite overgrowths
(Py-1 Py-3 Py-4; see Fig. 5c for details) on a quartz clast (Qd) with a Qtz-3 (Q3) rim. Black arrows indicate the dust line.

background image

121

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

Turonian  sandstone  have  been  observed.  In  contrast,  dis-
seminated  sulphidic  mineralization  is  visible  in  its
southeastern  sector  only,  that  is  above  the  apical  part  of
the  pre-Cretaceous  rhyolite  paleohigh.  Sulphides  in  the
Lower  Turonian  sandstones  occur  mostly  disseminated
(those  that  coprecipitated  with  the  silica  cement),  less
frequently  fracture-related  (Fig. 2a)  and  even  enclosed  in
barite  crystals  lining  the  joint  planes.

The  study  of  successive  generations  of  sulphides,

spanning  the  period  between  the  older  silicification
process  and  the  young  baritization,  should  therefore
provide  clues  to  the  Pliocene,  Pleistocene  and  Holocene
fluid  flow  parameters  in  the  late  evolution  of  a  rift  basin.

Methods

Polished  thin  sections  were  prepared  from  about  20

samples  of  silicified  sandstone  from  the  Jeníkov  Quarry.
Sulphide  textures  and  paragenetic  relationships  were
studied  by  transmitted  and  reflected  light  optical
microscopy  and  by  the  back-scattered  electron  mode
(BSE)  of  electron  scanning  microscopy.

In  order  to  study  the  intensity  of  pyritization  in  the

quarry,  13  whole-rock  samples  each  about  0.5—1 kg  in
weight  were  taken  in  a  vertical  section  across  the  quartz-
ites  up  to  the  sealing  mudstone  horizon  (Fig. 3).  After  ho-
mogenization,  the  samples  were  analysed  by  XRF
(Institute  of  Chemical  Technology  in  Prague,  J.  Maixner
and  S.  Randáková).

The  chemistry  of  all  pyrite  generations  was  studied  by

the  microprobe  WD  system  (Cameca  SX  100,  Institute  of
Geology,  AS  CR,  Prague).  Elements  measured:  S  (Ka),  Fe

(Ka),  Co  (Ka),  Ni  (Ka),  Zn  (Ka),  As  (La)  and  Tl  (Mb).
Spectrometers used: LTAP (As), LPET (Tl), PET (S), and LIF
(Fe,  Co,  Ni).  Standards  used:  marcasite  (Fe,  S),  metallic  Co
(Co), metallic Ni (Ni), GaAs (As), ZnS (Zn) and TlBr (Tl). A
total  of  147  analyses  were  performed  using  the  WD  system.

The  ED  system  (CamScan  S4  microscope,  Link  ISIS

300  ED  system,  operator  R.  Procházka,  Faculty  of  Sci-
ence,  Charles  University  in  Prague,  Prague)  was  used  for  a
systematic  study  of  Py-6  in  barite  from  a  wafer  prepared
for  the  study  of  fluid  inclusions.  Later,  a  thin  section  was
prepared  from  the  rest  of  the  barite  crystal,  and  a  similar
analytical  profile  was  studied  using  the  WD  system.  In  to-
tal,  132  analyses  were  performed  using  the  ED  system.

Results

Schematic  paragenetic  relationships  between  individual

primary  minerals  from  the  silicified  Cretaceous  sandstones
at  the  Jeníkov  Quarry  are  summarized  in  Fig. 4.  In  general
two  mineralization  stages  can  be  distinguished.  The  older,
stage 1  comprises  pervasive  silica  precipitation  in  the  pores
of  sandstones,  accompanied  –  and  partly  followed  –  by
the  precipitation  of  sulphides  and  minor  uraninite.  The
minerals  of  stage 2,  among  which  barite  is  the  most
frequent,  and  sulphides,  uraninite  and  fluorite  are  less
common,  was  typically  precipitated  on  the  walls  of
subvertical  fractures  (mostly  NE-SW).  Stage 2  is  separated
from  stage 1  by  a  time  gap  during  which  most  of  the  brittle
deformation  took  place.  In  places,  fractures  whose
formation  coincided  with  late  stage 1  are  filled  with
microcrystalline  quartz  matrix  with  sulphidic  and  uraninite
impregnations  and  with  angular  (breccia-like)  fragments  of

Fig. 3. Major and trace element contents in a section across Lower Turonian sandstones (quartzites). Analytical data correlate well with
the  visually  remarkable  sulphidic  enrichment  in  the  topmost  0.5 m  of  the  quartzite.  Sulphide  (Fe,  S)  enrichment  coincides  with  As,  Zn,
U  and  Ba  enrichment.  Sampling  sites  are  shown  on  the  inserted  photo.  The  course  of  the  sharp  boundary  between  sulphide-enriched
and sulphide-poor quartzites is highlighted by a white-dashed line. dQcg – dark coarse-grained quartzite.

background image

122

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

silicified  sandstone  (Fig. 2h).  Five  generations  of  quartz
were  identified  as  products  of  sandstone  silicification.  Early
silica  formation  has  the  character  of  euhedral  quartz
overgrowths  (Qtz-1,  Qtz-3)  on  detrital  grains  (Fig. 2e—g),
rarely  interspersed  with  scepter-like  (Qtz-2)  quartz  crystal
growth. 

Microcrystalline 

quartz 

cement 

(Qtz-4) 

and

megaquartz  crystals  (Qtz-5)  fill  the  remaining  pores  and
voids  in  the  rock  (Fig. 2d,g—i).  Six  generations  of  pyrite
(Py)  were  recognized,  referred  to  as  Py-1  (oldest)  to  Py-6
(youngest),  and  compared  with  the  silicification  products.
Typically,  the  early  ones  (Py-1,  -2)  crystallized  more  or  less
together  with  the  silica  cement  (Qtz-4)  in  the  pores  of
Turonian  sandstones  (Fig. 2g),  while  the  late  ones  (Py-3,  -4,
-5)  fill  the  remaining  pores  and  voids  in  the  silicified
sandstones,  or  joints  and  fractures  in  the  rock  (Py-5,  -6;
Fig. 5g).  The  main  stage  of  pyrite  formation  (Py-2  and  Py-3)
generally 

postdates 

early 

silica 

formation 

(quartz

overgrowths;  Qtz-3;  Fig. 2g).  In  some  samples,  however,  the
onset  of  pyrite  precipitation  is  contemporaneous  with  the
formation  of  late  zones  of  quartz  overgrowths  (Qtz-3;
Fig. 2e—f),  that  is  it  slightly  precedes  microcrystalline  silica
cement  (Qtz-4).  The  timing  of  rare  Py-1  (Fig. 5a—c)  relative
to  the  neoformed  silica  phases  is  disputable.

We  have  observed  the  following  textural  relationships

between  individual  pyrite  generations:  i)  Py-1 Py-3
Py-4  (Figs. 5a—c,f);  ii)  Py-2 Py-4  (Fig. 5d);  iii)  brittle-
fractures  related  pyrites  (Py-5 Py-6;  Fig.  5g)  are  young-
er  than  the  early  ones  (Py-1  to  Py-4).  The  temporal  rela-
tionship  between  Py-1  and  Py-2  is  based  on  indirect
evidence  only:  on  the  presence  of  corrosion  features  in
Py-1  and  their  absence  in  Py-2  and  younger  generations.

Representative  microprobe  analyses  of  pyrites  of  the

different  generations  are  given  in  Table 1.

Pyrite-1

Remnants  of  Py-1,  exhibiting  chemical  corrosion  fea-

tures,  were  found  in  the  cores  of  some  Py-3  and  Py-4

grains.  No  individual  Py-1  grains  were  found.  Py-1  relics
are  up  to  80 mm  in  size,  corrosion  is  weak  (Fig. 5a,c)  to
strong  (Fig. 5b).  Composite  grains  with  pyrite  relics
typically  fill  pores  in  silicified  sandstones,  or  less
frequently  imperfectly  overgrow  quartz  clasts  (Fig. 5c,f).

Py-1  is  free  of  marked  internal  structures  like  As-rich  or

As-low  bands  on  BSE  images.  Some  grains,  however,  exhibit
tiny  micropores  (Fig. 5a).  Py-1  is  almost  stoichiometric
FeS

2

.

 

A

 

minor  admixture  of  As  (0.06 wt. %)  was  identified  in

one  analysis  only.  The  arithmetical  mean  and  standard
deviation  of  arsenic  content  is  0.01 ± 0.02 wt. %  As  (n = 6).
No  other  elements  were  detected.

Pyrite-2

Py-2  forms  framboids  ( ~ 3  to  ~ 70 mm  in  size),  mostly

with  disordered  (Fig. 6b),  less  frequently  with  ordered
(Fig. 6a; 

cubic 

close 

packing) 

internal 

structures.

Individual  pyrite  crystallites  form  cubes  ( ~ 0.5  to  ~ 1 mm
in  size),  no  octahedral  ones  were  recorded.  Framboids
occur  either  isolated  or  in  clusters  consisting  of  up  to  5
framboids.  In  contrast  to  Py-1,  Py-2  lacks  any  corrosion
features.

We  further  noticed  a  process  of  “welding”  of  individu-

al  pyrite  crystallites  within  the  framboids,  the  result  of
which  are  massive  framboids  with  little  pore  space  and
with  relatively  large  grains  (Fig. 6c).  Framboids  are  also
frequently  overgrown  with  pyrite  (Py-4)  cubes  ( ~ 5 mm  in
size;  Fig. 6b  and  6d),  or  laths  (Fig. 6f).

The  empirical  formulae  of  Py-2  suggest  a  low  anion

surplus  (S + As + Tl:  2.044—2.014)  and  a  cation  deficit  (Fe:
0.956—0.986).  Of  trace  elements,  only  arsenic  was  detected
(0.11—0.60 wt. %  As).  The  arithmetical  mean  and  standard
deviation  of  arsenic  contents  are  0.15 ± 0.04 wt. %  As  (n = 6).

Framboid  size  was  measured  systematically  in  two

samples  (Fig. 7).  Sample  JL-9B  represents  quartzite  with
disseminated  sulphides  from  the  most  sulphide-rich  zone
of  Lower  Turonian  sandstones  just  below  (0—0.5 m)  the

Fig. 4.  Paragenetic  relationships
between  primary  minerals  in
silicified  Cretaceous  sandstones
of  the  Jeníkov  Quarry  near
Teplice,  northern  Bohemia.

background image

123

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

Fig. 5. Textures of the studied pyrites; crosses indicate sites of microprobe analyses; numbers refer to As wt. %; Sph = sphalerite:
a – corroded Py-1 relics enclosed by a Py-3 grain (BSE image); b – intensively corroded Py-1 grain enclosed in Py-3 and overgrown by
Py-4;  c  –  Py-1  relics  growing  on  a  quartz  grain  with  Qtz-2  overgrowths  (BSE);  d  –  Py-4  aggregate  enclosing  framboidal  pyrite  (Py-2;
BSE); e – euhedral Py-4 grain with several As-rich oscillation growth zones (BSE); f – complex grain with Py-4 overgrowth and fracture
fillings (BSE);  g – fracture in silicified sandstone with coatings of Py-5 and a younger barite filling (transmitted light); h—i – As-rich Py-5
grains  (BSE);  j  –  a  barite  crystal  (section  parallel  to  010  ??)  with  a  large  unzoned  core  and  compositionally  zoned  rim.  Line  A—B—C
marks  the  position  of  the  microanalytical  profile  where  Py-6  chemistry  was  studied  (transmitted  light);  k  –  a  part  of  barite  rim  showing
composite Py-6 needles (transmitted light);  l – a detailed view of a Py-6 needle composed of tens of individual Py-6 crystals (transmitted
light);  m  –  Py-6  crystals  from  the  core  of  barite  crystal  (BSE);  n  –  a  detail  of  a  Py-6  lath/needle  from  the  outermost  growth  zone
exhibiting complex fan-like textures (marcasite?; BSE).

background image

124

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

sealing  horizon  of  Middle  Turonian  claystones.  Sample
JL-15  comes  from  a  fracture  with  sulphides  in  otherwise
sulphide-free  quartzite.  This  sample  is  located  about
150 m  to  the  NW  away  from  the  most  sulphide-rich  zone
and  stratigraphically  about  4—5 m  below  the  Lower/
Middle  Turonian  boundary.  Both  data  show  lognormal
distribution  of  similar  standard  deviations,  but  of
significantly  different  median  values  ( ~ 12 

µm  and

~30.5 

µm  for  JL-9B  and  JL-15,  respectively).  Data  from

other,  less  systematically  studied  samples,  are  similar  to
those  from  JL-9B.

Pyrite-3

Py-3  forms  crystal-faced  overgrowth  zones  on  Py-1

(Fig. 5a—c,f).  It  is  homogeneous  on  BSE  (0.17—39 wt. %

Table 1:  Representative  microprobe  (WDX)  analyses  of  the  studied  pyrites  and  numbers  of  atoms  per  formula  unit  calculated  to  3
positions (n.d. – not detected).

As),  except  for  1  or  2  thin  ( ~ 1—2 

µm)  As-rich  growth

bands  (4.11 wt. %  As).  The  arithmetical  mean  and  standard
deviation  of  arsenic  contents  are  0.31 ± 0.20 wt. %  As
(n = 12).  No  other  trace  elements  were  detected.

Pyrite-4

Py-4  forms  euhedral  overgrowths  on  the  Py-3  to  Py-1

surfaces  (Fig. 5b—d)  and/or  individual  grains  (cubes  max.
50 

µm  in  size;  Fig. 6b—d,e),  disseminated  in  (intergrown

with?)  fine-grained  silica  cement  (Qtz-4).

The  overgrowths  typically  consist  of  several  thick  As-

rich  zones  separated  by  thin  ( ~ 1—2 

µm)  As-poor  bands

(Fig. 5c—d).  Numerous  As-poor  patches  located  close  to
the  base  of  Py-4  overgrowths  most  probably  represent
crystallization  seeds/centres.  Individual  pyrite  grains/

background image

125

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

zones  exhibit  similar  textures.  Py-4  rarely  encloses/
overgrows  small  (up  to  20 

µm)  grains  of  sphalerite

or  galena.

Arsenic  admixture  is  high  (2.16—6.62 wt. %  As),

but  nickel  and  cobalt  were  below  detection  limits.
The  arithmetical  mean  and  standard  deviation  of
arsenic  contents  are  3.91 ± 1.64 wt. %  As  (n = 24).
Thallium  was  found  in  some  grains  only,  ranging
from  0.01  to  0.12 wt. %.

In  some  samples,  we  have  found  BSE-homogeneous

pyrite  cubes  (isolated  or  overgrowing  Py-2  framboids;
Fig. 6b—e)  with  high  As  contents  (2.94 ± 1.46 wt. %  As;
n = 8)  similar  to  those  in  typical  Py-4.

Pyrite-5

Py-5  forms  massive  coatings  on  post-silicification

fractures  (where  it  is  overgrown  by  barite  with  Py-6;
Fig. 5g)  or  individual  grains  up  to  80 

µm  in  size  in

the  pores  of  silicified  sandstone  in  the  vicinity  of
these  fractures.

Py-5  grains  frequently  exhibit  a  crystallization

core,  consisting  of  one  or  more  As-rich  grains
(Fig. 5h—i)  and  a  massive  thick  overgrowth  zone.
Small  variations  in  the  As/S  ratio  can  be  found  in
the  overgrowths  (Fig. 5h).  In  contrast  to  Py-3  and
Py-4,  all  growth  zones  (including  grain  cores)  are
extremely  As-rich  (4.05—7.96 wt. %

 

As).  The  arith-

Fig. 6. Various framboid textures. Crosses indicate sites of microprobe analyses. Numbers refer to As wt. %. a – a framboid cluster with
cubic closely packed internal structure (BSE image); b – a framboid with disordered texture and Py-4f cube overgrowths; – a “welded”
framboid  approaching  massive  texture  (BSE);  d  –  a  framboid  overgrown  with  Py-4f  and  isolated  Py-4f  crystals  (BSE);  e  –  framboid
relics in the core of a Py-4 grain (BSE); f – a framboid globule overgrown with Py-4 laths (transmitted light).

Fig. 7. Frequency distribution of framboid size in two samples, both ex-
hibiting  lognormal  data  distribution.

background image

126

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

metical  mean  and  standard  deviation  of  arsenic  contents
are  6.14 ± 1.10 wt. %  As  (n = 29).  Thallium  contents  range
between  0.0  and  0.082 wt. %;  arithmetical  mean  and
standard  deviation  correspond  to  0.05 ± 0.02  (n = 17).  No
nickel  or  cobalt  admixtures  were  detected.

Pyrite-6

Py-6  forms  numerous  tiny  (max.  10 mm;  Fig. 5m—n)

crystal  inclusions  in  barite  crystals  that  precipitated  in
late  fractures  in  the  quartzites.  Rows  (lines)  of  single  Py-6
inclusions  typically  rim  individual  barite  growth  zones
(Fig. 5j).  Only  those  from  the  latest,  or  several  latest,
growth  zones  are  commonly  arranged  in  needles,

consisting  of  welded  single  crystals  (Fig. 5k—l).  In  rare
cases,  an  amorphous  carbon  phase  was  identified  associ-
ated  with  these  needle-shaped  Py-6  crystals.

Significant  variations  in  the  pyrite  trace  element

chemistry  were  recorded  along  the  profile  across  several
barite  growth  zones  (Fig. 8a):  the  oldest  Py-6  inclusions
are  variably  enriched  in  Ni  (3.47 ± 2.09 wt. %),  Co
(8.86 ± 3.68 wt. %)  with  traces  of  As  and  Zn,  while  the
younger  ones  are  only  slightly  enriched  in  arsenic
(0.76 wt. %  As).  The  transition  zone  at  the  boundary
between  Ni-Co-rich  core  and  Ni-Co-free  rim  is  marked  by
a  sudden  increase  in  arsenic  content  (up  to  4 wt. %  As;
restricted  to  one  growth  zone  only).  The  arithmetical
mean  and  standard  deviation  of  arsenic  contents  are

Fig. 8.  Chemistry  of  Py-6  inclusions  from  a  barite  crystal:  a  –  systematic  variations  in  Py-6  crystals  along  the  studied  profile  A—B—C
(Fig. 5j); b – a correlation of Co-Ni and As-Ni contents from Py-6.

background image

127

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

0.76 ± 0.71 wt. %  As  (n = 33).  Py-6  is
the 

most 

thallium-rich 

generation

0.19 ± 0.13 wt. % 

Tl 

(n = 15; 

mean

± SD),  although  Tl  was  not  detected  in
all  studied  Py-6  grains.

Trace  element  chemistry  of  pyrites  –
a  summary

Individual  pyrite  generations/types

differ  significantly  in  arsenic  content
(average  As  contents:  0.01,  0.15,  2.94,
3.91,  6.14  and  0.76 wt. %  As  for  Py-1
through  Py-6,  respectively;  Fig. 9)  that
gradually  increases  towards  younger
pyrite  types  (except  for  Py-6).  Arsenic
contents  in  most  of  the  analysed  Py-1
and  Py-2  grains  were  below  the
detection  limits.

Arsenic  contents  correlate  well  with

sulphur 

deficit, 

suggesting 

As

+ 1

S

—1

Fig. 9.  A  summary  of  arsenic  admixture  statistics  (arithmetical  mean  and  standard
deviation) for the studied pyrites.

Fig. 10.  Correlation  of  the  arsenic  admixture  in  pyrites  with:  a  –
sulphur  deficiency  –  indicating  As

+1

S

—1

  substitution  mechanism;

b – cation deficiency (mostly iron deficiency).

substitution  mechanism  (Fig. 10a).  No  correlation  exists
between  Ni  or  Co  and  As  contents  in  Py-6  grains,  but  it
does  exist  between  the  Ni  and  Co  contents  themselves
(Fig. 8b)  for  pyrite  inclusions  in  the  studied  barite  crystal
(Fig. 5j).  We  have  further  noticed  a  tendency  for  slight
iron  deficiency  (Ni  and  Co  were  below  detection  limits  in
most  analysed  grains)  with  gradually  increasing  arsenic
content  (Fig. 10).  This  trend,  however,  is  not  statistically
well  documented,  because  of  the  given  standard  deviation
for  iron  contents.  True  occupancy  of  pyrite  structural  sites
therefore  remains  to  be  proved  by  the  single  crystal  X-ray
method.

Discussion

Relationships  of  pyrite  types  to  silicification  processes

Mutual  textural  relationships  clearly  indicate  that  Py-1

to  Py-4  ( ± Py-5  ?)  pyrite  types  formed  as  a  consequence
of  one  complex  mineralization  process,  accompanying
widespread  silicification  in  the  Jeníkov-Lahoš   (Teplice)
area.  Py-1  relics  likely  do  not  represent  pre-silicification
pyrite,  but  postdate  the  onset  of  silicification.  This  can
be  deduced  from  Py-1  overgrowths  on  quartz  clasts  with
neoformed  silica  (Qtz-3)  overgrowth  rims  (Figs. 2j  and
5c).  Py-2  (framboids)  precipitated  largely  in  the  pores  of
sandstone,  together  with  microcrystalline  quartz  cement
(Qtz-3).  The  same  is  true  for  Py-3  and  Py-4.  Py-5
postdates  the  main  silicification  stage  (Qtz-2,  -3)  only.
The  continuity  in  arsenic  content  from  Py-4  to  Py-5  and
the  contrast  in  arsenic  content  between  Py-5  and  Py-6
allow  us  to  suggest  that  Py-5,  although  texturally
postdating  silicification  (filling  fractures  in  already
silicified  sandstone;  Fig. 5g),  is  still  genetically  related
to  the  silicification  process.  Py-1  to  Py-5  therefore
represent  a  single  more  or  less  continuous  evolution  of
pyrite 

crystallization. 

Py-6, 

having 

the 

form 

of

background image

128

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

inclusions  in  late  tabular  barite  crystals,  is  probably  sep-
arated  by  a  time  gap  from  the  previous  types.  The  dura-
tion  of  this  pyrite  evolution  gap  is  difficult  to  assess,  but
the  youngest  growth  zones  of  barite  crystals  are  Ho-
locene  in  age  (Ulrych  et  al.  2007).

The  actual  temperatures  of  the  above  mentioned

silicification  are  not  known  but  the  presence  of  only  one-
phase  liquid  fluid  inclusions  (sparse  at  Jeníkov,  but  more
frequent  at  Salesiova  výšina  Hill,  approximately  5 km  from
Jeníkov)  in  quartz  overgrowths  (Qtz-3)  and  on  dustlines
separating  quartz  clasts  and  overgrowths  allow  us  to
suggest  temperatures  not  exceeding  approx.  50—60 °C.

Similar  temperatures  ( ~ 53 °C)  were  estimated  by

Hladíková  et  al.  (1979)  for  the  formation  of  calcite  vein-
lets  (fracture  fillings)  from  the  Teplice  area  (suggesting
δ

18

O

water

:   — 10‰  SMOW,  similar  to  the  present-day

groundwater).

The  present-day  temperature  of  mineralized  thermal

waters  at  Teplice,  a  likely  analogue  for  the  fossil  fluids,
is  32—49 °C  (Čadek  et  al.  1968).  When  the  present
chemistry  of  thermal  waters  (Čadek  et  al.  1968;  analyses
1—3,  28  from  table  24)  is  used,  then  the  “fluid  reservoir”
temperatures  estimated  from  various  empirical  chemical
thermometers  correspond  to:  ~ 88 °C  (SiO

2

,  quartz;

Fournier  &  Potter  II  1982),  ~ 57 °C  (SiO

2

,  chalcedony;

Table 6.1  in  Kharaka  &  Mariner  1989),  ~ 96 °C  (Na—K—Ca;
Fournier  &  Truesdel  1973),  and  ~ 65 °C  (Mg—Li;  Kharaka
&  Mariner  1989).  Na-K  as  well  as  Na-Li  thermometers
yielded  unrealistically  high  temperatures  (160—210 °C).

All  these  data  unequivocally  point  to  a  low-

temperature  ( ~ 50 °C)  origin  of  the  studied  pyrites  and
associated  mineralizing  fluids.

Solubility  of  arsenic,  nickel  and  cobalt  in  pyrite

The  solubility  of  arsenic  solid  solution  in  pyrite/

marcasite  at  low  temperatures  is  difficult  to  study
experimentally.  Contents  of  up  to  ~ 19 wt. %  As  were
recorded  in  some  natural  hydrothermal  pyrites  formed  at
temperatures  lower  than  300 °C  (Reich  &  Becker  2006
and 

references 

therein). 

Recent 

thermodynamic

calculations  of  Reich  &  Becker  (2006)  restricted  the
solubility  of  arsenic  in  pyrite  to  about  ~ 2.1,  ~ 2.7  and
~6 wt. %  As  at  ~25,  ~ 100  and  ~500 °C,  respectively.
Concentrations  exceeding  such  ranges  correspond  either
to  metastable  arsenic  solid  solution,  or  suggest  a
presence  of  arsenopyrite  nanoscale  domains  in  the  pyrite
structure.

Of  the  studied  pyrites,  average  As  contents  (Fig. 9)  in

Py-2,  -3  and  -6  are  compatible  with  a  stable  arsenic  solid
solution  according  to  Reich  &  Becker  (2006),  while
those  of  Py-5  exceed  this  limit.  Arsenic  contents  in  Py-4
oscillate  around  this  limit.

As  the  arsenic  content  in  Py-6  does  not  exceed  the  the-

oretical  limit  for  arsenic  solubility  in  pyrite  at  25 °C
(Reich  &  Becker  2006),  we  may  suggest  the  same  for
nickel  and  cobalt.  Experimental  or  theoretical  data  for
solubility  of  cobalt  and  nickel  in  pyrite  formed  at
subambient  temperatures  are  missing.  Klemm  (1965)  sug-

gested  solubilities  of  about  10  at.  %  of  CoS

2

  or  NiS

2

  in

FeS

at  400 °C.

Constraints  on  fluid  saturation  with  respect  to  iron  and
sulphur

Numerous  experimental  studies  (Ohfuji  &  Rickard

2005  and  references  therein)  demonstrated  that  major
prerequisites  for  framboid  formation  are  1. extremely
high  supersaturation  with  respect  to  iron  sulphides  and
2. conditions  when  crystal  nucleation  rate  significantly
exceeds  the  crystal  growth  rate.  These  favourable
conditions  may  result  from  increasing/higher  fluid
temperature  ( > 150 °C),  from  the  presence  of  small
amounts  of  O

2

  in  the  system,  from  the  presence  of  S(0)

and  polysulphides,  or  from  increasing  Eh.

Of  these  factors,  Eh  variations  are  the  most  likely

factor  at  Jeníkov.  An  increase  in  Eh  can  be  indirectly
deduced  from  the  presence  of  isolated  cogenetic
inclusions  of  FeOOH—FeS

2

  and/or  siderite  enclosed  in

quartz  overgrowths  (Qtz-3)  at  Salesiova  výšina  Hill.  Due
to  much  steeper  decrease  of  pyrite  solubilities  along  the
FeS

2

—FeOOH  or  FeS

2

—Fe

2+

  phase  boundary  than  along

other  pyrite  boundaries  (Fig. 11a),  a  slight  Eh  increase
coupled  with  a  subtle  increase  in  pH  is  the  most  effective
way  to  produce  fluids  highly  supersaturated  with  respect
to  iron  sulphides,  thus  initiating  framboid  formation  (cf.
fig. 3  of  Butler  &  Rickard  2000).

The  presence  of  welded  framboids  (Fig. 6c),  where

crystallites  have  grown  at  the  expense  of  micropores,
reflects  conditions  when  pyrite  growth  rate  exceeded  that
of  nucleation.  The  same  can  be  inferred  from  the  absence
of  framboid  structures  in  later  pyrite  types  (Py-3,  -4,  -5).
Relatively  fast  nucleation  also  accompanied  later  Py-4,
as  shown  by  the  chaotic  BSE  textures  with  numerous
nucleation  centres  (Fig. 5c—e),  but  not  enough  for
framboid  formation.

Processes  that  led  to  a  partial  dissolution  of  early  py-

rite  (Py-1),  notably  the  time  gap  between  Py-1  dissolu-
tion  and  Py-2  formation,  are  more  obscured.  If  we  accept
that  Py-1  postdates  the  early  silicification  phase,  then
the  formation  and  dissolution  of  Py-1  came  only  a  short
time  before  the  Py-2  (framboid)  formation.  With  regard  to
the  kinetics  of  pyrite  oxidation  (Williamson  &  Rimstidt
1994),  a  short-lived  and  fast  pyrite  dissolution  requires  a
sudden  high  increase  in  the  amount  of  dissolved  oxygen
(e.g.  by  the  factor  of  10

5

—10

6

  to  increase  the  half-times  of

pyrite  dissolution  by  the  factor  of  300

×  to  1000×;  based

on  the  rates  of  Williamson  &  Rimstidt  1994).  To  allow
Py-2  formation  in  the  next  step,  a  return  to  reducing  con-
ditions  is  necessary,  followed  by  a  less  dramatic  increase
in  oxygen  activity  to  promote  pyrite  supersaturation  and
framboid  formation  (see  above).  Later,  when  Py-3  to  Py-5
are  formed,  conditions  in  the  stability  field  of  pyrite  can
be  expected  again.  The  observed  mineral  association
thus  reflects  oscillatory  changes  in  the  oxygen  activity
of  the  mineralizing  fluids,  gradually  diminishing  with
time  (Fig. 11b).  With  regard  to  the  more  or  less  neutral
pH  of  fossil  and  present  thermal  waters,  dissolved  oxy-

background image

129

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

Fig. 11. Relationships between fluid chemistry and mineralogy: a – Eh-pH diagram for the system Fe-K-S-CO

2

-H

2

O-O

2

 at 25 °C, 1 bar

pressure, 

ΣFe(aq)=10

—4 

mol/kg, 

ΣK(aq)=10

—4 

mol/kg, 

ΣS(aq)=10

—2 

mol/kg and P

CO

2

= 10

—2 

bar (after Nordstrom & Munoz 1985 in Lang-

muir 1996) with dots indicating the chemistry of the present thermal waters from the Teplice area. Note that the thermal waters are far
from  equilibrium  with  iron  sulphides.  The  observed  mineralogy  (pyrite,  siderite,  uraninite,  iron  oxyhydroxides)  is  compatible  with  in-
creasing Eh (thick arrow) under pH similar to present-day thermal waters. b – schematic changes in Eh with time, necessary to produce
the observed variations in pyrite textures.

gen  is  the  most  likely  agent  for  pyrite  oxidation.  Hydrox-
yl  radicals  (HO

),  or  H

2

O

2

  produced  by  radiolysis  of  wa-

ter  (Lefticariu  et  al.  2006)  represent  a  less  probable  alter-
native  to  dissolved  oxygen.

Framboids  formed  under  euxinic  conditions  in  modern

basins  tend  to  be  smaller  and  less  variable  in  size  than
those  formed  under  dysoxic  conditions  (Wilkin  et  al.
1996).  The  dependence  of  mean  framboid  size  on  the
oxygen  fugacity  probably  also  exists  at  Jeníkov.
Framboids  from  the  zone  of  most  intense  pyritization
immediately  underlying  the  mudstone  sealing  horizon
are  smaller  than  those  from  more  distal  places,  where  the
fluids  could  mix  with  other  more  oxidized  groundwaters,
or  where  the  role  of  exhaustion  of  reducing  components
in  the  parent  fluid  was  becoming  important.

Chemistry  of  present-day  thermal  waters  in  the  Teplice  area

The  thermal  waters  at  Teplice  have  been  monitored  for

more  than  100  years.  Despite  changes  in  instrumentation,
the 

results 

of 

major 

cation 

chemistry 

and 

pH

measurements  are  comparable  over  this  whole  period:
pH:  6.6—6.9,  Eh:  + 0.137  to  + 0.202  V  and  + 0.410V,
SiO

2

:  27—49 mg/l,  Na:  160—240 mg/l,  K:  10—18 mg/l,

Ca:  35—110 mg/l,  total  sulphur  as  SO

4

2—

:  83—136 mg/l,

HAsO

4

2—

:  0.01 mg/l  (Čadek  et  al.  1968  and  unpublished

recent  analyses).  The  sampled  waters,  however,  do  not
represent  a  pure  thermal  water  end-member,  as  mixing

with  shallow  groundwater  occurs  just  beneath  the  dis-
charge  zone.

Mineral  saturation  indices  (SI)  were  calculated  using

PhreeqC  (Parkhurst  &  Appelo  1999)  and  thermodynamic
database  minteq.v4  in  order  to  evaluate  the  saturation  of
present-day  thermal  waters  with  respect  to  the  mineral  of
interest:  pyrite  is  strongly  undersaturated  (SI:  over  —90),
siderite  is  slightly  undersaturated  (SI: —4  to  —10),  barite
and  quartz  is  more  or  less  in  equilibrium  with  the  waters
(SI: —0.6  and  0.7,  respectively),  kaolinite  and  goethite
are  slightly  supersaturated  (SI: 2  to  5).  Fossil  waters
responsible  for  sulphidic  mineralization  could  have  pH
values  similar  to  those  of  present-day  thermal  waters,  but
must  have  had  a  distinctly  lower  Eh.

The  evolution  of  fluid  trace  element  chemistry  and
changes  in  fluid  migration  paths

The  trace  element  chemistry  of  minerals  can  be  used  as

a  paleoindicator  of  fluid  chemistry,  species  activities,
and  the  degree  of  saturation.  As  stated  earlier,  all  pyrite
types 

precipitated 

at 

similar 

temperatures, 

with

differences  not  exceeding  20—30 °C.  The  influence  of
temperature  as  a  factor  governing  As,  Ni,  Co  and  Tl
contents  in  pyrites  can  therefore  be  ruled  out.  The  As  (Ni,
Co,  Tl)  admixture  in  pyrites  likely  reflects  the  contents/
saturation  of  these  elements  in  fossil  fluids.  The  effect  of
variations  in  the  trace  element  contents  in  the

background image

130

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

mineralizing  fluids  on  the  pyrite  chemistry  was  con-
firmed  and  discussed  in  the  study  on  uraninite,  which  co-
precipitated  with  Py-4  (Zachariáš  et  al.,  in  prep.).  Besides
element  contents  in  the  fluid  phase,  kinetics  of  pyrite
precipitation  could  also  contribute  to  the  formation  of
As-rich  and  As-poor  pyrite  growth  zones.

Arsenic  contents  in  fluids  at  the  site  of  fluid  discharge

can  result  from  two  different  interactions  (besides  the  role
of  temperature):  i)  from  As-saturation/depletion  due  to
precipitation  of  various  As-bearing  compounds  at,  or  close
to  the  discharge  site  (e.g.  Cleverley  et  al.  2003);  or  ii)  from
complex  fluid-rock  interactions  governed  by  actual  As-
minerals  (usually  arsenopyrite  or  As-pyrite)  in  a  deep  fluid
reservoir  at  temperatures  appropriate  for  this  reservoir  (e.g.
Aiuppa  et  al.  2006).  Fluid  boiling  in  a  deep  reservoir,  or
fluid  evaporation  at  the  site  of  surface  discharge,  would
also  result  in  a  gradual  increase  in  arsenic  content  in  the
remaining  liquid  phase;  but,  these  processes  are  difficult
to  demonstrate  in  our  case.  Because  the  As-bearing  pyrite
is  the  only  As-bearing  mineral  at  Jeníkov,  the  process  of
fluid  saturation/depletion  by  As  due  to  precipitation  of
various  As-bearing  compounds  can  be  neglected.  The
gradual  increase  in  As  contents  from  Py-1  to  Py-5
therefore  most  probably  reflects  a  gradual  increase  in  As
content  in  the  parent  fluid.

Such  a  trend  indicates  fluid-rock  interactions  in  a  deep

crystalline  reservoir  at  progressively  increasing  tempera-
tures  and  depths  and/or  progressively  opening  fluid  mi-
gration  paths.  Temporal  coincidence  of  pyrite  formation
with  large-scale  movements  along  the  Krušné  hory  Fault
suggests  a  fault-driven  upward  transport  of  fluids  either
by  the  mechanism  of  solitary  waves  of  Revil  &  Cathles
(2002)  or  some  type  of  seismic  pumping  (e.g.  Sibson  et
al.  1975).

As  has  been  stated  earlier,  Py-1  to  Py-5  precipitation

was  associated  in  space  and  in  time  with  pervasive
regional  silicification.  Čadek  &  Malkovský  (1968)
already  demonstrated  that  the  silica  responsible  for  the
silicification  comes  from  low-temperature  hydrolysis  of
alkali  feldspars  (and  volcanic  glass)  of  the  Teplice
rhyolite 

body 

during 

descending 

groundwater

circulation.  The  volcanic  rocks  themselves,  however,  can
hardly  be  the  source  of  all  the  observed  variations  in  As,
Ni,  Co  contents  in  the  studied  pyrites  because:  i)  trace
element  contents  in  magmatic  bodies  on  regional  scale
are  relatively  homogeneous  (average  contents  for  acidic
volcanic  rocks  of  the  Altenberg—Teplice  Caldera  are:
10.2 ppm  As  (7.4—19.4 ppm),  9.3 ppm  Ni  (5—16 ppm)  and
5 ppm  Co  (1—12 ppm);  Ulrych  et  al.  2006);  ii)  groundwa-
ter  flow  tends  further  to  homogenize  the  contents  of  trace
elements  leached  from  host-rocks  into  the  fluid  phase.

A  drop  in  the  As  content  in  Py-6,  contrasting  with  the

increasing  trend  from  Py-1  to  Py-5,  coupled  with  the
sudden  appearance  of  Co  and  Ni  in  Py-6  from  cores  of
barite  crystals,  suggest  a  marked  change  in  the  fluid
circulation  pattern.

Cobalt  and  nickel  can  be  mobilized  from  mafic  and  ul-

tramafic  rocks,  from  magmatic  or  hydrothermal  Ni-Co-
sulphidic  mineralizations,  or  from  organic  matter.  Al-

though  the  first  two  sources  can  be  found  in  the  Krušné
hory  Mts,  they  are  missing  in  the  Jeníkov  area.  On  the
other  hand,  fluid  circulation  through  the  overlying  Ter-
tiary  lignite  beds  is  a  likely  explanation  for  high  Ni,  Co
and  also  for  moderate  As  contents  in  the  fluids.  Besides
organic  sulphur  compounds  and  disseminated  sulphides
with  variable  As  admixtures  (0—8 at.  %  As;  Weiss  et  al.
2001),  the  Tertiary  lignite  strata  are  rich  in  organic  mat-
ter-bonded/adsorbed  Ni  and  Co.  Currently  exploited  lig-
nites  from  the  near  by  Bílina  Mine  average  7.1 ppm  As,
29.2 ppm  Ni  and  9.3 ppm  Co;  A  Catalogue  (2007).

Moreover,  stable  isotope  and  fluid  inclusion  data  (Ul-

rych  et  al.  2007)  suggest  the  Tertiary  lignite  strata  as  the
most  likely  source  of  sulphur  for  the  barites  (hosting  our
Py-6)  and  disqualify  crystalline  basement  sulphides  as  a
potential  source.

All  the  above  facts  point  to  a  shallow  circulation  of

Py-6  fluids  through  the  Tertiary  sediments  or  along  their
contacts  with  the  Teplice  rhyolite,  rather  than  a  deep
fluid  circulation  in  the  Teplice  rhyolite  itself.  Such
change  in  fluid  circulation  should  be  substantiated  by
regional 

stress 

rearrangement 

and 

consequent

extinction  of  tectonic  activity  on  the  Krušné  hory  Fault.

Although  no  detailed  tectonic  measurements  have  been

performed  on  the  Krušné  hory  Fault  itself,  kinematic
analyses  of  parallel  faults  (Coubal  &  Adamovič  2000)
point 

to 

post-Pliocene 

ENE—WSW 

compression

followed  by  an  ENE—WSW  extension  effective  until  the
mid-Pleistocene  (Mindel,  ~ 0.4 Ma).  In  contrast,  no  fault-
ing  younger  than  this  age  has  been  reported,  and  fluvial
terraces  of  Riss  or  Würm  ages  in  the  Eger  Graben  show
no  abnormities  in  their  vertical  profiles.  The  data  from
the  Eger  Graben  are  in  agreement  with  the  data  on  the
present  tectonic  stresses  obtained  from  hydraulic  fractur-
ing  and  borehole  breakouts  (World  Stress  Map  Project,
Zoback  1992),  indicating  a  uniform  NW—SE  compres-
sional  stress  field  for  most  of  the  Alpine-Carpathian  fore-
land.  However,  no  tectonic  deformations  related  to  this
stress  field  have  been  observed  in  the  Bohemian  Massif.
This  suggests  a  mid-Pleistocene  stress  reversal,  which  in-
hibited  the  Krušné  hory  Fault  activity  and  marked  the
end  of  the  fault-scarp  topographic  up-building.  Very
probably,  this  event  can  be  correlated  with  the  herein  de-
scribed  change  in  fluid  flow  pattern  and  the  resulting
change  in  mineral  chemistry.

Conclusions

Mineral  textures  and  trace  element  chemistry  of  pyrites

can  be  used  as  a  tool  to  decipher  the  history  of  fluid
chemistry  and  circulation  patterns.  The  studied  locality
in  the  Eger  Graben  in  northwestern  Bohemia  reflects
near-surface  mineralization  processes  (silicification  and
associated  sulphide  formation)  in  a  transition  from  deep,
fault-driven 

fluid 

flow 

to 

subsequent 

shallow,

topography-driven  groundwater  flow.  Six  types  of  pyrite
(Py-1  to  Py-6)  were  distinguished,  Py-1  to  Py-4  being
closely  associated  with  silicification,  Py-5  shortly  post-

background image

131

TRACE ELEMENT CHEMISTRY OF LOW-TEMPERATURE PYRITES (EGER GRABEN)

dating  it  and  Py-6  separated  by  a  significant  time  gap
from  the  silicification.  The  evolution  of  pyrite  textures
from  framboids  (neglecting  rare  Py-1  relics)  to  individual
crystals  (mostly  cubes)  suggests  an  oversaturation  of  ear-
ly  fluids  with  respect  to  pyrite  and  its  rapid  crystalliza-
tion.  The  As  contents  in  Py-3  and  Py-4f  correlate  well
with  the  theoretically  predicted  As  solubility  in  FeS

2

  at

low  temperatures  (Reich  &  Becker  2006),  while  those  in
Py-5  (up  to  7.9 wt. %  As)  probably  correspond  to  meta-
stable  arsenic  solid  solution  in  pyrite.

Two  different  fluid  circulation  patterns,  separated  in

time,  can  be  interpreted  from  the  trace  element  chemistry
of  pyrites:  i)  a  progressively  deepening  circulation
pattern  of  low-temperature  geothermal  fluids  derived
from  the  acidic  volcanics  in  the  Eger  Graben  basement
and  driven  by  the  Krušné  hory  Fault  propagation,  and  ii)
shallow  geothermal/groundwater  circulation  in  contact
with  the  Tertiary  lignite  beds,  driven  by  fault-scarp
topography.  The  former  contributed  to  the  chemistry  of
Py-1  to  Py-5,  the  latter  to  Py-6  and  barite  precipitation.

Acknowledgments:  This  research  was  supported  by  the
Grant  Agency  of  the  AS  CR,  Project  A3013302  to  JA  and
JZ 

and 

by 

the 

Ministry 

of 

Education 

Grant

MSM0021620855  (JZ)  and  the  Research  Plan  AV0
Z30130516  of  the  Academy  of  Sciences  CR  (JA).  The
authors  wish  to  thank  the  Keramost  a.s.  Company  for
providing  access  to  the  Jeníkov  Quarry.  We  also  thank  B.
Kříbek  and  Z.  Sawlowicz  for  their  critical  reviews  and
helpful  comments.

References

A catalogue of lignite, 2007: Severočeské doly a.s. Chomutov, 1—19.
Abraitis P.K., Pattrick R.A.D. & Vaughan D.J. 2004: Variations in

the compositional, textural and electrical properties of natural
pyrite: a review. Int. J. Min. Process. 74, 41—59.

Aiuppa  A.,  Avino  R.,  Brusca  L.,  Caliro  S.,  Chiodini  G.,

D’Alessandro  W.,  Favara  R.,  Federico  C.,  Ginevra  W.,  In-
guaggiato  S.,  Longo  M.,  Pecoraino  G.  &  Valenza  M.  2006:
Mineral  control  of  arsenic  content  in  thermal  waters  from
volcano-hosted  hydrothermal  systems:  Insights  from  island
of  Ischia  and  Phlegrean  Fields  (Campanian  Volcanic  Prov-
ince, Italy). Chem. Geol. 229, 313—330.

Breiter  K.  1997:  The  Teplice  rhyolite  (Krušné  hory  Mts.,  Czech

Republic) – chemical evidence of a multiply exhausted stratified
magma chamber. Bull. Czech Geol. Surv. 72, 205—213.

Butler  I.B.  &  Rickard  D.  2000:  Framboidal  pyrite  formation  via

the  oxidation  of  iron  (II)  monosulfide  by  hydrogen  sulphide.
Geochim. Cosmochim. Acta  64,  2665—2672.

Cajz  V.  2000:  Proposal  of  lithostratigraphy  for  the  České

středohoří Mts. volcanics. Bull. Czech Geol. Surv. 75, 7—16.

Cleverley  J.S.,  Benning  L.G.  &  Mountain  B.W.  2003:  Reaction

path  modelling  in  the  As-S  system:  a  case  study  for
geothermal As transport. Appl. Geochemistry 18, 1325—1345.

Coubal  M.  &  Adamovič  J.  2000:  Youngest  tectonic  activity  on

faults in the SW part of the Most Basin. Geolines 10, 15—17.

Čadek  J.  &  Malkovský  M.  1968:  Silicification  of  Upper  Creta-

ceous  rocks  in  the  Teplice  area.  Sbor.  Geol.  Věd,  Geol.  14,
71—87  (in  Czech).

Čadek J., Kačura G. & Malkovský M. 1963: Genetic relationships

between  thermal  waters  and  neoidic  mineralization  of  rocks
in  the  area  of  Teplice  and  Ústí  nad  Labem.  Věst.  Ústř.  Úst.
Geol.
 38, 265—268 (in Czech).

Čadek  J.,  Kačura  G.  &  Malkovský  M.  1964:  Fluorite  occurrences

in  the  area  of  Teplice  Spa  in  Bohemia  and  their  genesis.
Sbor. Geol. Věd, Lož. Geol. 3, 7—41 (in Czech).

Čadek  J.,  Hazdrová  M.,  Kačura  G.,  Krásný  J.  &  Malkovský  M.

1968:  Hydrogeology  of  thermal  waters  in  the  area  of  Teplice
and    Ústí  nad  Labem.  Sbor.  Geol.  Věd,  HIG  6,  7—207  (in
Czech).

Čech  S.  &  Váně  M.  1988:  Problems  of  the  development  of  Cen-

omanian  and  Lower  Turonian  rocks  in  the  Krušné  hory  Mts.
piedmont  region.  Čas.  Mineral.  Geol.  33,  395—410  (in
Czech).

Fengl M. 1995: Jílové-Sněžník fluorite deposit near Děčín. In: Breit-

er  K.  &  Seltmann  R.  (Eds.):  Ore  mineralizations  of  the  Krušné
hory  Mts.  (Erzgebirge).  Excursion  guide.  Third  Biennal  SGA
Meeting,  August  28—31,  1995,  Prague
,  113—118.

Fournier  R.O.  &  Potter  II,  R.W.  1982:  A  revised  and  expanded

silica  (quartz)  geothermometer.  Geothermal  Resources  Coun-
cil Bulletin,
 November, 3—12.

Fournier  R.O.  &  Truesdell  A.H.  1973:  An  empirical  Na—K—Ca

geothermometer  for  natural  waters.  Geochim.  Cosmochim.
Acta
  43,  1543—1550.

Hladíková  J.,  Čadek  J.,  Šmejkal  V.  &  Vavřín  V.  1979:  Isotopic

study  of  oxygen  and  carbon  in  carbonates  of  the  Bohemian
Cretaceous Basin. Sbor. Geol. Věd, LG 20, 37—48.

Höhndorf A., Kämpf H. & Dulski P. 1994: Sm/Nd and Rb/Sr iso-

topic  investigations  on  fluorite  mineralization  of  the  eastern
Erzgebirge.  In:  Seltmann  R.,  Kämpf  H.  &  Möller  P.  (Eds.):
Metallogeny of collisional orogens. Czech Geol. Surv., Praha,
116—128.

Kharaka  Y.K.  &  Mariner  R.H.  1989:  Chemical  geothermometers

and  their  application  to  formation  waters  from  sedimentary
basins.  In:  Naeser  N.D.  &  McCollon  R.H.  (Eds.):  Thermal
history of sedimentary basins. Springer, New York, 99—117.

Klemm  D.  1965:  Synthesen  und  Analysen  in  den  Dreiecksdia-

grammen  FeAsS-CoAsS-NiAsS  und  FeS2-CoS2-NiS2.  Neu.
Jb.  Miner.,  Abh
.  103,  205—255.

Langmuir  D.  1996:  Aqueous  environmental  geochemistry.

Prentice Hall, 1—600.

Lefticariu L., Pratt L.M. & Ripley E.M. 2006: Mineralogic and sul-

fur  isotopic  effects  accompanying  oxidation  of  pyrite  in  milli-
molar  solutions  of  hydrogen  peroxide  at  temperatures  from  4
to 150 °C. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 19, 4889—4905.

Malkovský  M.  1980:  Model  of  the  origin  of  the  Tertiary  basins  at

the foot of the Krušné hory Mts.: volcano-tectonic subsidence.
Věst. Ústř. Úst. Geol. 55, 141—150.

Ohfuji  H.  &  Rickard  D.  2005:  Experimental  syntheses  of

framboids – a review. Earth Sci. Rev. 71, 147—170.

Parkhurst  D.L.  &  Appelo  C.A.J.  1999:  User’s  guide  to  PhreeqC

(version  2)  –  a  computer  program  for  speciation,  batch-re-
action,  one-dimensional  transport,  and  inverse  geochemical
calculations.  USGS  Water-Resources  Investigations  Report,
Denver,  Colorado,  99—4259,  1—326.

Reich  M.  &  Becker  U.  2006:  First-principles  calculations  of  the

thermodynamic  mixing  properties  of  arsenic  incorporation
into pyrite and marcasite. Chem. Geol. 225, 278—290.

Revil  A.  &  Cathles  L.M.  2002:  Fluid  transport  by  solitary  waves

along  growing  faults  –  A  field  example  from  the  South
Eugene Island Basin, Gulf of Mexico. Earth Planet. Sci. Lett.
202,  321—335.

Sibson  R.H.,  Moore  J.Mc.M.  &  Rankin  A.H.  1975:  Seismic

pumping  –  a  hydrothermal  fluid  transport  mechanism.  J.
Geol.  Soc.  London
  131,  653—659.

Ulrych  J.,  Pešek  J.,  Štěpánková-Svobodová  J.,  Bosák  P.,  Lloyd

background image

132

ZACHARIÁŠ, ADAMOVIČ and LANGROVÁ

F.E.,  von  Seckendorff  V.,  Lang  M.  &  Novák  J.K.  2006:  Per-
mo-Carboniferous  volcanism  in  late  Variscan  continental  ba-
sins  of  the  Bohemian  Massif  (Czech  Republic):  geochemical
characteristic. Chem. Erde, Geochemistry 66, 37—56.

Ulrych J., Adamovič J., Žák K., Frána J., Řanda Z., Langrová A.,

Skála  R.  &  Chvátal  M.  2007:  Cenozoic  “radiobarite”  occur-
rences in the Ohře (Eger) Rift, Bohemian Massif: Mineralogi-
cal  and  geochemical  revision.  Chem.  Erde,  Geochemistry  67,
301—312.

Váně  M.  1961:  A  contribution  to  the  lithostratigraphical  position

of quartzites at Salesiova výšina Hill, North Bohemian Brown
Coal Basin.

 

Čas. Mineral. Geol. 6, 346—355 (in Czech).

Wilkin  R.T.,  Barnes  H.L.  &  Brantley  S.L.  1996:  The  size  distribu-

tion of framboidal pyrite in modern sediments: An indicator of
redox  conditions.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  60,  3897—3912.

Williamson  M.A.  &  Rimstidt  J.D.  1994:  The  kinetics  and  electro-

chemical  rate-determining  step  of  aqueous  pyrite  oxidation.
Geochim. Cosmochim. Acta  58,  5443—5454.

Zachariáš J., Adamovič J. & Konečný P., in prep: Uraninite-pyrite

association,  a  sensitive  indicator  of  changes  in  fluid
chemistry: element gains and losses.

Zoback M.L. 1992: First and second order patterns of stress in the

lithosphere:  the  World  Stress  Map  project.  J.  Geophys.  Res.
97,  11703—11728.