Keweenawi poolsaare geoloogia, Michigan

Sissejuhatus

Michigani ülempoolsaarel asuv Keweenaw poolsaar on koduks maailma suurimale vasevarude kontsentratsioonile. Maardla tegelik suurus ilmneb eemaldatud puhastatud vase koguses. Aastatel 1845–1996, mil White Pine’i kaevandus suleti ja vasekaevandus Michiganis lõppes, tootis piirkond umbes 15,5 miljardit naela vaske. 150 kaevandamisaasta jooksul rajoonis on kaevandatud vaid umbes 40 protsenti kogu maardlas sisalduvast hinnangulisest vasest. Et mõista, kuidas sellest piirkonnast kujunes klassikaline kaevanduskoht ja üks maailma suurimaid mineraalide kogumise piirkondi, tuleb vaid uurida ja mõista “Vaseriigi” geoloogiat ja mineraloogiat.

Geoloogiline ülevaade

Keweenawi poolsaar asub Põhja-Ameerika keskkontinendi riftisüsteemi (MCR) lõunaküljel. MCR ulatub umbes 2000 kilomeetrit Kansasest kirdesse läbi Superiori järve, seejärel kagus läbi Michigani alumise poolsaare, kus see järsult lõpeb Michigani osariigis Detroidi lähedal. MCR hakkas moodustuma umbes 1100 miljonit aastat tagasi (Ma), kui tõusev vahevöö voog puutus kokku Prekambriumi ülemprovintsiga. Kui voog levis külgsuunas piki ülemprovintsi alust, põhjustas see piirkonna maakoore õhenemise ja lahtitõmbumise, moodustades lõhe. Kui sulg jätkas tõusmist, hakkas see rõhust langema ja sulama, tekitades rüoliiti ja basaltse magmasid. Osa sellest magmast leidis tee pinnale maakoore õhenemisest tekkinud rikete ja murdude kaudu. Keweenawi poolsaarel on loendatud üle 200 üksiku laavavoolu, sealhulgas Greenstone Flow, mis on väidetavalt üks suurimaid, kui mitte suurim üksik laavavool Maal. White (1960) väitis, et Greenstone Flow õhust ulatub üle 5000 ruutkilomeetri ja kogumaht üle 1600 kuupkilomeetri. Greenstone Flow on osa Portage Lake Volcanicsist (PLV), mis on avatud Keweenaw poolsaarel ja Isle Royale'il, 90 kilomeetrit loodes. PLV kogupaksus on Superiori järve keskel umbes 10 kilomeetrit (Cannon, 1992). Keweenawil on PLV umbes 5 kilomeetrit paks. Keweenawi poolsaarel asuv PLV purskas 2–3 miljoni aasta jooksul umbes 1095 miljoni aasta jooksul (Davis ja Paces, 1990).

Pärast vulkanismi algas settimise periood, mis täitis lõhe koguni 8 kilomeetri pikkuse klastiliste setetega (Cannon, 1992). Kui vulkanism lõppes ja setted piirkonna täitsid, hakkas kogu piirkond katvate kihtide tohutu raskuse all vajuma. Arvatakse, et see settimine algas vahemikus 1085–1060 miljonit aastat. Klastilised setted koosnevad punase värvusega konglomeraatidest (Copper Harbor Conglomerate) ja punase värvi liivakividest (Freda Sandstone), millel on õhuke kiht hallist kuni mustani kildakivist liivakivi (Nonesuch Shale). Lõhe termilise vajumise hilises staadiumis uurisid Cannon et al. (1989) teevad ettepaneku, et kogu basseinis ladestatakse küps punane liivakivi (Jacobsville Sandstone).

MCR-süsteemi viimane faas hõlmab algse grabeniga piiritletud normaalvea ümberkujundamist suure nurgaga vastupidisteks riketeks. Tänapäeval on peamine poolsaare selgroog kulgev rike Keweenawi rike (KF), suure nurga all olev pöördmurre. Algselt oli see rike suur grabeni piirav normaalviga (Cannon et al. 1989). KF-il on mitu kilomeetrit vastupidine nihe, mis põhjustas juba kallutatud kihtide täiendava järsemise. Selle piirkonna kokkusurumise tulemusena tekkis poolsaarel nii basaltides kui ka setetes täiendavaid purunemisi ja purunemisi (White, 1968). Cannon jt. (1993) olid kindlaks teinud, et vastupidine rike toimus umbes 1060 Ma, tuginedes Rb-Sr biotiidi vanusele vanemates eelkambriumi aluskivimites. Kokkusurumise kõige tõenäolisem põhjus on mandri kokkupõrge idarannikul Grenville'i rindel (Hoffman, 1989). Keweenawi vastupidise rikke ajastus langeb kokku ka Grenville'i tihendussündmusega. Arvatakse, et kokkusurumise faas algas juba 1080 Ma (Cannon, 1994) ja lõppes 1040 miljoniga (Price ja Mcdowell, 1993).

Pärast lõhestamise ja kokkusurumise lõpetamist koges piirkonnas vaikne periood. Paleosoikumi ajal kattis piirkonda suur sisemeri, mis ladestas lubjakive ja paar dolomiiti. Need samad kivimid moodustavad ka Michigani basseini kivimid Michigani alumisel poolsaarel. Paleosoikumi kivimid eemaldati Keweenawist erosiooni ja hiljem pleistotseeni suure jäätumise tõttu. Kaasaegne Keweenaw maastik on tugevalt mõjutatud samast jääsündmusest.

Mineraliseerimine

Nagu varem öeldud, tootis piirkond aastatel 1845–1996 380 miljonist tonnist maagist üle 15 miljardi naela rafineeritud vaske. Koos vasega leiti ka väikeses koguses kohalikku hõbedat (umbes 11 miljonit naela) (White, 1968). Peamine maagi tootmise horisont oli 5 kilomeetri laiune ja 42 kilomeetri pikkune maariba Mohawki ja Painesdale’i vahel. Kuni 1929. aastani tootis see maariba 95,4 protsenti kogu piirkonnas kaevandatud vasest (Butler ja Burbank, 1929). Natiivse vase levinumad peremeesorganismid olid brektsiat ja amügdaloidsed basaltvoolu tipud (58,5 protsenti toodangust), millele järgnesid voolukonglomeraadid (39,5 protsenti) ja pragude ristveenisüsteem (2 protsenti). Neli suurimat maardlat andsid 85 protsenti linnaosa kogutoodangust umbes kaheprotsendilise klassiga.

Looduslik vask esineb peene leviku, vesiikulite täidistena ja massina. 'Tüüpiline' bretsitsi voolu tipp on 3–5 meetri paksune ja 2–11 kilomeetri kaugusel. Alla supluse pikkus on tavaliselt 1,5–2,5 kilomeetrit (Butler ja Burbank, 1929). Kui vooluhulkadel oli kõige rohkem tootmist, siis üks voolukonglomeraatidest, Calumet ja Hecla konglomeraat, oli ja on siiani suurim vasekivi maailmas. Konglomeraat tootis 4,2 miljardit naela vaske 4,9 kilomeetri pikkuse ja 2,8 kilomeetrise supluse jooksul ning kihi keskmise paksusega 6 meetrit (Weege et al. 1972). Kolmas maardlatüüp Keweenaw poolsaarel on vasest kandvad veenid, tuntud ka kui lõheveenid. Piirkonna esimesed kaevandused, kuulsad Cliffi, Centrali ja Minesota kaevandused, töötasid neid lõhesid. Vask tekkis avatud ruumis, täites luumurrud, mis lõikavad basaldikihte suurte nurkade all. Lõhekaevandustest leiti piirkonna suurimaid vasemasse (kuni 520 tonni), kuid veenid andsid ainult umbes kaks protsenti kogu piirkonnas kaevandatud vasest (Broderick, 1931).

Maagid/Gangue mineraalid

Looduslik vask moodustab üle 99 protsendi kõigist Keweenaw poolsaarel kaevandatud metallilistest mineraalidest, mistõttu on see suurim loodusliku vase kogum Maal (Bornhorst ja Lankton, 2006). Muude metalliliste mineraalide hulka kuulub hõbe, mis moodustab ainult umbes 0,1 protsenti vasetoodangust. Suurem osa kohalikust vasest sisaldas ka väikeses koguses (alla 0,5 protsendi) arseeni ja hõbedat (Broderick, 1929). Vask nikli arseniidid esinevad ka veenides Mohawki lähedal asuvas voolupinnas, mis on Mohawkite (nüüd viidatud kui Domeykite) tüüp (Stoiber ja Davidson, 1959). Kalkotsiiti leiti ka koos loodusliku vasega, kuid see on poolsaarel ebaoluline (tuleb märkida, et White Pine kaevandas kalkotsiiti peaaegu eranditult ja väga edukalt, tootes 43 tegevusaasta jooksul ligikaudu 4,5 miljardit naela rafineeritud vaske).

Natiivset vaske leidub koos mitmesuguste väetise mineraalidega (Butler ja Burbank, 1929). Vasega on poolsaarel seotud üle 100 hüdrotermilise mineraali (Bornhorst ja Lankton, 2006). Loodusliku vase mineralisatsiooni ja teiste hüdrotermiliste mineraalide vahel, mis täidavad vesiikulid ja veenid kogu piirkonnas, on tihe ajaline seos.

Age of Native Copper Emplacement

Palju on uuritud seda, millal kohalikku vaske kasutati seoses teiste Keweenawi poolsaare sündmustega. White (1968) tõlgendas loodusliku vase mineralisatsiooni vanust nooremaks kui lõhesid täitvad setted (Freda ja Copper Harbour), kuid vanemaks kui Jacobsville. Weege et al. (1972) on välja toonud, et vase paigutuse ja Keweenaw murrangu deformatsiooni vahel on tihe seos. Väliseoste põhjal on vase looduslik mineraliseerumine noorem kui lõhesid täitvad vulkaanid ja setted ning sünkroonne pöördmurdmise ja setete külgneva mõra algusega. Bornhorst et al. (1988) määras Rb-Sr meetodite abil mineraliseerumise vanuse vahemikus 1060–1047 Ma, mis on umbes 30 aastat pärast lõhe täitmist vulkanismiga, kuid samaaegselt Keweenaw murranguga.

Natiivse vasevarude geneetiline mudel

Natiivse vase paigaldamise geneetilised mudelid soosivad kahte teooriat. Üks teeb ettepaneku, et tõendid loodusliku vase kohta teistes MCR-i piirkondades viitavad sellele, et piirkonnast voolasid laialt levinud kuumad mineraliseerivad veed. Teine viitab sellele, et basaltide matmise metamorfism temperatuuril 300–500 kraadi Celsiuse järgi tekitaks vaserikkaid maagivedelikke (Jolly, 1974). Puuduvad veenvad tõendid kummagi hüpoteesi poolt või vastu, kuid kasvav hulk tõendeid, kuigi mitte veenvad, pooldavad lõheliste kivimite matmise metamorfismi. Ainult mõne miljondikosa vase lahustamisel basaldist saadakse palju vaserikast lahust. Uuringud näitavad, et basaldis lukustatud lõhe külgedel oli piisav kogus vaske. (Bornhorst ja Rose, 1994).

Kuna laavad purskasid, arvatakse, et degaseerimine eemaldas basaltidest suures koguses väävlit ja seega oli maagivedelikes väga madal väävlisisaldus (Cornwall, 1956). Nende vedelike liikumine saavutati paljude rikete ja luumurdude kaudu, mis tekkisid piirkondliku kokkusurumise ja sellele järgneva deformatsiooni käigus. Kuna natiivse vase paigaldamise vanus on peaaegu samaaegne PLV kokkusurumise ja purunemisega (umbes 1060 miljonit aastat), tagas see vajaliku veevärgisüsteemi, et võimaldada maagivedelikel lihtsamat teed lõplikku ladestamiskohta (Bornhorst, 1997). Ilma väävlita süsteemis sadestati vask vasksulfiidi asemel loodusliku metallina. MCR-süsteemi hiline suur kokkusurumine võis anda erinevuse geneetilises mudelis, et tekitada maailmatasemel looduslikud vasevarud Keweenaw poolsaarel ja mitte kusagil mujal (Bornhorst, 1997).

Järeldus

Vaatamata enam kui 150 aasta pikkusele kaevandamisele ja Keweenawi poolsaarel ning selle kohalikele vasemaardlatele tehtud uuringutele on paljud küsimused endiselt vastuseta. Üks paljudest küsimustest on see, miks suurel hulgal looduslikke vasevarusid paigutati Keweenawi poolsaarele ja mitte kuhugi mujale piki MCR-i, kui puursüdamike andmete põhjal on teada, et basalte leidub kogu lõhe ulatuses. Teine oluline küsimus on, miks MCR-is asuvad nii suured looduslikud vasevarud, kui teised üleujutuste basaldid üle kogu maailma seda ei ole. Need ja muud olulised uurimisküsimused panevad professionaalid ja amatöörid tõenäoliselt aastaid mõtlema.

Viited

Bornhorst, T.J., Paces, J.B., Grant, N.K., Obradovitš, J.D. ja Huber, N.K. (1988) Loodusliku vase mineralisatsiooni vanus, Keweenaw poolsaar, Michigan. Majandusgeoloogia, v. 1999; 83, lk. 619-625.

Bornhorst, T. J. ja Rose, W. I. (1994) Iseseisev geoloogiline väljasõit Keweenawi poolsaarele Michiganis. Institute on Lake Superior Geology Proceedings, 40th Annual Meeting, Houghton, MI, v. 40, osa 2, 185 lk.

Bornhorst, T.J. (1997) Põhja-Ameerika keskkontinendi riftsüsteemi looduslike vasevarude tektooniline kontekst. Ameerika Geoloogiaühingu eriraamat 312, lk. 127-136.

Bornhorst, T. J. ja Lankton, L. D. (2006) Keweenaw Copper: Geology and History. Great Lakes Geoscience, Ontonagon, MI.

Broderick, T.M. (1929) Michigani vasemaardlate tsoneerimine ja selle tähtsus. Majandusgeoloogia, v. 24, lk. 149-162, 311-326.

Broderick, T.M. (1931) Michigani vasemaardlate lõhede ja veenide suhted. Majandusgeoloogia, v. 26, lk. 840-856.

Butler, B.S. ja Burbank, W.S. (1929) Michigani vasemaardlad. U.S. Geological Survey Professional Paper 144. Washington, D.C.

Cannon, W.F., Green, A.G., Hutchinson, D.R., Lee, M., Milkereit, B., Behrendt, J.C., Halls, H.C., Green, J.C., Dickas, A.B., Morey, G.B., Sutcliffe, R. ja Spencer, C. (1989) Põhja-Ameerika keskkontinendi lõhe Superiori järve all GLIMPCE seismilise peegelduse profileerimisest: Tectonics, v. 8, lk. 305-332.

Cannon, W.F. (1992) Keskkontinendi lõhe ülemjärve piirkonnas, rõhuasetusega selle geodünaamilisel arengul: Tectonophysics, v. 213, lk. 41-48.

Cannon, W.F., Peterman, Z.E. ja Sims, P.K. (1993) Maakoore ulatus ja Montreali jõe monokliinne päritolu – 35 kilomeetri paksune ristlõige Midcontinent Riftist Põhja-Michiganis ja Wisconsinis. Tektoonika, v. 12, lk. 728-744.

Cannon, W.F. (1994) Keskkontinendi lõhe sulgemine – Grencilli kontraktsiooni kaugväljaefekt. Geoloogia, v. 22, lk. 155-158.

Cornwall, H.R. (1956) Kokkuvõte ideedest looduslike vasevarude päritolu kohta. Majandusgeoloogia, v. 51, lk. 615-631.

Davis, D.W. ja Paces, J.B. (1990) Keweenaw poolsaare geoloogiliste sündmuste ajaline lahutus ja mõju Keskkontinendi lõhede süsteemi arengule: Earth Planet Science Letters, v. 97, lk. 54-64.

Hoffman, P.F. (1989) Precambrian Geology and Tectonic History of North America: in Bally, A.W., and Palmer, A.R., toim., The Geology of North America- An overview, Boulder, CO., Geological Society of America, The Geology of North America, v. A, lk. 447-512.

Jolly, W.T. (1974) Cu, Zn ja Ni käitumine Michigani põhjaosas Keweenawani basaltide prehniit-pumpellyiidi metamorfoosi ajal. Majandusgeoloogia, v. 69, lk. 1118-1125.

Price, K.L. ja McDowell, S.D. (1993) Proterosoikumi Oronto rühma illiidi/smektiitgeotermomeetria, Keskkontinendi lõhede süsteem: Clays and Clay Minerals, v. 41, lk. 134-147.

Stoiber, R.E. ja Davidson, E.S. (1959) Amygdule mineraalide tsoneerimine Portage Lake Lava seerias, Michigani vasepiirkonnas. Majandusgeoloogia, v. 54, lk. 1250-1277, 1444-1460.

Weege, R.J., Pollock, J.P. ja Calumet'i osakonna geoloogiastaap. (1972) Kahe uue kaevanduse geoloogia kohalikus vasepiirkonnas. Majandusgeoloogia, v. 67, lk. 622-633.

Valge, W.S. (1960) Superiori järve Keweenawani laavad, näide üleujutusbasaltidest: American Journal of Science, vol. 258A, lk. 367-374.

Valge, W.S. (1968) Põhja-Michigani looduslikud vasevarud. Ridge, J.D., toim., Ore Deposits of the United States, 1933-1967 (Gratoni müügimaht). American Institute of Mining, Metallurgy ja Petroleum Engineering, New York, lk. 303-325.