Abstract

The phase relations within the Fe9S8–Ni9S8–Cu9S8 section of the system Fe–Ni–Cu–S at 760°C were investigated in silica glass tubes. A complete “quaternary” solid-solution (Hz–Iss) between heazlewoodite solid-solution (Ni,Fe)xS2 and intermediate CuxFeyS2 solid-solution was established. The possibility of direct crystallization of pentlandite (Pn) from Cu-containing sulfide melt is unlikely, as no primary Pn was found to be stable in the high-temperature associations. Experiments performed at the same conditions with Pt, Pd or Rh added in small quantities reveal the contrasting behavior of platinum-group elements (PGE). Pt preferentially forms its own minerals, either Pt–Fe alloys in association with Fe-rich base-metal sulfides (BMS) or platinum sulfides in Ni- and Cu-rich assemblages. At 760°C, sulfur fugacity [f(S2)] varies from −10.5 [log f(S2)] where γ(Fe,Ni,Pt) alloy is stable to log f(S2) ≥ −1.1 where Cu(Pt,Ni)2S4 is present. Palladium enters sulfide solid-solutions, with up to 1.5 at.% in Hz–Iss and 0.9–1.1 at.% in Ni-rich monosulfide solid-solution (Mss). The behavior of Rh is remarkable; it may concentrate in BMS, especially Mss, accounting for up to 2.6 at.% Rh, or form Rh alloys or sulfides, under very low or very high f(S2), respectively. The application of the present experiments to PGE-bearing sulfide deposits indicates that sulfide solid-solutions were in most cases the temporary collectors of the light PGE before the appearance of Pn. During subsolidus recrystallization of the high-temperature BMS, Pd and Rh partition into Pn or form their own secondary minerals. PGE deposits with a predominance of Pt–Fe alloys, such as those occurring in mantle rocks exposed in ophiolites (Corsica, New Caledonia) or kimberlites, and in layered complexes (e.g., the Merensky Reef, Bushveld Complex) are consistent with derivation from a S-poor sulfide melt, yielding early-formed Pt–Fe alloys. A similar origin may be inferred for the alloy type of Pt mineralization, which occurs in some crustal sequences of ophiolites and in Alaskan-type complexes, despite the very low amount of BMS present. Even in these low-S deposits, high f(S2) may be reached locally as a result of the appearance of a Cu-rich sulfide liquid, derived by fractionation or by immiscibility from an original Fe-rich sulfide melt.

Abstract

Les relations de phase dans la section Fe9S8–Ni9S8–Cu9S8 du système Fe–Ni–Cu–S ont été étudiées expérimentalement par la méthode des tubes de verre en silice, à la température de 760°C. Une solution solide complète “quaternaire” à quatre composants, entre la solution solide de heazlewoodite (Ni,Fe)xS2 et la solution solide intermédiaire CuxFeyS2, a été mise en évidence. La cristallisation directe de pentlandite (Pn) à partir d’un liquide sulfuré contenant du cuivre est peu probable, la Pn primaire n’étant pas stable dans les conditions de hautes températures. Des expériences réalisées dans les mêmes conditions, avec Pt, Pd ou Rh ajoutés en petites quantités, ont permis de révéler le comportement contrasté de ces éléments. Le platine forme préférentiellement ses propres minéraux, soit des alliages de Pt–Fe en association avec des sulfures de métaux de base riches en Fe, soit des sulfures de Pt avec des sulfures de métaux de base plus riches en Ni et Cu. La fugacité en soufre à 760°C varie, de −10.5 [en log f(S2)] lorsque les alliages de Ni, Fe et Pt sont présents à des fugacités supérieures, à −1.1 lorsque des phases de type Cu(Pt,Ni)2S4 sont stables. Le palladium entre dans les solutions solides sulfurées, jusqu’à 1.5 at.% dans la Hz–Iss et 0.9–1.1 at.% dans la solution solide monosulfurée (Mss) riche en Ni. Le comportement du Rh est remarquable pour sa possibilité d’entrer dans les solutions solides sulfurées, surtout dans la Mss (jusqu’à 2.6 at.% de Rh), ou de former des alliages ou sulfures, respectivement sous des conditions de très faibles ou très fortes fugacités en soufre. L’application de ces travaux expérimentaux aux gisements sulfurés porteurs d’éléments du groupe du platine (EGP) indique que les solutions solides de sulfures sont dans la plupart des cas les collecteurs temporaires des EGP légers avant l’apparition de la Pn. Pendant la recristallisation des solutions solides sulfurées de hautes températures, Pd et Rh entrent dans la pentlandite ou forment leurs propres minéraux. Les gisements ou indices de Pt avec une prédominance d’alliages, comme ceux qui existent dans le manteau des ophiolites (Corse, Nouvelle-Calédonie) ou dans les kimberlites, et dans les intrusions rubanées, comme dans le Merensky Reef du complexe du Bushveld, dériveraient d’un magma sulfuré pauvre en soufre, qui donnerait des alliages formés à un stade précoce. Une origine semblable peut être retenue pour les types de minéralisation en EGP porteuses d’alliages de Pt, qui existent dans certaines séquences crustales des ophiolites et dans les complexes alaskéens, en dépit de la faible quantité de sulfures de métaux de base présente. Même dans ces gisements pauvres en soufre, des fugacités de soufre élevées peuvent être atteintes localement lors de la formation d’un liquide sulfuré riche en Cu, qui dériverait d’un liquide sulfuré originel riche en fer par fractionnement ou par immiscibilité.

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