Cryptic variation of augite in the Penikat Layered Intrusion, Northern Finland, with reference to megacyclic units and PGE-enriched zones

Summary

The Penikat Layered Intrusion is located in northern Finland, about 70 km to the south of the Arctic Circle. It belongs to a discontinuous layered intrusion belt about 300 km in length and about 2440 m.y. old which stretches from the Swedish-Finnish border to Russian Karelia. The Penikat Intrusion itself is 23 km long and 1.5 to 3.5 km wide. Its magmatic stratigraphy may be divided into a thin marginal series and a 2 to 3 km thick layered series. The latter is made up to five megacyclic units (MCU) which are attributed to repeated influxes of new magma into the Penikat chamber during solidification.

The intrusion hosts at least seven PGE-enriched zones, the most remarkable of which are the SJ, AP and PV PGE Reefs. The SJ Reef is located at the boundary between MCU's III and IV, about 600 m above the base of the intrusion; the AP Reef in the lower part of MCU IV, about 300 m above the SJ Reef; and the PV Reef in the transition zone between MCU's IV and V, about 800 m above the AP Reef.

The Penikat Intrusion underwent complex deformation and metamorphism during the Svecokarelian Orogeny, resulting in variable alteration of most of the magmatic minerals. Augite is the least altered magmatic mineral and was, therefore, selected to indicate changing composition during fractionation and the manner in which its composition reflects the existence of megacyclic units.

Augite occurs as an intercumulus mineral in the ultramafic lower part and as a cumulus mineral in the gabbronoritic and anorthositic upper part of each megacyclic unit. The 100 Mg/(Mg + Fe² + Mn) ratio shows decreasing trends in the three lower-most megacyclic units, excluding the lower part of MCU II, where a considerable reversal occurs, i.e. this ratio indicates progressive increase upward in the stratigraphy, providing evidence of magma mixing. The ratio decreases abruptly at the base of MCU and remains relatively constant in MCU's IV and V. The variation in the Cr₂O₃ content resembles that of the 100 Mg/(Mg + Fe²⁺ + Mn), and clearly indicates differences between the three lowermost chromium-rich and the two uppermost chromium-poor megacyclic units. The variations in TiO₂ and MnO content form roughly mirror images with chromium, being lower in the lower part and higher in the upper part of the intrusion. Na₂O correlates positively with chromium, since Na⁻ provides a charge balance to Cr³⁺ in augite.

Besides the megacyclic units, the Penikat Intrusion is characterized by an unusually great number of PGE-enriched zones, even though the total thickness of the intrusion is only about three kilometers unlike the Bushveld and Stillwater Complexes which are much thicker. It is suggested that the presence of these kinds of PGE zones in layered intrusions, which comprise similar megacyclic units, is linked to the multistage processes which are also related to the development of these units and take place within them. Thus the identification of these kinds of megacyclic units may serve as a useful tool in prospecting for PGE ores both here and in other layered intrusions. This investigation reveals that the well-known method of studying cryptic variation in ferromagnesian silicates, such as augite, clearly indicates the existence of megacyclic units even in fairly altered layered intrusions like the Penikat.

Zusammenfassung

Die geschichtete Intrusion von Penikat liegt in Nord-Finnland, rund 70 km südlich vom Polarkreis. Sie gehört zu einem diskontinuierlichen Gürtel aus geschichteten Intrusionen mit einer Länge von über 300 km und einem Alter von 2440 ma, der sich von der Grenze zwischen Schweden and Finnland bis nach Russisch-Karelien erstreckt. Die Intrusion von Penikat ist 23 km lang und 1.5 bis 3.5 km breit. Ihre magmatische Abfolge kann in eine geringmächtige randliche Serie und eine 2 bis 3 km mächtige geschichtete Serie unterteilt werden. Letztere wird von fünf megazyklischen Einheiten (MCU) aufgebaut, die auf den wiederholten Zufluß von neuem Magma in die Penikat-Magmenkammer während der Erstarrung zurückgeführt werden.

Die Intrusion enthält zumindest sieben an PGE angereicherte Zonen, von denen die SJ-, AP- und PV-Reefs besonders erwähnenswert sind. Das SJ-Reef befindet sich an der Grenze zwischen MCU III und IV, 600m über der Basis der Intrusion; das AP-Reef im unteren Teil der MCU IV, rund 300 m über der SJ-Anreicherung; und das PV-Reef in der Übergangszone zwischen MCU IV und V, rund 800 m über dem AP-Reef.

Die Penikat-Intrusion erfuhr während der svekokarelischen Orogenese eine komplexe Deformation mit Metamorphose, was eine unterschiedliche Umwandlung der meisten magmatischen Minerale zur Folge hatte. Da Augit das am wenigsten umgewandelte magmatische Mineral ist, wurde es als Indikator dafür ausgewählt, wie sich die Zusammensetzung während der Fraktionierung änderte und wie seine Zusammen- setzung die Existenz von megazyklischen Einheiten wiederspiegelt.

Augit tritt im ultramafischen unteren Teil einer jeden megazyklischen Einheit als Interkumulus-Mineral auf, während er in den gabbronoritischen und anorthositischen oberen Bereichen als Kumulus-Mineral vorkommt. Das Verhältnis 100 Mg/(Mg + Fe²⁺ + Mn) zeigt mit Ausnahme des unteren Teils von MCU II, wo eine beträchtliche Umkehr eintritt, in den drei untersten megazyklischen Einheiten abnehmende Trends. Dieses Verhältnisnimmt gegen das Hangende der Abfolge hin zu, was auf Magma-Mixing hinweist. Das Verhältnis nimmt an der Basis der MCU plötzlich ab und und bleibt in MCU IV und V relativ konstant. Die Änderung im Cr₂O₃-Gehalt gleicht der von 100 Mg/(Mg + Fe²⁺ + Mn) und zeigt klar die Unterschiede zwischen den drei unteren Cr-reichen und den zwei oberen Cr-armen megazyklischen Einheiten. Die Änderungen im TiO₂- und MnO-Gehalt verhalten sich ungefähr spiegelbildlich, während die Chromgehalte im unteren Teil der Intrusion niedriger, im oberen Teil höher sind. Na₂O korreliert positiv mit Chrom, da Na⁺ den Ladungsausgleich zu Cr³⁺ im Augit besorgt.

Neben den megazyklischen Einheiten wird die Penikat-Intrusion durch eine ungewöhnlich hohe Anzahl von mit PGE angereicherten Zonen charakterisiert, obwohl die Gesamtmächtigkeit der Intrusion im Gegensatz zu den viel mächtigeren Bushveld- und Stillwater-Komplexen nur rund drei Kilometer beträgt. Es wird angenommen, daß das Auftreten dieser Arten von PGE-Zonen in geschichteten Intrusionen, welche ähnliche megazyklische Einheiten umfassen, an mehrstufige Prozesse gebunden ist. Diese Prozesse stehen auch im Zusammenhang mit der Entwicklung dieser Einheiten und finden innerhalb dieser Einheiten statt. Daher kann die Identifizierung solcher megazyklischen Einheiten sowohl hier als auch in anderen geschichteten Intrusionen zur Prospektion von PGE-Erzen herangezogen werden. Die vorliegende Untersuchung zeigt, daß geringste Veränderungen in Augit die Existenz von megazyklischen Einheiten selbst in stark umgewandelten geschichteten Intrusionen wie Penikat er kennen lassen.