The role of organic carbon and arsenic in the formation of sediment-hosted gold deposits: A case study of the Shahuindo and Algamarca epithermal deposits, Peru

Abstract

The goal of this study is to determine the source of gold and the role played by organic carbon and arsenic in the formation of sediment-hosted gold deposits. The effect of and link between these two ubiquitous ingredients yet remains unresolved, even though most mineable gold in the Earth’s crust is hosted by this type of deposits. In this work, we tackled these fundamental questions in a case study of the Shahuindo and Algamarca deposits in the Marañon Fold and Thrust Belt of the Peruvian Andes. These deposits are representative of sediment-hosted deposits in which gold mineralization is closely associated with both carbonaceous material and arsenian pyrite. We combined a range of complementary approaches including regional-scale basin analysis, mineralogical, geochemical, and fluid-inclusion studies, coupled with modeling of fluidrock interactions. Our results show that both Shahuindo and Algamarca deposits are located in an imbricated system of four thrust-related anticlines. The mineralization, which is predominantly present in the form of invisible gold in arsenian pyrite, is hosted by sandstone reservoirs of the Cretaceous Chimú, Carhuaz and Farrat formations of an overmature petroleum system. The intersection of thrust structures with transverse strike-slip faults controlled the location of the gold mineralization. Analyses of quartzhosted fluid inclusions for homogenization temperature, salinity and element concentration patterns collectively point to a magmatic origin of the mineralizing fluid(s). In addition, our fluid-inclusion data reveal intensive interactions between the fluid and organic carbon within the sedimentary basin, leading to large concentrations of CO2 CH4 and H2S in the fluid. These reactions result in an enhancement of Au solubility in the form of AuI hydrosulfide complexes, due to the increase in H2S and pH in the fluid. These key chemical changes in the fluid upon its reaction with organic matter promoted the transport of gold through the fold and thrust belt, followed by the gold-bearing fluid accumulation in structural traps such as anticlines, and subsequent gold intake by arsenian pyrite. The ensemble of the results obtained in this work allowed us to propose a novel genetic model of formation for Shahuindo and Algamarca deposits. The model integrates the positive combined effect role of organic carbon and arsenic in the transport and concentration of gold, coupled with a favorable structural architecture of the fold and thrust belt. Furthermore, our data point to a concealed porphyry-style mineralization that may be present beneath the basin hosting the Shahuindo and Algamarca epithermal deposits. The results of this work contribute to the improvement of exploration strategies for sediment-hosted gold deposits in Northern Peru and worldwide.L'objectif de cette étude est de déterminer la source de l'or, le rôle du carbone organique et de l'arsenic dans la formation des gisements d'or hébergés dans des sédiments. L'effet et le lien entre ces deux ingrédients omniprésents dans de tels systèmes n'ont pas encore été élucidés, même si la majeure partie de l'or exploitable dans la croûte terrestre se trouve dans ce type de gisements. Dans ce travail, nous avons abordé ces questions fondamentales par une étude de cas en choisissant les gisements de Shahuindo et d'Algamarca situés dans la ceinture de plis et chevauchements du Marañon dans les Andes péruviennes. Algamarca et Shahuindo sont représentatifs des gisements hébergés dans des sédiments dans lesquels la minéralisation aurifère est étroitement associée à la fois au carbone organique et à la pyrite arséniée. Dans cette étude, nous avons combiné une série d'approches complémentaires, comme l'analyse structurale et de bassin à l'échelle régionale, des études minéralogiques, géochimiques et d'inclusions fluides, associées à la modélisation thermodynamique des interactions fluides-roches. Nos résultats montrent que les gisements de Shahuindo et d'Algamarca sont situés dans un système imbriqué de quatre chevauchements et anticlinaux associés. La minéralisation, sous forme d’or « invisible » dans la pyrite arséniée, se trouve dans les réservoirs grèseux des formations crétacées Chimú, Carhuaz et Farrat appartenant à un système pétrolier surmature. Les intersections d’anticlinaux ou de failles de chevauchement avec des failles transverses de décrochement ont contrôlé l'emplacement de la minéralisation aurifère. Nos analyses des inclusions fluides piégées dans le quartz démontrent, par leurs températures d’homogénéisation, salinités et signatures d’éléments trace, une origine magmatique des fluides minéralisateurs. En outre, elles révèlent des interactions intenses entre le fluide et le carbone organique au sein du bassin sédimentaire, conduisant à de fortes teneurs en CO2, CH4 et H2S dans le fluide. Ces réactions ont entraîné une augmentation de la solubilité de l'or sous forme de complexes hydrosulfurés, en raison de l'augmentation du pH et de la concentration en H2S dans le fluide. Ces changements de composition du fluide ont favorisé le transport de l’or à travers le bassin sédimentaire plissé et faillé. Puis les fluides aurifères se sont accumulés dans des pièges structuraux comme les anticlinaux, et l’or a été finalement incorporé dans la pyrite arséniée. L'ensemble des résultats obtenus dans ce travail nous permettent de proposer un nouveau modèle génétique de formation pour les gisements de Shahuindo et d'Algamarca. Ce modèle intègre l'effet combiné du carbone organique et de l'arsenic dans le transport et la concentration de l'or, couplé à un environnement structural très favorable, dans un bassin sédimentaire plissé et faillé. En outre, nos données indiquent qu'une minéralisation cachée de type porphyrique pourrait exister en profondeur, sous les sédiments encaissants les gisements épithermaux de Shahuindo et d'Algamarca. Les résultats de ce travail contribueront à l'amélioration des stratégies d'exploration des gisements d'or dans les sédiments du nord du Pérou et dans le reste du monde.El objetivo de este trabajo es determinar el origen de los fluidos mineralizantes y el rol del carbón orgánico y el arsénico en la génesis de los depósitos de oro hospedados en sedimentos. El rol y el vínculo entre estos dos ingredientes omnipresentes aún sigue sin resolverse a pesar de que la mayor parte del oro explotable en la corteza terrestre se concentra en este tipo de depósitos. En el presente trabajo vamos a abordar estas dos interrogantes primordiales mediante el caso de estudio de los depósitos de Shahuindo y Algamarca en la faja corrida y plegada del Marañon de los Andes peruanos. Depósitos representativos de depósitos de oro hospedados en sedimentos, en los cuales la mineralización de oro se encuentra estrechamente asociada con la materia orgánica y la pirita arsenical. En este trabajo combinamos una serie de metodologias complementarias que incluyen el análisis estructural y de cuenca a escala regional, estudios mineralógicos, geoquímicos y de inclusiones fluidas, combinado con modelamiento termodinámico de las interacciones fluido-roca. Los resultados muestran que los depósitos de Shahuindo y Algamarca se encuentran localizados en un sistema imbricado de cuatro sobreescurrimientos y anticlinales asociados. La mineralización, la cual se encuentra predominantemente en forma de oro invisible en pirita arsenical, esta hospedada en reservorios de areniscas cretácicas de las formaciones Chimú, Carhuaz y Farrat de un sistema petrolero sobremadurado. La intersección entre los anticlinales o fallas de sobreescurrimiento con las fallas de rumbo transversales controlaron la localización de la mineralización de oro. Los datos obtenidos de las inclusiones fluidas en cuarzo (temperatura de homogenización, salinidad y patrones de concentración de elementos) indican un origen magmático. Adicionalmente los datos de inclusiones fluidas revelan intensas interacciones entre el fluido y el carbón orgánico presente en la cuenca sedimentaria, produciendo altas concentraciones de CO2 CH4 y H2S en el fluido. Estas reacciones resultan en un incremento en la solubilidad del oro en forma de complejos de hidrosulfuro, debido al incremento del H2S y el pH en el fluido. Esto promueve el transporte del oro atreves de la cuenca sedimentaria plegada y fallada, posteriormente los fluidos auríferos son acumulados en trampas estructurales tales como anticlinales, y por último el oro es extraido del fluido por la pirita arsenical. El conjunto de datos obtenidos en este trabajo permite proponer un novedoso modelo genético de formación para los depósitos de Shahuindo y Algamarca. Este modelo integra el efecto positivo combinado del carbón orgánico y el arsénico en el transporte y concentración del oro, junto a un ambiente estructural favorable, en la faja corrida y plegada. Además, nuestros datos indican la posible presencia de una mineralización oculta del tipo pórfido por debajo de los sedimentos que albergan a los depósitos epitermales de Shahuindo y Algamarca. Estos resultados contribuyen a mejorar las estrategias de exploración para depósitos de oro hospedados en sedimentos en la faja corrida y plegada del Marañon y en otros contextos similares alrededor del mundo.