Au-Sn-W-Cu-Mineralization in the Astaneh-Sarband Area, West Central Iran : including a comparison of the ores with ancient bronze artifacts from Western Asia

Abstract

The present study deals with two primary aims; (1) geological, mineralogical, and geochemical investigations of the Deh Hosein, Astaneh, and Nezam Abad mineralizations in the Astaneh-Sarband area, west central Iran, with the aim to understand the characteristics of the occurrences and their conditions of formation, and (2) geochemical investigations on ancient bronze artifacts from Iran and Western Asia in order to compare their characteristics with the high-tin copper ore of Deh Hosein and examine their possible relationship. The Astaneh-Sarband area is located in the northern part of the NW-SE aligned Sanandaj-Sirjan metamorphic belt and consists mainly of Mesozoic schists, Middle Jurassic to Middle Tertiary intrusive rocks and related contact metamorphic aureoles, and pegmatites. Regional metamorphism in the area has reached a peak of greenschist facies, but further metamorphism has occurred locally, associated with granitoid emplacement. Magmatism has produced large felsic to intermediate intrusive bodies along a general northwest trend. The main trend of the faults, fractures and other structural features of the area is NW-SE. The Deh Hosein prospect is mainly hosted by Jurassic meta-sedimentary rocks, which have been intruded by the Astaneh complex. Mineralization continues into the southern part of the Astaneh intrusion. The meta-sedimentary rocks consist of alternating meta-sandstone, phyllite, schist, spotted slate and hornfels. The main faults and other structural features, with NW and NE trends, have controlled the mineralization, which occurs in the form of quartz, quartz-sulfide and quartz-gossan veins and veinlets, partly sheeted in structure. These veins are up to 1.5 m wide and several to tens of meters long. Mineralization also occurs as disseminations and impregnations, especially in the vein selvages. Adjacent to and within zones of intense quartz veining, the predominant alteration assemblage is quartz + sericite + tourmaline + monazite. Some 35 metalliferous minerals have been detected at Deh Hosein. Arsenopyrite is the dominant sulfide mineral, with lesser amounts of chalcopyrite > pyrite > pyrrhotite. Cassiterite and ferberite are the rather abundant oxide minerals. The sulfide content in the ore is generally less than two volume percent. Arsenopyrite associated with early alteration and veining typically contains 1-150µm large inclusions of native bismuth, bismite and bismuthinite. Gold occurs in “invisible” form in the arsenopyrite and bismuth-bearing minerals of Deh Hosein. Bulk gold contents determined by NAA in the ore ranged from 0.05 to 13.3 ppm, while the Cu, Sn, W, and Bi concentrations of veins range up to 10%, 6.7%, 2420ppm, and 1800ppm, respectively. At Astaneh, gold mineralization is confined to the NW-SE trending Astaneh intrusion that is composed mainly of biotite granite (98.9 ± 1.0 Ma; Masoudi 1997), which is locally accompanied by granodiorite, tourmaline granite and quartz diorite. The northeastern part of the Astaneh intrusion has been cut by the Shirmazd granodiorite. This stock is about 400 m in diameter and Eocene in age (Rb/Sr and single zircon evaporation methods, this study). The Shirmazd granodiorite has been cut by NE-trending microgranodiorite dykes. Gold mineralization occurs mainly as NE-trending quartz- and quartz-sulfide veins and veinlets, as well as in disseminations in the Shirmazd stock and the intersecting microgranodiorite dykes, and in some nearby, smaller, altered granitic stocks. Alteration minerals include sericite, chlorite, quartz, calcite and in some cases kaolinite. At Astaneh chalcopyrite and arsenopyrite are the major sulfide minerals, of which the latter contains 1-50 µm sized inclusions of native bismuth and bismite. Gold occurs in both visible and invisible forms at Astaneh. Visible gold has been reported in the form of very fine grained particles (<15 µm) either in goethite produced from the oxidation of chalcopyrite or in sericitized plagioclase (Hashemi 2002), while invisible gold occurs in arsenopyrite and bismuth-bearing minerals. Bulk gold contents determined by NAA ranged from 0.05 to 9.5 ppm, while the Cu, Sn, W, and Bi concentrations of veins range up to 1%, 0.05%, 100 ppm and 138ppm, respectively. The Nezam Abad mineralization is hosted by a Lower-Mid Eocene quartz diorite unit. This rock unit has been cut by several aplitic and quartz or quartz-tourmaline veins; the latter host the mineralization. The faults of the area are NW-, NE- and N-trending. Associated alteration minerals include quartz, chlorite, sericite, and tourmaline. At Nezam Abad, chalcopyrite, arsenopyrite and scheelite are the most abundant ore minerals. Gold occurs as “invisible” form predominantly in arsenopyrite with bismuth inclusions at Nezam Abad. Bulk gold contents determined by NAA ranged from 0.05 to 36.2 ppm while the Cu, Sn, W, and Bi concentrations of veins range up to %10, %0.87, %3.37 and 548ppm, respectively (Farhadian 1999). In all three occurrences, gold shows positive correlations with arsenic, bismuth, selenium, silver, tellurium and antimony. Microprobe investigations revealed that the arsenopyrites from Deh Hosein, Astaneh and Nezam Abad contain 32.3 to 34.3, 30.7 to 31.4, and 33.6 to 35.6 atomic percent of arsenic. Average compositions lead to the conclusion that the mineralization formed at temperatures of 460°C, 410° to 380°C and 565° to 510 °C, respectively. Oxygen isotope ratios for gold-bearing quartz veins in the area range from 13.6 to 19.2‰ for Deh Hosein, from 11.5 to 13.7‰ for Astaneh and from 11.6 to 15‰ (V-SMOW) for Nezam Abad. The oxygen isotope data suggest a metamorphic or a mixed magmatic-metamorphic source for the quartz veins. Measured sulfur isotope values for pyrite, chalcopyrite, galena and arsenopyrite in quartz veins of the Deh Hosein, Astaneh and Nezam Abad range from -5.6 to 0‰, -0.5 to 1.8‰ and 1.2 to 4‰ (CDT), respectively. The sulfur-isotope values of all these occurrences are compatible with a magmatic sulfur source. Pb isotope ratios from the sulfide and host rock samples of the prospects indicate a good agreement between the lead ratios of the ore of Deh Hosein and the hosting meta-sandstone, the ore of Astaneh and the Shirmazd Stock and the ore of Nezam Abad and the hosting quartz diorite. The Pb isotope signatures of the ore from the three occurrences show also rather close ratios. According to the plumbotectonics model of Zartman and Doe (1981) the lead in the ores has a lower crustal Pb component. The studied occurrences share several similarities in terms of their mineralogy, geochemistry, formation temperatures, isotope ratios, alteration and occurrence of gold. They also indicate many similar features with the “intrusion-related gold systems” that have been described from Alaska, the Yukon and other parts of the world (e.g., Lang et al. 1997, 2000; McCoy et al. 1997; Thompson et al. 1999). According to the present data, it appears that a fertile magmatic source (probably of lower crustal origin) has affected the already present metamorphic rocks of the area (by remobilizing some of their elements) and caused a rather intensive gold mineralization in the area during the Pyrenean Orogeny. The extensive ancient mining relics at Deh Hosein, the simultaneous occurrence of tin and copper in it, together with frequent archaeological and ancient textual references which refer to the Iranian plateau as supplier of the raw material for the ancient Mesopotamia and southwestern Iran (Susa and Luristan) encouraged me to examine the possible relationship between the ore of this ancient mine and the ancient bronze artifacts. For this purpose, several bronze artifacts of typical Luristan style which date most probably to the Iranian Iron Age (from about 1300-1250 to 650 BCE) were investigated. The results were compared to the analyses of the Deh Hosein ore and other bronze artifacts previously published. Examination of 29 bronze artifacts from Luristan by energy-dispersive X-ray fluorescence analysis revealed that the Luristan bronzes show variable concentrations of As, Pb, Zn and Fe in addition to high concentrations of tin (0.48-15.4%). The ore composition of Deh Hosein is matched by several bronze artifacts from Luristan analyzed in this study as well as in previous investigations (Fleming et al. 2005). Even more noteworthy is the observation that the lead isotope ratios of the ore samples from Deh Hosein are in very good agreement with 25 samples of metal artifacts from Luristan and other bronze artifacts dated to the third millennium BCE from the southern Persian Gulf (Weeks 1999), the Aegean (Begemann et al. 1992), as well as from third millennium BCE sites in Luristan and Mesopotamia (Begemann & Schmitt-Strecker in preparation). At Deh Hosein, which is located at the western rim of the Luristan area and is close to ancient civilization centers of Susa and Mesopotamia, the ancient workings appear as numerous big ellipsoidal open depressions in two rows along the mineralized horizons. The old workings are up to 70 by 50m in size and up to 15m deep and are aligned over some 500m. Several hammer stones of silicified phyllite and granite, pottery shards and grinding stones have been found in the open-cast mines and adjacent ancient settlements. The pottery shards can be dated to the early first millennium BCE. Pieces of charcoal found in one of the diggings yielded a radiocarbon date of 3380 ± 55, which on calibration (2 sigma) results in an age range of 1775-1522 BCE. Several indications attest that Deh Hosein has been a major supplier of tin for ancient civilizations of Iran and Mesopotamia and perhaps even further west beginning in the third millennium BCE. In summary: i) The lead isotope compatibility of ores from Deh Hosein with many bronze artifacts from Bronze and Iron Age sites distributed from the southern Persian Gulf to the Aegean is good. ii) This is combined with a good match for trace element patterns of ores and artifacts. iii) Copper and tin occur within one mineralization. iv) Ancient textual references mention tin and bronze supply from regions east of Mesopotamia. v) The dating of surface finds of pottery and charcoal finally supports these findings. At present Deh Hosein is the only known copper-tin occurrence close to Luristan and Mesopotamia. The northern part of the Sanandaj-Sirjan zone which is characterized by intrusion of several intrusive bodies in metamorphic terranes favors the occurrence of similar deposits as in the Astaneh-Sarband area. Thus, the prospects are good for further exploration in the region which may also reveal some other ancient mines.

Diese Arbeit befasst sich mit zwei Zielsetzungen; (1) geologische, mineralogische und geochemische Untersuchungen an den Deh Hossein, Astaneh und Nesam Abad Mineralisationen im Astaneh-Sarband-Gebiet, westlicher Zentraliran, um die Zusammensetzungen der Mineralisationen und ihre Bildungsbedingungen zu erfassen, und (2) geochemische Untersuchungen an antiken Bronzeartefakten aus dem Iran und Westasien, um ihre Eigenschaften mit dem zinn- und kupferreichen Erz von Deh Hossein zu vergleichen und mögliche Zusammenhänge zu beurteilen. Das Astaneh-Sarband-Gebiet befindet sich im nördlichen Teil der NW-SE ausgerichteten Sanandasch-Sirschan Metamorphosezone, die hauptsächlich aus mesozoischen Schiefern, mitteljurassischen bis tertiären Intrusivgesteinen mit Kontaktaureolen und Pegmatiten besteht. Die Regionalmetamorphose erreicht die Grünschieferfazies, aber manche granitoiden Intrusionen zeigen örtlich Kontaktmetamorphe Phänomene. Durch Magmatismus entstanden großflächige, felsisch bis intermediäre Intrusiva entlang eines generellen NW-Trends. Die Hauptausrichtung von Störungen, Brüchen und anderen Strukturmerkmalen ist NW-SE. Die Nebengesteine der Mineralisationen bei Deh Hossein sind jurassische Metasedimente, in die der Astaneh-Komplex intrudierte. Die Mineralisation setzt sich auch im südlichen Teil der Astaneh-Intrusion fort. Die metamorphen Gesteine bestehen aus alternierenden Meta-Sandsteinen, Phylliten, Schiefern und Hornfelsen. Die Hauptstörungen und die anderen geologischen Strukturen mit NW- und NE-Trend haben die Ausrichtung der Mineralisation gesteuert. Die Mineralisationen treten in Form von Quarz und Quarz-Sulfid Gängen und Adern auf, teilweise in parallelen Schwärmen. Die Gänge sind bis zu 1.5m breit und mehrere zehner Meter mächtig. Die Vererzung kommt auch als Dissemination und Impregnation vor, insbesondere an den Salbändern. Die vorherrschenden Alterationsprodukte, die neben und innerhalb intensiver Quarz-Äderungszonen vorkommen, sind Quarz, Serizit, Turmalin und Monazit. Etwa 35 Erzminerale wurden bei Deh Hossein aufgefunden. Arsenopyrit ist das dominante Sulfidmineral. In geringeren Mengen sind Kupferkies > Pyrit > Pyrrhotin vorhanden. Kassiterit und Ferberit treten seltener auf. Der Sulfidgehalt des Erzes ist generell geringer als zwei Volumenprozent. Arsenopyrit enthält üblicherweise 1-150µm große Einschlüsse aus gediegen Wismut, Bismit und Bismuthinit. Gold kommt nicht sichtbar im Arsenopyrit und in wismuthaltigen Mineralen bei Deh Hossein vor. Der Goldgehalt des Erzes, analysiert mit NAA, reicht von 0.05 bis 13.3ppm, während die Cu-, Sn-, W- und Bi-Konzentration der Gänge jeweils bis zu 10%, 6.7%, 2420 ppm und 1800 ppm ausmacht. Bei Astaneh ist die Goldvererzung begrenzt auf die NW-SE ausgerichtete Astaneh-Intrusion, die hauptsächlich aus Biotit-Granit (98.9 ± 1.0 Ma; Masoudi 1997) neben geringeren Anteilen an Granodiorit, Turmalin-Granit und Quarz-Diorit besteht. Der nordöstliche Teil der Astaneh-Intrusion wird vom Schirmazd Granodiorit durchschnitten. Der Schirmazd Stock, mit 400 m Durchmesser, hat Eozänes Alter (Rb/Sr- und Zirkon-Alter, diese Studie). Der Schirmazd Granodiorit wird selbst von NE-streichenden Mikrogranodiorit-Gängen durchschnitten. Goldvererzungen kommen hauptsächlich als NE-verlaufende Quarz- und Quarz-Sulfid-Gänge und Adern und auch als Dissemination im Schirmazd Stock, in den Mikrogranodiorit-Gängen und in einigen kleineren benachbarten alterierten Granit-Stöcken vor. Alterationsminerale sind Serizit, Chlorit, Quarz, Calcit und in einige Fällen Kaolinit. Kupferkies und Arsenopyrit sind die vorherrschenden Sulfidminerale, von denen letzterer 1-50 µm große Einschlüsse aus gediegen Wismut und Bismit enthält. Gold kommt in sichtbarer und unsichtbarer Form vor. Sichtbares Gold ist in Form sehr feinkörniger Partikel (<15µm) entweder im Goethit (oxidiert aus Kupferkies) oder in serizitisiertem Plagioklas vorhanden (Hashemi 2002), unsichtbares Gold hingegen in Arsenopyrit und bismuthaltigen Mineralen. Die Goldgehalte (NAA) reichen von 0.05 bis 9.5 ppm, während die Cu-, Sn-, W- und Bi-Konzentrationen der Gänge bis jeweils 1%, 0.05%, 100 ppm and 138 ppm reichen. Die Nesam Abad Mineralisation bildete sich in einem unter- bis mitteleozänen Gesteinsverband. Dieser Gesteinsverband wird von mehreren aplitischen bzw. Quarz- oder Quarz-Turmalin-Gängen durchschnitten. Die Quarz- und Quarz-Turmalin-Gänge enthalten die Mineralisation. Die Störungen des Gebietes streichen NW-, NE-, und N. Durch hydrothermale Prozesse entstandene Minerale sind Quarz, Chlorit, Serizit und Turmalin. Die häufigsten Erze bei Nesam Abad sind Kupferkies, Arsenopyrit und Scheelit. Gold kommt unsichtbar vor, überwiegend im Arsenopyrit mit Wismut-Einschlüssen. Der Goldgehalt des Erzes reicht von 0.05 bis 36.2 ppm (NAA). Der Gehalt an Cu, Sn, W, und Bi in den Gängen reicht jeweils bis 10%, 0.87%, 3.37% and 548 ppm (Farhadian 1999). Die Goldkonzentration korreliert positiv mit Arsen, Wismuth, Selen, Silber, Tellur und Antimon in allen drei Lagerstätten. Mikrosondenuntersuchungen zeigen, daß der Arsenopyrit von Deh Hossein, Astaneh und Nesam Abad jeweils 32.3 bis 34.3, 30.7 bis 31.4, and 33.6 bis 35.6 Atom% Arsen enthält. Aus den Durchschnittszusammensetzungen wurde Bildungstemperaturen von 460°C, 410° bis 380°C und 565° bis 510 °C errechnet. Die Sauerstoffisotopenverhältnisse für goldhaltige Quarzgänge in dem Gebiet reichen von 13.6 bis 19.2‰ (V-SMOW) für Deh Hossein, von 11.5 bis 13.7‰ für Astaneh und von 11.6 bis 15‰ für Nesam Abad. Die Sauerstoffisotopendaten deuten eine metamorphe oder eine gemischte magmatisch-metamorphe Quelle für die Quarzgänge an. Die gemessenen Schwefelisotopenwerte für Pyrit, Kupferkies, Bleiglanz und Arsenopyrit in Quarzgängen bei Deh Hossein, Astaneh und Nasam Abad reichen jeweils von -5.6 bis 0‰, -0.5 bis 1.8‰ und 1.2 bis 4‰ (CDT). Die Schwefelisotopendaten aller Vorkommen deuten auf eine magmatische Schwefelquelle hin. Die Bleiisotopenverhältnisse von Sulfid- und Nebengesteinsproben der Lagerstätten zeigen eine gute Übereinstimmung des Erzes von Deh Hossein mit dem Metasandstein, des Erzes von Astaneh mit dem Schirmazd-Stock und des Erzes von Nesam Abad mit dem Quarzdiorit. Die Bleiisotopensignaturen der Erze aller drei Vorkommen sind auch untereinander relativ ähnlich. Nach dem Plumbotectonics-Model von Zartman and Doe (1981) hat das Blei einen unterkrustalen Ursprung. Die untersuchten Vererzungen zeigen vielfältige Ähnlichkeiten bezüglich ihrer Mineralogie, Geochemie, Bildungstemperaturen, Isotopenverhältnisse, Alterationen und Goldvorkommen. Sie weisen auch viele Ähnlichkeiten mit den „Intrusion-Related Gold Systems” auf, die von Alaska, aus dem Yukon-Gebiet und anderen Teilen der Welt beschrieben wurden (z.B. Lang et al. 1997, 2000; McCoy et al. 1997; Thompson et al. 1999). In Anbetracht der vorliegenden Daten scheint eine ergiebige magmatische Quelle (wahrscheinlich von unterkrustaler Herkunft), die schon vorhandene metamorphe Gesteine beeinflusst hat (durch Remobilisierung einiger ihrer Elemente), zu einer relativ intensiven Goldvererzung in dem Gebiet während der Pyrenaeischen Orogenese geführt zu haben. Die umfangreichen Relikte von antikem Bergbau bei Deh Hossein, das gleichzeitige Vorkommen von Zinn und Kupfer, nebst zahlreichen archäologischen und schriftlichen Quellen, die auf die iranische Hochebene als Liefergebiet für die Rohstoffe Mesopotamiens und Südwestirans (Susa und Luristan) verweisen, brachten mich dazu, eine mögliche Beziehung zwischen Deh Hossein und antiken Bronzeartefakten zu untersuchen. Für diesen Zweck wurden mehrere typische Luristanbronzen, die höchstwahrscheinlich in die iranische Eisenzeit zu datieren sind (von circa 1300-1250 bis 650 v.Chr.) analysiert und mit der Zusammensetzung der Erze von Deh Hossein und mit Literaturdaten von anderen Bronzeartefakten verglichen. Die Untersuchung von 29 Luristanbronzen mittels energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse ergab variable Konzentrationen von As, Pb, Zn und Fe und hohe Konzentrationen an Zinn (0.48-15.4%). In vielen Fällen stimmt die Zusammensetzung der in dieser Arbeit untersuchten Luristanbronzen ebenso wie die aus früheren Untersuchungen (Fleming et al. 2005) mit der Zusammensetzung der Erze von Deh Hossein überein. Noch bemerkenswerter ist die sehr gute Übereinstimmung der Bleiisotopenverhältnisse von Deh Hossein mit 25 prähistorischen Metallartefakten aus dem 3. Jahrtausend v.Chr. von Luristan und anderen Regionen, wie dem südlichen Persischen Golf (Weeks 1999), der Ägäis (Begemann et al. 1992) und Mesopotamien (Begemann & Schmitt-Strecker in Vorbereitung). Bei Deh Hossein, am westlicher Rand des Luristangebietes, nahe den antiken Zentren von Susa und Mesopotamien, ist alter Bergbau anhand zahlreicher großer, elliptischer Pingen zu erkennen, die in zwei Reihen entlang der Vererzungshorizonte verlaufen. Diese Pingen messen bis zu 70 m im Durchmesser, sind bis zu 15 m tief und erstrecken sich über eine Länge von 500 m. Zahlreiche Schlagsteine aus silifiziertem Phyllit und Granit, Keramik und Mahlsteine wurden im Bereich der Pingen und den nahe liegenden Siedlungen gefunden. Die Keramik wurde auf das frühe 1. Jahrtausend v.Chr. datiert. Stücke von Holzkohle, die in einem Abbau gefunden wurden, ergaben ein Radiokarbonalter von 3380 ± 55 a, das nach Kalibration (2 sigma) eine Altersspanne von 1775-1522 v.Chr. ergibt. Viele Indizien weisen darauf hin, dass Deh Hossein am Anfang des 3. Jahrtausend v. Chr. eine bedeutende Quelle von Zinn und Kupfer für den westlichen Iran und Mesopotamien und vielleicht sogar für weiter westlich gelegene Regionen war. Zusammenfassend ergaben die Untersuchungen: i) Die Bleiisotopenverhältnisse von Deh Hossein ähneln denen vieler Bronzeartefakte aus der Bronze- und Eisenzeit vom südlichen Persischen Golf bis zur Ägäis. ii) Ebenso besteht eine gute Übereinstimmung in Bezug auf das Spurenelementmuster zwischen Erzen und Artefakten. iii) Kupfer und Zinn treten zusammen im gleichen Vorkommen auf. iv) Antike Texte erwähnen Zinn- und Bronzelieferungen aus Regionen östlich Mesopotamiens. v) Letztendlich unterstützen die Datierungen von Keramik und Holzkohle diese Ergebnisse. Zur Zeit ist Deh Hossein das einzige bekannte Kupfer-Zinn-Vorkommen, das in der Nähe von Luristan und Mesopotamien liegt. Der gesamte nördliche Teil der Sanandadsch-Sirdschan Zone ist durch mehrere Intrusivkörper charakterisiert, ähnlich wie im Astaneh-Sarband-Gebiet. Deshalb ist es denkbar, dass eine geologische und archäometallurgische Exploration in dieser Region zur Entdeckung weiterer alter Bergwerke führen könnte.