Per. Mineral. (1999), 68, 2, 93-108 An InternationalJournal of �} PERIODICO di MINERALOGIA MINERALOGY, CRYSTALLOGRAPHY, GEOCHEMISTRY, established in1930 ORE DEPOSITS, PETROLOGY, VOLCANOLOGY and applied topics on Environment, Archaeometry and Cultural Heritage Soi� gas investigations over sulphide ore-bearing fractures - the Fontalc1naldo case study (Boccheggiano and Niccioleta mining district - southern Tuscany, Italy) FRANCESCO ASTORRI1, SALVATORE LOMBARDI1* and FABRIZIO PAOLONI2 1 Dipartimento di Scienza della Terra, Universita di Roma «La Sapienza», P.le Aldo Moro 5 I-00185 Roma' Italy ' 2 Acquater S.p.A., San Lorenzo in Campo, Pesaro, Italy Submitted December1998 - Accepted Apri/1999 ABSTRACT.- The application of soil-gas analysis scarce because of unfavourable geological to sulphide exploration has been evaluated at conditions (i.e. impermeable covers). F nt lcinald (southern Tuscany, Boccheggiano­ � � ? . Niccioleta mmmg district). Samples were collected for He, Rn and C0 analysis and compared with 2 RIASSUNTO.- Nell'ambito di una ricerca eseguita deep sulphide-bearing fractures identified using nel 1990 in cooperazione tra l'Universita di Roma e borehole and geophysical data. The selected gases la Rimin Spa nell' area facente capo al distretto were chosen because they are proven fault tracers. minerario delle Colline Metallifere (Toscana In addition C02 has the added benefit that it can Meridionale), sono state applicate metodologie di also give indirect information on the presence of prospezione dei gas del suolo al fine di individuare buried sulphide deposits, as sulphide mineral la presenza in profondita di mineralizzazioni a oxidation produces sulphuric acid which in turn solfuri intruse in faglie sepolte al di sotto di una reacts with host-rock carbonate mineral to for ; � spessa coltre argillosa scarsamente permeabile. Con carbon di xide. Elevated He, 222Rn and C0 � 2 il presente lavoro si voluta verificare la possibilita concentratiOns have been found over fault and e di acquisire informazioni geochimiche relative alia fracture systems defined on the basis of geological presenza di mineralizzazioni in aree dove lo spessore and geophysical mapping; further N-S trending . e la scarsa permeabilita di certi litotipi, come le lme twns have also been highlighted, including a � argille ed i flysch argillosi, possono permettere la possible northward extension of the Boccheggiano Fault. The surveys also indicated systematic soil­ migrazione in superficie di specie gassose endogene gas anomalies related to mineral occurrences, with ma non la migrazione in soluzione dei traccianti co u emente usati nelle tecniche di prospezione the most consistent patterns (i.e. elevated C02 � ? values) occurring over the main sulphide orebodies tradiZIOnale (stream sediments, analisi di elementi in present in the area. The present research indicates tracce nei suoli ecc.). E stata quindi effettuata, tra il that soil-gas techniques can provide useful 1990 ed il 1992, una campagna di prospezione nel information on the presence of ore-bearing corso della quale sono stati prelevati in totale 542 fractures, especially during initial reconnaissance campioni di gas del suolo. Tra le specie gassose anahzzate le piu significative sono risultate essere exploration or where other geochemical data are 222 He, Rn e C02. Tali gas, come e noto �ostituiscono buoni traccianti di fratture sepolte: * Corresponding author, E-mail: [email protected] moltre la C02 risulta essere un valido indicatore 94 F. AsTORRI, S. LOMBARDI and F. PAOLONI della presenza in profondita di mineralizzazioni a groundwater (usually present around oxidising solfuri. I processi ossidoriduttivi che si innescano in sulphide deposits) with host-rock carbonate tali ambienti rendono infatti le acque di circolazione minerals (Lovell et al. , 1979; Lovell and Hale, fortemente aggressive nei confronti della calcite con 198 3; Lovell et al. , 198 3; Ball et al. , 1985; consumo di 02 e liberazione di C02. I risultati delle campagne di prospezione hanno evidenziato, Peachey et al. , 1985; Hinkle et al. , 1990; Reid mediante 1' esame della mappe di distribuzione dei and Rasmussen, 1990). Sulphur gas species gas, la buona correlazione delle anomalie di He, derived from sulphide mineral alteration may 222 Rn e C02 con i sistemi di faglie e fratture be also present (Taylor et al. , 1982; Hinkle, individuati mediante le indagini geofisiche. Lo 1984; Hinkle and Dilbert, 1984; Stedman et al. , studio degli andamenti delle anomalie suggerisce inoltre la probabile esistenza di lineamenti tettonici 1984; Nicholson et al. , 1988; Ball et al. , 1990; orientati nord-sud non riportati nelle carte Hinkle et al. , 1990; Kesler et al. , 1990). geologiche e/o sismiche; di questi il piu importante Tectonic discontinuities, along which sembra essere la prosecuzione verso nord della nota geothermal fluids circulate and deposit Faglia di Boccheggiano. Per quanto attiene la sulphide minerals, can provide preferential relazione tra anomalie di fuga e corpi mineralizzati pathways for gases ascending to the surface si e potuto riscontrare che incrementi significativi delle specie gassose analizzate, in particolare la (Reimer and Bowles, 1979; Rose et al. , 1979; C02, coincidono con le aree mineralizzate. Oltre a Gregory and Dunance, 1985; Malmqvist et al. , cio si e potuto verificare che il metodo d'indagine 1989; Duddridge et al. , 1991). proposto consente di acquisire informazioni sulla A co-operative research study between the presenza di probabili mineralizzazioni sepolte sia in Earth Sciences Department of «La Sapienza» terreni permeabili (Formazione del Calcare Cavernosa) che in sedimenti scarsamente permeabili University of Rome and the Italian mining come quelli flyshoidi (Argille a Palombini). Cio puo company Rimin SpA permitted the assessment rivelarsi particolarmente utile sia nelle prime fasi of the soil-gas method for sulphide ore dell' esplorazione mineraria, in cui particolarmente exploration. Research canied out during 1990 elevato risulta il rischio di insuccesso in relazione ai and 1992 consisted of the collection and costi di prospezione, sia in aree nelle quali le sfavorevoli condizioni idrogeologiche non analysis of soil gas samples near Fontalcinaldo consentono 1 'utilizzo dei metodi tradizionali di (Boccheggiano-Niccioleta mining district, prospezione. southern Tuscany), a known pyrite deposit which has an extensive geological data-base for comparison with the soil-gas results. KEY WORDS: Tuscany (Italy), geochemical The objectives of the research were to prospecting, soil-gas survey, ore prospecting. study: 222 - The use of He, Rn and C02 as tracers of concealed faults and fractures, which are INTRODUCTION potential hosts for sulphide mineralisation. - The use of C02 as a tracer of deep-seated Soil-gas methods are becoming increasingly sulphide-bearing fractures. accepted in the broad spectrum of geochemical - The acquisition of geochemical data in exploration techniques, and numerous recent areas where traditional geochemical methods, studies have defined geochemical haloes at the based on trace-element migration in surface which are associated with buried groundwater, may fail because of the thickness mineral resources (Hinkle and Harms, 1978; and low permeability of certain lithotypes. One Reimer and Bowles, 1979; Lovell et al. , 1980; of the innovative aspects of this work, with Lovell and Hale, 198 3; Ball et al. , 1985; respect to similar studies, is the attempt to McCarthy et al. , 1986). In areas undergoing overcome the limitations imposed by the sulphide weathering, 02 is consumed while presence of thick and/or low permeable C02 can be formed by the reaction of acidic sediments over the Fontalcinaldo deposit. Soil gas investigations over sulphide ore-bearingfractures - the Fontalcinaldo case study 95 GEOLOGICAL SETTING AND MINERALOGICAL Apennine-trending depressions along a series FEATURES OF THE RESEARCH SITE of extensional faults (RIMIN, 1988). The main tectonic structure visible at The Fontalcinaldo site is situated about 40 Fontalcinaldo is the «Ritorto Fault», a WNW­ km north of Grosseto, within the mining ESE striking extensional structure which has a district that includes the Niccioleta and dip of 40°-45° towards the NE (fig. 2). The Boccheggiano-Campiano pyrite mines (fig. 1). Ritorto Fault represents the western The geological setting of the area is a prolongation of the larger Boccheggiano Fault, consequence of two different tectonic phases which is well known for its mineralised veins. which began during the Oligocene. The initial This structure juxtaposes a raised block of compressional phase formed the Apennine outcropping «substratum» corresponding to Chain, while the second period created the carbonate «Tuscan Sequence» (primarily • • • • FONTALCINALOOAREA • • Tra�le Rggionaland detgjlgg Ill • survevs locationmoo • • • • • • Sample stations • • Boccheggiano Fault • • • • 11 TONns • • Gerfalco. X' Mining sites •Ill • • • I • 100<1 2000 Ill • • • • • Montieri • • • .11111 • • • • • • • • • • • • • • DetailedsuJVeys area: • -145 on sectionssamples (1990) X' • • • 22E)Ogridded samples(,992) • • • • • • l • • heWano • • • • • • • • X' • • • Niccioleta-Mine • • • X' • • • • • • • • • M • • • • • • • • • • Study area • • • • • • • • Tyrrenian Ghirlanda • • Sea SlEW\ • Ill • • • t\e=E:Sl. ELBA M I� GROSSETO • 656.00 658.00 660.00 662.00 664.00 666.00 Fig. 1 - Study area and samples location map. 96 F. ASTORRI, S. LOMBARDI and F. PAOLONI . .... ... � .. .. .... ... .