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Multiple isotope tracers from Permian-Triassic hydrated sulfates: Implications for fluid-mineral interaction

Traceurs isotopiques multiples à partir de sulfates hydratés de Permien-Trias : implications pour l’interaction fluide-minéral

¹ Department of Geography and Geology, Salzburg University, Hellbrunnerstrasse 34, 5020 Salzburg, Austria
² Centre of Natural History − Mineralogy, Universalmuseum Joanneum, Weinzöttlstraße 16, 8045 Graz, Austria
³ Mass Spectrometry Laboratory, Institute of Physics, Maria Curie-Skłodowska University, 20-031 Lublin, Poland

^* Corresponding author: ana-voica.bojar@sbg.ac.at

Received: 6 October 2018
Accepted: 15 July 2019

Abstract

Isotopic compositions of water of crystallization and sulfate anionic group in gypsum and polyhalite were used as tracers for events related to their formation and subsequent evolution, as for example origin of crystallization water and extent of thermal overprint. For this purpose, gypsum and polyhalite from the Permo-Triassic evaporites of the Eastern Alps, were analysed for isotope composition of sulfate anionic group (δ³⁴S and δ¹⁸O_SO4) and water of crystallization (δD and δ¹⁸O). For comparison, water of crystallisation of polyhalite samples of similar age from New Mexico (USA), Kłodawa (Poland) and Hattberg, Hesse (Germany) were also investigated. Estimated δ¹⁸O and δD values of polyhalite formation brines vary from 14.4 to 3.4‰ and 42.5 to −6.1‰, respectively. Gypsum formation brines show different δ¹⁸O and δD values, from −5.7 to −15‰ and −30.9 to −88.8‰, respectively. The measured δ¹⁸O_SO4 values of sulfate group are compatible with a thermal overprint at 100°–200°C for both minerals. The thermal overprint documented for the Eastern Alps led to gypsum but not to polyhalite dehydration. The isotopic composition of water of crystallization suggests that polyhalite is preserving the isotopic signature of an enriched brine. During a subsequent event, anhydrite rehydrated to gypsum, with the isotopic composition of water of crystallisation indicating lower (δD and δ¹⁸O) values than the present-day meteoric water ones. Due to their distinct mineral structure and, as a result, different temperature of dehydratation, gypsum and polyhalite record different histories following precipitation in an evaporative system.

Résumé

Les compositions isotopiques d’eau de cristallisation et des ions sulfate dans le gypse et la polyhalite ont été utilisées comme traceurs des événements liés à leur formation et à leur évolution ultérieure, comme par exemple l’origine de l’eau de cristallisation et de la surimpression thermique. À cette fin, le gypse et la polyhalite des évaporites permo-triassiques des Alpes orientales ont été analysés pour déterminer la composition isotopique des ions sulfate (δ³⁴S et δ¹⁸O_SO4) et de l’eau de cristallisation (δD et δ¹⁸O). À titre de comparaison, des eaux de cristallisation d’échantillons de polyhalite d’âge similaire du Nouveau-Mexique (États-Unis), Kłodawa (Pologne) et Hattberg, Hesse (Allemagne) ont également été étudiées. Les valeurs estimées du δ¹⁸O et du δD des saumures de formation de la polyhalite varient respectivement de 14,4 à 3,4 ‰ et de 42,5 à −6,1 ‰. Les saumures de gypse présentent des valeurs de δ¹⁸O et δD différentes, de −5,7 à −15 ‰ et de −30,9 à −88,8 respectivement. Les mesures de δ¹⁸O_SO4 des ions sulfate sont compatibles avec une surimpression thermique à 100–200 °C pour les deux minéraux. La surimpression thermique documentée pour les Alpes orientales a conduit au gypse mais pas à la déshydratation des polyhalites. La composition isotopique de l’eau de cristallisation suggère que la polyhalite préserve la signature isotopique d’une saumure enrichie isotopiquement. Au cours d’un événement ultérieur, l’anhydrite s’est réhydratée en gypse, la composition isotopique de l’eau de cristallisation indiquant des valeurs inférieures (δD et δ¹⁸O) à celles de l’eau météorique actuelle. En raison de leur structure distincte et des résultats obtenus, différentes températures de déshydratation, du gypse et de la polyhalite, enregistrent différentes histoires après leur précipitation dans un système à évaporation.