Континентальное выветривание в мезозое: особенности минерального состава профилей и распределения редкоземельных элементов

УДК 551.3.053

Р.К. Илалова

КОНТИНЕНТАЛЬНОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ В МЕЗОЗОЕ: ОСОБЕННОСТИ

МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ПРОФИЛЕЙ

И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

Представлены результаты современных аналитических исследований пород мезозойской коры выветривания гипербазитов Серовского района Северного Урала. С применением рентгенофазового и масс-спектрометрического методов были изучены химические и минеральные составы горных пород шести рудоносных участков: 2, 3, 4, 6, 7, 8. Показано, что на территории юга Северного Урала выделяются два генетических типа коры выветривания: древний остаточный и преобразованный инфильтрационно-метасоматический (шамозито-вый). Подчеркнуто, что древняя остаточная кора развита только на единственном участке 6, в связи с чем он является эталонным. В связи с различным генезисом коры выветривания на участках их продукты резко различны по минеральному и химическому составу, суммарному содержанию РЗЭ по профилю и конфигурации спектров распределения хондрит нормированных содержаний РЗЭ.

Ключевые слова: коры выветривания в мезозое, Серовская группа месторождений, Кольский массив, редкоземельные элементы, шамозиты.

Серовская группа гипергенных никелевых месторождений находится на Северном Урале в Серовском районе Свердловской области и располагается к северо-западу от г. Серова. Месторождения образовались в результате преобразования крупной интрузии гипербазитов, в составе которой с севера на юг выделены Устейский, Кольский и Вагранский массивы, изолированные друг от друга в современном эрозионном срезе. Серовская группа месторождений объединяет шесть рудоносных участков: 2, 3, 4, 6, 7, 8 (рис. 1). Из них участки 2, 3 и 4 расположены на западном склоне Кольского массива, в пределах Замарайской депрессии, участок 6 — на южной окраине массива, в Катасьминской депрес-

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-226-233

сии и участок 7 — на восточном склоне и приурочен к Сосьвинской депрессии. Участок 8 расположен на юге Устейского массива.

Кольский массив представляет собой крупную интрузию серпентинизирован-ных ультрабазитов, вытянутую в меридиональном направлении между реками Каквой и Турьей, и занимает площадь около 300 км2 (рис. 2). Он залегает среди пород палеозойского возраста, состоящих в северо-западной части из диабазовых порфиритов, диабазов, туфос-ланцев и туфепесчаников, в западной и юго-западной частях контактирует с порфиритами и кварцевыми диоритами. Ультрабазиты массива на значительную глубину метаморфизованы и превраще-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 226-233. © Р.К. Илалова. 2017.

Рис. 1. Схематическая геолого-технологическая карта Серовской группы месторождений (Технологическая минералогия ..., 1988): 1—4 — ме-зо-кайнозойские отложения покрова коры выветривания; 5—6 — палеозойские образования; 7 выходы серпентинитов; 8 — контуры серпентинитов по данным магниторазведки и бурения; 9 — зоны тектонических нарушений; 10 — халь-копирит-магнетитовые скарны; 11 — бобово-конгломератовые осадочные железные руды в отложениях мысовской свиты; месторождения гипергенных никелевых руд различных технологических типов: 12 — руды для щелочного гидрометаллургического процесса, 13 — руды для процесса шахтной плавки; 14 — номера месторождений. Участки Серовской группы месторождений: 2, 3, 4, 6, 7, 8

Рис. 2. Схематическая геологическая карта района месторождений Серовской группы (по И.С. Рожкову, 1954, с упрощениями): 1 — отложения палеогена и неогена; 2 — породы триасовой системы; 3 — породы девонской системы; 4 — породы верхнего отдела силурийской системы; 5 — среднепалеозойский комплекс интрузий основного состава; 6 — среднепале-озойский комплекс интрузий ультраосновного состава; 7 — среднедевонский комплекс интрузий среднего состава; 8 — верхнесилурийский комплекс интрузий среднего состава; 9 — стратиграфические несогласия; 10 — тектонические несогласия. Массивы: I — Кольский (Серовский), II — Устейский, III — Катасьминский; IV—Дмитриевский диоритовый массив ^2^1), V — Ауэрба-ховский габбро-диорит-гранодиоритовый комплекс ^1—2); VI — Серовско-Маукский разлом

ны в серпентиниты. Коренные породы скважинами колонкового бурения не вскрыты. Судя по реликтовым минералам и структурам, коренными породами являются, главным образом, перидотиты типа гарцбургитов, и, в меньшей степени, дуниты. Ультрабазиты массива на значительную глубину метаморфизова-ны и превращены в серпентиниты.

Серпентиниты несут следы интенсивной тектонической деятельности, гидротермальных и метасоматических про-

цессов. В них наблюдаются зоны рас-сланцевания, смятия и дробления. По тектоническим трещинам и контактным зонам наблюдается оталькование, хло-ритизация и карбонатизация серпентинитов. По составу среди серпентинитов различают: хризотиловые, антигорито-вые и хризотил-антигоритовые разности. По форме Кольский массив гипербази-тов считается аккордантным факолитом, который по глубинному разлому первого порядка, как и другие интрузии пе-

ридотитовой и габброидной формации Урала, внедрился в палеозойскую эпоху. А.А. Пронин [1] назвал этот глубинный разлом, а соответственно и пояс-ультраосновных интрузий Тагило-Серовским, Н.И. Архангельский [2], на основании находок среди серпентинитов Кольского массива небольших изолированных участков туфов живетского яруса, считает возраст этой ультраосновной интрузии послеживетским, вероятно, верхнедевонским.

Серпентиниты Кольского массива редко выходят на дневную поверхность, образуют лишь небольшие овальной формы тела среди мезакайнозойских рыхлых отложений, достигающих в углублениях палеозойского фундамента значительной мощности — 100—120 м. Наибольшие мощности мезокайнозоя фиксируются бурением в центральной части Замарай-ской депрессии, вытянутой в виде горста с юга на север на длину около 12 км.

В статье представлены результаты современных аналитических исследований пород мезозойской коры выветривания гипербазитов Серовского района Северного Урала. С применением рентгено-фазового и масс-спектрометрического методов были изучены химические и минеральные составы горных пород шести рудоносных участков. Рентгеновские исследования выполнялись на рентгеновском дифрактометре MiniFlex II производства Rigaku (Япония) в лаборатории Дальневосточного геологического института (ДВГИ ДВО РАН, Владивосток), аналитик Т.А. Лотина; масс-спектромет-рические — на спектрометре Agilent 7500с (Agilent Techn., США) в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН, аналитик Н.В. Зарубина. Кроме того, по изучаемым объектам были использованы фондовые материалы Се-ровского рудника ОАО «Уфалейникель».

Рудоносные участки 2, 3, 4, 6, 8 изучались по образцам коры выветривания,

полученным из керна скважин. Участок 7 изучался по образцам, отобранным непосредственно из карьера. Одним из наиболее полных профилей преобразованной коры выветривания является кора выветривания участка 7. Поэтому в статье представлено описание особенностей коры выветривания только двух участков 6 (остаточный тип) и 7 (шамо-зитовый тип).

Мезозойская кора выветривания Кольского массива по минеральному составу существенно отличается от других кор выветривания гипербазитов Урала. Ее своеобразие обусловлено развитием инфильтрационных процессов, связанных с заболачиванием поверхности уже сформировавшейся коры [3]. В верхних горизонтах последней установлен комплекс вторичных, не связанных с выветриванием, инфильтрационных и ин-фильтрационно-метасоматических минералов — шамозита, сидерита, магнетита, сульфидов.

При анализе полученных результатов было выявлено, что на различных участках Кольского массива степень развития наложенных процессов и минералов, связанных с ними, неодинакова. Значительное развитие они имели на 2, 3, 4, 7, 8 участках, что привело к возникновению там преобразованных кор выветривания. На 6 участке кора выветривания не подвергалась инфильтра-ционным процессам, либо они имели незначительное и локальное развитие. Поэтому коры выветривания исследованных участков резко различны по минеральному и химическому составу.

Для наглядной демонстрации изменения химического состава и сравнения степени преобразования различных объектов были построены графики изменения валового химического состава пород по профилю выветривания (рис. 3, 4). Коэффициенты представляют собой отношения содержаний эле-

Рис. 3. Изменение химического состава пород по профилю выветривания участка 6

ных минералов в результате восстанови-

мента в выветренном горизонте к содержанию этого элемента в субстрате (К = [(К — К б)/К б] • 100, где К —

4 1-4 эл.кв эл.суб" эл.су^ 7 " эл.кв

концентрация элемента в выветренном образце; Кэлсуб — концентрация элемента в субстрате).

Анализ вариаций химического состава гипергенных образований свидетельствует о том, что формирование кор выветривания на двух участках 6 и 7 было различным. На преобразованном участке 7 заметно резкое обогащение верхних зон разреза такими компонентами как А1203, FeO, MgO. Концентрация FeO явно свидетельствует о существовании восстановительного режима в истории формирования коры выветривания. В то время как, на участке 6 наблюдается повышенное содержание Fe2O3 (особенно в верхних горизонтах) что характерно для нормального разреза и отсутствие накопительного эффекта FeO. Процессы, обусловившие возникновение наложен-

тельного режима на Кольском массиве, оказали большое влияние и на перераспределение никеля и кобальта в разрезе коры выветривания. Если в нормальном разрезе коры выветривания увеличение концентрации никеля находится в прямой зависимости от количества глинистых минералов, а кобальт распределен сравнительно равномерно по разрезу с некоторым повышением содержания в зоне охр, то в преобразованном разрезе совершенно отчетливо наблюдается иная картина. В верхней части такого разреза концентрация кобальта в десятки раз превышает его концентрацию в нормальном разрезе. Концентрация никеля, за редким исключением, растет с увеличением количества шамозита и уменьшается с увеличением карбонати-зации.

Кора выветривания характеризуется зональным строением. В общем случае

123456789 10 11

Рис. 4. Изменение химического состава пород по профилю выветривания участка 7

сверху вниз выделяются следующие зоны: 1) зона охр; 2) зона нонтронитиза-ции (в охристом профиле эта зона маломощна или совсем отсутствует), 3) зона выщелоченных и окремненных серпентинитов и 4) зона дезинтегрированных и карбонатизированных серпентинитов. Мощность отдельных зон различна и колеблется в широких пределах.

По результатам рентгенофазового анализа было установлено, что коры выветривания анализируемых участков резко различны по минеральному составу. Минеральные разновидности приведены на рис. 5 и 6.

Отличительной особенностью участка 7 является присутствие таких минералов, как шамозит, карбонаты железа и марганца, миллерит [4], которые в общем случае являются несвойственными для кор выветривания. В коре выветривания участка 6 вышеперечисленные минералы отсутствуют. Возникновение данного комплекса минералов на участке 7 происходило под влиянием инфильт-рационных процессов, происходивших преимущественно в условиях дефицита кислорода.

Сведения о распределении редкоземельных элементов (РЗЭ) в различных по генезису продуктах выветривания значительно расширяют возможности при выполнении систематики самих пород, оценки их рудоносности и условий формирования. Поэтому являются актуальными исследования, позволяющие расширить информационную базу геохимических данных по таким породам.

На рис. 7, а, б представлены графики нормализованных к хондриту С1 содержаний РЗЭ в никеленосных горных породах участков 6 и 7.

Согласно результатам анализов, суммарное содержание РЗЭ в породах 7 участка гораздо выше, чем в породах 6 участка. Так, например, в оксидно-железной зоне участка 7 их суммарные

Минеральные разновидности:

1 — серпентинизиро-ванные гарцбургиты и дуниты;

2 — тальк-кварц-хризотиловые и хлорит-хризотиловые серпентиниты (хромшпинелиды);

3 — хлорит-кварц-хризотиловые серпентиниты (кальцит);

4 — тальк-кварц-хризотиловые и хлорит-хризотиловые серпентиниты (хромшпинелиды);

5 — кварц-пирофиллитовая порода (антигорит);

6 — тальк-антигори-товые серпентиниты (гетит, хромшпинелиды);

7 — кварц-гетитовые породы

Рис. 5. Обобщенный схематический профиль участка 6. Зоны: I — зона дезинтеграции, II — сер-пентинитовая, III — нонтронитовая, IV — оксидно-железная

Минеральные разновидности:

1 — серпентинизиро-ванные гарцбургиты и дуниты;

2 — тальк-хризотиловые и клинохлор-хризотило-вые серпентиниты;

3 — непуит-кварц-лизар-дитовые серпентиниты;

4 — тальк-лизардитовые и клинохлор-лизардито-вые серпентиниты;

5 — сапонит-лизардито-вые серпентиниты;

6 — тальк-клинохло-ровые метасоматиты;

7 — нонтронититы;

8 — кварц-магнети-товые породы;

9 — асболан-гетитовые породы;

10 — клинохлор-гетитовые породы;

11 — кварц-гетитовые породы

Рис. 6. Обобщенный схематический профиль участка 7. Зоны: А — оксидно-железная; Б — нонтронитовая; В — серпентинитовая; Г — зона дезинтеграции. Ш — зона шамозитизации

Рис. 7. Графики нормализованных к хондриту С1 содержаний редкоземельных элементов в нике-леносных горных породах участков 6 (а) и 7 (б). Условные обозначения: (а, снизу вверх по разрезу): Ser-6-1 — зона дезинтеграции, Ser-6-6 — оксидно-железная зона, Ser-6-2,3,4,5 — промежуточные зоны; (б, сверху вниз по разрезу): 1 — шамозит-гетитовые горные породы; 2 — шамозитовые горные породы; 3 — миллерит-бриндлейит-шамозитовые горные породы; 4 — лизардитовые серпентиниты; 5 — хризотиловые серпентиниты

содержания изменяются в интервале от 323,03 до 499,28 г/т, а на участке 6 — от 100,13 до 215,71; в зоне дезинтеграции — от 38,38 до 69,24 г/т на участ-

ке 7, что больше, чем на участке 6 — от 10,20 до 11,38.

В профиле выветривания 6 участка отчетливо выделяются нижние горизон-

12 3 4

Рис. 8. Среднее содержание РЗЭ в никеленосных горных породах а) участка 6 и б) участка 7, г/т. Условные обозначения: (а, снизу вверх по разрезу): Ser-6-1 — зона дезинтеграции, Ser-6-6 — оксидно-железная зона, Ser-6-2,3,4,5 — промежуточные зоны; (б, сверху вниз по разрезу): 1 — шамозит-гетитовые горные породы; 2 — шамозитовые горные породы; 3 — миллерит-бриндлейит-шамозито-вые горные породы; 4 — лизардитовые серпентиниты; 5 — хризотиловые серпентиниты

ты, которые в значительной мере истощены редкоземельными элементами, чего не наблюдается в профиле 7 участка.

Спектры распределения хондрит-нор-мированных содержаний РЗЭ в породах участка 6 имеют слегка пилообразную изогнутую книзу конфигурацию и общий отрицательный наклон, что свидетельствует об их относительном обогащении легкими элементами по сравнению со средними и тяжелыми. Подобное обогащение легкими РЗЭ наблюдается и в профиле выветривания 7 участка, но при этом все эти породы имеют гладкие хондрит-нормированные спектры. Такое обогащение легкими РЗЭ продуктов выветривания могло быть обусловлено при-вносом этих примесей при инфильтрации эпигенетических флюидов, выделявшихся из расплавов, формировавших более поздние интрузивы основного или кислого состава в виде дайковых образований [5]. На графиках ярко выражена отрицательная цериевая аномалия на обоих профилях. Это свидетельствует об избирательном выносе этого элемента вследствие его повышенной по сравнению с другими лантаноидами растворимостью в гипергенных растворах.

На рис. 8, а, б представлены средние содержания РЗЭ в породах 6 и 7 участков. Как видно из графиков, содержание легких РЗЭ ^ЕЕ) гораздо выше, чем средних ^ЕЕ) и тяжелых ^ЕЕ) РЗЭ. Следует отметить, что обогащение профиля РЗЭ на наложенном восстановитель-

ными процессами участке 7 примерно в два раза выше, чем на участке 6.

Выводы

1. Серовская группа гипергенных никелевых месторождений объединяет шесть рудоносных участков. Месторождения образовались в результате преобразования крупной интрузии гипер-базитов, в составе которой с севера на юг выделены Устейский, Кольский и Ваг-ранский массивы.

2. Коры выветривания исследованных участков резко различны по минеральному и химическому составу из-за различной степени развития наложенных процессов. Поэтому на территории юга Северного Урала выделено два генетических типа коры выветривания: древний остаточный и преобразованный инфильт-рационно-метасоматический (шамозито-вый). При этом древняя остаточная кора развита только на единственном участке 6, в связи с чем он является эталонным.

3. Суммарное содержание РЗЭ в породах 7 участка гораздо выше, чем в породах 6 участка. Спектры распределения хондрит-нормированных содержаний РЗЭ в породах различных кор выветривания имеют различную конфигурацию. В преобразованном участке 7 спектр более гладкий в отличие от 6 участка, где спектр слегка изогнутый пилообразный. Обогащение профиля РЗЭ на наложенном восстановительными процессами участке 7 примерно в два раза выше, чем на участке 6.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пронин А. А. О геотектонической основе металлогении Урала. Закономерности размещения полезных ископаемых на Урале / Труды Горно-геологического института, т. 1. — Уральский филиал АН СССР, 1962.

2. Архангельский Н. И. О тектонических закономерностях размещения полезных ископаемых в мезозое на восточном склоне Урала и в Зауралье. Закономерности размещения полезных ископаемых. — АН СССР, 1962.

3. Журавлева Н.А., Вторушин А.В., Русский В.И. О наложенной гипергенной минерализации в коре выветривнаия гипербазитов Северного Урала // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. — 1970. — № 7. — С. 48—52.

4. Мезенцева О.П. Минералого-геохимическая типизация и условия образования рудоносных метасоматитов Еловского месторождения (Северный Урал): Дис. ... канд. г.-м. наук. — СПб., 2011. — С. 122—125.

5. Илалова Р. К., Таловина И. В. Характеристика дайкового комплекса жильных пород и его влияние на никелевое оруденение в триас-юрских корах выветривания ультраосновных массивов на Северном Урале (Серовский район) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 6. — С. 283—290. птш

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Илалова Регина Кашифовна — аспирант, e-mail: regino4ka_8655@mail.ru, Санкт-Петербургский горный университет.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 226-233.

UDC 551.3.053

R.K. Ilalova

CONTINENTAL WEATHERING IN THE MESOZOIC ERA: FEATURES OF MINERAL COMPOSITION IN GEOLOGICAL SECTIONS AND DISTRIBUTION OF RARE-EARTH ELEMENTS

The results of modern analytical studies of the Mesozoic weathering crust rocks of ultramafic Serov area (the North Urals) are represented. Chemical and mineral compositions of rocks of six ore-bearing sites 2, 3, 4, 6, 7, 8 were studied by using X-ray diffraction and mass-spectrometric methods. It is shown that in the south part of the North Urals are two genetic types of weathering crust: ancient residual and converted infiltration and metasomatic (chamosite). It is emphasized that ancient residual crust developed only on a single site 6, in this connection it is a model sample. In connection with the various genesis of weathering crust in sites of their products greatly vary in mineral and chemical composition, the total content of rare earth elements on the profile and configuration of spectrum distribution chondrite normalized contents of REE.

Key words: weathering crusts in Mesozoic Era, Serov deposits, Kolskii massiv, rare earth elements, chamosite.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-226-233

AUTHOR

Ilalova R.K., Graduate Student, e-mail: regino4ka_8655@mail.ru, Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.

REFERENCES

1. Pronin A. A. Trudy Gorno-geologicheskogo instituta, t. 1 (Mining and Geology Institute Transactions, vol. 1), Ural'skiy filial AN SSSR, 1962.

2. Arkhangel'skiy N. I. O tektonicheskikh zakonomernostyakh razmeshcheniya poleznykh iskopae-mykh v mezozoe na vostochnom sklone Urala i vZaural'e. Zakonomernosti razmeshcheniya poleznykh iskopaemykh (Tectonics-based laws of Mesozoic distribution of minerals in the eastern shoulder of the Urals and in the Transurals. Regularities of mineral occurrence), AN SSSR, 1962.

3. Zhuravleva N.A., Vtorushin A.V., Russkiy V.I. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Geologiya i razvedka. 1970, no 7, pp. 48-52.

4. Mezentseva O. P. Mineralogo-geokhimicheskaya tipizatsiya i usloviya obrazovaniya rudonosnykh metasomatitov Elovskogo mestorozhdeniya (Severnyy Ural) (Mineralogical-geochemical typification and formation conditions of ore-bearing metasomatites at the Elovskoe deposit, North Ural), Candidate's thesis, Saint-Petersburg, 2011, pp. 122-125.

5. Ilalova R. K., Talovina I. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 6, pp. 283—290.