Физико-химические условия процесса рудообразования в габброидах Южного Прибайкалья

УДК 552.111

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЦЕССА РУДООБРАЗОВАНИЯ В ГАББРОИДАХ ЮЖНОГО ПРИБАЙКАЛЬЯ

1 2 М.Г.Волкова , А.С.Мехоношин

Института геохимии СО РАН,

664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.

На примере массивов основных-ультраосновных пород Южного Прибайкалья (Мало-осиновский, Комарский, Асямовский), содержащих титаномагнетит-ильменитовую минерализацию, проведена оценка физико-химических условий процесса рудообра-зования в габброидах с применением методов минералогической термобарометрии и моделирования в программах «COMAGMAT 3.57» и «PLUTON 4.2». Кристаллизация остаточной рудоносной жидкости титаномагнетит-ильменитового состава происходила при температуре 1115 °С. Ключевые слова: условия рудообразования, габброи-ды, термометры, ильменит, титаномагнетит. Библиогр. 14 назв. Ил. 2. Табл. 2.

PHYSICAL-CHEMICAL PARAMETERS OF ORE-FORMING IN GABBRIDES OF THE SOUTH BAIKAL REGION

M.G.Volkova, A.S.Mekhonoshin

Institute of Geochemistry of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 664033 1a Favorskii St., Irkutsk.

The basic-ultrabasic massifs of the South Baikal region (Maloosinovski, Comarski, Asia-movski) include titanomagnetite-ilmenite ore mineralization. This work presents the results of appreciation physical-chemical parameters of ore-forming in gabbrides predicted by «CO-MAGMAT 3.57» and «PLUTON 4.2» computer programs and method of mineral thermo-barometeral. Titanomagnetite-ilmenite ore liquid is crystallized at 1115 °С. Key words: ore-forming, gabbrides, thermometers, ilmenite, titanomagnetite. 14 sources. 2 illustr. 2 table.

Использование современных методов исследования при изучении горных пород и руд позволяет установить главные механизмы дифференциации и рудообразования, оценить физико-химические, теплофизические и дина-

мические параметры протекания этих процессов. Эти задачи решались на примере массивов основных-ультраосновных пород Южного Прибайкалья (Малоосиновский, Комарский, Асямовский), содержащих титаномагнетит-

:Волкова Мария Геннадьевна - младший научный сотрудник, ассистент кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых Иркутского государственного технического университета. Тел.: (3952) 42-99-46. Volkova Maria Gennadjevna- a junior scientific worker. An assistant of the Chair of Geology and Geochemistry of Minerals of Irkutsk State Technical University.

2Мехоношин Алексей Сергеевич - старший научный сотрудник Института геохимии СО РАН, профессор Иркутского государственного технического университета. Тел.: (3952) 42-99-46. Mehonoshin Alexey Sergeevich - a senior scientific worker. Phone: (3952) 42-99-46. Е-mail: mekhonos@igc.irk.ru. A professor of Irkutsk State Technical University.

Рис. 1. Взаимоотношение зёрен магнетита

ильменитовую минерализацию. Оруде-нение имеет позднемагматическую природу. Вмещающей толщей для габброи-дов являются метаморфизованные породы слюдянского кристаллического комплекса. Все вышеперечисленные массивы Южного Прибайкалья имеют сходное геологическое строение, что выражено формой, внутренним строением и характером размещения оруде-нения. Габброиды Малоосиновского массива изменены только на контактах с более поздними гранитоидами, тогда как габброиды других массивов преобразованы в условиях эпидот-амфиболитовой фации метаморфизма, что существенно усложняет их исследование.

Малоосиновский массив дифференцирован от перидотитов до лейко-кратовых габброноритов, связанных постепенными переходами. Промежуточные разновидности представлены оли-виновыми габброноритами, оливино-выми плагиовебстеритами и плагиопе-ридотитами. Оруденение в массиве представлено только вкрапленными рудами, которые входят в состав дифференцированной серии.

Комарский массив сложен габбро и габброноритами. Рудные тела имеют линзовидную форму и находятся в центральных частях интрузии. Здесь обнаружено три типа руд: сплошные, гус-товкрапленные и вкрапленные.

Асямовский массив сложен габбро, габброноритами, пироксенитами. Оруденение представлено линзовидны-ми и жилообразными телами густовкра-пленных и вкрапленных руд.

Габброиды исследованных массивов близки по петро-геохимическим особенностям и характеризуются повышенными концентрациями титана, ванадия, железа и фосфора, редкоземельных элементов, стронция, бария, широким разбросом содержаний циркония, гафния, ниобия, тантала и низкими концентрациями хрома и никеля [4].

Рудные минералы в них представлены ильменитом, титаномагнетитом, хроммагнетитом и сульфидами магматической ассоциации (халькопирит, пентландит и пирротин), а также вторичным пиритом.

Окисно-рудные минералы составляют от 3 до 15 % породы. Они кристаллизуются из расплава на поздних

стадиях магматического процесса и заполняют пространство между ранее выделившимися силикатами. Количественное соотношение ильменита и магнетита в габброидах колеблется от 1:1 (см. рис. 1А) до 9:1 (см. рис. 1Б). Характер границ между зёрнами свидетельствует об одновременной кристаллизации минералов (см. рис. 1).

Внутреннее строение зёрен магнетита неоднородное: в них наблюдаются структуры распада ильменита и пластинки шпинели (см. рис. 1). В породах, где ильменит количественно преобладает над магнетитом, магнетит встречается в виде включений в ильмените (см. рис.1 Б). Хроммагнетиты отличаются более однородным внутренним строением (отсутствуют структуры распада).

Содержание ТЮ2 в магнетитах Малоосиновского массива колеблется от 0,15 до10,6 мас. % (рис. 2), V от 3300 до 4560 ррт. Самые низкие концентрации ТЮ2 (0,14 мас. %) характерны для хроммагнетитов из плагиоперидотитов. По содержанию хрома магнетиты делятся на две группы: с низкими концентрациями Сг203 (менее 0,2 мас. %) в породах более поздних стадий и высокими (более 1 мас. %) - в породах ранних стадий дифференциации. Магнетиты отличаются повышенными концентрациями

60 л

50-

оч

0

1

О*

£

40-

30-

20-

10-

N1 (360-640 ррт), Со (180-360 ррт), № (около 2 ррт), 2г (16-20 ррт) и ИГ (0,50,6 ррт). Ильмениты Малоосиновского массива содержат 46-52 мас. % Т102 и 46-50 мас. % БеО. Содержания V в них на порядок ниже (860 ррт), чем в маг-нетитах. Ильмениты габброидов являются одними из основных минералов-носителей N5 (24 ррт), 2г (261 ррт), ИГ (5,7 ррт). Магнетиты и ильмениты характеризуются низкими концентрациями РЗЭ с величиной значений Ьа/УЬ-отношения от 3 до 7.

Важную информацию о генезисе рудных минералов даёт изучение факторов, влияющих на вхождение титана в кристаллическую решётку магнетита и распределение титана между сосуществующими магнетитом и ильменитом. Многими исследователями показано, что распределение титана, хрома и ванадия между магнетитом и ильменитом отражает кислородный режим и температуру их образования [1, 7, 11]. Экспериментально доказана прямая зависимость между содержанием титана в ти-таномагнетите и температурой и летучестью кислорода. [11]. Однако результаты природных наблюдений не всегда соответствуют экспериментам.

природные ильмениты X природные магнетиты _ модельные магнетиты

X

40 50 60 70 80 РеО, мас.%

90

100

Рис. 2. Соотношение Т102 и БеО в окисно-рудных минералах габброидов Южного Прибайкалья

Так, вхождение титана в природные магнетиты в зависимости от температуры имеет двоякий характер. В одних случаях значительная часть титана обогащает поздние, низкотемпературные титаномагнетиты [13], в других - высокотемпературные минералы [11].Кроме того, на распределение титана между парагенными окисно-рудными минералами, а следовательно, на количественное соотношение магнетита и ильменита в породе большое влияние оказывает давление [6]. Так, в изучаемых породах встречаются магнетит и ильменит в виде обособленных зёрен и в виде срастаний (см. рис. 1), что невозможно при кристаллизации в близповерхностных условиях, когда весь титан уходит в магнетит и кристаллизации ильменита вообще не происходит.

Для оценки Р-Т условий образования горных пород и руд применяются методы минералогической термобаро-метрии. При барометрических расчетах использовались два геобарометра [8, 12], в которых использовался химический состав клинопироксена как показатель глубины кристаллизации расплава. В результате установлено, что кристал-

лизация габброидов Южного Прибайкалья проходила в схожих по глубинности условиях, соответствующих давлению 4 кбар (табл. 1). При вычислении равновесных температур кристаллизации минералов в процессе формирования ульт-рабазит-базитовых пород применялся клинопироксен-ортопироксеновый геотермометр П. Уэллса [14] (см. табл. 1). Для расчета температуры образования титаномагнетит-ильменитовой минерализации был взят общеизвестный и широко используемый модифицированный геотермометр А. Ф. Баддингтона и Д. Х. Линдсли (1964) [11] из работы Ю. А. Полтавца [9], основанный на прямой зависимости между содержанием титана в титаномагнетите, железа в ильмените и температурой. В результате для Ма-лоосиновского массива получена температура 680 °С, а для Комарского и Асямовского массивов - 400 °С, что соответствует субсолидусным реакциям, проходящим после кристаллизации в окисно-рудных минералах.

Было проведено моделирование процесса дифференциации и рудообра-зования пород Малоосиновского массива в программах «СОМАОМАТ 3.57»,

Таблица 1

Результаты геотермобарометрических исследований габброидов

Южного Прибайкалья

№ п/п Породы Т, °С Р, кбар

Комарский массив

1 оливиновое габбро 1005-1026 -

Асямовский массив

2 габбронориты 1035-1042 3.0-4.6

Малоосиновский массив

3 пироксениты 1155-1191 4.3-4.9

4 оливиновые габбронориты 1086-1170 3.9-4.6

5 габбронориты 1035 3.8-4.1

автор - А. А. Арискин, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, г. Москва [2] и «РШТОК 4.2» автор - А. В. Лавренчук, Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск [5]. За химический состав исходной магмы принят состав оливинового габбронорита Малооси-новского массива со средним содержанием редкоземельных элементов и следующими содержаниями петрогенных элементов: БЮ2 - 45,79; ТЮ2 - 1,3; Л^Оэ - 14,55; БеО - 6,99; МпО - 0,15; М§О -10,25; СаО - 13,72; Ш2О - 2,18; К2О -0,31; Р2О5 - 0,16; в мас. %.

В моделируемом процессе клино-пироксен и ортопироксен кристаллизуются в интервале температур от 1040 до 1165 °С, что согласуется с результатами геотермометрических расчетов (см. табл. 1). При этом химические составы природных и модельных силикатных минералов совпадают [3].

В габброидах появление рудных минералов происходит на заключительных стадиях кристаллизации. Температуры кристалллизации, полученные по программе «СОМЛОМЛТ 3.57», для ильменита соответствуют 1070°С, для магнетита - 1050°С [3]. Температура кристаллизации магнетита, полученная по программе «РЬИТОК 4.2», равна 1115°С (табл. 2).

Ильмениты из пород Малоосинов-ского массива (11т95-92 Иш5-8) отличаются по сравнению с модельными ильменитами (11ш80 Нш20, данные по программе «СОМЛОМЛТ 3.57») меньшим содержанием гематитового мина-ла. Составы магнетитов (М175-80 Ивр25-20, данные по программе «СОМЛОМЛТ 3.57») идентичны составу природных магнетитов (М178-80 Ивр22-20). При этом модельные магне-титы (табл. 2) отличаются более высокими содержаниями титана по сравнению с природными магнетитами массива (см. рис. 2).

Столь существенная разница в значениях температур образования ти-таномагнетит-ильменитовой минерализации, полученных разными методами, объясняется, в первую очередь, особенностями состава исследованных окисно-рудных минералов (высокие концентрации хрома в титаномагнетите при высоких содержаниях железа в ильмените (см. рис.2). Кроме того, в геотермометре А. Ф. Баддингтона и Д. Х. Линдсли [11] не учтено влияние летучих компонентов, накапливающихся в остаточном расплаве, поэтому многие исследователи [1, 7, 9, 10], а также сами авторы [11] отмечают, что температуры, определяемые с помощью него, заметно ниже полученных другими методами.

Таблица 2

Содержание петрогенных элементов в модельных магнетитах и рассчитанные температуры их кристаллизации

№п/п ТЮ2 ЛЬОэ БеО М§О Т, °С

1 19.26 5.6 72.35 2.8 1115

2 19.42 5.54 72.27 2.77 1112

3 19.59 5.48 72.18 2.74 1110

4 19.77 5.42 72.1 2.71 1108

5 19.97 5.35 72.01 2.68 1105

6 20.17 5.27 71.92 2.64 1102

7 20.4 5.18 71.83 2.59 1099

Общий ход эволюции состава базальтовой магмы, из которой формировались габброиды Южного Прибайкалья, представляется следующим. На первой стадии кристаллизации идет интенсивное выделение оливина и основного плагиоклаза. Магма соответственно обогащается железом, в незначительной степени — кремнезёмом и обедняется кальцием и магнием. После плагиоклаза и оливина начинает кристаллизоваться ортопироксен, а затем клинопироксен. На этой стадии кристаллизации в состав минералов входит значительное количество кальция и магния, в связи с чем расплав обедняется этими компонентами и обогащается железом. После прекращения кристаллизации оливина увеличивается концентрация железа и уменьшается содержание магния в остаточном расплаве. На заключительных стадиях кристаллизации происходит появление амфиболов эденит-паргасит-керсути-тового ряда и первичного биотита.

Коррозия силикатов свидетельствует о том, что после кристаллизации последних расплав был насыщен летучими компонентами. В таком расплаве до начала кристаллизации рудных минералов при падении температуры началась кристаллизация апатита и шпинели.

Остаточный рудный расплав кристаллизовался после силикатов и частично выдавливался по механизму фильтр-прессинга, образуя линзо- и жилообраз-ные тела. Магнетит и ильменит кристаллизовались одновременно, что видно из взаимоотношений зёрен этих минералов (см. рис. 1). При остывании происходили субсолидусные реакции, результатом которых являлось формирование структур распада ильменита в магнетите.

Последовательность выделения минералов на начальных этапах кристаллизации соответствует последовательности, определённой рядом Боуэна. Постепенная

эволюция состава магмы привела к образованию остатка, обогащённого железом, титаном и фосфором в условиях открытой для кислорода системы. Ход магматической эволюции родоначальной для габброидов базальтовой магмы соответствует нормальному ходу гравитационно-кристаллизационной дифференциации с существенным влиянием эманационной дифференциации. Кристаллизация остаточной рудоносной жидкости титаномаг-нетит-ильменитового состава происходила в габброидах при температуре1115 °С.

Библиографический список

1. Альмухамедов А.И. Состав и условия кристаллизации железо-титановых окисных минералов из дифференцированных траппов Сибирской платформы // Зап. Всесоюз. минералог. общества. - 1968. - ч. 97, вып. 4. - С. 394-405.

2. Арискин А.А., Бармина Г.С. Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм. - М.: Наука, МАИК «Наука / Интерпериодика», - 2000. - 363 с.

3. Волкова М.Г. Физико-химические условия образования пород перидотит-габброноритовой серии Малоосинов-ского массива (Южное Прибайкалье) // Тезисы докладов Четвертой Сибирской международной конференции молодых учёных по наукам о Земле. Новосибирск: ИГМ СО РАН, 2008. -С. 79-80.

4. Волкова М.Г., Мехоношин А.С. Геохимия постколлизионных габброидов Южного Прибайкалья // Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей: материалы международной конференции. - Иркутск: Изд-во Ир-ГТУ, -2007. -С. 139-143.

5. Лавренчук А.В. Программа для расчета динамики внутрикамерной дифференциации основной магмы

«РЬЦТО№> // Тезисы докл. Второй Сибирской междунар. конф. молодых ученых по наукам о Земле. - Новосибирск, 2004. - С. 105-106.

6. Мехоношин А. С., Глазунов О. М., Бурмакина Г. В. Геохимия и рудонос-ность метагабброидов Восточного Саяна. - Новосибирск: Наука, -1986. -104 с.

7. Нестеренко Г.В., Альмухамедов А.И. Геохимия дифференцированных траппов (Сибирская платформа). -М.: Наука, 1973. - 298 с.

8. Нестеренко Г.В., Арискин А.А. Глубина кристаллизации базальтовой магмы // Геохимия. - 1993 - № 1. - С. 77-87.

9. Полтавец А.Ю. Обсуждение титано-магнетитового геотермометра Бад-дингтона-Линдсли на основе сравнительного анализа равновесий шпине-лидов магнетитовой серии // Изв. АН СССР. Сер. геол. - 1975. - № 6. - С. 6372.

10. Ферштатер Г.Б., Холоднов В.В., Бородина Н.С. Условия формирования и

генезис рифейских ильменит-титаномагнетитовых месторождений Урала // Геология рудных месторождений. - 2001. - Т. 43, № 2. - С. 112128.

11. Buddington A.F., Lindsley D.H. Iron-titanium oxide minerals and synthetic equivalents // Journ. of Petrology. -1964. - Vol. 5, № 2. - P. 310-357.

12. Nimis P., Ulmer P. Clinopyroxene geo-barometry of magmatic rocks. Part 1 : An expanded structural geobarometer for anhydrous and hydrous, basic and ultrabasic systems // Contributions to Mineralogy and Petrology. - 1998. - Vol. 133, № 1-2. - P. 122-135.

13. Taylor R.W. Phase equilibria in the system FeO-Fe2O3-TiO2 at 1300 °C // American Mineralogist. - 1964. - V. 49. - №. 7/8.

14. Wells P.R.A. Pyroxene thermometry in simple and complex systems // Contributions to Mineralogy and Petrology. -1977. - Vol. 62, № 2. - P. 129-139.

Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, доцент Т.Б.Колотилина