Возможности Sm-Nd датирования рудных процессов с использованием сульфидов

Серов П.А., Екимова Н.А. Возможности Sm-Nd датирования рудных процессов... УДК 552.32.6

Возможности Sm-Nd датирования рудных процессов с использованием сульфидов

П.А. Серов, Н.А. Екимова

Геологический институт КНЦ РАН

Аннотация. В статье приводятся новые Sm-Nd изотопно-геохронологические и геохимические данные для рудоносных пород палеопротерозойского расслоенного Федорово-Панского интрузива (Кольский полуостров) и расслоенной интрузии Ноттреск (Швеция). Впервые в практику Sm-Nd исследований введены новые минералы-геохронометры - сульфиды, позволяющие напрямую датировать рудообразующий процесс. Полученные возраста - 2475±37 млн лет для габброноритов Федорово-Панского интрузива и 1740±27 млн лет для габбро массива Ноттреск - интерпретируются как время рудообразования в обоих массивах. Таким образом, показано, что сульфиды могут использоваться в качестве минералов-геохронометров при Sm-Nd изотопно-геохронологических исследованиях.

Abstract. The paper presents new Sm-Nd isotope-geochronological and geochemical data for the ore-bearing rock of the Fedorovo-Pansky Palaeoproterozoic layered complex (Kola Peninsula) and Nottrask layered intrusion (Sweden). For the first time, Sm-Nd dating procedure has applied sulphides as new minerals-geochronometers that allow direct dating of ore-forming events. The resultant ages of 2475±37 Ma for the gabbronorite of the Fedorovo-Pansky complex and of 1740±27 Ma for the gabbro of the Nottrask intrusion have been interpreted as the time of ore-forming processes in the two intrusions. Thus, it has been demonstrated that sulphides may be used as minerals-geochronometers for Sm-Nd isotope-geochronological investigations.

Ключевые слова: сульфиды, Sm-Nd метод, эпсилон, РЗЭ, минералы-геохронометры Key words: sulphides, Sm-Nd method, epsilon, REE, minerals-geochronometers

1. Введение

Определение длительности и последовательности геологических процессов при формировании рудоносных интрузивных массивов и комплексов имеет большое значение для понимания рудообразующих процессов. Изотопно-геохронологические и геохимические исследования пород и минералов рудоносных объектов, наряду с другими методами изучения, несут важную информацию для понимания процессов породо- и рудообразования и металлогении в пределах как отдельных геологических тел, так и целых областей их развития. Одним из наиболее популярных изотопно-геохронологических методов определения возраста пород мафит-ультрамафитовых интрузий является Sm-Nd метод, поскольку он позволяет использовать в качестве минералов-геохронометров главные породообразующие минералы - плагиоклаз, орто- и клинопироксен, оливин. Однако, в практику Sm-Nd исследований постоянно вводятся новые минералы-геохронометры, что является очень важным и новым в настоящее время. Такими минералами-геохронометрами могут служить сульфиды, так как именно с сульфидами тесно связана промышленная Pt-Pd минерализация. Изотопные Sm-Nd исследования по сульфидам практически не проводятся, поскольку это сопряжено с большими трудностями изучения изотопов самария и неодима, содержания которых в сульфидах очень низкие.

В доступной авторам мировой и отечественной литературе исследований по данному направлению практически не имеется. Определение возраста по сульфидам является прямым методом, поскольку в этом случае датируется непосредственно время рудообразования. Это позволит в дальнейшем использовать Sm-Nd систематику как индикатор рудоносности или нерудоносности для многих неизученных базитовых массивов, имеющихся в Мурманской области.

Вхождение РЗЭ в сульфидные минералы может контролироваться процессами сорбции и соосаждения. В работе (Morgan, Wandless, 1980) после изучения содержаний РЗЭ в барите, ангидрите, сидерите и галените гидротермального генезиса был предложен кристаллохимический контроль вхождения РЗЭ в решетку минералов. В этом случае вхождение РЗЭ в решетку будет контролироваться близостью ионного радиуса лантаноида к главным катионам в решетке минералов. С уменьшением радиуса от лантана к лютецию увеличивается относительное накопление РЗЭ в сульфидах. Ионный радиус лантаноидов в октаэдрической координации уменьшается от лантана La3+ = 1.160 А до лютеция Lu3+ = 0.977 А, приближаясь к радиусам меди Cu2+(VI) = 0.73А, цинка Zn2+(VI) = 0.74А, железа Fe2+(VI) = 0.78 А (Shannon, 1976). Низкий коэффициент перераспределения между сульфидом и флюидом для

европия (Eu2+ (VIII) = 1.25 Ä) можно объяснить большими различиями в размерах катионов кристаллической решетки (Cu, Fe, Zn) и европия (Римская-Корсакова, Дубинин, 2003).

2. Методы

Пробоподготовка минералов для Sm-Nd исследований проводилась по следующей методике. Минералы, выделенные в сепарационной лаборатории КНЦ РАН, подвергались тщательной процедуре доочистки под бинокулярным микроскопом с целью выявления и отбраковки отдельных зерен, загрязненных примесями.

Химическое разложение минералов было выполнено из навески (~50 мг), к которой добавляли соответствующее количество раствора смешанного трассера 149Sm/150Nd. Затем навеску обрабатывали концентрированной плавиковой кислотой (5-10 мл) и выдерживали 1.5-2 часа при комнатной температуре. Далее навеску минерала помещали в тефлоновый вкладыш автоклава и проводили разложение в сушильном шкафу при температуре 170°С в течении нескольких часов. После разложения выпаривали досуха HF и образовавшиеся фториды переводили в хлориды путем упаривания образца 2-3 раза в 4.5-6 N HCl.

Для разложения сульфидов навеску образца (около 50 мг) с трассерным раствором обрабатывали царской водкой и выпаривали досуха, после чего также переводили в хлориды путем упаривания образца в 4.5-6 N HCl.

Сухой остаток растворяли в ~1мл 2.3 N HCl и загружали на первую хроматографическую колонку с катионитом Dowex 50W-8 (200-400 меш). Эта колонка используется для выделения суммы РЗЭ с применением ступенчатого элюирования 2.3 и 4.5 N HCl. Выделенную фракцию РЗЭ выпаривали досуха, растворяли в 0.1 N HCl и загружали на вторую колонку с ионитом HDEHP на твердом носителе KEL-F. Отобранные фракции Sm и Nd выпаривали, после чего они уже были готовы для последующего масс-спектрометрического анализа.

Измерения изотопного состава неодима и концентраций Sm и Nd проводились на семиканальном твердофазном масс-спектрометре Finnigan - MAT 262 (RPQ) в статическом двухленточном режиме на коллекторах с использованием рениевых и танталовых лент. Погрешность изотопного состава Nd стандарта La Jolla = 0.511833±6 не превышает 0.0024 % (2с). Такая же погрешность была получена при измерении 15 параллельных анализов японского стандарта JNdi=0.512068±12. Ошибка в 147Sm/144Nd отношениях составляет 0.2% (2с) - среднее значение из 7 измерений в стандарте BCR. Холостое внутрилабораторное загрязнение по Nd равно 0.3 нг и по Sm равно 0.06 нг. Все измеренные изотопные отношения Nd были нормализованы по отношению 148Nd/144Nd=0.241570, а затем пересчитаны на отношение 143Nd/144Nd в стандарте JNd1=0.512068. В расчете возрастов использовались принятые величины констант распада по (Steiger, Jäger, 1977). Расчеты параметров изохрон проводились с использованием программ K. Людвига (Ludwig, 1991; 1999).

3. Результаты

Объектами данного исследования стали породы двух расслоенных интрузивов -палеопротерозойского Федорово-Панского массива и шведской расслоенной интрузии Ноттреск.

Расслоенный Федорово-Панский интрузив относится к наиболее перспективным объектам России на платинометалльные руды малосульфидного типа (Митрофанов и др., 1994; 1999). Он располагается в центральной части Кольского полуострова и простирается в северо-западном направлении на расстояние около 70 км при мощности 3-4 км. Породы массива имеют юго-западное падение под углами 30-35°. Массив состоит из четырех блоков - Федоровотундровского, Ластъяврского, Западно-Панского и Восточно-Панского, которые смещены относительно друг друга в горизонтальном и вертикальном направлениях. Это обуславливает в их пределах выход на дневную поверхность различных участков разреза (Пожиленко и др., 2002).

В целом, Федорово-Панский массив имеет относительно простое геологическое строение. Он сложен главным образом габброноритами, отличающимися друг от друга количественным соотношением породообразующих минералов и структурно-текстурными особенностями, а также норитами, габбро и анортозитами. В нижней части массива в его строении снизу вверх выделяются следующие зоны (Докучаева, 1994): краевая зона (50-60 м) такситовых габброноритов; норитовая зона (40-50 м), состоящая, в основном, из норитов с подчиненным количеством плагиопироксенитов; габброноритовая зона (около 4000 м) с породами различной зернистости и текстуры, а также варьирующими количественными соотношениями кумулусных минералов. В строении габброноритовой зоны выделяется три подзоны: нижняя, центральная и верхняя: 1) нижняя подзона (1000-1100 м) сложена мезократовыми трахитоидными габброноритами с первым горизонтом тонкорасслоенных пород, который называется нижним расслоенным горизонтом, и с которым тесно связана промышленная

Серов П.А., Екимова Н.А. Возможности Sm-Nd датирования рудных процессов...

малосульфидная платинометалльная минерализация; 2) центральная подзона (2000-2150 м) представлена, в основном, массивными габброноритами с габбровой и габбро-офитовой структурами; 3) верхняя подзона (650-700 м) трахитоидных габброноритов. Выше располагается второй горизонт тонкорасслоенных пород, который называется верхним расслоенным горизонтом. В нем также выявлено несколько уровней малосульфидной платинометалльной минерализации.

По ранее полученным данным (Баянова, 2004), U-Pb возрасты цирконов и бадделеита из габброноритов и анортозитов Западно-Панского блока интрузива находятся в интервале 2491-2447 млн лет. Согласно изотопным Sm-Nd и U-Pb геохронологическим данным (Баянова, 2004; Серов, Митрофанов, 2005; Серов и др., 2007), формирование рудоносных и безрудных горизонтов интрузива происходило в течение длительного временного интервала - около 80 млн лет.

Для изотопных Sm-Nd исследований из нижней части зоны такситовых габброноритов Федоровотундровского блока интрузива была отобрана геохронологическая проба 48-2G оруденелого такситового меланократового габбронорита (коллекция Н.Н. Грошева). Из этой пробы были выделены монофракции плагиоклаза, орто- и клинопироксена и сульфидов (смесь пирита и халькопирита). Масса навесок каждого минерала составляла около 50 мг.

Минеральная Sm-Nd изохрона (рис. 1, табл. 1) показала возраст 2475±37 млн лет, eNd(T) = +0.8±0.4. Этот возраст интерпретируется как время кристаллизации рудоносных габброноритов Федоровотундровского блока массива.

0.5132

0.5124

0.5116

0.5108

2475±37 млн. лет £Nd(T)= +0.8±0.4 СКВО=0.46 у/ 48-2 G Орх

-а / Z / тг / 48-2 GCpx

^ yf 48-2 G WR ^ У

J*48-2G Sulf / 48-2 G PI 147Sm/144Nd

0.06

0.14

0.22

Рис. 1. Минеральная изохрона для габброноритов

Федоровотундровского блока интрузива

Таблица 1. Изотопные Sm-Nd данные для габброноритов Федорово-Панского массива

Содержание, ppm Изотопные отношения 6Nd

Sm Nd 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd

WR 0.663 2.701 0.141663 0.511775±16 +0.8±0.4

Sulf 0.400 0.267 0.089694 0.510942±37

Pl 0.179 1.279 0.084560 0.510845±28

Cpx 2.428 8.485 0.172983 0.512284±14

Opx 0.230 0.697 0.199591 0.512731±19

Расслоенная интрузия Ноттреск располагается в северо-восточной части Швеции в окрестностях города Лулео. В составе интрузии выделяются несколько зон: краевая норитовая зона с никелевой минерализацией, зона магнетитовых габбро и верхняя зона оливиновых габбро, содержащая сульфидное оруденение с платиновой минерализацией. Падение пород - к центру массива. Юго-восточная часть массива залегает с падением пород на северо-запад под углом от 5 до 40 градусов; в северо-западной части массива породы имеют юго-восточное падение под углами от 25 до 75 градусов.

Интрузия сформирована в две фазы: первая фаза содержит никелевую минерализацию, вторая составляет центральную расслоенную часть массива и является перспективной на ЭПГ. Массив разбурен при опробовании на палладий, золото и платину. Сопоставление данных по аномалиям, полученных в ходе геофизических работ (магниторазведка), и данных бурения показывают, что основные магнитные аномалии совпадают с повышенными содержаниями Р1, Pd и/или Аи. Содержания благородных элементов в породах расслоенной интрузии варьируют для Р1 от 0.05 до 1.11 %, для Pd от 0.04 до 0.3 % и для Аи от 0.17 до 0.68 %.

Вмещающие породы - метаосадки, их ксенолиты встречаются в породах массива. Также отмечены контакты с вмещающими диоритами и гранитами.

Из коренных выходов пород интрузии на изотопное Бш-Щ датирование отобрана проба Ш-07-02 оливиновых габбро из расслоенной зоны массива, содержащих сульфидную и платиновую минерализацию.

Для изотопных исследований из этой пробы были выделены плагиоклаз, орто- и клинопироксены, оливин и сульфиды. Вместе с породой в целом выделенные минералы на Бш-Щ диаграмме дают изохронную зависимость с возрастом, равным 1740±27 млн лет, £ш(Т) = -1.3±0.3 (рис. 2, табл. 2). Отношения 147Бш/143№ для исследованной породы варьируют от 0.06 до 0.16, что позволило добиться достаточно малой для Бш-Щ метода ошибки определения возраста. Изотопный состав неодима (е№ = -1.3) указывает на аномальный мантийный источник магм.

1740±27 млн. лет /

ит)= -1.3±0.3

скво 1.3

у' Ш-07-02 Орх

Ш-07-02 Орх+Срх

т> уг Ш-07-02 01-1

- г

3 Ш-07-02 ЛЙ

и

3 / Ш-07-02

- / Ш-07-02 Р1

и78т/144Мс1

0.03 0.11 0,19

Рис. 2. Минеральная Бш-Щ изохрона для габбро массива Ноттреск

Таблица 2. Изотопные Бш-М данные для габбро массива Ноттреск

Содержание, ррш Изотопные отношения eNd

Бш № 147Бш/144№ 143^144№

WR 1.904 8.852 0.130005 0.511803±23 -1.3±0.3

Р1 0.302 3.037 0.060074 0.511001±8

Орх 0.636 2.340 0.164263 0.512203±21

О1 0.090 0.394 0.138856 0.511911±24

БиК 1.103 6.178 0.107896 0.511532±28

Орх+Срх 2.213 8.547 0.156522 0.512079±10

4. Заключение

Главная цель настоящей работы состояла в том, чтобы установить возможность использования сульфидов в Бш-Щ методе датирования рудоносных интрузий. Измеренные концентрации самария и неодима в сульфидах хотя и являются достаточно низкими (табл. 1, 2), однако находятся в пределах обнаружения масс-спектрометра.

Однако имеется вероятность того, что Бш и являясь редкоземельными элементами, могут присутствовать в высоких концентрациях во включениях внутри сульфидов (например, включения

Серов П.А., Екимова Н.А. Возможности Sm-Nd датирования рудных процессов.

монацита). В таком случае полученные изотопно-геохронологические характеристики могут не соответствовать реальным геологическим событиям. Поэтому важным этапом исследований является изучение сульфидных минералов в аншлифах для последующего отбора монофракций, не содержащих посторонних включений.

Таким образом, проведенные исследования показали, что сульфиды могут успешно применяться в Sm-Nd датировании рудоносных интрузий.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 07-05-00956, 08-05-00324, НШ 1413.2006.5, Госконтракта с Федеральным агентством по науке и инновациям 02.445.11.7403 и Финско-Российского проекта Interreg Tacis K-0193.

Литература

Ludwig K.R. ISOPLOT - A plotting and regression program for radiogenic - isotope data, version 2.56. Open-

file report 91-445. US Geol. Surv, 40 p., 1991. Ludwig K.R. ISOPLOT/Ex - A geochronological toolkit for Microsoft Excel, Version 2.05. Berkeley

Geochronology Center Special Publication, No 1a, 1999. Morgan J.W., Wandless G.A. Rare earth element distribution in some hydrothermal elements: Evidence for

crystallographic control. Geochim. et cosmochim. Acta, v.44, p.973-980, 1980. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies in interatomic distances in halides and

chalcogenides. Acta Crystallogr., v.32, p.751-767, 1976. Steiger R.H., Jäger E. Subcommission on geochronology: Convention on the use of decay constants in geo- and

cosmochronology. Earth Planet. Sci. Lett., v.36, N 3, p.359-362, 1977. Баянова Т.Б. Возраст реперных геологических комплексов Кольского региона и длительность

процессов магматизма. СПб., Наука, 174 с., 2004. Додин Д.А., Чернышов Н.М., Яцкевич Б.А. Платинометалльные месторождения России. СПб., Наука, 755 с., 2000.

Докучаева В.С. Петрология и условия рудообразования в Федорово-Панском интрузиве. Геология и

генезис месторождений платиновых металлов. М., Наука, c.87-100, 1994. Митрофанов Ф.П., Балабоним Н.Л., Баянова Т.Б., Корчагин А.У., Латыпов, Осокин А.С., Субботин В.В., Карпов С.М., Нерадовский Ю.Н. Кольская платинометальная провинция: новые данные. Платина России. М., Геоинформарк, т.3, кн. 1, с.43-52, 1999. Митрофанов Ф.П., Яковлев Ю.Н., Балабонин Н.Л., Баянова Т.Б. Кольская платиноносная провинция. Платина России. Проблемы развития минерально-сырьевой базы платиновых металлов. М., Геоинформарк, c.66-77, 1994. Пожиленко В.И., Гавриленко Б.В., Жиров Д.В., Жабин С.В. Геология рудных районов мурманской

области. Апатиты, КНЦРАН, 359 с., 2002. Римская-Корсакова М.Н., Дубинин А.В. Редкоземельные элементы в сульфидах подводных

гидротермальных источников Атлантического океана. Доклады РАН, т.389, № 5, c.672-676, 2003. Серов П.А., Митрофанов Ф.П. Платиноносный расслоенный Федорово-Панский интрузив (Кольский полуостров): новые Sm-Nd изохроны и изотопно-геохимические данные. Доклады РАН, т.403, № 5, c.1-4, 2005.

Серов П.А., Ниткина Е.А., Баянова Т.Б., Митрофанов Ф.П. Сопоставление данных по датированию изотопными U-Pb и Sm-Nd методами пород ранней безрудной фазы и рудовмещающих пород платинометалльного Фёдорово-Панского расслоенного массива. Доклады РАН, т.415, № 1, c. 1-3, 2007.