Урановые месторождения в ультраметаморфических породах

Урановые месторождения, расположенные в гранитоидах или по соседству с ними, известны во многих местах. Некоторые из них, например месторождения района Банкрофт в провинции Онтарио, являлись крупными поставщиками сырья в 1950-е годы. Позднее в Намибии было подготовлено к эксплуатации месторождение Россинг — очень крупный объект с бедными рудами и производительностью около 40 000 т руды в день. Генезис этих месторождений продолжает оставаться спорным, вероятно, отчасти из-за разнообразия процессов, проявившихся в одном месте. Однако совершенно очевидно, что доминирующим процессом был метаморфизм весьма высокой ступени, который мы называем ультраметаморфизмом. Такой метаморфизм происходил при температурах и давлениях, достаточно высоких для осуществления частичного или полного плавления пород. С возникающими при этом анатектическими силикатными расплавами и связано образование рассматриваемых месторождений. Иногда эти месторождения называют анатектическими, или пегматитовыми, или месторождениями порфирового типа, однако такие термины в равной мере применимы к магматическим породам, кристаллизующимся на участках земной коры, расположенных намного выше зоны анатексиса. Термин «ультраметаморфизм» используется для обозначения условий глубинного крайне высокотемпературного метаморфизма и процессов частичного плавления. В описаниях, приведенных ниже, основное внимание уделяется метаморфическим породам и возможному отложению урана из силикатных расплавов: при этом, как правило, не рассматриваются осложнения процессов, связанные с участием синхронного с метаморфизмом либо наложенного метасоматоза.

Наиболее известные месторождения расположены в провинции Гренвилл восточной Канады, а также в районе Россинг, Намибия, однако имеются и другие представители: в домене Вулластон, провинция Саскачеван и комплексе Уильяма в Южной Австралии.

Провинция Гренвилл, Квебек и Онтарио. В гранитоидных породах провинции Гренвилл Канадского щита, расположенной на востоке Канады, содержится множество урановых месторождений, имеющих явные признаки связи с процессами ультраметаморфизма. На протяжении примерно 1500 км с юго-запада на северо-восток размещаются следующие ураноносные районы: известный район Банкрофт в Онтарио; Мон-Лорье в Квебеке; Сет-Иль, Джохан-Биц, Ромен и Сент-Огюстен в восточном Квебеке. Согласно современным представлениям о геологической истории провинции Гренвилл, в докембрии выделяются четыре крупных этапа: 1) развитие гнейсовых комплексов фундамента из граувакк, вулканических и интрузивных пород в позднеархейское или раннепротерозойское время; 2) несогласное отложение шельфовых осадков комплекса Гренвилл на породы фундамента и метаморфизм на рубеже около 1,75 млрд. лет назад; 3) внедрение мафических или гранитоидных пород около 1,4 млрд. лет назад; 4) внедрение синкинематических мафических и гранитоидных пород и метаморфизм комплекса Гренвилл в интервале от ~ 1,25 до 1,0 млрд. лет назад. Урановые месторождения, по-видимому, сформировались из метаосадков комплекса Гренвилл в позднюю стадию гренвиллского орогенеза. Определения по минералам урана и ассоциирующимся с ними породам и минералам дают изотопный возраст около 1,0 млрд. лет. Принятая последовательность событий, включающая несколько периодов осадконакопления и интрузивного магматизма, заставляет предполагать, что происходило неоднократное переотложение урана, предшествовавшее образованию месторождений.

Месторождение Россинг в Намибии является крупнейшим из известных ультраметаморфических месторождений, содержащим около 136 000 т U3O8 при среднем содержании всего около 350 млн-1 (0,035%). Довольно хорошо установлена его общая геологическая позиция (рис. 19), однако детальное описание рудных тел отсутствует. Месторождение расположено в складчатом поясе Дамара и залегает в осадочных образованиях, возраст которых составляет примерно 1 млрд. лет; породы этого пояса отлагались на раннепротерозойских гнейсовых куполах и вместе с ними подверглись частичному плавлению. Пегматиты и урансодержащие аляскитовые пегматоидные граниты являются поздне- и послескладчатыми: Rb-Sr-датирование аляскитовых пегматоидных гранитов дает возраст 468 + 8 млн. лет (ср. с 510 млн. лет для главной фазы дамарской складчатости). Уран в виде уранинита, бетафита и вторичных минералов с шестивалентным ураном встречается главным образом в аляскитовых гранитах, прорывающих известковистые метаосадочные породы. Уран концентрируется в биотитовых оторочках по контакту аляскитовых гранитов. Отношение урана к торию в них близко к 20. Приблизительно 40% урана сосредоточено в вторичных минералах, что является, вероятно, следствием процесса остаточного обогащения, протекающего в специфических условиях климата пустыни Намиб, где источником небольшого количества влаги является лишь ночной туман.

Фундамент в районе сложен очковыми гнейсами группы Аббабис, имеющими возраст 2 млрд. лет. Их несогласно перекрывает комплекс Дамара — мощная ( >5 км) толща песчаных, глинистых и известковистых осадочных пород среднепротерозойского возраста. Накапливалась она, согласно выводу Бернинга и др., в речных и мелководно-морских обстановках. Группа Носиб в районе Дамара, вероятно, коррелируется с низами серии Роан из системы Катанга в Замбии и Заире и, следовательно, имеет возраст около 1 млрд. лет. Базальная формация Этузис представлена главным образом метааркозами и имеет мощность около 800 м. Залегающая на ней формация Хан мощностью около 200 м сложена в основном известково-силикатными гнейсами и сланцами, образованными, вероятно, по известковистым и глинистым осадкам. В этих метаосадочных породах встречается ангидрит. Выше залегает формация Россинг, сложенная примерно 200-метровой толщей мраморов и известково-силикатных гнейсов. Известковистые породы формаций Хан и Россинг являются главными вмещающими породами для интрузивов урансодержащих аляскитовых гранитов (рис. 19). Как в региональном масштабе, так и в пределах месторождения дайки и неправильной формы тела гранитов приурочены к антиклинальным или купольным структурам и «подпруживаются» сверху пластами мраморов.

Возможны два источника обогащенных ураном гранитных расплавов. Первый — это гранитогнейсы фундамента и синкинематические гранитогнейсы, обладающие высокой радиоактивностью по всему региону, другой — аркозы базальной формации Этузис. Последовательность событий рисуется Бернингу и др. в следующем виде; извлечение урана из гранитогнейсового фундамента, связывание его в накапливающихся обломочных породах и ремобилизация в процессе анатексиса. Судя по стратиграфическим данным, урансодержащий анатектический расплав на месторождении Россинг поднимался вверх примерно на 750—1000 м. Считается, что локализация урановой минерализации в некоторых телах аляскитовых гранитов в какой-то мере отражает обогащенность ураном залегающих глубже пород, подвергшихся частичному плавлению.

Концентрированное накопление урана, выделявшегося из анатектического расплава, могло осуществляться посредством одного или нескольких процессов. Один из них — восстановление урана железом ксенолитов мафических изверженных и осадочных вмещающих пород, приводящее к ассоциации уранинита с гематитом и биотитом. Другой механизм — понижение Eh и увеличение pH в связи с ассимиляцией богатых основаниями вмещающих пород. Еще один путь состоит в восстановлении урана графитом или углеводородами, однако графит на этих месторождениях был обнаружен лишь Моро. Фиксация приносимого урана во вмещающих породах в процессе их метасоматических преобразований вполне вероятна, так же как накопление его в биотитовых оторочках около гранитных интрузивов.

Некоторые общие замечания. Из рассмотренных выше примеров и сведений по другим ураноносным ультраметаморфическим породам выявляются некоторые общие особенности. Хотя имеются исключения и не все выводы бесспорны, для урановых месторождений в ультраметаморфических породах, по-видимому, справедливо следующее: 1) они располагаются на расстоянии около 1 км и меньше от гранитогнейсовых комплексов фундамента, имеющих возраст от архея до раннего протерозоя. 2) Месторождения залегают в супракрустальных осадочных породах, главным образом раннепротерозойского возраста (за исключением месторождения Россинг, залегающего в среднепротерозойских породах). 3) Литологические особенности пород указывают на осадконакопление в мелководно-морских шельфовых и речных обстановках; наличие таких минералов, как ангидрит и скаполит, заставляет предполагать присутствие эвапоритов во многих осадочных сериях. 4) Обогащение такими элементами, как В, Cl, F, P и S, вероятно, вызвано наличием в осадочных сериях хемогенных образований. Низкое содержание Th также согласуется с предположением об осадочном источнике. 5) Анатектические расплавы перемещались на относительно небольшие расстояния: на месторождении Мон-Лорье (Аллен, в печати) они формировались практически in situ, а на месторождении Россинг перемещались примерно на 1 км. 6) Такие месторождения, как Джохан-Биц и Крокерс-Уэлс, могли быть обязаны своим происхождением совершавшим метасоматоз водным флюидам при отсутствии или незначительной роли прямого выделения рудного вещества из силикатного расплава. На этих месторождениях большие количества урана, по-видимому, содержатся в титановых фазах, и для них характерны меньшие размеры и более бедные руды по сравнению с месторождениями, образовавшимися из расплавов. 7) Анатектические расплавы и производившие метасоматические изменения флюиды накапливались в ядрах антиклинальных структур, под толщами прочных и огнеупорных мафических или кальциевых пород. 8) Характер геологических структур и геохронологические данные свидетельствуют о том, что ураноносные анатектические расплавы формировались в позднескладчатый этап: в двух случаях месторождения на 25 млн. лет и ~ 100—200 млн. лет моложе главной фазы (пика) складчатости. 9) В ряде месторождений важную роль в качестве восстановителя, вероятно, играл графит (Аллен, в печати), на других месторождениях он, возможно, присутствует, но пока не описан. Восстановителем могло быть также записное железо в биотите, амфиболе и окислах железа.

Недавние полевые наблюдения и лабораторные эксперименты показывают, что гранитные расплавы могут образоваться в земной коре из пород близкого состава при температурах 650—700° С и давлениях несколько килобар. Рассмотренные здесь примеры свидетельствуют о том, что во многих случаях уран переходит в расплав, а не остается в тугоплавкой реститовой фракции. Расстояние, которое может преодолеть расплав, зависит от многих причин, например от структуры, содержания летучих в расплаве и его вязкости. Очевидно, важную роль играет тот факт, что месторождения локализуются в небольших телах или прожилках, сформированных при кристаллизации анатектического расплава, вблизи места его выплавления, так как это препятствует рассеиванию урана. В геологическом отношении существенным является то, что расплав не поднимается далеко вверх и не образует крупных плутонических тел. Одним из факторов, управляющих этим, является наличие антиклинальных структур и жестких пластов, ограничивающих миграцию расплава. Представляется важным отложение урана по соседству с известковистыми метаосадочными породами. Одна из причин этого, по-видимому, кроется в восстановлении урана графитом или органическим веществом, которые изначально имеются во многих карбонатных толщах. Другой причиной могло быть восстановление урана метаном, образованным за счет карбонатов.