Скарновые месторождения

Скарновые месторождения служат основными мировыми источниками вольфрама, главными источниками и важными поставщиками железа, молибдена и цинка и второстепенными источниками кобальта, золота, серебра, свинца, висмута, олова, бериллия и бора. Скарны являются также месторождениями таких индустриальных минералов, как графит, асбест, волластонит, магнезит, флогопит, тальк и флюорит. Этот широкий спектр видов сырья, образующихся в самой различной геологической обстановке, объединен под названием «скарновые месторождения», в основе формирования которых лежит генетический процесс, включающий метасоматическое замещение преимущественно карбонатных пород силикатами Ca, Fe, Mg и Mn.

Содержание металла и минералогия скарновых месторождений, как и в случае любого гидротермального месторождения, являются функцией нескольких факторов, среди которых к важнейшим относятся тектоническое положение, характер магмы, состав метасоматического флюида в источнике и природа среды, в которую этот флюид инфильтрирует. Одна из самых важных задач, стоящих перед исследователями рудных месторождений, — необходимость разобраться, что собой представляют эти флюиды и как они взаимоотносятся друг с другом. Цель настоящей обзорной статьи — показать, как понимают природу скарнов в настоящее время. Основой для этого послужили, за малым исключением, классические работы начала текущего столетия. В общем большинство современных работ носят аналитический характер, опираются на данные многочисленных экспериментальных и теоретических исследований; их авторы пытаются количественно обосновать метасоматические и петрологические процессы.

В данном обзоре мы намеренно ограничили себя рассмотрением только тех скарновых месторождений, которые разрабатываются на определенные металлы и которые могут быть отнесены к магматогенно-гидротермальным; исключены скарны метаморфического происхождения и скарновые месторождения индустриального сырья. Мы тщательно изучили литературу, посвященную более чем 285 скарновым месторождениям; в качестве примера было выбрано 130 лучше всего изученных объектов, и данные по их геологии и минералогии обобщены в таблицах. Скарновые месторождения разделены по ведущему промышленному металлу на шесть основных подклассов, включающих месторождения железа, вольфрама, меди, цинка — свинца, молибдена и олова. Разновидности в пределах подклассов выделяются в зависимости от типа магмы, условий образования и состава вмещающих пород.

Главными источниками, вдохновившими авторов написать настоящую статью, явились обобщающие работы В.И. Смирнова, В.А. Жарикова и Фана. Важным для нас были также обзорные статьи, посвященные 1) размещению скарнов в Японии, в северо-западной Канаде и Тоскане; 2) особенностям вольфрамовых скарнов на западе США, медных скарнов, связанных с порфирами, на северо-западе Северной Америки и оловянных скарнов в Восточной Малайзии и на Чукотке; 3) структурному контролю скарновых месторождений; 4) минералогии и петрологии скарновых месторождений.

Метаморфические и метасоматические скарны и скарновые месторождения. Термин «скарн» возник в центральной Швеции, где он применялся горняками для обозначения грубозернистой известково-силикатной жильной породы, связанной с железной рудой; позднее им воспользовался Гольдшмидт в своем классическом труде о районе Христиания (Осло) в Норвегии. С тех пор этот термин широко использовался для обозначения разностей известково-силикатных пород, которые обогащены кальцием, железом, магнием, алюминием и марганцем (вне зависимости от того, связаны ли они с экономически интересными минералами или нет) и которые образовались путем замещения первичных богатых карбонатами пород. К главным процессам, которые, как полагают, могут объяснить такого рода замещения, относятся:

1. Метаморфическая перекристаллизация мраморов, сланцеватых известняков или богатых металлами силикатно-карбонатных пород, происходящая с незначительным привносом химических компонентов или без него. Процесс связывается с образованием «известково-кремнистых роговиков», «перекристаллизованных скарнов» или «скарноидов».

2. Локальный обмен компонентами между литологически несходными породами во время регионального метаморфизма высокой ступени или контактового метаморфизма. Этот процесс, впервые описанный Магнуссоном и Эсколой, сегодня связывают с образованием «реакционных скарнов», «скарнов локального обмена» или «биметасоматически-диффузионных скарнов» и «известково-силикатных слоев». Обычно считается, что все эти породы формируются в результате диффузионных процессов.

3) Локальный обмен компонентами при высоких температурах между магмой и боковыми породами, в результате чего возникают «первичные скарны» или «скарны магматической стадии».

4) Крупномасштабное перемещение компонентов в широком температурном интервале между гидротермальными флюидами (преимущественно, как обычно предполагают, магматического происхождения) и главным образом карбонатными породами, что приводит к образованию «скарнов», «вторичных скарнов», «замещенных скарнов» или «рудных скарнов» и «скарнов постмагматической стадии». Образование скарнов этого типа служит примером инфильтрационных процессов.

Все вышеперечисленные процессы самостоятельно или в комбинации друг с другом могут приводить к формированию скарнов. Первый процесс метаморфический, и при нем не происходит привноси компонентов в осадочную систему; массоперенос нелетучих компонентов имеет лишь локальное значение. Второй процесс также метаморфический, но только если его рассматривать в масштабе всей сложнопостроенной толщи переслаивающихся литологических разностей скарнообразующих пород; в локальном масштабе процесс включает метасоматический перенос на расстояния до нескольких десятков сантиметров. Согласно гипотезе скарнообразования Бартоломе, с обоими процессами связан один из конечных членов, который этим автором был назван термометаморфическим скарном. Третий и четвертый процессы включают привнос компонентов в водной фазе извне в осадочную толщу под воздействием магмы и, в соответствии с гипотезой Бартоломе, относятся к главному конечному члену, который назван метасоматическим скарном.

Рудные месторождения в скарнах располагаются обычно на контакте или вблизи него между интрузивными плутонами и осадочными породами или на удалении в трещинах среди карбонатных пород. В старой литературе такие месторождения относили к «гидротермально-метаморфическим», «тактитовым» и «пирометасоматическим»; в современных руководствах они определяются как «магматогенно-метаморфические» или «контактово-метасоматические». Однако ни один из этих терминов не подходит, так как магматические контакты не всегда имеются, а иногда в них даже нет необходимости; образование месторождений происходит в широком интервале температур, и относительная значимость метаморфических и метасоматических процессов не определена ни для отдельных месторождений, ни для всего класса в целом. Мы примем предложение Фана, Берта и Лондона и Танелли и будем называть эти месторождения просто «скарновые месторождения», т. е. использовать термин, свободный от генетического смысла.

Метаморфические и метасоматические конечные члены. Поскольку скарны, как тип пород, состоящих в основном из известково-силикатных минералов, могут формироваться как при чисто метаморфических, так и при чисто метасоматических процессах, между конечными членами, возникающими в ходе этих процессов, может располагаться целый ряд промежуточных скарновых месторождений. Например, железорудные залежи района Арен-даль на юге Норвегии являются частью высокометаморфизованной (силлиманит-кордиеритовая фация) толщи, состоящей из кварцитов, слюдистых кристаллических сланцев, гнейсов, карбонатных пород, а также чарнокитов гранулитовой фации. Гранат-пироксен-магнетитовое месторождение залегает в пределах одного стратиграфического горизонта и интерпретируется Бугге как реакционный продукт, возникший по богатым железом карбонатным и силикатным породам в процессе гранулитовой стадии метаморфизма, после которой последовали ретроградные изменения эпидот-амфиболитовой стадии метаморфизма. Железорудные месторождения в скарнах гренвиллско-го возраста на северо-западе гор Адирондак также могли сформироваться при метаморфических процессах.

Метаморфизм пород вулканогенно-осадочных серий, обогащенных такими металлами, как марганец и цинк, также мог дать ассоциации скарновых минералов, примером чему служат метаморфизованные стратиформные сульфидные месторождения Брокен-Хилл (Австралия) и Франклин (Нью-Джерси). Сходными являются марганцовые руды месторождений Лонгбан (Швеция), Нода — Тамагава (Япония) и Буритирама (Бразилия). По характеру марганцовых силикатов, включающих пироксен йохан-сенитового состава, гранат спессартинового ряда, родонит, даннеморит и родохрозит, эти месторождения аналогичны некоторым скарновым месторождениям кайнозойского возраста, образовавшимся в чистых известняках (например, Линчберг в Нью-Мексико). Другие возможные примеры метаморфических скарнов приведены В. И. Смирновым; среди них Ковары (Польша), Дивриги (Турция) и Остероде (ФРГ).

Сходное происхождение предполагается для руд в скарнах центральной Швеции, но такая интерпретация осложняется присутствием там синтектонических гранитов. Железные руды рудника Персберг и марганцовые руды Лонгбана могли возникнуть в результате чисто термального метаморфизма, однако в Ориярви и Фалуне могли иметь важное значение некоторые метасоматические явления, связанные с внедрением гранитов. Это скарны в основном магнезиального типа с тремолитом, гумитом, флогопитом, форстеритом и баритом. Сульфидсодержащие известковые скарны типа Оммеберг связаны, очевидно, с еще более молодыми проявлениями метаморфизма высоких ступеней и с образованием мигматитовых гранитов. Они приурочены к мигматитовому фронту вне зоны жильных гнейсов и гранитов и состоят из диопсида, граната, роговой обманки, волластонита, везувиана, пирротина, сфалерита и галенита. Магнуссон считает такую ассоциацию скарновых минералов примером комбинации реакционных и метасоматических продуктов, включающих образования, возникшие в результате ремобилизации более ранних рудных компонентов. Более поздний ретроградный процесс привел к возникновению больших масс магнетита, сопровождающегося флогопитом, клиногумитом, амфиболом и небольшими количествами лювигита и пирротина.

Молибденсодержащие скарны в пределах области развития регионального метаморфизма высоких ступеней в провинции Гренвилл Канады также обнаруживают признаки, указывающие на их родство с пегматитами и явлениями, происходившими на контактах с разгнейсованными гранитами. Минералогия месторождений обычна; здесь развиты темно-зеленый пироксен, скаполит, тремолит, флогопит, пирротин, пирит и молибденит. Это, как правило, небольшие месторождения; например, наиболее крупное из всех месторождение Киркхем заключает 280 000 т руды с содержанием MoS2 от 0,25 до 0,4% и примесями меди и урана.

Вышеприведенные примеры месторождений, находящихся в самой различной геологической обстановке, указывают на непрерывность переходов между чисто метаморфическими процессами и комбинацией метаморфических и метасоматических процессов. Все эти объекты могут рассматриваться как скарновые месторождения. В некоторых случаях условия, при которых возникал рудный флюид, были метаморфическими, а рудные компоненты мобилизовывались неким процессом выщелачивания из мест прежней их концентрации. Возникшее таким образом месторождение может не отличаться в минералогическом и петрологическом отношении от конечного продукта взаимодействия преимущественно магматогенно-гидротермального флюида с карбонатными породами. Это связано с тем, что гидротермальные флюиды различного происхождения приобретают после достаточно активного взаимодействия с геологической средой сходные черты, что приводит в конце концов к одинаковым результатам. В основу схемы двух конечных членов при трактовке генезиса скарновых месторождений — термометаморфического и мета-соматического — положен источник компонентов. В настоящее время при определении этого источника мы вынуждены прибегать к качественным и умозрительным геологическим рассуждениям. Так, имеются данные, что на Скандинавском щите металлы и компоненты жильных минералов присутствовали в породах местного осадочного разреза до образования скарнов; в Провинции Бассейнов и Хребтов на западе США можно наблюдать такие пространственно-временные соотношения скарновых месторождений и кварц-монцонитовых плутонов, которые показывают, что большинство компонентов поступали не из окружающих осадочных пород, а, возможно, из магматического источника. Однако даже в этих случаях имеются многочисленные свидетельства того, что некоторые компоненты в скарнах являются местными дериватами и не привнесены из магматической системы. Таким образом, мы приходим к заключению, что гидротермальные флюиды, вовлеченные в образование минеральных месторождений, могут приобретать растворенное в них вещество многими путями и что, следовательно, схема классификации, основанная только на источнике компонентов, непригодна. При состоянии наших современных знаний наиболее приемлемые классификационные схемы базируются на внутренних свойствах, включающих морфологию, минералогию и тектоническое положение. Согласно такой классификации, докембрийские и ларамийские руды в скарнах представляют собой разные типы скарновых месторождений. Возможно, они являются представителями соответственно термометаморфических и метасоматических конечных членов, однако мы должны помнить, что существование чистых представителей хотя бы одного из этих идеализированных конечных членов маловероятно.