21.03.2021

Скандий в метаморфических комплексах докембрия


В задачу настоящей статьи входит выяснение вопроса о содержании скандия в метаморфических породах разного состава, об особенностях его концентрации и распределения между некоторыми минералами этих пород, о геохимической связи с другими элементами и характере поведения его в процессе метаморфизма.

Были рассмотрены кристаллические сланцы основного состава, разнообразные гнейсы, кварциты и связанные с этими породами (пространственно или генетически) гранитоиды и пегматиты из докембрийских комплексов. Породы относятся к амфиболитовой и гранулитовой фациям метаморфизма. Всего было исследовано 216 валовых и 516 мономинеральных проб.

Полученные результаты основаны на количественных определениях в спектральной лаборатории ИГГД АН России, выполненных К.В. Орловской. Точность определений (воспроизводимость анализа) составляет — 12%. Результаты исследований приведены в табл. 65. Кристаллические сланцы основного состава характеризуются более высоким содержанием Sc, нежели гнейсы и тем более гранитоиды и кварциты. Это объясняется вхождением Sc главным образом в состав темноцветных и глиноземистых минералов. Среднее содержание Sc в однотипных породах разных фаций несколько увеличивается в породах гранулитовой фации по сравнению с амфиболитовой (см. табл. 65). Это согласуется с данными Д. Шоу по метаморфическим породам формации Литтлтон в Нью-Хемпшайре.

Большинство авторов подтверждают существование положительной корреляционной связи между содержанием в породах Sc и Fe2+. Что касается Mg, то одни исследователи отрицают существование такой связи, нередко основываясь на отсутствии или незначительном содержании Sc в некоторых магнезиальных минералах, например оливиновых; другие подтверждают ее существование. Д.H. Иванов и А.В. Фаас, а также Л.Ф. Борисенко отмечают отчетливую положительную корреляцию между SC2O3 и CaO. Д. Снайдер, изучая распределение Sc в габбровых сериях, высказал мысль о предпочтительном замещении скандием Ca, нежели Fe2+ и Mg2+. К этому же выводу пришли Н. Сен и др.. Кл. Фрондел (Frondel указывает на более тесную связь Sс с Fe3+, чем с Fe2+. Кроме того, им отмечается связь Sc с Y, Al, Ti, Sn, Zr. В, Фрайкланд и М. Флейшер показали, что более высокая корреляция наблюдается между Sc и суммой (Fe3+ + Fe2+), чем только с Fe2+.

Проведенная нами проверка подтвердила положительную корреляционную связь между Sc и Fe2+, Fe3+, Mg и Ca в метаморфических породах в целом и в отдельных группах (табл. 66).

Таким образом, для метаморфических пород, как и для изверженных, характерны более высокое содержание Sc в породах более основного состава, богатых фемическими минералами, и меньшая концентрация Sc в породах кислых и лейкократовых.

В. Фрайкланд и М. Флейшер, изучая вулканические породы Аляски и Японии, установили прямо пропорциональную зависимость между содержанием S c параметром CaO/Na2О-K2O являющимся показателем относительных количеств плагиоклаза и щелочного полевого шпата в породе. Проверка этой связи на нашем материале подтвердила ее существование.

В сериях гранитизированных пород с повышением степени гранитизации отмечается сокращение количества Sc (рис. 105,I).
Скандий в метаморфических комплексах докембрия

Изучалась скандиеносность биотитов, гранатов, амфиболов, гиперстенов и диопеидов из докембрийских пород амфиболитовой и гранулитовой фаций. Новые данные по скандиеносности амфиболов (табл. 67) подтвердили ранее сделанное заключение о том, что в амфиболах из кристаллических сланцев основного состава скандий содержится в меньшем количестве, нежели в амфиболах из гнейсов игранитоидов, а содержание Sc в амфиболах из пород гранулитовой фации (среднее из 23 = 0,0083%) выше, нежели из пород амфиболитовой (среднее из 32 = 0,0053 %).

При гранитизации содержание Sc в амфиболе возрастает. Как и в других минералах, концентрация Sc в пироксенах из кристаллических сланцев основного состава значительно ниже, чем в соответствующих минералах из гранитоидов (табл. 68); в процессе гранитизации отмечается возрастание содержания Sc в гиперстенах (см. рис. 109,II).

В моноклинные пироксены Sc входит в больших количествах, чем в гиперстены. Пониженной скандиеносностью отличаются моноклинные пироксены диопсидовых метасоматитов Алданского щита (табл. 69). Такое низкое содержание Sc характерно для диопсидов скарнов и подобных им пород.

Для выяснения характера распространения Sc между биотитом, амфиболом и пироксенами нами использованы анализы 18 минеральных пар, заимствованные из литературы, и оригинальные анализы 43 пар минералов. Кроме того, рассмотрена скандиеносность восьми образцов пород, в которых сосуществуют три или четыре минерала. Коэффициенты распределения Sc между соответствующими минералами показаны в таблицах 70 и 71.

Данные по паре гранат — биотит были детально рассмотрены в другой работе авторов. Здесь укажем только, что с усилением степени метаморфизма происходит возрастание отношения Sc в гранате/Sc в биотите. Средние значения: 2,26 в эпидот-амфиболитовой фации метаморфизма; 5,93 — в амфиболитовой; 8,21 — в диафторитах амфиболитовой фации по гранулитовой; 10,47 — в чисто гранулитовой. Эта закономерность может служить геохимическим индикатором фациальной принадлежности пород и может быть использована в геологической термометрии.

Коэффициент распределения Sc между биотитом и амфиболом увеличивается с усилением степени метаморфизма (3,42 в амфиболитовой фации и 4,57 — в гранулитовой). Такое возрастание KScАм-Би отражает противоположное поведение Sc в амфиболе и биотите в этом процессе, а именно: с возрастанием степени метаморфизма количество Sc в амфиболе увеличивается, а в биотите — сокращается.

В паре амфибол — гиперстен 4/5 Sc входит в амфибол и лишь 1/5 в гиперстен.

При сосуществовании с амфиболом моноклинного пироксена содержание Sc в этих минералах в основном близкое, реже количество Sc в амфиболе несколько выше, чем в диопсиде. Если учесть данные по распределению между несколькими сосуществующими минералами, то видна положительная коррелятивная связь между концентрациями Sc в диопсиде и амфиболе.


Различие в скандиеносности моноклинного и ромбического пироксена отчетливо выступает в значении КScДи-Гип, которое показывает, что содержание Sc в диопсиде в 3—6 раз больше, чем в сосуществующем с ним гиперстене. Здесь, как и в предыдущем случае, в отношении содержания Sc в этих минералах наблюдается прямая зависимость.

Данные, касающиеся сосуществующих биотита и гиперстена, указывают на вхождение Sc в гиперстен в количестве в 1,5—5 раз больше, нежели в биотит.

Представляет интерес распределение Sc в породах, содержащих три или четыре минерала-носителя (см. табл. 74). Оно отличается несколько меньшим постоянством от распределения Sc в соответствующих парах минералов. Однако и здесь выдерживается намеченная выше тенденция. В гранатсодержащих гнейсовых породах с относительно невысоким общим содержанием Sc главным концентратом его всегда является гранат. В меньшем количестве (в 3—6 раз) Sc входит в сосуществующий гиперстен и в 8—14 раз его меньше в сосуществующем биотите. Если же граната в породе нет, но присутствуют пироксены, амфибол и биотит, то роль главных концентратов Sc примерно поровну делят между собой моноклинный пироксен и амфибол, меньшее количество этого элемента входит в гиперстен, а наиболее низкая концентрация его падает на биотит.

Положительная корреляция Sc с Ca, Fe и Mg подтверждает преимущественное вхождение Sc в метаморфические породы более основного состава, богатые фемическими минералами. В этой связи также понятно снижение содержания Sc в породах в процессе их гранитизации, поскольку этот процесс сопровождается выносом фемических элементов.

Выше отмечалось некоторое увеличение количества Sc в породах гранулитовой фации по сравнению с породами амфиболитовой. Возможно, это связано с несколько более основным валовым составом первых. В распределении Sc в минералах метаморфических пород выявляется общая закономерность, выражающаяся в увеличении концентрации Sc в биотитах, гранатах, амфиболах и пироксенах в породах более кислого состава, что наблюдается внутри метаморфических фаций. Эта же закономерность проявляется в минералах и при гранитизации. Известно, что обогащение кремнекислотой и летучими благоприятствует накоплению Sc. Вследствие своей малой миграционной способности Sc при гранитизации не удаляется за пределы системы, а концентрируется в растворах и таким образом обогащает оставшиеся фемические минералы.

Накопленные к настоящему времени данные по поведению Sc в метаморфических комплексах докембрия можно резюмировать следующим образом.

Содержание Sc в биотите с усилением степени метаморфизма сокращается. Это подтверждается пониженной скандиеносностью высокотитанистых биотитов и более высоким содержанием Sc в биотитах с повышенным содержанием тетраэдрического Al. Содержание Sc в гранате также понижается с повышением степени метаморфизма. Энгели связывают это с параллельным сокращением содержания Mn. В такой же степени можно отметить одновременное возрастание содержания Mg и Si в гранате. Концентрация Sc в амфиболе повышается с возрастанием степени метаморфизма. Как известно, по мере повышения температуры в роговых обманках увеличивается степень замещения Si—>Аl в тетраэдре и уменьшаются пределы изоморфизма (Mg, Fe2+)—>(Al, Fe3+), т. е. сокращается количество алюминия в октаэдрической позиции. С этим согласуется выявленная нами ранее отрицательная зависимость Sc с Si. Кроме того, устанавливается прямая связь между содержанием Sc и TiO2 в амфиболах. Зависимость содержания Sc в биотите, гранате и амфиболе от степени метаморфизма иллюстрируется схемой (рис. 106).

Некоторые нарушения закономерностей поведения Sc в минералах можно ожидать в породах, испытавших диафторез или повторный метаморфизм.

Для Sc в биотитах, гранатах, амфиболах и пироксенах обычно принимается схема гетеровалентного изоморфизма: (Mg, Mn, Fe)2++Si4+->--^-Sc3++ (Al, Fe)3+; возможен также и изовалентный изоморфизм: А13+-> ->Sc3+ и Y3+->Sc3+. Однако экспериментальные данные по синтетическим системам показывают хорошую смесимость Sc и F3+ и близость структур некоторых соединений этих элементов. Синтез скандиевых гранатов показал, что Sc входит в октаэдрическую позицию, занятую трехвалентными ионами—-Fe3+, Al3+ или Cr3+. Гранат Ca3Sc2Si3O12 был синтезирован гидротермально Б.В. Миллем, а затем Ж. Ито и К. Фронделом, которые синтезировали также скандиевый гидрогранат Sr3Sc2(OH)12 и получили полную серию твердых растворов с Fe3+ и In. При синтезе этими же исследователями скандиевого эгирина NaScSi2O6 и скандиевого сподумена LiScSi2O6, для которых были получены серии твердых растворов с Fe3+, было установлено, что Sc входит в структурную позицию М1, вместе с трехвалентными ионами Fe3+, Al3+, Cr3+, V3+, Mn3+. В природных пироксенах эти ионы в позиции M1 добавляются к Fe2+ и Mg. Компенсация валентности достигается путем вхождения Na в позицию M2. Можно предполагать, что аналогичное положение имеет место в амфиболах.

Небезынтересно, что в синтетическом скандиевом берилле Be3Sc2Si6O18 также широко проявлено замещение Sc трехвалентным Fe3+ и, кроме того, в нем же установлено замещение Sc на V3+, Cr3+, Mn3+ и Ga. К. Фрондел описал природный псевдобрукит Fe3+2TiO5, найденный в горах Томас в штате Юта (США), содержащий 0,74% Sc2O3, а в 1971 г. Ж. Ито синтезировал скандиевый псевдобрукит Sc2TiO5, причем была получена полная серия твердых растворов между Sc2TiO5 и псевдобрукитом Fe2TiO5.

Таким образом, многие данные свидетельствуют о том, что вхождение Sc в кристаллическую решетку ряда минералов определяется его близостью также с Fe3+, на что и обращает внимание К. Фрондел, рассматривая вопросы кристаллохимии Sc. Интересно отметить, что различные исследователи давали разные объяснения закономерностей распределения Sc между минералами. Так, Гольдшмидт считал ведущим фактором величину ионных радиусов и зарядов. Де-Вор большое значение в распределении рассеянных элементов придавал адсорбции и силе поляризации. Он высказал предположение о параллельной связи между возрастающей поляризуемостью ионов кислорода в минерале и возрастающей силой поляризации катионов. Слабо поляризуемые анионы, которые ассоциируют, например, с Mn, Y, Sc, имеют тенденцию фиксироваться на поверхностях кристалла, которые контролируются катионами высокой силы поляризации, как например Fe, Al, Ti. С этой точки зрения предпочтительное вхождение Sc, например, в решетку амфибола сравнительно с биотитом объясняется тем, что вследствие особенностей кристаллической структуры минералов Sc, как катион со слабой силой поляризации, адсорбируется на кристаллографических поверхностях амфибола более легко, чем в биотите; в то же время в биотите предпочтительно адсорбируются высокополяризующие катионы (например, Ti, Cr, Ni). Мерой силы поляризации катионов является потенциал ионизации.

A. Рингвуд большое значение придает электроотрицательности элементов. Согласно его представлению из двух ионов сходных зарядов и радиусов предпочтительно вхождение элемента с более низким значением электроотрицательности. По А. Рингвуду при рассеянии Sc в Fe—Mg минералах магматических пород он входит в них не за счет Mg, а за счет Fe2+ в связи с тем, что у Sc больше, чем у Mg значение электроотрицательности (Sc—1,30; Mg—1,20; Fe2+—1,65).

B.В. Щербина объясняет неодинаковое содержание Sc в парагенетических ассоциациях силикатных минералов изменением величины свободной энергии при вхождении иона Sc в кристаллические решетки силикатов. Р. Бернс и В. Файф показали, что обычно в разной степени действуют одновременно несколько правил и лишь в простых случаях распределение элементов регулируется каким-либо одним фактором.

Р. Бернс, Р. Кларк и В. Файф рассмотрели распределение переходных металлов с точки зрения теории кристаллического поля. Ими было высказано положение, согласно которому катионы, имеющие наименьшую устойчивость в существующей структуре минерала или приобретающие дополнительную стабильность в новой, будут входить первыми в новообразующийся минерал. Этим объясняется, например, понижение содержания Sc в биотите и гранате с повышением степени метаморфизма. В процессе прогрессивного метаморфизма происходит последовательное замещение биотита гранатом, скандий в решетке биотита теряет устойчивость и начинает входить в новообразующую структуру граната. С дальнейшим повышением степени метаморфизма состав граната меняется, и Sc распределяется в решетках других образующихся минералов.





Яндекс.Метрика