Геохимия метаморфогенных апатитоносных формаций раннего докембрия

Метаморфогенная апатитоносность, генетически тесно связанная с докембрийскими осадочно-метаморфическими гнейсово-мраморной, мраморно-сланцевой и мраморной формациями, широко развита на территории России (Центральный Алдан, Анабарский и Украинский кристаллические щиты, Становой, Хамардабанский и Восточно-Саянский хребты, Сангиленский массив), а также п-ва Кореи, Китая, Канады и Австралии. Она проявляется по-разному. В одних случаях, фосфатное вещество в виде вкрапленности апатитовых зерен равномерно и иногда в небольших количествах рассеяно в осадочно-метаморфических толщах, в других — наблюдаются залежи пластовых апатитовых руд, а в третьих, в зонах приразломных метасоматитов образуются промышленные гидротермально-метасоматические месторождения апатитов.

Среди метаморфогенных апатитоносных формаций выделяются два основных типа: осадочно-метаморфический и гидротермально-метасоматический. Они приурочены к древним щитам, геосинклинальным областям, а также к зонам долгоживущих разломов.

Наиболее характерный представитель осадочно-метаморфического типа формаций в России — апатитоносная гнейсово-мраморная формация Юго-западного Прибайкалья. Стратиграфически она приурочена к верхам слюдянской серии верхнего архея (?), сложенной преимущественно карбонатными породами. Формация прослеживается с запада на восток до 300 км, сохраняя мощность от 600 (Хамардабано-Мойготский район) до 1500 м (Слюдянский район). Формация имеет ритмичное строение, выражающееся в чередовании карбонатных апатитоносных горизонтов с горизонтами гнейсов и кристаллических сланцев. Наблюдается определенная стратиграфическая приуроченность и выдержанность апатитоносных горизонтов по простиранию в пределах формации. Так, например, в Слюдянском районе апатитоносный горизонт A2C3, залегающий в самых верхах формации, прослежен с запада на восток от р. Малая Быстрая до р. Безымянная более чем на 40 км и представлен мраморами, кварцитами, диопсидовыми, амфиболовыми и другими сланцами. В этом горизонте развиты линзовидные и пластовые залежи апатит-кварц-диопсидовых, апатит-кварц-диопсид-карбонатных, апатит-кварц-карбонатных и апатит-карбонатных руд, занимающих различное стратиграфическое положение в разрезе. Основные рудообразующие минералы в различных количественных соотношениях — кальцит, доломит, кварц, диопсид и апатит. В качестве примеси присутствуют тремолит, скаполит, полевые шпаты, флогопит. Среди апатитовых руд Слюдянского района широко распространены разновидности, в которых наблюдается чередование кварцевых, диопсидовых и смешанных прослоев; границы прослоев, как правило, четкие, хотя наблюдаются и расплывчатые, что связано с вторичными процессами преобразования. Выделяются грубополосчатые с мощностью от 10 до 30 см, полосчатые от 2 до 10 см, тонкополосчатые от нескольких миллиметров до 2 см руды.

Апатит представлен в подавляющей своей массе мелкими округлыми зернами светло-голубого и голубого цвета размером от 0,1 до 0,5 мм. В табл. 1 приведен химический анализ слюдянских апатитов, который является фторапатитом, характеризующимся пониженным по сравнению с лаокайскими и каратаускими апатитами содержанием фтора и присутствием серы. Хотя М.С. Сахарова отмечает, что ею не обнаружено ни в одном из изученных образцов метаморфогенных апатитов Слюдянки присутствия редких земель, В.З. Блисковский указывает на содержание суммы редких земель в слюдянском апатите 0,032%, а Н.И. Юдин и А.А. Арсеньев отмечают, что спектральными анализами в слюдянских и обрубских апатитах установлено присутствие свинца, меди, бария, бора, марганца, стронция и других элементов. Диопсид, как и апатит, представлен мелкими (0,05—0,5 мм) округлыми зернами белого цвета. Округлозернистая, а не призматическая форма апатита и диопсида — свидетельство их осадочно-метаморфического генезиса.

Широким развитием в разрезе мраморно-гнейсовой апатитоносной формации пользуются графитсодержащие мраморы. Графит в них наблюдается в виде тонких стратифицированных слойков, крупных чешуй, равномерно рассеянных в породе и в тонкораспыленном состоянии. Помимо мраморов графит встречается в биотит-гранатовых гнейсах. Формация содержит в своем составе горизонты биотит-гранат-силлиманитовых гнейсов с графитом. Интересно, что в самом апатите из слюдянской серии химическим анализом установлено присутствие (0,01—0,15%) углерода.

Глубокое преобразование первичных пород затрудняет достоверное восстановление типов первичных осадочных пород, за счет которых возникли наблюдаемые сейчас отложения слюдянской серии Юго-Западного Прибайкалья, но Л.Н. Никитина считает, что мраморы, пироксеновые гнейсы, амфиболиты и амфиболовые гнейсы, биотит- и гранат-биотитовые гнейсы возникли за счет известняков, доломитов, известковистых кварцевых песчаников (кварц-диопсидовые породы), известковистых мергелей (пироксеновые гнейсы), мергелей и глинистых мергелей (амфиболиты и амфиболовые сланцы), глинистых осадков (биотитовые и гранат-биотитовые гнейсы).

Апатитоносные кварц-диопсидовые породы слюдянской серии, по мнению большинства исследователей, образовались за счет первично-осадочных фосфоритоносных отложений (известковистых фосфатизированных песчаников или фосфатизированных кремнисто-доломитовых осадков) в результате регионального метаморфизма; при этом произошла полная перекристаллизация фосфатного вещества и выделение его в виде зернистого апатита.

По мнению Н.И. Юдина и А.А. Арсеньева апатитоносные кварц-диопсидовые породы (апатитовые руды) в слюдянской серии (Обруб, Слюдянка, Сюточкина падь, р. Малая Быстрая и др.) всюду имеют очень близкий химический состав, что указывает на общность условий образования апатитовых руд слюдянской серии. Анализ распределения ряда химических элементов, обнаруженных полуколичественным спектральным анализом, содержащихся в кварц-диопсидовых породах слюдянской серии показывает, что характер распределения почти всех элементов в этих породах идентичен на всей территории Юго-западного Прибайкалья. Только в восточной части Юго-западного Прибайкалья отмечается более высокое содержание фосфора в кварц-диопсидовых апатитоносных породах, чем в его западной части; то же самое замечено и в отношении марганца. Наблюдается идентичность распределения элементов в кварц-диопсидовых породах и мраморах и несколько отличный характер распределения элементов в кальцифирах. Это связано, по-видимому, с тем, что кварц-диопсидовые породы и мраморы образовались за счет единого комплекса первичных кремнистокарбонатных осадочных отложений, а кальцифиры формировались за счет первичноосадочных пород, в которых существенную роль играл глинистый материал, содержащий более высокие концентрации алюминия, железа, титана, ванадия.

Многие черты сходства со слюдянским типом имеет осадочно-метаморфическая мраморно-гнейсовая апатитоносная формация Центрального Алдана, распространенная главным образом в его восточной части и приуроченная к горизонту диопсид-плагиоклазовых сланцев и карбонатных пород иенгрской серии верхнего архея. К этому горизонту приурочена большая часть железорудных и флогопитовых месторождений, а также метаморфических проявлений апатита. Апатитовые проявления в большинстве своем располагаются на месторождениях флогопита (Каталах, Эмельджак, Канку) или железных руд (Таежное и др.).

Апатиты метаморфического типа в Центральном Алдане содержат повышенное количество (до нескольких процентов) редкоземельных элементов церий-лантановой группы с преобладанием церия над лантаном.

По данным Г.Б. Гиммельфарба в карбонатных породах иенгрской серии, с которыми связан апатит, концентрации стронция, бария, никеля, кобальта, хрома, ванадия, цинка, свинца, молибдена, олова и бора сопоставимы с содержанием их в более молодых карбонатных породах осадочного присхождения и земной коры в целом.

Об осадочно-метаморфическом генезисе апатитов Центрального Алдана свидетельствуют его приуроченность к кальцифирам и диопсидовым породам, занимающим в разрезе федоровской свиты определенное стратиграфическое положение, а также полосчатая текстура выделений, повторяющая слоистость, повсеместная пространственногенетическая связь проявлений апатита с месторождениями флогопита и железа, имеющих, по мнению многих исследователей, осадочное происхождение. Апатит же образовался за счет первичных вулканогенно-осадочных пород, содержащих фосфор и, возможно, включения фосфоритов.

По минеральному составу и парагенетическим ассоциациям слюдянские и алданские апатитоносные образования имеют сходство с апатитовыми рудами известных месторождений Малого Каратау в Южном Казахстане и Лаокайского бассейна во Вьетнаме, возникших при контактовом и региональном метаморфизме заведомо осадочных фосфоритоносных отложений.

На ряде месторождений Каратауского бассейна степень изменения фосфоритов, переход их в метаморфизованные апатиты различны и зависят от их расстояния от крупных гранитных интрузий, прорвавших в юго-восточной части бассейна отложения нижнего палеозоя, в том числе и фосфоритоносную свиту. Если на месторождениях Джетымчоку и Котурбулак фосфориты слабо метаморфизованы, то на месторождениях Насынкуль и Сулейман-сай они представлены полностью метаморфизованными породами, а на месторождениях Чулактау и Тешик-тас по простиранию пластов наблюдается постепенный переход от неизмененных фосфоритов к метаморфизованным апатитовым рудам различного состава.

Под воздействием контактового метаморфизма карбонатные и кремнистые породы преобразовались соответственно в кальцитовые и доломитовые мраморы, кремнистые сланцы и кварциты. За счет примесей доломита, кремнезема и глинозема в фосфоритах и вмещающих их породах развиваются новые минеральные ассоциации. В наиболее высокотемпературных зонах образуются устойчивые ассоциации — кварц-тальк-тремолит и кварц-кальцит-диопсид, в соответствии с чем первичные фосфатные структуры разрушаются и замещаются микрокристаллическим апатитом; при этом образуются кварц-апатитовые руды за счет кремнистых фосфоритов, не содержащих доломит, и кальцит-апатитовые руды за счет чисто карбонатных фосфоритов. В зоне, непосредственно контактирующей с гранитами, развиваются диопсид-апатитовые руды. Помимо этих минералов, присутствуют кальцит, флогопит, паргасит, флюорит и др. Апатит здесь представлен призматическими кристаллами размером 0,6—0,8 мм, имеющими несколько округленные как бы оплавленные грани, весьма схожие со слюдянскими.

Апатитовые руды Лаокайского бассейна во Вьетнаме, по А.Ф. Калмыкову, — обычные пластовые фосфориты геосинклинального типа, измененные в результате регионального метаморфизма и перекристаллизации морских осадков без какого-либо заметного перераспределения веществ в пространстве; при этом фосфат был превращен в тонкодисперсный апатит, глинистый материал в чешуйки мусковита; терригенный кварц и хемогенный карбонат тоже подверглись перекристаллизации и бластезу. Лаокайский бассейн по характеру строения фосфатной серии и масштабам фосфатонакопления аналогичен Каратаускому бассейну.

Стратиграфическая приуроченность и выдержанность апатитоносных горизонтов по простиранию, ритмичное строение мраморно-гнейсовой формации, парагенетические ассоциации минералов в апатитовых породах, а также насыщенность отдельных горизонтов гнейсов высокоглиноземистыми минералами и углеродом, обогащенность отдельных пачек мраморов графитом, отчетливая слоистость и согласное положение апатитоносных горизонтов, комплекс элементов-примесей, характерный для осадочных отложений, сходство минеральных ассоциаций и химического состава фосфоритов и их метаморфических аналогов (см. табл. 1) — все это в совокупности отражает свойственные осадочному литогенезу структурно-фациальные условия осадконакопления и фосфоритообразования в верхнем архее — нижнем протерозое, с одной стороны, а с другой — последующие изменения фосфоритоносных пород в результате метаморфических процессов, связанных с региональным метаморфизмом, магматической деятельностью и наложенным метаморфизмом. Апатитовые месторождения и проявления этого типа в целом сохраняют основные черты, свойственные фосфоритоносным отложениям. Это касается также и вопроса о распределении в них элементов-примесей.

Известно, что для фосфоритоносных формаций, независимо от их возраста и типа, характерна определенная группа элементов-примесей, прежде всего таких, как U, J, Sr, Th, Se, As, Cu, Pb, Zn, Mo, Cr, V, Mn, Ni, Fe, Co, В, Ga, и некоторые другие, включая редкие земли.

Проведенные нами исследования и литературные данные, обобщенные в табл. 2, указывают на существование близкого по составу спектра элементов-примесей и в апатитоносных (осадочно-метаморфических) формациях. Аналогичный характер распределения имеют и редкоземельные элементы (табл. 3).

Приведенный нами в табл. 1—3 фактический материал свидетельствует о том, что метаморфогенные апатитоносные формации наследуют геохимические черты, свойственные осадочным фосфоритоносным формациям, за счет которых они образовались.

Элементы-примеси, сорбируемые фосфатным веществом и входящие изоморфно в решетку фторапатита фосфоритов, присутствуют также в апатите первично-осадочных формаций докембрия (табл. 3). При деформациях зерен апатита под воздействием метаморфизма возможно выделение их из кристаллической решетки фторапатита и образование собственных минералов элементов-примесей (церийсодержащий минерал, редкоземельно-ториевый, состоящий из церия, неодима, лантана и тория и существенно ториевый с примесью церия и неодима) и концентрация их в микроструктурах апатита, как эго имеет место в апатитах из карбонатных пород архейского возраста.

Ряд элементов-примесей (Mn, Fe, Mo, Cr, В, Ag, Au и др.) концентрируются в минералах апатитосодержащих пород. Повышенные содержания этих элементов отмечаются повсеместно в апатитоносных метаморфизованных первично-осадочных формациях докембрия, отражая фациальную обстановку фосфатонакопления. Резкие отклонения в количественном содержании того или иного элемента-спутника часто зависят от геохимической специфики района или провинции. Так, в слюдянской апатитоносной серии Юго-Западного Прибайкалья присутствует хром в количествах больших (см. табл. 2), чем в других метаморфогенных апатитоносных формациях докембрия. Повышенное содержание хрома отмечается также для мел-палеогеновых зернистых фосфоритов Африки. Накопление свинца и цинка в больших количествах характерно для бассейна Малого Каратау, а резко повышенные содержания органики отмечены в рифейских фосфоритах Сангилена и пермских пластовых фосфоритах США. Все эти факты подтверждают преемственность основных геохимических черт фосфоритоносных формаций апатитоносными первично-осадочными метаморфогенными образованиями докембрия.

Изучение химического состава апатитов, на основе современных методов, особенно количественное содержание элементов-примесей и их распределение как в кристаллах апатита, так и в комплексе пород и минералов даст многое к пониманию генезиса осадочно-метаморфических апатитоносных формаций докембрия. С другой стороны, выявление апатитоносных осадочно-метаморфогенных формаций раннего докембрия в том или ином районе свидетельствует о следующем:

- о развитии морского осадконакопления в данном районе;

- об участии органики в процессах седиментогенеза (чем богаче осадочно-метаморфический комплекс фосфатом, тем больше органического вещества участвовало в этом процессе);

- о климатических условиях осадконакопления (поскольку фосфориты древних и более молодых геологических эпох формировались в основном в условиях низких широт).