24.03.2021

Малые элементы в качестве индикаторов первичной природы, метаморфических пород и руд


В последние годы в трудах многих ученых развивается идея использования малых элементов в качестве индикаторов первичной природы метаморфических пород и рудных концентраций. Например, такие элементы, как Ge и Te, использовались для выяснения условий происхождения соответственно железорудных и марганцеворудных концентраций.

В значительной степени неясными остаются вопросы распределения малых элементов на фациальных профилях осадочных и рудонакопляющих бассейнов, их устойчивости в широком диапазоне термодинамических параметров от зеленосланцевой до гранулитовой фаций метаморфизма. Для этой цели нами был выбран ряд железорудных бассейнов, характеризующихся как разнообразием типов рудовмещающих пород (от обломочных до карбонатных со всеми переходными разностями), возрастом (от архея до верхнего палеозоя), так и составом минералов железа: а) — верхнепалеозойские железо-марганцевые, преимущественно окисные руды Джаильминской мульды в Центральном Казахстане, рудные концентрации которой залегают как в обломочных (месторождения Джезды, Жаксы-Котр, Клыч), так и в карбонатных (месторождения Найзатас, Каражал, Ушкатын) породах; б) — рифейские сидеритовые руды Бакальской группы месторождений, залегающие в глинисто-карбонатных породах; в) — нижнепротерозойские джеспилиты Кривого рога; г) — архейские магнетитовые кварциты Анабарского щита, залегающие в гиперстеновых плагиогнейсах. Этот ряд железорудных бассейнов характеризуется повышением степени метаморфизма рудовмещающих пород от практически неметаморфизованных через зеленосланцевую и амфиболитовую к гранулитовой фации метаморфизма. Для каждого из бассейнов по литофациальному профилю от древней береговой зоны "в глубь моря" отобраны и проанализированы на малые элементы все типы пород. Из каждой разновидности пород было проанализировано от трех до 15 образцов. Малые элементы были определены количественным спектральным анализом в Бронницкой геолого-геохимической экспедиции ИМГРЭ. Из всего многообразия малых элементов большой интерес представляют германий, индикаторные возможности которого при определении генезиса железорудных концентраций были показаны В.М. Григорьевым, и цирконий, об устойчивости которого в широком диапазоне P-T условий есть отрывочные сведения.

Среднее содержание германия в земной коре составляет 1,4 г/т. По данным ряда авторов, содержание его в различных типах горных пород составляет (в г/т): изверженные горные породы — 1—1,5, песчаники — 1,1, алевролиты — 1,7, глинистые породы — 2, карбонатные породы — 0,25. Минералы-концентраторы германия — магнетит и в меньшей степени гематит и окислы марганца. Максимально обогащены германием магнетиты из вулканогенно-осадочных месторождений железа. Содержание германия в магнетитах различных типов изверженных горных пород колеблется в пределах 1—1,5 г/т, т. е. соответствует средним для изверженных горных пород. В магнетитах из месторождений гематит-магнетитовых руд в вулканогенно-осадочных толщах оно поднимается до 27 г/т и выше. Повышенным, по сравнению со средним, содержанием германия обладают магнетиты из месторождений железистых кварцитов. Среднее содержание германия в магнетитах из 31 месторождения железистых кварцитов России составило 5,48 г/т. Это позволило сделать вывод о вулканогенно-осадочном генезисе ряда месторождений железистых кварцитов. В литературе встречаются отрывочные сведения о геохимической инертности германия в термодинамических условиях, включая амфиболитовую фацию метаморфизма. Неясным остается вопрос о его устойчивости и информативности в породах гранулитовой фации.

Для выяснения характера распределения германия на литолого-фациальном профиле железорудных бассейнов в системе координат тип породы — содержание германия построены графики распределения (рис. 1). В бассейнах обломочно-карбонатного профиля типа Джаильминской мульды в Центральном Казахстане максимум германия приходится на окисные железные и марганцевые руды. Причем руды могут залегать как в карбонатных (месторождение Каражал, Ушкатын), так и в обломочных (месторождение Джезды и др.) породах. Типичных глинистых пород и сланцев на профиле нет, глинистые известняки и тонкое переслаивание глинистых сланцев и известняков характеризуются промежуточным между глинами и известняками содержанием германия (1,2 г/т). На литолого-фациальном профиле карбонатонакопляющих бассейнов с широким развитием глинистых сланцев (Бакальская группа месторождений) он накапливается в пачках глинистых пород. Кривые распределения германия обоих типов рудонакопляющих бассейнов характеризуются узкими максимумами и несимметричностью. Последняя вызвана редуцированностью обломочного и широким развитием карбонатного крыльев профилей.

Литолого-фациальный профиль железорудного бассейна терригенного типа осадко-накопления показан (см. рис. 1) на примере Криворожского бассейна. Он характеризуется широким, довольно симметричным максимумом содержания Ge. Это вызвано тем, что железистые кварциты подстилаются и перекрываются биотитовыми, куммингтонитовыми сланцами, также обогащенными германием. В них, как и в развитых выше по разрезу углисто-глинисто-карбонатных породах, повышенные содержания германия связаны как с окисными минералами железа, так и с глинистой компонентой пород.

Для оценки возможности связи содержаний германия с глинистыми минералами нами проведено сопоставление содержаний Ge с Fe+2, Al + Feобщ и Na+К (рис. 2) в сидеритах и глинистых сланцах с прослоями сидеритов. На графике отмечается отсутствие корреляции германия с Fe+2 и четкая его связь с Al+ Feобщ и Na+К. Это говорит о том, что германий ассоциируется не с сидеритом, как следовало бы ожидать, а с глинистыми минералами. Таким образом, характер распределения германия на литолого-фациальном профиле железорудных бассейнов определяется преобладающим типом отложений и минералогической формой железа.

По данным ряда авторов, Ge связан не с собственно вулканическими породами, а с жидкими и газообразными дериватами магмы — с вулканическими гидротермами и эксгалятами, зачастую значительно оторванными во времени и пространстве от вулканического очага. Это обстоятельство зачастую маскирует генетическую природу продуктов их осаждения и является предметом оживленных дискуссий о вулканогенном или осадочном генезисе различных рудных и нерудных концентраций.

Например, в вулканических газах вулкана Шова-Шинзан содержится 0,01 мг германия на 1000 л газа, в фумарольных возгонах — до 50 г/т. Термальные воды Камчатки содержат от 1 до 25 мг/л германия, термальные источники Стимбот Спрингс и Норис (США) — до 40 г/л. В высокоминерализованных горячих водах скважины Ниланда (Южная Калифорния, США) определено содержание германия в 100 г/т наряду с повышенными содержаниями свинца, меди, серебра, мышьяка, висмута, олова и других элементов. Известные в Кривом Роге амфиболиты и продукты изменения ультраосновных пород характеризуются содержаниями на уровне средних для магматических пород — соответственно 1,6 и 1,45 г/т Ge. Как правило, вулканические породы, залегающие в толще с обогащенными германием железистымии Кварцитами, содержат германий на кларковом уровне. В отдельных случаях отмечаются сверхкларковые количества германия и в вулканических породах: девонские эффузивы Джаильминской мульды и их туфы содержат от 4 до 8 г/т, пеплы вулканов Агунг (о-ва Бали, Индонезия), Везувий (Италия), лапилли вулкана Авачинский (Камчатка) — порядка 2 г/т Ge. Причем повышенными по сравнению с кларковыми содержаниями германия характеризуются как основные, так и кислые разновидности вулканических пород. Как было отмечено выше, железистые кварциты и гематит-магнетитовые руды, залегающие в вулаканогенно-осадочных толщах, характеризуются резко повышенными содержаниями германия. Это позволило выделить генетический тип вулканогенно-осадочных месторождений железных руд. Следует заметить лишь, что повышенные содержания германия в железистых кварцитах могут рассматриваться как признак вулканогенно-осадочного их генезиса лишь в совокупности с геологическими, минералогическими, геохимическими и другими критериями.

Степень метаморфических преобразований пород вышеприведенных железорудных бассейнов не превышает амфиболитовой фации метаморфизма. Для сравнения привлечены содержания германия в магнетитовых кварцитах, магнетитовых кристаллических сланцах и вмещающих их метаморфических породах гранулитовой фации Анабарского кристаллического щита (далдынская, анабарская серии; рудопроявления рек Алы-Юрек и Далдын). Магнетитсодержащие породы здесь залегают в виде согласных маломощных прослоев и линз в толще полосчатых гиперстеновых плагиогнейсов и гнейсов, вмещающих пласты и пачки гнейсов с гранатом, основных кристаллических сланцев и амфиболитов, реже кварцитов, гранулитов, мраморов и кальцифиров. В разрезе толщи наблюдается большое количество мелких линз ультрабазитов.

В табл. 1 приведены содержания германия (г/т) в магнетитсодержащих и вмещающих их породах четырех железорудных бассейнов, отличающихся по возрасту, по преобладающему типу рудовмещающих пород и характеру метаморфизма пород и руд. Табл. 1 составлена таким образом, что неметаморфизованные и слабо метаморфизованные породы железорудных бассейнов Казахстана, Бакала и Кривого Рога рассматриваются как возможные аналоги метаморфических пород и магнетитовых кварцитов Анабарского щита. Сравнивая содержания германия, приведенные в табл. 1, видно, что заведомо слабо метаморфизованные и метаморфические эквиваленты пород хорошо сопоставляются между собой. Например, мраморы и кальцифиры коррелируются с глинистыми и глинисто-карбонатными породами, основные кристаллические сланцы и пироксен-амфиболовые породы — с ортоамфиболитами, пироксеновые породы (ультрабазиты) — с тальк-актинолитовыми сланцами, магнетитовые кварциты — с железистыми кварцитами гематит-магнетитового (но не карбонатного) состава. Кварциты и гранулиты могут быть эквивалентами кварцевых и аркозовых песчаников, хотя не исключена первично-хемогенная природа кварцитов и образование гранулитов за счет кислых вулканических пород. Гиперстеновые плагиогнейсы и гнейсы с гранатом по содержанию германия сопоставимы с обломочными породами соответственно с полимиктовыми песчаниками и глинистыми породами. Ho в этот диапазон содержаний германия попадают и практически все магматические породы, поэтому более вероятна гетерогенная природа толщи гиперстеновых плагиогнейсов (эндербитов) и в целом вулканогенно-осадочный ее характер.

Вышеприведенный материал по содержанию германия в породах различных фаций метаморфизма приводит к важному выводу о том, что он малоподвижен в широком диапазоне термодинамических условий, включая гранулитовую фацию метаморфизма, и может служить в комплексе с другими признаками индикатором первичной природы метаморфических пород. Наиболее наглядно это положение подтверждается при сравнении содержаний германия в различных типах магнетитсодержащих пород. Все они, независимо от степени метаморфизма, содержат повышенные и вполне сопоставимые количества германия. Аналогично слабо метаморфизованные карбонатные и глинисто-карбонатные породы по содержанию германия сопоставимы с мраморами и кальцифирами.

Сравнивая содержание германия в сидеритовых рудах Бакальской группы месторождений и в железистых кварцитах, например Кривого Рога, приходишь к выводу о более вероятной окисной природе первичных минералов железа железистых кварцитов. С позиций карбонатной природы железорудных концентраций трудно объяснить разницу на порядок и более в содержании германия в сидерите и магнетите. Минеральный переход сидерит — магнетит при метаморфических преобразованиях карбонатов железа привел бы к увеличению содержания германия в породе за счет относительного увеличения доли железа не более чем на одну треть исходного количества, но и не на порядок и более (см. табл. 1).

Резюмируя вышеприведенные данные по содержанию германия, можно сделать вывод о возможности использования его количеств в метаморфических породах в качестве индикаторных при восстановлении их первичной природы — в комплексе с другими применяемыми методиками.

На этом же материале не менее интересно рассмотреть изменение содержаний циркония. В основной своей массе он содержится в акцессорном минерале цирконе, в меньших количествах — в титаномагнетите, ильмените, сфене, пирохлоре. Циркон широко распространен во всех типах горных пород и обладает большой сопротивляемостью агентам выветривания. По химическим свойствам цирконий относится к инертным элементам и практически неподвижен в условиях водной миграции. Находки окатанного циркона в глубокометаморфизованных породах помогают определить их первичную обломочную природу. Сведения о содержаниях циркония в различных типах метаморфических пород крайне отрывочны. Есть основания предполагать, что цирконий так же, как и германий, может оказаться достаточно информативным при определении природы метаморфических пород.

Среднее содержание циркония в земной коре оценивается в 0,016—0,017%: его количества в различных типах изверженных и осадочных горных пород в значительной степени перекрывают друг друга (в %): ультраосновные — 0,003, основные — 0,010, средние — 0,026, кислые породы — 0,020, нефелиновые сиениты — 0,050, сланцы и глины — 0,016, песчаники — 0,022, карбонатные породы — 0,0019.

На литолого-фациальном профиле железорудных бассейнов (см. рис. 1) распределение циркония характеризуется постепенным снижением содержаний от древнего берега в зону открытого моря, от обломочных пород к карбонатным. На фоне общего снижения содержаний циркония выделяются четкие минимумы, отвечающие железным рудам, среди каких бы пород они не залегали.

Таким образом, минимальными содержаниями циркония обладают карбонатные породы и железные руды. Оба типа отложений содержат малые количества акцессорного циркона, что говорит о незначительной доле участия обломочного материала в их формировании. При увеличении содержания обломочного материала в карбонатных отложениях — в песчанистых известняках и углисто-глинисто-карбонатных породах — количество циркония резко возрастает. Низкие содержания его в железистых кварцитах говорят о незначительном участии обломочного материала в их формировании.

Характерно, что низкими сопоставимыми содержаниями циркония характеризуются карбонатные породы и железные руды широкого возрастного диапазона от архея до верхнего палеозоя различных парагенетических ассоциаций рудовмещающих пород, измененных в термодинамических условиях от катагенеза до гранулитовой фации метаморфизма включительно. Это дает основание говорить о том, что цирконий, как и германий, геохимически инертен при метаморфических преобразованиях и может использоваться при реставрировании первичного состава метаморфических пород, включая гранулиты (табл. 2). Например, по содержаниям циркония значительно более наглядно, чем по германию, магнетитсодержащие основные кристаллические сланцы резко отличаются от железистых кварцитов. Можно прийти к заключению, что генетически это совершенно различные породы. Магнетитсодержащие кристаллические сланцы по содержанию как германия, так и циркония близки к средним магматическим породам, а железистые кварциты (цирконию) — к хемогенным.

Несмотря на малопредставительный материал по ультрабазитам, тальк-актинолитовые сланцы Кривого Рога сопоставляются с ультрабазитовыми дайками Анабарского щита, основные кристаллические сланцы и пироксен-амфиболовые породы Анабарского щита — с ортоамфиболитами Кривого Рога. По содержаниям циркония они соответствуют кларкам циркония соответственно в ультраосновных и основных породах.

Менее определенна расшифровка трех верхних групп метаморфических пород (см. табл. 2). В целом по содержаниям циркония они сопоставляются с группами неметаморфизованных пород, намеченными выше по содержаниям германия. В целом эти содержания ниже, чем для осадочных пород и средне-кислых эффузивов, но выше, чем для основных магматических пород. Наиболее вероятна гетерогенная вулканогенно-осадочная природа толщи гиперстеновых плагиогнейсов и основной состав продуктов вулканической деятельности, сопровождавшей накопление глин и граувакк основного состава. Следует отметить также, что маловероятно образование гранулитов за счет кислых вулканических пород и более вероятна обломочная (аркозы) или хемогенная их природа.

Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод о возможности использования содержаний германия и циркония в метаморфических породах в качестве элементов-индикаторов при восстановлении их первичной природы в комплексе с другими применяемыми методиками. Следует оговориться, что при всех проводимых сопоставлениях необходимо пользоваться не единичными анализами малых элементов, а иметь для каждого типа породы достаточно представительные выборки (около пяти проб).





Яндекс.Метрика