Условия формирования борных минералов и генезис Дальнегорского боросиликатного месторождения

Актуальность исследования. Бор, химический элемент земной коры, дефицитный по распространенности, литофильный по распределению, по своим свойствам не имеет аналогов среди других элементов, ни с одним из них не входит в изоморфные смеси. Содержание бора в литосфере составляет, по А. П. Виноградову, 12 г/т, в гидросфере 4.6 г/т (Горбов, 1976; Николаева, 2009). В свободном виде бор в природе не встречается, однако, борные минералы распространены довольно широко на земной поверхности:

Важная роль борных минералов как источника бора, необходимого для развития многих областей человеческой деятельности (техники, атомной энергетики, медицины, сельского хозяйства), всегдавызывала у геологов большой интерес. Месторождения бора образуют три главных генетических и геолого-промышленных типа: галогенный, вулканогенно-осадочный и скарновый, который, в свою очередь, подразделяется на известковои магнезиально-скарновый подтипы. Ключевой задачей исследований месторождений бора является, реконструкцияусловий их образования, с учетом геологических и петролого-геохимических факторов, для решения вопросов, связанных с происхождением этих месторождений. Несмотря на многолетнюю историю изучения Дальнегорского боросиликатного месторождения и значительные усилия, направленные на исследование его геологиипетрологии и геохимиирешениеряда важных генетических вопросов, таких как роль магматизмав рудообразовании, условия и причины генерации итранспортировки рудных компонентов, конкретизация источников рудообразующих растворов, по-прежнему остаются дискуссионными. Это связано, прежде всего, с отсутствием единой методологической основы исследований, фрагментарностью проведенных разными авторами исследований, а также схематичностью существующих представлений о происхождении и геохимической миграции бора в эндои экзогенных процессах.

Работа отражает результаты комплексного разностороннего изучения борных ассоциаций и вмещающих их пород для уточнения данных о физико-химических параметрах минералообразования и обоснования авторской точки зрения на происхождение руд.

Представляется важным выяснить такие свойства минералов и их особенности, которые в совокупности с геологическими данными могли бы свидетельствовать об условиях и факторах, благоприятных для формирования практически значимого борного оруденения.

Одной из задач обнаружения новых металлоносных структур с богатым содержанием бора является выявление пространственно-временных закономерностей рудообразования на типовом объекте — Дальнегорском боросиликатном месторождении. При этом необходимо было учесть информацию об особенностях проявления геодинамических, металлогеническихт и палеогеохимических процессов, характеризующих условия функционирования уникальной рудообразующей системы и приближающих исследователя к пониманиюпричин концентрированного отложения бора в локальном пространственно-временном объёме.

Цель работы — выявить геохимические и физико-химические параметры формирования борной минерализации и вмещающих оруденение пород на Дальнегорском боросиликатном месторождении для выяснения закономерностей локализации сборных руд и построения модели их образования. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) обобщение литературного материала по геологии, изотопии, термобарогеохимии пород и их возраста- 2) сбор коллекции для детального изучения пород и борных минералов месторождения посредством петрографического, геохимического и минералогического исследования- 3) анализ распределения петрогенных и примесных элементов в главных разновидностях пород и слагающих их минералах- 4) изучение состава скарновых тел и анализ распределения в них редких элементов- 5) минералогические и термобарогеохимические исследования гранитоидов и борных минералов из различных ассоциаций месторождения для выявления особенностей состава и эволюции минералообразующей среды- 6) анализ полученных результатов для построения согласованной с геологическими данными физико-химической модели рудообразования.

Фактический материал и методы исследования. Основой диссертации послужили материалы, собранные автором и сотрудниками геммологической лаборатории ДВГИ ДВО РАН в период 2004 — 2010 г. г. в процессе целенаправленных полевых исследований на Дальнегорском боросиликатном месторождении. Часть материалов (коллекция H.A. Носенко) была любезно предоставлена автору В. А. Соляник, научным сотрудником Минералогического музея ДВГИ ДВО РАН. Основу работы составляют результаты геологоминералогических и термобарогеохимических исследований автора на площади Дальнегорского боросиликатного месторождения. Основные защищаемые положения сформулированы по результатам как полученным лично автором, так и в процессе анализа доступных литературных источников и фондовых материалов. Научные задачи исследования и основные подходы к их решению были определены совместно с научным руководителем академиком А. И. Ханчуком, к.г.-м.н. Б. Л. Залищаком, к.г.-м.н. В. А. Пахомовой.

В предлагаемой работе использовались ставшие уже традиционными для геологической науки методы — петрографический, химический, спектральный, рентгенофлуоресцентный, термобарогеохимический — главным образом криои термометрия в комплексе с современными методами локального исследования микрообъектов. Исследование первичных расплавных и газово-жидких включений в гранитах и газово-жидких включений в борных минералах Дальнегорского боросиликатного месторождения проведено автором, минеральных включенийк.г.-м.н. Н. С. Кармановым (ГИН СО РАН), к.г.-м.н. A.A. Карабцовым и н.с. Н. И. Екимовой (ДВГИ ДВО РАН). Для выявления элементов-примесей, микроэлементов, присутствующих в магматических породах, проводились рентгенофлуоресцентный и спектральный анализы. Для определения содержания бора и элементов-примесей в породообразующих и акцессорных минералах гранитоидов, магматических пород, скарнов использовался локальный элементный количественный микроанализ твердотельных образцов методом^ вторично-ионной масс-спектрометрии.

Разработка методологии исследования, изучение особенностей исследуемого объекта и сравнение полученных результатов с литературными данными по природным объектам и экспериментальными данными осуществлены лично автором.

Научная новизна. Впервые на единой методологической основе (методами ТБГХ) проведено изучение гидротермальных, метасоматических и магматических образований Дальнегорского боросиликатного месторождения.

Получены оригинальные сведения по температурам, качественному и количественному составу расплавов и растворов, из которых сформировались гранитоиды и борные минералы из различных минеральных ассоциаций месторождения.

На основании комплексного геохимического и физико-химического изучения гранитоидов установлено, что они могли быть источником энергии, но не являлись источником вещества при формировании месторождения.

На основании обобщения и анализа материалов по изотопии борных минералов продемонстрирована разноречивость в интерпретации результатов, и показано, что в изотопной геологии не всегда присутствуют доказательства объективности или независимый контроль получаемых выводов. Примером являются решения задач об источникахвещества, полученных, в частностис помощью стабильных изотопов легких элементов.

Впервые на основе изучения микроэлементного и изотопно-геохимического состава пород, особенностей распределения РЗЭ в породах и минералах" месторождения с учетом геологических данных и результатов термометрии предложена модель образования борной минерализации на изучаемом месторождении.

Практическая" значимость. Научные результаты, полученные автором на основе собственных данных и обобщенияогромного по объему аналитического материалагпо петрои геохимии, физико-химии, минералогии и изложенные в работе, рекомендуются к применению при изучении подобных объектов для решения, вопросов, касающихсягенезиса борного оруденения и его места, в эволюционном ряду образования пород на конкретных месторождениях. Методические, подходы, апробированные автором, могут быть использованы для разработки критериев прогнозирования и поисков месторождений в новых районах, при построении геолого-генетических моделей-бороносных объектов и создании интегральной модели рудообразования. Новаяинформация — об особенностях проявления геодинамических, металлогенических и палеогеохимических, процессов, характеризующих условия функционирования уникальной рудообразующей системы и объясняющих причины концентрированного отложения бора может стимулировать работы по переоценке известных месторождений.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XXII-ой Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2007), Vlll-ой Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), 6-ой международной конференции «Борные стекла, кристаллы и расплавы» (Япония, 2008), ХШ-ой международной конференции по термобарогеохимии и IV-ом симпозиуме APIFIS,.

Москва, 2008), Четвертой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2008), IV-ой научной конференции «Геммология» (Томск, 2009), XXIV Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2011). Всего опубликована 41 работ, из них по теме диссертации 33 работы (28 тезисов и 5 статей).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, введения и заключения, имеет общий объем 164 страницы, включающих 29 иллюстраций- 32 таблицы. В списке литературы 113 источников.

Благодарности: Диссертация выполнена в геммологической лаборатории ДВГИ ДВО РАН под руководством директора института, академика РАН А. И. Ханчука, при постоянных консультациях В. А. Пахомовой, которым автор выражает свою искреннюю благодарность за помощь в постановке задач исследования и всестороннюю поддержку на всех этапах работы. С чувством глубокой признательности автор будет помнить своего учителя Б. Л. Залищака, чьи идеи и дискуссии оказали влияние на выбор направления исследования. Кроме того, автор признателен к.г.-м.н. Л. Ф Симаненко, к.г.-м.н. В. П. Симаненко, д.г.-м.н. Г. А. Валуй, д.г.-м.н. В. Г. Гоневчуку, к.г.-м.н. Б. И. Семеняку, к.г.-м.н. Г. С. Риппу за терпение, проявленное в процессе консультаций и за критические замечания, высказанные во время предварительного рассмотренияработы. Автор благодарит С. З. Смирнова. за помощь в освоении, и проведении аналитического, исследования' на KP-спектрометре. За своевременное и оперативное предоставление анализов выражаю искреннюю благодарность к.г.-м.н. Н. С. Карманову, к.г.-м.н. A.A. Карабцову, к.ф.н. П. П. Сафронову, к.г.-м.н. С. Г. Симакину, к.х.н. Н. М. Лапташ, к.х.н. Л. Н. Куриленко, н.с. Н. В. Зарубиной. Аналитические работы в лабораторияхДВГИ выполнены Т. К. Бабовой, Л. И. Азаровой, З. С. Сеченской В.И. к.г.-м.н. Ноздрачевым Е. А., к.б.н. Блохиным М. Г., Каминской В. Н., Горбач Г. А., Хуркало Н. В. Активное участие в диагностике минеральных фаз и анализа состава включений посредством микрозондового анализа принимала вед. технолог Н. И. Екимова. За разделение тягот полевых работ при сборе материалов автор благодарен В. Б. Тишкиной, Ю. А. Шабановой, В. А. Камынину, Д. Г. Федосееву, С. Ю. Буравлевой, С. Ю. Жарченко. Всем вышеназванным коллегам и наставникам автор выражает свою искреннюю благодарность.

Основные защищаемые положения:

1. Эоценовый гранитоидный интрузив боросиликатного месторождения являлся источником тепловой энергии для образования скарнов. Оценка рудогенерирующей способности гранитной магмы (не более 3.5% Н20), свидетельствует о том, что интрузив не являлся источником бора при формировании месторождения. Р-Т параметры образования первичных расплавов, родоначальных для гранитоидов Дальнегорского массива, составляют 800−850 °С и 65−90 МПа. Свойства первичных расплавов и петрохимические признаки гранитоидов свидетельствуют о формировании интрузива в обстановке, типичной для образований зон скольжения литосферных плит.

2. Формирование боросиликатных минералов в скарнах является результатом первичного накопления бора в известняках (бораты) и его последующей мобилизации и переотложения в процессе гидротермально-метасоматической деятельности в виде датолита, данбурита и аксинита.

3. Борные минералы месторождения образовались в температурном интервале 450−180 °С и давлении 50−10 МПа из хлоридных растворов слабой щелочности, при низкой концентрации С02. Максимальные значения концентрации раствора достигали 26 мас.% экв. ИаС! и понижались до 1.4 мас.% экв. ЫаС! по мере снижения температуры.

Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Магмы, производными которых являются граниты Дальнегорского месторождения, являются гранитоидами эоценового возраста, принадлежат к ильменитовой серии и обладают внутриплитными, субдукционными и коллизионными геохимическими признаками. Гранитный массив сформировался при температуре 800−850°С и давлении 65−90 МПа из маловодных (не более 3.5% НгО) магматических расплавов кислого состава. Возрастные датировки, геохимическая типизация, маловодность массива гранитоидов указывают на. их образование в зоне скольжения литосферных плит.

2. В породообразующих минералах дальнегорских гранитоидов изучен характер распределения рудного элементов, где отмечаются низкие содержание бора в роговой обманке (8.14 ррт), в калиевом полевом шпате (9.4 ррт) и в плагиоклазе (3.89 ррт), что может свидетельствовать об отсутствии генетической связи массива с месторождением.

3. Датолитовое, датолит-данбуритовое и аксинит-датолитовое оруденение формировалось в инфильтрационных скарнах, оно приурочено к толщам средне-верхнетриасовых рифогенных известняков, которые представляют собой осадочные «шапки» гайотов. Оруденение является наложенным на скарны, концентрация его зависит от степени изменения скарнов и уменьшается на глубину. Волластонит отлагается при взаимодействии растворов повышенной щелочностис падением щелочности отлагается геденбергит, образование датолита соответствует менее щелочной среде.

4. Размещение рудных тел не конформно метасоматической зональности, а разломы и зоны трещиноватости не согласуются с направлением простирания рудных тел, пересекая известняки и рудные тела почти под прямым углом. Характер рудных тел определяется первичным строением и составом горизонтов известняков, а скарновый процесс не является определяющим в локализации борного оруденения.

5. В осадочных породахДальнегорского района выявлены высокие содержания бора, при этом в аргиллитах, расположенных в непосредственной близости от боросиликатного месторождения, наблюдается пониженная концентрация бора, что может служить косвенным признаком ремобилизации бора из осадочных отложений. Еще одним признаком экзогенной природы бора служат высокие содержания бора в золе всех растительных видов Дальнегорского месторождения.

6. Анализы изотопных данных известняков (б180, 513С), не претерпевших изменений, соответствуют морским карбонатам. Известняки района представляют собой «шапки» более древних, чем в океане, палеозойских и мезозойских гайотов (Ханчук и др., 1989), а присутствие скарнов с борной и полиметаллической минерализацией свидетельствует о существовании в триасе мелководных, периодически пересыхающих лагун. Исходя из этого, можно предположить, что образование борной минерализации связано с диагенезом борсодержащих осадков морских бассейнов, отлагавшихся на стадиях галогенеза.

7. Внедрение гранитоидной интрузии и даек обеспечили длительный прогрев вмещающих пород и создали благоприятные температурные условия для метасоматоза. Дайки, расположенные в центре боросиликатного месторождения, не принадлежат к породам щелочной серии, были изменены при взаимодействии с рудоносными породами, так же, как и граниты, они не являются источником бора.

8. Воздействию флюидов подвергались преимущественно известняки, что приводит к предположению о том, что они являются источником подавляющей части бора, в форме кальциевых-боратов, а более поздняя интрузия и связанные с ней постмагматические процессы выполняли роль источника тепловой энергии для ремобилизации бора, образования скарнов и возникновения боросиликатов, типичных для эндогенных процессов.

9. Проведенный нами обзор опубликованных изотопных определений позволил установить, что близкие и сопоставимые данные по изотопному составу интерпретируются как индикатор мантийного или осадочного происхождения бора и что в изотопных характеристиках борных минералов не зафиксировано никаких устойчивых корреляций ни с типом минерализации, ни с генетическим типом месторождения.

10. По результатам исследований физических (показатель преломление, теплопроводность, удельный вес, цвет, ультрафиолетовое излучение) и химических (состав) свойств боросиликатов месторождения установлено, что свойства обсуждаемых минералов по соответствующим параметрам близки к теоретическим.

11. Исследована природа окраски аксинита и датолита месторождения. Окраска аксинита связана с присутствием элементов-хромофоров и механическими примесями и является агрегативной. Окраска датолита по природе относится к дефектной и вызвана изоморфными примесями. Определена группа «ответственных» элементов — Ре, Си, V, «Л и Мп.

12. Установлены типоморфные особенности борных минералов Дальнегорского месторождения. Высокая марганцовистость аксинита указывает на образование основной массы борного оруденения при средней активности бора. Отсутствие турмалина (силико-(З)-борат) на месторождении' и принадлежность датолита, данбурита, аксинита к силико-(4)-боратам свидетельствуют об образовании минералов в щелочных условиях. При сопоставлении геохимических характеристик борных минералов с магматитами месторождения выявлена их несопоставимость, что свидетельствует о немантийном источнике рудного вещества.

12. Состав растворов, формировавших датолитовое оруденение в скарновой залежи, изменялся во времени и пространстве. Концентрация растворов колеблется несущественно и заметно снижается только в период консервации вторичных включений, где также происходят изменения в составе солевой системы, что указывает на пульсационный режим гидротермального процесса, после кристаллизации-датолитового оруденения-(поступление новых порций гидротермальных растворов с более низкими температурами).

11. Установлено, что все борные минералы месторождения образовались при участии хлоридных борсодержащих. растворов слабой щелочности с невысоким содержанием углекислоты. Бор присутствует во включениях, предположительно, в форме боратов. Датолит с основной массой скарновых минералов второго этапа формируется при температуре 390−310 °С и отлагается вплоть до 180 °C. В температурном интервале 450−350°С формируется аксинит. Близодновременно с ними возникают скопления данбурита.

12. Физико-химические исследования гранитного массива' показали идентичность состава постмагматических растворов (вторичных для кварцевых вкрапленников гранитоидов) составам растворов, законсервированных в первичных включениях борных минералов, что свидетельствует о непосредственном участии гидротермальных растворов в ремобилизации бора и образовании борных минералов месторождения. Растворы постмагматической стадии представлены преимущественно хлоридами средней концентрации с незначительными вариациями температур.

13. Применение метода термобарогеохимии позволило установить последовательность захвата флюидных включений в кварце гранитов и в минералах различных минеральных ассоциаций борного месторождения, реконструировать по флюидным включениям такие параметры, как температура, соленость, водосодержание магматических флюидов и палеогидротерм.

Сопоставление термобарогеохимических характеристик гидротермальных растворов и флюидов, сопровождающих формирование интрузиипоказало отсутствие, признаков^ указывающих на. возможность признания генетической связи борного орудененияс гранитоидным магматизмомИдентичность: составарастворов вторичных включений в породообразующем кварце интрузиии первичных включений в минералах, борных ассоциацийявляется прямым указанием на совпадение путей движения магматических и гидротермальных продуктов глубинногоисточника.

При взаимодействии гидротермальных растворов с известнякамипрогретыми процессе внедрения интрузивного тела, образовывались известковые скарны месторождениям Вэтот процесс могут вовлекаться нагретые в околоинтрузивной зоне метеорные воды. Возрастающее количество метеорной воды, в гидротермальном растворе при образовании" скарновфиксируетсяоблегченным изотопным составом кислорода кальцитаизскарновой залежи: Сам-интрузив, являясь источникомтепловой энергиисоздает вокруг себя термоградиентное полепод влиянием которого происходит закономерное перераспределение рудных компонентов.

Борное оруденение Дальнегорского боросиликатного месторождения генетически не связано с гранитной интрузией и маркирующими центр боросиликатного месторождения дайками. Однако их внедрение явилось положительным фактором в формировании' скарнови отложении борных минералов приремобилизации бора из лагунных отложений, при поступлении в зону скарнированиягидротерммагматического происхождения, возникших в процессе активизации контрастного магматизма.

Изучение пород месторождения и их особенностей в совокупности с геологическими данными позволяют сделать вывод об условиях и факторах, благоприятных для формирования практически значимого борного оруденения. Таким образом, для формирования крупного скарново-боросиликатного месторождения важное значение имеет вещественно-геохимический факторналичие борсодержащих известняков, которые по нашим представлениям, являются источником бора. Ведущую роль в образовании борного оруденения играют геодинамические факторы. Известняки, обогащенные бором, были вовлечены в эндогенные процессы в тектонически-активной зоне. Магматическая деятельность, в результате активизации которой был обеспечен источник тепловой энергии для ремобилизации бора, создала условия для образования скарнов и отложения борных минералов. Положительная роль дальнегорских гранитоидов проявилась в растворении первичных боратов, ремобилизации бора и переотложении их в виде боросиликатов, типичных для эндогенных процессов благодаря высоким содержаниям К20 и № 20.

Триас.

РаННИЙ мел гайот с известняковой вне масштаба.

Информация об особенностях проявления геодинамических, металлогенических и палеогеохимических процессов, характеризующих условия функционирования уникальной рудообразующей системы и объясняющих причины концентрированного отложения бора, может дать дополнительные возможности прогнозно-металлогенической оценки рудных районов или переоценки известных месторождений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.