Типы, состав и условия образования хромитового оруденения расслоенных раннепротерозойских интрузий Балтийского щита

Актуальность исследования. После распада СССР в России практически не осталось источников получения стратегически важного вида минерального сырья — хрома, потребность в котором покрывается за счет импорта из стран СНГ. Активные поиски хрома на Кольском полуострове привели к открытию месторождения Большая Варака и.

Сопчеозерского, в Республике Карелия — Аганозерского месторождения, которые в настоящее время имеют большое значение для экономики страны и народного хозяйства в целом. Месторождения хрома приурочены к раннепротерозойским расслоенным базит-ультрабазитовым интрузиям, широко распространены на всех докембрийских, включая Балтийский, щитах (Бушвельд, Скергаард, Великая Дайка, Стиллуотер и др.). Хромитовое оруденение в интрузиях находится на различных уровнях и связано с отличающимися по составу породами, в связи с этим возникает необходимость установления генетических особенностей рудообразования для последующего определения поисковых критериев на промышленнозначимые хромитовые руды. Качество хромитового оруденения в значительной степени зависит не только от условий генерации и состава материнских магм, но и от условий их дифференциации и кристаллизации. Наиболее информативным петрогенетическим индикатором для реконструкции условий хромитового рудообразования (температура, давление и фугитивность кислорода) и позднемагматического преобразования служат хромшпинелиды, слагающие рудную залежь и присутствующие практически во всех типах пород расслоенных серий интрузий.

Целью данной работы является исследование особенностей хромитового оруденения, состава рудообразующего и акцессорного хромита для решения следующих задач:

1. изучение хромитового оруденения и главной рудной фазы — хромита в Мончеплутоне с целью определения его положения в общей эволюции становления плутона;

2. определение типов хромитового оруденения в расслоенных интрузиях и массивах ультрабазитов путем сравнительного анализа хромитового оруденения и сопутствующей ему акцессорной минерализации;

3. восстановление условий образования (температура и фугитивность кислорода) и позднемагматического изменения отдельных рудных месторождений хрома и пород расслоенных интрузий.

Новизна исследования. Впервые выполнен сравнительный анализ хромитового л оруденения, пространственно и генетически связанного с раннепротерозойскими интрузиями базит-ультрабазитового состава центральной и восточной части Балтийского щита.

На основе изучения минеральных парагенезисов реконструированы условия образования (температура и фугитивность кислорода) и позднемагматического изменения отдельных рудных месторождений хрома и пород расслоенных серий раннепротерозойских базит-ультрабазитовых интрузий Балтийского щита.

Фактический материал и методы исследования.

Для выполнения поставленных задач использованы авторские и опубликованные материалы по следующим объектам, расположенным в пределах Балтийского щита: Мончеплутон (Сопчеозерское месторождение) — массив Большая Варака Умбареченско-Имандровского комплекса (м-ние Большая Варака) — Аганозерский и Шалозерско-Бураковский массивы Бураковского плутона (Аганозерское м-ние) — массивы комплекса Койллисмааа также интрузии Кеми (м-ние Кеми), Койтелайнен и Аканваара.

Главным объектом исследований является Сопчеозерское месторождение (Мончеплутон). Основная часть данных была получена в ходе научно-исследовательских работ, проведенных в период с 1998 по 2003 гг. сотрудниками Геологического института КНЦ РАН под руководством д.г.-м.н. В. Ф. Смолькина по теме «Глубинное строение, петрология и рудообразование Мончегорского рудного узла», в которых диссертант принимал личное участие, первоначально в качестве бакалавра и магистра, а затем аспиранта. С целью изучения строения рудной залежи и состава хромитовых руд выполнялась документация и опробование керна поисковых и разведочных скважин, а также отбор ориентированных образцов в разведочном карьере, в пределах которого была выполнена фотодокументация рудных объектов. Текстурно-структурные особенности руд и вмещающих пород, взаимоотношения между породообразующими и рудными фазами и их внутреннее строение изучались в полированных образцах, петрографических шлифах и аншлифах. Составы минералов исследовались рентгенно-спектральным анализом на микрозонде «Сашеса MS-46» в Геологическом институте КНЦ РАН (г. Апатиты), а также в исследовательском центре в г. Нанси (Франция). Часть исследований по микровключениям в минералах и пластическим деформациям оливина была выполнена диссертантом на кафедре Ягеланского университета в г. Краков (Польша).

Общий банк данных включает около 500 анализов главных породообразующих минералов и 1494 анализа хромшпинелидов, в том числе 612 авторских и 882 из опубликованных работ (Докучаева и др., 1980; Дистлер и др., 1988; Зайцева, 2002; Лавров и др., 1987; Рыбаков и др., 1999; Чистяков, 2000; Шарков и др., 2000; Alapieti et al., 1989, 1982; Alapieti, Lahtinen, 1986, 1989; Mutanen, 1996). Анализы хромшпинелидов распределены следующим образом: Мончеплутон — 165, Сопчеозерское месторождение -617- Умбареченско-Имандровский комплекс — 333, месторождение Большая Варака — 276- Бураковский плутон — 84, в том числе Аганозерский — 46 и Шалозерско-Бураковский — 38 массивыПадос (третий хромитовый горизонт) — 42- интрузия и месторождение Кеми -34- Пеникат — 19- Койтелайнен — 82- Аканваара — 33- Койллисмаа — 61. База данных содержит также анализы хромита и сосуществующих с ним силикатов из пород и руд интрузий Скергаард (Гренландия) (Перчук, 1971), Стиллуотер (Джексон, 1979) и Восточно-Печенгского рудного узла (Дистлер и др., 1988).

С использованием программы «Excel», все анализы пересчитаны на формульные количества и на основные коэффициенты, которые применялись при построении диаграмм в программе «Origin 6.0». Применялись различные диаграммы, основанные на разных принципах построения, в том числе Н. В. Павлова (1949), Т. Н. Ирвайна (1965) и В. Ф. Смолькина (1979, 1992). Используя статистические методы обработки (программа «Statistica 6.0»), были установлены некоторые закономерности в распределении примесных элементов в зависимости от содержания главных компонентов в хромитах изучаемых нами расслоенных интрузий.

Для характеристики температурного режима образования хромитового оруденения и пород расслоенных интрузий применялись двупироксеновые (Перчук, 1977, Мори, Грин, 1978) и оливин-шпинелевые (Jackson, 1969; Roeder et al., 1979; Fabries, 1979; Ballhaus et al., 1991; Чащухин и др., 1996) геотермометры. Для реконструкции окислительно-восстановительного режима (фугитивности кислорода) среды минералообразования использован оксибарометр Больхауза-Берри-Грина (Ballhaus et al., 1991).

Защищаемые положения:

1. В пределах Кольско-Лапландско-Карельской провинции Балтийского щита выделяются четыре типа хромитового оруденения, приуроченных к рудоносным интрузиям базит-ультрабазитов раннепротерозойского возраста: Сопчеозерский (высокохромистый, низкотитанистый, залегает в ультрабазитах Мончеплутона), Аганозерский (умереннохромистый, с повышенной титанистостью, приурочен к зоне переслаивания перидотитов и пироксенитов Бураковского плутона), Имандровский (феррохромитовый, связан с высокожелезистыми основными породами Умбареченско-Имандровского комплекса и интрузии Койтелайнен), и Падосский (метаморфизованный, в серпентинитах ортопироксенит-дунитового нотозерского комплекса). Выделенные типы месторождений относятся к раннемагматическим образованиям.

2. Хромитовое оруденение Сопчеозерского месторождения, слагающее пластово-линзовидную залежь в дунит-плагиогарцбургитах Дунитового блока Мончеплутона, характеризуется четко выраженной зональностью состава рудной фазы по простиранию и падению залежи, которая согласуется с изменением состава вмещающих пород и отражает первичную зональность становления Дунитового блока на раннемагматической стадии. На позднемагматической стадии породы и руды претерпели высокотемпературные локальные пластические деформа-ции, а руды — перекристаллизацию.

3. На основе изучения равновесных оливин-хромитовых парагенезисов и минерализации раннепротерозойских расслоенных массивов Балтийского щита установлено, что образование высококачественных хромитовых руд в ультрабазитовых частях интрузий происходило в закрытых расплавных системах с низкой фугитивностью кислорода (dlogf02 (QFM) = -4 — 0,7).

Теоретическая значимость исследования.

В работе рассмотрен ряд разработанных независимо друг от друга, основанных на различных исходных данных и широко используемых в петрологических построениях геотермометров. Обоснован выбор наиболее подходящих двупироксенового и оливин-хромитового геотермометров для реконструкции температурного режима становления пород расслоенных интрузий.

Практическая значимость исследования. Предложенные поисковые критерии могут повысить эффективность поисково-оценочных работ на хром в пределах изученной территории. В качестве благоприятных поисковых критериев выступают следующие результаты: выявленная для Сопчеозерского месторождения зональность рудной залежисоставы хромитов в разных типах интрузий и содержание в них элементов-примесейповышенная никеленосность оливинов, сосуществующих с хромитовыми фазами. Неблагоприятными факторами являются метаморфические преобразования рудной фазы, что сопровождается замещением ее магнетитом.

Публикации и апробация работы.

Результаты по теме диссертации опубликованы в 11 работах. Материалы работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых, посвященных памяти члена-корр. АН СССР, профессора К. О. Кратца с 2001 по 2005 г. г. В качестве аспиранта Мурманского ГТУ, принимал участие с устным докладом в студенческой научно-технической конференции в 2002 году (Диплом I степени) и во Всероссийской научно-технической конференции «Наука и образование» (г. Мурманск) в 2003 и 2004 г. г. Выступал с докладами на XXI Всероссийском семинаре и школе «Щелочной магматизм.

Земли" (г. Апатиты) в 2003 г. и на X Всероссийском петрографическом совещании (г. Апатиты) в 2005 г.

Благодарности.

Автор искренне благодарит за консультации и участие в обсуждении работы сотрудников Геологического института КНЦ РАН: д.г.-м.н. А. А. Арзамасцева, к.г.-м.н. Ж. А. Федотова, д.г.-м.н. Ю. Н. Нерадовского, д.г.-м.н. П. К. Скуфьина, д.г.-м.н. М. И. Дубровского. Особенно признателен коллегам, предоставившим необходимый аналитический материал д.г.-м.н. Т. В. Беляевой, д.г.-м.н. А. И. Чернышеву, к.г.-м.н. А. В. Чистякову, к.г.-м.н. Т. С. Зайцевой, М. и Д. Онненстеттер и М. Хуберу.

1. Хром — стратегический вид минерального сырья.

Элемент был открыт в 1797 г. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева он занимает место в её четвёртом периоде между ванадием и марганцем. Соседями хрома и его аналогами по положению в шестой группе периодической системы являются молибден, расположенный в её втором длинном периоде, и вольфрам — в третьем. Соседство в таблице Д. И. Менделеева и соответственно сходная электронная конфигурация оболочек атомов перечисленных элементов предопределяют близость их свойств и направлений промышленного использования.

В компактном виде элементы подгруппы хрома представляют собой серовато-белые блестящие металлы, главные их свойства приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Главные свойства элементов подгруппы хрома.

Свойства Сг Мо W.

Плотность, г/см 7,2 10,2 19,3.

Температура плавления, °С 1875 2615 3387.

Температура кипения, °С 2570 4830 5370.

Относительная электропроводность (Hg =1) 5 20 18.

По температуре плавления — 1875−1890°С (Гасик и др., 1999) — хром занимает десятое место (после ванадия) среди элементов периодической таблицы, но по распространённости намного превосходит практически все тугоплавкие металлы, включая вольфрам и молибден. Несколько иное положение с цирконием и титаном, которые по тугоплавкости лишь незначительно уступают хрому, но по распространённости превосходят его в 2 и 54 раза, соответственно.

Из руд Сг, Мо и W обычно выплавляют не чистые металлы, а их высокопроцентные сплавы с железом. Исходным материалом для приготовления феррохрома (не менее 60% Сг) является непосредственно хромит. Молибденит предварительно переводят в М0О3, исходя из которого, затем и готовят ферромолибден (не менее 55% Мо). Для получения ферровольфрама (65−80% W) могут служить бедные марганцем вольфрамиты.

Очень чистые металлы хорошо поддаются механической обработке, но уже следы примесей сообщают им твёрдость и хрупкость. Технический хром чрезвычайно твёрд. Молибден и вольфрам значительно мягче. По отношению к воздуху и воде Сг, Мо и W при обычных условиях вполне устойчивы. Их основным потребителем является металлургическая промышленность, где эти металлы используются в производстве специальных сталей.

По содержанию в земной коре хром (0.0083%) (Горная энциклопедия, 1991), молибден (0.0003%) и вольфрам (0.0006%) относятся к довольно распространенным элементам. Встречаются они исключительно в виде соединений. Из молибденовых руд наиболее важен минерал молибденит (M0S2), из руд вольфрама — минералы вольфрамит (xFeW04-yMnW04) и шеелит (CaW04). По распространённости в земной коре хром вместе с цинком занимают 20−21-е места среди всех открытых к настоящему времени элементовмежду ванадием (кларк — 0.009%) и никелем (0.0058%). Среднее содержание хрома в ультраосновных породах — 0.2% - значительно (в 24 раза) выше его кларка, что ещё раз подтверждает определённо установленную на практике повсеместную пространственную и генетическую связь месторождений хромитовых руд (хромитов) с массивами базит-ультрабазитов.

Основной рудой хрома является природный хромит — FeCr204, принадлежащий к минералам серии хромита шпинелевой группы. В 1944 г. Пэлач с соавторами подразделили группу шпинели на три серии: шпинели, магнетита и хромита, — в зависимости от того, какой из трехвалентных катионов — Al, Fe или Сг — преобладает в составе минерала (Дир и др., 1966). Структура минералов группы шпинели впервые была изучена в 1915 г. Брэггом и Нисикавой, которые показали, что в элементарной ячейке этих минералов содержится 32 иона кислорода и 24 катиона- 8 из них имеют четверную координацию (тетраэдрическая позиция), а 16 — шестерную (октаэдрическая позиция). В 1931 г. Барт и Посняк показали существование двух структурных типов шпинели, различающиеся распределением катионов между тетраэдрической и октаэдрической позицией, — нормальная и обратная шпинели. Нормальными шпинелями являются MgAb04 (шпинель), FeCr204 (хромит), MgCr204 (магно-хромит), Z11AI2O4 (ганит), FeAh04 (герцинит) и M11AI2O4 (галаксит), тогда как Fe2Ti04 (ульвошпинель) и FeFe204 (магнетит) имеют обратную структуру. Позднее был установлен третий (промежуточный) тип распределения катионов, в котором часть двухвалентных катионов находится в тетраэдрических позициях, а часть в октаэдрических. К типу со смешанной обращенностью относится магнезиоферрит — MgFe204 (Плаксенко, 1989). Природные хромшпинелиды характеризуются практически полностью упорядоченным распределением катионов (нормальный тип структуры). Существующие же в них отклонения от упорядоченности при полной идентичности составов объясняются, по мнению А. Н. Плаксенко (1989), различиями в температурном режиме их кристаллизации и вызваны, вероятнее всего, перераспределением в структуре хромшпинелидов катионов Mg, Fe2+ и Fe3+. Существование других разновидностей структур минералов шпинелевой группы проявляется в способности шпинелей образовывать твердые растворы.

10 переменного состава. В 70-ые годы на основе результатов изучения грунта лунных пород (Фрондел, 1978), кимберлитов (Гоньшакова и др., 1974) и интрузий печенгского комплекса (Смолькин, 1977) была установлена непрерывная серия хромшпинелидов твердых растворов переменного состава от герцинит-хромита до ульвошпинели и от хромита до титаномагнетита, позволившая предположить отсутствие разрыва в смесимости в системе MgAb04 — FeA^CU — FeCr204 — Fe2TiC>4 — FeFe204. Чистые конечные члены этих рядов редко встречаются в качестве природных минералов.

Выводы.

На основе реконструкций условий породои рудообразования, выполненных для раннепротерозойсуих расслоенных интрузий Балтийского щита, установлено следующее:

1. Кристаллизация пород интрузии Мончеплутон по мере снижения температуры происходила в следующем порядке: перидотит (1190°С) — пироксенит (1100°С) -габбронорит (1050°С). Интрузии Нярянкаваара (к-кс Койллисмаа): перидотит (1100°С) -бронзитит (1080°С) — габбронорит (970°С). Бураковский плутон: перидотит (1030°С) -габбронорит (960°С).

2. Значения равновесных температур образования хромититов постоянно выше значений, полученных для вмещающих ультраосновных пород.

3. Высокохромистые и низкожелезистые хромиты характеризуются минимальными значениями летучести кислорода (dlogfC^ (QFM) = -4 — 0,7). Железистые разности хромита образуются в более окислительных условиях (dlogfCh (QFM) = 1,4 -1,8).

4. В результате метаморфических постмагмагтических преобразований происходит перераспределение элементов между сосуществующими минералами, что приводит к занижению температурных оценок.

Заключение

.

В связи с распадом Советского Союза, Россия лишилась основных источников хрома — стратегически важного сырья для производства нержавеющей стали. Страна стала полностью зависеть от импорта, что способствовало активизации геологоразведочных работ на хром. Активные поиски хрома на Кольском полуострове привели к открытию месторождения Большая Варака и Сопчеозерского, в Республике Карелия — Аганозерского месторождения, благодаря этому в последнее десятилетие прирост запасов хромовых руд в России превышает их погашение. Месторождения хрома связаны с раннепротерозойскими расслоенными интрузиями базит-ультрабазитового состава, широко известными в пределах центральной и восточной частей Балтийского щита, к которым также приурочены месторождения и проявления сульфидных Cu-Ni, титаномагнетитовых и платинометальных руд. На Кольском полуострове наиболее хорошо изученными являются расслоенные интрузии г. Генеральская, Мончеплутон, Имандровская и Федерово-Панская, в Восточной Карелии — Бураковская, а в пределах Финляндии — Кеми, Пеникат, Койтелайнен и Аканваара, а также комплексы Портимо, Койллисмаа и Оуланка. Вблизи границы Швеции и Финляндии залегает расслоенная интрузия Куккола/Торнио. Промышленные залежи хромитовых руд известны в пределах интрузий: Мончеплутон (Сопчеозерское метсорождение), Бураковский плутон (Аганозерское м-ние), Умбареченско-Имандровский комплекс (Большая Варака) и Кеми (м-ние Кеми). Для решения вопросов генезиса хромитовых руд, а также определения поисковых критериев на промышленнозначимые руды выполнен сравнительный анализ хромитового оруденения, пространственно и генетически связанного с раннепротерозойскими интрузиями базит-ультрабазитового состава центральной и восточной части Балтийского щита.

Особое внимание в работе уделено недавно открытому Сопчеозерскому месторождению хромитов, залегающему в пределах так называемого Дунитового блока, который расположен в зоне сочленения меридиональной и широтной ветвей Мончеплутона. С целью определения положения оруденения в общей эволюции становления плутона, было выполнено изучение геологического положения и строения рудных тел, анализ рудных и акцессорных хромитов, а также прослежено изменение состава рудного хромита по простиранию рудной залежи и по разрезу отдельных рудных прослоев. В результате было установлено, что руды месторождения являются закономерным членом дифференциационного ряда в последовательности образования пород Мончеплутона и их состав четко зависит от состава вмещающих пород. В юго-восточной части Дунитового блока руды, ассоциирующие с дунитами, характеризуются.

140 более высокохромистым и высокомагнезиальным составом хромита, относительно хромитов северо-западной части рудной залежи, приуроченной к плагиодунитам и гарцбургитам. С учетом выше сказанного, а также увеличения общей мощности хромитовой залежи и повышения доли богатых руд с глубиной в юго-восточном направлении, можно утверждать что наиболее промышленнозначимые руды Сопчеозерского месторождения залегают на нижних горизонта и приурочены к собственно дунитам.

Литературные и авторские данные по положению оруденения в разрезе расслоенных интрузий Балтийского щита, качеству представленных в них руд и составу рудообразующих и акцессорных хромитов, связанных с различными по составу породами, позволили провести их сопоставление и выявить несколько различных типов оруденения. Было установлено, что обогащенные хромитом слои могут присутствовать на разных уровнях в разрезах интрузий и быть связанными с породами различного состава, но наиболее высокохромистые и низкожелезистые хромиты связаны с дунитами, которые слагают нижнюю ультрабазитовую часть интрузий, примером этого типа может служить Сопчеозерское месторождение Мончеплутона. Хромитовое оруденение, связанное с перидотитами и пироксенитами, как в месторождениях Кеми и Аганозерское (Бураковский плутон), содержит хромиты с меньшим содержанием хромита и представляет собой второй тип. К этому же типу отнесены хромититовые слои интрузии Пеникат. Третий тип характеризуется высоким содержанием железа в хромите, к нему относится месторождение Большая Варака Умбареченско-Имандровского комплекса и хромититовые слои интрузий Койтелайнен и Аканваара. Феррохромитовый состав оруденения полностью соответствует высокожелезистому составу вмещающих его пород. Высокожелезистый состав оруденения также может быть обусловлен наличием интенсивных метаморфических преобразований, изменивших первичный состав хромита. Влияние постмагматических процессов на изменение состава рудного хромита наиболее четко проявлено в хромитовых горизонтах массива Падос. Метаморфические изменения резко понизили качество руды — первоначально высокохромистые и высокомагнезиальные хромиты, близкие по составу сопчеозерским, были обогащены железом, за счет выноса хрома и магния. Таким образом, наиболее перспективными на металлургические сорта руд являются месторождения, относящиеся к первому типу, при условии отсутствия вторичных изменений.

Состав пород слагающих интрузию, а также вмещающих хромитовое оруденение, зависит не только от условий генерации и состава материнских магм, но и от условий их дифференциации и кристаллизации. Поэтому в работе были определены главные.

141 параметры среды минералообразования — это температурный и окислительно-восстановительный режимы, в которых проходило становление интрузий и рудообразование. На основе изучения минеральных парагенезисов с использованием различных геотермометров и фугометра, было установлено, что образование пород различных расслоенных интрузий и связанных с ними оруденений проходило при разных условиях. На основании полученных температурных данных был установлен ряд образования пород по мере снижения температуры, который полностью подтверждается рядом исследователей. Кристаллизация пород интрузии Мончеплутон по мере снижения температуры происходила в следующем порядке: перидотит (1190°С) — пироксенит (1100°С) — габбронорит (1050°С). Интрузии Нярянкаваара (к-кс Койллисмаа): перидотит (1100°С) — ортопироксенит (1080°С) — габбронорит (970°С). Бураковский плутон: перидотит (1030°С) — габбронорит (960°С).

Общей характерной чертой для хромититов является повышенные значения температур относительно значений, полученных для вмещающих их пород. Однозначно, это объяснить трудно, возможно это связано с различным масштабом диффузионного обмена между сосуществующими минералами в рудах и вмещающих породах, или объясняется более высокими скоростями остывания руд. Это требует дальнейшего изучения, возможно, с применением других методов температурных оценок.

Вычисленные значения фугитивности кислорода, характеризующие окислительный потенциал среды породои рудообразования, позволяют сделать вывод, что высокохромистые и низкожелезистые хромиты характеризуются минимальными значениями летучести кислорода (dlogf02 (QFM) = -4 — 0,7), а железистые разности хромита образуются в более окислительных условиях (dlogf02 (QFM) = 1,4 — 1,8). Общая черта для всех интрузий — это слабоокислительные условия формирования их пород и незначительное увеличение фугитивности кислорода по мере дифференциации и кристаллизации расплава.