Генезис и флюидный режим формирования рудно-магматической системы Шибановского рудного узла

Актуальность исследования. Проблемы генезиса и металлогенической специализации магматических пород всегда вызывали особый интерес ученых и геологов-практиков. В решении этих проблем специалисты приходят к разным выводам. Одни предполагают что металлогенические особенности магматических ассоциаций (комплексов) определяются спецификой процессов магмообразования, происходящих в нижних частях коры и в мантии, другие считают, что рудоносные магматические комплексы формируются в заключительные стадии эволюции интрузивных серий (одновременно с внедрением послегранитовых даек), а их геохимическая и металлогеническая специализация зависит в основном от содержания полезных компонентов во вмещающих породах.

Одним из ключевых моментов в решении этих проблем является комплексное изучение объектов — рудно-магматических систем (РМС) — в которых связь процессов магматизма и рудообразования не вызывает сомнения. К таковым, несомненно, относятся системы, рудообразование которых проявляется на магматической (акцессории, миаролы и пегматиты) и ранней постмагматической (грейзены и кварц-полевошпатовые жилы) стадиях эволюции.

Автором для исследования выбран Шибановский рудный узел, являющийся частью Марьяновского рудного района, Арсеньевской металлогенической зоны Приморья. Выбор объекта был обусловлен присутствием в нём указанного выше сообщества магматических и рудных образований, а также наличием россыпи, в которой наряду с главным рудным минералом — касситеритом, присутствуют минералы — концентраторы редкоземельных элементов (РЗЭ), источник которых однозначно не установлен.

Цель и задачи исследования

Основная цель исследования — построение геолого-генетической модели Шибановской РМС, продуцирующую Sn-W и редкоземельную минерализации.

Для достижения этой цели предусматривалось решение следующих задач:

1 — петрографическое и петрохимическое изучение магматических пород Шибановского рудного узла.

2 — установление возрастных взаимоотношений магматических пород (гранитов, пегматитов и сиенитов) и сопровождающих их рудных образований.

VmaV U’tV’t" ч «I ' *М'1> >ti «(г.

• 1 il4 Slf^ih.

In ,¦", f t к у,.

— ny'>V, r, iy, h V, M’jUi fW 1 I.

I i? V A.

I vir' h’I VI .41, m ti1.

3 — изучение распределения профилирующих рудных и редких элементов в магматических породах и слагающих их минералах.

4 — определение температуры, давления, солевого состава включений в гранитах, пегматитах, сиенитах, а также постмагматических образованиях.

5 — уточнение возраста магматических пород Шибановского массива.

6 — на основании полученных данных построить модель формирования РМС Шибановского рудного узла, отражающую главные особенности его магматических и рудных образований.

Объект исследования. Объектом для решения перечисленных задач выбран Шибановский рудный узел, включающий Верхне-Шибановское рудопроявление и Западно — и Восточно-Шибановское россыпные поля (Приморский край), а также поля пегматитов в пределах Шибановского массива. Выбор обусловлен, с одной стороны, слабой изученностью объекта исследований, с другой — его неординарностью, которая проявлена как в сочетании оловянной (с Pb, Zn и Be), вольфрамовой и редкоземельной минерализации с проявлениями камнесамоцветного сырья, так и в особенностях состава магматических комплексов, с которыми связано оруденение.

Предметом изучения являются закономерности и факторы размещения разнометалльного оруденения, критерии рудоносности, обеспечивающие рациональное прогнозирование, поиски и разведку месторождений, построение модели РМС.

Фактический материал, методы исследования и личный вклад автора в решение проблемы. Основой диссертации послужили материалы, собранные автором и сотрудниками геммологической лаборатории ДВГИ ДВО РАН в период 2006 — 2011 г. г. в процессе целенаправленных полевых исследований на площади Шибановского массива. В предлагаемой работе использовались как традиционные методы — петрографический, химический, спектральный, рентгенофлуоресцентный, так и специфический термобарогеохимический (главным образом криои термометрия) в комплексе с методами локального исследования микрообъектов. Из образцов пород и минералов было изготовлено 200 шлифов и 100 пластинок, которые изучены разными минералого-петрографическими методами. Выполнено 45 химических и 15 спектральных анализов магматических и метасоматических пород, в 14 пробах определены 4 микроэлементы-примеси методом ИСП-МС, в 30 — рентгенфлуоресцентным методом.

В термометрических опытах изучено около 130 флюидных включений. Для микроанализа было подготовлено и проанализировано более 20 минеральных, 35 расплавных, а также 15 серий углекислотных сингенетичных расплавным, несколько десятков кристаллофлюидных, газово-жидких включений.

Оптическая микроскопия. Для идентификации минеральных фаз во включениях изучались шлифы и пластинки (по методу «зеркального отражения») при различных увеличениях (от х50 до хЮОО). Для просмотра шлифов и пластин использовался оптический поляризационный микроскоп NIKON Е 600 POL (NIKON Е — 600 POL Optical Microscope for Geological Studies), Jeol (Япония) в комплекте с приставкой для отраженного света, набором длиннофокусных объективов и цифровой телекамерой.

Атомная абсорбция. Этот метод применялся для выявления элементов-примесей в кварцах, с целью получения данных о природе их окраски. Метод подготовки проб: производилась выборка кварцев от просвечивающих до непрозрачных, цвет образцов определялся визуально. Проанализировано 15 образцов.

Определение возраста K-Ar методом. Определение содержания радиогенного аргона проводилось на масс-спектрометре МИ-1201 ИГ в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии СВКНИИ ДВО РАН (аналитики: Александрова Н. М., Люскин А. Д., Новик К.К.) по методике 3-й категории: «Калий-аргоновый метод определения радиологического возраста пород» (Фор, 1989). При расчете возраста использовались константы: Лк=0.581*Ю" 10год" 1, ЛЬ -=4.962*10−10год'1, ЗЭК-93,26- 40К-0,1 167- 41К-6,73 (ат.%) — изотопное отношение атмосферного аргона 40Аг/36Аг=295,5.

Инфракрасная спектроскопия. ИК-спектры поглощения образцов снимались с целью исследования газово-жидких включений в плоскополированных пластинках в кварцах. Исследовано 10 проб. Исследования проводились в области 650−2000 см" 1 на Фурье — спектрометре «Nicolet 6700» (Thermo Electron Corp., USA, Madison) в ДВГИ ДВО РАН (к. г.-м.н., В.В. Кононовым).

Определение содержания главных элементов, элементов-примесей (в том числе редкоземельных элементов) в породах и минералах было выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на ИСП-МС5 спектрометре Agilent 7500, аналитики: н.с. M.Г. БлохинВ.Н. КаминскаяГ.А. ГорбачН.В. Хуркало.

КР-спектроскопия. Спектры комбинационного рассеяния света во флюидных включениях изучались в Институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН (аналитик к. г.-м.н., С.З. Смирнов) при комнатной температуре в диапазоне от 200 до 1200 см" 1 с помощью КР-спектрометра X-Y Dylor OMARS69. В качестве возбуждающего излучения использовался луч Аг лазера с длиной волны 514 нм и выходной мощностью ~0,3 Вт. Регистрация спектра проводилась с использованием CCD детектора Princeton University, охлаждаемого по принципу Пелтье. Диаметр области возбуждения составлял около 2 мкм.

Термобарогеохимия. В работе применялись методы волюмометрии и динамической фазометрии, гомогенизации и барометрии. Термометрические исследования включений выполнялись по общепринятой методике, с учетом рекомендаций, изложенных в работах Ю. А. Долгова, В. П. Чупина, Э. Реддера, Ф. Г. Рейфа, (Долгов и др., 1968;Ермаков и др., 1979; Чупин, 1982; Реддер, 1987; Рейф и др., 1976, 1982, 1990, 2001, 2009). Для опытов с флюидными включениями (ФВ) использовался оптический поляризационный микроскоп NIKON Е — 600 POL (Optical Microscope for Geological Studies, Jeol, Япония) в комплекте с приставкой для отраженного света, набором длиннофокусных объективов, цифровой телекамерой, термостоликом (для нагрева), криостоликом (для охлаждения), (Heating / Cooling NIKON Е — 600 POL Microscope), компьютером и программным обеспечением, оптическим стереомикроскопом — для пробоподготовки, осветителями, аксессуарами для установки цифровой фотокамеры и др. комплектующими.

Для изучения структуры образцов кварца использовался атомно-силовой микроскоп (ИХ ДВО РАН, аналитик В.Г. Курявый). Съёмки АСМ проводились на микроскопе марки Solver, производства фирмы NT-MDT (г. Зеленоград, Россия), в двух режимах — амплитудном и фазовом представлениях.

Метод рентгеноспектрального микроанализа (четырехканальный микроанализатор JXA — 8100 в диапазоне от В до Uпроизводство компании Jeol Со Ltdкристаллы — анализаторы: LiF, PET, ТАР, LDE2), использовался для изучения состава минералов, входящих в граниты и щелочные сиениты. Энергодисперсионный спектрометр производства Oxford Instruments в (ДВГИ ДВО РАН, аналитик Н.И. Екимова). Программное обеспечение позволяет проводить 6 расчеты методами ZAF коррекции и фи-ро-зет методами. Проанализировано 30 образцов (150 анализов минералов).

Вторично-ионная масс-спектрометрия (ионный зонд). Данным методом проводился локальный элементный количественный микроанализ твёрдотельных образцов. Анализы выполнены в Ярославском филиале Физико-технологического института РАН (аналитик, к. ф.-м.н., С.Г. Симакин) на вторично-ионном масс-спектрометре САМЕСА IMS-4 °F.

Рентгенофлуоресцентный анализ применялся для выявления элементов-примесей в гранитах и щелочных сиенитах при помощи спектрометра S4 Pioneer (ДВГИ ДВО РАН, аналитик, к.г.-м.н. Е.А. Ноздрачёв). Исследовано 30 проб.

Эмиссионный спектральный анализ использовался для получения полной информации об элементном составе отдельных минералов. При количественном анализе использовался прибор PGS II (ДВГИ ДВО РАН, аналитики: Л. И. Азарова, В.И. Сеченская), а для полуколичественного — ДФС — 8 (ДВГИ ДВО РАН, аналитик Т.К. Бабова). Проанализировано 15 образцов.

Рентгенографические исследования пород Шибановского массива проводились с целью выяснения особенностей изоморфных замещений в минералах на дифрактометре ДРОН — 3, (лаборатория рентгеновских методов ДВГИ ДВО РАН, аналитик Т.Б. Афанасьева). Изучены 10 образцов. Результаты рентгенофазового анализа представлены в виде соответствующих дифрактограмм. Идентефицикация дифрактограмм выполнялась при использовании программы PDWin 3.0.

Научная новизна.

1. Впервые в составе магматической ассоциации Шибановского рудного узла среди пород ранее известного гранит-лейкогранитового комплекса выделены сиенитывыполнено их петрографическое и минералогическое изучение, определены минеральный состав, изотопный возраст и установлена металлогеническая специализация этих пород на редкоземельное оруденение.

2. Установлены Р-Т параметры кристаллизации магматических пород, а также коровая для гранитов и корово-мантийная (мантийная) для сиенитов природа продуцировавших их расплавов.

3. Разработана геолого-генетическая модель формирования магматических пород Шибановского рудного узла.

Практическая значимость. В пределах Шибановского рудного узла установлены магматические породы различных геохимических типов — граниты, щелочные сиениты, альбититы, а также щелочные метасоматиты и связанное с ними редкоземельное оруденение, востребованность которого в мировой экономике в настоящее время очень высока. Изложенные в работе научные результаты, направленные на разработку геолого-геохимических критериев прогнозирования подобного оруденения, могут найти применение в производственной практике для выявления редкоземельной минерализации в слабоизученных районах Приморья. Они могут быть использованы при изучении магматических пород, оценке их металлогенической специализации, решении спорных вопросов минерагении. Методические подходы, предложенные автором, можно использовать при выяснении роли гранитоидов в формировании эндогенных рудных месторождений и при изучении эволюции рудоносных растворов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XXIi Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» Иркутск, 2007; на VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» Москва, 2007; на Всеросийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике, Владивосток, 2007; на сессиях ученого совета ДВГИ ДВО РАН, Владивосток, 2007;2011; на Третьей научной конференции «Геммология» Томск, 2007; на XXV Всероссийском семинаре с участием стран СНГ, школа «Щелочной магматизм Земли» Санкт-Петербург, 2008; на Второй региональной конференции молодых учёных, Владивосток, 2008; на XIII Международной конференции по термобарогеохимии и VI симпозиум APIFIS, Москва, ИГЕМ РАН, 2008; на Четвёртой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле, Новосибирск, 2008; на XXIII Всероссийской молодёжной конференции «Строение литосферы и геодинамики», Иркутск, 2009; на IV Научной конференции «Геммология» Томск, 2009; Конференции, посвященной 110-летию со дня рождения академика Д. С. Коржинского «Физико-химические факторы петро-и рудогенеза: новые рубежи». Москва, 2009; на Конкурсе молодых учёных, Владивосток, 2010; на XXIV Всероссийской молодёжной конференции «Строение литосферы и геодинамика» Иркутск, 2011; на Всероссийской конференции «Граниты и процессы рудообразования», Москва, 2011; на XV Всероссийской конференции по термобарогеохимии, Москва, ИГЕМ РАН, 2012; на конференции «Современные проблемы магматизма и метаморфизма» Санкт-Петербург, 2012.

По теме диссертации опубликовано 45 работ (41 тезис и 4 статьи).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 3 глав, Введения и Заключения, имеет общий объем 164 страницы, 32 иллюстрации, 5 фотографий, 21 таблица. В списке литературы 180 источников.

Благодарности. Диссертация выполнена в ДВГИ ДВО РАН. В основу работы положены результаты многолетних исследований автора, которые проводились в плане НИР ДВГИ геммологической лаборатории, а на заключительном этапе — лаборатории минерагении рудных районов.

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. Исследование первичных расплавных и сопутствующих им углекислотных включений в гранитах, сиенитах и пегматитах Шибановского рудного узла проведено благодаря содействию к.г.-м.н. В. А. Пахомовой (ДВГИ ДВО РАН). Всем перечисленным автор выражает свою искреннюю благодарность за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы. Кроме того, автор признателен за терпение, проявленное в процессе многократных консультаций и критические замечания, высказанные во время предварительного обсуждения разделов диссертации д.г.-м.н. Гоневчуку В. Г., д.г.-м.н. Валуй Г. А., к.г.-м.н. Ваху A.C., д.г.-м.н. Гвоздеву.

B.И., к.г.-м.н. Гребенникову A.B., к.г.-м.н. Чащину A.A., д.г.-м.н. Голозубову В. В., д.г.-м.н. Казаченко В. Т. Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность членам коллектива геммологической лаборатоии м.н.с. Карась O.A., к.г.-м.н. Тишкиной В. Б., Федосееву Д. Г., м.н.с. Буравлёвой С. Ю., Жарченко.

C.Ю. за помощь при проведении полевых работ, дружескую поддежку и внимание. За содействие в проведении анализов на микрозонде и рентгеновской аппаратуре автор выражает глубокую благодарность к.г.-м.н. Карабцову A.A., Екимовой Н. И., к.г.-м.н. Ноздрачёву Е. А., а также сотрудникам лаборатории аналитической химии Зарубиной Н. В., Бабовой Т. К., Сеченской В. И., Азаровой З. С., Блохину М. Г., Каминской В. Н., Хуркало Н. В., Горбач Г. А.

Основные защищаемые положения.

1. Рудоносные граниты и щелочные сиениты, продуцирующие соответственно редкометальное и редкоземельное оруденение Шибановского рудного узла, принадлежат единой магматической ассоциации палеогенового возраста, формирование которой происходило при частичном плавлении на разных уровнях раннепалеозойской континентальной коры (граниты A-типа) и подкоровой мантии Матвеевско-Нахимовского террейна (сиениты 1-А типа).

2. Магматические породы Шибановского рудного узла палеогенового возраста — граниты, сиениты — и ассоциирующиеся с ними рудные образования — пегматиты, полевошпатовые метасоматиты, грейзены — возникают как следствие эволюции в пространстве и времени единой РМС.

3. Совокупность признаков (разнообразие состава пород, геохимические и изотопно-геохимические характеристики, данные термобарогеохимических исследований) палеогеновых магматических образований Шибановского рудного узла позволяют рассматривать их происхождение в петрологической модели зон скольжения литосферных плит.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований установлено:

1. Магматический комплекс РМС Шибановского рудного узла (по результатам K-Аг датирования) палеогенового возраста представлен «коровыми» (граниты) — А, и «мантийно-коровыми» (щелочные сиениты) — A-I петрохимическими типами, характеризующими расплавы разных гипсометрических уровней коры.

2. Эволюция магматического комплекса привела к формированию разнотипного по элементному составу оруденения. Эволюция гранитной магмы завершается формированием пегматитов, грейзенов, а также более удалённых от магматического этапа кварцевых жил с олово-вольфрамовой минерализацией.

3. Для щелочных сиенитов установлены признаки редкоземельной металлогенической специализации, с образованием таких минералов, как чералит, брабантит, дэлиит, ксенотим.

4. Кристаллизация гранитов Шибановского массива происходила в более восстановительных, умеренно-температурных условиях, при низкой активности потенциала воды в расплаве, по сравнению с гастингситовыми сиенитами массива. Эгириновые сиениты, в отличие от гастингситовых разностей, кристаллизовались в более восстановительных условиях, близких к параметрам кварц-магнетит-фаялитового буферного равновесия (при низкой активности потенциала воды в расплаве).

5. Результаты термобарогеохимических исследований показывают, что магматический процесс и гидротермальное рудообразование являются последовательными этапами эволюции единой рудно-магматической системы. Характеристики расплавных и сопутствующих им флюидных включений в магматическом кварце гранитоидов свидетельствуют о кристаллизации этих пород в интервале температур 800−750°С и давлений 4,3−5,5 кбар из расплавов, содержащих Li во флюидной фазе. Концентрация воды в расплаве, из которого формировались гранитоиды, составляла 4,8−6,0 мас.%.

6. Условия образования щелочных сиенитов ограничены температурным интервалом 800−650°С и вариациями флюидного давления от 1,5 до 4 ш.

0,?, I гИ' м y^'Mj t I? ии 1' ¦ i< і кбар. Сиениты кристаллизовались из расплавов, обогащенных кальцием и фтором. Концентрация воды в расплаве составляла около 3,9%.

7. Образование пегматитов происходило в позднемагматический (послегранитный) временной этап из гетерогенного флюида P-Q типа, в температурном интервале 650−400°С и давлении около 450 бар, при участии углекислотных литий-фтористых растворов.

8. Формированию грейзенов и кварцевых прожилков в гранитах соответствовал температурный интервал 500−358°С. Их кристаллизация происходила из растворов с высокой общей минерализацией преимущественно хлоридного состава, при меньшем участии фтора, в присутствии катионов лития и магния, в интервале давлений от 2,2 до 1,3 кбар.

9. Для объяснения источников и механизма магмогенерации, вероятно, была бы применима существующая модель образования расплавов щелочных сиенитов как остаточных порций при фракционной кристаллизации гранитной магмы (Barben et al. 1975, Ярмолюк, Коваленко, 1991), сопровождающаяся накоплением в остаточных порциях магмы РЗЭ и летучих компонентов.

Однако в рамках этой модели не находит объяснения комплекс выявленных нами при изучении гранитов и сиенитов признаков, таких как высокие содержания щелочей в сиенитах, обогащенность последних высокозарядными элементами, пестрота состава пород, возраст, различия геохимических и термобарогеохимических характеристик. Вероятнее всего, в магмообразовании принимали участие блоки нижней коры (или подкоровой мантии), субдуцированные или погруженные каким-либо иным способом глубже раздела границы Мохо для Дальневосточного региона, геодинамическая обстановка развития которого в этот период неоднократно менялась в режиме чередований субдукции и скольжения литосферных плит (Ханчук, 1997).

10. Особенности генезиса РМС Шибановского рудного узла, геолого-генетическая модель отражают специфику геодинамической обстановки развития палеогенового гранитоидного магматизма в структуре Востока Азии и геологические особенности строения вмещающего Шибановскую РМС литосферного блока — Матвеевско-Нахимовского террейна. i 1 u.

Ц viV^/J.