CC BY
52
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
УДК 549.26:549.643.25:553.212
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ САМОРОДНОГО ЖЕЛЕЗА И ПРОДУКТОВ ЕГО ОКИСЛЕНИЯ В ДЕВОНСКИХ ГРАНИТОИДАХ АЛЕЙСКО-ЗМЕИНОГОРСКОГО КОМПЛЕКСА (СЕВЕРО-ЗАПАДНАЯ ЧАСТЬ РУДНОГО АЛТАЯ)
Новоселов Константин Леонидович,
канд. геол.-минерал. наук, доцент каф. геологии и разведки полезных ископаемых Института природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета, Россия, 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30. E-mail: [email protected]
Актуальность исследований самородного минералообразования железорудной направленности определяется выделением минералогических и физико-химических критериев потенциальной рудоносности полифазного алейско-змеиногорского грани-тоидного комплекса, занимающего большую часть северо-западной российской территории Рудного Алтая.
Цель работы: всесторонняя характеристика морфологии, химического состава, распространённости, парагенезиса и времени обособления самородных металлидов железа в эволюционирующем развитии флюидно-магматической системы.
Методы исследования: традиционные минералого-петрографические, минераграфические с целенаправленным изучением акцессорного самородного железа и ассоциирующих с ним минералов, извлечённых из протолочек гранитоидов по общепринятой схеме. Для аналитических исследований применены рентгеноспектральные методы анализа, выполненные в лаборатории ИГМ СО РАН (г Новосибирск) на электронном сканирующем микроскопе JSM-6510LV (Jeol Ltd) с энерго-дисперсионным спектрометром INCA Energy 350+ (аналитик М.В. Хлестов).
Результаты. Установлено присутствие и распределение акцессорных микросферул самородного железа в породах последовательных фаз формирования гранитоидного комплекса; по химическому составу выделено две разновидности микросферул -железо с примесью Ti, Mn и беспримесное (феррит). В плагиогранитах главной фазы внедрения изучены химический состав и структура распада ксеногенного кристалла феррокерсутита, генетически связанного с металлизированным габброидным силикатным расплавом, привнесённым плагиогранитной магмой в гипабиссальную камеру кристаллизации. Выявлена парагенетическая ассоциация самородного железа и условия обособления из силикатного расплава самородной фазы Fe.
Выводы. На раннемагматической стадии формирования габброидного расплава в мантийном промежуточном очаге активно проявилось ликвационное отделение металлической фазы железа, в том числе с примесью Ti, Mn, под воздействием восстановительных интрателлурических водородно-углеродистых флюидов при активном участии бескислородных соединений калия. Ограниченность распространённости самородных микроглобулей Fe в производных гранитоидных расплавов, особенно в заключительных лейкогранитных дифференциатах, связана с ослаблением восстановительного режима мантийных флюидов, на смену которым поступали флюиды с повышенными щёлочностью и потенциалом кислорода. Полученные новые данные имеют петрологическое значение и практическую направленность - определение потенциальной продуктивности гранитоидного комплекса на железо-титанорудную минерализацию.
Ключевые слова:
Глобули, самородное железо, феррокерсутит, структура распада твёрдого раствора, гранитоиды.
Введение
Алейско-змеиногорский гранитоидный комплекс (D2-3) включает три крупных интрузива -Новониколаевский, Алейский, Устьянский, и ряд более мелких тел, локализованных в структурах северной части Алейского поднятия Рудного Алтая между девонскими вулканогенно-осадочными прогибами, контролируются крупными глубинными разломами северо-западного и субширотного простирания и характеризуются наличием комаг-матических связей с девонскими вулканитами ка-меневского комплекса. Наибольшую площадь (?1000 км2) занимает Новониколаевский массив, расположенный в северном окончании Алейского антиклинория, имеет сложное полифазное строение и включает породы четырёх интрузивных фаз (в порядке становления): 1) габброиды и диоритои-ды, обычно интенсивно метаморфизованные;
2) кварцевые диориты, тоналиты, плагиограниты;
3) лейкоплагиограниты; 4) лейкограниты с биоти-товыми и биотит-мусковитовыми разновидностями. Наибольшим распространением пользуются
гранитоиды - производные второй, главной, фазы и заключительной лейкогранитовой. Алейский и Устьянский массивы, значительно меньшие по площади (около 300 кв. км каждый), расположены соответственно на юге и юго-западе поднятия, по петрологическим, минералого-геохимическим и другим показателям идентичны кислым диффе-ренциатам Новониколаевского массива. Доминирующие породы Алейского массива - тоналиты и плагиограниты, приобретающие в тектонически ослабленных зонах гнейсовидный облик с биотитом и зеленой роговой обманкой. Устьянские гра-нитоиды, лейкократовые по составу, параллелизу-ются с лейкогранитами заключительной четвертой фазы. В целом Новониколаевский, Алейский и Устьянский гранитоидные массивы рассматриваются как индивидуализированные части крупного плутона, сформированного из единого магматического центра активизированной континентальной окраины в средне-позднедевонское время [1-3]. По глубине консолидации гранитоидные тела относятся к гипабиссальным фациям. Нижний пре-
56
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
дел температуры кристаллизации гранитоидных расплавов, определённый по минералогическим геотермометрам [3], находится в пределах 800-900 C.
В кратком изложении петролого-геохимиче-ские особенности гранитоидов сводятся к следующему. Наиболее распространённые породы главной фазы - плагиограниты роговообманковые, по составу близки к нормативным. Плагиоклаз изве-стковистый с прямой зональностью, отвечает андезину (An30-35) с лабрадоровым ядром, реже олиго-клазу (An20-25) обычно с полисинтетическим двой-никованием. Идиоморфные кристаллы амфибола по оптическим свойствам и химическому составу относятся к магнезиально-железистой роговой обманке с примесью (мас. %) TiO2 (0,8...1), MnO (0,4.0,8), K2O (0,1.0,5), содержит обильные включения игольчатых кристаллов апатита, титаномагнетита, циркона. Зёрна кварца, редко ксено-морфные, обычно близки к округлым или гексагональным очертаниям. Из второстепенных минералов присутствуют единичные изометрические зерна пироксена диопсид-геденбергитового состава -Ca0,959(Mg0,749Fe0,25)0,999[Si2,02iO6]. Постмагматические минералы представлены широко распространённым эпидотом, железистым хлоритом, редкими чешуйками биотита.
Лейкоплагиограниты третьей фазы пользуются весьма ограниченным распространением, однообразны по составу, нередко с роговой обманкой и биотитом. Характерны вариации структуры породы до порфировой с макро- и микрофенокристаллами олигоклаза (An18-20) и округлыми зёрнами кварца. Роговая обманка, как и в породах главной фазы, магнезиально-железистая, отличается повышенной калиевостью, кремнезёмистостью, гли-нозёмистостью и титанистостью. Единичные зёрна КПШ представлены решётчатым микроклином. Как и в породах главной фазы эпизодически встречаются зёрна пироксена.
Лейкограниты, заключительные дифференци-аты комплекса, слагают крупные штокообразные тела, в том числе Устьянский массив, представлены биотитовыми и биотит-мусковитовыми разностями. Плагиоклаз, олигоклаз-альбитового состава (An8-15), образует идиоморфные зёрна, часто присутствует в порфировидных вкрапленниках. Микроклин обычно обрастает плагиоклаз или по периферии его зёрен образует антипертитовые вростки. Индивиды кварца, ксеноморфные, в ап-литовидных разностях приобретают округлые очертания. Количество биотита варьирует от единичных чешуек до 5.10 об. %, по химическому составу относится к высокожелезистым и титанистым с повышенным содержанием глинозёма. Характерной особенностью химизма биотита, как и вышерассмотренной роговой обманки плагиогра-нитов, является отсутствие в составе флюидной фазы фтора и эпизодическое появление хлора. Как отмечает А.А. Маракушев [4], вхождение во флюидно-силикатный расплав магмофобных компо-
нентов, таких как Cl, вытесняющих магмофиль-ный F, является типичным для глубинных зон магматической генерации.
Основные петрохимические характеристики гранитоидов в обобщённом виде (от ранних диффе-ренциатов к заключительным): 1) возрастание кремнезёмистости и глинозёмистости; 2) понижение известковистости; 3) повышение щёлочности калиевой направленности; 4) снижение коэффициентов титанистости и железистости.
К геохимическим особенностям гранитоидного комплекса относится высокая активность кислорода и низкая - серы, о чём свидетельствует отсутствие элементов халькофильной группы, за исключением Ga, кристаллохимически связанного с Al, и концентрации его особенно типичны во флюидной системе, обеднённой H2S [4]. Кроме типичных для гранитоидных магм литофильных элементов, среди которых доминирует Fe, присутствуют Co и Ni в концентрациях, кратно превышающих кларковые величины, и образуют неструктурную примесь в породообразующих и акцессорных минералах. Однако поведение этих си-дерофилов заметно отличается - в заключительных дифференциатах концентрации Co резко понижаются на фоне стабильно повышенных содержаний Ni. Среди литофильных элементов в повышенных количествах относительно кларка в гра-нитоидах выделенных фаз постоянно присутствует Sc, Y и редкоземельные лантаноиды - Yb, Dy, Lu и др., количество которых возрастает параллельно с калиевостью в породах заключительных диффе-ренциатов.
Ассоциация акцессорных минералов, образующих весовые количества в гранитоидах главной фазы: титаномагнетит-рутил-ильменит-сфен-апатит-циркон-гематит; в лейкоплагиогранитах и лейкогранитах последующих дифференциатов ведущая ассоциация акцессорий сменяется на ге-матит-рутил-мартитизированный титаномагне-тит-циркон-топаз-флюорит-редкоземельную с Y, Ce, La, а также минералами Th и U. В единичных зёрнах в гранитоидах установлены корунд, гранат пиральспитового ряда с примесью Ca.
Результаты исследований
Самородное железо установлено в плагиограни-те главной фазы (Новониколаевский массив) в форме включений в кристалле амфибола, заметно отличающегося от породообразующей магнезиально-железистой роговой обманки короткопризматическим, близким к изометрическому, обликом зёрен размером, не превышающим 0,1.0,15 мм, железо-чёрным цветом с бронзоватым отливом, и нахождением в магнитной фракции протолочки. Электронно-микроскопическими исследованиями зерна амфибола выявлено его неоднородное строение, обусловленное структурой распада двухкомпонентного твердого раствора, представленной собственно амфиболовой матрицей и обособившейся фазой Fe-содержащего рутила, ламели которого
57
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
ориентированы параллельно (110) минерала-хо-зяина (рис. 1).
Химический состав амфиболовой матрицы отвечает феррокерсутиту (табл. 1), отличающемуся от теоретического [5] повышенной калиевостью при низком содержании Na2O, несколько пониженным количеством FeO и Al2O3 и резкой насыщенностью TiO2 (17,75...24,55 мас. %), превышающей более чем в 1,5-2 раза максимально установленное среднее для керсутита - 10,33 мас. % [6]. Характерная особенность химического состава исследуемого минерала - разброс содержаний минералообразующих компонентов по профилю матри-
цы - от центра к краю зерна. В приведённых кристалл охимических формулах (табл. 1) избыток атомов Ti4+ показан не только в катионной составляющей, но и в анионной, изоморфно с Si4+. В анионной составляющей формулы феррокерсу-тита исключена группа (OH)-, отсутствие которой и доминирование O2- в позициях, обычно занимаемых гидроксилом, доказано в последние годы теоретическими и экспериментальными исследованиями [7].
Второй компонент структуры распада твёрдого раствора, Fe-содержащий рутил, представлен параллельно ориентированными, удлинёнными или
200|jm
Рис. 1. Зерно феррокерсутита со структурой распада твёрдого раствора. Темно-серое - феррокерсутит; вытянутые пересекающиеся ламели - железистый рутил; белые округлые зёрна - самородное железо. Здесь и на последующих рисунках изображение в обратно рассеянных электронах
Fig. 1. Ferrokaersutite grain with the breakdown structure of solid solution. Dark-grey - ferrokaersutite; drawn cross lamellae - fer-
rous rutile; white rounded grains - native iron. Here and in the other figures, the image is in back-scattered electrons
58
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
прерывистыми пластинками, пересекающимися под тупыми или острыми углами в направлении плоскостей спайности (110), образуя резкие прямолинейные, в отдельных участках перистые границы (рис. 2). Толщина пластинок 2,5...3 лм и менее 0,8.0,6 лм по краю матрицы. В химическом составе Fe-содержащего рутила, кроме тех же петрогенных элементов феррокерсутитовой матрицы, в отдельных его пластинках появляются примеси Cr2O3 (0,28.0,42 мас. %), в единичном случае - MgO. Как и в феррокерсутите, среди щелочных компонентов доминирует K2O при отсутствии или эпизодическом появлении Na2O (табл. 2).
Таблица 1 Химический состав феррокерсутита (мас. %) Table 1. Chemical composition of ferrokaersutite (wt. %)
Точка Point SiO2 TiO2 MnO FeO AbO3 CaO K2O Na2O Сумма Total
1 28,6 20,37 15,79 15,79 6,54 11,68 1,9 0,8 101,47
2 30,42 21,56 13,35 13,37 7,99 9,09 3,29 0,97 100,14
3 28,18 24,55 13,55 14,74 7,26 8,56 3,11 0,78 100,73
4 29,99 23,09 13,39 14,58 7,86 8,81 2,99 0,97 101,68
5 25,86 21,87 16,18 17,35 5,76 11,03 1,57 0,69 100,31
6 26,46 21,15 16,39 17,15 5,82 11,21 1,69 0,78 100,65
7 32,41 18,1 13,42 14,41 8,29 9,04 3,67 1,11 100,45
8 31,38 17,75 14,73 15,68 7,61 9,98 2,95 1,01 101,1
Примечание: 1) здесь и в последующих таблицах всё железо приводится как FeO+Fe2O3; 2) номера анализа соответствует точкам анализируемого феррокерсутита на рис. 2.
Note: 1) here and in all other tables the whole iron is given as FeO+Fe2O3; 2) numbers of the analysis correspond to the points of the investigated ferrokaersutite in Fig. 2.
Таблица 2. Химический состав Fe-содержащего рутила структуры распада (мас. %)
Table 2. Chemical composition of Fe-containing rutile of the
breakdown structure (wt. %)
Точка Point TiO2 FeO SiO2 MnO AbO3 CaO K2O &2O3 Na2O Сумма Total
9 69,26 11,04 7,39 6,68 4,21 1,47 1,6 - 0,42 102,07
10 69,07 12,73 6,04 7,72 3,72 1,67 1,14 0,42 - 102,51
11 68,62 13,13 6,87 6,61 3,55 2,03 0,89 0,28 - 102,20
12 65,32 13,11 9,52 7,73 4,35 1,55 1,82 - 0,42 103,82
13 66,36 14,6 6,18 9,28 3,08 1,93 0,92 - - 102,35
14 70,56 12,24 6,7 6,28 3,5 1,4 1,02 0,41 - 102,11
15 64,67 13,33 7,3 9,87 3,51 2,39 1,11 - - 102,17
Примечание: 1) здесь и в последующих таблицах прочерк -элемент не установлен; 2) повышенные суммы анализов объясняются возможным присутствием в составе T,FeO значительной доли ионов Fe2+.
Note: 1) here and in all the other tables «-» is the element is not determined; 2) the increased sums of analyses are explained by possible presence of considerable part of Fe2+ ions in T,FeO composition.
Самородное железо, как отмечалось, образует многочисленные включения округлых зёрен, цепочковидно расположенных в матрице феррокер-сутита и ориентированных субпараллельно плоскости (110) его кристалла. Наиболее крупные индивиды металлида (4.13 /лм) сосредоточены в цен-
тральном участке феррокерсутитовой матрицы, а обильная сыпь мелких зёрен (<1.2 лм) образует линейные обособления по периферии кристалла (рис. 1). Включения каплевидных самородных ме-таллидов, в том числе железа, в породообразующих минералах отмечается многими исследователями [8-13], закономерно ориентированные удлиненные микрозёрна железа изучены в структуре распада смешанного кристалла ильменита [14]. Наблюдаемое ориентированное распределение ме-таллида Fe в амфиболовой матрице объясняется теорией роста кристалла в расплаве, содержащем посторонние механические примеси, отодвигаемые растущей гранью [15], что и предопределило линейное расположение мелких глобулей железа параллельно растущей грани (110) кристалла. Границы округлых зёрен металлида с минералом-хо-зяином резкие, прямолинейные, на более крупных индивидах Fe наблюдаются червеобразные ответвления в амфиболовую матрицу и несколько «размытые» границы (рис. 2), что объясняется частичным подплавлением недостаточно остывших гло-булей Fe. Концентрируются металлиды между ламелями Fe-содержащего рутила, которые или огибают округлые зёрна железа, или прерываются на границе с ними (рис. 3). Подобное взаимоотношение продукта распада твёрдого раствора и округлых зёрен самородного Fe свидетельствует о захвате растущим кристаллом феррокерсутита из расплава на раннемагматической стадии (протокристаллизации) закристаллизованного в форме различных по размеру глобулей металлического железа. Сферическая форма металлида, как показано исследованиями самородного минералообразования в базитовых и гранитоидных магмах [1б, 17], обусловлена капельно-жидкими обособлениями металлической фазы Fe из силикатного расплава.
Кристаллохимические формулы в пересчёте на феррокерсутит
1. (K0,415Na0,265)0,68Ca2,138(Mn2,285Fe2,256)4,541Ti1,502[Al1,318(Si4,885Ti1,115)6O22] O2
2. (K0,686Na0,307)0,993Ca2,23(Mn1,85Fe1,83)3,68Ti1,641[Al1,542(Si4,977Ti1,023)6O22] O2
3. (K0,6T1Na0,256)0,92TCa1,55(Fe2,084Mn1,94)4,024Ti1,88T[Al1,459(Si4,T65Ti1,235)6O22] O2
4. (K0,633Na0,312)0,945Ca1,569(Fe2,026Mn1,885)3,911Ti1,8T[Al1,54(Si4,984Ti1,016)6O22] O2
5. (K0,325Na0,216)0,541Ca1,918(Fe2,353Mn2,223 ) 4,5T6Ti1,T92[Al1,101(Si5,125Ti0,8T5)6O22] O2
6. (K0,3TTNa0,265)0,642Ca2,103(Fe2,511Mn2,43)4,941Ti1,41T[Al1,201(Si4,632Ti1,368)6O22] O2
7. (K0,T85Na0,36)1,145Ca1,623(Fe2,02Mn1,905)3,925Ti1,T12[Al1,63T(Si5,431Ti0,569)6O22] O2
8 (K0,635Na0,331)0,966Ca1,805(Fe2,212Mn2,105)4,31TTi1,54T[Al1,533(Si5,294Ti0,T06)6O22] O2
Кристаллохимические формулы Fe-содержа-щего рутила
9 (Ti0,708Fe0,137Si0,114Mn0,077Al0,0
8K0,028Ca0,021Na0,011)1,163O2
10. (Ti0,694Fe0,169Si0,103Mn0,096Al0,064Ca0,026K0,021Cr0,005)1,179O2
11. (Ti0,712Fe0,163Si0,095Mn0,089Al0,058Ca0,03K0,016Mg0,005Cr0,003)1,17O2
12. (Ti0,672Fe0,15Si0,13Mn0,095Al0,07K0,032Ca0,023Na0,011)1,184O2
13. (Ti0,711Fe0,174Mn0,112Si0,088Al0,052Ca0,03K0,016)1,183O2
14 (Ti0,725Fe0,163Si0,091Mn0,084Al0,056Ca0,02K0,018Cr0,004)1,162O2 15. (Ti0,691Fe0,158Mn0,119Si0,104Al0,059Ca0,036K0,02)1,186O2
Химический состав самородного металлида, проанализированный в различных его зёрнах (рис. 4), отвечает практически чистому железу с примесью Ti (1,21.3,09 ат. %) и Mn, не превышающего 0,56 ат. % (табл. 3).
59
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
Рис. 2. Фрагмент структуры распада феррокерсутита: тёмно-серое - феррокерсутит; светло-серые вытянутые ламели - Fe-со-держащий рутил; белые округлые зёрна - самородное железо. Цифры -8 соответствуют точкам анализа феррокерсутита, 9~15 - точкам анализа ламелей Fe-содержащего рутила
Fig. 2. Fragments of the structure of ferrokaersutite breakdown: dark-grey - ferrokaersutite; light-grey drawn lamellae - Fe-contai-
ning rutile; white rounded grains - native iron. 1-8 correspond to the points of analysis of ferrokaersutite, 9-15 correspond to the points of analysis of Fe-containing rutile lamellae
В магнитной фракции этой же протолочки пла-гиогранита диагностировано два зерна металлида Fe в форме мелких сферул размером не более 0,15.0,2 мм с микропористой, участками ямча-той или бугорчатой поверхностью рельефа. Электронно-микроскопическими исследованиями среза глобуля чётко проявляются его неровные, заливистые или выступающие границы (рис. 5). Химический состав, проанализированный по профилю зерна, отвечает беспримесному железу с содержанием Fe 99,18.100,5 ат. %. По периферии зерна
наблюдаются микронных размеров округлые пу-стотки, появление которых многими исследователями самородного железа объясняется присутствием в растворённой форме и в виде газовых включений компонентов флюида, главным образом водорода [17]. Судя по чистоте химического состава металлида Fe, обособление его капель от силикатной матрицы произошло в высокотемпературных условиях, близких к температуре плавления железа (1535 °С). При кристаллизации глобу-ля Fe и последующих фазовых его превращений в
60
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
Рис. 3. Цепочковидное распределение металлидов железа в феррокерсутите; ламели Fe-содержащего рутила (светлые) огибают каплевидные включения Fe или прерываются на границе с ними
Fig. 3. Catenate distribution of iron metallides in ferrokaersutite; lamellae of Fe-containing rutile (light) pass around the drop-shaped
Fe impurities or break up on the boundary with them
условиях понижающейся температуры расплава и невысоком парциальном давлении кислорода (lgfO2= -17,5...-13,5) [3] глобуль Fe, не затронутый процессом окисления, сохранился в качестве включения в раннемагматическом минерале, видимо, кварце, реликтовые зёрна которого диагностированы в микроямках поверхности глобуля. Неровности поверхности рельефа объясняются нахождением его в форме включений в раннемагматических минералах и деформацией в процессе механического дробления материала пробы.
Таблица 3. Химический состав самородного железа (ат. %) Table 3. Chemical composition of native iron (at. %)
Элементы Elements 1 2 3 4 5 6 7
Fe 99,79 99,47 98,50 98,47 98,66 97,42 97,68
Ti 1,21 1,32 1,64 2,06 1,76 3,09 2,75
Mn 0,19 0,21 0,45 0,32 0,26 0,56 0,32
Сумма/Total 101,19 100,97 100,59 100,85 100,68 101,07 100,75
Примечание: порядковые номера соответствуют точкам анализируемых зёрен железа на рис. 4.
Note: index numbers correspond to the points of the investigated grains in Fig. 4.
61
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
50мкт
Рис. 4. Включения самородного железа в феррокерсутите; цифрами обозначены анализируемые точки зёрен Fig. 4. Native iron impurities in ferrokaersutite; the investigated points of grains are marked with the figures
Таким образом, в изученных гранитоидах главной фазы комплекса самородные металлиды железа с примесью Ti, Mn и беспримесное железо (феррит) установлены лишь в плагиограните Новониколаевского массива (г. Россыпуха). Глобули (Fe,Ti,Mn), преимущественно микронных размеров, оказались законсервированными в феррокер-сутите - ксеногенном амфиболе для гранитных пород. Появление ксенокристалла феррокерсутита, присутствие в продукте его распада - железосодержащем рутиле примеси Cr, типоморфного элемента базитовых магм, обязано порции реликтового габ-броидного расплава, поступившего с плагиогранит-ной магмой в камеру кристаллизации. Судя по химическому составу феррокерсутита (обогащённость титаном, железом, обилие включений глобулей ме-
таллидов), инъецированный ксеногенный материал, по сути, представлял собой металлизированный расплав основного состава, производный первой габброидной фазы. В гранитоидах завершающих третьей и четвертой фаз внедрения - лейкоплагио-гранитах и лейкогранитах, самородное железо среди акцессорных минералов, а также в форме включений в породообразующих не установлено. Лишь в роговообманковом лейкоплагиогранит-порфире 3 фазы (Новониколаевский массив) отмечено сферическое зерно магнетита размером 0,1...0,15 мм железо-чёрного цвета с металлическим блеском. В срезе глобуль имеет однородное строение (рис. 6), довольно выдержанный химический состав, проанализированный по диаметру зерна, и отвечает практически чистому магнетиту с незначительной
62
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
Рис. 5. Округлое зерно самородного железа с извилистыми границами; по краю зерна тёмно-серые округлые пустотки газовых пузырьков
Fig. 5. Rounded grain of native iron with wavy boundaries; dark-grey rounded blebs on the periphery of the grain
примесью Mn (табл. 5). В центральном участке зерна наблюдается овальной формы пустотка размером 60x35 /лм (рис. 6), и не исключается её принадлежность ядру железа, выпавшему из магнетито-вой матрицы в процессе подготовки препарата. Шаровые оболочки магнетита вокруг ядер железа в магматических породах отмечаются многими исследователями [8-10, 18]. Согласно существующим представлениям [17, 19], окисление капель жидкого Fe происходит в раннемагматическую стадию в условиях понижения температуры и повышения кислородного потенциала по схеме: Fe^^-цит FeO^магнетит FeO-Fe2O3. Проведёнными элек-
тронно-микроскопическими исследованиями выделений промежуточной иоцитовой фазы в магне-титовой матрице не установлено, что, видимо, связано с резкой сменой умеренно-восстановительных условий кристаллизации на окислительные, неблагоприятные для обособления иоцита. Отсутствие в составе сферического магнетита примесей Ti, Al, Si, типоморфных для акцессорного титаномагнетита рассматриваемых пород [1-3], является следствием раннемагматического высокотемпературного окисления капельно-жидкого железа в условиях повышенной активности кислорода и относительной «сухости» расплава.
63
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
Рис. 6. Строение среза глобуля магнетита; в центре зерна тёмно-серое - пустотка
Fig. 6. Magnetite globule section structure; bleb is the dark-grey spot in the center of the grain
Таблица 5. Химический состав глобуля магнетита (мас. %) Table 5. Chemical composition of magnetite globule (wt. %)
Окислы/Oxides 1 2 3 4 5 6 7
FeO 30,12 30,34 30,49 30,03 30,26 29,98 30,33
Fe-Oi 66,95 67,45 67,78 66,76 67,25 66,64 67,43
MnO 0,33 0,41 0,33 0,27 0,33 0,29 0,28
Сумма/Total 97,4 98,2 98,6 97,06 97,84 96,91 98,04
Примечание: 1) содержание FeO и Fe2O3 получены пересчётом суммарного содержания железа пропорционально их стехиометрическому соотношению в магнетите; 2) порядковые номера соответствуют анализируемым точкам зерна магнетита, обозначенных на рис. 6.
Note: 1) FeO and Fe2O3 contents were obtained by recalculation of total iron content proportionally to stoichiometric ratio in magnetite; 2) index numbers correspond to the studied points of magnetite grains marked in Fig. 6.
Кристаллохимические формулы магнетита (соответствуют номерам анализа):
1 (Fe0,996Mn0,011)1,007Fe 1,995O4 3. (Fe0,996Mn0,014)1,01Fe1,994O4 6. (Fe0,997Mn0,009)1,006Fe 1,996O4
Заключение
Из изложенного материала следует, что в процессе становления в средне-верхнедевонское время полифазного алейско-змеиногорского гранитоид-ного комплекса проявилась металлизация магматического расплава железо-титан-марганцевой и ферритовой направленности. В настоящее время общепризнано объяснение сферической формы индивидов самородных металлидов как результат их
64
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
ликвационного обособления из алюмосиликатного расплава в виде рудных капель, восстановленных под воздействием интрателлурического флюида, содержащего H, CH4, CO и др. [4, 10]. На резко восстановительный режим флюидов на ранних этапах эволюции «сухих» высокотемпературных алюмосиликатных расплавов указывается рядом исследователей [20], однако масштабность процесса металлизации в производных последовательных инъекций расплава была резко различной. Наиболее активно процесс ликвации железо-титан-мар-ганцевых металлидов проявился в базитовом расплаве, сформировавшем габброиды первой фазы внедрения, на что указывает присутствие в плаги-ограните главной фазы ксеногенных кристаллов феррокерсутита, геденбергита - типоморфных минералов габброидных магм. Обильные включения законсервированных в феррокерсутите округлых зёрен металлидов (Fe,Ti,Mn), нахождение среди акцессорий феррита в значительной мере обязано металлизированному габброидному расплаву, поступившему в камеру кристаллизации в процессе продвижения плагиогранитной магмы главной интрузивной фазы. Ликвация капель металлидов (Fe,Ti,Mn) и феррита в габброидном расплаве, видимо, имела место в промежуточном мантийном очаге под воздействием восстановительных интра-теллурических флюидов, водородных и углеводородных по составу. Судя по насыщенности ферро-керсутита K2O, мантийные флюиды транспортировали калий, который в форме легколетучих бескислородных соединений может также выступать в роли восстановителя [17]. Температура отделения металлических фаз железа с примесью Ti, Mn и беспримесного косвенно оценивается по их парагенетической ассоциации с корундом, рутилом, температура плавления которых более 1500 °С. Согласно диаграмме устойчивости самородных металлов, окислов и силикатов в зависимости от температуры и фугитивности кислорода [17], совместное нахождение самородного железа, корунда, рутила возможно при температуре до 1550 °С в интервале значений lgfO2 от -30 до -25. Подобные значения T и fO2 наиболее вероятны для глубинного промежуточного магматического очага. Видимо, на раннем этапе развития габброидного магматизма существовали благоприятные условия для формирования и отделения флюидного рудного
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Туркин Ю.А. Тоналит-плагиогранит-лейкогранитовая формация Рудного Алтая // Природные ресурсы Горного Алтая. -2009. - № 2. - С. 70-79.
2. Туркин Ю.А., Новоселов К.Л. Петролого-геохимические особенности девонских гранитоидов северо-западной части Рудного Алтая // Известия ТПУ. - 2012. - Т. 321. - № 1. - С. 5-15.
3. Новоселов К.Л., Туркин Ю.А. Типоморфизм акцессорного титаномагнетита девонских гранитоидов северо-западной части Рудного Алтая // Известия ТПУ. - 2014. - № 1. - Т. 324. -С. 5-14.
расплава, обогащенного железом, титаном, марганцем. Сохранению устойчивости отделившейся металлической фазы железа способствовала также весьма низкая активность серы в магматическом раплаве.
Редкие находки глобулей железа в гранитоид-ных дифференциатах заключительных фаз свидетельствуют о существовавших условиях для восстановления и ликвации металлической фазы Fe, которые могли реализоваться как в мантийном промежуточном очаге, так и в процессе продвижения расплава по магмоподводящему каналу. Однако весьма ограниченная распространённость акцессорных металлидов железа, в том числе продукта их окисления - глобулей магнетита, связана с ослаблением режима водородно-углеродистых мантийных флюидов, ростом кислородного потенциала и щёлочности заключительных порций лейкогранитного расплава. На высокий кислородный потенциал формирования лейкократовых гранитов заключительной фазы, их обогащённость железом указывает широко распространённый раннемагматический акцессорный гематит, повышенные же-лезистость и титанистость хлорбиотита, неструктурная примесь Fe3+ в плагиоклазе, калишпате.
Выводы
1. На начальной стадии эволюции полифазной магматической системы - этапе формирования габброидного расплава в условиях высоких температур и «сухости» расплава под воздействием интрателлурических водородно-углеродистых флюидов и при участии бескислородных соединений калия, проявилась интенсивная ликвация металлической фазы железа с примесью Ti и Mn из габброидного расплава и создавала на раннем этапе предпосылки для формирования рудоносных магматических систем.
2. В процессе длительно эволюционирующего гра-нитоидного расплава в мантийном промежуточном очаге резко восстановительный режим флюидов сменялся на возрастающую фугитив-ность кислорода, повышающуюся щёлочность расплава, что не способствовало проявлению процесса металлизации лейкогранитного расплава заключительной фазы становления гра-нитоидного комплекса.
4. Маракушев А.А. Петрогенезис. - М.: Недра, 1988. - 293 с.
5. Минералы. Справочник, Т. III, вып. 3. - М.: Изд-во «Наука», 1981. - 397 с.
6. Пятенко Ю.А., Воронков А.А., Пудовкина З.В. Минералогическая кристаллохимия титана. - М.: Наука, 1976. - 155 с.
7. Бритвин С.Н. Сложные оксиды и силикаты титана, ниобия и тантала в щелочных системах: кристаллохимия, условия образования, свойства и новые области применения: автореф. дис. ... д-ра наук. - СПб., 2013. - 42 с.
8. Трунилина В.А. Самородные металлы и интерметаллические соединения в магматических породах Верхояно-Колымских мезозоид // Самородное металлобразование в магматическом
65
Новоселов К.Л. Генетические особенности самородного железа и продуктов его окисления в девонских ... C. 56-67
процессе: сб. науч. трудов. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1991.- С. 157-176.
9. Сандимирова Е.И. Микросферулы как индикаторы флюидных (флюидно-магматических) процессов областей современного вулканизма // Вулканизм и геодинамика: IV Всеросс. симпозиум по вулканологии и палеовулканологии. - Петропавловск-Камчатский, 2009. - С. 806-809.
10. Гребенников А.В. Эндогенные сферулы мел-палеогеновых иг-нимбритовых комплексов Якутинской вулкано-тектонической структуры (Приморье) // Зап. Рос. Минер. общ-ва. -2001. - Ч. CXXXX. - № 3. - С. 56-68.
11. Fredriksson K., Martin R. The origin of black spherules found in Pacific islands, deep-sea sediments, and Antarctic ice // Ge-ochim. et Cosmochim. Acta. - 1963. - V. 27. - P. 245-248.
12. Lefe’vre R., Gaudichet A., Billon-Galland M.A. Silicate microspherules intercepted in the plume of Etna volcano // Nature. -1986. - V. 322. -P. 817-820.
13. McCall G.J.H. Tectites: Showers of Glass from the Sky. - London, Geological Society, 2001. - 256 p.
14. Haggerty S.E., Toft P.B. Native iron in the continental lower crust: petrological and geophysical implications // Science. -16 August 1985. - V. 229. - P. 647-649.
15. Леммлейн Г.Г. Морфология и генезис кристаллов. - М.: Наука, 1973. - 328 с.
16. Самородное металлобразование в магматическом процессе: сб. науч. трудов. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1991. - 184 с.
17. Самордное металлобразование в платформенных базитах / Б.В. Олейников, А.В. Округин, М.Д. Томшин и др. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1985. - 188 с.
18. О магматической природе самородного железа в гранитоидах и продуктах его окисления / В.Д. Тян, П.В. Ермолов, Н.В. Попов, Т.К. Рафиков // Геология и геофизика. - 1976. - № 5. -С. 48-54.
19. Оценка физико-химических условий появления и устойчивости самородных металлов в магматических образованиях / И.А. Зотов, Б.В. Олейников, А.В. Округин, Е.Б. Курдюков // Докл. АН СССР. - 1980. - Т. 255. - № 5. - С. 1260-1264.
20. Флюидный режим Земли и проблема крупномасштабного рудообразования (на примере халькофильных металлов) /
В.С. Кузебный, А.Л. Павлов, Ф.М. Ананьев и др. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ие, 1991. - 161 с.
Поступила 07.07.2015 г.
UDC 549.26:549.643.25:553.212
GENETIC FEATURES OF NATIVE IRON AND PRODUCTS OF ITS OXIDATION IN DEVONIAN GRANITOIDS OF THE ALEYSK-ZMEINOGORSKY COMPLEX (NORTH-WESTERN AREA OF RUDNY ALTAI)
Konstantin L. Novoselov,
National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634034, Russia. E-mail: [email protected]
The relevance of researching the native iron-ore mineral formation is determined by identifying mineralogical and physical and chemical criteria for potential ore bearing of the polyphase Aleysk-Zmeinogorsky granitoid complex which occupies the most north-western part of the Russian Rudny Altai territory.
The aim of the research is a detailed and comprehensive description of morphology, chemical composition, occurrence, paragenesis and time of native iron metallides segregation in the course of evolutionary development of a fluid-magmatic system.
Research methods include conventional mineralogical and petropgraphlcal methods, as well as mineragraphic methods targeting at investigation of the accessory native iron and its associated minerals obtained from crashed granitoid samples according to a common procedure. To carry out analytical studies, the author used the X-ray spectral analysis methods performed on an electronic scanning microscope JSM-6510LV (Jeol Ltd) fitted with an energy-dispersive spectrometer INCA Energy 350+ in a laboratory of the Geology and Mineralogy Institute of the Siberian branch of the Russian Academy of Science (Novosibirsk) (by an analyst M.V. Khlestov).
Research outcomes. The author identified the presence and distribution of accessory native iron microspheres in rocks of successive phases of the granitoid complex formation and singled out two microsphere varieties by chemical composition, i. e. iron with Ti and Mn impurities and pure iron (ferrite); thoroughly studied the structure, chemical composition and breakdown structure of a xenogenic crystal of ferrokaersutite genetically related to a metalized gabbroid silicate melt supplied to the hypabyssal crystallization chamber by plagiogranitic melt in plagiogranitic rocks of the main intrusion phase. Paragenetic associations of native iron, as well as location and conditions of native Fe phase segregation out of a silicate melt of the native phase were identified.
Conclusions. A liquation separation of a metallic phase of iron, including iron with Ti, Mn impurities, clearly manifested itself at an early magmatic stage of a gabbroid melt formation in an intermediate vent under the effect of a reducing intratelluric hydrogen-carbonic fluid together with active action of potassium. The limited occurrence of native Fe globules in derived granitoid melts, especially in finishing leucogranit differentiates, are related to weakening the reducing character of mantle fluids which are displaced by the hyperalkaline fluids with increased potential oxygen. The obtained new data have high petrological importance and practical value for identifying a potential productivity of a granitoid complex for iron-titanium ore mineralization.
Key words:
Globules, native iron, ferrokaersutite, breakdown structure of a solid solution, granitoids.
66
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9
REFERENCES
1. Turkin Yu.A. Tonalit-plagiogranit-leykogranitovaya formatsiya Rudnogo Altaya [Tonalite-plagiogranite-leucogranite formation of Rudny Altai]. Prirodnye resursy Gornogo Altaya, 2009, no. 2, pp. 70-79.
2. Turkin Yu.A., Novoselov K.L. Petrologo-geokhimicheskie oso-bennosti devonskikh granitoidov severo-zapadnoy chasti Rudnogo Altaya [Petrological and geochemical features of Devonian granitoids in north-west part of Rudny Altai]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2012, vol. 321, no. 1, pp. 5-15.
3. Novoselov K.L., Turkin Yu.A. Tipomorfizm aktsessornogo tita-nomagnetita devonskikh granitoidov Severo-zapadnoy chasti Rudnogo Altaya [Accessory titanomagnetite typomorphism of Devonian granitoids in north-western area of Rudny Altai]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2014, vol. 324, no. 1, pp. 5-14.
4. Marakushev A.A. Petrogenezis [Petrogenesis]. Moscow, Nedra Publ., 1988. 293 p.
5. Mineraly. Spravochnik [Minerals]. Moscow, Nauka Publ., 1981. Vol. III, Iss. 3. 397 p.
6. Pyatenko Yu.A., Voronkov A.A., Pudovkina Z.V. Mineralo-gicheskaya kristallokhimiya titana [Mineralogical crystalloche-mistry of titanium]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 155 p.
7. Britvin S.N. Slozhnye oksidy i silikaty titana, niobiya i tantala v shchelochnykh sistemakh: kristallokhimiya, usloviya obrazovani-ya, svoystva i novye oblasti primeneniya. Dis. Doct. nauk [Complex oxides and silicates of titanium, niobium and tantalum in alkali systems: crystal chemistry, conditions of formation, properties and new applications. Dr. Diss.]. St-Petersburg, 2013. 42 p.
8. Trunilina V.A. Samorodnye metally i intermetallicheskie soe-dineniya v magmaticheskikh porodakh Verkhoyano-Kolymskikh mezozoid [Native metals and intermetallic compounds in magmatic rocks of Verkhoyansk-Kholymsky mesozoids]. Samorodnoe metallobrazovanie v magmaticheskom protsesse: Sbornik nauch-nykh trudov [Standard metal-formation in magmatic process: proc.]. Yakutsk, YaNTs SO AN SSSR Press, 1991. pp. 157-176.
9. Sandimirova E.I. Mikrosferuly kak indikatory flyuidnykh (fly-uidno-magmaticheskikh) protsessov oblastey sovremennogo vul-kanizma [Microspherules as indicators of fluid (fluid-magmatic) processes occurring in areas of present volcanism]. Vulkanizm i geodinamika. IV Vserossiyskiy simpozium po vulkanologii i paleo-vulkanologii [Volcanism and geodynamics. IV All-Russian symposium in volcanology and paleo-volcanology]. Petropavlovsk-Kamchatsky, 2009. pp. 806-809.
10. Grebennikov A.V. Endogennye sferuly mel-paleogenovykh ignim-britovykh kompleksov Yakutinskoy vulkano-tektonicheskoy struktury (Primore) [Endogeneous spherules of cretaceous-paleo-gene ignimbrite complexes of Yakutinsky volcanic-tectonic structure]. Zapiski RMO, 2001, no. 3, P. CXXXX, pp. 56-68.
11. Fredriksson K., Martin R. The origin of black spherules found in Pacific islands, deep-sea sediments, and Antarctic ice. Geochim. et Cosmochim. Acta, 1963, vol. 27, pp. 245-248.
12. Lefe’vre R., Gaudichet A., Billon-Galland M.A. Silicate microspherules intercepted in the plume of Etna volcano. Nature, 1986, vol. 322, pp. 817-820.
13. McCall G.J.H. Tectites: Showers of Glass from the Sky. London, Geological Society, 2001. 256 p.
14. Haggerty S.E., Toft P.B. Native iron in the continental lower crust: petrological and geophysical implications. Science, 16 august 1985, vol. 229, pp. 647-649.
15. Lemmleyn G.G. Morfologiya i genezis kristallov [Morphology and genesis of the crystals]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 328 p.
16. Samorodnoe metallobrazovanie v magmaticheskom protsesse: Sbornik nauchnykh trudov [Native metals formation in magmatic process]. Yakutsk, YaNTs SO AN SSSR Press, 1991. 184 p.
17. Oleynikov B.V., Okrugin A.V., Tomshin M.D. Samorodnoe metal-lobrazovanie v platformennykh bazitakh [Native metals formation in platform basites]. Yakutsk, YaF SO AN SSSR Press, 1985.
188 p.
18. Tyan V.D., Ermolov P.V., Popov N.V., Rafikov T.K. O magma-ticheskoy prirode samorodnogo zheleza v granitoidakh i produk-takh ego okisleniya [About the magmatic nature of native iron in granitoids and products of its oxidation]. Geologiya i geofizika, 1976, no. 5, pp. 48-54.
19. Zotov I.A., Oleynikov B.V., Okrugin A.V., Kurdyukov E.B. Ot-senka fiziko-khimicheskikh usloviy poyavleniya i ustoychivosti samorodnykh metallov v magmaticheskikh obrazovaniyakh [Assessment of physical and chemical conditions of occurrence and sustainability of native metals in magmatic formations]. Doklady AN SSSR, 1980, vol. 255, no. 5, pp. 1260-1264.
20. Kuzebny V.S., Pavlov A.L., Ananev F.M. Flyuidny rezhim Zemli i problema krupnomasshtabnogo rudoobrazovaniya (na primere khalkofilnykh metallov) [Earth’s fluid conditions and the issue of large-scale ore formation on the example of chalcophilic metals]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1991. 161 p.
Received: 07 July 2015.
67
