CC BY
87
© Е.П. Мельников, 2014
УЛК 552.16: 553.576 Е.П. Мельников
МЕТАМОРФИЗМ КАК ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ПРИРОДНЫЙ МЕТОД ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Рассмотрены содержание, терминология, классификация, геологическая и минерагеническая роль процессов метаморфизма в геологической истории Земли (формирование одного из важнейших слоев в земной коре — гранитно-метаморфического) и образование полезных ископаемых (железорудных, марганцевых, титановых, медно-никелевых, колчеданных меднорудных с золотом и редкими металлами, собственно золоторудных и широкий спектр месторождений нерудного сырья — промышленного и благородного ювелирного корунда, алмазов технического назначения, шпинели, силлиманит-ан-далузит-кианитовых, пьезокварцевых, силектитового и жильного первично кристаллизованного и гранулированного тико- и хонэкварца, кристаллического графита, слюды мусковита и флогопита, лазурита, родонит-родохрозитовых, пироп-альмандиновых, мраморных, гнейсовых, кварцитовых и т.д.)
Особо подчеркивается значение процессов полиметаморфизма в перекристаллизации и тенденции очищения минералов от посторонних минеральных и структурных примесей вплоть до кристаллической решетки в полиэтапно формирующихся комплексах [8]. Такое стремление индивидов к идеальной мономинеральности при определенных условиях правомерно сравнивать со специфическим процессом природного «обогащения» полезных ископаемых, что и показано в данной статье на примере впервые открытых нами на Урале месторождений дефицитного сырья гранулированного тико- и хонэкварца для важнейших отраслей науки и техники [9-10]. Ключевые слова: метаморфизм, полиметаморфизм, полезные ископаемые, золото, редкие металлы, нерудное сырье, обогащение.
Термин «метаморфизм» означает изменение осадочных и магматических горных пород (перекристаллизация, минералогические и химические преобразования), в результате которого они превращаются в метаморфические горные породы. Метаморфизм подразделяется на эндогенный, происходящий под воздействием на породы тепла, флюидов, а также давления вышележащих слоёв
490
Земли, и космогенный, возникающий в астроблемах (крупных метеоритных кратерах) при воздействии на породы ударных волн, порождаемых падениями крупных метеоритов.
Эндогенный метаморфизм подразделяется на региональный и контактовый. В результате регионального метаморфизма образуются метаморфические сланцы (филлиты, слюдяные сланцы, гнейсы, амфиболиты, пироксен-плагиоклазовые сланцы, эклогиты), кварциты и мраморы. Этому типу метаморфизма подвергаются геосинклинальные вулканогенные, вулканогенно-осадочные и осадочные отложения в ходе эволюционного развития складчатых поясов [6].
В посторогенную стадию метаморфические складчатые толщи могут подвергаться расколам, вдоль которых развивается их повторный низкотемпературный метаморфизм (диафторез). Контактовый метаморфизм происходит в непосредственной близости от интрузий или экструзий магм под воздействием на вмещающие породы отделяющихся от них флюидов и тепла [3, 2].
Метаморфические минеральные фации определяют области термодинамической устойчивости метаморфических пород. На схеме (рисунок) они выделены относительно температуры и лито-статического давления, определяемого глубиной протекания метаморфических реакций (массой вышележащих пород). Главные типы метаморфических пород, выделяемые на этой схеме, дополнительно характеризуются входящими в их состав минералами-индикаторами — показателями термодинамических условий метаморфизма. Эти минералы могут иметь постоянный или переменный состав. Из характерных в этом отношении минералов постоянного состава на рассматриваемую схему вынесены андалузит, силлиманит и кианит. Эти минералы имеют одинаковый состав А^БЮз, но образуются в различных условиях температуры и давления, так что различаются минеральные фации андалузитовых, силлиманитовых и кианитовых метаморфических пород.
Минералы переменного состава, находящиеся в метаморфических породах, также показательны в отношении условий их образования. На схеме отражены вариации состава граната в силлима-нит-кордиеритовых гнейсах. Линии его постоянной железистости (100-90-80-50) разделяют на ней фации глубинности образования метаморфических пород [4, 3].
На схеме показана также область устойчивости бухитов и мигматитов, в которой метаморфизм сопровождается развитием кислого
491
Температура, °С
Схема минеральных фаций метаморфических горных пород: 1 — пор-фиритов и глинистых сланцев, 2 — зеленокаменных пород и филлитов, 3 — зелёных (хлоритовых), серицитовых и мусковитовых сланцев, 4 — эпидотовых амфиболитов и двуслюдяных гнейсов, 5 — амфиболитов и биотитовых гнейсов, 6 — мигматитов, пироксен-плагиоклазовых сланцев и гнейсов, 7 — контактовых роговиков, 8—бухитов (роговиков со стеклом, связанным с частичным плавлением пород при метаморфизме). Цифрами на линиях обозначается железистость (Рех100^
I-I граната в силлиманит-кордиеритовых гнейсах, определяющая фации
^ Ре + Мд )
глубинности метаморфических пород: кордиеритовых роговиков без граната (выше линии 100), малоглубинных гнейсов и гранатовых роговиков (90-100), гнейсов средней глубинности (80-90), глубинных гнейсов и гранат-пироксен-плагиоклазовых (эклогитовых), сланцев (50-80), очень глубинных гнейсов (гипер-стен-силлиманитовых, кварц-сапфириновых и др.) и эклогитов (ниже линии 50)
магматизма. Такой метаморфизм называется ультраметаморфизмом. Линия геотермического градиента определяет на схеме общее возрастание температуры с глубиной: метаморфизм всегда происходит при более высокой температуре по сравнению с этим геотермическим фоном и связан с подъемом геоизотерм, обусловленным восходящими потоками ювенильных метаморфизующих флюидов. Метаморфизм в условиях повышения температуры сопровождается дегидратацией минералов и называется прогрессивным (метаморфизм обратного направления называется регрессивным). Сланцевая, гнейсовая,
492
амфиболитовая текстуры метаморфических пород обусловлены развитием метаморфизма в условиях стресса (направленного давления, вызывающего складчатость и другие деформации слоистых толщ). Со стрессом связывается также метаморфическая дифференциация, в ходе которой происходит перераспределение вещества в породах и образование полосчатых и других такситовых текстур. Метаморфизм всегда сопровождается существенными изменениями химического состава пород. В тех случаях, когда эти изменения касаются главным образом летучих компонентов (Н2О, СО2 и др.), метаморфизм условно называется изохимическим, при более радикальных изменениях состава — аллохимическим.
При крайнем выражении аллохимической природы метаморфизма при постоянстве объёма (независимо от литостатического давления) используется термин метасоматизм.
Космогенный метасоматизм связан с резким кратковременным возрастанием температуры и давления под воздействием на породы ударных волн, порождаемых падениями крупных метеоритов. Он приводит к образованию импактитов, в которых встречаются минералы высокого давления (стишовит, коэсит, мелкие алмазы и др.) совместно с продуктами плавления, деформации и дробления минералов исходных пород.
Метаморфизованные месторождения полезных ископаемых возникают при радикальном изменении ранее существовавших тел полезных ископаемых вследствие процессов регионального и локального метаморфизма с потерей большинства признаков их первичного генезиса. В процессе регионального метаморфизма тела полезных ископаемых сплющиваются. Строение минеральной массы приобретает черты, свойственные метаморфическим горным породам.
Типичные представители — месторождения железных руд Криворожского железорудного бассейна и Курской магнитной аномалии, месторождения графита Красноярского края в СССР, месторождения руд марганца Бразилии и Индии, месторождения руд золота и урана Витватерсранда в ЮАР, месторождение свинцово-цинковых руд Брокен-Хилл в Австралии [5, 7].
К ним же принадлежат залежи графита, сформировавшиеся в ореоле гранитов по пластам каменного угля, а также месторождения корунда и наждака, образованные по бокситам в сходных условиях.
Метаморфические месторождения полезных ископаемых — залежи полезных ископаемых, возникающие вследствие метаморфизма
493
горных пород. Например, при метаморфическом преобразовании известняков возникают мраморы, при метаморфизме песчаников формируются кварциты, при низкой ступени метаморфизма глинистых сланцев могут образоваться кровельные сланцы, а при высокой — месторождения андалузита, кианита и силлиманита, нефрита. К метаморфическим месторождениям относят месторождения золота в метаморфизованных толщах углеродсодержаших чёрных сланцев, образовавшихся при метаморфической мобилизации и концентрации первичного рассеянного золота до промышленных кондиций (например, Поркьюпайн в Канаде). С особым типом ударного метаморфизма, сопровождающим падение небесных тел, формирующих астроблемы, и отличающимся стремительным и огромным возрастанием давления и температуры, связано возникновение импактитов, содержащих скопления мелких алмазов (Восточная Сибирь) [6].
Заслугой сотрудников (Д.А. Великославинский, С.Н. Глебовиц-кий, Ю.М. Соколов и др.) Института геологии и геохронологии докембрия (ИГГД в Ленинграде — Санкт-Петербурге) в 1970-х годах явилось выделение среди метаморфических пород трех генетических классов, названных, по предложению ученых из Сибирского отделения Академии наук СССР (Н.Л. Добрецов, Н.В. Соболев и др.), с учетом времени и последовательности проявления метаморфизма:
• параметаморфический — метаморфизованные осадочные и осадочно-вулканогенные породы;
• реометаморфический — переотложенные в процессе метаморфизма руды и горные породы;
• ортометаморфический — возникшие в процессе метаморфизма рудные и нерудные полезные ископаемые.
К параметаморфическому классу относятся месторождения известняков, доломитов, мраморов, зеленых сланцев, кварцитов (в т.ч. окисно-спессартиновых гондитов), гнейсов, однотонных и полосчатых яшм, золото-алмаз-урановые древние погребенные и сла-бометаморфизированные россыпи ЮАР, колчеданные меднорудные месторождения Урала, медно-никелевые месторождения Кольского полуострова России.
Реометаморфические месторождения представлены корундом и силлиманитом, родонитом, родохрозитом. шпинелью, гранатом-альмандином, амфибол-асбестом, кристаллическим графитом и др.
Ортометаморфический класс составляют специфические высокобарические полезные ископаемые — слюда-мусковит прибай-
494
кальского и среднеуральского типа, памирский и прибайкальский лазурит, пьезокварц бразильского и приполярно-уральского типов, первично кристаллизованный и гранулированный тикокварц жильного Кыштымского типа. силектитовый тикокварц уфалейского типа, жильный тико- и хонэ-метакварц средне- и южноуральского типа, рутил-ильменитовые месторождения восточно-уфалейского типа.
В процессе изучения открытия на Урале нового вида минерального сырья — гранулированного кварца, использующегося для получения высокочистых кварцевых концентратов, применяемых в микроэлектронике, солнечной энергетике, оптоволоконной связи, светотехнике, оборонной и космической промышленности был установлен его генезис при проявлении а-в трансформации, рекристаллизации, грануляции бластеза и автолизии первичных средне-крупнозернистых индивидов кварца в равномерно мелко-среднезернистый (гранулированный ) агрегат.
Одновременно выяснилось, что метаморфические преобразования в условиях эпидот-амфиболитовой, гранулитовой и эклогито-вой фаций высоких давлений происходит не только механическое измельчение первичных кварцевых агрегатов, но и существенное освобождение зерен новообразованного кварца от минеральных и элементных примесей в виде неструктурной примеси или находящихся в структурной решетке каждого зерна. Это явление было названо нами «метаморфическим методом природного освобождения минераль-
Геолого-промышленный тип кварца
Коэффициент светопропуска-ния Т, %
Коэффициент алюминиевости Ка
Сумма окрашивающих элементов 2ок. зл.
(п-10-4%)
Кварцево-жильный первично кристаллизованный
17-23
44
12
Кварцево-жильный гранулированный
72-75
31
7
Примечание: Т (коэффициент светопропускания) = 1/10-100%, где 10 — интенсивность падающего светового потока, I — интенсивность выходящего светового потока; Ка (коэффициент алюминиевости) = Д1/2общ. эл.-100%, где А1 — содержание алюминия в кварце по данным спектрохимического анализа, 2общ эл — общая сумма элементов-примесей в кварце ("П+Ре+Мп+Си+№+ +Сг+РЬ+На+Ы+К+Са+Се+Мд+А1); 2окр эл — сумма окрашивающих элементов-примесей в кварце (Си+№+Сг+РЬ+Мд+Ре+"П).
495
ных индивидов от газово-жидких, твердых и структурных примесей, сравнимым с технологическим обогащением природного сырья [9].
В таблице приведены конкретные качественно-количественные показатели описанного явления: при метаморфизме исходного кварца коэффициент светопропускания гранулированного (метамор-физованного) кварца возрастает в 3-4 раза; коэффициент алюми-ниевости уменьшается в 1,4 раза; сумма окрашивающих элементов примесей уменьшается в 1,7 раза.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Словарь иностранных слов. — М.: Русский язык, 1982. — 608 с.
2. Соколов Ю.М., Мельников Е.П., и др. Минерагения метаморфогенных месторождений горного хрусталя и гранулированного кварца. — Ë.: Наука, 1977. — 113 с.
3. Добреиов Н.Л. Принципы классификации и номенклатуры метаморфических пород. Геология метаморфических комплексов: Межвузовский научно-тематический сборник. — Свердловск: СГИ, 1988. — 112с.
4. Мельников Е.П., Кейльман Г.А. и др. Филогенез мусковитовых месторождений Урала. В кн.: Мусковитовые пегматиты СССР. — Ë.: Наука, 1975. — С. 214-217.
5. Метаморфогенное образование. — М.: Наука, 1977. — 279 с.
6. Горная энциклопедия. Т. 3. — М.: Советская энциклопедия, 1987. — С. 310-312.
7. Маракушев А.А. Петрогенезис и рудообразование. — М.: Наука, 1979.
8. Мельников Е.П., Колодиева С.В. и др. Методы изучения и оценки месторождений кварцевого сырья. — М.: Недра, 1990. — 168 с.
9. Мельников Е.П. Геология, генезис и промышленные типы месторождений кварца. — М.: Недра, 1988. — 216 с.
10.Патент СССР на изобретение № 261574 от 01.09.1987 г. «Способ получения искусственного кристалла кварца» // Мельников Е.П. и др. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Мельников Евгений Павлович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология художественной обработки материалов (ТХОМ)», Московский государственный горный университет, [email protected]
496
