Флюидные включения в «сливном» кварце Ока-Урикского блока (Восточный Саян)

Полный текст

Наиболее изученным в пределах Гарганского кварценосного района является Ока-Урикский блок, который включает в себя месторождение Бурал-Сардык. Геология и модели образования кварцитов Ока-Урикского блока детально изложены в работах (Воробьев и др., 2003; Федоров и др., 2012; Макрыгина, Федоров, 2013; Анфилогов и др., 2015). Для уточнения моделей и разработки процессов получения особо чистых кварцевых концентратов необходимо изучить состав и характер распределения флюидных включений (ФВ) в кварце.

«Сливной» кварц, отобранный в юго-западной части Ока-Урикского блока, рассматривается в работе как новый источник сверхчистого кварцевого сырья. На основе такого сырья можно производить оптическое кварцевое стекло для видимой и ближней инфракрасных областей спектра, а также термостойкую кварцевую керамику самого широкого применения (Непомнящих и др., 2018). Таким образом, исследование ФВ в кварцитах является не только актуальной задачей, но и необходимым условием для установления возможностей их практического использования и последующей разработки конечной схемы получения из них кварцевых концентратов.

ГЕОЛОГИЯ ОКА-УРИКСКОГО БЛОКА

Кварциты Ока-Урикского блока слагают четыре изолированных друг от друга горных массива северо-восточного простирания, занимающих, в общей сложности, площадь около 30 км². В центральной части самого крупного из них расположено месторождение Бурал-Сардык (Воробьев и др., 2003; Федоров и др., 2012; Макрыгина, Федоров, 2013; Анфилогов и др., 2015; Fedorov et al., 2018).

Кварциты Ока-Урикского блока представляют собой пачку существенно кремнистых пород в средней части кремнисто-карбонатной иркутной свиты неопротерозойского возраста. Иркутная свита вместе с перекрывающей ее уртагольской представляют собой осадочно-метаморфогенный чехол Гарганской глыбы архейского возраста. Фундамент и чехол Гарганской глыбы прорывается крупными массивами гранитоидов Сумсунурского комплекса тоналит-трондьемит-гранодиоритового типа, возрастом 790 млн лет (Кузьмичев, 2004).

«Сливной» кварц впервые был обнаружен нами на северо-западном участке Ока-Урикского блока, но имеет здесь весьма ограниченное распространение. Элювиально-делювиальные развалы «сливного» кварца распространены на северо-западных склонах в привершинной части хребта.

МЕТОДЫ И АППАРАТУРА

Исследования ФВ проводились в двухсторонне полированных прозрачных пластинах как в проходящем, так и в отраженном свете с помощью микроскопа Olympus ВХ 51. Для фотографирования препаратов использовались фотокамеры PixeLink 1394 и QImagingMicroPublisher 5.0 RTV. После визуального исследования от пластинки механически отделялись участки, содержащие наиболее подходящие для изучения ФВ. Размеры таких участков составляли от 3 × 3 до 4 × 4 мм.

Микрокриотермометрические параметры были замерены с помощью криотермокамеры Linkam THMSG-600 (ЦКП «Изотопно-геохимических исследований» ИГХ СО РАН). Камера оборудована управляющим программным обеспечением LinkSys 32-DV и позволяет измерять температуры фазовых переходов в интервале от –196 до +600 °С с точностью ±0.1 °С в интервале температур от –20 до +80 °С и ±1 °С за пределами этого интервала.

Изучались преимущественно двухфазовые ФВ размером более 5 мкм. В момент исчезновения газового пузырька при нагревании препарата в камере фиксировали температуры полной гомогенизации в жидкость. Расчеты концентраций солей проводились с использованием программы FLINCOR (Brown, 1989), а также данных из работы (Bodnar, 1993).

Определение содержания летучих компонентов в образцах проводилось В. А. Крейсбергом на химическом факультете МГУ методом кинетической термодесорбционной масс-спектрометрии с количественным анализом потоков веществ, выделяющихся в высокий вакуум при прогреве образца определенной степени дисперсности от комнатной температуры до 1400 °С в ступенчатом режиме нагрева (Крейсберг и др., 2007).

Пробоподготовка осуществлялась в Институте геохимии СО РАН. Образцы готовились в виде кварцевой крупки гранулометрического состава 174—450 мкм. Схема пробоподготовки для термодесорбционной масс-спектрометрии включает следующие процессы: ручное дробление до фракции –50 мм; промывка; дробление до фракции –25 мм; классификация до фракции +5 –25 мм; химическое травление куска с помощью 10% HCl; сушка; истирание в кварцевом истирателе.

Подготовленный образец загружался в ампулу из отожженного кварцевого стекла и вакуумировался в течение суток. Все слабо связанные, физически адсорбированные на поверхности примеси удалялись в высоком вакууме (10^–7—10^–8 торр) до начала масс-спектрометрического отжига. При последующем ступенчатом нагреве с интервалом в 200 °С постоянно регистрировалась кинетика выделения воды, а на изотермических участках нагрева записывался весь масс-спектр выделяющихся газообразных продуктов (Крейсберг и др., 2007).

Химическое обогащение (ХО) исходной кварцевой крупки проводилось по стандартной процедуре (Непомнящих и др., 2017) в смеси кислот 20 % HCl:10 %HF при соотношении жидкого к твердому (Ж/Т) 2:1; сушка кварцевой крупки — при температуре 120 ºС в вакуумном сушильном шкафу.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБРАЗЦОВ

Макроскопически порода представляет собой кварц от светло-серого и белого на сколах до серого цвета в пятнах. Порода характеризуется массивной текстурой без видимых минеральных включений, за исключением редких тончайших чешуек серицита. Образцы хотя и непрозрачны, но просвечивают в тонких сколах и имеют вид замутненного монокристалла кварца или горного хрусталя и поэтому получили название «сливных».

В породе слоистость не наблюдается, однако при микроскопическом изучении видно, что все зерна слегка вытянуты в одном направлении, при этом субпараллельная ориентировка проявлена слабо. Кварц характеризуются гранобластовым обликом. Размерность зерен по длинной оси: мелкобластовая — менее 0.5 мм; среднебластовая — 0.5—1 мм; крупно- и грубобластовая — 1 мм и более.

По взаимоотношениям составляющих в образце можно выделить агрегаты кварца двух генераций.

Кварц I генерации характеризуется зернами средне-, реже мелкобластовой размерности, с неравномерным облачно-волнистым и облачно-зональным погасанием. Скопление агрегатов формируют образования мозаичного облика. Морфология представлена изометричной округлой и неправильной формами. Границы зерен преимущественно раковистые и ровные, реже сутурные и мозаичные, иногда лапчатые между средне- и мелкобластовыми агрегатами (рис. 1).

Кварц II генерации представлен агрегатами от средне- до крупно- и грубобластовой размерности. Морфология — неправильная вытянутая, изометричная, слегка вытянутая в направлении общей субпараллельной ориентировки породы. При скрещенных поляризаторах наблюдается всегда неравномерное — облачное, облачно-зональное, облачно-волнистое и волнистое погасание. Границы — раковистые, округлые, ровные.

Наблюдается перекристаллизация и рост новообразованных крупно- и гигантобластовых агрегатов кварца II генерации на фоне реликтов кварца I генерации (рис. 1). Кварц I генерации представлен остатками некогда крупных зерен, разрушенных по краям до агрегатов средне- и мелкобластовой размерности.

 

Рис. 1. «Сливной» кварц. Агрегаты кварца I генерации (Q I) находится по краям агрегатов кварца II генерации (Q II).

Масштабная линейка составляет 1 мм. Фото сделано при скрещенных николях.

 

На фоне кварцевой массы редко встречаются единичные иголочки и чешуйки серицита размером менее 0.01 мм (рис. 2, б). Они распространены в образце неравномерно. В мелко- и среднебластовых агрегатах кварца I генерации вкраплений серицита меньше, чем в агрегатах кварца II генерации.

 

Рис. 2. «Сливной» кварц: а — флюидонасыщенность кварца II генерации (Q II), фото сделано при параллельных поляризаторах; б — взаимоотношения агрегатов кварца I генерации (Q I). Чешуйки серицита (Ser), флюидные включения (ФВ) внутри кварца. Фото сделано при скрещенных николях.

Масштабные линейки на рисунках a и б составляют 0.2 мм.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В табл. 1 приведены результаты измерения содержаний летучих компонентов, полученные нами на основе термодесорбционной спектроскопии.

 

Таблица 1

Содержание основных летучих компонентов в «сливном» кварце, ppm

Concentrations of major volatile components in «compact» quart, ppm

H2O			CO2	CO	CxHx	ΣC	H2	HCl	H2S	SO2
<600 °С	>600 °С	Всего
177.7	285	462.7	8.1	19.9	5.8	16.3	0.1	0.8	0.02	0.48

 

Наиболее важной характеристикой качества сырья является содержание высокотемпературных форм примесей, которые удаляются наиболее долго в процессе термической обработки и определяют прозрачность или пузырчатость получаемого стекла. Особую роль тут играет вода как основная по количеству примесей в кварце, не подвергнутом высокотемпературной термической обработке. В «сливном» кварце отмечаются повышенные содержания высокотемпературной воды (табл. 1). Существенное значение для получения прозрачного кварцевого стекла имеет концентрация CO в кварцитах. Выделение монооксида углерода СО несколько превышает критическую величину 15 ppm. Как по результатам визуальных и микротермометрических исследований ФВ, так по определениям методом термодесорбционной масс-спектрометрии в образцах установлено присутствие СО₂ в значимых количествах.

«Сливной» кварц обладает высокой флюидонасыщенностью. При этом в крупно- и гигантозернистых агрегатах кварца IIгенерации отмечается большее количество ФВ по сравнению с агрегатами кварца I генерации (рис. 2, a, 3).

Отличительной особенностью «сливного» кварца от других кварцитов Ока-Урикского блока (Волкова, Непомнящих, 2016; Волкова и др., 2017) является то, что ФВ широко распространены здесь внутри агрегатов кварца и реже в межзерновом пространстве (рис. 3, a). Кроме того, наблюдаются цепочки ФВ, приуроченные к трещинам, которые пересекают сразу несколько зерен. Размеры ФВ в таких цепочках менее 2 мкм.

В агрегатах кварца I генерации отмечаются ФВ вытянутой, преимущественно трубчатой, столбчатой формы, реже сложной морфологии (рис. 3, б, в). В агрегатах кварца II генерации ФВ крупнее и более разнообразной формы, трубчатые, вытянутые овальные, неправильной вытянутой, изометричной формы с апофизами (рис. 3, a, б). Соотношение двухфазовых и однофазовых ФВ составляет 60/40. Размеры ФВ до 40 мкм.

 

Рис. 3. Флюидные включения в «сливном» кварце. На рисунке б, в — кварц I генерации; a, г — кварц II генерации.

Масштабная линейка составляет 30 мкм.

 

Для определения солевого компонента нами проведены исследования по химическому обогащению кварцевых концентратов, полученных из «сливного» кварца. В табл. 2 (первая строка) приведены массовые доли примесей в исходных образцах кварцевого материала. Элементный состав примесей определялся методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Образцы для анализа готовились с применением термодробления в виде кварцевой крупки гранулометрического состава 175—450 мкм. Методика прободготовки описана в работе (Непомнящих и др., 2017).

 

Таблица 2

Массовые доли примесей в исходных образцах и в кварцевых концентратах, ppm

Weight fractions of impurities in starting samples and quartz concentrates, ppm

№	Тип кварца	Fe	Al	Ti	Ca	Mg	Cu	Mn	Na	K	Li	Σ
1	Исходный	4.9	10.4	0.3	7.3	0.9	0.2	0.1	20	6.2	0.3	50
2	После ХО*	0.7	7.3	0.4	5.6	0.4	0.2	0.07	20	3.6	0.4	40
3	После прокалки**	8.9	9.9	0.3	2.9	0.8	0.18	0.07	1.7	1.7	0.4	27

Примечание. * Стандартное химическое обогащение. ** Прокалка кварцевой крупки сливного кварцита проведена в вакууме при температуре 1450 ºС в течение трех часов.

 

Из анализа данных табл. 2 видно, что при стандартной схеме обогащения в кварцевом концентрате, полученном из «сливного» кварца, остается практически неизменной концентрация натрия. Учитывая, что этот тип кварцевого материала обладает высоким содержанием высокотемпературной воды, и что ФВ находятся преимущественно внутри зерен кварца, следует предположить, что основная часть натрия находится во ФВ. Для подтверждения этого предположения нами проведена высокотемпературная прокалка кварцевой крупки в вакууме при температуре 1450 ºС в течение трех часов. Как видно из табл. 2 (третья строка), высокотемпературная прокалка концентрата приводит к резкому уменьшению концентрации натрия. Это связано с тем, что при высокотемпературной прокалке происходит вскрытие ФВ, находящихся внутри зерна. Таким образом, можно утверждать, что основным солевым компонентом ФВ в «сливном» кварце Восточного Саяна является натрий.

Измеренные значения температуры плавления льда изменяются в пределах от –5.9 до –4.6 ºС (всего 48 значений). Температура полной гомогенизации ФВ в жидкость составляет: в одних ФВ от 163 до 175 ºС (6 значений), в других ФВ — от 229 до 271 ºС (всего 29 значений). Однако полная гомогенизация отмечалась не во всех ФВ. Во ФВ наблюдалось сужение газового пузыря при нагреве выше 130 ºС, при этом некоторые из таких ФВ гомогенизировались частично, а другие не гомогенизировались вообще.

Так как установлено, что главным солевым компонентом ФВ является натрий, нами рассчитана соленость для системы NaCl—H₂O на основании значений температур плавления и гомогенизаций в жидкость для ФВ с одинаковым соотношением фаз. Она составляет 7—9 мас. % экв. NaCl (Brown, 1989; Bodnar, 1993).

Встречаются так же однофазовые ФВ, содержащие только водный раствор, лед в таких ФВ не тает даже при положительных температурах (вблизи 0 ºС).

Реже наблюдаются ФВ углекислотно-водного состава. Здесь можно увидеть двухфазовые ФВ (H₂O и СО₂) и существенно газовые (однофазовые) ФВ, содержащие плотную CO₂. Размер таких включений до 8 мкм.

ВЫВОДЫ

В образце «сливного» кварца присутствуют зерна двух генераций. Кварц I генерации встречается в виде реликтов некогда крупных зерен, разрушенных по краям до агрегатов средне- и мелкобластовой размерности, в результате перекристаллизации и роста новообразованных крупных и гигантобластовых агрегатов кварца II генерации

«Сливной» кварц характеризуется высокой флюидонасыщенностью и отличается от других кварцитов Ока-Урикского блока тем, что флюидные включения в нем находятся преимущественно внутри зерна, а не в межзерновом пространстве.

В образце «сливного» кварца обнаружено 3 типа флюидных включений по составу: водно-солевые (NaCl—H₂O), водные и углекислотно-водные.

Проведенные исследования по химическому обогащению кварцевых концентратов показали, что основная часть высокотемпературной воды, углекислоты и натрия находится во флюидных включениях. Было установлено, что соленость во флюидных включениях водно-солевого состава соответствует 7—9 мас. % экв. NaCl.

На основании полученных данных была предложена схема обогащения. Кварцевая крупка, полученная из «сливного» кварца, была прокалена в вакууме при температуре 1450 ºС в течение трех часов. Высокотемпературная прокалка концентрата привела к уменьшению концентрации натрия.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ 18-05-00439а с использованием научного оборудования ЦКП «Изотопно-геохимических исследований» ИГХ СО РАН. 

Об авторах

Мария Геннадьевна Волкова

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mariavolkova2008@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4727-7563
SPIN-код: 2108-8410
Scopus Author ID: 11141732500
ResearcherId: J-3442-2018

кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник Лаборатории «Геохимия рудообразования и геохимических методов поисков»

Россия, 664033 г. Иркутск, ул. Фаворского, д.1 "А"

Александр Иосифович Непомнящих

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН

Email: ainep@igc.irk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5291-3432
SPIN-код: 6679-6277
Scopus Author ID: 6602854549
ResearcherId: B-2886-2016

Доктор физико-математических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ,
лауреат премии правительства РФ, Главный научный сотрудник Лаборатория «Физика монокристаллов» 

Россия, 664033 г. Иркутск, ул. Фаворского, д.1 "А"

Александр Михайлович Фёдоров

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН

Email: sashaf@igc.irk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8719-3305
SPIN-код: 8629-1092
Scopus Author ID: 54895741600
ResearcherId: I-7724-2018

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Лаборатории «Геохимия рудообразования и геохимических методов поисков»

664033 г. Иркутск, ул. Фаворского, д.1 "А"

Список литературы

Дополнительные файлы