Platinum group minerals from chromitites of Kempirsai ultramafic massif (the South Urals): new data

Full Text

Кемпирсайский массив является крупнейшим массивом ультрамафитов на юге Урала и хорошо известен благодаря своим уникальным по размеру месторождениям хромитов. Он сложен метаморфическими (тектонизированными) ультрамафитами офиолитовой ассоциации, располагающимися в крупном Сакмарском аллохтоне (реликт океанической коры раннепалеозойского возраста), шарьированном в позднем палеозое на восточную окраину Восточно-Европейского палеоконтинента при закрытии Уральского палеоокеана (История…, 1984; Melher et al, 1994; Fershtater, 2013).

Ранее, в гигантских хромитовых месторождениях Кемпирсайского массива были установлены две практически важные особенности руд (Дистлер и др., 1990). Первая — значительная обогащенность их тугоплавкими элементами платиновой группы (ЭПГ) — иридием, осмием и рутением. Вторая — большое разнообразие минеральных фаз тугоплавких ЭПГ.

При изучении вещественного состава хромшинелидов из густовкрапленных и сливных хромититов карьера «Объединенный» на месторождении «Алмаз-Жемчужина» авторами были выявлены и диагностированы микроскопические включения минералов платиновой группы. В работе приводится химическая типизация установленных минералов и предполагаются условия и механизмы их образования в хромитовых рудах.

КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Кемпирсайский ультрамафитовый массив имеет в плане узкую вытянутую форму, резко расширяющуюся в южной части (от 0.6 км на севере до 31.6 км на юге); он протягивается на ~90 км в меридиональном направлении, а его площадь составляет более 900 км² (рис. 1). Контакты массива с вмещающими породами девона, ордовика и докембрия тектонические.

 

Рис. 1. Схематическая геологическая карта Кемпирсайского ультрамафитового массива (Павлов, Григорьева, 1987; Чащухин, Вотяков, 2009; с корректировками авторов).

 

В северной и центральной частях Кемпирсайский массив сложен преимущественно гарцбургитами и энстатитовыми дунитами, реже плагиодунитами, пироксенитами, верлитами и плагиоверлитами (Павлов, Григорьева, 1974). По периферии массива картируются габброиды (габбро, габбро-нориты и оливиновые габбро). В южной и юго-восточной частях массива выделяются две субмеридиональные зоны (западная и восточная), сложенные крупными телами массивных дунитов, залегающих среди пород шлирово-полосчатого комплекса, энстатитовых дунитов и гарцбургитов при подчиненной роли верлитов и лерцолитов. В пределах этих двух зон расположены хромитовые месторождения, образующие Главное (Южно-Кемпирсайское) рудное поле. Отдельные рудные тела хромититов известны в северной и центральной частях Кемпирсайского массива, однако они характеризуются малыми размерами и более низким качеством рудного сырья. Всего к настоящему времени в пределах массива выявлено около 160 месторождений и рудопроявлений хромитов.

Западная зона Главного рудного поля включает крупные месторождения «Алмаз-Жемчужина», «Миллионное», «Первомайское», «20 лет КазССР» и более 15 средних и мелких месторождений; восточная зона — месторождения «Спорное», «Гигант», «Восход», «40 лет КазССР», «Молодежное» и более 30 средних и мелких месторождений, а также рудопроявлений. Обе зоны смыкаются на юге в районе месторождения «Алмаз-Жемчужина» и на севере в районе месторождения «Александровское».

Хромитовые месторождения обычно состоят из серии сближенных линзовидных и реже жилообразных рудных тел, размеры которых варьируют по протяженности от первых десятков метров до 1.5 км, при мощностях от первых метров до 150 м. Они сложены преимущественно массивными крупнозернистыми хромититами (90—95 % хромшинелидов). В периферийных частях рудных тел наряду с массивными ограниченным распространением пользуются нодулярные и густовкрапленные руды (Талхаммер, 1996). Интерстиции между зернами хромшпинелидов выполнены преимущественно интенсивно серпентинизированным оливином, реже киммереритом, карбонатами, уваровитом.

Если первые находки хромитов на Кемпирсайском массиве были сделаны еще в 1923 г. (Сегедин, 2001), то акцессорные минералы ЭПГ в массивных хромититах массива впервые обнаружены только в 1987 г. (Волченко, Вигоров, 1987; Дистлер и др., 1987).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В соответствии с задачами настоящего исследования был использован традиционный подход минераграфического изучения рудных минералов с применением метода растровой электронной микроскопии и определением химического состава фаз рентгеновским микроанализом (Reed, 2005). Использовалась аппаратура: электронные микроскопы TESCAN Vega 3 SBH, Tescan Vega II LMU с энергодисперсионной (с детектором Si(Li) Standard) INCAEnergy 350 и волнодисперсионной INCA Wave 700 приставками, рентгеновский микроанализатор «Сamebax-micro». Перед исследованием из отобранных образцов хромититов были изготовлены плоскопараллельные аншлифы толщиной 3—4 мм, с последующим напылением на их изучаемые поверхности слоя углерода толщиной 25—30 нм. Измерения проводились на вольфрамовом катоде при ускоряющем напряжении 20 кВ, текущем токе 15 нA и времени набора спектра 120 с. Диаметр пучка зонда 1—2 мкм. В качестве стандартов для Pt, Ir, Os, Rh и Ru были применены чистые металлы, для Ni — миллерит, для Zn — сфалерит, для Cu и S — халькопирит. Для анализов на минералы платиновой группы использованы аналитические линии: Lα для Pt, Ir, Rh, Ru; Kα для S, Ni, Cu, Zn; Mα для Os.

Все анализы выполнены в ЦКП «Аналитический центр геохимии природных систем» ТГУ (г. Томск).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Распределение минералов ЭПГ в хромитовых рудах. В Кемпирсайском массиве минералы ЭПГ были установлены только в густовкрапленных и сливных хромититах, тогда как в умеренно- и бедновкрапленных разновидностях хромититов и акцессорных хромшпинелидах из дунитов и гарцбургитов не были обнаружены. Минералы ЭПГ наблюдаются в виде самостоятельных изолированных зерен таблитчатого облика размером до 10 мкм во внутренних частях зерен хромшпинелидов из хромититов. Нередко они дают в аншлифах пятиугольные или шестиугольные (реже — квадратные) сечения (рис. 2, 3). Исключение составляют только минералы системы Rh—Zn—Pt, которые формируют выделения неправильной или вытянутой формы (рис. 2, г—е).

 

Рис. 2. Микрофотографии зерен минералов ЭПГ в хромитовой матрице массивных хромититов Кемпирсайского массива (режим BSE).

 

Рис. 3. Микрофотографии зерен сульфидов ЭПГ в хромитовой матрице массивных хромититов Кемпирсайского массива (режим BSE).

 

Минеральные формы ЭПГ и особенности их химического состава. Исследование минерального состава выявленных платиновых металлов кемпирсайских хромитовых руд позволили разделить их на две основные группы: металлические твердые растворы ЭПГ и сульфиды ЭПГ. При этом вторая группа минералов характеризуется более широким распространением в изученных образцах.

Металлические твердые растворы ЭПГ относятся к двум системам: Os—Ir—Ru и Rh—Zn—Pt. Первая система является наиболее обычной и хорошо изученной в составе полиформных хромитовых месторождений и проявлений (Осипенко и др., 2002; Гурская и др., 2004; Zaccarini et al, 2008; Киселева и др., 2014). В различных массивах состав этой системы различается только по относительной доли каждого из трех ЭПГ. Как показывают полученные химические анализы, минералы Os—Ir—Ru системы из Кемпирсайского массива характеризуются большим диапазоном смесимости при преимущественном концентрировании осмия (до 62 мас. %) (табл. 1, рис. 4, а). Выявлено зерно, в котором преобладает рутений (~45 мас. %). Отметим, что ранее считалось, что концентрация данного элемента в обнаруженных фазах не превышает 10 мас. % (Дистлер и др., 2003). Помимо означенной триады ЭПГ, в составе металлических твердых растворов постоянно присутствует никель (до 8.5 мас. %).

 

Таблица 1

Химический состав сульфидов ЭПГ и металлических твердых растворов ЭПГ  из массивных хромититов Кемпирсайского массива, мас. %

Chemical composition of PGE sulfides and metallic PGE solid solutions  in massive chromitites of the Kempirsai massif, wt %

№	Образец	Ru	Os	Ir	Ni	Cu	S	Сумма	Формула
Лаурит
1	939/545-1.1	54.57	2.70	4.23	—	—	38.15	99.65	(Ru0.91 Ir0.04Os0.02)0.97S2.03
2	2/1-4.1	47.79	13.04	—	—	—	38.17	99.61	(Ru0.84Os0.12)0.96S2.04
3	2/1-9.1	46.36	6.44	10.39	0.50	—	36.39	100.08	(Ru0.81Ir0.10Os0.06Ni0.02)0.99S2.01
4	3/3-4.1	49.34	3.41	6.81	0.89	—	39.17	99.61	(Ru0.84Ir0.06Os 0.03Ni0.03)0.96S2.04
Изоморфный ряд лаурит—эрликманит
5	2/1-2.1	40.70	13.64	9.56	—	—	33.67	97.57	(Ru0.77Os0.14Ir0.09)1.00S2.00
6	3/2-9.1	34.32	21.11	11.51	—	—	32.60	99.54	(Ru0.67Os0.22Ir0.12)1.01S1.99
7	3/2-9.2	33.01	21.88	11.41	—	—	32.53	98.82	(Ru0.64Os0.23Ir0.12)0.99S2.01
8	3/1-3.1	7.11	47.89	17.45	0.55	0.46	26.04	99.49	(Os0.62Ir0.22Ru0.17Ni0.02Cu0.02)1.05S1.95
9	3/1-7.1	6.45	53.37	13.36	—	—	26.31	99.48	(Os0.68Ir0.17Ru0.15)1.00S2.00
10	3/1-9.1	12.69	45.85	12.77	—	—	26.87	98.18	(Os0.57Ru0.30Ir0.16)1.03S1.97
11	3/1-14.2	5.00	50.89	16.71	0.49	0.35	25.41	98.85	(Os0.68Ir0.22Ru0.12Ni0.02Cu0.01)1.05S1.95
12	3/1-26.1	16.06	41.22	14.39	—	—	27.98	99.65	(Os0.50 Ru0.36Ir0.17)1.03S1.97
13	3/1-18.1	15.89	35.52	19.18	—	—	28.73	99.32	(Os0.42 Ru0.35Ir0.22)0.99S2.01
Сульфиды системы Ir—Ni—Cu
14	3/1-19.1	—	—	50.03	18.35	7.41	23.14	98.93	(Ir0.36Ni0.43Cu0.16)0.95S1.05
15	3/1-10.1	—	—	64.50	1.21	9.97	24.40	100.08	(Ir1.32Cu0.62Ni0.08)2.02S2.98
16	3/1-14.1	0.36	4.06	50.85	9.26	7.81	27.48	99.83	(Ir0.93Ni0.55Cu0.43Os0.08Ru0.01)2.00S3.00
17	3/1-25.1	—	10.47	53.30	0.81	6.78	27.00	98.35	(Ir0.66Cu0.25Os0.13Ni0.03)1.07S1.93
Металлические твердые растворы системы Os—Ir—Ru
18	3/1-20.1	11.94	62.24	20.40	5.35	—	—	99.93	(Os0.51Ru0.18Ir0.17Ni0.14)1.00
19	3/1-16.1	20.73	45.36	25.57	8.50	—	—	100.16	(Os0.33Ru0.28Ir0.19Ni0.20)1.00
20	3/1-17.1	15.43	42.10	38.02	—	—	—	95.55	(Os0.39Ir0.34Ru0.27)1.00
21	3/2-8.1	45.83	31.20	18.13	4.15	—	—	99.30	(Ru0.58Os0.21Ir0.12Ni0.09)1.00

Примечание. Анализы № 2, 5—7, 9, 17, 20 — выполнены методом волнодисперсионной рентгеновской спектроскопии (WDS), остальные – методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS).

 

Вторая система (Rh—Zn—Pt) по типоморфным особенностям выделений отличается от первой и представлена двумя разновидностями: Rh—Zn(с содержанием цинка до 24 мас. %) и Rh—Zn—Pt (с содержанием цинка до 22 мас. % и платины до 13 мас. %). При этом концентрация родия в составе таких металлических твердых растворов достигает 88 мас. % (табл. 2, рис. 4, б). Иногда обнаруживаются самостоятельные микроскопические зерна цинкита (рис. 2, е). Уникальность системы заключается в том, что за исключением ирарсита — единственного минерала, обогащенного родием (Дистлер и др., 1987) — другие минералы, содержащие родий, в пределах кемпирсайских хромититов ранее не были установлены.

 

Таблица 2

Химический состав металлических твердых растворов системы Rh—Zn—Pt  из массивных хромититов Кемпирсайского массива, мас. %

Chemical composition of metallic solid solutions of the Rh—Zn—Pt system  in massive chromitites of the Kempirsai massif, wt %

№	Образец	Rh	Zn	Pt	Сумма	Формула
Минералы системы Rh—Zn
1	2/1-5.1	86.92	11.82	—	98.74	(Rh0.82Zn0.18)1.00
2	3/2-13.1	82.14	17.97	—	100.11	(Rh0.74Zn0.26)1.00
3	939/545-6.1	75.01	24.57	—	99.58	(Rh0.66Zn0.34)1.00
4	3/1-24.1	74.22	22.17	—	96.39	(Rh0.68Zn0.32)1.00
Минералы системы Rh—Zn—Pt
5	2/1-8.1	82.59	11.62	5.41	99.62	(Rh0.80Zn0.17Pt0.03)1.00
6	3/2-10.1	64.99	21.88	12.90	99.77	(Rh0.61Zn0.32Pt0.07)1.00
7	3/1-15.1	77.77	18.00	3.12	98.89	(Rh0.72Zn0.26Pt0.02)1.00
8	3/3-1.1	72.63	16.99	9.70	99.32	(Rh0.69Zn0.26Pt0.05)1.00
9	3/3-2.1	75.74	21.33	2.81	99.88	(Rh0.69Zn0.30Pt0.01)1.00
10	3/3-3.1	85.64	7.29	5.93	98.86	(Rh0.85Zn0.12Pt0.03)1.00

Примечание. Анализы № 5, 8 – выполнены методом волнодисперсионной рентгеновской спектроскопии (WDS), остальные – методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS).

 

Рис. 4. Тройные диаграммы состава металлических твердых растворов системы Os—Ir—Ru (а) и системы Rh—Zn—Pt (б). Серые поля на диаграмме (а) — область химических составов металлических твердых растворов ЭПГ из хромититов Кемпирсайского массива (по: Дистлер и др., 2003).

 

Сульфиды ЭПГ преимущественно представлены обычной для данного комплекса пород и хромитовых руд ассоциацией дисульфидов ряда лаурит—эрликманит и, реже, сульфидами ЭПГ с цветными металлами (никелем и медью).

Минералы ряда лаурит—эрликманит образуют практически непрерывный изоморфный ряд. При этом, если лаурит представлен почти чистой рутениевой разновидностью, то чисто осмиевый конечный член изоморфного ряда в процессе исследования не установлен. Характерным изоморфным компонентом является иридий, концентрация которого достигает 19 мас. % (табл. 1). В качестве примесных элементов в составе сульфидов ЭПГ отмечаются никель (до 0.55 мас. %) и медь (до 0.46 мас. %).

Во второй группе — сульфидах ЭПГ с цветными металлами — никель и медь присутствуют как главные компоненты фаз. Как отмечалось и ранее (Талхаммер, 1996; Дистлер и др., 2003), основная особенность состава минералов заключается в том, что соединения построены преимущественно на основе иридия (до 64.5 мас. %) при резко подчиненной роли осмия и рутения (последний в большинстве случаев вообще отсутствует). Основными компонентами рассматриваемых сульфидов являются никель и медь, содержания которых изменяются в широком диапазоне и достигают 18.3 и 10.0 мас. % соответственно (табл. 1). Данные рентгеноспектрального микроанализа позволяют отнести найденные фазы к трем типам соединений: MeS, MeS₂ и Me₂S₃. Ранее В. В. Дистлером с соавторами (2003) был выделен еще один тип соединения таких сульфидов — Me₃S₄, однако авторами среди выявленных фаз он не был обнаружен.

О генезисе платиноидной минерализации в хромитовых рудах. В разномасштабных хромитовых проявлениях в ультрамафитовых массивах различных регионов мира практически всегда присутствует акцессорная минерализация ЭПГ. Это доказывает существование определенных общих условий ее концентрирования совместно с хромом. В настоящее время такая пространственная и генетическая связь является общепризнанной (Талхаммер, 1996; Zhou et al, 1996; Melcher et al, 1997). Дискуссионным остается вопрос о происхождении хромититов и связанного с ними платонометального оруденения. Хромитовые месторождения Кемпирсайского массива имеют гигантские размеры в сравнении с таковыми других офиолитовых комплексов мира, поэтому использование широко принятых концепций эволюции парагенезисов минералов ЭПГ в процессе офиолито- и рудообразования на данном массиве затруднительно. Концентрирование ЭПГ и хромшпинелидов, по-видимому, было связано с их мобилизацией из несмесимой рудно-силикатной жидкости, отделившейся от большого объема «материнского» лерцолитового субстрата (содержащего ЭПГ в состоянии рассеяния) в результате его частичного плавления. Дальнейшая судьба тугоплавких ЭПГ, очевидно, определялась их концентрированием совместно с иными компонентами, не участвующими в главном процессе кристаллизации, и последующим отложением из высоконасыщенных надкритических флюидов. Наиболее ранними являются металлические твердые растворы Os—Ir—Ru системы и находящиеся с ними в равновесии дисульфиды ряда лаурит—эрликманит. Твердые растворы Rh—Zn—Pt и минералы Ir—Ni—Cuсульфидной ассоциации могут быть связаны с повторными процессами частичного плавления и инъецированием новообразованного расплава в уже сформированные реститы (Талхаммер, 1996). Не исключено, что минералы Rh—Zn—Pt системы могли быть сформированы в ходе мантийного метасоматоза, когда при воздействии восстановленных флюидов мантийного происхождения происходили процессы ремобилизации и переотложения ЭПГ (Garuti, Zaccarini, 1997; Melcher et al, 1997; Ahmed, Arai, 2003; Киселева и др., 2014).

ВЫВОДЫ

1. В густовкрапленных хромититах хромитового месторождения «Алмаз-Жемчужина» Кемпирсайского ультрамафитового массива (Мугоджары, Казахстан) диагностированы и охарактеризованы две основные группы минералов ЭПГ: металлические твердые растворы ЭПГ и сульфиды ЭПГ. Первая группа представлена двумя системами: Os—Ir—Ruи Rh—Zn—Pt, а вторая — дисульфидами изоморфного ряда лаурит—эрликманит и минералами Ir—Ni—Cuсульфидной ассоциации. Большинство минералов ЭПГ образуют включения внутри зерен хромшпинелидов и формируют самостоятельные мелкие зерна с высокой степенью идиоморфизма. Только минералы системы Rh—Zn—Pt характеризуются низкой степенью идиоморфизма и представлены выделениями неправильной или вытянутой формы.
2. Среди металлических твердых растворов Os—Ir—Ruвыявлены составы с повышенными концентрациями рутения (до 45 мас. %), хотя ранее считалось, что содержания данного элемента в обнаруженных фазах не превышает 10 мас. % (Дистлер и др., 2003). Это свидетельствует о более широких границах диапазона смесимости элементов триады.
3. Металлические твердые растворы системы Rh—Zn—Ptв хромитовом оруденении Кемпирсайского массива диагностированы впервые. За исключением ирарсита — единственного минерала, обогащенного родием (Дистлер и др., 1987) — другие минералы, содержащие в значимых количествах родий, в пределах кемпирсайских хромититов ранее не были установлены.
4. Основная тенденция фракционирования осмия, рутения и иридия в сульфидах заключается в том, что осмий и рутений обогащают дисульфиды, а иридий преимущественно концентрируется совместно с никелем и медью в сульфидах с различным соотношением металл—сера.
5. Главным фактором формирования платиноидной минерализации является флюидная мобилизация, концентрирование и отложение минералов ЭПГ. При этом авторы предполагают, что процесс формирования ассоциации выявленных минералов ЭПГ происходил в несколько этапов. По-видимому, наиболее ранними являются металлические твердые растворы Os—Ir—Ruи находящиеся с ними в равновесии дисульфиды ряда лаурит—эрликманит, а минералы Rh—Zn—Pt и Ir—Ni—Cu систем относятся к более поздним событиям изменения первичных минералов платиновых металлов. Эти события могли быть вызваны повторными процессами частичного плавления и инъецированием новообразованного расплава в уже сформированные реститы либо, для минералов Rh—Zn—Pt системы, процессами мантийного метасоматоза, когда при воздействии восстановленных мантийных флюидов происходили процессы ремобилизации и переотложения ЭПГ.

About the authors

А. N. Yurichev

Tomsk State University

Author for correspondence.
Email: juratur@sibmail.com
Russian Federation, Tomsk

A. I. Chernyshov

Tomsk State University

Email: juratur@sibmail.com
Russian Federation, Tomsk

E. V. Korbovyak

Tomsk State University

Email: juratur@sibmail.com
Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files