Геологическое строение и условия формирования Шумиловского вольфрамового месторождения

Актуальность исследований. Вольфрам является стратегическим металлом в индустриально развитых странах. Шумиловское оловянно-вольфрамовое месторождение относится к известному в мире, но редкому в нашей стране типу грейзеноворудных месторождений, генетически связанному с литий-фтористыми гранитамн [12- 9]. Геологическая изученность месторождения недостаточна. Поэтому изучение условий образования руд вольфрама, причин и закономерностей его концентрирования в рудных телах, являет собой важную задачу в теоретическом и практическом аспектах.

Цели и задачи исследования.

1. Изучение геологической позиции и строения Шумиловского месторождения, последовательности формирования рудных минералов и соотношения вольфрамового оруденения и литий-фтористых гранитов.

2. Исследование физико-химических параметров формирования вмещающих гранитоидов и вольфрамовоносных грейзенов Шумиловского месторождения, последовательности образования рудных минералов.

3. Определение физико-химических условия отложения минералов вольфрама и геохимических особенностей состава рудообразующих флюидов.

4. Экспериментальная оценка растворимости вольфрамита в гидротермальных системах разного состава (с хлором, фтором и бором) и моделирование процесса образования вольфрамоносньтх грейзенов и руд для последующей разработки генетической модели рудообразующего процесса на Шумиловском месторождении.

Научная новизна работы. На основе исследования флюидных включений и экспериментальных работ показана геохимическая и генетическая связь вольфрамоносньтх грейзенов Шумиловского месторождения с литий-фтористыми гранитами. Получены первые оценки концентраций воды в расплаве литий-фтористых гранитов Шумиловского массива и рассчитано флюидное давление. Впервые изучены флюидные включения в минералах руд Шумиловского месторождения, установлены физико-химические параметры формирования вольфрамовой минерализации и состав рудообразующих флюидов месторождения. Экспериментально установлена высокая растворимость вольфрама в богатых фтором гидротермальных флюидах, достаточная для его переноса и отложения в промышленных количествах и концентрациях. Экспериментально воспроизведен процесс грейзенизации гранита с одновременным отложением вольфрамита в грейзеновых зонах. Разработана генетическая модель рудообразующего процесса на Шумиловском месторождении.

Практическая значимость работы. Получены новые данные, которые свидетельствуют о генерации рудообразующих гидротермальных флюидов при кристаллизации Li-F гранитов и говорят в пользу именно такой модели рудообразующего процесса. Физико-химические параметры рудоносных Li-F гранитов Шумиловского месторождения обнаруживают большое сходство с гранитоидами Спокойнинского массива, с которым связано крупное одноименное месторождение вольфрама, и свидетельствуют о высокой степени дифференциации расплава на магматическом этапе и накоплении большого количества водного флюида, что могло обеспечить высокую продуктивность Шумиловской флюидно-магматической системы. Полученные данные говорят о возможности обнаружения новых грейзеноворудных залежей в пределах Шумиловского рудного поля и позволяют рекомендовать проведение дополнительных разведочных работ с целью переоценки вольфрамового оруденения Шумиловского месторождения в сторону увеличения запасов.

Защищаемые положения.

1. Грейзены и оловянно-вольфрамовые руды Шумиловского месторождения явились результатом метасоматического преобразования Li-F гранитов III фазы и лейкогранитов II фазы под воздействием гидротермальных растворов, выделившихся при кристаллизации Li-F гранитов III фазы.

2. При формировании Шумиловского интрузива Li-F гранитный расплав характеризовался высокими концентрациями (до 7.6 мае. %) и высокими давлениями (3.1−5.2 кбар) воды. На заключительных стадиях магматического этапа при кристаллизации расплава произошло накопление водного флюида, который стал основой вольфрамоносных рудообразующих флюидов, обеспечивших высокую продуктивность Шумиловской флюидно-магматической системы.

3. Вольфрамитсодержащие руды кристаллизовались из нагретых фторидно-хлоридиых угликислотно-водных флюидов при температуре 355−260°С и давлении 1.40.6 кбар. Рудообразующие флюиды характеризовались высокими концентрациями лития, рубидия и бора, что свидетельствует о связи их с магматическим очагом Li-F-гранитов. В составе флюидов важную роль играл фтор, концентрация которого достигала Iff2—КГ1 моль/кг HjO.

4. Экспериментально установлено, что при формировании вольфрамоносных кварц-слюдистых грейзенов с минералами редких элементов, редких земель и халькофильных элементов при взаимодействии кислых фторидно-хлоридных флюидов с гранитом лейкограниты с высокожелезистым биотитом (до 26% FeO) являлись более благоприятной средой для формирования вольфрамитовых руд, чем< менее железистый Li-F-гранит. Генетическая связь месторождений вольфрама с Li-F-гранитами подтверждена увеличением растворимости вольфрамита в гидротермальном флюиде при повышении концентраций F и Li в нем.

5. Главными факторами формирования вольфрамитовых руд Шумиловского месторождения являлись понижение температуры и нейтрализация кислого гидротермального раствора в процессе грейзенизации гранита.

Фактический материал и методы исследования. Образцы гранитов, грейзенов и руд месторождения (около 50), отобранные автором, и любезно предоставленные из коллекций Г. П. Зарайского и Т. И. Гетманской, послужили исходным материалом исследования. Было изготовлено около 40 прозрачно-полированных пластин для исследования флюидных включений, выполнено более 200 химических анализов всех типов пород и руд месторождения. Пробы анализировали на петрогенные элементы и фтор методами мокрой химии и XRF-анализа (Геологический ин-т Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар и Аналитический центр ВИМС, г. Москва), а на малые элементы методом ICP/MS-AES в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (ИПТМ РАН, г. Черноголовка, рук. лаб. В.К. Карандашев). Определение химического состава породообразующих, акцессорных и рудных минералов производилось в ИЭМ РАН на электронном микрозонде — цифровом сканирующеем электронном микроскопе TS-5130MM с энергодисперсионным спектрометром и Si (Li) полупроводниковым детектором INKA Energy-350.

Исследование расплавных включений и флюидных включений в кварце производились в лабораториях ИГЕМ РАН при помощи микротермокамеры THMSG-600 фирмы «Linkanr'. Концентрацию солей оценивали по температуре плавления льда, с использованием данных из работы [41]. Давление определялось для гетерогенного флюида по сингенетичным существенно газовым и газо во-жидким флюидным включениям как сумма парциальных давлений паров воды и давления СОг [33].

Эксперименты по моделированию грейзенизации лейкогранита и Li-F гранита Шумиловского месторождения и проводились в автоклавах по методике моделирования диффузионной метасоматической зональности [17]. Так же автоклавным методом было выполнено экспериментальное изучение растворимости вольфрамита. Продукты экспериментов анализировались на редкие и малые элементы масс-спектрометрическим методом ICP-MS/AES. Строение, химический и минеральный, состав зон экспериментальных грейзеновых метасоматических колонок изучали на электронном микрозонде (ИЭМ РАН). Валовой химический состав метасоматических зон анализировали методом сканирования по площади, а химический состав минералов определяли точечно узким электронным пучком.

В работе использованы геологические материалы Чикоконской поисково-съемочной и Лево-Шумиловской геолого-разведочной партий ПГО «Читагеология», а также опубликованные работы, приведенные в списке литературы.

Личный вклад автора. Геологическое строение Шумиловского месторождения исследовано автором в ходе экспедиционных работ в 2004 году в составе отряда ИЭМ РАН под руководством Зарайского Г. П. Автором выполнялось петрографическое изучение прозрачных и полированых шлифов пород и руд на кафедре геологии и геохимии полезных ископаемых геологического факультета МГУ (зав. кафедрой д.г.-м.н., профессор Старостин В.И.). Упомянутые выше исследования расплавных и флюидных включений в кварце и эксперименты по моделированию грейзенизации гранитов и изучению растворимости вольфрамита были выполнены автором, соответственно, в лаборатории геологии рудных месторождений ИГЕМ РАН (под руководством д.г.-м.н., профессора Прокофьева В.Ю.) и в лаборатории «Моделей рудных месторождений» ИЭМ РАН (иод руковдством д.г.-м.н., профессора Зарайского Г. П.).

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых журналах, 2 статьи в сборниках материалов конференций и одни тезисы докладов. Материалы диссертации были доложены на Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2006» (Москва, МГУ), и на XIII Международной конференции по термобарогеохимии (Москва, 2008).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 100 страниц текста, 23 таблиц, 49 рисунков и списка литературы из 52 наименований.

Выводы.

1. В процессе экспериментальной грейзенизации лейкогранита и литий фтористого гранита при Т = 450°С> Р = 1000 бар под воздействием кислого раствора, содержащего HF, LiF и НС1, а также рудные металлы: W. Sn, Mo, Та, Nb, Zr, Hf, Се, Yb, Y, Fe, Zn, Cu, Pb, S и P, происходило замещение гранитов кварц-слюдистым грейзеном с полным замещением полевых шпатов слюдами и кварцем. По лейкограниту образуются преимущественно кварц-мусковитовые грейзены, а по Li-F граниту — кварц-циннвальдитовые. В обоих типах метасоматических колонок слюдами замещается в первую очередь калиевый полевой шпат, а затем альбит гранитов. Установлен устойчивый вынос из гранита Si02, Na20, СаО и накопление в зонах колонки А120з, отчасти FeO и К20. Противоположное поведение натрия и калия связано с вхождением последнего в основной новообразованный минерал — мусковит и вытеснением натрия в раствор.

2. Экспериментально полученные грейзены значительно обогащены по отношению к исходному лейкограниту такими характерными для редкометальных месторождений элементами как: W, Mo, Та, Sn, некоторыми халькофильными металлами: Pb, Zn, Си, радиоактивными элементами (U, Th), тяжелыми (Gd, Tb, Dy, Eu, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) и легкими редкими землями (La, Се, Рг, Nd, Sm), сидерофильными металлами: Ni, Cr, Со, редкими металлами: Zr, Hf, Nb, а также Sc. Одновременно с этим грейзены оказались обеднены Rb, Sr, Tl, Cs, Bi. Относительное обогащение рудными и другими металлами грейзеновых зон экспериментальной колонки, полученной по Li-F граниту, оказалось слабее, чем в грейзеновой колонке по лейкогранитупочти по всем элементам.

3. Экспериментальное моделирование показало, что почти все рудные минералы, характерные для Шумиловского месторождения, могут отлагаться в процессе грейзенизации гранита из тех же растворов, которые производят грейзен изацию. Поскольку температура и давление в течение опыта не изменялись, главной причиной кристаллизации рудных минералов являлась нейтрализация кислых растворов (повышение рН) при взаимодействии с породой, что приводило к распаду водных комплексов металлов в растворах и выпадению рудных металлов из растворов с образованием собственных минералов.

4. В качестве новообразованных рудных минералов, отлагавшихся в процессе грейзенизации гранитов, установлены редкометальные, редкоземельные и сульфидные минералы: вольфрамит, шеелит, вольфрамо-иксиолит, стрюверит, касситерит, колумбит, пирохлор, циркон, монацит, ксенотим, флюоцерит, апатит, торит, галенит, халькопирит.

5. Доказано, что вольфрам, наряду с другими рудными элементами, в условиях эксперимента может привноситься раствором и отлагаться в виде собственных минералов, преимущественно вольфрамита, а также шеелита, штольцита, вольфрамо-иксиолита. Экспериментально установлено, что для формирования вольфрамитовых руд и отложения друпгх рудных минералов, в состав которых входит железо, лейкогранит, содержащий высокожелезистый биотит (до 26% FeO), является более благоприятной замещаемой породой, чем менее железистый литий-фтористый гранит.

Резюмируя вышесказанное, можно сформулировать четвертое защищаемое положение: Экспериментально установлено, что при формировании вольфрамоносных кварц-слюдистых грейзенов с минералами редких элементов, редких земель и халькофильиых элементов при взаимодействии кислых фторидно-хлоридных флюидов с гранитом лейкограииты с высокожелезистым биотитом (до.

26% FeO) являлись более благоприятной средой для формирования вольфрамитовых руд, чем менее железистый Li-F-гранит. Генетическая связь месторождений вольфрама с Li-F-гранитами подтверждена увеличением растворимости вольфрамита в гидротермальном флюиде при повышении концентраций F и Li в нем.

Подводя итог всему комплексу проведенных исследований по Шумиловскому месторождению можно сформулировать пятое защищаемое положение: Главными факторами формирования вольфрамитовых руд Шумиловского месторождения являлись понижение температуры и нейтрализация кислого гидротермального раствора в процессе грейзенизации гранита.

Заключение

.

Изучена геологическая позиция Шумиловского месторождения, последовательность формирования рудных минералов и соотношение вольфрамового оруденения и Li-Fгранитов. Предложена схема последовательности кристаллизации минеральных ассоциаций вольфрамовых руд.

Показано, что основным источником вольфрамоносных рудообразующих флюидов месторождения являлся магматический очаг редкометальных Li-F-гранитов, который вследствие значительного обогащения гранитного расплава водой (до 7.6 мае. %) должен был обеспечить высокую продуктивность Шумиловской флюи дно-магматической системы. Установлены физико-химические параметры формирования грейзенов и рудных жил, а также химический состав рудообразующего флюидов.

Экспериментально установлено влияние фтора и лития на значительное повышение растворимости вольфрамита в гидротермальных водных растворах.

Экспериментально воспроизведено формирование вольфрамитсодержащих грейзенов по Li-F граниту и по лейкограниту Шумиловского месторождения.

Обоснована комплексом исследований генетическая связь месторождений вольфрама с очагами Li-F-гранитов и экспериментально доказана роль понижения температуры и нейтрализации кислого раствора при грейзенизации гранита в качестве главных факторов формирования вольфрамовых руд.