Введение к работе
Актуальность исследований. Проблемы рудоносности палеовулканиче-ских структур складчатых поясов важны в связи с их высокой продуктивностью на руды цветных, черных и благородных металлов
К числу важнейших проблем учения о рудных месторождениях относятся вопросы, касающиеся условий формирования рудообразующих гидротермальных флюидов, их источников и условий переноса ими металлов Выяснение состава и природы минералообразующих флюидов имеет не только фундаментальное значение, но и важно для понимания рудообразующих процессов и часто прямо связано с выбором стратегии геолого-разведочных работ
В связи с интенсивной разработкой и истощением известных месторождений золота и полиметаллов на Южном Урале возникла необходимость исследования новых перспективных площадей на эти виды полезных ископаемых В последние годы в девонских и каменноугольных вулканических породах Аркаимской площади (Магнитогорская металлогеническая зона, Южный Урал) обнаружена золоторудная сульфидно-кварцевая и барит-полиметаллическая минерализация, аналогичная наблюдаемым на других объектах гидротермального происхождения на Южном Урале При изучении таких объектов, связанных с гидротермальными системами, большое значение имеют термо-барогеохимические исследования, позволяющие определить условия рудообра-зования на различных уровнях вулканических комплексов и сопоставить их с установленными ранее для других формационных типов
На Южном Урале до сих пор недостаточное внимание было уделено изучению палеозойских гидротермальных систем, приуроченных к андезиба-зальтовым и трахириолит-трахибазальтовым вулканическим комплексам Магнитогорской металлогенической зоны Исследование физико-химических особенностей - температурного режима и солевого состава — этих палеогидро-термальных систем ранее не проводилось Вместе с тем, с вулканогенными комплексами связана золоторудная и золото-полиметаллическая минерализация, которая может иметь практическое значение [Белгородский, 1998, Михайлов и др, 2003, Зайков, 1995, Голованов, 1999ф, Анкушева, Юминов, 2005, Анкушева и др, 2005] Таким образом, назрела необходимость изучения условий образования вулканогенных палеогидротермальных систем, в частности, развитых на Аркаимской площади Геологическая позиция выбранных объектов удобна в плане сравнения гидротермальной минерализации, приуроченной к девонскому и каменноугольному комплексам
Целью работы является установление физико-химических условий формирования палеогидротермальных систем вулканических комплексов сред-недевонского и раннекаменноугольного возраста Магнитогорской металлогенической зоны (Южный Урал) Для ее реализации были поставлены следующие задачи
геологическая и минералогическая характеристика гидротермальной минерализации вулканических комплексов среднедевонского и ранне-каменноугольного возраста на Аркаимской площади,
изучение флюидных включений в минералах, установление температур гомогенизации, концентраций солей, солевого и газового состава для оценки физико-химических параметров минералообразуюших растворов,
сравнительный анализ исследованных палеогидротермальных систем с другими формационными типами месторождений в вулканогенных комплексах
Объектами исследования выбраны палеогидротермальные системы двух вулканических комплексов - андезибазальтового (D2) и трахириолит-трахибазальтового (Сі) Первая палеогидротермальная система - Лисьи Горы -протяженностью около 2 км в вертикальном разрезе включает золотоносные зоны окварцевания и гематит-кварцевые породы Вторая система - Аркаимская - имеет вертикальную протяженность 1 км и характеризуется наличием сульфидно-кварцевых и галенит-баритовых жил
Объектами для сравнительного анализа послужили золото-колчеданно-полиметаллические месторождения Таш-Тау и Вишневское, кобальт-медно-кол-чеданное Ивановское, а также марганцеворудное Янзигитовское месторождения, термобарогеохимические исследования которых были проведены автором впервые Эти объекты подходят для сравнения, т к они также принадлежат Магнитогорской металлогенической зоне, имеют девонский возраст и пространственно связаны с вулканитами основного и среднего состава
Проведено сравнение полученных результатов с опубликованными ранее термобарогеохимическими данными по медноколчеданным (Яман-Касы), золото-колчеданно-полиметаллическим (Балта-Тау, Александрийское), кобальт-медноколчеданным (Ишкининское) месторождениям Западно- и Восточно-Магнитогорской металлогенических зон, золото-кварцевым месторождениям Восточно-Уральской зоны (Березовское, Кочкарское) и современным гидротермальным полям Тихого (Венский лес) и Атлантического (Рейнбоу, Брокен Спур) океанов
Фактический материал. В основу диссертации положены материалы, собранные автором в 2003-2007 гг в ходе полевых работ и при выполнении работ в рамках государственных тем «Гидротермальные и гипергенные факторы формирования и преобразования месторождений полезных ископаемых в складчатых поясах (№ 01 200 202519), «Эволюция процессов минералооб-разования в колчеданоносных палеоокеанических структурах» (№ 020 0001589), «Геоархеология и археологическая минералогия Урала» (№ 01 2 10303810) Работы выполнены в лаборатории минералогии рудогенеза Института минералогии УрО РАН (зав лабораторией д г -м н В В Масленников)
Методы исследований. В ходе полевых работ была проведена геологическая документацій опорных обнажений и минерализованных интервалов
керна скважин, отобраны и исследованы бороздовые (120 шт), штуфные (80 шт ) и шлиховые (30 шт) пробы
В работе использованы следующие методы изучения минерального вещества микротермометрический, включающий криометрию (500 ан ) и гомогенизацию (1000 ан ) индивидуальных флюидных включений, рентгенофлуоресцент-ный (11 ан), рентгеновский (10 ан), электронно-микроскопический (60 ан), шлиховой (30 ан ), силикатный (100 ан ), атомно-абсорбционный (20 ан), масс-спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) (50 ан), газово-хроматографнческий (20 ан ), Фурье-спектроскопия (30 ан )
Микротермометрическим методом исследованы 50 прозрачно-полированных шлифов жильного кварца, барита и кальцита Исследования барита проводились в микрокриотермокамере конструкции В А Симонова [1993] Исследования кварца и кальцита проведены на микрокриотермостолике THMSG-600 (LINKAM), позволяющем производить измерения температур фазовых переходов в интервале -196 до +600 С, с микроскопом Olympus (объектив 50х) Управляющее программное обеспечение LmkSys V-2 39 Точность измерений ±0 1 С в интервале температур -20. .+80 С и ±1 С за пределами этого интервала Для исследований использовались двухфазные включения размером 5-30 мкм, состоящие из водного раствора и газового пузырька Солевой состав гидротермальных растворов во включениях оценивался по температурам эвтектик [Борисенко, 1977] Температуры гомогенизации фиксировались в момент исчезновения газового пузырька при нагревании препарата в термокамере и приняты за минимальные температуры процесса минералообразования [Ермаков, Долгов, 1979, Реддер, 1987] Концентрации солей в растворах рассчитывались по температурам плавления последних кристаллических фаз [Борисенко, 1977, Реддер, 1987, Bodnar, 1994] Исследования проводились на геологическом факультете Миасского филиала ЮУрГУ (Миасс), в Институте геологии и геохимии УрО РАН (Екатеринбург), Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (Москва), Музее естественной истории и Королевском колледже (Лондон)
Оптическим методом изучены 100 петрографических шлифов и 30 ан-шлифов. Изучение проводилось на микроскопах Axiolab, Olympus ВХ50 (ИМин УрО РАН), ПОЛАМ Р-111, Р-312, NU-2 (МГФ ЮУрГУ) Рентгенофлуорес-центный анализ производился на приборе РФА-ВЭГШ-3 (Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск). Рентгеновский анализ проводился методами дифрактометрии (ДРОН-2 0, аналитик П В Хворов, ИМин УрО РАН) и Дебая-Шерера (УРС-2 0, аналитик Е Д Зенович, ИМин УрО РАН) Химический состав минералов изучался на рентгеноспектральном микроанализаторе JEOL JCXA-733 (аналитик Е И Чурин, ИМин УрО РАН) и на растровом электронном микроскопе с энергодисперсионным микроанализатором РЭММА-202МВ (аналитик В А Котляров, ИМин УрО РАН) Валовый химический анализ пород выполнялся классическим химическим методом (Южно-Уральский центр коллективного пользования по исследованию минерального сырья ИМин УрО
РАН, аттестат № РОСС RU0001 514536) Атомно-абсорбционная спектрометрия для определения содержаний РЬ, Си, Sr, Zn, Ni, Fe, Co в барите и кальците, Ag и Au - в бурых железняках и кварце проведена в лаборатории ОАО «Александрийская горнорудная компания» и химической лаборатории ИМин УрО РАН (аналитик Ю Ф Мельнова) Масс-спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) проводилась на приборе Perkin Elmer ELAN 9000, (аналитик Д Н Киселева, ИГГ УрО РАН) Газово-хроматографический анализ выполнен на хроматографе серии «Цвет-100» с пиролитической приставкой П-75 (аналитик О Ф Миронова, Институт геохимии и аналитической химии, Москва) Методом инфракрасной Фурье-спектроскопии изучалось структурное положение воды, и проводилась количественная оценка содержания различных водородсодержащих группировок в кварце (аналитик М В Штенберг, Фурье-спектрометр Nexus-870, ИМин УрО РАН) Для всех зарегистрированных спектров была выполнена процедура коррекции базовой линии, и полученные спектры пропускания были пересчитаны в спектры поглощения (оптическую плотность) с нормировкой на толщину образца Обработка спектров произведена с помощью программного пакета OMNIC Для разложения спектра на суперпозицию отдельных линий использована программа Peakfit Количественная оценка водородсодержащих группировок производилась по закону Бугера-Ламберта-Бера А = є -с -d, где А - оптическая плотность, є - молярный коэффициент поглощения (л моль'1 см'1), с - концентрация (моль л'1) и d -толщина поглощаемого слоя (см) В работе использовалось упрощенное соотношение Сн = А А, где Сн - число атомов Н на 106 атомов Si, А - калибровочный коэффициент, А - нормированная интегральная интенсивность характеристической линии, см'2 Калибровочные коэффициенты для молекулярной воды и гидроксильных групп взяты Ан 0 =1,05 и Аон =0,812 (Kronenberg, 1994)
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах изучения сборе каменного материала, геологической документации опорных обнажений и разведочных траншей, выполнении оптических и термобарогеохимических исследований
Научная новизна. Впервые для изученных объектов выделены и охарактеризованы две гидротермальные системы, приуроченные к среднедевонскому андезибазальтовому и раннекаменноугольному трахибазальт-трахириолитовому вулканическим комплексам Определен флюидный режим формирования этих палеогидротермальных систем Первая функционировала при температурах 180-290С и хлоридно-натриевых растворах с соленостью 3-7 мае %экв NaCl, формирование второй происходило при температурах 150-350С из хлоридно-калиево-натриевых растворов с повышенной соленостью 9-19 мае % экв NaCl В работе применен системный подход к получению термобарогеохимических данных, который заключается в изучении физико-химических параметров на различных уровнях палеогидротермальных систем
Практическое значение. Исследование палеогидротермалыгой системы в среднедевонских вулканитах дало возможность сопоставить оруденение с золото-сульфидным (муртыктинский) типом месторождений и рекомендовать проведение поисково-оценочных работ на золото [Знаменский, 1992, Зайков и др, 2004, Novosebv, Belogub, 2005, Семибратова, Юминов, 2007] Исследование барит-полиметаллической и редкоземельной минерализации в палеогидро-термальной системе раннекаменноугольного вулканического комплекса дало новую информацию о ее металлогеническом потенциале. Изучение минералогии, петрографии, химических, физических свойств и условий формирования гематит-кварцевых пород позволило разработать рекомендации по их использованию в качестве декоративно-поделочного сырья Произведен подсчет прогнозных ресурсов декоративно-поделочного сырья с различными технологическими свойствами и разработаны рекомендации по селективной выемке камня [Разработка , 2007ф]
Результаты работ представлялись в ОАО «Александрийская горнорудная компания», СПЛиАЦ «Аркаим», ОАО «Башкиргеология» и Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в форме отчетов и информационных записок
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Научной студенческой школе «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, 2004-2008), областной научно-практической конференции «Новые направления и методы поисков месторождений полезных ископаемых» (Челябинск, 2004), Всероссийских научных чтениях им В О Полякова (Миасс, 2005), Международном петрографическом совещании «Петрография XXI века» (Апатиты, 2005), Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2004, 2006), XXI Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2005), VI Межрегиональной научно-практической конференции «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана» (Уфа, 2006), I Демидовских Чтениях на Урале (Екатеринбург, 2006), IV Уральском металлогеническом совещании (Миасс, 2006), Годичном собрании Российского минералогического общества (Санкт-Петербург, 2006), 12th Quadrenial IAGOD symposium (Москва, 2006) Fermor meeting «Magmas Minerals Megastructures» (London, 2006), MDSG 29th Annual Winter Conference (London, 2006)
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 35 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю В В Зайкову за постоянное внимание и ценные советы, директору ИМин УрО РАН член-корр РАН В Н Анфилогову, зав лабораторией минералогии рудогенеза В В Масленникову и сотрудникам Института минералогии Е В Зай-ковой, А М Юминову, Е В Белогуб, К А Новоселову, В.А Попову, И Ю Ме-лекесцевой, Д А Артемьеву, А Г Кораблеву и другим коллегам и друзьям за помощь в исследованиях, консультации, критические замечания и поддержку
Большая помощь в аналитических исследованиях при выполнении работы была оказана Р Херринггоном (Музей естественной истории), Дж Уилкинсоном (Королевский колледж), З А. Котельниковой (ИГЕМ РАН) Автор признателен В А Котлярову, Е И Чурину, П В Хворову, С А Садыкову, М В Штенбергу (ИМин УрО РАН), ОФ Мироновой (ГЕОХИ РАН) за выполнение аналитических работ и консультации, Г Б Здановичу, А М Кисленко, Н С Михайловой и М Н Анкушеву за содействие в полевых работах Автор также благодарит коллективы шлифовальных мастерских ИМин УрО РАН и МГФ ЮУрГУ и лабораторию геоэкологии и техногенеза ИМин УрО РАН во главе с В Н Удачиным
Исследования были поддержаны РФФИ (04-05-96014-р2004урал_а, 06-05-74774-э), Министерством образования РФ (01 1204ф, РНП2 1 1 1840), Федеральным агентством по образованию РФ (40/21-176), программой Приоритетного направления Президиума РАН № 14 «Мировой океан геология, геодинамика, физика, биология», «Университеты России» (УР 09 01 048), интеграционным проектом ученых Уральского и Сибирского отделений РАН, грантами молодых ученых УрО РАН, Фондом содействия отечественной науке, Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (№ 7477) и Правительством Челябинской области
