Типоморфизм и типохимизм минералов титан-циркониевых россыпей воронежской антеклизы как критерий реконструкции условий их формирования

Актуальность работы. Воронежская антеклиза представляет значительный интерес для расширения минерально-сырьевой базы (МСБ) относительно титана и циркония, так как в осадочном чехле известен ряд россыпных месторождений, относящихся пока к категории забалансовых. Титан и цирконий относятся к стратегическим металлам, играющим важнейшую роль в металлургической промышленности и современных технологиях. Россия после распада СССР уже в настоящее время испытывает острый дефицит в указанных видах сырья. По разным оценкам потребление цирконового концентрата в России к 2015 г составит от 40 до 100 тыс. т. в год. На территории России известны промышленные россыпи на Северном Кавказе, на юге Западной Сибири, а также в центре Восточно-Европейской платформы (ВЕП). Многие месторождения относятся к числу забалансовых из-за относительно низких технико-экономических показателей и недостаточной технологической изученности. В этой связи переоценка известных титан-циркониевых россыпных месторождений является важнейшей задачей, влияющей на экономику страны.

До настоящего времени повышенное внимание исследователей обращалось в основном на изучение вещественного состава и литолого-фациальных особенностей формирования титан-циркониевых россыпей. Вопрос о коренных источниках известных россыпей, в том числе промежуточных коллекторов, за некоторым исключением остается нерешенным. Оценивая большой вклад в изучение россыпей целой плеяды известных исследователей [Иконников, Осипов, 1989; Савко и др., 1995; Беляев, Иванов, 2000 и др.], следует отметить, что вопросы о коренных источниках известных россыпей актуальны и в настоящее время, так как их решение в значительной степени позволяет пересмотреть ресурсный потенциал россыпей.

Цель и задачи. Целью работы является решение проблемы установления коренных источников рудного вещества и создание модели формирования Т^-Ъс россыпей ВЕП, как отражение системы коренной источник — промежуточный коллектор — россыпь, для чего понадобилось решить целый ряд задач. К числу таких задач относится: 1) разработка методики прослеживания переноса рудных минералов с использованием прецизионных методов, что было сделано и апробировано на примере Павловского выступа- 2) моделирование механизма россыпеобразования структуры В А- 3) изучение типоморфизма и типохимизма циркона, ильменита и сопутствующих минералов, наиболее распространенных СВК докембрия и оценка их возможного вклада в ресурсный потенциал россыпей- 4) установление возможных путей миграции полезных компонентов, как в вертикальном (возрастном), так и в горизонтальном (фациальном) рядах геологических формаций осадочного чехла. При транспортировке полезные минералы подвергались влиянию гипергенных факторов, что могло привести к существенным изменениям типохимического и типоморфического «кода» минералов и снижению достоверности модельных построений. Оценка роли указанного процесса является пятой задачей, решение которой будет способствовать пересмотру ресурсного потенциала известных россыпей.

Фактический материал, положенный в основу работы, охватывает широкий возрастной спектр изученных породных ассоциаций, начиная от наиболее древних пород кристаллического фундамента (обоянский комплекс) до палеоген-неогеновых отложений. По кристаллическим породам докембрия были изучены ассоциации акцессорных минералов шестнадцати наиболее распространенным СВК, двум промежуточным коллекторам девона и пяти россыпных объектов наиболее перспективных возрастных уровней россыпеобразования мезозоя и кайнозоя. В рамках федеральной программы изучения россыпей Центральной России автором было отобрано и проанализировано более 30 представительных (по 4−6 кг) проб на количественный минералогический анализ. В процессе создания базы данных по типохимизму и типоморфизму автором лично было отобрано и проанализировано более 40 монофракций циркона, 30 ильменита, 25 сопутствующих (рутил, гранат, монацит, апатит, пирит, арсенопирит, сфен, дистен и др.) минералов.

Основные полезные минералы после детального описания под бинокуляром и микроскопом подвергались изучению на микрозонде СатеЬах МлсгоЬеат в лаборатории ИМГРЭ (аналитик Куликова И.М.), в результате чего получено 176 микрозондовых определений состава цирконов и более 40-ильменитов. Впервые были изучены цирконы с помощью 8ЬШ1МР-П-технологии (ВСЕГЕИ), как по породам кристаллического основания, так и по россыпям (всего ~20).

Научная новизна. Впервые применена методика «меченых» минералов для решения проблемы установления коренных источников сноса для россыпных объектов Центральной России. Важнейшим инструментом реконструкции является типохимизм и типоморфизм главных полезных россыпеобразующих минеральных компонентов (циркона и ильменита), а также ассоциирующих с ними второстепенных минералов. Впервые для региона изучение типохимизма цирконов показало, что в процессе корообразования часть из них достаточно интенсивно преобразуется в циртолиты, которые в значительных количествах присутствуют в россыпях относительно ближнего переноса (03]з1, частично К^а). В россыпях дальнего переноса их роль заметно снижается за счет механического разрушения и дальнейшего химического разложения. Корообразование, накладывающееся на осадочные породы (продукты перемыва верхнеюрской коры), где уже доминируют устойчивые формы циркона, к таким последствиям не приводит. В процессе исследования комплексно использовался и максимально учитывался весь имеющийся в настоящее время фактический и опубликованный материал по региону, включая литолого-фациальные карты, модели корообразования, вещественные особенности минеральных ассоциаций коренных источников и россыпей. Все это позволило создать интегральную модель процессов россыпеобразования в системе коренной источник — промежуточный коллектор — россыпь и указать определяющую роль в создании рудного потенциала каменноугольньк и позднетриасовой — раннеюрской эпох корообразования.

Практическая значимость работы заключается в создании алгоритма изучения россыпных объектов в системе коренной источник — промежуточный коллектор — россыпь на основе современных прецизионных методов. Указанная методика позволяет по-новому рассматривать эволюцию россыпеобразования, а, следовательно, вносить коррективы, как в оценку самого рудного потенциала, так и в направление поисков на конкретные полезные ископаемые. Кроме того, установление факта значительного количества циртолита в россыпях ставит вопрос об оптимизации существующих технологий извлечения цирконового концентрата, что может позволить перевести запасы известных месторождений из категории забалансовых в’балансовые.

Основные защищаемые положения.

1. В фанеразое Воронежской антеклизы неоднократно проявлены эпохи мощного корообразования с последующим размывом и сносом рыхлого материала, содержащего тяжелые минералы, в сторону отрицательных структур. Наиболее благоприятные условия формирования Ti-Zr россыпей, оптимально сочетающие фациальные и тектонические факторы при наличии зрелых промежуточных коллекторов, сложились на разных стратиграфических уровнях в меловое время.

Защищаемое положение раскрывается в разделах 2, 3 и 8 (подр. 8.3., 8.4., 8.5.), где показывается роль корообразующего и литолого-фациального факторов на продуктивность россыпей. Анализ указанных факторов показывает, что до сих пор роль эпох корообразования раннего и среднего карбона, а также позднего триаса — ранней юры недооценены, в то время как именно эти эпохи, судя по их продолжительности, служили главными продуцентами россыпей в качестве промежуточных коллекторов.

2. По типоморфическим и типохимическим особенностям полезных компонентов (циркон, ильменит, рутил и др.) установлено, что первичным источником россыпных объектов Воронежской антеклизы являются кристаллические породы фундамента и, в меньшей степени, её чехла (ильменит).

Второе защищаемое положение раскрывается в разделах 4, 5, 6 и 8 (подр. 8.1., 8.2.), где приводится характеристика акцессорных минеральных ассоциаций пород кристаллического фундамента, промежуточных коллекторов и россыпей, а также типоморфические и типохимические особенности цирконов и ильменитов, в том числе изотопные характеристики цирконов. Сравнение типоморфизма и типохимизма циркона в ряду коренной источник — промежуточный коллектор — россыпь показывает значительную унаследованность признаков цирконов, в том числе возрастных характеристик, что позволяет однозначно связать природу полезных компонентов россыпей с кристаллическими породами ВКМ.

3. Типохимизм цирконов с большим содержанием элементов-примесей (U, Th, REE, Ca) в процессе эволюции россыпеобразования под влиянием гипергенеза значительно меняется, а цирконы с меньшим их содержанием более устойчивы.

Положение раскрывается в разделах 5 (подр, 5.1.), 6 (подр. 6.1.) и 7. Изучение химизма цирконов показывает, что устойчивость этих минералов в коре выветривания зависит от их первичного состава. Наибольшей устойчивостью обладают цирконы с простой кристаллохимией, сформированные в раннемагматическую стадию. Циркон позднемагматического и эпигенетического генезиса, характеризующиеся повышенным содержанием U, Th, REE и Ca циртолитизируются в первую очередь. Сразу после размыва коры при ближнем переносе циртолитизированные в различной степени цирконы доминируют в составе полезных компонентов россыпных объектов — коллекторов. При последующем перемыве и переносе они разрушаются в первую очередь и их доля уменьшается. Подобные процессы за счет лейкоксенизации характерны для сфена и в меньшей степени для ильменита.

Публикации и апробация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе в 3 журналах рекомендованных перечнем ВАК. Результаты исследований автором докладывались-на: Ферсмановской научной сессии, Апатиты (2006 г.) — XL Тектоническом совещании, Москва (2007 г.) — VIII Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Саратов (20 072 008 г.) — VIII Международной конференции «Новые идеи в науке о Земле», Москва (2007 г.) — XI международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоение недр», Томск (2007 г.) — IV международной научной конференции студентов и аспирантов, Днепропетровск (2007 г.) — XVIII молодежной конференции, Санкт-Петербург (20O7 г.) — XXII Всероссийской молодежной конференции, Иркутск (2007 г.) — Международной конференции «Месторождения.», Воронеж (2008 г.) и др.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность научным руководителям докторам геолого-минералогических наук Александру Александровичу Кременецкому и Виктору Мироновичу Ненахову за помощь и постоянную научную опеку при написании работы, а также кандидатам геолого-минералогических наук В. Ю. Скрябину и Л. И. Веремеевой, А. Е. Звонареву, И. П. Лебедеву, А. Ю. Альбекову за возможность использования их личных коллекций при обобщении фактического материала.

Автор благодарит д.г.-м.н., проф., член-корр. РАН Н. М. Чернышова, д.г.-м.н., проф. В. И. Сиротина, и д.г.-м.н., проф. А. Д. Савко, а также своих коллег по работе проф. А. И. Трегуба, доц. A.B. Никитина, C.B. Бондаренко,.

М.И. Шабалина| за доброе отношение, постоянную помощь, советы и критические замечания, способствующие улучшению качества диссертации, а также Н. И. Швецова за всестороннюю поддержку.

Выполнение работы не возможно было бы без аналитического сопровождения, обеспеченного И. М. Куликовой — старшего научного сотрудника, руководителя группы лаборатории рентгеноспектрального микроанализа (ИМГРЭ), за что автор выражает огромную признательность.

Выводы по каждой из названных позиций модели сводятся к следующему.

1. Наиболее распространенным типом кристаллических пород докембрия являются разнообразные гнейсы и плагиограниты раннеархейского обоянского комплекса, значительно омоложенные в карельскую эпоху тектогенеза, на долю которого приходится -53% площади выходов кристаллического основания. В этой связи доминирующий вклад с учетом распространенности и продуктивности в россыпеобразование принадлежит указанному комплексу, как в качестве поставщика циркона, так и ильменита (в составе обоянского комплекса до 30% от его объема приходится на ортоамфиболиты), что доказывается изотопными характеристиками цирконов россыпей.

2. Роль эпох корообразования по мере эволюции осадочного чехла антеклизы постепенно уменьшалась, так как уже к аптскому времени лишь -10% площади кристаллического фундамента были обнажены, остальная территория была покрыта рыхлыми осадками, уже подготовленными к перемыву и созданию рудных концентраций. Анализируя продолжительность эпох корообразования, их представительность (сохранность) и степень зрелости, мы приходим к парадоксальному выводу о том, что наблюдается несоответствие между длительностью и представительностью указанных процессов, что позволяет предположить, более весомый вклад в процессы россыпеобразования триас-юрской и каменноугольным этапам корообразования.

3. Все продуктивные россыпные объекты сформировались в обстановках мелководных бассейнов прибрежно-морской зоны. Наиболее высокие концентрации полезных компонентов характерны для участков прибрежных зон, где ощутимо влияние древних речных систем, являющихся главными поставщиками рудных минералов,.

4. Из девяти эпох корообразования, имеющих непосредственное влияние на россыпеобразование важнейшими представляются позднерифейская, предверхнедевонская, раннеи среднекаменноугольная, а также позднетриас-раннеюрская и раннемеловая, причем каменноугольные и позднетриас-раннеюрская практически полностью размыты и вовлечены в рециклинг.

5. Направление и механизм сноса для разных коллекторов и россыпей различен. Если для девона (ястребовская свита) и раннего мела (апт) четко намечается связь россыпных объектов с долинами рек, сопряженных с морским бассейном, то для сеноманских отложений такая связь отсутствует, так как в последнем случае перемывались уже морские отложения. Не достаточно ясен механизм перемыва карбонового и триас-юрского коллекторов, полностью переработанных под влиянием денудационных и абразионных процессов, но, по-видимому, он был близок механизму, преобладающему в девонское и раннемеловое время.

6. Максимальный ресурсный потенциал окончательно сформировался за счет перемыва (рециклинга) промежуточных коллекторов девона, карбона, позднего триаса-юры и раннего мела в сеноманское время по механизму «промывочного лотка».

7. В процессе корообразования часть цирконов меняет свой типохимизм, подвергаясь циртолитизации, которая характерна для цирконов с нарушенной кристаллической решеткой. Циртолитизированные разности менее устойчивы к механическому износу, что приводит к потерям при формировании ресурсного потенциала россыпей.

8. Наличие значительных количеств циртолитов в россыпях ставит перед необходимостью разработки способов повышения их извлекаемости, что позволит пересмотреть ресурсы известных месторождений и перевести их из категории забалансовых в балансовые.

9. К числу задач, решение которых актуально в ближайшее время относятся: а) определение роли Тульско-Саратовского выступа в формировании ресурсного потенциала Воронежской антеклизыб) продолжение изучение возрастных характеристик цирконов россыпей и коренных источниковв) дальнейшее изучение типохимизма ильменитов, как коренных, так и россыпных объектов территории Воронежской антеклизы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе исследований была применена методика «меченых» минералов, в качестве которых использовался циркон. Изучался его типохимизм, в том числе изотопные характеристики. Изучение типохимизма цирконов показало, что в процессе корообразования часть из них достаточно интенсивно преобразуются в циртолиты, которые в значительных количествах присутствуют в россыпях относительно ближнего сноса (03]з1, Бэр!, частично К) а), а россыпях дальнего переноса их роль несколько снижается за счет механического разрушения и дальнейшего химического разложения.

Что касается изотопных характеристик, то на примере Павловского выступа было показано некоторое нарушение изотопной системы в процессе корообразования и, как следствие, искажение (омоложение) возраста цирконов в коре выветривания по сравнению с цирконами неизмененных коренных пород.

Важнейшим результатом исследований является модель формирования россыпных объектов ВЕП в системе «коренной источник — промежуточный коллектор — россыпь», которая включает: 1) установление главных типов коренных источников и учет их распространенности- 2) определение времени, характера и масштабов эпох перерывов и корообразования- 3) реконструкцию палеофациальных условий образования промежуточных коллекторов и россыпей- 4) определение степени размыва отложений возрастных эпох, предшествующих трансгрессии и 5) выявление направления, дальности, и механизма сноса и накопления россыпей различного возраста.