Актуальность исследований. Проблемы рудоносности палеовулканических 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 минер агсообразующих 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, имеющих, как правило, среднедевонский возраст. При изучении таких объектов, связанных с гидротермальными системами, большое значение имеют термобарогеохимические исследования, позволяющие определить условия формирования гидротермальных систем 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 андезибазальтовым и трахириолит-трахибазальтовым вулканическим комплексам Магнитогорской металлогенической зоны. Исследование физико-химических особенностей — температурного режима и солевого состава — этих палеогидротермальных систем ранее не проводилось. Вместе с тем, с вулканогенными палеогидротермальными системами в девонских комплексах связана золоторудная минерализация, аналогичная золото-серебряному (куросанский) типу месторождений [Белгородский, 1998; Михайлов и др., 2003], а также верхнедевонско-нижнекаменноутольному высокоэпитермальныму Березняковскому месторождению в андезитоидах [ЬеЬшапп е1 а1., 2000; Новоселов и др., 2005]. Палеогидротермальные системы в раннекаменноугольных вулканитах перспективны на барит-золото-полиметаллическое оруденение [Зайков, 1995;
Голованов, 1999фАнкушева, Юминов, 2005; Анкушева и др., 2005]. Таким образом, назрела необходимость изучения условий образования вулканогенных палеогидротермальных систем, в частности, развитых на Аркаимской площади. Изучение этих систем дает новую информацию об их металлогеническом потенциале. -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 среднедевонского 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 раннекаменноугольного возраста на Аркаимской площади;
• изучение флюидных включений в минералах, установление температур гомогенизации, концентраций солей, солевого и газового состава для оценки физико-химических параметров минералообразующих растворов;
• сравнительный анализ исследованных палеогидротермальных систем с другими формационными типами месторождений в вулканогенных комплексах.
Объектами исследования выбраны палеогидротермальные системы двух вулканических комплексов — андезибазальтового (Бг) и трахириолит-трахибазальтового (С^). 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 800 м и характеризуется наличием сульфидно-кварцевых и галенит-баритовых жил.
Объектами для сравнительного анализа послужили золото-колчеданно-полиметаллические месторождения Таш-Тау и Вишневское, кобальт-медно-колчеданное Ивановское, а также марганцеворудное Янзигитовское месторождения, термобарогеохимические исследования которых были проведены автором впервые. Эти объекты в большей степени 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, Александринское), кобальт-медноколчеданным (Ишкининское) месторождениям Западнои 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 (№ 01.200.202 519), «Эволюция процессов минералообразования в колчеданоносных палеоокеанических структурах» (№ 0.20.1 589), «Геоархеология и археологическая минералогия Урала» (№ 01.2.10 303 810). 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 документация 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 ап.) индивидуальных флюидных включений, рентгенофлуоресцентный (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-хроматографический (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 LinkSys Y-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; Редцер, 1987]. Концентрации солей в растворах рассчитывались по температурам плавления последних кристаллических фаз [Борисенко, 1977; Редцер, 1987; Bodnar, 1994]. Исследования проводились на геологическом факультете Миасского филиала ЮУрГУ (Миасс), 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 аншлифов. Изучение проводилось на микроскопах Axiolab, Olympus ВХ50 (ИМин УрО РАН), ПОЛАМ Р-111, Р-312, NU-2 (МГФ ЮУрГУ). Рентгенофлуоресцентный анализ производился на приборе РФА-ВЭПП-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 RU.0001.514 536). Атомно-абсорбционная спектрометрия для определения содержаний Pb, Си, Sr, Zn, Ni, Fe, Co в барите и кальците, Ag и Au — в бурых железняках и кварце проведена в лаборатории ОАО «Александринская 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 = £-с-d, где, А — оптическая плотность, s — молярный коэффициент поглощения (лмоль^-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 10б атомов Si, А — калибровочный коэффициент, Д — нормированная интегральная интенсивность характеристической линии, см" 2. Калибровочные коэффициенты для молекулярной воды и гидроксильных групп взяты Ан0 = 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 система функционировала при температурах 180−290°С и хлоридно-натриевых растворах с соленостью 3−7 мае. % экв. NaCl, формирование второй происходило при температурах 150−350°С 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 палеогидротермальной системы в среднедевонских вулканитах дало возможность сопоставить оруденение с золото-сульфидным (муртыктпнекий) типом месторождений и рекомендовать проведение поисково-оценочных работ на золото [Знаменский, 1992; Зайков и др., 2004; Novoselov, Belogub, 2005; Семибратова, Юминов, 2007]. Исследование барит-полиметалличсской и редкоземельной минерализации в палеогидротермальной 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 «Александринская 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. Minerais. 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.
Анализ результатов проведенных исследований позволил сформулировать следующие защищаемые положения.
1. В исследованных вулканических комплексах выделены две палеогидротермальные системы: в среднедевонском андезибазальтовом комплексе — стратиформпые золотоносные зоны окварцевания и гематит-кварцевые породыв раннекамеиноугольном трахибазальт-трахириолитовом — секущие сульфиднокварцевые и галенит-баритовые жилы, связанные с дайками микрограносиенитов и диабазов.
2. В формировании палеогидротермальной системы андезибазальтового комплекса участвовали хлоридно-натриевые растворы с температурами 180−290 °С и концентрациями солей 3—7 мае. %, близкие морской воде. От ее нижнего уровня к верхнему происходило понижение температур и повышение солености растворов. Система аналогична колчеданоносным палеогидротермальным системам западного фланга Магнитогорской металлогенической зоны.
3. Палеогидротермалъная система трахириолит-трахибазалътового комплекса формировалась при участии хлоридно-калиево-натриевых растворов с температурами 150−350 °С и повышенной соленостью 9—19 мае. %, что свидетельствует об их магматогенном источнике. По этим параметрам система аналогична таковым, в золото-кварцевых месторождениях Восточно-Уральской зоны.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы общим объемом 150 страниц. Работа иллюстрирована 80 рисунками, 25 таблицами, список литературы содержит 136 наименований, из них 32 — фондовые материалы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. В палеогидротермальной системе Лисьи Горы андезибазальтового комплекса выделены зоны развития золотоносных сульфидно-кварцевых жил в подстилающих андезибаз альтах и гематит-кварцевые породы с оксидно-марганцевой минерализацией в перекрывающих алевролитах. Палеогидротермальная система Аркаимская трахибазальт-трахириолитового комплекса включает секущие сульфидно-кварцевые в трахибазальтах, трахириолитах и микрограносиенитах и галенит-баритовые жилы, приуроченные к дайкам диабазов.
2. Установлено, что палеогидротермальная система Лисьи Горы формировалась при участии растворов преимущественно хлори дно-натриевого состава с преобладающими значениями солености 3—7 мае. %. Зафиксировано увеличение концентраций солей в растворах в направлении от нижних уровней гидротермальной системы (золотоносные зоны окварцевания в андезибазальтах) к верхним (гематит-кварцевые породы), что связывается с влиянием магматогенного флюида или преобразованием флюида в результате его взаимодействия с окружающими породами при подъеме к поверхности. Также установлено понижение температур растворов от 290 до 180 °C снизу вверх в системе. В палеогидротермальной системе Аркаимской соленость флюидов повышается от 9 мае. % в кварцевых жилах из трахибазальтов и трахириолитов до 19 мае. % в жилах кварца из даек микрограносиенитов и барите. Температуры растворов составляют 240−270 °С для кварца и 150−200 °С — для жил барита, связанных с дайками.
3. Установлены черты сходства палеогидротермальной системы Лисьи Горы по солености, температурам гомогенизации включений и солевому составу растворов с колчеданоносными палеогидротермальными системами Западно-Магнитогорской металлогенической зоны и современными сульфидными постройками Атлантического и Тихого океанов, что указывает на сходство главной составляющей гидротермальных растворов в данных объектах — морской воды. Параметры растворов палеогидротермальной системы Аркаимской сходны с таковыми для золото-кварцевых месторождений Восточно-Уральской зоны. Высокая соленость растворов свидетельствует о глубинном источнике растворов, сформировавших данную систему.
В задачи дальнейших работ будет входить:
— установление закономерностей и эволюции формирования и зональности палеогидротермальных систем на различных уровнях среза вулканических комплексов;
— сопоставление результатов исследований с данными по месторождениям в риолит-базальтовых комплексах различных рудных районов (Урал, Алтай, Пиринеи) и современных рудообразующих системизучение типоморфных особенностей золота, его взаимоотношений с сульфидами и жильным кварцемопределение отличий гальмиролитических и гидротермальных отложений, что имеет не только теоретическое, но и практическое значение в связи с разработкой новых критериев прогнозирования колчеданного оруденения.