Генетическая минералогия метаморфизованных марганцевых отложений палеовулканогенных комплексов Южного Урала. Брусницын А. И.// Металлогения древних и современных океанов–2008. Рудоносные комплексы и рудные фации. Миасс: ИМин УрО РАН, 2008.
Рассмотрена минералогия метаморфизованных марганцевых месторождений Южного Урала, залегающих среди вулканогенно-осадочных толщ девонского возраста и относящихся к стратиформному гидротермально-осадочному типу. Среди минералов марганцевых руд установлен 61 вид, большая часть которых впервые установлена в марганцевых породах Южного Урала. Рассчитаны физико-химические условия формирования и преобразования минеральных ассоциаций марганцевых руд в условиях метаморфизма.
Илл. 1. Библ. 8.
А.И. Брусницын
Санкт-Петербургский государственный университет, г. С.-Петербург
brusspb@yandex.ru
Генетическая минералогия метаморфизованных марганцевых
отложений палеовулканогенных комплексов Южного Урала
Среди вулканогенных и вулканогенно-осадочных толщ различного возраста широко распространены стратиформные марганцевые залежи, которые подавляющим большинством исследователей относятся к гидротермально-осадочному генетическому типу. Геологическое строение и минералогия таких объектов изучена на примере 10 девонских месторождений Магнитогорского палеовулканического пояса на Южном Урале (Кожаевское, Уразовское, Биккуловское, Казган-Таш, Кызыл-Таш, Кусимовское, Северо-, Средне- и Южно-Файзулинское, Янзигитовское). Главная цель исследований состояла в создании взаимосвязанных моделей генезиса залежей марганца, отражающих процессы формирования и преобразования минерального вещества на всех стадиях становления месторождений, начиная от накопления рудного осадка, до его захоронения и метаморфизма. Автор попытался проследить эволюцию минералогии марганцевых отложений в контексте геологической истории региона. Основные результаты работы сводятся к следующим.
1. Среди марганцевых месторождений, приуроченных к палеовулканогенным комплексам, выделяются два взаимосвязанных типа гидротермально-осадочных объектов, различающихся строением продуктивных пачек, химическим и минеральным составом слагающих их пород, условиями накопления рудного вещества: а) проксимальные залежи, сформировавшиеся на участках просачивания на поверхность морского дна гидротермальных растворов; б) дистальные залежи, образовавшиеся на удалении от устья гидротермальных источников.
Диагностические признаки месторождений каждого из двух типов, а также условия их формирования рассмотрены в статье А. И. Брусницына и И. Г. Жукова в настоящем сборнике.
2. Минеральный состав марганцевых пород, насчитывает более 60 видов, которые группируются в три последовательно образующиеся группы ассоциаций: 1)ассоциации пород основного объема залежей, сформировавшиеся в процессе регионального метаморфизма низких температур и давления (Т = 200–260 °С, Р = 2–3кбар); 2) ассоциации сегрегационных и метасоматических прожилков, выполняющих системы поздних тектонических трещин; 3) ассоциации приповерхностных гипергенных минералов. Большая часть минеральных видов (38), представлена метаморфогенными силикатами.
В поздних прожилках переотложены некоторые минералы основной массы породы, каких-либо новых для месторождений минералов в жилах не установлено.
Среди гипергенных минералов диагностированы: пиролюзит, вернадит, криптомелан, тодорокит, рансьеит, нсутит, гетит, кварц, кальцит и каолинит.
Значительная часть перечисленных минералов впервые установлены в марганцевых породах Южного Урала, а три минерала (риббеит Mn5(SiO4)2(OH)2, кумбсит KMn13(Si14AlO42)(OH)14 и широцулит KMn2.5(Si4O10)(OH)2) − впервые найдены на территории России [Брусницын, Чуканов, 2002; Семкова и др., 2002; Брусницын, Нестеров, 2006].
3. Региональный метаморфизм марганцевоносных отложений протекал в изохимических условиях, когда характер метаморфогенных парагенезисов, а также химический состав минералов, контролировался соотношением в породах количеств главных металлов (Mn, Fe, Ca, Mg, Al, Si) и распределением в них биогенных углеводородов, разложение которых контролировало баланс углекислоты и кислорода в поровом растворе (окислительно-восстановительные свойства среды). На месте содержащих Сорг проксимальных осадков формировались оксидно-карбонатно-силикатные породы, сложенные преимущественно силикатами и карбонатами Mn2+ (тефроитом, родонитом, кариопилитом, родохрозитом и др.), а также андрадитом, кварцем, гематитом и гаусманитом; а за счет лишенных Сорг дистальных осадков – оксидно-силикатные породы, в составе которых резко доминируют браунит (силикат Mn3+) и кварц.
Главные минеральные ассоциации двух типов метаморфизованных пород (метаманганолитов) Южного Урала представлены на диаграммах состав-парагенезис (рис.).
В оксидно-карбонатно-силикатных отложениях одновременно с силикатами Mn2+ широко развиты карбонаты (родохрозит, кальцит, кутнагорит), характеризующиеся изотопно-легким составом углерода (δ 13С = –10.8 … –51.4 ‰) [Кулешов, Брусницын, 2005]. Такой изотопный состав свойственен аутигенным карбонатам, образованным за счет углекислоты, представляющей собой результат микробиального окисления органического вещества и метана в толще илового осадка на стадии раннего диагенеза или позже – в процессе позднего диагенеза (катагенеза) осадочной породы. Разложение биогенных углеводородов способствовало повышению концентрации углекислоты в поровом растворе и поглощению из него кислорода и, таким образом, контролировало окислительно-восстановительные свойства среды.
В свою очередь, наличие в осадке биогенного вещества контролировалось расстоянием от гидротермального источника. В настоящее время хорошо известно [Биология …, 2002], что в областях просачивания высоко- и низкотемпературных гидротерм биогеохимические условия способствуют активному развитию бентосной фауны, в то время как на удалении от них биологическая продуктивность среды резко снижается
4. Типоморфными минералами марганцевых пород, испытавших метаморфизм низких температур и давлений, являются гидратированные силикаты (кариопилит, манганпиросмалит, парсеттенсит, баннистерит, кумбсит и др.). Благоприятными предпосылками для низкотемпературной кристаллизации силикатов служит присутствие в исходных отложениях марганца в форме Mn-Si геля, а также низкие концентрации кислорода и углекислоты в поровом растворе. Преобразование Mn-Si протолита по мере увеличение температуры происходит ступенчато в следующей последовательности: гель → неотокит → кариопилит + кварц → пироксмангит (родонит) + кариопилит + тефроит → пироксмангит (родонит)+тефроит. Вытеснение кариопилита парагенезисом пироксмангита (родонита) с тефроитом осуществляется в температурном интервале, соответствующем пренит-пумпеллиитовой фаций метаморфизма.
В слабометаморфизованных марганцевых породах Южного Урала широко развиты силикаты, которые нередко относят к продуктам высокотемпературных процессов. Например, минералы из групп оливина, пироксенов, пироксеноидов, амфиболов и гранатов. Анализ собственных и литературных материалов показал, что эти минералы устойчивы в очень широком диапазоне температур и давлений: начиная от самых низких и вплоть до максимально возможных для метаморфизма. Поэтому,
одно лишь их присутствие само по себе не служит показателем РТ-условий минералообразования.
Типичными минералами слабометаморфизованных марганцевых отложений являются силикаты с высоким содержанием воды. Среди них наиболее распространенным является кариопилит. Характер взаимоотношений между минералами показывает, что образование кариопилита происходит при раскристаллизации Mn-Si геля или стекла (неотокита). Затем при наращивании РТ-параметров путем реакций с участием кариопилита образуются пироксмангит и/или родонит (при Т ≈ 150 ºС), тефроит, гранаты (андрадит, гроссуляр, спессартин) и др. Но, уже при температурах порядка 250 ºС кариопилит вытесняется парагенезисом пироксмангит (родонит) + тефроит. Помимо температуры стабильность кариопилита ограничивается концентрацией
углекислоты и кислорода в поровом растворе. Даже при относительно небольшом повышении fCO2 кариопилит быстро вытесняется ассоциацией кварца с родохрозитом, а при повышении fO2 − ассоциацией пироксмангита (родонита) с браунитом.
К другим признакам низкоградного метаморфизма марганцевых отложений относятся:
1. Присутствие йогансенита. Экспериментальные исследования [Angel, 1984] показали, что при Р = 2 кбар йогансенит стабилен при Т < 320 °C. При тех же давлениях, но больших температурах на месте йогансенита должен образовываться его полиморфный аналог – бустамит Ca3Mn3(Si3O9)2. Поле устойчивости йогансенита охватывает весь диапазон РТ-условий низкоградного метаморфизма от цеолитовой до низов зеленосланцевой фации включительно.
2. Наличие минералов группы пумпеллиита. По результатам экспериментальных исследований [Liouetal., 1985], Mg-пумпеллиит стабилен до температуры 360 °С при Р ≤ 4 кбар. Изоморфное замещение магния на железо заметно снижает температуру устойчивости этого минерала, и при тех же давлениях Fe-пумпеллиит может существовать лишь до Т ≈ 260 °С [Schiffman, Liou, 1983]. Предполагается, что аналогичное влияние оказывает появление в составе пумпеллиита марганца.
3. Преимущественно тонкозернистое строение пород, широкое распространение в них пелитовых, глобулярных, колломорфных, спутанно-волокнистых, сферолитовых структур. Низкая степень кристаллизованности многих минералов, которая проявлена как в чрезвычайно дефектной морфологии индивидов и агрегатов, так и в диффузном характере их рентгенограмм. Начиная с зеленосланцевой фации и выше для минералов характерны более или менее хорошо оформленные зерна, четкая дифракционная картина, а для пород мозаичные, грано- и гетеробластовые структуры.
4. Наличие в породах хорошо сохранившихся реликтов микрофауны (панцирей радиолярий и т.п.), а во вмещающих породах как макро-, так и микрофауны.
Исследования поддержаны РФФИ (08-05-00415-а).
Литература
1.Биология гидротермальных систем. М.: ИО РАН, 2002. 544 с.
2.Брусницын А. И., Чуканов Н. В. Риббеит и аллеганит из Южно-Файзулинского марганцевого месторождения (Южный Урал) // Записки ВМО, 2002. № 5. С. 98−111.
3.Брусницын А. И., Нестеров А. Р. Широцулит из марганцевых месторождений Южного Урала, его химический состав и формулы марганцевых слюд // Записки ВМО, 2006. № 2. С. 93−98.
4.Кулешов В. Н., Брусницын А. И. Изотопный состав (d13С, d18О) и происхождение карбонатов из марганцевых месторождений Южного Урала // Литология и полезные ископаемые, 2005. № 4. С. 416−429.
5.Семкова Т. А., Брусницын А. И., Чуканов Н. В., Бритвин С. Н. Кумбсит из Кожаевского марганцевого месторождения (Южный Урал) // Записки ВМО, 2002. №2. С. 101−108.
6.Angel R. J. The experimental determination of the johannsenite/bustamite equilibrium inversion boundary // Contrib. Mineral. Petrol., 1984. Vol. 85. P. 272–278.
7.Liou J. G., Maruyama S., Cho M. Phase equilibria and mineral parageneses of metabasites in low-grade metamorphism // Miner. Mag., 1985. Vol. 49. P. 321-333.
8. Schiffman P., Liou J. G. Synthesis of Fe-pumpellyite and its stability relations with epidote // Journal of Metamorphic Geology, 1983. Vol. 1. P. 91−101.
