Глубоководные сульфидные руды поля Юбилейное: минералогия, геохимия

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.42

глубоководные сульфидные руды поля юбилейное: минералогия, геохимия

А. А. Суханова

Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург,

Инженер, ФГБУ "ВНИИОкеангеология", Санкт-Петербург, sukhanova.anna.ru@gmail.com

Аннотация

В данной работе рассмотрены особенности океанических сульфидных руд поля Юбилейное (САХ). Изучения минералого-геохимических особенностей глубоководных сульфидов являются ключевыми для понимания океанического рудогенеза и при выявлении критериев оценки перспективности рудных объектов.

Ключевые слова: океанические сульфиды; океанический гидротермальный рудогенез; Срединно-Атлантический хребет; минералого-геохимические особенности; зональность минералообразования.

A. A. Sukhanova

Deep-sea sulfides from ore field Jubileynoye: mineralogy, geochemistry

Abstract. Some features of the oceanic sulfide ores of the Jubileynoye field (MAR) are considered in this paper. The study of mineralogical-geochemical features of deep-sea sulfides is the key point to understanding oceanic ore genesis and revealing criteria for the prospects of oceanic ore objects.

Keywords: oceanic sulfides, oceanic hydrothermal ore genesis, Mid-Atlantic Ridge, mineralogical-geochemical features, zoning of the mineral formation.

минерализация мировой океан рудный

Введение

Первые сведения о наличии рудной минерализации в Мировом океане были получены в 1978 году по результатам изучения акватории Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП) [1, 2] и Галапагосского хребта [3, 4, 5]. На протяжении последних 40 лет исследования глубоководных сульфидных руд приобрели не только фундаментально научный характер, но и неоспоримую практическую значимость.

В 2010 г. Международный орган по Морскому дну (МОМД) при ООН принял правила поисков и разведки полиметаллических сульфидов в Атлантике, в международном районе морского дна. Контракт на разведку полиметаллических сульфидов между МОМД и Министерством природных ресурсов и экологии РФ был заключен 29 октября 2012 года. Российский разведочный район расположен в центральной части Атлантического океана в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта в интервале широт 12°48'36"-20°54'36" с.ш.

Рудное поле Юбилейное открыто в 2012 г. и является первым в рамках подписанного в том же году контракта с МОМД на разведку глубоководных океанических сульфидов в ходе 35-36 рейсов НИС «Профессор Логачев», исполнителями которых являлись сотрудники ФГБУ "ВНИИОкеангеология", ФГУП «ВИМС», ФГУП «ЦНИГРИ» и ОАО «Севморгео». Комплексный анализ минералого-геохимических особенностей глубоководных сульфидных руд поля Юбилейное способствует не только более детальному пониманию процесса океанического гидротермального рудогенеза, но и позволит выделить критерии перспективности рудных объектов (блоков) для дальнейшего их изучения.

1. Геологическое строение гидротермального поля Юбилейное

Рудное поле Юбилейное принадлежит структурному сегменту рифтовой долины, в координатах 20°21' -19°50' с.ш. Особая специфика этого протяженного сегмента состоит в том, что днище рифтовой долины располагается на аномально больших (по сравнению с соседними сегментами) глубинах - более 4000 м. Это может свидетельствовать о резком охлаждении литосферы в период затухания магматических процессов, тогда как фланги хребта, по обоим бортам долины сохраняют геодинамическую активность [6, 7]. Рифтовая долина на данном участке, симметричная в поперечном сечении, имеет ширину 10-11 км при ширине днища 5-6 км. Такая форма и параметры сохраняются, практически, на всём протяжении сегмента. Границы долины по обоим бортам прослеживаются на глубинах 2500-3000 м, погружаясь в южном направлении до отметки 3500 м. Днище долины ограничено крутыми склонами бортов - «стенками», высотой до 1,5 км при горизонтальном заложении около 2 км. Формирование подобных склонов в рифтовой долине связано, как правило, с наличием «краевых» разломов глубокого заложения. По этим разломам происходят деформации на склонах от подножия до вершин [6, 7].

Кроме того, рудные поля Юбилейное и Зенит-Виктория являются первым и, на данный момент единственным случаем нахождения симметричных рудных объектов относительно рифтовой долины как по глубине, так и по положению на бортах. Гидротермальное поле Зенит-Виктория расположено на восточном борту рифтовой долины на широте 20°08ґ. Гидротермальное поле Юбилейное - на западном борту долины на широте 20°09ґ. Сегменту в структуре САХ, в котором расположены рудные поля Юбилейное и Зенит-Виктория, по последней версии сегментации [8] нет аналогов.

2. Фактический материал и методы исследования

Данная работа основана на изучении более 100 образцов, принадлежащих ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И.С. Грамберга» (ВНИИОкеангеология). Образцы представлены глубоководными сульфидными рудами, сульфидными брекчиями и сульфидсодержащими породами, которые были отобраны на территории рудного поля Юбилейное по итогам 35 и 36 рейсов НИС «Профессор Логачев» в 2012 г.

Комплексный анализ глубоководных сульфидных руд поля Юбилейное заключался в совместном использовании оптических, химических и микрозондовых методов изучения. Образцы сульфидных руд детально изучались методами оптической микроскопии на микроскопе Leica 750 P (Горный университет, Санкт-Петербург). Окончательная диагностика минералов, а также изучение их морфологических особенностей осуществлялись на электронно-зондовом микроанализаторе CamScan MV-2300 (аналитик Е.Л. Грузова, ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург). Элементный анализ сульфидных руд (48 образцов) проводился в лабораториях СевЗапгеологии и МеханобрАналит методами атомной абсорбции, ионометрии и гравиметрии, а также ICP-MS на масс-спектрометре Elan-DRC-6100. Для 12 образцов сульфидных руд был выполнен масс-спектральный анализ ICP-MS и ICP-AES с помощью Elan-6100 ("Perkin-Elmer") и Optima-4300 DV в научно-методическом центре лабораторных исследований и сертификации минерального сырья ФГБУ «ВИМС» (Москва).

3. Минералогические особенности сульфидных руд

Гидротермальные образования в пределах контура рудного поля Юбилейное различны по своим морфоструктурным особенностям и представлены не только массивными, но и пористыми сульфидными рудами, гидроксидными рудными корками, рудными брекчиями и прожилково-вкрапленным оруденением во вмещающих породах. Все выше перечисленные морфоструктурные типы отличаются высокой степенью их опализации и окварцевания.

Минеральный состав океанических сульфидов сильно зависит от гидротермальной активности, тектонического положения гидротермальных полей и других факторов, включая температуру, рН, общую концентрацию серы, соленость и состояние окисления гидротермального флюида [9, 10, 11, 12]. Главными рудообразующими минералами поля Юбилейное являются пирит, марказит, халькопирит и сфалерит; второстепенными - халькозин, ковеллин, борнит, кубанит.

Рис. 1. Глубоководные сульфидные руды поля Юбилейное BSE-изображения, полученные на электронно-зондовом микроанализаторе CamScan MV-2300 (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург): а) - колломорфные агрегаты пирита в образце 35л121-М-1; б) - зерна пирита неправильной и близкой к кубооктаэдрической форме в образце 35л124-М-1; в) - структуры распада халькопирит-кубанит в образце 35л122-М-2; г) - структуры распада халькопирит-кубанит в образце 35л127-М-1; д) - зерно сфалерита в марказит-пиритовом агрегате образца 35л120-M-5; е) - сфалеритовая сплошная масса в образце 35л120-M-2

Пирит является наиболее часто встречаемым во всех минеральных ассоциациях. Помимо обособленных пиритовых масс, наблюдается замещение более ранних пирротина и халькопирита более поздними ассоциациями пирита на всех стадиях рудообразования. Марказит встречается в виде колломорфных и зернистых выделений; пирит - в виде крупных кристаллов, землистых масс и колломорфных выделений (рис. 1а). Наблюдаются как зерна пирита неправильной формы в различных срастаниях с халькопиритом, так и отдельные кубические и кубооктаэдрические кристаллы пирита с характерной штриховкой на гранях (рис.1б). В пирите содержание Fe изменяется от 44.44 до 47.71 мас.%, S - от 52.29 до 53.75 мас.%. Из микропримесей отмечено присутствие Co в размере 0.12 - 1.56 мас.%., Ni - до 0.18 мас.%., Se - 0.29 мас.%. и Cu 0.79 - 1.28 мас.%.

Халькопирит и кубанит также хорошо представлены в сульфидных рудах поля Юбилейное. В халькопирите содержание меди варьируется в пределах 30.76 - 38.48 мас.%, а железа - 37.86 - 34.36 мас.%. В кубаните содержание Cu и Fe колеблется в пределах 20.90 - 24.41 мас.% и 40.54 - 43.70 мас.% соответственно. Микропримеси в халькопирите и кубаните не обнаружены. Для обоих минералов характерны разнообразные структуры распада - решетчатые и/или натекающие ламелли (рис. 1в-г), что свидетельствует о протекании твердофазных превращений в минеральных фазах. По всей видимости, халькопирит и кубанит образовывались за счет двух принципиально разных механизмов: первый отлагался из первичных растворов, а второй - в результате твердофазных превращений первичных минералов.

Сфалерит представлен в виде индивидуальных столбообразных кристаллов, сплошных масс и колломорфно-слоистых выделений (рис. 1д-е). Сфалерит часто содержит примесь Fe. Содержание Zn и Fe в сфалерите колеблется в широких пределах: 48.99 - 61.45 мас.% и 5.97 - 14.48 мас.% соответственно. Отрицательная корреляция между Fe и Zn объясняется изовалентным изоморфизмом по схеме Zn2+ - Fe2+.

4. Геохимические особенности сульфидных руд

Химический состав сульфидных руд напрямую зависит от их минерального состава и температуры образования. Главными рудообразующими элементами океанических сульфидных руд являются железо, медь и цинк, последние из которых обращают на себя повышенное внимание, связанное с их практической значимостью.

Соотношение главных рудообразующих элементов, меди и цинка, очень изменчиво, вследствие чего возникает необходимость деления сульфидных руд на определенные геохимические типы [13]. Сульфидные руды поля Юбилейное характеризуются преимущественно серно-колчеданной (53% от всей выборки) и медно-колчеданной (40% от всей выборки) специализациями, наименее представлены на поле Юбилейное сульфидные руды цинково-колчеданного геохимического типа.

Рис. 2. Результаты статистического анализа: справа - график факторных нагрузок для выборки результатов химического анализа сульфидных руд поля Юбилейное; слева - схема ветвящихся связей для той же выборки

Среднее содержание меди в целом для рудного поля Юбилейное составляет 4,62%, цинка - 0,62 %. Максимальное среднее содержание меди выявлено в геохимическом типе Cu-Fe и составляет 10,8 %. Максимальное среднее содержание цинка наблюдается в типе Zn-Fe в отметке 5,16%. Эти значения сопоставимы со значениями в рудных полях, локализованных на базальтах, и ниже содержаний в рудных полях, ассоциирующих с ультраосновными породами.

Особенностью поведения меди и цинка является зафиксированная латеральная зональность содержаний выше названных элементов в контуре рудного поля Юбилейное. Пространственная зональность выражена в количественном изменении средних содержаний меди и цинка в составе сульфидных руд, что является в свою очередь прямым отражением зонального распределения геохимических типов сульфидных руд поля Юбилейное, выявленным по соотношению Cu и Zn.

Сопутствующими для сульфидных руд химическими элементами, отмеченными зачастую в повышенных концентрациях, являются Ag, Au, Cd, Pb, Co, Ni, Mo, Se, Te и др. Особенности поведения части элементов-примесей являются не только отражением условий образования океанических сульфидных руд, но и представляют в повышенных концентрациях промышленный интерес. Для сульфидных руд поля Юбилейное по результатам факторного анализа выделены устойчивые ассоциации элементов: Fe-S-Sb-Ni, Zn-Cd-Ag-Hg-Pb-Au, Cu-Co-Se (рис. 2). Данное разделение отвечает сродству определенной геохимической ассоциации с конкретным геохимическим типом сульфидных руд. Так, геохимический тип Fe-S характеризуется наличием ассоциации элементов Fe-S-Sb-Ni, Cu-Fe геохимический тип - Cu-Co-Se, Zn-Fe геохимический тип - Zn-Cd-Ag-Hg-Pb-Au.

Медь в сульфидных рудах поля Юбилейное тесно коррелирует с Co и Se. Коэффициенты корреляции между этими элементами следующие (при n = 60; б = 0, 05): Cu - Co = 0,61; Cu - Se = 0,80; Co - Se = 0,36. Совместно с медью кобальт и селен относятся к высокотемпературной ассоциации. Для Cu-Fe геохимического типа сульфидных руд содержания Co и Se достигают максимума в значениях 996 г/т и 88,9 г/т соответственно. Максимальные содержания этих элементов-примесей зафиксированы для кобальта в образце 36L042d-3 (4300 г/т), а для селена - 400 г/т в образце 35л59-М-2.

Железо в сульфидных рудах поля Юбилейное тесно коррелирует с S, Sb и Ni. Коэффициенты корреляции между этими элементами следующие (при n = 60; б = 0, 05): Fe - S = 0,90; Fe - Sb = 0,71; Fe - Ni = 0,64; S - Sb = 0,83; Ni - Sb = 0,66; Ni - S = 0,69. В сульфидных рудах поля никель распределен равномерно вне зависимости от геохимического типа сульфидных руд. Максимальное значение никеля наблюдается в образце 35л122-М-2 в отметке 61,4 г/т. Среднее содержание Ni в рудах составляет 45,6 г/т для Fe-S типа, 42,5 г/т - Cu-Fe, 47,7 г/т для Zn-Fe. Подобное распределение может указывать на тот факт, что поведение никеля не зависит от температуры образования сульфидных руд, а подчиняется другим факторам рудообразования.

Цинк в сульфидных рудах поля Юбилейное тесно коррелирует с Cd, Ag, Pb и Hg. Коэффициенты корреляции между этими элементами следующие (при n = 60; б = 0, 05): Zn - Cd = 0,89; Zn - Ag = 0,51; Zn - Pb = 0,46; Zn - Hg = 0,52; Cd - Ag = 0,83; Cd - Hg = 0,76; Pb - Ag = 0,75; Pb - Hg = 0,91. Максимальное среднее содержание Cd отмечено в Zn-Fe геохимическом типе руд и составляет 29,1 г/т. Для образца 35л120-М-2 содержание кадмия составляет 45,2 г/т, что является максимальным значением, наблюдаемым сульфидных рудах поля Юбилейное.

Высокие содержания свинца не характерны для рудных объектов океанических хребтов [9]. Однако, среднее содержание свинца в цинковых разностях сульфидных руд поля Юбилейное составляет 199 г/т, максимальное значение зафиксировано в образце 35л120-М-3 в размере 299 г/т.

Геохимический тип Zn-Fe сульфидных руд характеризуется средним содержанием Ag - 45,4 г/т, максимальное значение отмечено в образце 35л120-М-1 - 93,6 г/т. По литературным данным самое высокое содержание серебра зафиксировано в сульфидных рудах поля Рэйнбоу (188 ppm) [9].

Сульфидные руды поля Юбилейное обеднены золотом по сравнению с другими рудными объектами Российского разведочного района. Средние содержания золота не достигают и 1 г/т. Максимальное содержание золота зафиксировано в образце 35л60-М-2 в отметке 2,78 г/т. Интересно и поведение этого элемента. Несмотря на выше установленную корреляцию золота с Zn и другими примесными элементами полиметаллической ассоциации, максимальное среднее содержание Au установлено для геохимического типа Fe-S.

5. Выводы и обсуждение полученных результатов

Основными рудообразующими минералами поля Юбилейное являются халькопирит, дисульфиды железа (пирит и марказит), сфалерит. Результаты минералогических исследований сульфидных руд поля Юбилейное свидетельствуют об их последовательном образовании. Первый этап заключается в формировании высокотемпературных сульфидных руд, преимущественно представленных пирит-халькопиритовыми минеральными разностями. Второй этап представляет собой развитие низкотемпературных минералов, таких как сфалерит и марказит с развитием нерудной минерализации барита.

Остается открытым вопрос, какова причина данной этапности. С одной стороны, проявление низкотемпературной цинк-полиметаллической минерализации может быть связано с изменением специализации гидротермального раствора в процессе рудообразования. С другой стороны, позднее отложение низкотемпературных минералов возможно при замедлении и завершении движения гидротермального раствора, когда диффузные условия рудообразования становятся благоприятными для формирования сфалерита и марказита.

Особенностью поведения меди и цинка является зафиксированная латеральная зональность содержаний выше названных элементов в структурном контуре рудного поля Юбилейное. Пространственная зональность выражена в количественном изменении средних содержаний меди и цинка в составе сульфидных руд, что является в свою очередь прямым отражением зонального распределения геохимических типов сульфидных руд поля Юбилейное, выявленным по соотношению Cu и Zn.

Объяснения подобной зональности имеют дискуссионный характер. По-видимому, главным фактором, влияющим на образование подобной зональности, является температура. При высокой температуре образования сульфидные руды приобретают преимущественно медно-колчеданную специализацию. Обогащение сульфидных руд цинком происходит при более низких температурах, однако количественные зависимости содержаний цинка в рудах от значений температуры не установлены. На конечный химизм сульфидных руд влияет комплекс взаимосвязанных факторов, в том числе слабо выраженные признаки вертикальной зональности в виде минералов, встречающихся на суше в зоне вторичного сульфидного обогащения (халькозин, ковеллин, борнит).

Библиографический список

1. Francheteau J. Massive deep-sea sulfide ore deposits discovered on the East Pacific Rise // Nature, vol. 277. 1979. p. 523-528.

2. Spiess F. N. East Pacific Rise; hot springs and geophysical experiments // Science, vol. 207(4438). 1980. p. 1421-1433.

3. Corliss J. Submarine thermal springs on the Galapagos Rift // Science, 203, 1979. p. 1073-1083.

4. Лисицын А.П. Металлоносные осадки Индийского океана / А.П.Лисицын, Ю.А. Богданов, В.В. Гордеев. - М.: Наука, 1987. - 168 с.

5. Смирнов В.И. Металлоносные осадки юго-восточной части Тихого океана / В.И. Смирнов. - М.: Наука, 1979. - 275 с.

6. Рождественская И.И. Отчет по теме «Поисковые работы на площади Российского разведочного района в Атлантическом океане с оценкой прогнозных ресурсов ГПС категории Р2 в блоках 1-12, 15-17». . ФГУНПП «ПМГРЭ», г. Ломоносов, 2014. - Кн. 1 - 222 с.

7. Самоваров М.Л. Отчет по теме «Поисковые работы на площади Российского разведочного района в Атлантическом океане с оценкой прогнозных ресурсов ГПС категории Р2 в блоках 13-14, 18-30». ФГУНПП «ПМГРЭ», г. Ломоносов, 2015. - Кн. 1 - 187 с.

8. Smith D.K. Fault rotation and core complex formation: significant processes in seafloor formation at low-spreading mid-ocean ridges (Mid-Atlantic Ridge, 13o-15oN) // J. Geophys. Res, vol. 9 (3). 2008. p. 1525-2027.

9. Fouquet Y. Geodiversity of hydrothermal processes along the Mid-Atlantic Ridge and ultramafic-hosted mineralization: A new type of oceanic Cu-Zn-Co-Au volcanogenic massive sulfide deposit // Washington, D.C., American Geophysical Union, 2010. p. 321-368.

10. Halbach P. Probable modern analogue of Kuroko-type massive sulphide deposits in the Okinawa Trough back-arc basin // Nature, vol. 338, 1989. p. 496-499.

11. Halbach P. Formation and decay of a modern massive sulfide deposit in the Indian ocean // Miner. Depos., vol. 33, 1998. p. 302-309.

12. Hannington M.D. Gold in sea-floor polymetallic sulfide deposits // Econ. Geol., vol. 81, 1986. p. 1867-1883.

13. Андреев С.И. Металлогения гидротермальных сульфидных руд Мирового океана // Тр. ВНИИОкеангеология. СПб.: ФГУП "ВНИИОкеангеология им. И.С.Грамберга", 2014. - . Т. 224. - 213 с.

Размещено на Allbest.ru