Типоморфные признаки ювелирных разновидностей берилла и их значение для прогнозирования месторождений

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Типоморфные признаки ювелирных разновидностей берилла и их значение для прогнозирования месторождений

Специальность 25.00.11 - «Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения»

Комащенко С.В.

Екатеринбург - 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник

Кисин Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

доцент Поленов Юрий Алексеевич

кандидат геолого-минералогических наук

Ворожев Евгений Сергеевич

Ведущая организация - ОАО «Уральская геолого-съемочная экспедиция»

Введение

Актуальность работы. Берилл - основной рудный минерал бериллия, имеющего стратегическое значение для промышленности и обороноспособности страны. По этой причине основные вопросы, связанные с генезисом этого минерала и его месторождениями, изучены достаточно хорошо. Разработанные поисковые признаки и критерии месторождений берилла показали высокую эффективность и выдержали испытания временем.

Наиболее всесторонне и детально изучен изумруд, но кроме изумруда большой промышленный интерес представляют такие разновидности ювелирного берилла, как: аквамарин, гелиодор, зеленый берилл, розовый и красный бериллы, бесцветные бериллы, популярность которых не снижается на протяжении многих веков. Бериллы ювелирного качества по своим физическим свойствам радикально отличаются от рудного берилла, и это уже совсем другое полезное ископаемое. Поэтому ранее разработанные поисковые признаки и критерии месторождений берилла нуждаются в усовершенствовании и дополнении, с учетом специфики ювелирного сырья, что и определяет актуальность исследований.

Основные геолого-генетические типы эндогенных месторождений ювелирного берилла (за исключением изумруда и красного берилла) представлены пегматитами и, в меньшей степени, грейзенами (Киевленко и др., 1974; Самсонов, Туринге, 1984; Киевленко, 2001 и др.). Каждое месторождение, особенно пегматитового типа, имеет свои особенности. Пегматиты хорошо изучены в отношении минералогии, геохимии, условий образования, зональности и т.п. (Ферсман, 1940; Родионов, 1960; Гинзбург и др., 1979; Смертенко и др., 1980; Загорский и др., 2003 и др.). Несмотря на продолжительную историю изучения, многие вопросы, касающиеся условий образования, типоморфизма, а также закономерностей появления ювелирных бериллов, остаются недостаточно изученными. По причине различий условий генезиса, широкого изоморфизма, разнообразия парагенезисов и ювелирных характеристик, берилл является перспективным материалом для изучения процессов минералообразования. В связи с потребностями современного рынка ювелирных камней, актуальность приобретает и проблема определения качественных (геммологических) характеристик ювелирных разновидностей берилла, обусловленных их генезисом. Ювелирные бериллы месторождений отличаются своим типоморфизмом и несут в себе важную генетическую информацию, полезную для прогнозирования и поиска месторождений этого специфического полезного ископаемого.

Целью работы является изучение типоморфных особенностей ювелирных разновидностей берилла из различных геолого-генетических месторождений с целью дальнейшего их использования в качестве дополнительных поисковых критериев для оценки новых площадей на открытие рудопроявлений и месторождений ювелирных бериллов.

В процессе работы над диссертацией автором решены следующие задачи:

1. Проведены сбор, обобщение и анализ опубликованных геологических материалов по строению и условиям размещения пегматитов и грейзеновых тел, содержащих ювелирный берилл с целью выяснения закономерностей локализации кристаллов ювелирного берилла.

2. Исследованы геохимические и геммологические особенности ювелирного берилла разных генетических типов месторождений.

3. Уточнены типоморфные признаки и эволюция геммологических свойств кристаллов ювелирного берилла.

4. Уточнен прогнозно-поисковый комплекс, направленный на поиски пегматитов и грейзенов с кристаллами ювелирного берилла.

Фактический материал и методы исследований. Геолого-структурные позиции месторождений ювелирного берилла пегматитового типа изучались с привлечением фондовых и литературных данных. По Светлинскому пегматитовому полю кроме собственных материалов использовались материалы А.Ю. Кисина и Ларинской геологоразведочной экспедиции ПО «Уралкварцсамоцветы».

Для исследований автором использована коллекция ювелирных разновидностей берилла из различных регионов мира. Всего исследовано 59 образцов берилла, из них: 27 - ограненные вставки бериллов ювелирного качества, 32 - необработанные кристаллы. Коллекция характеризует основные геолого-промышленные типы месторождений Забайкалья, Урала, Казахстана, Украины, Колумбии, Афганистана, Бразилии, Северной Америки, Мадагаскара, Намибии и Мозамбика.

Комплексное исследование бериллов включало детальное кристаллохимическое изучение особенностей минералов с учетом изменчивости морфологических, конституционных свойств, кристаллических и газово-жидких включений, гетерогенности, зональности, дефектности кристаллов и других характеристик во взаимосвязи с качеством ювелирного камня. Определялись геммологические характеристики образцов: показатели преломления, плотность, оптические свойства, включения, цвет и плеохроизм, а для ограненных образцов осуществлена градация по системе CSG GIA. Для исследований применен комплекс неразрушающих и разрушающих методов, в том числе инфракрасная спектроскопия, спектроскопия поглощения, масс-спектрометрия на изотопы кислорода, катодолюминесценция и др.

Тема исследований соискателя поддержана грантом Министерства образования и науки РФ и Германской службы академических обменов (DAAD) по программе «Михаил Ломоносов-II» 2008-2009 гг.

В сборе, обработке материалов и проведении геммологических исследований автор принимала непосредственное участие в процессе выполнении бюджетных работ в 2007-2010 гг.

Научная новизна

1. Обосновано, что месторождения и рудопроявления ювелирных бериллов генетически связаны с пегматитами, где они локализованы либо в миароловых полостях, либо в полостях занорышевого типа.

2. Месторождения ювелирного берилла формируются в метаморфических комплексах и связаны с внедрением коллизионных гранитов в условиях малых глубин и относительного тектонического покоя.

3. Комплексом современных методов анализа изучена эволюция морфолого-структурных и кристаллохимических особенностей ювелирных разновидностей берилла и обоснована возможность использования их для целей прогноза и поисков месторождений.

Практическая значимость

1. Изучены геммологические характеристики всех разновидностей ювелирных бериллов из месторождений разных геолого-генетических типов, что позволило выявить типоморфные свойства бериллов, которые можно использовать при геммологических экспертизах и для уточнения прогнозно-поискового комплекса.

2. С учетом полученных новых данных по геммологической характеристике усовершенствован прогнозно-поисковый комплекс, направленный на оценку новых площадей, на вероятность открытия месторождений ювелирного берилла.

Результаты исследования найдут применение на предприятиях геологоразведочной отрасли, в геммологической практике и в учебном процессе в курсах геологических дисциплин.

Защищаемые научные положения

1. Пегматитовые и грейзеновые месторождения ювелирных бериллов локализованы в структурно-вещественных комплексах метаморфических блоков и связаны с внедрением и эволюцией коллизионных гранитов и гранитных пегматитов. Месторождения ювелирного берилла формируются в условиях малых глубин и относительного тектонического покоя.

2. Типоморфные признаки ювелирных бериллов надежно выявляются современными прецизионными методами исследований (изотопия кислорода, инфракрасная и катодолюминесцентная спектроскопия), что позволяет по конкретным кристаллам берилла определять геолого-генетический тип месторождения.

3. Для целей поисков и прогноза месторождений ювелирного берилла используются структурно-тектонический, метаморфический и магматический региональные поисковые критерии, а в качестве локальных признаков предлагается учитывать морфологию и зональность пегматитов, геохимические и геммологические характеристики бериллов.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались: на VI-IX Междунар. науч. конф. «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2005, 2006, 2007, 2009), Междунар. науч. конф. «2008 Mikhail Lomonosov / Immanuel Kant Seminar» (Бонн, Германия, 2008), XIII Междунар. симп. студентов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2009), Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VIII Сатпаевских чтений, посвященной 15-летию Экибастузского инженерно-технического института им. акад. К.И. Сатпаева. (Экибастуз, 2009); Уральской минералогической школе-2010 (27-30 сентября 2010 г., УГГУ, г. Екатеринбург).

Автором опубликовано 20 работ, из них 13 по теме диссертации, в том числе 3 статьи в журналах по списку ВАК.

Структура и содержание работы. Диссертация имеет объем 167 страниц, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (398 наименований), содержит 112 рисунков и 11 таблиц.

Благодарности. Автор выражает благодарность проф. Ю. П. Солодовой и проф. Б. И. Пирогову за помощь, полезные консультации и плодотворные дискуссии. Автор выражает благодарность всем лицам, которые оказывали содействие на различных этапах работы и выполнения исследований: Г. К. Хачатрян, В. И. Устинову, М. Ю. Гурвичу, С. Н. Ненашевой, а также У. Кемпе и Г. Хайде. Особую благодарность автор приносит своему научному руководителю доктору геолого- минералогических наук А. Ю. Кисину.

Защищаемые положения и их обоснование

1. Пегматитовые и грейзеновые месторождения ювелирных бериллов локализованы в структурно-вещественных комплексах метаморфических блоков и связаны с внедрением и эволюцией коллизионных гранитов и гранитных пегматитов. Месторождения ювелирного берилла формируются в условиях малых глубин и относительного тектонического покоя.

Месторождения ювелирного берилла известны на всех континентах. Наибольшей известностью и изученностью пользуются месторождения аквамарина, гелиодора и морганита (Бразилия, США, о. Мадагаскар, Афганистан, Россия, Украина и др.). Согласно геолого-генетической классификации Е.Я. Киевленко (2001), все ювелирные разновидности берилла в промышленных количествах встречаются в гранитных пегматитах и грейзенах. При этом отмечается, что наиболее крупные месторождения связаны с пегматитами. С высокотемпературными грейзенами и кварцевыми жилами связаны лишь небольшие месторождения аквамарина и гелиодора.

На примере Уральского складчатого сооружения работами многочисленных исследователей (Бородаевские, 1947; Карякин и др., 1967; Никитин и др., 1967, 1968; Вертушков и др., 1970; Рундквист, 1961, 1964, 1970; Емлин и др., 1988; Мельников и др., 1988; Евстропов и др., 1995; Кузнецов, 1998; Сазонов и др., 1999; Поленов и др., 2004, 2006; Коротеев и др., 2010 и др.) показано, что формирование пегматитов и эндогенных кварцево-жильных образований Урала связано с глобальными процессами метаморфизма, магматизма и приурочено к шовным зонам. Пегматиты и кварцевые жилы Урала являются типичными среднеглубинными образованиями, генетически связанными с салическим плутоногенным магматизмом.

В Уральском регионе месторождения пегматитов и кварцево-жильного типа сформировались в условиях ранне- (D₂-C₁) и позднеколлизионной (С₁-Р) геодинамических обстановок. Они связаны со следующими вещественными комплексами: гранитоидами тоналит-гранодиоритовой и габбро-гранитной формаций (380-320 млн лет), субщелочными гранитами монцонит-диорит-гранитной формации (320-340 млн лет) и гранитами гранитной формации (320-240 млн лет), а также с метаморфическими преобразованиями ранних кварцево-жильных тел под воздействием процессов ранней и поздней коллизий (Овчинников, 1998; Месторождения …, 2001; Поленов и др., 2006; Ферштатер и др., 2007; Коротеев и др., 2010 и др.).

Кинематическая модель формирования пегматитов и кварцево-жильных месторождений во время ранней и поздней коллизий приведена на рис. 1.

Особенно широкое распространение пегматиты получили в геодинамическом режиме поздней коллизии.

Рис. 1. Кинематическая модель формирования кварцево-жильных месторождений во время ранней и поздней коллизий. По (Огородников и др., 2008): 1 - древняя континентальная кора; 2 - вулканогенно-осадочные отложения континентального рифта; 3 - толеитовые раннеокеанические образования; 4 - ультрабазит-габбровый комплекс с титаномагнетитовой минерализацией; 5 - ультрабазиты дунит-гарцбургитового хромитоносного комплекса; 6 - габбро-диорит-гранодиоритовая формация с Fe-Cu скарнами; 7 - гранитоиды тоналит-гранодиоритовой формации с W, Mo и Au кварцевыми жилами; 8 - нормальные микроклиновые граниты; 9 - рудные кварцевые жилы и хрусталеносные гнезда; 10 - пегматиты; 11 - мантийный теплофлюидопоток в шовных зонах; 12 - хлоро- и фторотипная специализация гранитоидов; 13 - блокоограничивающие шовные зоны; 14 - направление тангенциального сжатия во время коллизии

Ранняя коллизия сопровождалась зональным региональным метаморфизмом и магматизмом тоналит-гранодиоритовой формации, с которыми связано образование редкометальных (шеелитовых) и золоторудных месторождений (Месторождения…, 2001; Коротеев и др., 2010). генетический ювелирный берилл месторождение

Поздняя коллизия на Урале сопровождалась альпинотипной складчатостью, высокотемпературным региональным метаморфизмом и формированием крупных массивов гранитов. Главный тип магматизма - коровый палингенный гранитный плутонизм. Ареалы поздне-палеозойского гранитного плутонизма фиксируют области длительной эндогенной активности, но не мантийного, а преимущественно корового заложения (Орогенный …, 1994; Ферштатер и др., 2007; Хомичев и др., 2007). С массивами этих гранитов на Урале генетически связано образование хрусталеносных пегматитов, кварцевых жил и минерализованных полостей и трещин. К таким массивам относятся Мурзинский, Адуйский, Борисовский, Санарский, Джабыкский, Суундукский и др.

Научная литература по пегматитам весьма обширна и многогранна. Среди отечественных геологов, занимавшихся исследованиями пегматитов с драгоценными камнями, отметим наиболее известны работы А.Е. Ферсмана, А.И. Гинзбурга, Л.Н. Россовского, А.С. Таланцева, Б.М. Шмакина, Ю. М. Соколова, В.Е. Загорского, В.М. Смертенко, Е.Я. Киевленко и др. Существует несколько классификаций пегматитов, основанных на тех или иных признаках.

Согласно геолого-генетической классификации Е. Я. Киевленко и др. (2001), все ювелирные разновидности берилла в промышленных количествах встречаются в гранитных пегматитах и грейзенах. Выделяют три геолого-генетических типа месторождений: миароловые гранитные пегматиты и микроклиновые берилл-топаз-морионовые неперемещенные (камерные); микроклиновые берилл-топазовые перемещенные занорышевые пегматиты; апоалюмосиликатные грейзены. При этом отмечается, что наиболее крупные месторождения связаны с пегматитами. С высокотемпературными грейзенами и кварцевыми жилами связаны лишь небольшие месторождения аквамарина и гелиодора.

Волынское месторождение ювелирных бериллов. Описание Волынского месторождения ювелирных бериллов дано, по В. И. Павлишину и С. А. Довгому (2007), с использованием материалов Е. Я. Киевленко (2001) и других литературных источников. Камерные пегматиты Волыни пространственно и генетически связаны с рапакививидными гранитами Коростенского плутона, расположенного в северо-западной части Украинского щита.

Специфической особенностью камерных пегматитов является их тесная генетическая и пространственная связь с вмещающими рапакививидными гранитами. Начало пегматитообразования соответствовало конечным этапам кристаллизации гранитов y₂. Занорыши с кристаллами ювелирных разновидностей берилла генетически приурочены к полнодифференцированным пегматитам.

Бериллоносные пегматиты имеют сравнительно изометричную, иногда несколько вытянутую форму и размеры в поперечнике 20-35 м, редко более. Они отчетливо зональные с хорошо развитыми зонами: графической, пегматоидной, блоковой (микроклиновой) и кварцевым ядром, под которым обычно находятся одна-две минерализованные полости. Нижняя часть пегматитовых тел под полостями подверглась выщелачиванию и альбитизации. Установлено, что пегматиты со скоплениями берилла почти не содержат топаза, и наоборот. Берилл в основном наблюдается в слюдисто-каолинитовой массе, выполняющей занорыш, вместе с кристаллами и обломками кварца. В зоне выщелачивания и альбитизации встречаются мелкие кристаллы берилла.

Топазо-берилловые пегматиты Урала. Пегматитовые поля восточного склона Урала известны очень давно. В значительной мере эти пегматиты вошли в число трех природных объектов, на примере которых построена классическая теория генезиса пегматитовых образований. Данный раздел написан с использованием публикованных материалов В.Д. Никитина и др. (1967), А.С. Таланцева (1988), А.Я. Киевленко (2001), Э. Ф. Емлина и др., (2002), С.В. Колесниченко (2004) и по личным материалам автора.

Гранитные пегматиты с друзовыми полостями, содержащими различную минерализацию, известны в трех районах Урала: 1) в западном крыле Мурзинского-Адуйского мегантиклинория, где они прослеживаются на расстоянии 100 км в гнейсово-сланцевой толще западного обрамления Мурзинского, Адуйского и Каменского позднепалеозойских массивов биотит-плагиоклаз-микроклиновых гранитов (Алабашское, Шайтанское, Адуйское и Ключевское пегматитовые поля); 2) в пределах Кочкарского мегантиклинория, в гнейсо-сланцевом обрамлении Варламовского, Борисовского и Санарского позднепалеозойских массивов биотит-плагиоклаз-микроклиновых гранитов (Михайловское, Светлинское, Северо-Борисовское и Южно-Санарское пегматитовые поля); 3) в гнейсовых толщах восточного крыла Сысертско-Ильменогорского мегантиклинория (Тайгинское и Ильменогорское пегматитовые поля).

Камерные пегматиты Урала характеризуются хорошо выраженной зональностью. В оптимальном варианте в них наблюдаются следующие зоны: графическая, апографическая, олигоклаз-альбит-мусковитовая, блокового микроклина, альбит-мусковитовое окаймление кварцевых ядер, кварцевые ядра. В некоторых случаях та или иная зона в сечении пегматита не наблюдается, но их выпадение всегда закономерно.

В отличие от аналогичных образований Волыни, Казахстана и ряда других регионов Союза камерные пегматиты Урала развиты не в апикальных или эндоконтактовых зонах гранитных массивов, а в породах экзоконтактовых ореолов гранитных интрузий, метаморфизм которых соответствует уровню амфиболитовой фации. Это обусловлено генетической связью рассматриваемых пегматитов не непосредственно с массивами верхнепалеозойских биотит-плагиоклаз-микроклиновых гранитов восточного склона Урала, а с их жильной фацией, представленной лейкократовыми аляскитоподобными и аплитовидными гранитами (Таланцев, 1988; Комащенко, Кисин, 2010).

В качестве примера приведем описание строения пегматитов и приуроченности занорышей на примере гранит-пегматитового тела №2 Светлинского хрусталеносного месторождения (Южный Урал). Распределение пегматитов, минерализованных гнезд (занорышей) и их минерализация контролируются морфологией контактов дайки (Кисин, 1991). Минерализация их разная. Есть гнезда с топазовой минерализацией, или турмалиновой (зеленый полихромный турмалин), или с аквамаринами. Есть гнезда с гелиодорами или гошенитами (Комащенко, 2009). Дайка одна, химический состав ее не меняется, а минерализация пегматитов разная (рис. 2).



Рис. 2. Гранит-пегматитовое тело № 2 Светлинского пегматитового поля (составлено с использованием материалов Ларинской экспедиции, А.С. Таланцева (1988), А.Ю. Кисина (2010) и собственных исследований):

1 - лейкократовый гранит; 2 - пегматиты; 3 - изогипсы кровли поверхности тела, отрисованные по результатам колонкового бурения (сеть 25х25 м) и отработки карьером глубиной 7 м (80 % площади тела).

Буквы около стрелок показывают минеральную специализацию пегматита: а - аквамарин; г - гелиодор; р - гошенит (ростерит); Ту - зеленый турмалин с лепидолитом; т+в - топаз с воробьевитом и клевеландитом; Му - мусковит

При плащеобразном залегании дайки, осложненной многочисленными перегибами и раздувами, конечный состав флюида в разных частях дайки будет различным. Этим и объясняется различная бериллиевая минерализация гнезд. Наиболее ранним является «фаршированный» берилл (бурый непрозрачный, сильно трещиноватый, переполненный крупными минеральными включениями), приуроченный к зоне блокового пегматита. Далее образуется желтовато-зеленый берилл: сначала почти непрозрачный, а затем прозрачный. Причем граница между этими зонами обычно резкая. Этот берилл приурочен к миаролам, расположенным под кварцевым ядром. В висячем боку дайки, на участке ее вогнутого контакта, обычно наблюдается аквамарин в ассоциации с мангано-колумбитом. В лежачем боку дайки чаще встречается гелиодор. Морганит (воробьевит) отмечен в лежачем боку дайки, на участке резкого перегиба с субвертикального падения - на субгоризонтальное залегание; в ассоциации кварц, клевеландит и полихромный топаз. На участках пологого залегания дайки, в ее центральной части обычны пегматиты с бесцветным бериллом - гошенитом. Гошенит обычно нарастает и на другие разновидности бериллов и участвует в регенерации сколов и трещин.

2. Типоморфные признаки ювелирных бериллов надежно выявляются современными прецизионными методами исследований (изотопия кислорода, инфракрасная и катодолюминесцентная спектроскопия), что позволяет по конкретным кристаллам берилла определять геолого-генетический тип месторождения.

Комплекс современных методов анализа: изотопия кислорода, инфракрасная и катодолюминесцентная спектроскопия, энергодисперсный и рентгенофлуоресцентный химический анализы - значительно помогают выявлению типоморфных признаков ювелирных бериллов для выделяемых геолого-генетических типов месторождений.

Изменчивость цветовых и качественных характеристик ювелирных разновидностей берилла просматривается как результат эволюции остаточной магмы при кристаллизации пегматитов и последующих грейзеновых преобразований в пневматолито-гидротермальную и собственно гидротермальную стадии минералообразования.

Автором диссертации в результате анализа опубликованных работ показано, что прослеживается эволюция морфологии кристаллов берилла: в пегматитах - от призматических (ранние стадии) до таблитчатых (Cs-Li-замещенные комплексы). Для бериллов из грейзенов и кварцевых жил в последовательных стадиях постмагматического процесса характерно усложнение кристаллографических форм (Мухля, Сенчило, 1989; Комащенко, 2008, 2009).

Нашими исследованиями установлено (Комащенко, 2008), что соотношение тяжелого и легкого изотопов кислорода ¹⁸O/¹⁶O, вместе с Eh-pH среды минералообразования, является определяющим в проявлении тех или иных ювелирных разновидностей берилла и сопутствующих парагенетических ассоциаций других минералов. Полученные результаты по вариации изотопных отношений в минерале отражают особенности пространственно-временных закономерностей их эволюции. Они предопределяют особенности изоморфизма элементов, прежде всего группы железа и, как следствие, определяет цвет ювелирных бериллов: желтый (гелиодор), желто-зеленый (зеленый берилл) и голубовато-зеленый (аквамарин). Это позволяет классифицировать изученные разновидности бериллов по основным геолого-промышленным типам: гранитные редкометальные пегматиты с драгоценными камнями - высокотемпературные грейзены - низкотемпературные грейзены (гидротермальные). Сравнительные данные по изотопии кислорода (¹⁸O/¹⁶O) основных ювелирных разновидностей берилла отражены на диаграмме (рис. 3).

Рис. 3. Отношение ¹⁸O/¹⁶O основных ювелирных разновидностей бериллов из различных регионов мира

Согласно приведенной схеме четко просматривается три группы по изменению содержания ¹⁸O/¹⁶O (в ‰): 1) до 10; 2) от 10 до 15; 3) от 15 и выше. Как видно из рисунка, все проанализированные ювелирные бериллы обогащены тяжелым изотопом кислорода, что можно объяснить их ростом в условиях гидротермальной системы. В то же время практически не наблюдается закономерностей изменений в изотопном составе кислорода данных бериллов, что объясняется их образованием в условиях малых глубин.

Многими исследователями (Платонов, 1984; Клейшмантас, 2005 и др.) проанализирована цветовая эволюция в связи с содержанием Fe. Эта же закономерность подтверждается исследованиями автора. Установлена закономерная последовательность изменения цвета при прокаливании желтых бериллов в золотистый, а затем в желто-зеленый (гелиодоровый). Эти изменения зависят от степени окисления и занимаемого места железа в кристаллической решетке. В берилле одним из факторов, обусловливающих цвет, является температура его образования, от которой зависит соотношение Fe²⁺ и Fe³⁺. Показано, что при предельно высокой температуре образуется аквамарин, с понижением температуры гидротермальных растворов - золотистый берилл, а затем гелиодор (Комащенко, 2007, 2009).

Кристаллохимический отбор элементов в разновидностях берилла связан с характером его структуры. В кольцевой структуре могут размещаться дополнительные катионы щелочных металлов и молекулы воды. Цветовое разнообразие берилла обусловлено особенностями гетеровалентного изоморфизма элементов Fe, Mn, Cr и др. (Булах и др., 2008) с образованием твердых растворов внедрения по трем схемам, где

? - вакантная позиция в канале:

1) ? + Be²⁺<( Na•nH₂O)+Li⁺;

2) ? + Be²⁺<( Cs nH₂O)+Li⁺;

3) ? + Al³⁺<( Na•nH₂O)+Fe²⁺ .

Состояние воды крайне важно учитывать при рассмотрении свойств бериллов, поскольку структура минерала допускает ограниченное замещение Be²⁺ на Li⁺ и Si⁴⁺ на AI³⁺, с одновременным вхождением крупных катионов, компенсирующих возникающий в этом случае избыточный отрицательный заряд каркаса, в каналы структуры. Так как подобные каналы для многих из этих катионов велики, то одновременно с ними в каналах появляются «распорки» из молекул НОН, не позволяя им «болтаться». Для крупного катиона Cs⁺ достаточно одной такой распорки, тогда как для Na⁺, Ca²⁺ их требуется две на каждый катион, что и определяет количество воды в бериллах и характер ее распределения. Вода из каналов, будучи прочно связанной кислородом каркаса, удаляется лишь при 900-1000^о С без разрушения структуры, т.е. носит цеолитный характер. Это существенно способствует «распределению» тех или иных элементов в структуру минерала или в «корзину» - каналы структура (Комащенко, 2007).

Наши данные по изучению состояния воды в минерале основаны на анализе кривых ИКС. Сами кривые отражают типоморфные особенности бериллов выделенных нами основных генетических типов. ИКС анализ образцов берилла свидетельствует о присутствии в них гидроксильных групп, входящих в интерстиции структуры, а также в каналы вместе с молекулами воды типа I и II (Комащенко, 2009).

Использованные нами методы химического анализа (энергодисперсивный и рентгенофлуоресцентный) позволили уточнить представления о поведении элементов группы железа и щелочей в единой системе. Энергодисперсивным анализом прослежена связь между щелочами и железом, а также Cs и Rb в различных генетических типах берилла.

3. Для целей поисков и прогноза месторождений ювелирного берилла используются структурно-тектонический, метаморфический и магматический региональные поисковые критерии, а в качестве локальных признаков предлагается учитывать морфологию и зональность пегматитов, геохимические и геммологические характеристики бериллов.

Месторождения ювелирных разновидностей берилла разнообразны по генезису и представлены геологическими телами весьма небольших размеров, а поэтому создание универсального прогнозно-поискового комплекса (ППК) является довольно сложной задачей. Для разработки ППК нами за основу приняты рекомендации, изложенные в «Методических указаниях по поискам и перспективной оценке месторождений цветных камней» (вып. 7, 1975). Для данного специфического вида минерального сырья считаем необходимым разделение прогнозно-поисковых критериев и признаков на региональные и локальные.

К региональным относятся структурно-тектонический, метаморфический и магматический поисковые критерии, а в качестве локальных признаков предлагается учитывать морфологию и зональность пегматитов, геохимические и геммологические характеристики бериллов.

Региональные поисковые критерии. Геологические критерии рассматриваются применительно к каждому из типов месторождений. При этом особое внимание уделено первому и второму типам, к которым относятся все крупнейшие месторождения ювелирных бериллов мира.

Месторождения первого геолого-генетического типа - миароловые гранитные пегматиты; микроклиновые берилл-топаз-морионовые неперемещенные (камерные). Самым общим региональным фактором локализации полей пегматитов хрусталеносной бериллоносной формации является размещение их в пределах складчатых систем, в истории развития которых хорошо проявился орогенный этап, или в зонах активизации областей завершенной складчатости, выразившейся главным образом внедрением молодых гранитоидных интрузий.

Основной особенностью геологической позиции пегматитов хрусталеносной бериллоносной формации является их теснейшая пространственная связь с материнскими гранитами. Поэтому на первый план выступает магматический фактор их локализации. Камерные пегматиты, в их числе топазо- и бериллоносные тела, образуются в процессе становления позднеколлизионных гранитных интрузивов, которые контролируются разрывными нарушениями, проходящими обычно по границе структурно-фациальных зон складчатых областей.

Материнскими для камерных пегматитов хрусталеносной бериллоносной формации являются граниты главной интрузивной фазы наиболее позднего для каждого конкретного региона гранитного комплекса. Обычно это лейкократовые или аляскитовые крупнозернистые граниты. Украинские месторождения ювелирных топаза и берилла связаны с позднепротерозойскими гранитами. В то же время довольно многочисленные поля хрусталеносных пегматитов занорышевого типа палеозойского и мезозойского возраста содержат лишь проявления этих самоцветов. Видимо, наиболее перспективными следует считать регионы с развитием гранитных интрузивов именно допалеозойского возраста, отвечающих указанным выше критериям.

Структурным фактором локализации камерных пегматитов является положение кровли интрузива материнских гранитов. Пегматиты располагаются в апикальной части интрузивов и только в тех участках, где кровля последних имеет пологое залегание. Распределение пегматитов контролируется скульптурой контактовой поверхности интрузива, т.е. куполовидными выступами кровли.

Месторождения второго геолого-генетического типа - микроклиновые берилл-топазовые перемещенные занорышевые пегматиты. Пегматитовые поля пегматитов с драгоценными камнями, на площади которых обнаруживаются месторождения второго геолого-генетического типа, входят в состав редкометальных пегматитовых поясов, протягивающихся на сотни километров в складчатых областях с хорошо проявленным орогенным этапом развития и в зонах тектоно-магматической активизации древней складчатости и кристаллических щитов.

Одним из наиболее общих структурных факторов локализации пегматитовых полей субформации занорышевых пегматитов с драгоценными камнями является приуроченность пегматитоносных гранитных интрузий для каждого конкретного региона к нижнему структурному ярусу. Последний обычно бывает сложен толщами сложнодислоцированных метаморфических пород с широко проявленными процессами гранитизации.

Магматический фактор локализации полей пегматитов субформации пегматитов с драгоценными камнями проявляется в том, что последние всегда обнаруживают четкую пространственную связь с интрузивами гранитов. Площадь пегматитового поля охватывает области эндоконтакта и экзоконтакта гранитного интрузива, причем зональные занорышевые жилы с самоцветами располагаются, как правило, в экзоконтактовой зоне - в тех частях, где кровля интрузива полого погружается под вмещающие породы. Зональные пегматитовые тела, в которых только и можно обнаружить друзовые полости, формируются при отсутствии мобильных зон разломов, в спокойной тектонической обстановке.

Месторождения апоалюмосиликатных грейзенов. Большинство грейзеновых образований локализуется в молодых складчатых областях, возникших после замыкания герцинских, киммерийских и альпийских геосинклиналей. Наиболее характерно, что грейзены находятся в участках интенсивного развития линейной складчатости, где грейзеноносные интрузивы вмещается антиклинальными складками III-IV порядка.

Магматический фактор локализации интересующих нас грейзенов выражен в том, что генетически и пространственно бериллоносные грейзеново-жильные зоны мусковит-топаз-кварцевого состава связаны с массивами аляскитовых и лейкократовых гранитов. Формирование этих массивов происходит в условиях малых глубин во флишоидных песчано-сланцевых или вулканогенно-осадочных толщах, метаморфизм которых обычно не поднимается выше фации зеленых сланцев. Для экзоконтактовых зон грейзеноносных массивов характерно образование мощных роговиковых ореолов, в отдельных участках которых может отмечаться повышенное содержание редких металлов (олова, вольфрама, берилла) и фтора.

Материнские для грейзенов граниты по петрографическим и петрохимическим особенностям аналогичны гранитам, материнским для хрусталеносных пегматитов. Тела мусковит-топаз-кварцевых грейзенов с жильным топаз-кварц-берилловым выполнением приурочены к эндоконтактовым частям куполовидных и гребневидных сателлитоподобных выступов интрузивов материнских гранитов; редко они выходят в породы рамы или в гранитоиды ранних комплексов. Наиболее крупные и продуктивные тела выполняют трещины скалывания или приурочены к местам их пересечения.

Локальные поисковые признаки месторождений берилла. При поисках месторождений ювелирного берилла пегматитовой генетической группы важными косвенными поисковыми признаками являются следующие (Комащенко, Кисин, 2010).

Зональность. Полости с совершенными кристаллами кварца, берилла, топаза и других минералов образуются, как правило, лишь в пегматитовых телах, отличающихся четко выраженной зональностью. Пегматиты хрусталеносной формации перспективны на обнаружение полостей при наличии в их строении следующих текстурных зон первичной кристаллизации (от периферии к центру): мощной зоны графического пегматита, мощной зоны пегматоидного и блокового пегматита, кварцевого ядра.

Морфология. Среди пегматитов хрусталеносной бериллоносной формации перспективными в отношении камер с кристаллосырьем являются тела "объемной" формы - изометричные, штокообразные, трубообразные, залегающие в материнских лейкократовых гранитах. Продуктивные тела субформации пегматитов с драгоценными камнями имеют почти всегда простую конфигурацию контактов, плитообразную, пластообразную и реже жилообразную (с выдержанной мощностью) формы. Наиболее продуктивными бывают полого залегающие жилы. С увеличением размеров пегматитового тела или жилы возрастает в общем случае вероятность обнаружения большего количества кристаллосырья.

Наличие друзовых полостей. Обнаружение пустот с друзовыми минералами в коренном залегании, даже если в них нет берилла и топаза, имеет большое значение при оценке объекта. О присутствии таких пустот в жиле свидетельствуют также обнаруженные в развалах друзовые сростки хорошо окристаллизованных минералов. В продуктивных пегматитовых телах далеко не в каждой полости встречаются кристаллы берилла и топаза, так что присутствие друзовых пустот в жиле в совокупности с перечисленными выше косвенными признаками делает весьма вероятным обнаружение полостей с самоцветами при разведке жилы горными выработками.

Особенности состава и минералогические признаки. Благоприятными признаками при оценке пегматитов хрусталеносной бериллоносной формации и субформации пегматитов с драгоценными камнями, имеющих существенно кварц-микроклиновый состав, можно назвать следующие: наличие крупночешуйчатого мусковита в крупнокристаллическом пегматите осевых частей и преобладание лейстового биотита в периферических частях тела; проявление в заметных масштабах участковой альбитизации в виде белых "пятен" - псевдоморфоз альбита по микроклину, присутствие прожилков и невыдержанных маломощных зон зернистого и таблитчатого альбита с мусковитом, гранатом, бериллом, топазом, присутствие гнездообразных и желвакообразных обособлений лейстового клевеландита - нужно учитывать, что интенсивное альбитовое замещение развивается в продуктивных пегматитах практически только около полостей, особенно в камерных пегматитах; присутствие литиевых слюд - лепидолита, циннвальдита - в виде чешуйчатых обособлений и крупных пластин. Для пегматитов с драгоценными камнями присутствие розового кварца в ядре указывает на наличие ювелирного берилла.

При поисках топаз-берилловых месторождений грейзеновой группы благоприятным поисковым признаком, который указывает на возможность самоцветной минерализации, является зональное строение грейзеново-жильных тел, при котором от периферии к осевой части выделяются зоны грейзенизированных гранитов, зоны грейзенов, состоящие из слюд, топаза и кварца в разных количествах, и, что особенно важно, консолидированные жилы выполнения.

Минералого-геммологические признаки. Эти признаки даются по наблюдениям А.С. Таланцева (1988) и геммологическим исследованиям автора (Комащенко, 2009; Комащенко, Кисин, 2010).

Берилловая минерализация в камерных пегматитах Урала достаточно разнообразна: в них, помимо наиболее широко распространенного и чаще всего встречающегося соломенно-желтого ("золотистого") берилла, обнаруживаются также аквамарин, гелиодор, ростерит и воробьевит, причем каждой из перечисленных разновидностей сопутствуют в полости строго определенные разновидности альбита и слюд. Соломенно-желтый длиннопризматический берилл во всех структурно-морфологических типах полостей сопровождается сахаровидным или мелкопластинчатым альбитом и зеленым мусковитом. Только эта разновидность берилла встречается в парагенезисе с шерлом.

Для голубого или зеленовато-голубого аквамарина, представляющего наибольший интерес в качестве ювелирного сырья, характерен парагенезис со светло-коричневым микроклином, пластинчатым голубоватым альбитом и ярко-зеленым мусковитом, присутствующим в полостях в сравнительно небольших количествах. Чисто голубые его разновидности обнаруживаются лишь в полостях, где резко доминируют клевеландит, а мусковита нет или очень мало.

Гелиодор с окраской от желто-оранжевой до коричнево-красной всегда обнаруживается в парагенезисе с сахаровидным или толстотаблитчатым альбитом и специфическим жемчужно-серым мусковитом, пластинки которого часто содержат большое количество гематитовой "сыпи", распределенной неравномерно по зонам роста. В ассоциации с ним довольно часто отмечается альмандин (Комащенко, 2009; Комащенко, Кисин, 2010).

Каждая из перечисленных разновидностей берилла характеризуется специфическими особенностями онтогенических соотношений с кристаллами дымчатого кварца из нижних частей друзовых полостей. Длиннопризматические соломенно-желтые бериллы и гелиодоры в плоскостях соприкосновения с кварцем оказываются безукоризненно идиоморфными по отношению к кварцу.

В отличие от них аквамарины и зеленые бериллы короткопризматического облика на плоскостях срастания с кварцем всегда имеют грубоиндукционную скульптуру, свидетельствующую о совместной кристаллизации.

Кристаллы ростерита практически всегда нарастают на уже полностью сформировавшиеся кристаллы дымчатого кварца, головки кварца дают на кристаллах берилла четкие отпечатки без признаков индукционного взаимодействия (Таланцев, 1988; Комащенко и др., 2009).

Заключение

1. Ювелирные разновидности берилла, к которым относятся аквамарин, гелиодор, зеленый, бесцветный, розовый и красный бериллы, являются самостоятельными полезными ископаемыми. Промышленные скопления ювелирного берилла кристаллизуются преимущественно в гранитных пегматитах и грейзенах.

2. Пегматитовые и грейзеновые месторождения ювелирного берилла локализованы в структурно-вещественных комплексах древних метаморфических блоков и связаны с внедрением и эволюцией коллизионных гранитов и гранитных пегматитов. Месторождения ювелирного берилла формируются в условиях малых глубин и относительного тектонического покоя.

3. На примере Светлинского пегматитового поля установлено, что изменения цветовых и качественных характеристик ювелирных бериллов является результатом эволюции остаточной магмы при кристаллизации пегматитов и последующих грейзеновых преобразований в пневматолито-гидротермальную и собственно гидротермальную стадии минералообразования.

4. Установлено, что соотношение тяжелого и легкого изотопов кислорода ¹²O/¹⁶O Eh-ph среды минералообразования является определяющим в проявлении ювелирных разновидностей берилла. Они предопределяют особенности изоморфизма группы железа и, как следствие, определяют цвет ювелирного берилла. Это позволяет классифицировать ювелирные разновидности берилла по основным геолого-генетическим типам: гранитные редкометальные пегматиты с драгоценными камнями - высокотемпературные грейзены - низкотемпературные грейзены (гидротермальные).

5. Установлена закономерная последовательность изменения цвета желтых бериллов в золотистый, а затем в желто-зеленый (гелиодоровый). Эти изменения зависят от степени окисления и занимаемого места железа в кристаллической решетке. Для бериллов одним из факторов, обусловливающих цвет, является температура его образования, от которой зависит соотношение Fe²⁺ и Fe³⁺. Показано, что при предельно высокой температуре образуется аквамарин, с понижением температуры гидротермальных растворов - золотистый берилл, а затем гелиодор.

6. Исследование ювелирных бериллов методом ИКС свидетельствует о присутствии в них гидроксильных групп, входящих в интерстиции структуры, а также в каналы вместе с молекулами воды типа I и II, которая удаляется при 900-1000 ⁰С без разрушения структуры, т. е. носит цеолитный характер. Ориентировка молекул воды в берилле связана непосредственно с содержанием щелочей. Чем больше щелочей содержит минерал, тем больше у него воды типа II.

7. Геохимическая специализация ювелирных бериллов различных геолого-генетических типов месторождений обусловлена их кислотно-щелочным потенциалом. Химическими анализами установлено, что наиболее высокое содержание щелочей характерно для бериллов из редкометальных пегматитов. В таких бериллах Li и частично Mg занимают тетраэдрические позиции Be, а крупные катионы щелочей располагаются в каналах.

8. Наиболее значительные изменения геммологических характеристик ювелирного берилла проявлены в ряду морфолого-структурных особенностей: гелиодор - аквамарин - воробьевит -зеленый берилл. Показатели преломления и удельный вес могут заметно варьировать как у различных разновидностей берилла, так и у берилла одной цветовой разновидности, но из разных месторождений.

9. Изучение поведения Rb и Cs в зональном кристалле берилла показало, что их самые высокие содержания в ядре берилла (ярко-розовая зона) и последовательно понижается к внешней зоне кристалла (ярко-зеленая зона). В том же направлении более сильно падает отношение Cs/Rb, что свидетельствует об увеличении электроотрицательности и щелочности среды от зеленой зоны к розовой. Можно говорить о ведущей роли C_S и Rb в среде минералообразования различных стадий образований бериллов разных ювелирных разновидностей.

10. Месторождения ювелирных разновидностей берилла весьма разнообразны по генезису и универсальный прогнознопоисковый комплекс (ППК), который был бы годен для всех их, вряд ли возможен в настоящее время. Поэтому, предлагаемый ниже ППК имеет ограничения в использовании. В отношении данного весьма специфического сырья особенно важно разделение прогнозо-поисковых признаков на региональные и локальные, поскольку первые ответственны преимущественно за минералогическую специализацию, а вторые - за тип, размеры и минеральный состав конкретного рудного тела или месторождения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК

1. Комащенко С.В. Геммологические особенности бериллов как отражение их пространственно-временной минералого-геохимической эволюции //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2009. № 8. С. 157 - 162.

2. Комащенко С.В. Исследование цветовых характеристик разновидностей берилла методом катодолюминесценции //Горный журнал. Известия высших учебных заведений. 2009. № 8. С. 125 - 128.

3. Комащенко С.В., Кемпе У. Катодолюминесценция природного берилла различной окраски // Записки РМО. 2010. Ч. СXXXIX. № 1. С. 62 - 70.

Материалы совещаний и конференций

4. Комащенко С.В. Перспективные методы исследования ювелирных разновидностей берилла // Мат-лы науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», М.: РГГРУ, 2006. С.208-211.

5. Комащенко С.В. Некоторые особенности изоморфных замещений в бериллах из различных месторождений // Доклады VII Междунар. конф. «Новые идеи в науках о Земле». Том 4. М.: РГГРУ, 2007. С. 257 - 260.

6. Комащенко С.В. Исследование изотопного состава кислорода в бериллах из различных месторождений // Науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле». Мат-лы конференции. М.: РГГРУ, 2008. С. 203.

7. Комащенко С.В. Эволюция минералого-геммологических особенностей бериллов из месторождений различных генетических типов // Мат-лы IХ Междунар. конф. «Новые идеи в науках о Земле». Том 1. М.: РГГРУ, 2009. С. 263 - 265.

8. Комащенко С.В. Пространственно-временные закономерности эволюции бериллов различных генетических типов // Мат-лы XIII Междунар. симп. студентов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». Томск, 2009. С. 216 - 221.

9. Комащенко С.В. Комплексное исследование кристаллических и газово-жидких включений в бериллах // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VIII Сатпаевских чтений. Экибастуз, 2009. С.294-297.

10. Комащенко С.В. Определение генетических и региональных типоморфных особенностей разновидностей берилла по результатом рентгено-флуоресцентного, масс-спектрометрического и ИКС исследований // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VIII Сатпаевских чтений. Экибастуз, 2009. С. 332-335.

11. Комащенко С.В. Минералого-геммологические особенности бериллов из месторождений различных генетических типов // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение качества образования и научных исследований» в рамках VIII Сатпаевских чтений, г. Экибастуз, 2009. С.347-348.

12. Комащенко С.В. Метод катодолюминесценции в диагностике цветовых характеристик бериллов из различных месторождений // Мат-лы науч. семинара стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2008/09 года. М., 2009. С. 163-166.

13. Комащенко С.В., Кисин А.Ю. Геодинамические обстановки формирования пегматитовых и грейзеновых месторождений ювелирных разновидностей берилла // Уральская минералогическая школа-2010. Мат-лы Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов, научных сотрудников академических институтов и преподавателей вузов геологического профиля. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2010. С. 91-92.

Размещено на Allbest.ru

...