Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геологические и физико-химические условия образования FE-F-REE карбонатитов Центральной Тувы

ВАК РФ 25.00.11, Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения

Автореферат диссертации по теме "Геологические и физико-химические условия образования FE-F-REE карбонатитов Центральной Тувы"

На правах рукописи

ПРОКОПЬЕВ Илья Романович

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЕЕ-Р-КЕЕ КАРБОНАТИТОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ТУВЫ

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

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 О НОЯ 2014

НОВОСИБИРСК 2014

005555622

005555622

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетно учреждении науки Институте геологии и минералогии имени В.С Соболева Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Павлова Галина Геннадьевна, доктор геолого-минералогически наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института геологии минералогии им. B.C. Соболева СО РАН

Официальные оппоненты:

Сазонов Анатолий Максимович, заслуженный геолог РФ, докто геолого-минералогических наук, профессор, зав. кафедро Геологии, минералогии и петрографии Сибирского федерапьног университета (г. Красноярск)

Прокофьев Всеволод Юрьевич - доктор геолого минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатори рудных месторождений ИГЕМ РАН (г. Москва)

Ведущая организация: ФГБУН Геологический институт СО РАН (г. Улан-Удэ)

Защита состоится 23 декабря 2014 г. в 15:00 на заседани диссертационного совета Д 003.067.03, созданного на базе ФБГУ Института геологии и минералогии имени B.C. Соболева СО РАН, конференц-зале.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3. Факс: (383) 333-21-30, e-mail: turkina@igm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБУ Института геологии и минералогии имени B.C. Соболева СО РАН (адре сайта http://www.igm.nsc.ru, раздел «Образование»)

Автореферат разослан 14 ноября 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета доктор геол.-мин. наук

О.М. Туркина

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Возросшая в последние годы потребность разных отраслей промышленности в редких и редкоземельных элементах обусловила необходимость существенного расширения минерально-сырьевой базы и освоения новых месторождений, в том числе и нетрадиционных типов. Наиболее крупным районом развития такого оруденения является Тува, где выделен Центрально-Тувинский пояс с уникальным по составу руд и масштабу Fe-F-REE карбонатитовым месторождением Карасуг (Смелянская и др., 1950; Митропольский и др., 1975; Онтоев, 1984; Коваленко и др., 2006; Лебедев В.И. и др., 2006, 2009; Болонин, 1999, 2009; Никифоров и др., 2006; Лебедев Н.И., 2013 и др.). Уникальность этих месторождений в том, что вмещающая оруденение порода - карбонатит, сложена сидеритом и сама является железной рудой. В ней присутствуют в промышленных количествах флюорит, барит, REE, U и др. элементы. Работами многих исследователей получены обширные данные по геологии этих месторождений, минеральному составу и геохимии руд, пространственным и временным соотношениям разных типов карбонатитов с магматизмом. Однако многие вопросы генезиса таких месторождений до настоящего времени остаются спорными, поэтому исследования, направленные на их решение, являются важными и актуальными. Первые исследования физико-химических условий формирования Fe-F-REE карбонатитовых месторождений Центральной Тувы привели к выводу о гидротермально-метасоматическом генезисе карбонатных пород (Коростин, 1957; Митропольский, 1959; Хомяков, Семенов, 1971; Онтоев, 1963). Позже их формирование связывали с гидротермальными высокотемпературными растворами-рассолами (Онтоев и др., 1979; Онтоев, 1988; Бредихина, Мельгунов, 1989). Модель магматического генезиса Fe-F-REE карбонатитов Центральной Тувы обосновывалась в работах (Пузанов, Кандинов, 1975; Пузанов и др., 1978; Болонин и др., 1984; Болонин, 1999, 2002; Никифоров и др., 2005; Лебедев и др., 2004 и др.). Хотя вопрос генезиса этих пород до сих пор остается открытым, мы вслед за В.И. Коваленко, В.В. Ярмолюком, A.B. Никифоровым, A.B. Болониным, В.И. Лебедевым и др. называем их карбонатитами. Они представлены двумя минеральными типами: анкерит-кальцитовые и поздние рудоносные флюорит-барит-сидеритовые.

Цель работы: на основе современных термобарогеохимических методов исследования включений в минералах обосновать магматический или гидротермально-метасоматический генезис карбонатитов Центрально-Тувинского пояса, установить физико-химические параметры их формирования, состав и металлоносность расплавов и

гидротермальных растворов, определивших специфику минерального состава, геохимии и рудоносности карбонатитов.

Объекты исследования: анкерит-кальцитовые и сидеритовые карбонатиты Центрально-Тувинского пояса (Карасугское месторождение и рудный узел Улатай-Чоз, включающий рудные поля Улатай, Тээли-Оргудыд, Северо-Чозское и Южно-Чозское), а также выявленные в последние годы Fe-Ba-Sr-REE карбонатные породы, расположенные в хр. Цаган-Шибету на территории ЮЗ Тувы и СЗ Монголии (рис. 1).

Предметом исследования служат Fe-F-REE карбонатиты Центрально-Тувинского пояса и расплавные и флюидные включения материнских сред в минералах карбонатитов.

Фактический материал представляет собой образцы карбонатитов и ассоциирующих магматических пород Карасугского и Улатай-Чозского рудных узлов, отобранные в ходе полевых работ при участии автора в 2009-2013 гг., а также предоставленные сотрудниками ТИКОПР СО РАН: В.И. Лебедевым и A.M. Сугораковой. Образцы карбонатных пород, отобранные в районе хр. Цаган-Шибету (ЮЗ Тува и СЗ Монголия), предоставлены сотрудниками ИГМ СО РАН: А.Э. Изох и A.B. Вишневским, A.C. Борисенко (рис. 1). Основные задачи исследования

1. Анализ геологических условий образования, пространственно-временных и генетических связей карбонатитов Тувы с проявлением позднемезозойского магматизма и оруденения в данном регионе.

2. Выяснение фазового состояния минералообразующих сред на разных стадиях формирования карбонатитов Центрально-Тувинского пояса.

3. Анализ РТ-параметров образования карбонатитов.

4. Изучение состава и металлоносности расплавов и гидротермальных растворов, их эволюции на разных стадиях формирования карбонатитов.

5. Сравнительный анализ состава и металлоносности расплавов и флюидов карбонатитов разных минеральных типов.

Методы исследования

1. Для изучения включений в минералах карбонатитов использовались традиционные и новые инструментальные методы теумобарогеохимии: оптическое исследование, термо- и криометрия, KP-спектроскопия, микрорентгеноспектральиый (микрозондовый) анализ, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ-анализ), метод LA-ICP-MS.

2. Изотопно-геохронологический метод Ar-Ar датирования использовался для определения возраста пород и оруденения.

3. Ггохимические методы исследования: спектральный и ICP-MS анализы применялись для определения содержания химических элементов в породах. Исследования проведены в АЦ ИГМ СО РАН.

90° 93°

Рисунок 1. Схема размещения мезозойского Ре-Р-КЕЕ карбонатитового и Си-М-Со-Ав оруденения в структурах АССО (по

данным Коваленко и др., 2006, Лебедев и др., 2009, УогоШвоу е1 а1., 2011, с дополнениями автора). Условные обозначения: 1 - раннепалеозойские породы; 2 - эффузивно-осадочные толщи (Ьг-з); 3 - эффузивы (О,); 4 -осадочные отложения (N-(2); 5 - разломы; 6 - населенные пункты; 7 - Ре-F-R.EE карбонатиты; 8 - карбонатитовый пояс Центральной Тувы; 9 - Си-№-Со-Аб оруденение.

Научная новизна и теоретическая значимость.

1) Впервые для сидеритовых и анкерит-кальцитовых карбонатитов Центрально-Тувинского пояса на основе термобарогеохимических исследований расплавных и флюидных включений в минералах (ЬА-1СР-М8, КР-спектроскопия, СЭМ, микрозонд) доказано участие в их формировании своеобразных по составу карбонатно-хлоридных и сульфатно-карбонатно-хлоридных магматических расплавов-рассолов.

2) Приведены новые данные о магматической природе Ре-Р-ЯЕЕ карбонатитов Тувы, выявлены особенности состава и металлоносности расплавов и флюидов анкерит-кальцитовых и сидеритовых типов карбонатитов, изучены связи процессов становления позднемезозойских карбонатитовых комплексов Тувы с проявлением синхронного щелочного сиенитового магматизма в ареале распространения карбонатитов, все это позволяет уточнить модели формирования Fe-F-R.EE карбонатитов.

На основании выполненных исследований разработаны элементы модели генезиса карбонатитовых пород в Центрально-Тувинском регионе, предложена гипотеза их происхождения в результате ликвации исходного щелочно-базитового расплава на силикатный и карбонатитовый расплав, который, при дальнейшем снижении температуры вследствие несмесимости фракционирует на преимущественно карбонатный и преимущественно солевой расплавы. Доказано наличие закономерностей в изменении РТХ-параметров системы и ее металлоносности в процессах эволюции карбонатитовых расплавов к гидротермальным растворам. Введены новые понятия о рассол-расплавах, участвующих в формировании сидеритовых карбонатитов Тувы.

Практическая значимость. Полученные автором результаты изучения Fe-F-REE карбонатитов Центрально-Тувинского пояса позволяют уточнить представление об их генезисе и использовать термобарогеохимические характеристики этих пород в качестве критериев разбраковки рудных и нерудных карбонатитов не только в Туве, но и в других районах со сходной геологической обстановкой. В работе представлены рекомендации по дальнейшему изучению выявленных карбонатитов с REE минерализацией в ЮЗ Туве и СЗ Монголии и обоснованию перспектив этого района.

Личный вклад соискателя, объем исследований. Личный вклад соискателя состоит в отборе материала для исследований в ходе экспедиционных работ 2010-2013 гг. в ЮЗ Туве и СЗ Монголии. Автор участвовал в изготовлении и изучении более 500 полированных пластинок и 200 препаратов для термобарогеохимических исследований. Соискателем проведено и обработано более 100 термометрических измерений, более 200 KP и СЭМ-анализов для диагностики твердых кристаллических фаз и состава газовой фазы, около 50 микрозондовых анализов и более 80 LA-ICP-MS анализов состава включений.

Апробации и публикации исследований по теме диссертации. Результаты исследований неоднократно представлялись автором в виде устных докладов на международных конференциях: ACROFIIV в рамках 34-го Геологического Конгресса (34th ЮС) (Брисбен, 2012), 11-й Междунар. конф. SGA (Антофагаста, 2011), междунар. конф. ACROFI III и TBG XIV (Новосибирск, 2010), Сибирских конф. по наукам о Земле (Новосибирск, 2008, 2010), 2-й Междунар. конф. Карпинского (Санкт-Петербург, 2010), XIV Междунар. симпозиуме им. Усова (Томск, 2010), научных студенческих школах «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, 2008, 2009). По результатам исследований по теме диссертации автором с коллективом составлено и опубликовано 11 научных трудов, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из титульного листа, оглавления, введения, 4 глав, заключения и списка литературных источников, общий объем 152 страницы. Работа включает 59 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 263 источника.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Научно-квалификационная работа соответствует Формуле и Области исследований специальности 25.00.11 «Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения», поскольку в работе проводится разработка теоретических основ генезиса (условий образования) Fe-F-REE карбонатитовых месторождений, особенностей их геологического строения и закономерностей размещения.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за научное руководство и помощь в подготовке диссертационной работы д.г.-м.н. Г.Г. Павловой, за ценные советы, рекомендации в проведении исследований и интерпретации полученных результатов к.г.-м.н. A.A. Боровикову и заведующему лабораторией д.г.-м.н. A.C. Борисенко, а также за обсуждение результатов и полезные советы автор благодарит: к.г.-м.н. И.Г. Третьякову, к.г.-м.н. Е.А. Наумова, к.г.-м.н. Г.С. Федосеева, к.г.-м.н. С.З. Смирнова, к.г.-м.н. Л.И. Панину, к.г.-м.н. Андрееву И.А. (ИГЕМ РАН). За помощь в проведении экспедиционных работ, предоставленные образцы, помощь и поддержку автор благодарит сотрудников ТИКОПР СО РАН: В.И. Лебедева, A.M. Сугоракову, Р.В. Кужугет, A.A. Монгуш. Автор также благодарит сотрудников лаборатории № 211 ИГМ СО РАН: А.Э. Изох, A.B. Вишневского, P.A. Шелепаева, В.М. Калугина за предоставленные образцы, ценные советы и рекомендации. Автор выражает признательность сотрудникам ИГМ СО РАН аналитикам И.В. Аборневой, А.Т. Титову, М.В. Хлестову, A.B. Травину, И.В. Николаевой, А.Л. Рагозину и С.Ю. Скузоватову за помощь в проведении аналитических работ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (грант 27.2), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты: 11-05-00662, 13-05-00662), а также Министерства образования и науки РФ (соглашение 14.В 37.21.0879).

Обзор геологических данных по исследуемым объектам. В

северо-западной части Азии широко развиты позднемезозойские (J3-K) карбонатит-содержащие щелочные комплексы, наиболее крупные ареалы которых проявлены на Анабарском и Алданском щитах, в Западном Забайкалье, Восточной и Южной Монголии, Центральной Туве, СВ Китае и других регионах (Самойлов, Коваленко, 1983; Онтоев, 1984; Владыкин, 1988, 1997, 2007; Ярмолюк и др., 1991, 1998, 2003, 2005; Наумов, 1986,

1988, 2008, Никифоров и др., 2002, 2006; Рипп и др., 2000; Коваленко и др., 2002, 2006; Максимов и др., 2010; Дорошкевич, 2013 и мн. др.). Уникальные карбонатитовые месторождения в Центральной Туве представлены своеобразными анкерит-кальцитовыми и сидеритовыми карбонатитами с комплексным Fe-F-Ba-Sr-REE оруденением (рис. 1). Выделенный карбонатитовый пояс меридионального простирания связан с неявно выраженной на поверхности глубинной рифтогенной структурой (Онтоев, 1984; Коваленко и др., 2002, 2006, Лебедев, 2006). В нем известно 7 рудных полей карбонатитов, приуроченных к региональным разломам субширотного простирания. Именно к этим разломам приурочены штоки габброидов, дайки сиенит-порфиров и лампрофиров (Беззубцев и др., 1966; Митропольский, Кулик, 1975; Онтоев, 1984). По данным K-Ar, Rb-Sr и U-Pb датирования (Шурупов, 1966; Сугоракова и др., 2004; Никифоров и др., 2006; Болонин и др., 2009) был установлен возраст карбонатитов Тувы (118±9 млн. л.) и ассоциирующих с ними граносиенитов (151-119 млн. л.). Полученные автором результаты 40А г/39Ar датирования сидеритовых карбонатитов месторождения Карасуг 117.2 ± 1.3 млн. л. согласуются с данными возраста карбонатитов. Масштаб проявления сидеритовых карбонатитов в Туве, принадлежность карбонатитового комплекса к меловому этапу и морфология карбонатитовых тел в виде даек, линз и трубок взрыва, диаметром 500-700 м, прослеженных без изменения и выклинивания до глубины 550 м, выполненных карбонатитовым цементом с обломками вмещающих терригенных и магматических пород, являются важными свидетельствами в пользу магматической природы этих образований. Трубки взрыва представляют собой веерообразную серию линейных даек, которые в месте их сближения на пересечении с разломом объединяются в единое трубообразное тело (Болонин, 2002). Иногда центральные части трубок выполнены анкерит-кальцитовыми карбонатитами (с ксенолитами граносиенитов), которые по краям и в центре рассечены дайками сидеритовых карбонатитов.

К позднемезозойскому этапу относятся и установленные нами карбонатитоподобные породы в Каргинском грабене (хр. Цаган-Шибету в ЮЗ Туве и СЗ Монголии, рис. 1). Их изучение показало высокие содержания Sr, Ва, REE, U и Th, что указывает на их геохимическую общность с сидеритовыми карбонатитами Центральной Тувы. С этим этапом в районе связано формирование крупных надвиговых структур (Каргинский надвиг), образование юрско-меловых прогибов и впадин, проявление щелочно-базитового магматизма в виде даек лампрофиров (Оболенская, 1983), а также формирование позднемезозойского гидротермального Ni-Co-As, Cu-Co-As (м-ния Могенбурень, Каат-Тайга и

др.) и гидротермально-осадочного Си (Со, Ni, Sb, Ag) оруденения в меловых отложениях. Установленный нами 40Аг/39Аг возраст Ca-Co-As жил месторождения Каат-Тайга составляет 155.1±5.8 млн. л. Полученные данные позволяют выделить в ЮЗ Туве и СЗ Монголии новый перспективный район с комплексным оруденением.

Таким образом, анализ имеющихся литературных данных и результаты проведенных автором исследований позволяют заключить:

1. Временная и пространственная ассоциация с лампрофирами, сиенит-порфирами и кварцевыми сиенитами однозначно свидетельствует о наличии в меловое время магматического очага расплавов щелочно-базитового состава в районе распространения карбонатитов.

2. Изотопные отношения 87Sr/86Sr в минералах анкерит-кальцитовых и сидеритовых карбонатитов указывают на единый источник и отвечают мантийным значениям; а изотопный состав кислорода подтверждает магматическое происхождение карбонатитов обоих типов (Блох, Дагаева, 1987, Никифоров и др., 2006).

3. Минеральные типы карбонатитов разделены временным перерывом (структуры дробления ранних карбонатитов и цементации их поздними), что соответствует двум интрузивным фазам: сиениты и лампрофиры.

4. Морфология карбонатитовых тел: анкерит-кальцитовые и сидеритовые карбонатиты образуют собственные тела в виде трубок взрыва и даек.

5. Объем сидеритовых карбонатитов на месторождении Карасуг превышает размеры зон гидротермальных изменений вмещающих пород.

6. Высокие РТ-параметры и состав минералообразующих сред.

Геологические условия формирования карбонатитов Тувы: внутриплитный рифтогенез составного террейна, расположенного в орогенном поясе в обрамлении кратона. Геологические свидетельства это ценная информация для понимания их генезиса, но недостаточная, поэтому состав минералообразующих сред изучен во включениях в минералах карбонатитов.

Сидеритовые карбонатиты и проблемы их генезиса. Сидерит магматического генезиса присутствует достаточно часто в кальцитовых и доломитовых карбонатитах в виде поздних жил, прожилков и редко слагает маломощные дайки, что описано многими исследователями. Он отмечается и в составе магматических пород лампрофировых даек (Ulrich et al., 1993; Vichi et al., 2005), щелочных сиенитов (Andersen et al., 2011), оливиновых базальтов (Xue, Zhu, 2007). К наиболее ранним высокотемпературным обычно относят кальцит-магнетитовые карбонатиты, типичным примером которых является Ковдорское железорудное месторождение (Прокофьев и др., 2005). Более низкотемпературными являются кальцит-флюоритовые карбонатиты

следующей стадии, в течение которой расплав дифференцировал с образованием Fe-доломитовых и анкеритовых карбонатитов. На поздних стадиях формировались сидеритовые карбонатиты на месторождениях Маунтин-Пасс (США), Баян-Обо (Китай), Мушугай-Худук (Монголия) и др. Геохимические исследования показывают наличие повышенных и часто промышленных концентраций Fe, F, Ва, Sr, U, Th, REE в поздних анкеритовых и сидеритовых карбонатитах (Владыкин, 2009). На Томторском массиве (Якутия) повышенной рудоносностью отличаются анкеритовые и сидеритовые карбонатиты (Vladykin, 2010). Минералы ряда магнезит-сидерит часто присутствуют в виде поздних жил и прожилков в карбонатитах во многих щелочных массивах Кольского п-ова (Вуориярви, Ковдозеро) и других регионов мира: Луеш (Заир), Канганкунде, Чилва Айланд (Малави), Каргилл, Чипман Лейк (Канада), Невания (Индия) (Guilbert, Park, 1985; Sage, 1988; Erdosh, 1989; Buckley, Wooley, 1990; Sitnikova et al., 2001; Doroshkevich et al., 2010). Все это указывает на магматическое происхождение сидерита в карбонатитах. Сидерит высокотемпературного гидротермального, некарбонатитового генезиса установлен в сидерит-криолитовой породе месторождения Ивигтут (Гренландия) (10-20% сидерита). Температуры её образования составляют 510-590°С (Прокофьев и др., 1990), а генезис этого месторождения некоторые исследователи связывают с аккумуляцией остаточных флюидов и летучих компонентов в верхних частях куполообразного штока щелочных гранитов Ивигтут (Pauly, Bailey, 1999), другие связывают его происхождение с коровой контаминацией мантийного расплава (Goodenough et al., 2000). Известны многочисленные экспериментальные исследования по кристаллизации щелочных расплавов с образованием кальцитовых и доломитовых карбонатитов в связи с проявлением процессов жидкостной несмесимости (Freestone, Hamilton, 1980, Brooker, Hamilton, 1990, Harlow, 1997; Lee, Wyllie, 1998). Однако условия кристаллизации сидеритовых карбонатитов по экспериментальным данным освещены достаточно слабо, что определяет важность проведения термобарогеохнмических исследований в минералах этого типа карбонатитов.

Типы включений. Изучение включений проводилось в минералах анкерит-кальцитовых и флюорит-барит-сидеритовых карбонатитов Тувы: Карасугского, Улатайского, Тээли-Оргудыдского, Северо-Чозского и Южно-Чозского рудных полей карбонатитов. На основе визуального изучения фазового состава включений материнских сред в минералах карбонатитов выделены следующие типы включений (рис. 2):

1. Расплавные включения: первичные карбонатные и силикатно-карбонатные включения во флогопите и дипирамидальных кристаллах кварца анкерит-кальцитовых карбонатитов, первичные и псевдовторичные рассол-расплавные включения в апатите, кварце и флюорите обоих типов карбонатитов.

2. Флюидные включения: первичные многофазные высококонцентрированные кристалло-флюидные включения (сокращенно солевые кристалло-флюидные), первичные и вторичные многофазные и двухфазные газово-жидкие включения высокой, средней и низкой концентрации, а также существенно газовые вторичные включения в кварце, кальците, флюорите, монаците, апатите и барите карбонатитов.

Рисунок 2. Включения в минералах карбонатитов Тувы: первичные расплавные включения: силикатно-карбонатное во флогопите (а) и карбонатные в кварце (б) анкерит-кальцитовых карбонатитов; первичные рассол-расплавные включения в кварце кальцитовых (в) и флюорите сидеритовых (г) карбонатитов; первичные кристалло-флюидные включения во флюорите (д), вторичные газово-жидкие трех-, двухфазные (е, ж) и газово-жидкие (з) включения различной концентрации. Примечание: Ank - анкерит, Cat - кальцит, Hal - галит, Syl - сильвин, Anh - ангидрит, ССЪ(Ь) - жидкая углекислота

Защищаемые положения.

1. Своеобразие магматически* расплавов, формировавших Fe-F-REE сидеритовые и анкеритовые карбонатиты Тувинского пояса выражается в обогащенности их F, SO42" и особенно С1, хлоридно-карбонатном или сульфатно-карбонатно-хлоридном составе, что отличает их от кальцитовых и доломитовых карбонатитов, связанных со щелочными комплексами, в других регионах.

2. Анкерит-кальцитовые и сидеритовые карбонатиты Тувы кристаллизовались из карбонатных расплавов с разной концентрацией С1, 8С>42", Са и Ре, что определило разные тренды их эволюции и генерацию различных по составу гидротермальных флюидов:

1) Анкерит-кальцитовые карбонатиты: карбонатитовый расплав карбонатно-хлоридный рассол-расплав (87-95 мас.%, ШО<15 мас.%) -^карбонатно-хлоридный раствор (60-40 мас.% NaCI-экв.) гидрокарбонатно-хлоридный раствор (30-15 мас.% ШО-экв.) хлоридный раствор (<15 мас.% КаС1-экв.).

2) Сидеритовые карбонатиты: сульфатпо-карбонатно-хлоридный расплав сульфатпо-карбонатно-хлоридный рассол-расплав (87-92 мас.%, НгО<15 мас.%)-^углекислотно-сульфатно-хлоридный раствор (60-30 мас.% №С1-экв.) -> углекислотный хлоридный раствор (<30 мас.% ШС1-экв).

Изучение первичных расплавных карбонатных включений в кварце и силикатно-карбонатных включений во флогопите (рис. 2 а, б) показали, что анкерит-кальцитовые карбонатиты Тувы кристаллизовались из мантийного карбонатного расплава при температурах более 800°С. Карбонатитовый расплав образовался вследствие дифференциации исходного расплава в очаге и карбонатно-силикатной несмесимости. Состав родоначального карбонатитового расплава был близок к анкерит-кальцитовому (Са, М§>Рс). В карбонатном расплаве присутствовали капли силикатного расплава (81, А1, Бе, Мд, Са, Ыа, К, О, С1), из которого кристаллизовались алюмосиликаты: флогопит, мусковит, КПШ и др. Повышенное содержание БЮг (66-70 мас.%) в силикатной фазе расплавных включений во флогопите указывает на магматический источник кварца кальцитовых карбонатитов. Кроме того, силикатная часть расплава отличалась повышенными содержаниями щелочей (Na20l-K204.3-5.74 мас.%) и летучих Р, С1 (0.5-0.68 мас.%).

Исследования рассол-расплавных включений в кварце, флюорите и апатите анкерит-кальцитовых карбонатитов (рис. 2 в, г) показали, что в результате карбонатно-солевой несмесимости при температурах выше 650°С и давлении 3.4-3.5 кбар карбонатный расплав эволюционировал в карбонатно-солевой рассол-расплав. Состав рассол-расплава характеризуется содержанием остаточных алюмосиликатных фаз, солей фторидов, карбонатов (кальцит, анкерит) и хлоридов № и К, также присутствием редких карбонатных КЕЕ (бастнезит), рудных фаз и флюидной фазой состава Н2О+СО2. Доля карбонатной составляющей (кальцита и анкерита) в рассол-расплаве составляет от 10 до 50 мас.%, хлоридов (галита и сильвина) 40-75 мас.%, алюмосиликатных фаз и

фторидов 1-2 мас.%, флюидная фаза занимает 2-3 об.% рассол-расплавных включений. Суммарная концентрация солей в рассол-расплаве анкерит-кальцитовых карбонатитов составляет 87.5-95 мас.%. Рассол-расплавы сидеритовых карбонатитов имеют сульфатно-карбонатно-хлоридный состав (рис. 2 г, 3). Доля карбонатов (сидерита) в рассол-расплаве достигает 10-15 мас.%, содержание сульфатов Ре, Са, Ва, вг (барит, целестин, ангидрит, Ре-копиапит Ре5(804)б(ОН)2'20Н20), ЯЕЕ-карбонатов (Се-анкилит 8г(Се,Са,Ьа)[С03]2(0Н)»Н20, бастнезит), силикатных фаз и фторидов (Са, К, Ие, П, А1, 51, О, Р) составляет 1-2 мас.%, также присутствует жидкая С02 -2-3 об.%. Общая концентрация солей в сидеритовых рассолах-расплавах составляет 87-92 мас.%. Рассол-расплавы сидеритовых карбонатитов образовались из остаточного расплава при минимальных РТ-условиях 650°С и 3.2-3.5 кбар

Анкилит-Се

Галит

25 50 и

Рисунок 3. Состав твердых фаз рассол-расплавных включений в кварце сидеритовых карбонатитов месторождения Карасуг: а, б -

фотографии включений, в - Раман-спектр флюидной фазы: С02 (ж); г -КР-спектры дочерних фаз: 1 - Се-анкилит, 2 - Ре-копиапит, 3 - ангидрит, 4 - сидерит, 5 - минерал-матрица: кварц.

Результаты исследований флюидных включений (рис. 2 д-з) в кварце, флюорите, апатите и кальците показали, что гидротермальные

процессы протекали в высоко-, средне- и низкотемпературную гидротермальные стадии. При Тобр. 420-490°С и давлении 2.2-2.8 кбар формировались растворы с концентрацией 40-60 мас.%. В раннюю среднетемпературную стадию температура снижается до 310-380°С, Р=1.5-2 кбар, концентрация растворов снижается до 30-40 мас.%. В позднюю среднетемпературную стадию минимальные Тобр. и Р составляли 250-300°С и 0.5-0.75 кбар соответственно, концентрация раствора от 15 до 30% ЫаС1-экв. Тгом. газово-жидких (150-250°С) и газовых включений (100-150°С) в кальците, флюорите и барите поздних секущих карбонатиты прожилков свидетельствуют о том, что минералы прожилков кристаллизовались из разбавленного (1-15 мас.%) раствора при Т<250°С и давлении «0.5 кбар. Высокотемпературные концентрированные (60-48 мас.% ЫаС1-экв.) гидротермальные растворы анкерит-кальцитовых карбонатитов имеют карбонатно-хлоридный солевой состав. Доля карбонатной составляющей (кальцита) варьирует от 2 до 5-10 мас.%, содержание галита и сильвина 60-30 мас.%, флюидная фаза представлена жидкой С02. В среднетемпературных (40-30 мас.% ИаО-экв.) растворах кальцитовых карбонатитов содержание кальцита 1-5 мас.%, хлоридов 30-35 мас.%, а флюидная фаза резко отличается вариациями состава С02-№(г-ж)-С0г(г), что указывает на более щелочной характер раствора. Состав поздних среднетемпературных (15-30 мас.% ЫаС1-экв.) растворов кальцитовых карбонатитов отличается преобладанием Ыа-К хлоридов, присутствием гидрокарбонатов (гейлюссита) <1 мас.%, во флюидной фазе находится газообразная С02. Поздние газово-жидкие включения (1-15 мас.% ЫаС1-экв.) содержали галит и С02(г). Высоко- и среднетемпературные (60-30 мас.% ЫаС1-экв.) растворы сидеритовых карбонатитов содержат хлориды Ыа и К (галит, сильвин) 30-60 мас.%, 2-5 мас.% сульфатов Ыа, Са, Ва и 8г (ангидрит, целестин, барит, тенардит), бастнезит и С02(ж). От средне- к низкотемпературным растворам сидеритовых карбонатитов происходит постепенное снижение концентрации хлоридов от 30 до 1 мас.%, во флюидной фазе жидкая С02.

3. Породообразующие рассол-расплавы сидеритовых карбонатитов отличались от рассол-расплавов анкеритовых карбонатитов более высокими концентрациями Ре, Со, Си, Ая, Аз, БЬ, Мо, Ьа, Се, N(1. Содержание большинства рудных элементов (Со, Ав, вЬ, Мо, Ьа, Се, N<1, и, Мп, Ва, вг, Се) в концентрированных растворах гидротермальной стадии формирования карбонатитов существенно превышает их содержание в карбонатитовых расплавах. Это свидетельствует о направленном повышении металлоносности минералообразующих расплавов и флюидов в ходе их эволюции.

Исследования состава и металлоносное™ карбонатитовых расплавов и гидротермальных растворов проводились современным методом ЬА-ЮР-МБ анализа индивидуальных включений в кварце и флюорите карбонатитов Тувы. Согласно полученным данным, рассолы-расплавы карбонатитов характеризуются высокими содержаниями N8, К, Ре, Мп, Са, Ва и Бг (1-0.1)п мас.%, а также содержат повышенные концентрации рудных элементов: Си, гп, РЬ (ЮО-ЮОО)п г/т, Ав, БЬ, Со (1- 100)п г/т, Аи до 0.3-0.9 г/т, Ag 5-10 г/т,: Ьа, Се, Ш (Ю-ЮОО)п г/т, У, ТЬ и и (0.1-10)п г/т (см. Приложение). Рассол-расплавы сидеритовых карбонатитов являются более рудоносными по сравнению с анкерит-кальцитовыми и содержат высокие концентрации Ва, Бг, Ре, Тп, РЬ, Си, Со, Ав, БЬ, Ьа, Се, N<1 + ТЬ, и, У, СОг и БО^". Высококонцентрированные гидротермальные растворы карбонатитов отличаются высокими содержаниями (0.1 -1)п мас.% основных (Ыа, К, Ре, Са, Мп, Ва, Бг) и повышенными концентрациями рудных элементов: (ЮО-ЮОО)п г/т Со, Си, Ъъ, РЬ, Ав; ЬЯЕЕ: Ьа, Се, N(1; (Ю-ЮО)п г/т 8Ь, ТЬ, Ы, У (Приложение). Сравнение содержаний элементов в рассол-расплавах и гидротермальных растворах кальцитовых карбонатитов показало, что Са, Ыа, К и Ре концентрируются в рассол-расплавах, тогда как рудные элементы Со, Ъъ, РЬ, Си, 8Ь, Ав, Мп, Се, Ьа преобладают в растворах (рис. 4, 5).

Рисунок 4. Отношение ЬА-1СР-М8 содержаний элементов в рассол-расплавных и кристалло-флюидных включениях анкерит-кальцитовых карбонатитов.

Примечание к рис. 4, 5: по оси У отношение средней концентрации элемента в рассол-расплавных включениях (Срр) к средней концентрации в кристалло-флюидных включениях (Сфл).

Fe

Ca

К

Na Nd Ce

La

0,1

U Mn1— Mo

Th

0,01 -

Y

0,001 J

Рисунок 5. Отношение LA-ICP-MS содержаний элементов в рассол-расплавных и кристалло-флюидиых включениях сидеритовых карбонатитов.

В состав рассол-расплавов карбонатитов входят основные (Ca, К, Na) и некоторые рудные элементы (Fe, La, Се и Nd). Остальные рудные элементы Ва, Sr, Mn, Си, Zn, Pb, Со, As, Sb, Mo, Bi, W, Th, U, Y преобладают в гидротермальном растворе. Распределение переходных металлов, включая Со, Mn, Си, Ag, Mo, W, REE, U и Th при ликвации исходных водосодержащих расплавов в обогащенную флюидом карбонатную фазу и последующее концентрирование в растворах является закономерным по результатам экспериментальных исследований сухих и водосодержащих силикатно-карбонатных расплавов (Farges et al., 2001; Martin et al., 2013; Gusmics, Zajacz, 2013) и впервые показано примере природной рудообразующей системы.

1. Формирование Ре-Р^ЕЕ карбонатитов Центрально-Тувинского пояса связано с позднемезозойским этапом (Лз-КО проявления внутриплитного щелочно-базитового магматизма и гидротермального рудообразования (М-Со-Аб, Си-Со-Ав и Ва оруденения). Карбонатиты являются продуктом эволюции очага щелочно-базитовых расплавов, что подтверждает их пространственная и временная ассоциация с интрузиями сиенитов, граносиенитов и лампрофиров (керсантитов).

2. Особенностью карбонатных расплавов, из которых образовались анкерит-кальцитовые и Ре-Р^ЕЕ сидеритовые карбонатиты, является их

Заключение

обогащенность F, SO42" и особенно С1, что существенно отличает их от карбонатных расплавов, формировавших кальцитовые и доломитовые карбонатиты в других регионах (Алдан, Вост. Саян, Монголия) и определяет специфику их состава и рудоносности.

3. Выделенные на месторождениях Центрально-Тувинского пояса два минеральных типа карбонатитов образовались из различных по содержанию CI, SO42", Са и Fe карбонатных расплавов, что определило разные тренды их эволюции.

4.Сульфатно-карбонатно-хлоридные расплавы сидеритовых карбонатитов отличались от карбонатно-хлоридных расплавов анкерит-кальцитовых карбонатитов более высокими концентрациями Fe, Со, Си, Ag, As, Sb, Mo, La, Се и Nd, другие элементы Мп, К, Zn, Pb, Bi присутствовали в них в сопоставимых количествах. Содержание большинства рудных элементов, особенно Со, As, Sb, Mo, La, Се, Nd, U, а также Mn, Ba, Sr, Cs в растворах флюидных включений существенно превышает их концентрацию в карбонатитовых расплавах, что свидетельствует о преимущественном накоплении их в гидротермальных флюидах.

5. Анализ геологических условий образования Fe-F-REE карбонатитов Тувы позволил выделить в ЮЗ Туве и СЗ Монголии (хр. Цаган-Шибету) новый перспективный район для поисков и дальнейшего изучения таких объектов позднемезозойского возраста.

Список публикаций по теме диссертационной работы

Статьи в рецензируемых журналах:

1. Прокопьев И.Р., Боровиков А.А., Павлова Г.Г., Борисенко А.С. Роль хлоридно-карбонатных расплавов в формировании сидеритовых карбонатитов Fe-F-REE месторождения Карасуг (Республика Тува, Россия) // Доклады РАН. 2014. Т.455. №5. С.572-575.

2. Борисенко А.С., Боровиков А.А., Васюкова Е.А., Павлова Г.Г., Рагозин A.J1., Прокопьев И.Р., Владыкин Н.В. Окисленные магматогенные флюиды, их металлоносность и роль в рудообразовании // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 1. С. 182-206.

Материалы докладов на конференциях:

3. Prokopyev I.R., Borovikov А.А., Pavlova G.G., Borisenko A.S. Ore-forming brine-melts and fluids of the Karasug Fe-F-REE carbonatite deposit, Russia // 12th Biennial SGA Meeting Mineral deposit research for a high-tech world, 12-15 August 2013, Uppsala, Sweden. 2013. V.3.P. 1386-1389.

4. Prokopyev I.R., Borisenko A.S., Borovikov A.A. LA-ICP-MS investigations of ore-forming fluids of Fe-F-REE carbonatite deposits of Central Tuva region, Russia // Abstract of 4th Biennial Conference ACROFIIV

/ Ed. Mernagh T.P., Hagemann S.G. and Kamenetsky V.S. Geoscience Australia: Canberra. 2012. P. 61-62.

5. Prokopiev I.R., Borovikov A.A., Borisenko A.S., Ragozin A.L. Composition of ore-forming fluids of Fe-F-REE carbonatite deposits of the Karasug and Ulatai-Chezsk group (Tuva) // ACROFI III and TBG XIV Abstracts Volume, Novosibirsk, 15-20 September, 2010 (Ed., V.V. Sharygin) / IGM SB RAS, Novosibirsk. 2010. P. 184-185.

6. Borovikov A.A., Prokopiev I.R., Borisenko A.S., Tretiakova P.G., Palesskiy S.V. Metal content in oxidized sulphate fluids of the Inagli alkaline massif (Central Aldan) // ACROFI III and TBG XIV Abstracts Volume, Novosibirsk, 15-20 September, 2010 (Ed., V.V. Sharygin) / IGM SB RAS, Novosibirsk. 2010. P. 36-37.

7. Прокопьев И.Р. Минералого-геохимические особенности руд медно-никелевого месторождения Максут (Вост. Казахстан) // Проблемы геологии и освоения недр: труды XIV международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных. Томск: изд-во ТПУ, 2010. Т. 1.С. 186-187.

8. Прокопьев И.Р., Борисенко А.С., Изох А.Э., Наумов Е.А. Минералого-геохимические особенности медно-никелевого месторождения Максут (Вост. Казахстан) // Металлогения древних и современных океанов. Миасс: ИМин УрО РАН, 2009. С. 205-210.

9. Прокопьев И.Р. Минералого-геохимические особенности руд медно-кобальт-вольфрамового месторождения Каракуль (Горный Алтай) // Металлогения древних и современных океанов - 2008. Миасс: ИМин УрО РАН, 2008. С. 149-151.

10. Третьякова И.Г., Борисенко А.С., Прокопьев И.Р. Кобальтовое оруденение Южного Алтая Хакасии: возрастные рубежи формирования и связь с магматизмом и другими типами оруденения // Тезисы докладов Четвертой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле. Новосибирск, 2008. С. 262-263.

11. Третьякова И.Г., Борисенко А.С., Лебедев В.И., Прокопьев И.Р. Кобальтовое оруденение Алтае-Саянской складчатой области: возраст и геохимические особенности руд // Металлогения древних и современных океанов. Миасс: ИМин УрО РАН, 2008. С. 144-145.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Результаты ЬА-ГСР-МЯ анализа рассол-расплавов и растворов кристалло-флюидных включений из включений в минералах карбонатитов Центральной Тувы _______

М-ние Улатай Карасуг Тээли-Оргудыд Карасуг, Улатай

Фаза Рассол-расплав Раствор

Тип карбонатитов Апк-Са1 §¡(1 Апк-Са1

N8*, мае. % 7-15 13-18 10-14 13-14

К* 8-12 5-15 3-7 5-7

Ге 0.3-6 3.6-5 2.9-АЛ 2.5-7

Мп 0.1-1 0.05 -1 0.9-2 0.2-3

Са 13-15 0.01-0.3 0.03 - 1 0.03-0.1

вг — 0.3-3 0.7-3 0.5 -3

Ва — 0.01 -1 1.2-3 0.4 - 2.5

ИЬ — 0.01-3.8 0.05-0.3 0.05 - 0.3

Се, г/т — 1.4-130 300 - 400 46 - 280

Со н.о. 3.3-95 97 - 370 25 - 300

Си 7-40 70 - 3200 400 - 800 100 - 700

2п 170-2300 270-2700 1000-2100 270 - 2800

РЬ 200 - 760 150-750 460 - 2200 400- 1256

Аи н.о. 0.01-0.9 0.001-0.7 0.03-0.1

Ая 0.4 0.2 -10 0.3-13 3-27

Ав 13-43 80 - 420 300 - 1200 140 - 900

ЭЬ 0.5-7.9 8-150 17 - 190 7.5 - 160

Мо н.о. 0.3 - 25 5-42 6-74

\\ — 0.3 -15 6-30 2-40

В! 0.5-15 0.4-6 5-10 2-18

Ьа 4-5 30- 1400 380-1900 120- 1800

Се 880- 1100 15-4700 1300-2600 560 - 2800

N{1 — 5 - 4500 1300- 1700 780-1700

У — 0.2-6 53 - 600 100-900

ть — 0.3-28 3-14 2-28

и — 2.5- 35 97 - 199 10-700

Примечание: * - данные термометрических исследований, «—» -концентрация элемента не определялась, н.о. - не обнаружено. Содержания элементов в таблице от Иа до ЫЬ включительно приведены в мас.%, содержания элементов ниже Се включительно приведены в г/т.

Подписано к печати 30.10.2014 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме.

_Печ.л. 0,9. Тираж 120. Зак. № 122_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, 630090, Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3.