Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия и физико-химическая модель формирования метаморфизованных силикатных марганцевых пород

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия и физико-химическая модель формирования метаморфизованных силикатных марганцевых пород"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

ПЕРОВА Елена Николаевна

МИНЕРАЛОГИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАМОРФИЗОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ МАРГАНЦЕВЫХ ПОРОД (НА ПРИМЕРЕ РОДОНИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СРЕДНЕГО УРАЛА). Специальность 04.00.20 - минералогия, кристаллография

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном Университете.

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Г.Кривовичев

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор геолого-минералогических наук, Л.П.Никитина (ИГГД) доктор геолого-минералогических наук, С.Н.Григорьев (СПбГУ) Санкт-Петербургская Горная Академия (Горный Институт)

Защита состоится "/6 " ¿'¿¿г^УтЗ? 1998 г. в /¿["часов в ауд. ¿1Кна заседании диссертационного совета Д 063.57.27 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук при Санкт-Петербургском государственном Университете (199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, геологический факультет)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М.Горького при Санкт-Петербургском государственном университете.

Автореферат разослан <.¿/¿<■4 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.Е.Каменцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Метаморфизованные силикатные марганцевые месторождения Среднего Урала и других регионов мира полупили широкую известность прежде всего благодаря наличию в них прекрасного поделочного камня (орлеца). Большинство исследований этих месторождений было ориентировано на изучение геолого-структурного положения и минерального состава родонитовых тел (Гаврилов, 1972; Киевленко, Сенкевич, 1985; Серков, 1989, 1990; Брусницын, 1995). Анализ же условий образования родонита и ассоциирующих с ним минералов ограничивался в основном качественными моделями.

Вместе с тем, силикатные марганцевые породы являются весьма благоприятным объектом для выявления состава и условий формирования первичных осадков и реставрации физико-химических условий их преобразования при региональном метаморфизме, что и определяет актуальность настоящей работы.

ЦЕЛЬ данной работы - построение физико-химической модели формирования метаморфизованных силикатных марганцевых пород на примере месторождений Среднего Урала. В связи с этим основными задачами являлись следующие: 1.Обобщение и анализ данных по геолого-структурному положению, петрографии и минералогии силикатных марганцевых месторождений Среднего Урала; 2.Анализ минеральных парагенезисов родонитовых пород с помощью качественных диаграмм фазовых равновесий; З.Обобщение и анализ всех имеющихся экспериментальных и термодинамических данных по устойчивости марганцевых минералов; 4.0ценка основных физико-химических параметров (Т, Р,

Xсог • формирования родонитовых пород Среднего Урала;

5. Разработка физико-химической модели формирования метаморфизованных силикатных марганцевых пород Среднего Урала на основе комплексного анализа геолого-структурных,

петрографических и минералогических данных и результатов количественной оценки основных параметров минералообразующей среды.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Каменный материал для исследований был отобран автором во время полевых сезонов 1993-1994 гг. совместно с А.И.Брусницыным на Малоседельниковском и Бородулинском месторождениях. Образцы пород Кургановского месторождения были любезно предоставлены кандидатами геол.-мин. наук А.Н.Серковым и А.И.Брусницыным.

Цели работы определили методы исследования, необходимые для решения сформированных выше задач. Прежде всего, это традиционные геологические, петрографические и минералогические методы исследований (описание шлифов, оптические, микрозондовые исследования и т.д.), которые позволили установить минеральный состав пород и выявить устойчивые парагенетические ассоциации минералов. Вторая группа методов включала термобарогеохимические методы, анализ минеральных парагенезисов в системе СаО-МпО-АЬОз-БЮг-НгО-СОг-Ог с построением диаграмм в различных координатах и методы физико-химического моделирования на ЭВМ.

В процессе работы был проанализирован и обобщен материал по физико-химическому изучению основных минералов марганцевых месторождений, выполненных отечественными и зарубежными исследователями в период с 1930 по 1998 гг.

Большинство термодинамических расчетов проводилось с помощью программ TWQ202 (Berman et ai. 1978) и TERMOCALC (Holland, Powell, 1997; 1998).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведена количественная оценка физико-химических параметров минералообразующей среды для условий формирования родонитовых пород Среднего Урала на основе изучения фазовых соответствий между минералами

вмещающих родонитовые тела горных пород, а также анализа экспериментальных и расчетных данных. Разработана физико-химическая модель преобразования родохрозито-кремнисто-глинистых осадков в ходе регионального метаморфизма.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Родонитовые месторождения Среднего Урала сформировались в условиях, соответствующих верхам зеленосланцевой - низам эпидот-амфиболитовой фаций метаморфизма: Малоседельниковское месторождения Т=490-520° С, Р = 2.5-3.5 кбар; Кургановское месторождение Т=450-470°С, Р=1.7-2.5 кбара. В процессе формирования родонитовых пород значение фугитивности кислорода не превышало 10"а, при существенно

водном составе флюида (Хсог =0.08-1.4, Хсо^ =0.03-0.07 для

Мапоседельниковского и Кургановского месторождения соответственно и низкой фугитивности кислорода (^10"8)

2. Формирование породообразующих минералов родонитовых пород происходило при прогрессивном метаморфизме в условиях системы, внешними факторами равновесия которой являлись температура, давление и химические потенциалы НгО, СОг

и Ог при Р0бщ.=Рфл.= 1\0 + РСо2 + Р0г. Специфика и разнообразие

минеральных парагенезисов родонитовых пород обусловлено прежде всего вариациями в исходном осадке главных компонентов -марганца, кремнезема, алюминия и кальция.

3. Образование марганцевых аналогов минералов группы гумита (аплеганита и сонолита) указывает на существенно водный состав флюида. С повышением температуры (понижением химического потенциала воды) минералы сменяют друг друга в последовательности: аллеганит - сонолит - тефроит.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Отдельные положения работы докладывались на Международном Симпозиуме "Минералогический Музей - 210" (Санкт-Петербург, 1995), а также на

"Уральских летних минералогических школах" (1996, 1997). По теме диссертации опубликовано 6 работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем диссертации страниц

машинописного текста, в том числе26 таблиц, У.<Г иллюстраций и список литературы, включающий ¿¿/^наименований.

Выполнение данной работы было бы невозможно без всесторонней поддержки со стороны научного руководителя проф. В.Г.Кривовичева. Автор благодарит канд.г.-м.наук А.И.Брусницына (СПбГУ) за помощь в проведении полевых исследований и в обсуждении их результатов, м.н.с. П.Я.Азимова (ИГГД РАН) за помощь в изыскании и освоении программ термодинамических расчетов, канд.г.-м. наук Ю.Л.Крецера и докт.г.-м.наук Н.С.Рудашевского (А/О Механобр-Аналит) за выполнение микрозондовых анализов, м.н.с. С.В.Ушакова (Радиевый Институт) за помощь в оформлении рукописи. Автор глубоко признателен всем сотрудникам кафедры минералогии (СПбГУ) за атмосферу доброжелательности и взаимного уважения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект 09-13397), фонда "Соросовские аспиранты" (стипендия ЮБЕР, 1996 г), фонда Мэрии Санкт-Петербурга ("Грант молодых ученых", кандидатский проекг.1996), гранта "Уральская минералогическая школа" (ФЦП "Интеграция", 1998)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАМОРФИЗОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ МАРГАНЦЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. В первой главе приводится обзор геологии и классификаций мировых месторождений марганца. Согласно классификации С.Роя (1986) среднеуральские месторождения родонита относятся к кремнисто-сланцевой формации зеленокаменно-кремнистой группы вулканогенно-осадочного типа.

По особенностям минерального состава

метаморфизованных марганцевых месторождений выделяются три типа первичного непреобразованного марганцевого осадка: оксидный, оксидно-силикатный и карбонатно-силикатный. Их метаморфизм приводит к формированию различных типов минеральных парагенезисов.

ГЛАВА 2. МЕТАМОРФИЗОВАННЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАРГАНЦЕВЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ СРЕДНЕГО УРАЛА. Марганцеворудные месторождения Среднего Урала расположены в пределах Восточно-Уральского поднятия и приурочены к сланцевому обрамлению северной части Сысертско-Ильменогорского гнейсово-мигматитового комплекса (Серков, 1990).

Для всех родонита в ых месторождений характерно сходное геологическое строение (Кожевников, 1960; Серков, 1989, 1990). Вмещающие породы представлены переслаивающимися биотит (хлорит)- и углеродисто-кварцевыми сланцами с прослоями кварцитов. Возраст этих пород датируется нижним силуром-девоном (Кейльман, 1974). Основными минералами вмещающих пород являются кварц, слюды (ряда флогопит-биотит), хлориты (рипидолит), фанат (альмандин-спессартинового ряда) и эпидот.

Рудные родонитовые тела залегают согласно с вмещающими породами и образуют в них как отдельные линзы, так и кулисообразные залежи. Размер таких тел прослеживается по простиранию на расстоянии от 2 до 20 м при мощности около 0.2-2 м В родонитовых породах отчетливо выделяются две основные группы минеральных ассоциаций: 1) ассоциации, обогащенные марганцем; 2) ассоциации, обогащенные кремнеземом.

Первая группа ассоциаций представлена тефроитовым, родохрозит-тефроитовым, родохрозит-тефроит-сонолитовым,

родохрозит-тефроит-аллеганитовым агрегатами. В качестве

второстепенных минералов в составе этой группы присутствуют галаксит и алабандин.

Вторая группа ассоциаций сложена родонитовым, кварц-родонитовым и спессартиновым агрегатами. В качестве второстепенных минералов здесь встречаются манганкуммингтонит, кальцит, кутнагорит, пирофанит. При этом манганкуммингтонит и пирофанит характерны для спессартиновых и родонит-спессартиновых агрегатов, а кальцит и кутнагорит присутствуют в составе родонитовых и родонит-кварцевых агрегатов. Отметим, что спессартин может присутствовать в составе всех перечисленных агрегатов.

Характер взаимоотношений между минералами указывает на образование их в прогрессивную стадию метаморфогенного минералообразования. Именно в эту стадию формировались главные минеральные ассоциации, слагающие основной объем породы. На регрессивной стадии метаморфизма происходили перекристаллизация и переотложение образованных ранее минералов.

Результаты микрозондового анализа показывают, что химический состав минералов родонитовых пород характеризуется низкими концентрациями элементов-примесей.

Особенности минерального состава марганцевых месторождений Среднего Урала ясно свидетельствуют о карбонатно-кремнистом тиле первичного минерального осадка с примесью глинистого материала. На это указывает широкое развитие в метаморфизованных породах марганцевых карбонатов, полное отсутствие оксидов марганца, присутствие тефроита в качестве породообразующего минерала, а также наличие глиноземистых минералов (спессартина и галаксита).

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РАВНОВЕСИЙ МЕТАМОРФИЗОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ МАРГАНЦЕВЫХ ПОРОД. Проведен анализ устойчивости основных минеральных

парагенезисов родонитовых пород в зависимости от химических потенциалов воды и углекислоты в минерапообразугощей среде, в рамках трех модельных систем:

1) Система МпО-БЮг-НгО-СОг;

2) Система МпО-АЬОз-ЭЮг-НгО-СОг;

3) Система СаО-МпО-ЭЮг-НгО-СОг.

Анализ минеральных равновесий в системе МпО-БЮг-НгО-СОг (рис. 1а) показал, что поля устойчивости минеральных ассоциаций прогрессивной стадии метаморфизма характеризуются сравнительно высокими значениями химического потенциала воды и низкими - СОг, тогда как область устойчивости поздних минеральных парагенезисов - более высокими значениями ¡1 . При этом минеральные ассоциации, обогащенные марганцем, образуются в областях с болеевысокими значениями Д#г0 и низкими значениями

Мсо2 ■ чем минеральные ассоциации, богатые кремнеземом.

При Робщ=Рфл устойчивость минеральных равновесий в системе МпО-БЮг-НгО-СОг определяется температурой, давлением и мольной долей СОг во флюиде (Хс0 ). При повышении

температуры минералы сменяют друг друга в последовательности : аллеганит—>сонолит—»тефроит.

Анализ системы МпО-АЬОз-ЭЮг-НгО-СОг показывает, что спессартин устойчив в широком интервале значений химических потенциалов СОг и НгО (Мя2о и Мсо,) и еГ0 появление и количество

определяется массой А1гОз в системе. При высоких значениях Дя2о спессартин разлагается на ассоциацию кварц+аллеганит+галаксит, а при высоком ¡1Со2 - замещается ассоциацией родохрозита, кварца и галаксита. Присутствие в ассоциации одного из двух основных

Рсо,

6)

1

С02

Род-родонит; Теф-тсфроит; Рдх-рсдохрозит; Сон-сонсшит; Ал-аллеганит; Кв-кварц. Рис.1. Диаграммы устойчивости минеральных парагенезисов в системе

МпО-БЮг-НгО-СОг в координатах дНаО-^ССЬ (а) и Т-ХСОг (б).

Т

>

глиноземсодержащих минералов (спессартина или галаксита) определяется прежде всего количеством кремнезема в первичном осадке.

Анализ устойчивости минеральных равновесий в системе СаО-МпО-ЭЮг-НгО-СОг показывает, что по мере увеличения химического потенциала углекислоты поле устойчивости кальцита последовательно сменяется полем устойчивости кутнагорита, а затем и родохрозита. Заметим также, что с ростом значения ßHi0

поля устойчивости этих карбонатов в ассоциации с марганцевыми аналогами гумитов увеличиваются с повышением химического потенциала углекислоты.

ГЛАВА 4. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ CAO-Mn0-S¡02-Al203-C02-H20-02 И

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ МАРГАНЦА. В настоящее время достаточно детально изучены лишь краевые части системы СаО-МпО-А^Оз-ЗЮг-НгО-СОг-Ог: МпО-БЮг-НгО-СОг (Peters, 1971.1973; Candía et al, 1975, Abrecht et al. 19S1); Mn0-Si02-H2O-CO2-O2 (Huebner, 1964; Peters et al, 1974; Robie et al, 1995); Mn0-Si02-02 (Muan, 1959; Abs-Wurmbach, 1980, 1983; Dasgupta, 1985); Mn0-C02-02 (Huebner, 1969); Ca0-Mn0-C02 (Goldsmith et al, 1957, Goldsmith, 1983; De Capitani, Peters, 1981; Capobianco, Navrotsky, 1987; Tareen, et al, 1992). Анализ экспериментальных данных позволил оценить граничные условия стабильности основных минералов родонитовых пород. С другой стороны на их основании проведена корректировка и согласование термодинамических констант марганцевых минералов.

В основу согласованной базы термодинамических констант минералов (силикатов, карбонатов и оксццов) и компонентов флюидной фазы положены данные Т.Холланда и Р.Пауэла (Holland, Powell, 1997) и Д.Керрика и Г.Якобса (Kerrick, Jacobs, 1981).

ГЛАВА 5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РОДОНИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАЛА. Основными параметрами формирования родонитовых пород являются температура, давление, а также фугитивности кислорода, углекислоты и воды в минералообразующей среде.

Оценка РТ-условий формирования метаморфизованных силикатных марганцевых месторождений Среднего Урала

(Малоседельниковского и Кургановского) проводилось при помощи хлорит-биотит-мусковитового геотермобарометра (Астафьев,1996) и гранат-биотитового геотермометра (Никитина, Иванов, 1992). Температура образования вмещающих пород Малоседельниковского месторождения составляет 490-520°С, давление около 2.5-3.5 кбар., Кургановского месторождения - 450-470° С, 1.7-2.5 кбара. Эти параметры соответствуют верхам зеленосланцевой - низам эпидот-амфиболитовой фаций метаморфизма.

Для оценки режима поведения углекислоты при формировании родонитовых пород Среднего Урала рассмотрены две модели: (1) замкнутой системы, когда источником НгО и СОг являются метаморфизованные осадки, и (2) открытой системы, в которой химические потенциалы НгО и СОг являются внешними факторами равновесия (рис.2).

В случае открытой системы, с повышением температуры родохрозит и/или кварц полностью исчезают в т.2 с образованием (в зависимости от соотношения родохрозита и кварца в исходной породе) родонита, родонита+родохрозита или родонита+кварца, которые устойчивы при высоких температурах. В случае же закрытой системы в т.2 образуется ассоциация родонита, родохрозита и кварца, а при повышении температуры возрастает Хсо^ и тройная

ассоциация "буферирует" Т и Хсо^ (при РфЛ = const). С повышением

температуры мольная доля углекислоты изменяется вдоль кривой равновесия до тех пор, пока в ходе реакции не будет полностью

израсходован родохрозит и/или кварц. Такое "буферирование" возможно лишь при достаточно высокой скорости реакции, поскольку изменение температуры должно сопровождаться одновременным изменением состава флюида,

флюид/порода = 2.355

30 об. °/Ь родонита

Хсо2

Рис.2. Модель формирования родонитсиых пород для случаев открытой (а) и закрытой (б) систем.

Проведенные в работе расчеты также показывают, что формирование ощутимых количеств родонита, а также других ведущих минералов родонитовых месторождений, происходит только в условиях системы, открытой в отношении воды и углекислоты.

Расчеты показывают, что при формировании Малоседельниковского месторождения значения Хсо варьировали

от 0.08 до 0.14, а Кургановского месторождения - 0.03 до 0.07.

Режим кислорода при формировании силикатно-марганцевых месторождений Среднего Урала оценивался по

диаграмме Т - 1д/Ьг, на которой метко выделяются поля, соответствующие различным типам марганцевых месторождений {оксидный, оксидно-силикатный и карбонатно-силикатный типы), а также область, отвечающая исходному непреобразованному карбонатно-кремнистому осадку. Область, соответствующая родонитовым месторождениям Среднего Урала, отвечает полю, карбонатно-силикатных пород, которое ограничено значениями фугитивности кислорода не превышающими 10"8.

Результаты количественной оценки основных физико-химических параметров минералообразующей среды и согласованная база термодинамических констант минералов и компонентов флюидной фазы легли в основу термодинамического моделирования на ЭВМ процесров преобразования карбонатно-кремнисто - глинистых осадков в ходе прогрессивного регионального метаморфизма. Сопоставление текстурно-структурных особенностей родонитовых пород с результатами термодинамических расчетов указывает на то, что пестрота и разнообразие минеральных парагенезисов рассматриваемых образований обусловлены в основном неоднородностью минерального (и химического) состава исходного субстрата. Это наглядно иллюстрируется зависимостью минеральных парагенезисов родонитовых пород в системе МпО-ЭЮг-НгО-СОг от соотношения в исходном осадке двух главных компонентов (МпО и ЭЮг) (рис. 3). Так., при соотношении МпО/ЭЮг ¿2 устойчивы три биминеральных парагенезиса: родохрозит+кварц; родонит+родохрозит и тефроит+родохрозит, причем последний парагенезис устойчив при относительно низких температурах. При соотношении МпО/ЭЮг в исходном осадке между тефроитом и родонитом (2 £ МпО/ЭЮг > 1) образуются четыре устойчивых парагенезиса: тефроит+кварц; тефроит+родохрозит; родохрозит+кварц и родонит+родохрозит (рис.Зб). При соотношении МпО/ЗЮг<1 при повышенных температурах устойчив парагенезис родонит + родохрозит, а

т,°с

500

400

Рдх Теф Род Кв

а 6 в

Рис.3. Зависимость минеральных парагенезисов в системе МпО^Ог-ШО-СОг от соотношения МпО/51С)2 в исходном осадке.

парагенезис тефроит + кварца устойчив при относительно невысокой температуре и низких значениях Хсо2 (рис.Зв).

Подобная зависимость минеральных парагенезисов от соотношений МпО/ЭЮг в первичном неметаморфизованном осадке наблюдается и для минеральных ассоциаций с участием марганцевых аналогов группы гумита. Для этого случая выведено пять вариантов диаграммы, каждая из которых отвечает определенным соотношениям МпО/ЭЮг в исходном осадке.

Анализ минеральных равновесий в системе МпО-А^Оз-вЮг-Н2О-СО2 показал, что спессартин, формирующийся в результате реакции каолинита с родохрозитом и кварцем, устойчив в широком интервале температур, давлений и Хсо во флюиде. Спессартин

может находиться в парагенезисе со всеми первичными минералами родонитовых пород, а его появление обусловлено наличием глинозема и соотношением МпО:5Юг:А1гОз в исходном осадке.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ:

1.Брусницын А.И., Перова E.H., Чуканов К.В. Манганокуммингтонит из родонитовых пород Среднего Урала//ЗВМ0, 1996, № 3, с.73-83;

2.Брусницын А.И., Серков А.Н., Перова E.H. Аллеганит из Бородулинского месторождения Среднего Урала//ЗВМ0, 1996, № 2, с.96-102;

3.Брусницын А.И., Перова E.H. Мангано-куммингтонит типоморфный минерал из родонитовых пород Среднего Урала//В сб.: "Минералогический музей - 210." СПб.: Изд-во СПбГУ, 1995, с.20-21;

4.Брусницын А.И., Перова E.H., Семкова Т.А, Калинина О.Г. К минералогии марганцевого месторождения Кызыл-Таш//Сб. "Минералогия древних и современных океанов - 96, Миасс, 1996, с.115-120;

5-Перова E.H., Брусницын А.И. "Карбонаты из родонитовых пород Среднего и Южного Урала // В сб.: "Уральская минералогическая школа - 96.", Екатеринбург, 1996, с.75-79; 6. Перова E.H. РТ-условия формирования метаморфизованных силикатных марганцевых пород Среднего Урала// В сб.: "Уральская минералогическая школа - 97.", Екатеринбург, 1997, с.49-52.