Геологическое строение, минералого-геохимические особенности и условия образования Талганского колчеданного месторождения, Южный Урал

Общая характеристика работы.

Актуальность. Колчеданные месторождения для Южного Урала составляют основу меднорудной промышленности региона, а также являются источником попутных золота и серебра. Детальное изучение колчеданных объектов имеет большое значение для понимания условий образования и локализации этих месторождений. Модели формирования колчеданных месторождений базируются на концепции субмаринного гидротермально-осадочного рудообразования. Предполагается, что рудные залежи формируются в результате деятельности конвективной гидротермальной системы. Главный компонент системы - морская вода, которая в процессе движения нагревается, взаимодействует с вмещающими вулканическими породами и превращается в горячий раствор, обогащенный металлами, который поступает в толщу холодной морской воды, происходит смешение, падение температуры и отложение колчеданных руд на поверхности морского дна (Бородаевская и др., 1979; Смирнов, 1982; Старостин, Игнатов, 1997; Франклин и др., 1984; Solomon, Walshe, 1979; Ohmoto, Skinner, 1983; Lydon, 1988; Large, 1992). Подобные модели основывались на изучении древних колчеданных месторождений и современных <черных курильщиков>. Однако, осаждение сульфидов из гидротермальных растворов, поступающих непосредственно в толщу морской воды, не приводит к образованию крупных рудных залежей. Установлено, что 99% металлов, транспортируемых рудообразующим флюидом, рассеивается в толще воды (Rona, 1984). Исследование строения современных и древних колчеданных залежей выдвинуло на первый план предположение, что накопление сульфидов происходило за счет осаждения как на поверхности морского дна, так и ниже него. Это предположение повлекло за собой гипотезу формирования крупных залежей под экранирующей поверхностью, препятствующей рассеиванию металлов. В 60-70 гг. XX века модель образования колчеданных залежей в результате комбинирования гидротермально-осадочных процессов на поверхности морского дна и гидротермально-метасоматических ниже него, под экранирующей поверхностью, предлагалась для месторождений Рудного Алтая (Вулканогенные , 1978; Покровская и др., 1982; Старостин, 1979, 1984, 1988; Старостин и др., 1979; Чепрасов и др., 1972) и месторождений Куроко - Учинотаи и Ханаока (Аракелянц и др., 1973). В настоящее время существует несколько описаний крупных месторождений в современных и древних вулканических толщах, сформировавшихся под экраном малопроницаемых пород (Goodfellow, Franklin, 1993; Gamberi et al., 1999; Galley et al., 1993; Gibson, Kerr, 1993; Doyle, Huston, 1999; Hannington et al., 1999; Allen, 2001), разрабатывается подобная модель для колчеданных залежей Иберийского пиритового пояса (Barriga, Fyre, 1988; Barriga, Kerrich, 1994).

Дискуссионной остается проблема источника воды и металлов в гидротермальном флюиде. При исследовании изотопного состава серы сульфидов колчеданных руд, как правило, изучался только пирит. Флюидные включения в минералах пород и колчеданных руд исследовались довольно редко.

Также нерешенной остается проблема форм нахождения в рудах золота, серебра и элементов платиновой группы (ЭПГ), что приводит к существенным потерям при обогащении и переработке руд (более 50% Ag и около 70% Au). Если содержания Au и Ag определяются при разведке и отработке месторождений, то ЭПГ и их содержания в рудах практически не изучаются.

Таким образом, в условиях формирования, минералогии и геохимии колчеданных руд остаются спорные вопросы, разрешение которых иногда становится возможным при изучении нового объекта с привлечением комплекса современных методов исследования минерального вещества.

В качестве основного объекта исследований было выбрано слабометаморфизованное Талганское колчеданное месторождение, добыча руды на котором началась в 2005г.

Надо учесть, что месторождение изучалось в 1971-1979гг. в процессе разведочных работ и с тех пор детального изучения руд не проводилось. Отдельные аспекты (литология, минералогия железисто-кремнистых пород, флюидные включения в минералах околорудных пород) исследовались Н.Р. Аюповой (2005), В.С. Карпухиной и Э.Н. Барановым (1995) и В.В. Масленниковым (1999).

Цель и задачи исследования. Основная цель исследований следующая - построение генетической модели формирования Талганского месторождения. Решались следующие задачи: 1) изучение морфологии рудных тел и их структурных особенностей с учетом данных подземных горных выработок; 2) изучение последовательности минералообразования, взаимоотношений минеральных агрегатов, текстур и структур руд; 3) характеристика особенностей химического состава минералов и его изменений в пространстве и времени с особым вниманием к минералам переменного состава; 4) определение параметров рудообразующего раствора; 5) выяснение источника гидротермального флюида и механизма отложения руд.

Научная новизна. Впервые в подземных горных выработках месторождения проведены работы по уточнению морфологии рудных тел, их детальное минералогическое картирование и опробование. Изучен минеральный состав руд и текстурно-структурные особенности. Впервые минералы пород и руд были исследованы с привлечением не использовавшихся ранее методов: рентгеноспектральный микроанализ, нейтронно-активационный анализ, масс-спектрометрический анализ стабильных изотопов, сканирующий электронный микроскоп, атомно-адсорбционный химический анализ, рентгенофазовый анализ, химико-аналитические методы определения ЭПГ, термобарогеохимия. Изучались материалы собственных сборов. В результате изучен состав сульфидных минералов, карбонатов, соединений благородных металлов, выявлена последовательность выделения минералов. Установлен изотопный состав минералов. Выявлены возможные источники компонентов и механизмы их отложения. Выполнены термобарогеохимические исследования и получены новые данные по температурам гомогенизации флюидных включений для ранее не изученной в этом отношении восточной части месторождения. На основании этих исследований предложена генетическая модель образования месторождения.

Защищаемые положения.

1. Колчеданные залежи Талганского месторождения образовались в вулканогенной толще кислого состава контрастной базальт-риолитовой карамалыташской свиты в условиях вторичного тыловодужного спрединга. Месторождение приурочено к девонской палеовулканической впадине и контролируется системой сопряженных крутопадающих тектонических нарушений субмеридионального простирания. Центральная часть этой системы совпадает с зоной максимальных палеотемператур (250-375њС), воронкообразным метасоматическим ореолом и является флюидоподводящим каналом.

2. На основании изучения минерального состава, текстурно-структурных особенностей руд установлены признаки гидротермально-осадочного и гидротермально-метасоматического процессов. Не установлено значительных перерывов в минералообразовании, а также существенных метаморфических преобразований. Процесс рудоотложения был относительно коротким, гидротермальная система прекратила свое существование прежде, чем произошло формирование залежи с классической зональностью, характерной для колчеданных месторождений.

3. Установлен типоморфизм минералов: эмульсиевидные включения халькопирита в сфалерите I, наиболее вероятным способом возникновения которых является замещение сфалерита медьсодержащими растворами, путем диффузии, проникающими по зонам роста; крайне низкие содержания Fe и Cd в сфалерите I и II; четкое разделение по железистости на три группы всех исследованных теннантитов Талганского месторождения; присутствие серебра во всех пробах блеклой руды. Характерной особенностью руд месторождения по сравнению с другими месторождениями Верхнеуральского района является повышенная роль сфалерита, блеклой руды, галенита и присутствие выделений самородного золота в ассоциациях со всеми рудообразующими минералами.

4. Установлены признаки подповерхностного формирования залежи: горизонт экранирующих пород, фрагменты вмещающих пород внутри рудных тел, ореол метасоматически-измененных пород вокруг залежи и гидротермальные изменения в перекрывающих горизонтах, отсутствие заметной доли изотопно-тяжелой серы из морской воды в изотопном составе серы сульфидов из пород и руд, значительные отклонения δ¹⁸О карбонатов перекрывающей известняковой толщи от изотопного состава кислорода морских карбонатов и облегчение изотопного состава кислорода карбонатов в направлении от кровли к подошве надрудных известняков. Сера, углерод и кислород главным образом поступали в рудообразующую систему из магматического источника. Отложение колчеданных руд Талганского месторождения протекало при температурах 375-110^oС.

Практическая значимость работы. По сравнению с соседними рудными объектами Верхнеуральского района Талганское месторождение более обогащено рядом полезных элементов-примесей, включая золото (2-3 г/т) и серебро (100-150 г/т); данные, полученные в результате детального изучения руд и сульфидных минералов с помощью новейших методов, позволят приблизиться к решению проблемы форм нахождения этих элементов и могут быть использованы для разработки схем извлечения благородных металлов из руд. Предложенная в работе генетическая модель образования месторождения может быть использована для решения фундаментальной задачи выяснения условий формирования колчеданных месторождений, а также может быть использована при прогнозно-оценочных работах, проводимых на подобных месторождениях.

Исходные материалы и личный вклад автора. В основу диссертации положены материалы, полученные автором в результате полевых работ на Талганском колчеданном месторождении в полевые сезоны 1999-2004; 2006-2007гг. в составе отряда ИГЕМ РАН под руководством д.г.-м.н. И.В. Викентьева. Автором были сформулированы задачи, собран и обработан фактический и аналитический материал. Проведено детальное картирование подземных горных выработок, описание керна буровых скважин, проведен отбор образцов вмещающих пород и руд. Были проделаны картировочные работы на участке Узельгинского рудного поля, собран фаунистический материал для уточнения возраста пород, слагающих надрудную толщу. Проведено описание прозрачных и полированных шлифов под микроскопом с фиксированием соотношений минеральных агрегатов, различные аналитические исследования пород, руд и минералов.

Исследования с помощью рентгеноспектрального микроанализа были сделаны в лаборатории анализа рудного вещества ИГЕМ РАН, аналитик - Г.Н. Муравицкая, с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и в лаборатории кристаллохимии минералов ИГЕМ РАН, аналитик - А.В. Мохов. Содержание ЭПГ в рудах определялось в лаборатории геохимии ИГЕМ РАН, аналитик - И.Н. Никитина. Флюидные включения были исследованы В.С. Карпухиной в ГЕОХИ РАН. Исследование изотопного состава проводились в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН, аналитик - Л.П. Носик. Состав карбонатов изучен методом атомно-адсорбционного химического анализа в лаборатории анализа рудного вещества ИГЕМ РАН, аналитики - С.И. Вронская, Л.Ф. Карташова, Г.Е. Каленчук, а также методом рентгенофазового анализа в СПбГУ, аналитик - А.И. Брусницын. Содержания микропримесей в сульфидах и колчеданных рудах определялись методом нейтронно-активационного анализа в лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН, аналитик - А.Л. Керзин.

Апробация работы. Предварительные результаты исследований представлены на конференции РФФИ <Геология, геохимия, геофизика на рубеже XX и XXI веков> (Москва, 2002г.), на международной конференции <Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья с извлечением благородных металлов> (Екатеринбург, 2002г.), на V Республиканской Геологической конференции в Уфе (2003г.), на международной научно-технической конференции "Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья" (Екатеринбург. 2003г.), на международном симпозиуме <Минералогические музеи> (Санкт-Петербург, 2005г.), на IV Уральском металлогеническом совещании <Рудные месторождения: вопросы происхождения и эволюции> (Миасс, 2005г.), на научной конференции с участием иностранных ученых "Актуальные проблемы рудообразования и металлогении" (Новосибирск, 2006г.), на X, XII, XIII, XIV международных научных студенческих школах <Металлогения древних и современных океанов> (Миасс, 2004, 2006, 2007, 2008гг.). По теме диссертации опубликовано 16 работ.

Автор награжден дипломом и премией фонда им. академика В.И. Смирнова, дипломами участника конференций <Металлогения древних и современных океанов>.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований, содержит 130 страниц, 21 рисунок, 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность исследований, определяется цель, задачи и методы исследований, практическая значимость работы, а также сформулированы защищаемые положения. В первой главе приводится геологическое строение района, геолого-структурные особенности месторождения и описание морфологии рудных тел. Во второй главе приводится описание минерального состава руд, химического состава отдельных минералов и типов руд. В третьей главе описываются текстурно-структурные особенности руд. В четвертой главе изложены результаты изучения флюидных включений и соотношений стабильных изотопов (S, O, C). В пятой главе описана предложенная генетическая модель образования месторождения. В заключении подведены итоги и сделаны обобщения на основе полученных данных.

Благодарности

Автор выражает искреннюю и глубокую признательность научному руководителю - академику Н.С. Бортникову за руководство и всестороннюю помощь, оказанную на всем протяжении написания работы. Автор благодарен И.В. Викентьеву за помощь и критические замечания. Особая благодарность Е.Ю. Аникиной за ценные советы и консультации. Автор благодарит сотрудников ИГЕМ РАН Т.Л. Евстигнееву, Г.Н. Гамянина, О.О. Ставрову, Н.В. Раздолину и других коллег за помощь в исследованиях, замечания и поддержку. Автор благодарен В.И. Старостину и коллективу кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых МГУ за многолетнюю помощь и ценные рекомендации. Автор признателен А.В. Мохову, Г.Н. Муравицкой, И.Н. Никитиной, В.С. Карпухиной, А.Л. Керзину, Л.П. Носику, А.И. Брусницыну, С.И. Вронской, Л.Ф. Карташовой, Г.Е. Каленчук за проведение аналитических исследований. Автор благодарит геологов Поляковской ГРП, Узельгинского и Учалинского рудников за помощь при проведении полевых работ и предоставление фондовых материалов. Аналитические исследования и полевые работы были выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 01-05-64510-а, 04-05-65040-а, 07-05-00808-а).