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

Минеральный состав и типы руд.

Основные рудообразующие минералы - пирит, халькопирит, сфалерит и блеклая руда; второстепенные - галенит, борнит, гематит. Нерудные минералы - кварц, серицит, хлориты, барит, карбонаты. Среди карбонатов установлены кальцит, кальцит с примесью Mn (MnО = 1.26-3.7%), доломит и сидерит (Амплиева, 2007).

Пирит - основной рудообразующий минерал медно-колчеданных и медно-цинковых сплошных и серно-колчеданных вкрапленных руд. В сплошных рудах он составляет основную массу, вкрапленные руды в большинстве случаев сложены одним пиритом, только в гнездово-вкрапленных или прожилково-вкрапленных наряду с пиритом в небольших количествах присутствуют другие сульфиды. Его выделения морфологически многообразны: зерна, кристаллы разного размера с четкими гранями, изометричные неправильной формы выделения, колломорфные образования и фрамбоиды. Размер выделений пирита колеблется от 3-4 мкм до 2-3 мм. Выделено три генерации пирита.

Пирит I чаще всего встречается в медноколчеданных и медно-цинковых рудах, реже - в серноколчеданных. Он представлен фрамбоидами, сферолитами концентрически-зонального строения и колломорфными агрегатами. Пирит II наблюдается во всех типах руд и слагает их основную массу; в основном образует тонко- и мелкозернистые агрегаты, среди них отмечаются среднезернистые участки. Преобладает пирит II с размером зерен 5-30 мкм (рис. 2а). Крупные (до 200 мкм) зерна пирита II, сохранившие отдельные грани кристаллов, встречаются редко (рис. 2б). Зерна и агрегаты пирита II содержат включения нерудных минералов, трещиноваты, часто крупные кристаллы по периферии раздробленны до мелкозернистого агрегата. Большая часть сульфидов развивается в межзерновом пространстве пирита II, указывая на то, что он более ранний минерал. Пирит III встречается преимущественно в медных и медно-цинковых рудах в виде идиоморфных кристаллов размером от 10 до 40 мкм (рис. 2а). Мелкие кристаллы (5-20 мкм) образуют цепочки, пересекающие сульфидные агрегаты, равномерную сыпь в сплошных рудах, отдельные крупные кристаллы развиваются в зернах сфалерита и борнита. Эти выделения обладают признаками метакристаллов, указывающими на то, что пирит III отлагался позже.

Методом нейтронно-активационного анализа в пирите II (11 проб) выявлены 2-9.6 г/т Au и 100-400 г/т Ag. В пирите с максимальными содержаниями благородных металлов обнаружено повышенное содержание As - 1.2 мас.%. Из других элементов-примесей в пирите обнаружены: Sb (0.05-0.3 мас.%), Co (0.01-0.03 мас.%), в восьми пробах Zn (0.7-1.7 мас.%), в единичных анализах Se, Hg, Te, Cd, но содержания этих элементов не значительные.

Халькопирит является основным медьсодержащим минералом в рудах. Халькопирит встречается в виде ксеноморфных зерен в срастании с рудообразующими сульфидами, в виде эмульсиевидной вкрапленности в сфалерите, а также образует поздние гнездообразные скопления, реже прожилки в густо-вкрапленной и массивной сфалерит-халькопирит-пиритовой руде.

Халькопирит I встречается со сфалеритом и блеклой рудой в виде ксеноморфнозернистых скоплений, приуроченных к межзерновым пространствам пирита II, и заполняет в нем трещины. Размер выделений раннего халькопирита колеблется от первых микрон до первых сотен микрон. Ранний халькопирит содержит включения реликтовых зерен пирита II, отдельные крупные и мелкие метакристаллы пирита III (рис. 2а). Со сфалеритом халькопирит I образует ксеноморфнозернистые агрегаты, ранний халькопирит местами встречается в виде ксеноморфных включений в зернах сфалерита. Халькопирит I вместе со сфалеритом, блеклой рудой и/или галенитом образуют минеральную ассоциацию, которая замещает агрегаты пирита II. Эта минеральная ассоциация является следующей по времени отложения после пирита II. Халькопирит II представлен эмульсиевидными включениями в сфалерите. Они разнообразны по формам и типам распределения. Включения округлые, линзовидные, каплевидные. Распределение включений халькопирита чаще всего носит закономерный характер - они образуют полосы параллельные зонам роста сфалерита, подчеркивая внутреннее строение его кристаллов. Зональное распределение включений халькопирита прослеживается и в сдвойникованных зернах сфалерита, причем зоны, насыщенные халькопиритовыми включениями, пересекают двойники (рис. 2в). В зональных структурах обнаружены самостоятельные, более крупные, выделения халькопирита, образовавшиеся, вероятно, в результате срастания эмульсиевидных включений.

Долгие годы считалось, что эммульсиевидные включения халькопирита в сфалерите образовались при распаде твердого раствора при его охлаждении (Бетехтин и др., 1958; Рамдор, 1962 и др.). Однако заметная смесимость между сфалеритом и халькопиритом выявляется лишь при температурах более 400^oC, превышающих температуры гидротермального процесса. Поэтому были предложены иные механизмы образования подобных срастаний (Barton, Bethke, 1987; Bortnikov et al., 1992). Н.С. Бортников с соавторами (1992) отмечали, что рассматриваемые структуры могли возникнуть двумя способами: 1) в результате совместной кристаллизации сфалерита и халькопирита, причиной возникновения этих структур могло быть попеременное перенасыщение раствора относительно сфалерита и халькопирита; 2) при замещении сфалерита медьсодержащими растворами, проникающими по зонам роста. Экспериментально показано, что халькопиритовые включения в сфалерите могут образовываться в результате твердофазовой реакции при диффузии (Bente, Doering, 1993).

Халькопирит II также обнаружен и в виде ксеноморфных скоплений, аналогичных халькопириту I, но образовавшихся одновременно с эмульсиевидными включениями. Халькопирит III образует гнездообразные скопления (до 1-1.5 см) и прожилки, по мощности достигающие 4-5 см и встречающиеся в различных типах руд.

Сфалерит является основным цинксодержащим минералом руд. Сфалерит встречается в срастании с рудообразующими сульфидами в виде самостоятельных ксеноморфных зерен и их скоплений, и поздних прожилков.

Сфалерит I наиболее часто ассоциирует с халькопиритом I и II, блеклой рудой и галенитом в виде аллотриоморфнозернистых скоплений, приуроченных к межзерновым пространствам пирита II. Он обнаружен в составе таких полисульфидных образований в виде различных по размерам (10-250 мкм) ксеноморфных зерен и их агрегатов. Характерная особенность сфалерита I - развитие в нем эмульсиевидных включений халькопирита II, размером редко превышающих 1 мкм (рис. 2в).

Рентгеноспектральный микроанализ зерен сфалерита по профилям, проходящим через <чистые> и <зараженные> халькопиритом участки сфалерита I, а также в зернах без эмульсиевидных включений халькопирита показал, что содержания в нем Fe 0.04-2.1 мас.% (90 % всех анализов находится в интервале до 1 мас.%). Содержания меди и кадмия незначительные: до 1 мас.% и 0.5 мас.% соответственно. Примеси Mn и In не обнаружены. Состав сфалерита I зонального строения незначительно изменяется: содержание железа в зонах без включений (0.13-0.67 мас.%) и в зонах, насыщенных включениями халькопирита (0.14-1.74 мас.%). Сфалерит II из поздних прожилков и гнездообразных скоплений также содержит мало Fe (0.16-0.57 мас.%). Таким образом, содержание Fe в сфалерите I с эмульсиевидными включениями халькопирита низкое (0.04-1.74 мас.%), не установлено признаков переотложения ZnS (в отдельных зернах выявлено колломорфное строение центральных зон), в рудах месторождения распределение эмульсиевидных включений халькопирита подчинено зонам роста сфалерита I, в сдвойникованных зернах зоны, насыщенные халькопиритовыми включениями, пересекают двойники. Следовательно, наиболее вероятным способом возникновения халькопиритовых включений является замещение сфалерита медьсодержащими растворами, проникающими по зонам роста, путем диффузии. Поскольку не происходило переотложения сфалерита и выноса железа, для образования халькопирита требовался привнос не только Cu, но и Fe.

Поздний сфалерит II образует секущие субвертикальные или наклонные прожилки и гнездообразные скопления в медно-цинковой руде. Мощность прожилков колеблется от первых сотен микрон до 1-2 см. Размер скоплений позднего сфалерита достигает 2-5 мм. В позднем сфалерите II не обнаружено эмульсиевидной вкрапленности халькопирита, для него характерно в меньшее количество включений прочих сульфидов.

Блеклая руда относится к основным рудным минералам. Она присутствует постоянно, но среднее содержание блеклой руды в рудных телах 1 и 2 составляет около ~ 1-3%. Выделения блеклой руды ксеноморфны, встречаются тончайшие мономинеральные прожилки, изометричные мелкие или ксеноморфные крупные трещиноватые включения в сульфидах, взаимопрорастания с халькопиритом, сфалеритом и другими минералами, размеры зерен колеблются от 10 до 300 мкм. Чаще всего блеклая руда вместе с халькопиритом I и II, сфалеритом I и галенитом развивается в межзерновых пространствах пирита II, образуя аллотриоморфнозернистые агрегаты. Она обнаружена в виде мелких ксеноморфных зерен. В крупных пиритовых агрегатах блеклая руда с халькопиритом, галенитом и в редких случаях самородным золотом развивается по тончайшим прожилкам (не более 10 мкм) (рис. 2г). Мономинеральные скопления блеклой руды чаще всего заполняют межзерновое пространство в агрегатах более раннего пирита. Иногда блеклая руда развивается по отдельным зонам роста в реликтовых кристаллах пирита II. В свою очередь крупные выделения блеклой руды содержат включения пирита II (20-60 мкм), часто выделения блеклой руды пересекаются цепочками метакристаллов позднего пирита. Наиболее крупные мономинеральные включения блеклой руды, вытянутые, округлые, с заливами и пережимами, с более тонкими ответвлениями, достигают 100-400 мкм. Большинство из них трещиноваты, содержат мелкие включения нерудных минералов, халькопирита, галенита и зерна пирита II (рис. 2а).

Рентгеноспектральный микроанализ зерен блеклой руды показал, что мышьяк существенно преобладает над сурьмой в этом минерале. В теннантите (при пересчете анализов на 29 атомов в формуле) содержание Сu изменяется от 8.8 до 10.7; двухвалентных металлов - от 1.8 до 2.0; As - от 2.3 до 3.8; Sb - от 0.3 до 1.9; S - от 12.2 до 13.7 атомов в формуле. Исследование блеклых руд на СЭМ показало, что отдельные зерна блеклых руд гомогенны по составу. Изменения содержаний As наблюдаются от зерна к зерну. Обнаружено лишь одно зерно блеклой руды с высоким содержанием Sb - от 14 до 20 мас.%. Тетраэдрит содержит больше Ag (от 1.5 до 1.7 мас.%), чем теннантит. В нем присутствует Bi (от 2.2 до 2.5 мас.%). Ag установлено во всех пробах, но содержания его незначительные (от 0.1 до 1.2 мас.%). Соотношение Fe и Zn в составе блеклой руды Талганского месторождения широко варьирует. Содержание Zn колеблется от 0.3 до 8.7 мас.%. Концентрация Fe меняется от 0.6 до 7.7 мас.%. Несмотря на столь значительные вариации содержаний Zn и Fe, по данным СЭМ, содержания и распределение Zn и Fe неизменны по площади одного зерна. По железистости (ƒ = Fe/(Fe+Zn)) блеклые руды месторождения делятся на три группы: 1-я группа - ƒ = 0.1-0.3; 2-я группа - 0.4-0.5; 3-я группа - 0.9-1. Зерна, принадлежащие к разным группам, не образуют срастаний. Элементы-примеси - Hg, Bi и Te - в мышьяковистых блеклых рудах Талганского месторождения не обнаружены.

Галенит встречается повсеместно, но в небольших количествах. Повышенные содержания его характерны для вкраплен ных руд рудного тела 2. Он обнаружен в виде ксеноморфных зерен, редких гнездообразных скоплений и тончайших прожилков в пирите. Ксеноморфные зерна галенита находятся среди мелкозернистых скоплений сульфидов, приуроченных к межзерновым пространствам пирита II. Галенит с ранним халькопиритом замещают и корродируют пирит II, выполняют тонкие извилистые трещины в агрегатах этого минерала. Со сфалеритом и борнитом галенит образует тонкие взаимные срастания или агрегаты ксеноморфных зерен. В массивных сфалерит-халькопирит-пиритовых рудах обнаружены скопления галенита (2-3 мм), содержащие в виде включений ксеноморфные зерна халькопирита I и сфалерита I. В виде небольших (до 30 мкм) ксеноморфных включений галенит встречается в зернах сфалерита, блеклой руды, реже - борнита. Структурные соотношения галенита с халькопиритом, сфалеритом и блеклой рудой свидетельствуют о том, что отложение галенита началось позднее, но без временного перерыва в рудообразовании.

Борнит в рудах месторождения имеет незначительное развитие. Борнит-содержащие руды в ходе детальной разведки были обнаружены только на северо-восточных флангах рудных тел 1 и 2, автором такие руды отмечены еще и на южном фланге рудного тела 1. Встречается борнит в ассоциации с ранним халькопиритом, галенитом, сфалеритом I и пиритом I и II. Борнит приурочен к межзерновым промежуткам в пирите II, в виде ксеноморфных выделений цементирует пирит, образует узкие каймы по зонам роста колломорфного пирита I. В борните встречаются волнисто-изогнутые <пламеневидные> включения халькопирита. Галенит и борнит образуют взаимные ветвистые прорастания.

Исследование борнита на СЭМ не выявило какой-либо неоднородности или зональности в составе отдельных зерен борнита. Обнаружены две разновидности борнита, различающиеся по соотношению Cu и Fe, а также по соотношению суммы катионов и S. Борнит-1 характеризуется значительным дефицитом Cu и избытком Fe, по сравнению с теоретической стехиометрической формулой (Cu₅FeS₄), иногда содержит примесь Ag. Формулы, рассчитанные для борнита-2, близки к стехиометрическим. Все полученные данные попадают в область состава борнита по литературным данным (Воган, Крейг, 1981; Геохимия , 1982). Борнит-1 - развивается по зонам роста в агрегатах колломорфного пирита I; борнит-2 - образует срастания со сфалеритом I, блеклой рудой, галенитом, которые развиваются в межзерновых пространствах пирита II.

Самородное золото встречается редко, размеры его зерен - от 5 до 25 мкм, обнаружено одно крупное выделение до 100 мкм. Микрообособления самородного золота обнаружены в халькопирит-блеклорудных иногда с галенитом прожилках в агрегатах пирита II в сфалерит-халькопирит-пиритовой руде, в халькопиритовых агрегатах в густовкрапленных существенно пиритовых рудах, в сфалерите I в массивной халькопирит-пирит-сфалеритовой руде и в мелкозернистом агрегате пирита II в серно-колчеданной руде (рис. 2г). Большинство обнаруженных золотин приурочено к включениям нерудных минералов.

Изучение с помощью СЭМ шести зерен показало, что содержание Au колеблется от 61.3 до 99.1 мас.%, содержание Ag - от 17.6 до 29.1 мас.%. Пробность самородного золота месторождения (680-800) соответствует значениям, характерным для слабо преобразованных колчеданных залежей Урала (Викентьев, 2004).

Карбонаты - главные нерудные минералы. Они постоянно встречаются в рудах, вмещающих метасоматитах и слабоизмененных породах кислой толщи, в поздних прожилках внутри даек основного состава. Они слагают прожилки, гнезда, миндалины. Встречены прозрачные кристаллы кальцита длиной 4-5 мм. В сплошных рудах часто встречается тонкое срастание карбонатов и сульфидов.

Диагностика карбонатов проведена методом атомно-адсорбционного химического анализа и рентгенофазового анализа, изучено 46 мономинеральных фракций различных по окраске, морфологическим признакам. В результате выявлены кальцит (CaCO₃), кальцит с примесью Mn (1.3-3.7%), доломит (CaMg(CO₃)₂) и сидерит (FeCO₃). Кальцит и его разновидность с примесью Mn кристаллизовались на протяжении формирования рудной залежи. Кальцит входит в состав полисульфидных минеральных ассоциаций, обнаружен в барит-пиритовых, кварц-пиритовых прожилках в подрудной толще, образует мономинеральные или вместе с флюоритом прожилки в диабазовом силле и диоритовой дайке. Кальцит слагает карбонатную толщу, перекрывающая рудную залежь. Доломит и сидерит менее распространены и встречаются только в восточной части месторождения.

Как для сплошных, так и для вкрапленных руд выделяются (по убыванию): существенно пиритовые (серные) руды, халькопирит-сфалерит-пиритовые (медно-цинковые) руды, халькопирит-пиритовые (медные) руды. В отдельный тип выделены сфалерит-пиритовые или существенно сфалеритовые (цинковые) руды. Существенно пиритовые руды слагают практически все мелкие рудные линзы (6-24), а также встречаются на разных уровнях в самых крупных рудных телах (1-5). Халькопирит-сфалерит-пиритовые массивные руды слагают самое крупное рудное тело 1, центральные части рудных тел 2 и 3, встречены в рудных линзах 4 и 5. Халькопирит-пиритовые руды обнаружены в кровле и подошве рудного тела 1, на флангах рудного тела 2, а также в рудных телах 4 и 5. Сфалерит-пиритовые руды выявлены на южном фланге рудного тела 1. Содержания полезных компонентов в целом для всей залежи следующие: Cu - от 0.02 до 18.2%, Zn - от 0.02 до 31.3%, S - 35 до 49%, Au - от 0.1 до 14.3 г/т, Ag - от 0.2 до 568.7 г/т.

В серии проб руд с содержанием Au более 4 г/т и Ag более 50 г/т (по данным нейтронно-активационного анализа) химико-аналитическими методами определены: Pd (30-60 мг/т), Rh (2-5 мг/т), содержания Pt и Ir ниже порога чувствительности анализа, т.е. < 1 мг/т. Установлено, что одновременно с повышением содержания Au в руде повышается содержание Pd. Богатые цинковые руды более обогащены Rh, а для существенно медных руд характерны повешенные содержания Pd. В целом подобные содержания ЭПГ характерны для колчеданных месторождений Южного Урала (Викентьев, 2004).