Дифференциация Ta и Nb в процессе гранитоидного магматизма: экспериментальные исследования

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Многие принципиальные вопросы генезиса редкометальных месторождений, связанных с гранитоидным магматизмом, остаются недостаточно ясными. Экспериментальные исследования позволяют получать количественные данные о физико-химических условиях генезиса и эволюции магматических комплексов, об условиях образования рудоносных флюидов, распределении редких элементов и т.п. Поэтому актуальность данной работы определяется необходимостью экспериментального исследования физико-химических условий эволюции редкометальных гранитоидов для разработки количественных критериев прогноза их рудоносности.

Определение величины коэффициентов распределения микроэлементов между флюидными фазами и магматическим расплавом или между магматическим расплавом и минералами является актуальным для моделирования магматической и постмагматической эволюции гранитоидных массивов. Фундаментальные исследования распределения рудных компонентов во флюидно-магматических системах безусловно представляют интерес для геологии рудных месторождений. Вынос и перенос рудных элементов летучими компонентами при "отщеплении" последних от магматического очага и выделении в собственную флюидную фазу может рассматриваться в качестве одного из механизмов образования рудоносных флюидов и впоследствии - растворов.

Подавляющая часть мировых запасов ниобия и тантала приходится на магматогенные месторождения. Среди них танталовые месторождения, связанные с редкометальными литий-фтористыми гранитами, представляют большой интерес, так как руды этих месторождений обычно богаты танталом (Nb/Ta отношение меньше единицы), и сами месторождения локализованы в верхних частях небольших куполов редкометальных гранитов и поэтому удобны для разработки карьерным способом.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании растворимости тантало-ниобатов в гранитоидных расплавах в зависимости от Т-Р параметров и состава расплава, а также в изучении межфазового распределения рудных элементов во флюидно-магматической системе для моделирования условий образования танталовых месторождений.

Для реализации этой цели были определены задачи работы: (1) наплавление из гелевых смесей кислых алюмосиликатных расплавов с различной глинозёмистостью, насыщение их водным раствором, введение микродобавок и изучение растворимости колумбита в гранитоидном расплаве при Т = 650, 750, 850^oC и Р = 30, 100, 400 МПа; (2) введение в исходные расплавы микродобавок Nb и Ta и определение коэффициентов распределения Nb, Та, Mn и F между водным фтор-содержащим флюидом и гранитными расплавами различного состава при Т = 650, 750, 850^oC и Р = 100 МПа; (3) сопоставление полученных экспериментальных результатов с данными по природным объектам; оценка физико-химических условий на магматическом этапе образования танталовых месторождений, связанных с редкометальными литий-фтористыми гранитами.

Защищаемые положения

1. Экспериментально установлено, что растворимость колумбита в водонасыщенных гранитных расплавах максимально зависит от состава расплава и в меньшей степени от температуры и давления. Содержание Та и Nb в агпаитовом расплаве достигают 1.8 и 4.7 мас.%, в расплаве субнормального состава уменьшаются на порядок, а в плюмазитовом расплаве еще снижаются до 0.15 и 0.08 мас.%. Температурная зависимость наиболее четко выражена в расплаве субнормального состава, в котором с понижением температуры от 850 до 650^oC содержания Ta уменьшаются от 0.55 до 0.16, а содержания Nb от 0.76 до 0.06 мас.%.

2. Впервые экспериментально определено распределение Ta и Nb между водным фторсодержащим флюидом и гранитными расплавами при T = 650-850^oC и P = 100 МПа, которое резко смещено в пользу расплава (^fluid/meltD_Nb,Ta = 0.001-0.022). Коэффициенты распределения возрастают с уменьшением щелочности расплава и ростом температуры, причем для Nb они в 2-3 раза выше, чем для Ta, а у F меньше единицы (^fluid/meltD_F = 0.1-0.7).

3. На основе экспериментальных и геохимических данных оценены физико-химические параметры процесса эволюции редкометальных гранитных комплексов и условия образования связанных с ними танталовых месторождений в Восточном Забайкалье. Доказано, что с понижением температуры Та и Nb накапливаются в магматическом расплаве, практически не переходя во флюид, при этом концентрация насыщения гранитного субнормального расплава ниобием уменьшается в 4 раза сильнее, чем для Та. С этим связано заметное уменьшение Nb/Ta отношения в расплаве, что соответствует общей закономерности, наблюдаемой в последовательных дифференциатах редкометальной гранитной магмы.

Научная новизна работы. В работе представлены новые количественные данные по концентрациям насыщения танталом и ниобием модельных гранитоидных расплавов агпаитового, субнормального и плюмазитового состава, полученные в экспериментах по растворимости колумбита при температуре 650-850^oС и давлении 30-400 МПа. Изучено совместное влияние состава расплава, температуры и давления на содержание этих металлов. Впервые получены количественные экспериментальные данные по распределению Ta, Nb, Mn и F между водным фторидным флюидом и гранитными расплавами различного состава при температуре 650-850^oС и давлении 100 МПа.

>Практическая значимость работы состоит в возможности использования полученных экспериментальных данных для решения вопросов генезиса танталовых месторождений, связанных с гранитами. Результаты экспериментов однозначно показывают, что Nb и Ta на магматической стадии не могут переходить из расплава в отделяющийся водный флюид в количествах, достаточных для формирования гидротермальных месторождений. Они остаются в гранитном расплаве, из последних порций которого могут кристаллизоваться в виде акцессорной вкрапленности колумбита-танталита и других собственных минералов. Экспериментально полученное при понижении температуры значительное уменьшение Nb/Ta отношения (от 1.4 до 0.4) в субнормальном составе расплава позволяет объяснить эмпирическую закономерность уменьшения Nb/Ta отношения в последовательных дифференциатах гранитной магмы. Nb/Та отношение, наряду с Zr/Hf, может быть использовано в качестве индикатора степени дифференциации гранитов и их перспективности на танталовое оруденение.

Фактическая основа работы и методы исследования. Описываемые в данной работе результаты основаны на серии из 70 экспериментов, проведённых в 2005-2007 гг, из которых две трети - эксперименты по изучению растворимости колумбита в расплавах, остальные - по изучению распределения Nb и Та между расплавом и раствором. Основные эксперименты были проведены на установке УВГД-10000 ("газовая бомба") в ИЭМ РАН.

Твёрдые продукты опытов анализировали методом локального рентгеноспектрального микроанализа. Общий анализ выполнялся на сканирующем электронном микроскопе, оснащенном энергодисперсионным рентгеновским спектрометром, содержания Ta, Nb и Mn в алюмосиликатных стёклах определяли с помощью волновых спектрометров. Состав растворов определяли методами ICP-MS и ICP-AES.

Апробация работы. Результаты исследований, положенных в основу диссертации, докладывались в 2003 г. на конференции "Минералогия Урала-2003" (г. Миасс), в 2005 г. на молодёжной конференции "Строение литосферы и геодинамика" (г. Иркутск), в 2006 и 2007 гг. на "Хитариаде" (ЕСЭМПГ) в ГЕОХИ РАН (г. Москва), на молодёжных совещаниях памяти чл.-корр. К.О. Кратца в 2006 и 2009 гг. (г. Петрозаводск) и 2007 г. (г. Санкт-Петербург), в 2007 г. на международном совещания "Щелочной магматизм Земли и его рудоносность" (г. Донецк) и на Всероссийской научной конференции "Геология и минерагения Кольского региона" (г. Апатиты), в 2008 г. на 33-м Международном геологическом конгрессе (IGC-33, г. Осло, Норвегия), на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Ф.В. Чухрова в ИГЕМ РАН (г. Москва), а также на I международной конференции "Граниты и эволюция Земли: геодинамическая позиция, петрогенезис и рудоносность гранитоидных батолитов" (г. Улан-Удэ). Результаты представленных в диссертации исследований опубликованы в рецензируемых журналах "Геохимия" (Чевычелов и др., 2010) и "Доклады Академии Наук" (Бородулин и др., 2009); результаты сопоставления полученных экспериментальных данных с природными представлены в сборнике трудов ИЭМ РАН за 2003-2008 гг. "Экспериментальные исследования эндогенных процессов" (Зарайский и др., 2008б). Результаты изучения природной редкометальной минерализации приводятся в статьях в "Записках РМО" (Васильев и др., 2008) и в "Сыктывкарском минералогическом сборнике" (Удоратина и др., 2007).

Структура и объем работы: Диссертация изложена на 151 странице, состоит из 5 глав, включая введение и заключение, списка цитируемой литературы из 141 наименования и приложения; содержит 31 рисунок и 14 таблиц (2 из них в приложении).

Благодарности: Автор выражает благодарность своим научным руководителям: проф. дгмн Г.П. Зарайскому и кгмн В.Ю. Чевычелову; научным сотрудникам ИЭМ РАН: дгмн А.Р. Котельникову, кхн А.Ф. Редькину, дгмн О.Г. Сафонову, кхн В.С. Коржинской, М.В. Воронину, Н.В. Васильеву, А.А. Конышеву; техническому персоналу ИЭМ РАН: Л.Т. Дмитренко, М.В. Фокееву, Г.Н. Чернышевой; аналитикам: А.Н. Некрасову (ИЭМ РАН) и ктн А.А. Вирюс (ИЭМ РАН), ктн С.Е. Борисовскому (ИГЕМ РАН), кгмн И.А. Брызгалову (геол. ф-т МГУ), кхн В.К. Карандашеву (АСЦ ИПТМ РАН), ктн Г.Н. Нечелюстову (ВИМС); специалистам ПК ИЭМ РАН: Д.М. Султанову и Д.А. Варламову; аспирантам: Е.А. Зубкову (ИЭМ РАН) и Е.В. Сизовой (ETH Zurich).