Формирование магматических месторождений на примере титаномагнетитовых руд

2.4. Формирование магматических месторождений на примере титаномагнетитовых руд

Принцип устойчивости-энергоподвижности проявляется в виде диффузионного контроля последовательности кристаллиза­ции титаноносных расслоенных базитовых массивов. В геологиче­ской литерату­ре диффузии компонентов в расплавах придается большое значение. А. Н. Заварицкий и В. С. Соболев (1961) отме­чали, что наиболее благо­приятные температуры для быстрой кри­сталлизации расплавов обус­ловлены большей или меньшей лег­костью перемещения частиц, нужных для постройки кристалла, т. е. диффузией компонентов. По мнению Р. Д. Киркпатрика (Kirkpatrick, 1974), скорость роста кристал­лов в расплаве может контролироваться двумя процессами: диффу­зией в расплаве или реакциями, происходящими на границе кристал­ла в расплаве. В. Н. Шарапов и др. (1976) констатируют, что диффу­зия компонен­тов является лимитирующей стадией растворения, плав­ления и роста фаз в силикатных расплавах.

Кроме диффузии на последовательность выделения минера­лов из расплавов влияют температура их кристаллизации-плавле­ния (Боуэн, 1934), парциальное давление кислорода (Osborne, 1966) и эвтектика (Заварицкий, 1961). Здесь рассмотрим подроб­нее только роль диффузионного контроля в последовательности кристаллизации расплавов.

Для этого следует обратить внимание на такую характерную особенность расслоенных базитовых массивов, как наличие в них идиоморфизма минералов в зависимости от валового состава по­род. В лейкократовых габброидах плагиоклаз обычно является ку­муля­тивным минералом с четкими идиоморфными кристаллами, интерстиции которых выполнены пироксенами, оливином, рудными окисными минералами. В меланократовых породах, близких по составу к ультраосновным, наоборот, количественно преобладаю­щие оливин и пироксены обычно бывают более идиоморфными по отношению к плаги­оклазу. Эти факты наблюдались мной в базито­вых титаноносных мас­сивах юга Сибири и известны в других ре­гионах (Уэйджер и др., 1970; Шарков, 1980; Магматические..., 1983).

Такие же закономерности, характерны для окисно-рудных ми­нералов – титаномагнетита и ильменита. В базитах с бедной вкра­пленностью этих минералов они обычно имеют интеркумулятив­ные ксеноморфные зерна, а в богатых ильменит-титаномагнетито­вых ру­дах им часто свойственны идиоморфные изометричные кри­сталли­ческие формы (Шабалин, 1984).

Следовательно, наблюдается последовательность кристал­лизации минералов в зависимости от состава расплава, а точнее, в зависимо­сти от преобладания в нем компонентов того или иного минерала. Первым выделяется минерал, который количественно преобладает в породе и состав которого наиболее близок к со­ставу расплава, где он кристаллизуется. Это подтверждается сде­ланным мною сравнением химических анализов первичного рас­плава и минералов на примере Чинейского расслоенного массива. Более ранние минералы – плагиоклаз и пироксены – наиболее близки по химическому составу к средневзвешенному составу ин­трузива, отличаясь от него на 22–20 %. Наиболее резкое отличие (на 33–78 %) характерно для титаномагнетита, кварца, калиевого полевого шпата, кристаллизую­щихся позднее всех минералов.

Аналогичное сравнение можно было бы привести для грани­тов, в которых плагиоклаз и калиевый полевой шпат, кристалли­зующиеся пер­выми из расплава в виде более идиоморфных зерен, заметно ближе по составу к граниту, чем позднее выделяющийся кварц.

Это хорошо видно также на примере эффузивов, когда в по­родах с относительно невысоким содержанием кремнезема – да­цитах – вкрапленники представлены только кристаллами плагио­клаза, хотя кварц имеется в базисной массе. В кислых лавах – кварцевых порфирах – вкра­пленники представлены в основном зернами кварца.

Наиболее убедительным подтверждением последовательно­сти крис­таллизации главной массы минералов является степень их простран­ственного сонахождения и соприкосновения друг с дру­гом в породе. Мной разработана методика количественной оценки срастания минера­лов и показана возможность ее использования в технологической минералогии для оценки обогатимости руд (Ша­балин, 1983) и в пет­рологии. В связи с этим предложено новое на­правление в геологических науках – стереометрическая петроло­гия (Шабалин, 1982). На основе этой методики показано, что в ти­таноносных габброидных массивах юга Сибири относительная ве­личина площади контакта интерку­мулятивных рудных минералов (титаномагнетита и ильменита) с темноцветными силикатными ми­нералами (пироксенами, оливином) гораздо выше, чем с кумуля­тивным плагиокпазом (рис. 67). Значит, их пространственное сона­хождение с первыми гораздо теснее, чем с плагиокпазом. Соот­ветствен­но ближе и время их образования. Величина относитель­ной площади контакта между титаномагнетитом и ильменитом ха­рактеризуется удивительным постоянством для разных титанонос­ных массивов и различных типов руд, что свидетельствует об од­новременности образования этих минералов.

Отмеченная смена последовательности кристаллизации од­них и тех же минералов в зависимости от состава расплава не мо­жет быть объяснена влиянием температуры кристаллизации, так как, например, в расслоенных интрузивах смена кумулятивных ми­нералов на аналогичные интеркумулятивные происходит в сосед­них магмати­ческих слоях и многократно чередуется по разрезу, хотя темпера­тура расплава и состав минералов не дает таких скачков, изменяясь постепенно по мере затвердевания интрузива.

Рис. 67. Зависимость относительной величины площади контакта рудных минералов (титаномагнетит + ильменит) с тем или иным нерудным мине­ралом (Кмин/руд) от объемного содержания соответствующего нерудного минерала в титаномагнетитовых месторождениях юга Сибири (Ке – кер­сутит; Ап – апатит; Пл – плагиоклаз; Ол – оливин; МП – моноклинный пи­роксен; РП – ромбический пироксен; Ам – сине-зеленый амфибол; Би – биотит

Подтверждением влияния иных факторов, кроме темпера­туры, на последовательность кристаллизации минералов явля­ются известные термические диаграммы систем двух компонентов, застывающих с образованием эвтектики. Например, на эмпириче­ски составленной Н. Л. Боуэном диаграмме диопсид – анортит (рис. 68) видно, что в чистом виде расплав анортита кристаллизу­ется при температуре 1550 С, а соответствующий расплав чистого диопсида – при 1398 С. Смесь этих минералов понижает темпера­туру кристаллизации каждого минерала из этого расплава вплоть до самой низкой эвтектической точки – 1270 С, когда кристалли­зуются одновременно оба минерала. Причем эта точка смещена в сторону минерала с более низкой темпе­ратурой плавления, т. е. диопсида. Совершенно очевидно, что кристаллизации минералов из расплавной смеси препятствует скорость диффузии их состав­ных компонентов. Если в мономинераль­ных расплавах диффузия практически не играет никакой роли, так как для построения мине­рала во всех точках расплава имеются соответствующие компо­ненты в надле­жащем соотношении, то в расплав­ленной смеси требуется определенная интенсивность диффузии и вре­мя, чтобы компоненты для минералов разделились между собой. Сама эв­тектика является следствием определенного соотношения темпе­ра­туры и скорости диффузии, когда их совместное влияние приво­дит к одновременной кристаллизации двух минералов.

Рис. 68. Термическая диаграмма двухкомпонентной системы диоп­сид – анортит, кристаллизующейся с образованием эвтектики (по Н. Л. Боуэну, 1934)

Отсюда следует, что в процессе кристаллизации расплава проявляется принцип устойчивости-энергоподвижности, когда ско­рость выделения минерала зависит от энергии диффузионного пото­ка к нему вещества. Чем ближе состав минерала к валовому составу расплава, тем больше плотность этого потока и соответст­венно больше энергия его движения.

Здесь этот принцип проявляется в форме, подобной метасо­матическим процессам, но в обратной зависимости. При метасо­матозе в соответствии с механико-энергетическим принципом формирования метасоматической зональности чем больше энер­гия движения веще­ства в тыловых зонах, тем больше отличие об­разующихся минералов от состава вмещающих их пород. При кри­сталлизации расплавов большая энергия движения вещества вы­зывает кристаллизацию в первую очередь минералов, наиболее близких к составу окружающего их расплава. Это различие обу­словлено тем, что при метасоматозе происходит привнос-вынос вещества в пространстве по зонам, а в расплаве такое перерас­пределение веществ идет только между зернами пространственно сближенных минералов. Но в обоих случаях принцип устойчиво­сти-энергоподвижности регулирует последовательность и место выделения минералов.

Наряду с этим в расплавах имеются также четкие признаки последовательности кристаллизации минералов в зависимости от температуры их плавления. Это свойственно в первую очередь ак­цессорным минералам, обладающим очень высокой температурой пла­вления, например, хромиту, циркону и апатиту, име­ющим тем­пературу плавления 1850, 2500 и 1550 С соответственно и всегда образующим правильные идиоморфные кристаллы в интрузивах, хотя их состав весьма значительно отличается от состава первич­ного расплава. Эти минералы имеют обычно более мелкие кри­сталлы, чем главные породообразующие. Величина их также свя­зана с энергией диффузионного потока, так как чем меньше их размеры, тем меньше материала требуется для форми­рования каждого из них за счет сбора вещества из прилегающих к ним уча­стков. Поэтому для их образования достаточно минимального по энергии потока низкоконцентрированного вещества.

Действие СРПС проявляется в ликвации рудоносного рас­плава на силикатную и существенно окисно-рудную часть – бога­тые титаномагнетитовые руды. Как показано выше, СРПС создает в поверхностном слое жидкости разуплотненный слой, обладаю­щий свое­образными свойствами твердого тела, т. е. он сопротив­ляется разрыву при растяжении в продольном направлении с си­лой поверхностного натяжения и раздавливанию и опять же раз­рыву с силой расклинивающего давления Дерягина при действии поперечных сил сдавливания. Значит, как только в какой-либо жидкости образуются скопления молекул другой жидкости таких размеров, что вокруг них становится возможным образование по­верхностного разуплотнения слоя, этот слой, словно твердой пленкой, стягивает эти скопления, образуя ликвационные капли и уже не позволяя молекулам уйти из этих капель. Вероятность об­разования таких скоплений молекул всегда существует, особенно при достаточно большой их концентрации. По существу, формиро­вание ликвационных капель определяется именно возможностью образования подобной достаточно прочной пленки из поверхност­ных молекул самих капель. Чем больше поверхностное натяжение этой пленки, тем более прочно она удерживает внутри капель мо­лекулы отликвировавшей жидкости и тем больше вероятность об­разования этих микрокапель.

В процессе движения ликвационных капель в расплаве они соударяются друг с другом. Но здесь между ними возникает пре­пятствие в виде поверхностного слоя вмещающего их распла­ва. Поэтому капли, для того чтобы объединиться, должны раздавить поверхностный слой расплава, который обладает такими же свой­ст­вами, как и поверхностный слой капель: поверхностным натя­жением и расклинивающим давлением. Если расклинивающее давление поверхностной пленки расплава слабо, то капли при стол­кновении разрывают ее и соединяются, образуя более круп­ные капли, затем еще более крупные и т. д. Но если расклини­вающее дав­ление сильное, то пленка не разрывается, капли при столкновении отскакивают друг от друга и ликвации не происходит. Для создания крупных ликвационных обособлений руд в расплаве необхо­димо, во-первых, чтобы капли отликвировавшей жидкости обладали достаточно большим поверхностным натяжением, а во-вторых, чтобы поверхностная пленка вмещающей их жидкости имела минимальное расклинивающее давление.