Кафедра минералогии и литологии о. Н. Лопатин, А. Г. Николаев геологическое строение и минералогия пегматитов ильменских гор

КАЗАНЬ 2011

доктор геолого-минералогических наук, проф. А.И. Бахтин

кандидат геолого-минералогических наук КФУ В.Г. Изотов

Пособие предназначено для студентов геологических специальностей ВУЗов, школьников и всех, интересующихся минеральными богатствами Урала.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………4

1. 
   История изучения Ильменских гор………………………….5
   
2. 
   Физико-географический очерк………………………...…….8
   
3. 
   Стратиграфия…………………………………………………10
   

3.2. Вишневогорская толща (PR₁ vs)……………………………………...12

3.3. Ильменогорская толща (PR₁ ilm)………………………….………….12

3.4. Еланчиковская толща (PR₁ el)……………………………….………..14

3.5. Кыштымская толща (PR₁ kis)…………………………........................14

4. 
   Магматизм…………………………………………………….16
   

4.2. Нефелиновые сиениты………………………………………………...18

4.3. Ультрабазиты и габброиды………………………………………..….19

5. 
   Метаморфизм и метасоматоз………………………………...21
   
6. 
   Тектоника……………………………………………………...24
   
7. 
   Полезные ископаемые………………………………………..27
   
8. 
   История геологического развития…………………………...28
   
9. 
   Типы пегматитов Ильменских гор и их минералогия……...30
   

9.2. Полевошпатовые пегматиты…………………....…..……………..…..32

9.3. Миаскитовые пегматиты ………………………..………………….…33

9.4. Молодые гранитные пегматиты……………..………………………..34

9.5. Амазонитовые пегматиты……………………………..……................35

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………..…………………...36

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………...……...39

Пойдем ныне по своему Отечеству.

Станем искать металлов, золота, серебра и протчих.

Станем добираться отменных камней, марморов, аспидов и даже до

изумрудов, яхонтов и алмазов.

Дорога будет не скучна…

Ломоносов М.В. 1763 г.

Основной целью учебной практики является приобретение навыков геологической съемки масштаба 1:10000 в области развития сложно дифференцированных магматических и метаморфических пород, а также ознакомление с уникальным набором минералов и минеральных ассоциаций, локализованных в знаменитых пегматитовых жилах Ильменских гор.

Начинается практика с посещения местного Геологического музея Ильменского заповедника, в котором демонстрируется уникальное собрание минералов, горных пород, рудных и нерудных полезных ископаемых. Далее следует этап обзорных маршрутов, в которых студенты знакомятся с геологическим строением территории на объектах южной части заповедника. Основное время практики занято проведением самостоятельных маршрутов студенческими бригадами под руководством преподавателей и камеральными работами в вечернее время, на которых анализируются пройденные за день маршруты. Завершается практика защитой отчета, где студенты защищают главы геологического отчета, представляют коллекцию отобранных за время практики пород, а также построенные ими геологическую карту и карту фактического материала. В этот же, завершающий период практики студенты делаю свой выбор с тематикой их будущих курсовых работ.


1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ИЛЬМЕНСКИХ ГОР
Российская Академия наук серьезно заинтересовалась минеральными богатствами Ильменских гор в середине XVIII века. Два года добирался до Южного Урала молодой, но уже известный ученый, «доктор медицины, профессор натуральной истории, член Российской Академии наук, испытатель естества» Петр Паллас. В мае 1770 года он переехал главный уральский хребет – Урал-Тау и начал знакомство с недавно заложенными заводами, посещал каменоломни и казацкие крепости.

Через десять лет в Чебаркульской крепости, которую проезжал Паллас, нашелся любитель самоцветных камней, казак Прутов. Он ходил в охране разведочной партии, искавшей слюду для местных заводов. Недалеко от Чебаркульской дороги привалило казаку неожиданное счастье. Начал он копать яму и обнаружил в ней небольшой, но чистейший, прозрачный, нежно голубоватого оттенка, тяжелый кристалл. Это был драгоценный камень – топаз, или, как звали его тогда, «тяжеловес». Позже, в этой же яме, а на Урале эти ямы называются «копи», казак нашел аквамарин – драгоценную голубую разновидность минерала берилла. Это и были первые самоцветы, найденные в Ильменских горах. Вслед за Прутовым потянулись в ильменскую тайгу любители камней, старатели, авантюристы и, конечно, ученые. Все глубже становилась горная выработка, которую потомки до сих пор называют «Прутовская копь».

Попутно в Прутовской копи обнаружился амазонит – голубовато-зеленая разновидность минерала микроклина, который широко используется в качестве ювелирно-поделочного камня.

А вскоре недалеко, в долине реки Миасс, натолкнулись на богатейшие россыпи золота. Сразу усилился поток искателей счастья, «золотая лихорадка» на долгое время охватила весь Южный Урал. Миасс часто называют «городом в Золотой долине». Именно открытие россыпного золота в долине одноименной реки во многом определило судьбу этого города. Здесь, только в период с 1823 по 1837 годы было разведано более 200 месторождений. В 1824 году была открыта богатейшая россыпь на р. Ташкутарганке, где позднее был построен Царево-Александровский прииск. Только за один год в этом месте было найдено 52 самородка, в том числе в 1842 году мастеровым Н. Сюткиным – самый большой в России самородок весом 36,2 кг (так называемый «Большой треугольник», копия которого хранится в Геологическом музее им. А.А. Штукенберга КФУ»). Только в одной россыпи района «Миасский Пруд» трестом «Миассзолото» за период дражной отработки добыто более 4 тонн этого благородного металла, при этом на месторождении вплоть до 2004 г. работала одна 250 – метровая драга и две гидроустановки.

В поисках золота рыли в Ильменских горах новые копи и находили в них такие минералы, кристаллы которых ученые видели впервые. Нашли в Ильменах такие диковины, как двухкилограммовый кристалл темно зеленого аквамарина, трехкилограммовый циркон, темно красные, почти вишневые гранаты величиной с большой кулак, кристалл синего, сапфировидного корунда длиной около полуметра. Обычно все эти самоцветные минералы весят первые граммы и размер их кристаллов мизерный.

Самые маститые отечественные и зарубежные ученые проводили экспедиционные исследования Ильменских гор. Вот лишь некоторые фамилии: Гофман, Геймельсен, Розе, Мурчисон, Меглецкий, Мушкетов… Первое литературное описание южной части Ильменских гор было сделано немецким минералогом И. Менге в середине XIX века. Именно им была проведена первая научная типизация ильменских пегматитовых жил, несущих в себе драгоценную минерализацию. Позже большую работу по систематизации ильменских минеральных копей провел М.П. Мельников, который составил карту, где большинство известных копей было пронумеровано и задокументировано. Данная нумерация не изменилась до наших дней.

В дореволюционный период развития России наблюдалась хищническая добыча минеральных богатств Ильменских гор, и лишь в 1912 году Академия наук добилась частичного запрета на горные разработки. Эпохальный рубеж для южно-уральской, да и всей российской геологической науки – это 14 мая 1920 года. Именно в этот день, в весьма непростой постреволюционный период, В.И. Ульянов-Ленин подписал специальный Декрет об образовании в Ильменах Государственного минералогического заповедника. В течение конца XIX – начала XX веков в Ильменских горах впервые в мире были открыты многие минералы (ильменит, монацит, ильменорутил, эшинит, самарскит, канкринит и др.), а целый ряд обнаруженных здесь минералов оказался их первой находкой на Урале и в России.

Проведенные работы показали большую научную значимость Ильменских гор не только для минералогов, но и для других естествоиспытателей. Поэтому в 1935 году заповедник был преобразован в комплексный, охватывающий геологические, биологические, географические и прочие научные дисциплины. Среди многочисленных исследователей Ильменского заповедника были такие выдающиеся ученые как В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.Н. Заварицкий. Здесь, в 1911 году, под руководством академика В.И. Вернадского работала Радиевая экспедиция Академии наук. В горных выработках Блюмовской копи эта экспедиция добыла 15 килограммов самарскита - эндемичного радиоактивного минерала черного цвета, содержащего тантал, ниобий, уран, самарий и другие редкие химические элементы. Образцы этого минерала предназначались Марии Склодовской-Кюри – женщине-физику в Сорбонне, основоположнице учения о радиоактивных элементах. Именно пегматитовые жилы Ильменских гор послужили объектом и основой при разработке А.Н. Заварицким (1939) и А.Е. Ферсманом (1940) их общеизвестных гипотез пегматитообразования.

На базе Ильменского заповедника в мае 1980 года был создан мощный лабораторный корпус по комплексному изучению минералов и горных пород современными физико-химическими методами. На основе этого лабораторного модуля сегодня функционирует Институт минералогии (директор – член-корреспондент РАН В.Н. Анфилогов), структурно входящий в Уральское отделение Российской Академии наук. Здесь, на новом качественном уровне, современные ученые-геологи заповедника (Баженов А.Г., Варлаков А.С., Чесноков С.В., Попов В.А., Поляков В.О. и др.) продолжили изучение минеральных богатств Ильменских гор.

В орографическом отношении территория расположена на восточном склоне Южного Урала в области южного окончания субмеридиональной Ильменогорско-Сысертской цепи гор и представляет собой увалисто-холмистую равнину, располагающуюся у юго-восточного подножия горы Ильмен-Тау. Ильменские горы – крайняя восточная цепь гор Южного Урала. Господствующей высотой района является гора Ильмен-Тау с абсолютной отметкой 753 метра. Высоты увалисто-холмистой части района на 300 – 400 метров ниже и колеблются в пределах 350 – 440 метров.

В гидрографическом плане район характеризуется наличием реки Миасс в западной части и многочисленными озерами, располагающимися в пониженных участках рельефа между холмами, увалами и возвышенностями. На территории всего Ильменского заповедника (площадь 303,8 км²) насчитывается 30 озер, самое глубокое из которых – Большой Кисегач – 34 м. В пределах района практики наиболее крупными озерами являются Ильменское и Аргаяш. Питание озер осуществляется грунтовыми водами и небольшими ручьями, а также за счет снеготаяния и дождей. Наиболее крупные ручьи на территории района – Черемшанка и Липовка. Все заповедные речки пресноводны и содержат незначительное количество растворенных солей. Ручьи, протекающие через болота и торфяники (Черемшанка и пр.), имеют коричнево-ржавый цвет и болотный привкус.

Климат района умеренно-континентальный с жарким летом и холодной зимой. Среднегодовая температура воздуха равна + 1,9 ^оС. Средняя температура июня равна +19 ^оС, а в январе она составляет -15 ^оС. Годовое количество осадков составляет в среднем 454,4 мм. Снежный покров появляется с середины октября и стаивает к концу апреля. Его мощность 0,5 м.

85 % территории заповедника покрыто лесом из сосны и березы, причем если в южной части преобладает сосна, то северные площади заняты березой. В лесах насчитывается 823 вида высших растений, из них: реликтов – 50, эндемиков – 23, занесенных в Красную книгу – 32; низших растений – около 270 видов.

Животный мир заповедника весьма разнообразен и насчитывает 221 вид, среди которых млекопитающих – 51, птиц – 165, рыб – 11, земноводных – 3, рептилий - 5. Беспозвоночных животных – более 10 000 видов. Постоянные жители Ильмен – лоси, пятнистые олени, кабаны, волки, лисы, зайцы, барсуки, изредка встречается рысь.

На основании последних проведенных исследований биологи заповедника пришли к неутешительному выводу. Видовое количество животных и растений в заповеднике неуклонно уменьшается. Причины этого: изменение ландшафта, естественное старение лесов, необратимые изменения в состоянии местных озер и рек, а также антропогенный фактор – расширение промышленных зон г. Миасса, строительство предприятий, увеличение транспорта и т.п. Экологическая ситуация усугубляется автомобильным шоссе Миасс – Чебаркуль и железнодорожной веткой Москва – Челябинск, проходящих по южной части заповедника.

На территории Ильменского заповедника археологическими исследованиями выявлено более 50 стоянок древнего человека, одна из которых находится в устье р. Липовка (егерский кордон «Долгие Мосты»), в непосредственной близости от базы практики. Большинство древних стоянок относится к эпохе бронзы (1 тыс. лет до н.э.), тогда как самые древние – к концу каменного века (5 тыс. лет до н.э.).

Породы этой свиты являются наиболее древними в Ильменских горах. Радиологическое определение возраста амфиболитового метаморфизма этих пород U-Pb методом дает цифру порядка 1850 млн. лет. Метаморфизм является диафторическим по отношению к более раннему метаморфизму гранулитовой фации. Исходя из этих данных, возраст пород селянкинской свиты определяется как верхнеархейский. Данные породы представляют древний фундамент доуральской Европейско-Азиатской плиты, осколок которой в виде тектонической глыбы претерпел различные преобразования в ходе эволюции Уральской геосинклинали, а сейчас составляет ядро Вишневогорско-Ильменогорского антиклинория Восточно-Уральского поднятия в тектонической структуре Южного Урала.

Свита сложена биотитовыми, гранат-биотитовыми, силлиманит-гранат-биотитовыми гнейсами и кварцитогнейсами обычно с крупночешуйчатым графитом; амфиболитами, гранатовыми амфиболитами, диопсид-плагиоклазовыми, скаполит-диопсид-плагиоклазовыми кристаллическими сланцами, редко кварцитами. Отложения свиты вмещают комплекс щелочных пород, где широко развиты метасоматические породы: амфиболовые, биотит-амфиболовые, биотитовые и пироксеновые фениты, пироксен- и биотит-полевошпатовые породы, нефелин-полевошпатовые мигматиты. Породы свиты метаморфизованы в условиях амфиболитовой фации метаморфизма, которая наложена на более ранний гранулитовый метаморфизм, реликты которого обнаруживаются в виде гранулитовых парагенетических минеральных ассоциаций.

Рис. 1. Стратиграфическая колонка южной части Ильменского заповедника
На западных и восточных контактах отложений селянкинской свиты установлены мощные зоны высокотемпературных бластомилонитов. Предполагается, что исходным материалом при метаморфическом образовании разнообразных гнейсов свиты являлись терригенные осадки, тогда как для образования амфиболитов – маломощные, покровные, континентальные базальтоиды.

Нижняя и верхняя границы свиты точно не установлены, так как ее низы и верхи интенсивно мигматизированы. Общая мощность селянкинской свиты не менее 1000 м.

Данная толща ранее имела название «фирсовская». Толща характеризуется ритмично-слоистым строением. В ее состав входят кристаллические сланцы, амфиболиты, кварциты, редко кальцифиры и мраморы. Среди кристаллических сланцев амфиболитовой фации метаморфизма выделяются: биотитовые, гранат-биотитовые, кианит-гранат-биотитовые гнейсы и кварцито-гнейсы иногда с графитом. Среди кварцитов встречаются разновидности с биотитом, гранатом, графитом, кианитом. Амфиболиты также разнообразны: двуминеральные роговообманково-плагиоклазовые с гранатом и пироксеном. Встречаются прослои диопсид-скаполитовых кристаллических сланцев и кальцифиров.

Породы толщи образовались в результате метаморфизма, сопряженного с плагиогранитизацией первичной вулканогенно-осадочной толщи основного состава (базальтовых лав и туфов, туфопесчаников с прослоями глинистых и карбонатных пород). Породы вишневогорской толщи в различной степени подвержены гранитизации и щелочному метасоматозу с образованием соответственно мигматитов плагиогранитного состава и фенитизированных разностей пород вплоть до бескварцевых пироксеновых фенитов в ореоле Ильмен-Тауского массива щелочных пород.

Радиологические определения из гнейсов вишневогорской толщи изотопным альфа-свинцовым методом дают абсолютный возраст около 1,9 – 2,0 млрд. лет, что позволяет определить время ее формирования как раннепротерозойское.

Вишневогорскую толщу условно можно подразделить на три подтолщи – нижнюю, среднюю и верхнюю. Общая мощность пород всей толщи около 850 м.
3.3. Ильменогорская толща (PR₁ ilm)

Породы ильменогорской толщи пользуются в районе наибольшим распространением, располагаясь к востоку от Ильменского массива щелочных пород. Толща сложена метаморфическими породами, представленными в основном амфиболитами и гнейсами. Помимо амфиболитов и гнейсов в строении толщи принимают участие роговообманковые сланцы и кварциты.

По особенностям состава толща подразделяется на три подтолщи. Нижняя подтолща сложена средне- и крупнозернистыми биотитовыми, гранат-биотитовыми плагиогнейсами с подчиненными прослоями амфиболитов. Плагиогнейсы образовались по базальтам и их туфам, и обычно представлены меланократовыми мелкозернистыми (до 1 мм) разностями. Породы нижней подтолщи выходят в основном в ядрах купольных структур, где они в значительной степени гранитизированы с образованием «очковых» порфиробластовых гранитогнейсов. Гранитизация пород сопровождалась их дебазификацией, привносом калия, натрия, кремнезема и привела к образованию по плагиогнейсам, амфиболитам, кристаллическим сланцам средне- и крупнозернистых биотит-роговообманковых и биотитовых гнейсов и гранитогнейсов.

Средняя подтолща сложена гранатовыми амфиболитами с прослоями и линзами графитовых кварцитов, биотит-графитовых гнейсов и биотитовых сланцев. Графитовые кварциты и кварцито-гнейсы встречаются по всему разрезу ильменогорской толщи довольно часто, образуя согласные с плоскостными ориентировками пород пласты или линзы мощностью от долей метра до 20 метров.

Верхняя подтолща сложена мигматитами и амфиболитами с прослоями гнейсов и кварцитов. Мигматиты являются биотит-роговообманковыми с резким преобладанием гранитного (кварц-полевошпатового) материала и нередко содержат реликты амфиболитов. Это свидетельствует о том, что мигматиты являются продуктом гранитизации. Гнейсы подтолщи являются биотитовыми, гранат-биотитовыми и иногда содержат силлиманит. Кварциты по составу являются биотитовыми, графитовыми, графито-биотитовыми. Амфиболиты являются мелко-среднезернистыми, полосчатыми, сложены роговой обманкой и плагиоклазом, часто присутствуют гранаты, реже – пироксены. В верхах подтолщи среди амфиболитов отмечаются небольшие линзы кальцитовых мраморов. Породы верхнеильменогорской подтолщи обычно слагают внешнюю оболочку ядерно-купольных структур района. Породы подтолщи образовались в результате метаморфизма осадочно-вулканогенной толщи исходных пород (базальтовые лавы и туфы, туфопесчаники с прослоями и линзами глинистых, кремнистых и карбонатных осадков).

Надежных данных по радиологическому определению возраста пород ильменогорской толщи нет, поэтому, условно, возраст толщи принимается как раннепротерозойский. Суммарная мощность разреза толщи порядка 1100 м.

Толща получила свое название по оз. Б. Еланчик, в окрестностях которого она имеет широкое развитие. Ранее толща называлась аргаяшской. Породы еланчиковской толщи являлись субстратом, по которому развивались гранитоиды и мигматиты чашковского комплекса. Породы толщи слагают участки между ядерно-купольными структурами района и наиболее развиты в его восточной и юго-восточной части.

Толща сложена исключительно плагиогнейсами, преимущественно биотитовыми, амфибол-биотитовыми, реже гранат-биотитовыми и силлиманит-гранат-биотитовыми, а также двуполевошпатовыми мигматитами с резким преобладанием плагиоклаза над калиевым полевым шпатом различных морфологических типов – полосчатых, теневых, очковых, очково-полосчатых, с реликтами субстрата или без него. Иногда они имеют облик лейкократовых биотитовых гнейсов или гранитогнейсов. Очень редко в составе толщи встречаются амфиболиты неясного генезиса, в том числе меланократовые. Еще реже обнаруживаются графитовые и слюдяные кварциты. Обилие гранитных и пегматитовых даек и жил, а также мощные полосы интенсивной мигматизации являются характерными признаками толщи.

Еланчиковская толща датируется нижним протерозоем на основании согласного залегания ее на породах ильменогорской толщи и радиологических измерений. В стратотипической местности толща подразделяется на 6 пачек, суммарная мощность ее отложений около 1300 м.

В пределах описываемого участка работ отложения кыштымской толщи обнаруживаются на юге. Толща представлена переслаиванием углисто-кремнистых сланцев, кремнистых сланцев, кварцитов: биотитовых, двуслюдяных и амфиболитовых сланцев. Породы образованы за счет метаморфизма кремнисто-глинистых осадков, обогащенных органическим веществом. В низах и верхах толщи отмечаются маломощные прослои амфиболитов, образовавшихся по базальтам и их туфам.

Породы толщи слагают внешние «кристаллосланцевые» оболочки купольных структур района, причем степень метаморфизма пород уменьшается по мере удаления от центральных частей данных структур.

Возраст кыштымской толщи в соответствии с ее стратиграфическим положением условно принимается как раннепротерозойский. Мощность разреза составляет 925 м.