География и геология / Техника и технология геологоразведочных работ

Канд. физ.-мат. наук, профессор Хайруллин Е.М.,

Д-р геол.-минерал. наук, профессор Омирсериков М.Ш.,

Канд. геол.-минерал. наук, Исаева Л.Д.

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева,

г. Алматы, Республика Казахстан

Редкие элементы и термодинамическое условие кристаллизации минералов-носителей

В данной статье рассматриваются термодинамические условия кристаллизации рудных минералов, приводящие к концентрации редких элементов в минералах-носителях.

Известно, что носителями редких элементов, таких как рений, скандий и др., являются рудные минералы месторождений редких металлов. Поэтому при переработке концентратов редкометалльных месторождений попутно можно извлечь редкие элементы. В этой связи наиболее интересным объектом является - месторождение Коктенколь (Центральный Казахстан), где в рудах содержание рения достигает до 0,158г/т. Кроме того, здесь встречаются редкие элементы - теллур, селен и скандий [1].

В результате изучения рениеносности молибденитов, молибден-медно-порфировых месторождений Казахстана, определены зависимость концентрации рения от модификации молибденита [2,3]. Появление нескольких политипов минерала одного состава свидетельствует о нестабильности и сложности их условий образования.

Нами изучены условия образования рудных минералов (молибденит, вольфрамит) и их спутниковых элементов (рений, скандий) на месторождении Коктенколь по данным термобарогеохимии и количественного определения температурного режима рудообразующих и рудолокализующих систем.

Коктенколь - вольфрамово-молибденовое штокверкое месторождение, трижды детально разведывалось и изучалось. Оно открыто Г.И. Бедровым в 1956 г. Разведывалось под руководством О. В. Иванова, В.Г. Ли, Г.А. Паркадзе, К. Н. Фаткулина, G.П. Кровякова. Изучалось также В.С. Коптевым-Дворниковым, Л.П. Ермиловой, Г.Н. Щербой, А.В. Кудряшовым, В.Т. Покаловым, И.В. Булдаковым, Л.Б. Ивановым, Н.Л. Раденко, Р.Н. Мальковой, Н.Л. Пламеневской, А.И. Ежовым, В.А. Павловым, В.А. Кличниковым, Г.И. Бедровым, М. Г. Георгиевской и др.

Оруденение представлено вулканогенными (андезито-дациты) и вулканогенно-осадочными отложениями среднего - верхнего девона, перекрытыми породами фамена и нижнего карбона (алевролиты, аргиллиты, углисто-кремнистые алевролиты и известняки), заполняющими в виде узких мульд осевую часть Успенского трога.

Многофазный массив гранитов прорывает отложения девона и карбона и обнажен лишь в одном выступе на Северном участке. По геофизическим данным, массив имеет овальную форму (размеры 18x15 км); его кровля оснащена выступами на глубинах 0,3—0,5 км и более, а подошва размещается на глубине 3—5 км. Вертикальная мощность массива 3-4,3 км. Выделяются три купольные структуры, к которым приурочены основные участки месторождения — Северный, Промежуточный и Южный. Руды месторождения молибденовые, с небольшим количеством вольфрама и висмута [4].

Штокверковые молибденовые руды, с чем связаны концентрация рения на месторождении Коктенколь, широко распространены на всех указанных трех участках. На месторождении выделяется две разновидности руд: молибденовая и молибден-вольфрам-висмутовая. Молибденовые руды составляют около 90% общих запасов молибдена месторождения. Среднее содержание рения в рудах составляет - 0,153 г/т. Молибден на 93 % представлен молибденитом.

Молибден-вольфрам-висмутовая разновидность руд выделяется на верхних горизонтах Южного участка до горизонта 330 м. Они составляют около 7,5% общих запасов штокверковых молибденовых руд. Связаны они с кварцевожильной зоной, вскрытой на горизонте 510м. По составу не отличаются от молибденового типа руд, разница в содержании полезных компонентов. На месторождении установлено 5 генерации молибденита, от раннего к позднему возрастает содержание рения [1].

Как видно почти всюду, где рений образует заметные концентрации, он находится в ассоциации с молибденом. В геохимическом отношении рений и молибден весьма близки между собой. Как и молибден, рений имеет резко выраженное сродство с серой. Оба элемента образуют одинаково легко летучие галоидные соединения, обладающие близкой растворимостью и реакционной способностью.

В гипергенных условиях, при недостатке свободного кислорода, рений также как и молибден, находится преимущественно в четырехвалентной форме. Радиусы Мо⁺⁴ и Re⁺⁴ близки между собой (по Аренсу соответственно- 0,72 и 0,70). Именно эти обстоятельства и приводят к тому, что рений накапливается в редкометалльных месторождениях, изоморфно замещая молибдена в молибденитах [5].

На месторождении Коктенколь вертикальная рудная зональность свидетельствует о том, что молибденовые руды сконцентрированы в экзоконтакте гранитного массива акшатауского комплекса. Это обуславливает кристаллизацию молибденитов на начальном этапе рудообразования в состоянии теплового равновесия между рудообразующей системой и вмещающей средой. Об этом свидетельствуют данные по температуре образования (465-350⁰С) молибденитов первой рудной стадии в молибденит-полевошпатовых и молибденит-полевошпат-кварцевых прожилках и результаты количественного моделирования термодинамического состояния (460⁰С) рудообразующей среды (Рис. 1,А,Б). В этом случае появляются молибдениты 2H модификации, с чем связано низкое содержание рения на месторождении Коктенколь.

А

Рисунок 1 – Динамическая модель температурного режима формирования месторождения Коктенколь.

А - модель температурного поля интрузии акшатауского комплекса на месторождении Коктенколь (температура, координаты, время);

Б - распределение температуры в области рудообразования.

1 – граниты; 2 – биотизированные вулканогенно-осадочные породы франского яруса; 3-4 – молибденовые руды: 3 – балансовые, 4 – забалансовые; 5 – вольфрамовые руды коры выветривания.

Со временем температурное поле гранитного массива постепенно снижается, при этом изменение температуры наблюдается и в области рудообразования, где функционируют рудообразующие высокотемпературные растворы. Они вызывают тепловое неравновесное состояние между рудообразующей системой и рудолокализующей средой. Разность температур в системе «порода-раствор», особенно в штокверковых зонах, деформирует первичное тепловое поле и усложняет картину тепло-масса переноса между этими системами. Молибдениты третьей рудной стадии кристаллизуются в состоянии теплового неравновесия. По данным количественного расчета и термометрии, температура в этой области рудообразования снижается до 245-260⁰С [6], а молибденообразующие растворы имели температуру в пределах 260-315⁰С. В данной стадии молибденит появился в виде 3R модификации, с увеличением в них содержании рения [2,3].

Из вышеизложенного следует, что характер кристаллизации молибденита на месторождении Коктенкол, с разными степенями содержания рения определяется термодинамическим условием, обусловленное разностью температур между рудообразующей и рудалокализующей систем.

На месторождении Коктенколь в составе вольфрамитовой руды наблюдается спутниковые элементы скандий [1]. Скандий относится к группе рассеянных элементов. Они встречаются чрезвычайно редко и в ограниченных количествах в гранитных пегматитах (тортвейтит), аплитах и кварц-вольфрамитовых жилах (кольбекит). Содержание скандия в вольфрамите достигает 0,002 – 0,2%, а ферберите, гюбнерите, шеллите – до 0,1%. Основной формой нахождения скандия в вольфрамитах является вхождение его в виде изоморфной примеси: трехвалентный ион скандия замещает двухвалентный катион (Fe²⁺,Ca²⁺) [5]. В составе полевошпат-кварцевых и метасоматических кварцевых прожилках при интервале температур 280 – 380⁰С протекает вольфрамовая минерализация. Она в свою очередь создает благоприятное условие для концентрации элементов скандия в этой среде. На месторождений вольфрамит также присутствует в сульфидно-кварцевых жилах и относится к третьей рудной стадии кристаллизации. Установлено, где триоксид вольфрама представлен на 76,5 % вольфрамитом и гюбнеритом, и на 23,5 % шеелитом [1];

Рудная зональность на месторождении Коктенколь показывает, что вольфрамиты распространялись на более высокие гипсометрические уровни, с относительно низкой температурой их образования, чем молибденовые. Разница между температурами рудообразующих растворов (380⁰С) и вмещающей среды (270⁰С) создает неравновесное термодинамическое условие, которое в свою очередь существенно влияет на процесс кристаллизации минералов (Рис.1,А). Из этого следует, что на месторождении Коктенколь вольфрамиты с содержанием скандия кристаллизовались в условиях тепловой неравновесности.

Таким образом, термодинамическое неравновесное условие кристаллизации рудных минералов предопределяет вхождение в их кристаллическую решетку редких элементов в виде изоморфных примесей, что является геохимическим индикатором условий минералообразования (температура, щелочность, кислотность и т.д.).

Литература:

1 Месторождения редких металлов и редких земель Казахстана. Справочник, Алматы, 1998. - 102 с.

2 Герцен Л.Е. и др. Молибдениты и рениевая минерализация на молибден-медно-порфировых месторождениях Куйган-Майбулакского рудного поля (Юго-Западное Прибалхашье)// Изв.НАН РК, сер.Геологическая,2003.№2.С.61-73.

3 Коваль В.П., Базарова С.Б., Кашаев А.А. Зависимость политипии мусковитов, биотитов и литиевых слюд от состава и условий образования// ДАН СССР,1975.Т.225, 34.С.914-917.

4 Щерба Г.Н., Кудряшов А.В., Сенчило Н.П. Редкометалльное оруденение Казахстана. Алма-Ата, Наука, 1988. 221 с.

5 Гаврусеевич Б.А. Основы общей геохимии. Москва, Изд. «Недра»,1988.С.327.

6 Исаева Л.Д, Омирсериков М.Ш., Динамика температурного поля интрузивных массивов на месторождении Коктенколь (Центральный Казахстан) // Материалы республиканской научно-практической конференции посвященный 80 – летию Ш. Есенова, 2007, 2 часть, с.158-160.