ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2012, том 54, № 3, с. 221-252
УДК 541.123.3:549.322
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ И ЗОНАЛЬНОСТИ МАГМАТИЧЕСКИХ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД, РОССИЯ
© 2012 г. В. И. Косяков*, Е. Ф. Синякова**, В. В. Дистлер***
*Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН
630090, Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 3 **Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090, Новосибирск, просп. академика Коптюга, 3 ***Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер. 35 Поступила в редакцию 24.01.2011 г.
Метод квазиравновесной направленной кристаллизации использован для экспериментального моделирования зональности пирротин-халькопиритовых и пирротин-кубанит-хейкокит-мойхукитовых руд Октябрьского месторождения, богатых медью. Проведена направленная кристаллизация образцов I (Fe 32.55, Cu 10.70, Ni 5.40, S 51.00, Pt = Pd = Rh = Ru = Ir = Au = Ag = 0.05 ат. %) и II (Fe 33.74, Cu 15.94, Ni 1.48, S 48.75, Pt = Pd = 0.05 ат. %), которые аппроксимируют средний состав этих типов руд. В процессе кристаллизации из расплава последовательно выделяются моносульфидный (mss) и промежуточный (iss) твердые растворы. Построены кривые распределения рудных компонентов в образце, измерены их коэффициенты распределения (k) между твердыми растворами и сульфидным расплавом, определены зависимости k от состава расплава. Построены траектории изменения состава расплава, mss и iss и коноды, соединяющие составы равновесных жидкой и твердой фаз. По данным микроскопического, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализов, изучен фазовый состав образца после охлаждения. Зональность образца I описывается следующей последовательностью фаз: моноклинный пирротин/гексагональный пирротин + тетрагональный халькопирит/ тетрагональный и кубический халькопирит + пентландит + борнит. Закристаллизованный образец II состоит из четырех зон: 1) смеси гексагонального пирротина и изокубанита; 2) смеси гексагонального пирротина, кубанита и пентландита; 3) смеси низкосернистой рс-фазы хей-кокитового состава и пентландита; 4) смеси мойхукита, пентландита и борнита. Описанное строение образцов соответствует вторичной зональности, отражающей как первичное фракционирование компонентов, так и твердофазные реакции при охлаждении закристаллизованного образца. Измерены коэффициенты распределения Rh, Ru и Ir между mss и расплавом. Определены формы выделения самостоятельных фаз платиновых металлов в образцах. Полученные результаты сопоставлены с типичными природными типами сплошных, богатых медью сульфидных руд Октябрьского месторождения.
ВВЕДЕНИЕ
Минеральный состав руд магматических сульфидных медно-никелевых месторождений охватывает практически все разнообразие известных минеральных фаз системы Си—Ре—№—8. Однако парагенетические ассоциации, слагающие отдельные типы руд или их минеральные разновидности, а также отдельные зоны в рудных телах могут существенно различаться по набору минеральных фаз или по химическому составу отдельных минералов переменного состава.
Особенности минерального состава сульфидных медно-никелевых руд обычно связывают с фракционной кристаллизацией сульфидных расплавов (МаЫгеИ гг а!., 1997; МаЫге«, 2004; Дис-
Адрес для переписки: В.В. Дистлер. E-mail: distler@igem.ru
тлер и др., 1988). Предполагают, что поведение компонентов магм в этом процессе определяется строением фазовой диаграммы рудно-магматиче-ской системы Ре—Си—№—8. Это справедливо, если кристаллизация проходит в режиме, близком к квазиравновесному, при котором диффузия в твердых фазах пренебрежимо мала, расплав однороден по составу, а на межфазной поверхности устанавливается термодинамическое равновесие. В этом случае поведение компонентов при кристаллизации однозначно определяется фазовой диаграммой и составом исходного расплава. При небольших отклонениях от этого режима особенности формирования закристаллизованных образцов (Флемингс, 1977; Мюллер, 1991; Шарапов, Исаенко, 1977; Шарапов, Черепанов, 1986) малосущественны и не оказывают решающего
влияния на фракционирование как рудообразую-щих компонентов, так и примесей.
Закономерности квазиравновесной кристаллизации многокомпонентных расплавов рассмотрены в (Nathan, Kirk, 1978; Арискин, Френкель 1982; Арискин, Бармина, 2000; Косяков и др., 1991; Косяков, 1998). Распределение компонентов в твердых фазах при кристаллизации однофазного или многофазного образца описывается системой дифференциальных уравнений материального баланса компонентов. При этом учитывается взаимосвязь составов равновесных фаз, которую описывают через коэффициенты распределения компонентов (к) между расплавом и каждым из первичных минералов. Для описания фракционирования основных и примесных компонентов в процессе однофазной кристаллизации достаточно знать зависимость к от состава расплава. При кристаллизации расплава в системе Cu—Ni— Fe—S возможна одновременная кристаллизация двух, трех или четырех фаз.
Для определения последовательности выделения фаз в квазиравновесном процессе и описания поведения компонентов при многофазной кристаллизации необходимо знать строение фазовой диаграммы и составы твердых фаз, одновременно сосуществующих с расплавом. Такая информация чаще всего отсутствует. При моделировании фракционированной кристаллизации силикатных магм недостаток данных о фазовых диаграммах компенсируют расчетами с использованием простейших термодинамических моделей. При этом удается воспроизвести некоторые характерные особенности, связанные с распределением фаз и компонентов в природных и лабораторных объектах (Арискин, Френкель, 1982; Арискин, Бармина, 2000). В сульфидных системах может присутствовать до трех жидких фаз (металлической, сульфидной и на основе расплавленной серы) и, как правило, большое число минералов, многие из которых имеют протяженную область гомогенности (Vaughan, Craig, 1997; Fleet, 2006).
В настоящее время проводятся работы по построению термодинамических моделей тройных сульфидных систем (Congoli et al., 1998; Waldner, Pelton, 2004), но полученных данных пока недостаточно не только для проведения термодинамического моделирования фракционной кристаллизации в системе Cu—Ni— Fe—S, но и для приближенного расчета ее диаграммы плавкости.
В связи с вышесказанным, основные заключения об особенностях фракционирования компонентов при образовании рудных тел медно-нике-левых месторождений делают на основе экспериментов по исследованию фазовых равновесий (Craig, Kullernd, 1969; Gill, 1975; Hill, 1984; Fleet, Pan, 1994; Ebel, Naldrett, 1996, 1997; Перегоедова и др., 1995; Peregoedova, Ohnenstetter, 2002; Ball-
haus et al., 2001). Для этого обычно изучают фазовый и химический состав образцов, полученных после длительной выдержки при высоких температурах и последующей закалки. Этот метод позволяет определить перечень равновесных фаз и их составы в заданной точке пространства фазовой диаграммы. Для описания отдельной области фазовой диаграммы требуется большой объем экспериментальных данных, который фактически невозможно получить описанным методом. Поэтому возникает необходимость разработки специфических подходов к решению вопроса об исследовании поведения компонентов при фракционной кристаллизации расплавов в системе Cu— Ni—Fe—S. Один из таких подходов может заключаться в создании упрощенных моделей диаграммы плавкости системы и использовании их для расчетов по известным уравнениям и программам. Такой путь основан на методологии, разработанной для моделирования кристаллизации силикатных магм (Арискин, Бармина, 2000). Второй путь — экспериментальная реализация фракционной кристаллизации сульфидных многокомпонентных расплавов, которые имитируют природные сульфидные магмы.
Для осуществления направленной кристаллизации пробирку с расплавом медленно перемещают из горячей зоны в холодную. При этом фронт кристаллизации делит образец на твердую и жидкую части. В таких условиях диффузия в твердых фазах пренебрежимо мала, а диффузия и конвекция в расплаве полностью или частично выравнивают его состав. Именно в этом случае концентрации компонентов в закристаллизованном образце закономерно изменяются, из-за чего и реализуется эффект фракционирования. Предельное фракционирование достигается в квазиравновесном режиме, когда составы расплава и твердых фаз на фронте кристаллизации соответствуют равновесной фазовой диаграмме, а расплав в любой момент кристаллизации однороден по составу. Результат квазиравновесной кристаллизации определяется только фазовой диаграммой и составом исходного образца. Кривые распределения фаз и компонентов в образце и рассчитанные из них коэффициенты распределения в этом случае не зависят от скорости кристаллизации, реальных температурных градиентов в кристалле и в расплаве и от других факторов. Будем постепенно уменьшать скорость перемещения образца R в неоднородном температурном поле двухзонной печи. Очевидно при этом условия на фронте кристаллизации будут приближаться к равновесным, а расплав будет более однороден. Значения эффективных коэффициентов распределения компонентов будут приближаться к их равновесным значениям. При некотором значении R = R* отклонения измеренных коэффициентов распределения от равновесных станут
меньше погрешности их экспериментального определения. Область R < R* соответствует равновесному режиму направленной кристаллизации. К сожалению, установить достижение квазиравновесного режима в лабораторном эксперименте прямыми измерениями невозможно. Однако совпадение, в пределах экспериментальных ошибок, наших результатов с данными других авторов по исследованию фазовых равновесий методами длительного изотермического отжига и закалки образцов, а также другими экспериментами по построению равновесных фазовых диаграмм, дает нам основание утверждать, что наши эксперименты проводятся в квазиравновесном режиме.
Методика проведения фракционной кристаллизации расплавов в базовых геохимических системах Fe—Ni—S, Cu—Fe—S и Cu—Fe—Ni—S с микропримесями благородных мет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.