ГЕОХИМИЯ, 2008, № 4, с. 387-402
К ГЕОХИМИИ СКАНДИЯ В МАГМАТИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ
© 2008 г. Т. И. Щекина, Е. Н. Граменицкий
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Геологический факультет 119992 ГСП 2 Москва, Ленинские горы, МГУ e-mail: tishchek@geol.msu.ru engramen@geol.msu.ru Поступила в редакцию 28.07.2006 г.
Приводятся экспериментальные данные о распределении скандия в модельной гранитной и нефелин-сиенитовой системе Si-Al-Na-K-O—H-F между алюмосиликатным расплавом и фторидными фазами, представленными криолитом в Na-K частях системы и фторидным расплавом в Li-содержащих частях системы. Эксперименты проводили при 800°, 750° и 700°С и Рща = 1000 бар в условиях насыщения алюмосиликатного расплава водой и фтором. Коэффициенты разделения скандия алюмосиликатный расплав/фторидные фазы изменяются от 0.005 до 1.6 в зависимости от фазовых отношений в системе, определяемых ее валовым составом и условиями опытов. При 800°С во всех изученных частях системы коэффициенты разделения скандия между алюмосиликатным расплавом и фторидными фазами меньше 1, т.е. скандий распределяется в пользу фторидной фазы независимо от того, представлена она кристаллами (Na, K-Na или Х)-криолита или щелочноалюмофто-ридным расплавом. В этом состоит коренное отличие поведения скандия от редкоземельных и большинства других элементов при этих условиях. Понижение температуры до 700°С, переход от кварц-нормативных к нефелин-нормативным расплавам, а также увеличение их агпаитности приводит к повышению коэффициентов разделения скандия до значений, больших 1. Эта тенденция связана с увеличением степени деполимеризации алюмосиликатного расплава. Показано, что скандий имеет высокое сродство к фтору и может замещать до 1/2 атомов алюминия в структуре криолита. В еще большей степени скандий входит в состав Li-содержащих алюмофто-ридных расплавов. Высокое химическое сродство скандия к фтору, способность его образовывать устойчивые фторидные комплексы в остаточных магматических расплавах является одной из важнейших причин его накопления в пегматитах и в высокотемпературных постмагматических метасо-матических формациях - грейзенах, скарнах и альбитизированных гранитах.
Изучение поведения скандия в реакционной колонке взаимодействия долерита и гранитного расплава не подтверждают представлений об избирательной экстракции скандия при гранитизации и ассимиляции вмещающих пород.
Поведение скандия в природных процессах является интереснейшим разделом геохимии элементов. Скандий (экабор) - один из четырех элементов, предсказанных Д.И. Менделеевым в 1869 г. и открытых при его жизни в 1879 г. шведским химиком Л. Нильсом при разделении редких земель. Скандий был извлечен из эвксенита и гадолинита и был назван в честь Скандинавии, где в то время были обнаружены эти минералы [1].
Индивидуальные особенности скандия - первого элемента, у которого появляется ^-оболоч-ка, содержащая один электрон, - лежат в основе получения многих новых соединений, технических материалов и определяют отличие в его поведении с позиций химии и геохимии от аналогов. Особый интерес к скандию проявился в 1980-е годы в связи с развитием аэрокосмической промышленности и микроэлектроники, когда начали
использовать сплавы Л1, Mg, ТС, Zn, Li со скандием. Добавки скандия к металлам увеличивают их температурную, коррозионную и радиационную стойкость, снижают вес материалов. Al-Sc сплавы сочетают высокую прочность и пластичность, обеспечивают высокую способность к свариванию. Ферриты с добавками скандия используются для создания быстродействующих систем памяти в вычислительной технике. На основе Gd-Sc-Ga-, Er-Cr-Y-Sc-Ga- гранатов созданы лазеры, применяемые в промышленности, системах связи и медицине. Соединения скандия используются при создании высокотемпературной керамики, сверхпроводников, квантово-механических усилителей, катализаторов и др. Уникальными свойствами этого элемента определяется изучение химии [2] и геохимии скандия в последние десятилетия.
387
3*
Экспериментальные данные о поведении скандия в системах, близких по составу к природным, ограничены. По строению электронной оболочки Sc подобен Y, La и лантаноидам иттриевой подгруппы, особенно самым тяжелым ^г, Yb, Lu), что объясняет их совместное распространение [3] и изоморфное замещение в танталониобатах, тита-натах и других акцессорных минералах пегматитов и некоторых метасоматитов. Однако имеющееся отличие размеров иона Sc от лантаноидов обеспечивает различия их химических свойств и, следовательно, поведения в природных процессах.
С кристаллографической точки зрения [4] скандий из-за специфической симметрии ^-оболочки не относится к числу минералогенных элементов. В природе известно немного минералов скандия, хотя его кларк в земной коре составляет 17 г/т [5], что сопоставимо с №, W, Sn, Щ, As-элементами, обычно образующими собственные минералы.
Скандий относят к типичным литофильным рассеянным элементам. Основные черты геохимии Sc и пути его миграции в природных процессах определяются сходством кристаллохимических свойств его соединений с рядом распространенных элементов: Fe (II-, III); Mg; Mn (II-, III); Zг и Al - в связи с близкими значениями ионного радиуса при одинаковом координационном числе, равном 6 [2, 6]. Преимущественным вхождением скандия в виде изоморфной примеси в кристаллические решетки магнезиально-железистых минералов [7] объясняется нахождение большей его части в рассеянном состоянии в магматических и метаморфических породах. Способность входить в твердые растворы с Fe3+, а не с Fe+2 К.Фрондел [8] выдвигает как главный механизм рассеяния и концентрации скандия, поскольку четкой корреляции между содержанием Fe+2 и Sc в породах не наблюдается [6]. На поздних этапах магматического процесса (в пегматитах, метасоматитах), когда происходит обеднение магнезиально-железисты-ми компонентами и обогащение редкими элементами, скандий входит в твердые растворы с 3-х и 4-х валентными ионами: Ti4+, Sn4+, Zг4+, Al3+, а особенно с Y3+ и тяжелыми лантаноидами Eг —► Yb.
Содержания скандия как совместимого элемента уменьшаются от основных к кислым и от щелоч-но-ультраосновных к нефелин-сиенитовым и ще-лочно-гранитным породам. В частности, такое уменьшение прослеживается в последовательных фазах диорит-гранодиорит-гранит-лейкократовый гранит Баджальского и Мяочанского диорит-гранитных, Сеймканского магнетитового диорит-гранитного комплексов [9]. Снижение концентрации скандия от овоидных амфибол-биотитовых до про-толитионитовых лейкократовых гранитов с топазом и флюоритом Салминского плутона [10] дополнены нашими неопубликованными данными по трем последовательным фазам Улялегского массива (18.9-7.8-2.1 г/т). В щелочных гранитах Коль-
ского п-ова уменьшение прослежено от авгит-ле-пидомелановых к более поздним лепидомелан-феррогастингситовым и эгирин-арфведсонитовым разновидностям [11], а в батолите Южной Калифорнии от габбро к гранитам. Та же закономерность установлена в гранитах Карелии [12], редкометаль-ных гранитных комплексах Сибири, Дальнего Востока России, Казахстана, щелочных криолитсодер-жащих гранитах комплекса Ивигтут, Ю. Гренландия
[13]. В рядах дифференциации эффузивных пород
[14] наряду с теми же закономерностями может наблюдаться и увеличение концентраций скандия с ростом K2O. Например, существенно обогащены Sc лейцитсодержащие породы по сравнению с нефе-линсодержащими рифтов Восточной Африки.
Собственные минералы скандия, рудопрояв-ления и даже его месторождения находятся в гранитных пегматитах, метасоматитах (альбититах, грейзенах, реже скарнах) и гидротермальных жилах [1, 15, 16, 12, 17-19], причем связанных не с основными, а с гранитными интрузивами, обычно с биотитовыми и циннвальдитовыми гранитами. Помимо классических месторождений Скандинавии, примерами могут служить кварц-флюорито-вые пегматиты Казахстана (Тарбагатая, Бедпак-Далы, Кентского, Зерендинского массивов и др.), генетически связанные с биотитовыми калиевыми гранитами. Пегматиты Кента, Акжайляу [20] рассматриваются даже как особый генетический тип месторождений скандия с собственными Sc-минералами (тортвейтитом, баццитом).
Рассеяние скандия в основных породах и уменьшение содержаний в породах в ходе магматической эволюции вполне удовлетворительно объясняется распределением этого элемента в равновесии с магмой в пользу магнезиально-железистых минералов и кристаллизационным фракционированием. Тем более неожиданным выглядит последующая концентрация его в гидротермальных образованиях.
Самые низкие кларки характерны для щелочных пород, хотя, по последним данным [21], в нефелиновых сиенитах Хибинского массива содержания скандия достигают 5.5 г/т, что сопоставимо с гранитами, в ийолитах - до 19 г/т. В фойяитах и содалито-вых сиенитах Ловозерского массива скандия до 14.5 г/т (уровень средних пород). Разновидности пород, богатые скандием, относятся к наиболее поздним фазам внедрения, в которых накапливался также и фтор. О насыщенности пород фтором можно судить по присутствию виллиомита в фойяитах и со-далитовых сиенитах и повышению содержания фтора в щелочных амфиболах фойяитов и луявритов.
Для тел пегматитов с тортвейтитом до сих пор поддерживается [16, 22] гипотеза В.М. Гольд-шмидта [23] об экстрагировании пегматитовым расплавом оксида скандия из вмещающих амфиболитов. Эта точка зрения развивалась на примере месторождения Эвж-Ивеланд в Норвегии и ос-
нована на следующих фактах. Только пегматиты региона, локализованные во вмещающих метаморфических породах, обогащены (до 13 ppm) скандием относительно материнских Тордалских гранитов (4.5 ppm). Ксенолиты амфиболитов, встречающиеся в Тордалских гранитах, содержат 17.7 ppm скандия. Во вмещающих пегматитовые жилы амфиболитах содержится до 31.4 ppm Sc.
На других примерах [24] доказывается противоположная миграция скандия из пегматита в приконтактовые биотитизированные амфиболит и роговообманковое габбро. По данным работ в Карелии [15], вообще не обнаружено повышенных содержаний скандия в приконтактовых участках пегматитовых тел, несущих скандиевую минерализац
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.