ПЕТРОЛОГИЯ, 2009, том 17, № 1, с. 28-50
УДК 552.11:553.466
ЦИРКОНИЙ-ГАФНИЕВЫЙ ИНДИКАТОР ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ
РЕДКОМЕТАЛЬНЫХ ГРАНИТОВ
© 2009 г. Г. П. Зарайский*, А. М. Аксшк*, В. Н. Девятова*, О. В. Удоратина **, В. Ю. Чевычелов*
*Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, ул. Институтская, 4, Россия; e-mail: zaraisky@iem.ac.ru ** Институт геологии Коми НЦ УрО РАН 167610 Сыктывкар, ул. Первомайская, 54, Республика Коми, Россия Поступила в редакцию 11.06.2008 г.
В качестве наиболее надежного показателя фракционирования и рудоперспективности редкоме-тальных гранитов мы предлагаем использовать цирконий-гафниевый геохимический индикатор, представляющий собой величину весового отношения Zr/Hf в гранитных породах. Эмпирически установлено, что при фракционной кристаллизации гранитной магмы по схеме гранодиорит —► биотитовый гранит —► лейкогранит —- литий-фтористый гранит Zr/Hf отношение в гранитах уменьшается. Причиной является более высокое сродство к гранитному расплаву гафния, чем циркония. Это подтверждено проведенными экспериментами по распределению Zr и Hf между гранитным расплавом и кристаллами Hf-содержащего циркона (Т = 800°С, P = 1 кбар). Применение Zr/Hf индикатора апробировано на примерах трех классических регионов развития редкометальных гранитов: Восточного Забайкалья, Центрального Казахстана и Рудных гор (Чехия, Германия). Эталонный кукульбейский комплекс редкометальных гранитов Восточного Забайкалья (J3) является в своем роде уникальным по достигнутой глубине фракционирования родоначального гранитного расплава с проявлением трех фаз внедрения гранитов и их жильных производных. Биотитовые граниты 1-й фазы безрудные. С лейкократовыми гранитами 2-й фазы связаны грейзеновые олово-вольфрамовые месторождения (Спокойнинское и др.), а заключительные куполообразные штоки амазонитовых Li-F гранитов 3-й фазы вмещают в своей верхней части танталовые месторождения "апогранитового" типа: Орловское, Этыкинское, Ачиканское. В составе кукульбейского комплекса присутствуют также дайки онгонитов, эльванов, амазонитовых гранитов и камерные миароло-вые пегматиты. Все гранитные породы комплекса близки по абсолютному возрасту - 142 ± 0.6 млн. лет. Отношение Zr/Hf закономерно понижается от первой фазы внедрения (40-25) ко второй (20-10) и третьей (10-2). По сравнению с другими гранитными сериями граниты кукульбейского комплекса сильно обогащены Rb, Li, Cs, Be, Sn, W, Mo, Ta, Nb, Bi и фтором и обеднены Mg, Са, Fe, Ti, Р, Sr, Ba, V, Co, Ni, Cr, Zr, REE, Y. При этом от ранних фаз внедрения к более поздним фазам степень обогащения и обеднения указанными элементами последовательно нарастает, сопровождаясь столь же последовательным уменьшением величины отношения Zr/Hf (от 40 до 2), которое может служить надежным индикатором генетического родства, глубины фракционирования и редкоме-тальной перспективности гранитов. Для обнаружения грейзеновых месторождений Sn, W, Mo, Be перспективны граниты, имеющие Zr/Hf отношение менее 25, а для возможности образования месторождений Ta необходимо Zr/Hf отношение ниже 5.
Представления о ведущей роли магматических процессов кристаллизационной эволюции гранитного расплава в концентрировании редких металлов в гранитах выдвигают на первый план необходимость развития надежных методов определения последовательности кристаллизации гранитных серий (Коваленко, 1977; Козлов, Свадковская, 1977; Бескин и др., 1994а, 19946; ЯатЪаиИ й а1., 1995; Сырицо, 2002; Костицын и др., 2004; Зарайский, 2004 и др.). В геологической литературе и практике используется большое разнообразие эмпирических петрохимических и геохимических индикаторов кристаллизационной
дифференциации и редкометальной продуктивности гранитов.
Петрохимические индикаторы характеризуют тенденции изменчивости кремнекислотности, щелочнометальности, глиноземистости и других особенностей химизма гранитоидов на основании соотношения в них главных петрогенных оксидов или элементов. В качестве примера можно привести метод Л.С. Бородина (Бородин, Гинзбург, 2002), основанный на построении "диаграммы петрохимических трендов" в координатах (№ + + К)/Са-Ас, где Ас - "универсальный параметр кислотности породы", учитывающий не только
содержание кремнезема, но и относительную основность 9 породообразующих катионов. Л.Ф. Сырицо (2002) практикует в своих работах по эволюции гранитного магматизма "факторные диаграммы" с совместным участием по осям координат широкого круга породообразующих, малых и редких элементов.
Геохимические индикаторы, в отличие от пет-рохимических, характеризуют изменчивость содержания малых и редких элементов в гранитных породах. Наиболее популярным и простым из них является валовое отношение К/ЙЪ в породе, названное И.В. Александровым (1980) "калий-рубидиевым стандартом". Уменьшение валового отношения К/ЙЪ в породе хорошо коррелирует с накоплением многих редких металлов благодаря синхронному накоплению в остаточном расплаве рубидия при относительно постоянном содержании калия. Перспективной для характеристики эволюции гранитного магматизма представляется также диаграмма в координатах ЙЪ-Бг (Сырицо, 2002), основанная на противоположных тенденциях поведения ЙЪ (накапливающегося) и Бг (выводящегося из расплава) в процессе кристаллизации гранитной магмы. В.Д. Козловым и Л.Н. Свадковской (1977) предложена треугольная диаграмма в координатах индикаторных элементов (Ы + йЪ)-Б-(8г + Ва), на которой выделяются поля безрудных гранитов, находящиеся ближе к (Бг + В а) углу треугольника, гранитов ограниченно рудоносных - ближе к (Ы + ЙЪ) углу и гранитов рудоперспективных на редкие металлы, тяготеющих к Б углу. Л.В. Таусоном и др. (1987) введен "гранитный редкометальный индекс", выражающийся соотношением Б[(Ы + + йЪ)/(Зг + Ва)]. Степень эволюционного фракционирования породы тем выше, чем выше у нее значение "гранитного редкометального индекса". Дальнейшему продвижению в данной области может способствовать привлечение экспериментальных данных для физико-химического обоснования механизма действия индикаторов.
Мы предложили обратить особое внимание на величину валового отношения 2г/Ш в гранитных породах, которая закономерно уменьшается в ряду кристаллизационной дифференциации гранитов (Зарайский и др., 2000; Зарайский, Аксюк, 2005). Принципиально идентичные тренды кристаллизационной эволюции материнских гранитов и связанной с ними рудной минерализации были установлены в трех классических редкоме-тальных регионах: в Восточном Забайкалье ^-Бп-Ве-Та-КЪ), Центральном Казахстане ^-Мо-Ве) и Рудных горах (Бп-,^Та). По мере кристаллизации гранитной магмы цирконий преимущественно удаляется из расплава в твердую фазу гранита в составе кристаллизующегося акцессорного циркона, а гафний относительно обогащает остаточный расплав. В результате дей-
ствия этого механизма валовое отношение Zr/Hf во фракционирующих гранитах закономерно понижается при движении по тренду кристаллизационной эволюции расплава от гранодиорита к биотитовому граниту и далее к лейкограниту и литий-фтористому граниту. Синхронно с уменьшением Zr/Hf отношения в гранитном расплаве происходит сопряженное накопление промыш-ленно важных редких металлов W, Mo, Sn, Bi, Be, Ta, Nb, Li и др. вплоть до концентраций, обеспечивающих возможность образования их месторождений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦИРКОНИЙ-ГАФНИЕВОГО ИНДИКАТОРА
Р. Линненом (Linnen, 1998) было установлено, что гафний имеет более высокую растворимость в гаплогранитном расплаве, чем цирконий, причем повышение в расплаве концентрации Li усиливает это различие. Однако Р. Линнен проводил эксперименты раздельно с конечными членами твердого раствора - чистым цирконом (ZrSiO4) и чистым гафноном (HfSiO4). Кроме того, Р-Т условия его экспериментов были значительно выше типичных для редкометальных месторождений в гипабиссальных гранитах (P = 2 кбар, T = 1035°C). С целью подтверждения возможности распространения экспериментальных данных Р. Линне-на, на условия эволюции редкометальных гранитов нами были выполнены эксперименты по распределению Zr и Hf между синтетическими кристаллами высокогафниевого циркона (твердого раствора (Zr,Hf)SiO4 с отношением Zr/Hf = = 5.8 по весу) и гаплогранитным расплавом при параметрах более близких к условиям кристаллизации гипабиссальных гранитных массивов: Р = 1 кбар и Т = 800°С (Коренева (Девятова), Зарайский, 2003). Hf-содержащие цирконы предварительно синтезировали в гидротермальных условиях при температуре 500°С и давлении 1 кбар. Для экспериментов по распределению Zr и Hf между цирконом и расплавом были приготовлены гаплогранитные составы с тремя различными коэффициентами глиноземистости (äAl) 1.22, 1.0 и 0.85. äAl определяли как величину отношения Al2O3/(Na2O + K2O) в мольных процентах. Мольное отношение Na/K для всех гранитных составов было равно 1.63, а SiO2 = 84.13 мол. % (~78 мас. %). Кристаллы циркона размером 2-5 мкм подмешивали к заранее наплавленному и измельченному гаплогранитному стеклу, смесь засыпали в золотую ампулу, которую заваривали и выдерживали при PHO = 1 кбар и Т = 800°С в течение 35 суток
в экзоклавном реакторе. В ходе опыта Zr и Hf диффундировали из кристаллов циркона в расплав. Из полученных гаплогранитных стекол с вплавленными в них кристаллами циркона изго-
Таблица 1. Растворимость и ИГ (ррш) в гранитных расплавах в зависимости от глиноземистости расплава и содержания фтора (Т = 800°С, Р = 1 кбар, И20 = 4 мас. %)
KAl Элемент Содержание F, мас. %
0 2 4
1.22 Zr 9 ± 2 [2] 36 ± 12 [4] 44 ± 7.5 [4]
Hf 3.5 ± 0.4 8 ± 1 8 ± 1.5
1.00 Zr 245 ± 24 [2] 168 ± 38 [3] 630 ± 210 [3]
Hf 48 ± 5 31 ± 7 97 ± 26
0.85 Zr 4700 ± 470 [1] 12900 ± 1290 [1] 21400±2140[2]
Hf 619 ± 62 2480 ± 248 2830±310
Примечание. KAj = Al2O3/(Na2O + K2O), мол. %. В квадратных скобках приведено число проведенных опытов.
Таблица 2. Значения равновесных отношений 7г/ИГ в гранитных расплавах и сосуществующих с ними кристаллах циркона
KAl Отношение Zr/Hf Содержание F в расплаве, мас. %
0 2 4
1.22 Сг^Ораспл. 2.7 ± 1.9 4.3 ± 2.5 5.7 ± 1.6
(Т^Оциркон 5.8 ± 0.5 6.0 ± 0.6 6.1 ± 0.6
1
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.