U-Pb age and Hf- isotope composition of zircons from platinum-bearing massifs
Malitch K.N., Badanina I.Yu.
A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia
This study firstly evaluates isotope-geochemical characteristics of zircons from ultramafic rocks of the platinum-bearing Feklistov, Kondyor, Nizhny Tagil and Guli clinopyroxenite-dunite massifs. These massifs are asociated with economic platinum-group element (PGE) placer deposits in the Eastern Siberia and Middle Urals. Hf-isotope compositions of Paleozoic zircons from wehrlite of the Feklistov massif and Mesozoic zircons from dunite of the Kondyor massif are characterized by wide variations of eHf(T) values (from -8.4±0.8 to 20.3±0.6). The significant range in eHf(t) values indicates interaction of a ‘juvenile’ mantle source (eHf(T)=~15) with distinct magma sources, possibly equivalent to a subcontinental lithospheric mantle (Griffin et al., 2000) and/or a continental crust. The similarity in the Hf-isotope evolution for Precambrian zircons from the Nizhny Tagil and Guli massifs, which occur in different geodynamic settings (mobile belt and old platform, respectively), is consistent with a global feature of their Neoarchean source. Resistant nature of zircon is responsible for preservation of isotope-geochemical markers, which are of key importance for decoding the early history and interpretation of isotope-geochemical evolution of platinum-bearing dunite.
УДК 553.491
Платиноидная минерализация золоторудного поля Эвандер Витватерсрандского бассейна (Южная Африка)
1Малич К.Н., 1Баданина И.Ю., 2Туганова С.М., 1Хиллер В.В.
1Институт геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия; 2Всероссийский геологический научно-исследовательский институт им. А.П. Карпинского, Санкт-Петербург, Россия
В статье приведены новые минералого-геохимические данные, основанные на изучении платиноидной минерализации из архейских палеороссыпей золоторудного поля Эвандер в восточной части Витватерсрандского бассейна. Платиноидная минерализация представлена монофазными индивидами минералов платиновой группы (МПГ) и полифазными агрегатами, состоящими из «ядра» на основе тугоплавких платиноидов (Ru, Os и Ir) и оторочки сперрилита. Установлено значительное распространение минералов платиновой группы, представленных поликомпонентными твердыми растворами системы Ru-Os-Ir-Pt(±Fe). В полиминеральных агрегатах диагностированы эрликманит, лаурит, Pt-Fe сплавы, Ru-Os-Ir-Rh сульфоарсениды, садбериит, полкановит и куперит. Вещественные характеристики изученных Os-содержащих МПГ Витватерсранда свидетельствуют в пользу их образования в мантийных условиях. Наличие поликомпонентных твердых растворов системы Ru-Os-Ir-Pt позволяет сделать вывод о том, что их источником являлась слабо дифференцированная в отношении элементов платиновой группы архейская мантия Земли.
|
|
|
Введение
Благодаря интенсивному внедрению локальных методов в практику минералогических исследований значительно увеличился объем информации о минералогии элементов платиновой группы (ЭПГ). Среди 135 известных минералов платиновой группы (МПГ) наиболее распространенными являются Pd- и Pt-доминирующие минералы [3, 22]. На долю минералов, содержащих Rh, а также тугоплавкие платиноиды (Os, Ir и Ru), приходится не более 30 % от всех МПГ. Однако выявление новых минеральных видов, содержащих тугоплавкие платиноиды, является источником информации о мантийном минералообразовании и способствует уточнению существующих представлений об условиях образования МПГ в мантии Земли.
|
|
|
В нашем сообщении приведены новые минералого-геохимические данные, основанные на изучении платиноидной минерализации из архейских палеороссыпей золоторудного поля Эвандер (Evander Goldfield) в восточной части Витватерсрандского бассейна.
Геологическая характеристика и аналитические методы
Витватерсрандский бассейн представляет собой эрозионный останец от значительно более обширного бассейна, который формировался в течение длительного интервала времени (3074-2714 млн. лет тому назад) в центральной и южной частях Каапвальского кратона [25, 26]. Витватерсрандский бассейн вытянут в северо-восточном – юго-западном направлении на 300 км при ширине около 100 км и выполнен мощной (более 7 км) толщей кварцитов, сланцев и конгломератов, в строении которых установлена четкая ритмичность [13]. В разрезе осадочных толщ конгломераты составляют не более 0.2 % ее мощности, слагая 16 самостоятельных горизонтов (рифов), к которым приурочено золотое и урановое оруденение с сопутствующими им МПГ. Главные ресурсы золота и платиноидов приурочены к конгломератам Центрального Ранда (Central Rand Group); их добыча ведется шахтным способом в пределах семи золоторудных полей: Эвандер (Evander), Восточный Ранд (East Rand), Центральный Ранд (Central Rand), Западный Ранд (West Rand), Карлетонвил (Carletonville), Клерксдорп (Klerksdorp) и Велком (Welkom) (рис. 1).
|
|
|
Рис. 1. Схематическая карта Витватерсрандского бассейна и местоположение главных золоторудных полей (1 – Эвандер, 2 – Восточный Ранд, 3 – Центральный Ранд, 4 – Западный Ранд, 5 – Карлетонвил, 6 – Клерксдорп, 7 – Велком) по [15]. На стратиграфической колонке показана конгломератная формация Кимберли (Риф Кимберли), платиноидная минерализация которой положена в основу нашего исследования
Более детально геологическая характеристика Витватерсрандского бассейна наряду с особенностями строения, состава и генезиса продуктивных конгломератов рассмотрены в многочисленных публикациях [7, 13, 15-17, 21, 23, 24, 26-29 и др.].
Представительная выборка МПГ, состоящая из 450 зерен размером от 60 до 150 микрометров, выделена из производственного концентрата конгломератной формации Кимберли (или Рифа Кимберли, см. рис. 1), расположенной в верхнем отделе Центрального Ранда (Turffontein Subgroup of the Central Rand Group), максимальный возраст которого равен 2940 млн. лет [28]. Временной интервал образования осадочных отложений Центрального Ранда достигал около 230 млн. лет и маркируется вышезалегающими вулканическими породами Вентерсдорпской супергруппы (Ventersdorp Supergroup), имеющими возраст ~2710 млн. лет [9, 25].
|
|
|
Для исследования морфологии и химического состава платиноидной минерализации использован комплекс методов, включающий сканирующую электронную микроскопию (JEOL-JSM6390LV, CamScan MX2500S) и рентгеноспектральный микроанализ (ARL-SEMQ, Университет Леобена, Австрия; CAMECA SX 100, ИГГ УрО РАН, Екатеринбург). Всего выполнено ~750 анализов. Детальная характеристика рентгеноспектрального микроанализа приведена нами ранее в ряде работ [1, 19].
Результаты и их обсуждение
Подавляющее большинство изученных МПГ образованы Ru-Os-Ir(-Pt) сплавами, для которых характерны значительные вариации состава. Отличительной особенностью платиноидной минерализации является широкий спектр минералов тугоплавких ЭПГ (Os, Ir, Ru), представленных, согласно номенклатуре Д. Харриса и Л. Кабри [18], рутением, осмием и рутениридосмином, которые преобладают над иридием (рис. 2). Ru-Os сульфиды представлены лауритом и эрликманитом, образующими непрерывный ряд твердых растворов (Ru # варьирует от 5 до 77). По результатам микрорентеноспектрального анализа установлено отличие состава МПГ золоторудного поля Эвандер от особенностей состава платиноидной минерализации других золоторудных полей Витватерсрандского бассейна [11, 14]. Для Ru-Os-Ir сплавов Эвандера характерно более низкое значение (Os + Ir)/(Ru + Pt + Rh) из-за повышенного содержания Ru и Pt в Os-Ir-Ru сплавах.
Рис. 2. Химические составы Ru-Os-Ir сплавов золоторудного поля Эвандер в координатах Ru – Os – Ir(+Pt), ат. %. 1 – рутениридосмин, 2 – область несмесимости [18]
Согласно исследованиям Д. Бэрда и В. Бассета [10], наличие рутениевого тренда химических составов для Ru-Os-Ir сплавов Витватерсрандского бассейна (см. рис. 2) свидетельствует об образовании данных минералов в условиях высоких давлений мантийных глубин. Высокотемпературная природа образования Ru-Os сульфидов была подтверждена экспериментально [8]. Верхняя термальная стабильность лаурита оказалась равной 1200-1250 °C при logfS2 = -1; при этом лаурит может находиться в равновесии с Os-Ir сплавами при 1200-1250 °C и logfS2 в интервале от –0.39 до –0.07 [8].
Поликомпонентные твердые растворы системы Ru-Os-Ir-Pt(±Fe) установлены как в составе мономинеральных индивидов, так и полиминеральных агрегатов (рис. 3). В составе последних данные минералы образуют ядерную часть, чаще облекаемую оторочкой сперрилита (PtAs2), реже – Ru-Os-Ir-Rh сульфоарсенидами. В полиминеральных агрегатах также диагностированы Pt-Fe сплавы, эрликманит (OsS2), лаурит (RuS2), ирарсит (IrAsS), холлингвортит (RhAsS), руарсит (RuAsS), садбериит (PdSb), полкановит (Rh12As7) и куперит (PtS).
Среди поликомпонентных твердых растворов системы Ru-Os-Ir-Pt-Fe в порядке их распространенности выявлены следующие разновидности: (Ru, Os, Ir, Pt), (Ru, Pt, Os, Ir), (Ru, Os, Pt, Ir), (Ru, Ir, Os, Pt, Fe), (Ru, Pt, Ir), (Ru, Pt, Fe), (Os, Ru, Ir, Pt), (Os, Ru, Ir, Pt), (Ir, Ru, Os, Pt), (Ru, Pt), (Pt, Ru, Fe), (Pt, Fe, Ru). Установленный тренд составов на основе тугоплавких платиноидов, платины и железа (табл. 1, ан. 1-9, рис. 3 и 4) удовлетворительно согласуются с трендом фракционирования, предложенного К. Фезером [14].
Таблица 1
Химические составы поликомпонентных твердых растворов системы Ru-Os-Ir-Pt-Fe и Pt-Fe сплавов золоторудного поля Эвандер
| Анализ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Образец | 255 | 255 | 255 | 67 | 67 | 174 | 174 | 118 | 243 | 247 |
| Рисунок | 3г | 3г | 3г | 3в | 3в | 3б | 3б | 3а |
| |
| мас. % | ||||||||||
| Fe | 0.66 | 1.60 | 1.99 | 1.68 | 2.51 | 1.93 | 3.14 | 5.32 | 7.21 | 9.10 |
| Ni | 0.00 | 0.26 | 0.07 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.15 |
| Cu | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Ru | 18.45 | 13.89 | 14.57 | 28.85 | 26.36 | 38.69 | 33.50 | 16.25 | 7.34 | 1.70 |
| Rh | 0.18 | 0.26 | 0.15 | 2.75 | 2.08 | 0.87 | 0.76 | 1.36 | 0.53 | 3.07 |
| Pd | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Os | 37.96 | 30.01 | 32.39 | 20.25 | 18.85 | 11.54 | 10.20 | 10.57 | 2.94 | 0.36 |
| Ir | 29.14 | 23.12 | 25.74 | 19.26 | 17.78 | 11.73 | 10.06 | 6.93 | 8.27 | 0.00 |
| Pt | 13.69 | 30.72 | 25.15 | 27.06 | 32.45 | 35.45 | 42.51 | 59.07 | 73.85 | 84.67 |
| S | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Сумма | 100.08 | 99.86 | 100.06 | 99.85 | 100.03 | 100.21 | 100.17 | 99.50 | 100.14 | 99.05 |
| ат. % | ||||||||||
| Fe | 1.91 | 4.71 | 5.79 | 4.38 | 6.57 | 4.74 | 7.82 | 14.35 | 20.05 | 25.23 |
| Ni | 0.00 | 0.73 | 0.19 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.40 |
| Cu | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Ru | 29.56 | 22.58 | 23.42 | 41.51 | 38.14 | 52.49 | 46.11 | 24.23 | 11.28 | 2.60 |
| Rh | 0.29 | 0.42 | 0.23 | 3.89 | 2.96 | 1.16 | 1.02 | 1.99 | 0.80 | 4.29 |
| Pd | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Os | 32.32 | 25.93 | 27.67 | 15.48 | 14.49 | 8.32 | 7.46 | 8.37 | 2.40 | 0.29 |
| Ir | 24.55 | 19.76 | 21.76 | 14.57 | 13.52 | 8.37 | 7.28 | 5.43 | 6.68 | 0.00 |
| Pt | 11.37 | 25.87 | 20.94 | 20.17 | 24.32 | 24.92 | 30.31 | 45.63 | 58.79 | 67.19 |
| S | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
Близкие по составу поликомпонентные твердые растворы платиноидов были обнаружены в шлиховых ассоциациях вне видимой связи с коренным источником в пределах Корякского нагорья на Дальнем Востоке [5], где широко развиты ультраосновные массивы дунит-гарцбургитовой формации, а также в тесной парагенетической связи с Гулинским клинопироксенит-дунитовым массивом на севере Сибирской платформы [4]. Учитывая, что платина с тугоплавкими платиноидами образует ограниченные изоморфные смеси [6, 20], выявление природных поликомпонентных растворов системы Ru-Os-Ir-Pt(-Fe) указывает на особые геодинамические условия их образования. Формирование изученного минерального парагенезиса платиноидов свидетельствует о стабильных условиях на значительных мантийных глубинах, характеризующихся повышенными P-T параметрами, определяя вмещающие их ультрамафитовые субстраты как рудообразующие системы мантийного генезиса [2].
Преобладание минералов тугоплавких платиноидов в россыпях Витватерсрандского бассейна позволяет предполагать, что доминирует источник офиолитового или/и гулинского типа. Однако, благодаря наличию более молодых перекрывающих пород не имеется никаких указаний на возможное присутствие ультраосновных массивов к северо-западу от золоторудного поля Эвандер. Джеймстонские офиолиты (Jamestown ophiolite) в архейском Барбертонском зеленокаменном поясе [12] могут свидетельствовать в пользу присутствия сходных пород в предполагаемом продолжении Барбертонского линеамента к западу. Однако металлогеническая характеристика ультрамафитов Джеймстонского офиолита [12] не отражает таковой Витватерсрандских россыпей, что ставит под вопрос его рассмотрение в качестве потенциального источника платиноидной минерализации. В данной связи, главным источником МПГ Витватерсрандского бассейна вероятнее всего были мантийные ультрамафиты архея пока неустановленной формационной принадлежности.
Рис. 3. Особенности внутреннего строения Ru-Os-Ir-Pt-(Fe) поликомпонентных твердых растворов золоторудного поля Эвандер (а – обр. W3-118, б – обр. W3-174, в – обр. W3-67, г – обр. W3-255). Все изображения в обратно-рассеянных электронах c вещественным контрастом. Номера 1-8 обозначают места проведения рентгеноспектральных микроанализов МПГ, которые соответствуют таковым в табл. 1
Рис. 4. Химические составы МПГ золоторудного поля Эвандер в координатах Pt – Fe+Cu+Ni – Os+Ru+Ir+Rh, ат. %. Цифры у точек соответствуют порядковым номерам химических анализов в табл. 1. Анализы 1-9 образуют выявленный тренд составов поликомпонентных твердых растворов системы Ru-Os-Ir-Pt-Fe
Заключение
Совокупность полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Впервые установлено значительное распространение минералов платиновой группы (МПГ), представленных поликомпонентными твердыми растворами системы Ru-Os-Ir-Pt(±Fe). Вместе с минералами рутения, осмия, иридия и рутениридосмином они преобладают над железо-платиновыми твердыми растворами, Ru-Os сульфидами и другими МПГ.
2. Наличие твердых растворов системы Ru-Os-Ir-Pt-Fe свидетельствует в пользу слабой дифференциации мантийного вещества в отношении ЭПГ.
3. Минеральные ассоциации, содержащие тугоплавкие платиноиды, являются уникальным источником информации о мантийном минералообразовании в ранней истории Земли.
Благодарности
Исследования выполнены при поддержке РФФИ (грант № 15-05-08332-а).
Список литературы
1. Баданина И.Ю., Малич К.Н., Мурзин В.В., Хиллер В.В., Главатских С.П. Минералого-геохимические особенности платиноидной минерализации Верх-Нейвинского дунит-гарцбургитового массива (Средний Урал, Россия) // Труды Института геологии и геохимии акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН. 2013. Вып. 160. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН. С. 188-192.
2. Малич К.Н., Баданина И.Ю. Природные поликомпонентные твердые растворы системы Ru-Os-Ir-Pt-Fe, их генетическое и прикладное значение // Доклады АН. 1998. Т. 363. № 1. С. 93-96.
3. Малич К.Н., Баданина И.Ю. Особенности классификации и распространенности минералов платиновой группы // XVIII Всероссийская научная конференция "Уральская минералогическая школа - 2012", посвященная благородным металлам (Au, Ag, Pt, Ir, Os, Pd, Rh, Ru). Сборник статей. Екатеринбург: Изд. ИГГ УрО РАН, 2012. С. 95-99.
4. Малич К.Н., Лопатин Г.Г. Новые данные о металлогении уникального Гулинского клинопироксенит-дунитового массива (Северная Сибирь, Россия) // Геология рудных месторождений. 1997. Т. 39. № 3. С. 247-257.
5. Рудашевский Н.С. Платиноиды в породах ультрамафитовых формаций (минералогия и генезис). Автореф. дис. ... докт. геол.-мин. наук. Л. 1989. 42 с.
6. Cавицкий Е.М., Полякова В.П. Металловедение платиновых металлов. Москва: Металлургия, 1975. 423 с.
7. Щеглов А.Д. О металлогении Южно-Африканской Республики, генезисе золоторудных месторождений Витватерсранда и проблеме открытия их аналогов в России. С-Пб.: Изд. ВСЕГЕИ, 1994. 44 с.
8. Andrews D.R.A., Brenan J.M. Phase-equilibrium constraints on the magmatic origin of laurite and Os-Ir alloy // Canadian Mineralogist. 2002. V. 40. P. 1705-1716.
9. Barton E.S., Compston W., Williams I.S., Bristow J.W., Hallbauer D.K., Smith C.B. Provenance ages for the Witwatersrand Supergroup and the Ventersdorp contact reef: constraints from ion microprobe U-Pb ages of detrital zircons // Economic Geology. 1989. V. 84. P. 2012-2019.
10. Bird J.M., Bassett W.A. Evidence of a deep mantle history in terrestrial osmium-iridium-ruthenium alloys // Journal of Geophysical Research. 1980. V. 85. P. 5461-5470.
11. Cousins C.A. Platinoids in the Witwatersrand system // Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 1973. V. 73. P. 184-199.
12. De Wit M.J., Tredoux M. PGE in the 3.5 Ga Jamestown ophiolite complex, Barberton greenstone belt, with implications for PGE distribution in the simatic litosphere // Geoplatinum 87 (Prichard H.M., Potts P.J., Bowles J.F.W., Cribb S.J. eds.). London: Elsevier, 1988. P. 319-341.
13. Du Toit A.L. Geology of South Africa, 3rd ed. Edinburgh, London: Oliver and Boyd, 1954. 611 p.
14. Feather C.E. Mineralogy of platinum-group minerals in the Witwatersrand, South Africa // Economic Geology. 1976. V. 71. P. 1399-1428.
15. Frimmel H.E. A giant Mesoarchean crustal gold-enrichment episode: Possible causes and consequences for exploration // Society of Economic Geologists. Special Publication. 2014. V. 18. P. 209-234.
16. Frimmel H.E., Groves D.I., Kirk J., Ruiz J., Chesley J., Minter W.E.L. // One Hundredth Anniversary Volume, Society of Economic Geologists (Hedenquist J.W., Thompson J.F.H., Goldfarb R.J., Richards J.P. eds.). 2005. P. 769-797.
17. Frimmel H.E., Hallbauer D.K., Gartz V.H. Gold mobilising fluids in the Witwatersrand Basin: composition and possible sources // Mineralogy and Petrology. 1999. V. 66. P. 55-81.
18. Harris D.C., Cabri L.J. Nomenclature of platinum-group-element alloys: review and revision // Canadian Mineralogist. 1991. V. 29. P. 231-237.
19. Malitch K.N., Melcher F., Muhlhans H. Palladium and gold mineralization in podiform chromitite at Kraubath, Austria // Mineralogy and Petrology. 2001. V. 73. P. 247-277.
20. Massalski T.B. (ed.) Binary Alloy Phase Diagrams. Materials Park (Ohio): ASM Intern., 1993. 2224 p.
21. Minter W.E.L., Goedhart M., Knight J., Frimmel H.E. Morphology of Witwatersrand gold grains from the the Basal reef: evidence for their detrital origin // Economic Geology. 1993. V. 88. P. 237-248.
22. O’Driscoll B., González-Jiménez J.M. Petrogenesis of the platinum-group minerals // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2016. V. 81. P. 489-571.
23. Phillips G.N., Law J.D.M. Metamorphism of the Witwatersrand gold fields: a review // Ore Geology Reviews. 1994. V. 9. P. 1-31.
24. Pretorius D.A. The sources of Witwatersrand gold and uranium: a continued difference of opinion // Historical Perspectives of Genetic Concepts and Case Histories of Famous Discoveries (Hutchinson R.W., Grauch R.I. eds). Economic Geology Publishing Company, Economic Geology Monograph, 1991. V. 8. P. 139-163.
25. Robb L.J., Davis D.W., Kamo S.L. U-Pb ages on single detrital zircon grains from the Witwatersrand Basin, South Africa: constraints on the age of sedimentation and on the evolution of granites adjacent to the basin // The Journal of Geology. 1990. V. 98. P. 311-328.
26. Robb L.J., Meyer F.M. Geological environment and mineralization processes during the formation of the Witwatersrand Au U deposits // Proceedings of XVth CMMI Congress (Anhaeusser C.R. ed.). South African Institute of Mining and Metallurgy / Geological Society of South Africa, Johannesburg. V. 3. Geology, 1994. P. 3-18.
27. Stevens G., Boer R.H., Gibson R.L. Metamorphism, fluid flow and gold remobilization in the Witwatersrand Basin: towards a unifying model // South African Journal of Geology. 1997. V. 100. P. 363-375.
28. Tweedie E.B. // Mineral Deposits of Southern Africa (Anhaeusser C.R., Maske S. eds). Geological Society of South Africa, Johannesburg. 1986. V. 1. P. 705-730.
29. Young R.B. Notes on the auriferous conglomerates of the Witwatersrand // Transactions of the Geological Society of South Africa. 1907. V. 10. P. 17 30.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 568; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!