Диссертация: Минералогия, возраст и генезис проявлений берилла Уральской изумрудоносной полосы

Актуальность работы. Месторождения изумруда и александрита сланцевого геолого-промышленного типа Малышевское, Свердловское, Аульское и им. Крупской, расположенные на Среднем Урале и связанные со слюдитовыми комплексами, являются самыми крупными в России и одними из крупнейших в мире. В годы активной отработки из них добывалось до 16% мирового объема изумрудного сырья высокого качества. Однако, в связи с выработкой верхних горизонтов самого большого из них Малышевского месторождения и увеличением расходов на подземные работы, большую важность приобретает задача расширения сырьевой базы этого вида полезного ископаемого, выработки критериев оценки перспективности слюдитовых комплексов на берилловое, в том числе и изумрудное сырье. С 70ых гг прошлого века и до начала нынешнего в результате поисковых работ на территории Среднего Урала обнаружены проявления, которые могут стать источниками берилла, включая и изумруд (Намятов и др., 1976; Гальцин, 2000; Рудаков, 2001). Эти объекты расположены в так называемой Уральской Изумрудоносной полосе (УИП), вытянутой более чем на 200 км в меридиональном направлении и включающей 42 месторождения и проявления. В то время как Малышевское, Свердловское и другие месторождения, находящиеся в центральной части полосы исследованы достаточно детально (общее число публикаций более 300), изученность проявлений берилла на флангах УИП слабая и ограничивается, в большинстве случаев, описанием геологической позиции. В связи с этим остаются актуальными не решенные проблемы возрастной и формационной принадлежности проявлений берилла УИП и их соотношения с крупными месторождениями.
Цель работы. Настоящая работа нацелена на решение проблем возрастной и формационной принадлежности проявлений берилла на флангах Уральской Изумрудоносной полосы на основе комплексного минералого-геохимического изучения и определения возраста минеральных ассоциаций проявлений, выяснения генетических взаимоотношений между ними и условий формирования берилла. Кроме того, предполагается выявить критерии оценки перспектив бериллоносности слюдитовых комплексов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. обобщение литературных данных по месторождениям изумруда сланцевого типа;
2. проведение полевых исследований с отбором образцов и составлением представительной коллекции, предварительное описание, подготовка каменного материала к аналитическим исследованиям, включая выделение мономинеральных фракций;
3. оптико-микроскопическое и электронно-микроскопическое изучение минералов, характера их срастаний и определение возрастных отношений между выделенными минеральными ассоциациями;
4. сравнительный анализ распределения микропримесей в тальке, слюдах и берилле из проявлений и промышленных месторождений берилла; оценка возможности использования микропримесей в качестве индикатора бериллоносности и особенностей генезиса берилла
5. термобарометрическое изучение минеральных ассоциаций;
6. определение изотопного возраста минералов из разных ассоциаций и формаций Rb/Sr и U/Pb методами.
Объект исследования. На флангах УИП исследован ряд объектов, по геолого-структурной позиции схожих с крупным промышленным месторождением изумруда Малышевское. Изучены проявления берилла в слюдитах Медведевское, Глинское, Заречное и «71 км», а также не содержащие берилл карбонат-флогопитовая жила Липовского пегматитового поля и кварц-слюдяные породы проявления Черноусовское (рис. 1). Кроме того, проведено опробование участков, характеризующихся похожей геологической позицией, в районе пос. Юго-Коневское и Санарское на территории Челябинской области.
Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации положен материал, собранный автором в ходе полевых работ (2007-2011 гг.) на территории Свердловской и Челябинской областей. По личным наблюдениям составлены схемы геологического строения проявлений Заречное и «71 км». Образцы пород из проявления Медведевское предоставлены М.П. Поповым. Рабочая коллекция состоит из 121 образца слюдитов, тальковых, хлоритовых и амфибол-клиноцоизитовых сланцев, пегматоидных и кварцевых жил и 22 кристаллов берилла из 10 месторождений и проявлений. Изготовлено и изучено 75 прозрачно-полированных шлифов, 20 плоско-полированных пластин берилла и 8 пластин кварца. Различными методами проанализированы 76 мономинеральных фракций следующих минералов: слюды (59), полевого шпата (8), берилла (2), циркона (2), титанита (2), талька (1), эпидота (1) и турмалина (1). Получено 157 микроскопических и 39 электронно-микроскопических фотографий. В работе представлены результаты 410 электронно-зондовых анализов, 45 анализов LA-ICP-MS, 41 анализа ICP-MS, 26 ИК-спектров, 1 термогравитметрический анализ. На основании полученных Rb-Sr данных построено 8 изохрон, по результатам U-Pb анализа построено 5 графиков с конкордией.
Электронно-микроскопические исследования проведены в лаборатории методов локальных исследований кафедры петрологии МГУ на растровом электронном микроскопе «Jeol» JSM-6480LV. Для локального количественного анализа минеральных фаз использовалась комбинированная система рентгеноспектрального микроанализа на основе энергодисперсионного спектрометра «Inca Energy-350» и волнового дифракционного спектрометра «Inca Wave-500». Также содержания минералообразующих элементов определялись на электронно-зондовом микроанализаторе «Cameсa SX50» на кафедре минералогии МГУ и «Cameca SX 100» (ГЕОХИ РАН). Определение содержания элементов методом масс-спектрометрии индуктивно-связанной плазмы с лазерным пробоотбором (LA-ICP-MS) осуществлено с использованием масс-спектрометра «Element-XR» и лазерной установки «UP-213» в ГЕОХИ РАН. Содержания микропримесей в слюдах измерены методом масс-спектрометрии идуктивно-связанной плазмы на масс-спектрометре Finnigan ELEMENT-2 на кафедре геохимии МГУ. Анализ изотопного состава Sr выполнен на многоколлекторных масс-спектрометрах высокого разрешения TRITON (Thermo) в лаборатории геохронологии и геохимии изотопов ГЕОХИ РАН, а также в ЦИИ ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург). Инфракрасные спектры получены с помощью Фурье-спектрометра ФСМ 1201 на кафедре минералогии МГУ. Термогравиметрическое исследование проведено там же на термической установке «Derivatograph Q-1500D» (Венгрия). Микротермометрические исследования флюидных включений проводились в ИГЕМ РАН с использованием измерительного комплекса, созданного на основе термокриокамеры THMSG–600 фирмы «Linkam» (Англия), микроскопа «Amplival» (Германия), снабженного набором длиннофокусных объективов, видеокамерой и управляющим компьютером.
Научная новизна. Автором проведено детальное минералого-геохимическое изучение проявлений Медведевское, Глинское, «71 км», Заречное, Черноусовское, карбонат-слюдяной жилы Липовского пегматитового поля. С учетом данных предшественников составлены схемы их геологического строения. Объекты Медведевское и «71 км» охарактеризованы впервые. Впервые измерено содержание микропримесных компонентов в кристаллах берилла проявлений Медведевское, Глинское, «71 км», Заречное, месторождений Каменское и Квартальное, разных генераций месторождений Малышевское и Свердловское, что позволило определить различия между пегматитовым и гидротермально-метасоматическим типом берилла. Впервые получены содержания микропримесей в монофракциях темных и светлых слюд из различных пород исследованных проявлений, а также из изумрудоносных флогопитовых слюдитов месторождений Малышевское, Свердловское, Квартальное и Красноболотное и проведено сравнение с содержанием примесных компонентов во флогопите слюдитов проявлений Черноусовское, Коневское, Санарское и карбонат-слюдяной жилы Липовского пегматитового поля, не содержащих берилл. Впервые определен возраст бериллоносных пегматитов, постмагматических метасоматических пород и кварц-плагиоклазовых жил изученных проявлений берилла, а также берилл-мусковит-кварц-плагиоклазовых жил Малышевского месторождения и установлено, что в истории формирования УИП существовало три этапа образования берилла: позднемпермский (250-260 млн. лет), среднетриасовый (226-232 млн. лет) и раннеюрский (196-206 млн. лет). Полученные данные о возрасте позволяют уточнить историю геологического развития Урала в пермское, триасовое и юрское время. Предложена геолого-минералогическая и геохимическая модель формирования проявлений, включающая становление бериллсодержащих пегматитов, формирование высокотемпературных (430-450оС) флогопитовых слюдитов с бериллоносными кварц-плагиоклазовыми гнездами, формирование кварц-мусковитовых±флюорит грейзенов по ранним флогопитовым слюдитам, среднетемпературную (280-290оС) мусковитизацию флогопитовых слюдитов с формированием мусковит-берилл-эпидот-кварцевых жил и пропилитизацию (240-270оС).