О БАЛАНСЕ ВЕЩЕСТВА И МЕХАНИЗМАХ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ХРОМОВЫХ РУД В ОФИОЛИТАХ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Институт геологии Уфимского научного центра РАН
Д. Е. Савельев, В. Б. Федосеев1
О БАЛАНСЕ ВЕЩЕСТВА И МЕХАНИЗМАХ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ
ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ХРОМОВЫХ РУД В ОФИОЛИТАХ
Проблема генезиса хромитового оруденения VSp = 104 м3 при плотности = 4400 кг/м3, m = 4,4 ×107 кг,
в офиолитах привлекает внимание исследователей VCpx = 105 м3 при плотности = 3200 кг/м3, m = 3,2 ×107 кг,
на протяжении более 100 лет. Длительное время VOpx = 2×105 м3 при плотности = 3200 кг/м3, m = 6,4×107 кг.
наиболее популярными являлись магматическая Масса хрома, извлеченного из «расторгнутых»
и метасоматическая модели образования ультраба- минералов составит: mCr 7 Cr 7
Sp = 0,9×10 кг, m Cpx = 0,32×10 кг,
Cr 7
зитов и связанного с ними хромитового оруденения m Opx = 0,6 ×10 кг.
[Кравченко, 1969; Москалева, 1974; Павлов и др., Всего 1,86×107 кг хрома или 3,6×107 кг Cr2O3
1979; Thayer, 1969 и др]. В настоящее время наиболее или 108 кг = 100 тыс. тонн хромовой руды с содер-
часто формирование структурно-вещественных жанием 35% Cr2O3.
комплексов офиолитов связывается с деплетиро- Предположим, что весь извлеченный из лер-
ванием мантийных лерцолитов, сопровождающим- цолита хром концентрируется в плоском рудном
ся пластическими деформациями, проникновением теле выдержанной мощности (1 м) в том же блоке
сквозь реститы флюидов и расплавов [Перевозчи- дунитового рестита (рис. 1). Тогда параметры рудного
ков, 1995; Савельева, 1987; Чащухин и др., 2007; тела составляют: 300 м × 100 м × 1 м × 4 т/м3 = 120 000 т.
Kelemen et al., 1995 и др.]. В связи с формированием Сравнение с проведенными выше расчетами пока-
нового взгляда на офиолитовые ультрабазиты как зывает, что при условии концентрирования всего
на вещество верхней мантии, в различной степени хрома в рудном теле, мощность последнего должна
деплетированное (рестит), необходима разработка составить менее 1 м. Как известно, подобные тела
адекватных механизмов дифференциации, приво- являются весьма типичными для дунит-перидо-
дящих к формированию дунитов и локализованного титовых комплексов офиолитов.
в них хромитового оруденения. Целью данной ра- Каков же механизм образования и концен-
боты является расчет баланса вещества при образо- трирования хромшпинелидов в рудное тело: про-
вании дунитов и оценка возможности формирова- сачивание расплава (флюида) или пластическое
ния хромитового месторождения без существенного течение?
привноса хрома из внешнего источника. Рассмотрим сначала необходимые условия
Рассмотрим призматический блок ультрабази- для образования дунитов при просачивании через
тов размером 300×100×35 м, объем которого состав- ультрабазиты флюидов или расплавов. В этом случае
ляет 106 м3. Предположим, что этот блок первона- должна иметь место реакция типа:
чально сложен лерцолитом (Lc), в состав которого
Mg2Si2O6(Cr) + L1 = Mg2SiO4↓ + L2(SiO2) + Cr↓,
входят оливин (Ol), энстатит (Opx), диопсид (Cpx)
и шпинель (Sp) в следующих объемных соотноше- где L1 и L2 — соответственно «входящий» и «выходящий»
ниях: Оl — 69%, Орх — 20%, Срх — 10%, Sp — 1%. из ультрабазитов расплавы.
В составе этих минералов присутствует хром в сле- MEn = 200 г/моль, MFo = 140 г/моль, ML = X + MSiO2.
дующих массовых содержаниях: в Орх и Срх — по Поскольку «на выходе» из мантийных пород
1%, в шпинели — 20%, в оливине его концентрация чаще всего наблюдаются базальтовые расплавы,
стремится к нулю. Предполагается, что из рассмат- а содержание в них SiO2 составляет в среднем до 50%,
риваемого блока полностью удаляются все минера- можно принять ML = X + MSiO2 = 120 г/моль, тогда ML
лы за исключением оливина в результате одного составит приблизительно 60 г/моль. При «реактивном
из петрогенетических процессов в верхней мантии просачивании» через лерцолит расплава (или флюи-
(частичного плавления, реакции рестит + расплав да) из него «выносится» ⅓ массовая часть материала,
и т.д.). Одним из условий является инертное поведе- которая равна массе вносимого расплава (флюида).
ние хрома — он также остается в рестите дунитового Таким образом, через рассматриваемый нами блок
состава (D). лерцолита для превращения его в дунит необходимо
Рассчитаем объем и массу каждого из минера- «пропустить» около 300 000 т расплава (флюида).
лов, входящих в состав лерцолитового блока и со- Кроме проблем чисто физико-химического
держащих хром: плана (малая пористость мантийных ультрабазитов;
1
Кафедра физического материаловедения Нижегородского Государственного университета им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород,
e-mail fedoseev@phys.unn.ru; vbfedoseev@yandex.ru
236Геологический сборник № 10. Информационные материалы
Приходится констатировать, что механизм рудо-
образования в данной гипотезе полностью отсут-
ствует.
Выше, при расчете параметров рудного тела,
образование которого возможно за счет полного
удаления из лерцолитов шпинели и пироксенов,
нами было показано, что размеры его примерно
сопоставимы с небольшими месторождениями в ду-
нит-гарцбургитовых комплексах. Например, на
массивах Крака к объектам с рассчитанными пара-
метрами можно отнести месторождения им. Мен-
жинского, Придорожное. Близки к ним месторож-
дения Саксей-Ключевской площади. Большинство
же мелких рудопроявлений массива обладают более
низким коэффициентом рудоносности, если под
этим термином понимать отношение объема рудных
тел к объему вмещающих дунитов. Объяснить это
явление можно очень просто: часть хромшпинели-
дов, извлеченных из минералов лерцолита, осталась
рассеянной в дунитах. Труднее объяснить образо-
вание месторождений, коэффициент рудоноснос-
Рис. 1. Блок мантийных пород, испытывающий переход
ти которых значительно превышает рассчитан-
от примитивного лерцолита к дуниту
ный нами. К подобным объектам относится боль-
шинство месторождений Главного рудного поля
большая разница химических потенциалов расплава Кемпирсайского массива, а также ряд небольших
в этом блоке и соседних лерцолитовых и др.), суще- месторождений, но сложенных массивными и гус-
ствует еще одна — практически полное отсутствие товкрапленными рудами, отделенными от гарцбур-
значимых следов расплавов-флюидов, немыслимое гитов маломощной дунитовой оторочкой.
при таком масштабном просачивании. Сторонники В разрабатываемой авторами реоморфической
«реакционно-магматической гипотезы» образова- модели для образования тел хромититов различной
ния дунитов и хромитового оруденения [Kelemen густоты вкрапленности требуется только перемеще-
et al., 1995 и др.] обычно не приводят доказательств ние частиц материала, которое возможно при подъ-
«роспуска» пироксенов, хотя при предполагаемых еме мантийного вещества, инициируемого нару-
масштабах явления эти факты должны попадаться шением изостатического равновесия. Вследствие
сплошь и рядом. Получается, что процесс либо поликристаллического и полифазного состава ис-
«еще не начался» (если рассматривается лерцолит), ходного перидотита пластическое течение последне-
или он «уже завершился» (если рассматривается го сопровождается перераспределением вещества.
дунит). Но в таком случае данная гипотеза теряет В работах [Савельев, Федосеев, 2011 а, б] качествен-
важный научный компонент — проверяемость, но описан характер перераспределения геомате-
подобно «теории эволюции Дарвина», поскольку риалов с разными свойствами в условиях пластичес-
в обоих случаях отсутствуют переходные стадии кого течения.
процессов. Для систем, находящихся в однородном грави-
Но даже в случае, если реакционно-магмати- тационном поле со стационарным вибрационным
ческий процесс реально происходит, он не может воздействием (однородное сейсмическое поле),
сформировать концентрации хромита в дунитах, меняющимся по вертикали, критерий термодина-
причем в самых разнообразных соотношениях оли- мического равновесия можно представить в виде:
вин – хромит и в резко различающихся объемах,
как это наблюдается в природе. Как известно, пи- ⎛ v 2 (h) ⎞⎟
⎜
Πi = μio + ρiVi ⎜ gh + +
2 ⎟⎟
роксены составляют от 20 до 30% объема лерцолита
⎜
и чаще всего они рассеяны в породе. При их рас- ⎝ ⎠
творении и кристаллизации хромита, его зерна + p(h)Vi + θ ln(ni (h)) = const , (1)
также будут находиться в рассеянном состоянии,
и даже если учесть присутствующие в лерцолите где g — ускорение свободного падения, ρi, Vi — плотность
зерна первичной шпинели, содержание рудных и удельный (на моль или на одну частицу) объем
минералов не поднимется выше 1–5% по объему. компонентов, ni(h) — доля частиц типа i, p(h) — гидро-
237Институт геологии Уфимского научного центра РАН
статическое давление, ⟨v 2(h)⟩ — средний квадрат ско- При этом возможны несколько случаев:
рости колебания среды на высоте h, μi — стандартный — если частицы одинакового размера: ρA > ρB
химический потенциал компонента (далее в составе или (ρA + ρ0)/(ρB + ρ0) >1, то доля менее плотных
константы). Величина θ = RT, если использованы выше там, где больше скорость;
мольные характеристики компонентов и θ = kT — если
— при равной плотности и VA/VB 1, то концентрация частиц будет возрастать де субзерен со средним размером около 0,5 мм
в области больших скоростей, т. к. n(x) ~ exp(Av2(x)), (ρ = 3,19 г/см3) [Савельев, 2011]. Для хромита харак-
А > 0. Частицы с плотностью, превышающей плот- терны вариации в размерах структурных элементов
ность среды ρ0/ρ < 1, напротив, должны выталки- деформации (зерен): акцессорные минералы дуни-
ваться в область с низкими скоростями потока n(x) тов и бедновкрапленных руд мелкие (0,1–0,8 мм
~ exp(–Av2(x)), А > 0 (к «берегам» потока на рис. 2). при среднем 0,5 мм; ρ = 4,41 г/см3), в более концен-
Ур а в н е н и е ( 2 ) п о з в о л я е т о п и с а т ь и трированных рудных телах размер зерен увеличи-
относительную концентрацию частиц разного типа вается до 0,5–3 мм, наиболее крупнозернистыми
(А и В) как являются массивные хромиты (2–10 мм).
Подставим в полученное неравенство значения
nA ( z ) ⎡ v2 ( z) ⎤
= C AB exp ⎢− ( ρ AVA − ρ BVB + (VA − VB ) ρ0 ) ⎥, (3) плотности и размеров частиц минералов при усло-
nB ( z ) ⎣ 2θ ⎦ вии, что дисперсионной средой является оливин.
Для пары оливин (Ol) – ортопироксен (Opx) полу-
где константа САВ определена исходным составом сис- чим 0,04 ≈ (VOl/VOpx) < ((ρOpx+ρOl)/(ρOl+ρOl)) ≈ 1. Неравен-
темы.
ство выполняется, следовательно, в областях с вы-
Отсюда следует, что при сокой скоростью потока должна быть выше доля
частиц оливина. Частицы хромита (Chrt) согласно
VA ρ B + ρ0
( ρ A + ρ0 )VA < ( ρ B + ρ0 )VB или < (4) неравенству 1 = (VOl/VChrt) < ((ρChrt+ρOl)/(ρOl+ρOl)) ≈ 1,2
VB ρ A + ρ0 должны преобладать в областях с низкими скорос-
тями течения. С уменьшением относительного раз-
относительная концентрация частиц А будет выше мера частиц хромита, участвующих в деформации,
там, где скорость потока больше. область распространения хромита может увеличить-
ся. Особенно это должно быть характерно
для мелкодисперсных фракций, распреде-
ляющихся между крупными зернами оливи-
на и ортопироксена. Этим можно объяснить
часто наблюдаемое в природе образование
Рис. 2. Распределение частиц малой ρ 0/ ρ > 1
и ρ0/ρ < 1 большой плотности в потоке
Жирными стрелками показано направление выталки-
вающих сил, действующих на частицы. Для наклонных
течений замкнутыми кривыми обозначены линии рав-
ных скоростей
238Геологический сборник № 10. Информационные материалы
петельчатых, брекчиевидных текстур руд, которые массивов хромитовые месторождения таблитчатой
при уменьшении структурных элементов деформа- формы могут быть образованы путем образования
ции оливина преобразуются в однородные густо- дунитов на месте блока лерцолита такого же объема.
вкрапленные и массивные. При этом наиболее вероятным механизмом перехо-
Возможно, соотношение (4) позволяет объяс- да «лерцолит – дунит» следует считать частичное
нить и тот факт, что рудообразующий хромит в офи- плавление в условиях декомпрессии.
олитах никогда не ассоциирует с ортопироксеном, 2. При любом варианте образования допол-
тогда как уже в самых тонких прослоях дунита среди нительных количеств хромшпинелидов (частичное
гарцбургитов встречаются хромитовые сегрегации. плавление, реакция расплав – рестит) в рестите
Отказ от ограничения h = const, введенного первоначально они должны находиться в рассеян-
в соотношении (2), позволяет рассматривать не ном состоянии и для концентрации их в отдельные
только горизонтальные, но и вертикальные разрезы. (рудные) тела необходим определенный физико-
Модуль упругости материала частиц тоже может механический процесс.
оказать существенное влияние на характер их рас- 3. В качестве основного рудообразующего про-
пределения [Федосеев, 2010; Fedoseev, 1998]. Отож- цесса в работе предложен сегрегационный меха-
дествив упругие напряжения с гидростатическим низм, который предполагает разделение частиц
давлением p, можно получить аналог выражения (зерен минералов) в пластическом потоке. Получен-
(3) для двухкомпонентной смеси в виде: ные критерии разделения (4–5) удовлетворительно
объясняют наблюдаемые в природе минеральные
nA ⎡ p(r ) 2VA ⎛ γ AVB − γ BVA ⎞⎤ ассоциации в пластически деформированных ду-
≈ exp ⎢ ⎜⎜ ⎟⎟⎥, (5)
nB ⎢⎣ 2θ ⎝ γ Aγ B ⎠⎥⎦ нитах и перидотитах офиолитовых комплексов и,
в частности, хромитовых месторождений.
где V — объемы, а γ — модули упругости частиц.
Поведение частиц в горизонтальном сечении Литература:
определяется величиной (γAVB – γBVA). Если эта ве-
Кравченко Г.Г. Роль тектоники при кристаллизации
личина положительна, доля частиц А возрастает
хромитовых руд Кемпирсайского плутона. – М.: Наука,
в областях с высоким давлением. Отсюда следуют 1969. – 232 с.
простые закономерности:
Москалева С.В. Гипербазиты и их хромитонос-
— при равенстве размеров частиц в области ность. – Л.: Недра, 1974. – 279 с.
высоких напряжений выше доля частиц с большим
Павлов Н.В., Григорьева И.И., Гришина Н.В. Образо-
модулем упругости (более «твердые»); вание и генетические типы хромитовых месторождений
— при сопоставимых модулях упругости в геосинклинальных областей // Условия образования
области высокого давления выше доля мелких магматических рудных месторождений. – М.: Наука,
частиц. 1979. – С. 5–78.
Эти закономерности согласуются с наблюда- Перевозчиков Б.В. Закономерности локализации
емыми соотношениями минералов в деформиро- хромитового оруденения в альпинотипных гипербази-
ванных ультрабазитах. В трехкомпонентной дис- тах. – М.: Геоинформмарк, 1995. – 47 с.
персной системе, представленной гарцбургитом, Савельев Д.Е. Соотношение структур ультрабазитов
упругие константы убывают в ряду хромит – фор- и хромитового оруденения в западной части массива
стерит – энстатит, в той же последовательности Южный Крака (Южный Урал) // Геологический сборник
увеличиваются размеры структурных элементов № 9 / ИГ УНЦ РАН. – Уфа, 2011. – С. 228–235.
деформации. В результате наиболее напряженные Савельев Д.Е., Федосеев В.Б. Сегрегационный ме-
и мобильные участки системы (дунитовые тела) ханизм формирования тел хромититов в ультрабазитах
представляют собой зоны концентрации рудного ма- складчатых поясов // Руды и металлы. – 2011а. – № 5. –
С. 35–42.
териала. Рассмотренное условие объясняет не только
ассоциацию оливина и хромита в зонах пластическо- Савельев Д.Е., Федосеев В.Б. Твердофазное пере-
распределение вещества при пластическом течении ман-
го течения, но и рост хромистости шпинели и маг-
тийных ультрабазитов как ведущий механизм концен-
незиальности оливина в этих же зонах, как следст- трирования хромитов // Моделирование динамических
вие увеличения упругих констант минералов. систем: Сб. науч. тр. – Н. Новгород: Интелсервис, 2011б. –
С. 6–23.
Выводы Савельева Г.Н. Габбро-ультрабазитовые комплексы
офиолитов Урала и их аналоги в современной океаничес-
1. Простой расчет баланса вещества при обра- кой коре. – М.: Наука, 1987. – 230 с.
зовании хромитовых руд показывает, что наиболее Федосеев В.Б. Перераспределение вещества под
часто встречающиеся в пределах ультрабазитовых действием внешних полей и стационарная модель маят-
239Институт геологии Уфимского научного центра РАН
ника Челомея // Нелинейный мир. – 2010. – № 4. – VIII session of Russian acoustical society. – N. Novgorod:
C. 243–247. Intelservice Publ.Comp., 1998. – P. 91–98.
Чащухин И.С., Вотяков С.Л., Щапова Ю.В. Крис- Kelemen P.В., Shimizu N., Salters V.J.M. Extraction
таллохимия хромшпинели и окситермобарометрия уль- of mid-ocean-ridge basalt from the upwelling mantle by
трамафитов складчатых областей. – Екатеринбург: ИГиГ focused flow of melt in dunite channels // Nature. – 1995. –
УрО РАН, 2007. – 310 с. V. 375. – P. 747–753.
Fedoseev V.B. Processes of relaxation in multicomponent Thayer T. P. Gravity differentiation and magmatic re-
environments. Part 1: The redistribution of solid inclusions emplacement of podiform chromite deposits // Economic
in acoustic field // Nonlinear acoustics of solids: Proc. of the Geology Monograph. – 1969. No. 4. – Р. 132–146.Вы также можете почитать
