Интрузивно-метасоматическая модель образования магнетитовых месторождений

В настоящее время в рамках представлений об эндогенной природе рудной минерализации большинство исследователей являются сторонниками метасоматической модели формирования железорудных месторождений так называемой скарново-магнетитовой формации. Согласно этой модели образование месторождений связывается с длительно протекающими процессами метасоматического замещения рудным веществом твердого субстрата вмещающих пород на постмагматическом этапе развития магматической системы. Источником рудного вещества являются постмагматические растворы, первоначально обогащенные железом или мобилизующие его из боковых пород на путях своего движения.
Между тем изучение многих месторождении этой формации позволяет нам обосновать другую — интрузивно-метасоматическую — модель рудо-образования, согласно которой оно происходит в магматический, точнее — позднемагматический этап развития рудно-магматической системы путем интрузии рудной флюидной магмы. Метасоматический же процесс как составная часть магматического сопровождает интрузию рудной магмы, в значительной степени осложняя весь процесс рудообразования, который в общем случае может быть определен как интрузивно-метасоматический.
Представления об интрузивном генезисе довольно обширной группы эндогенных месторождений вообще и железорудных в частности не новы и имеют достаточно длительную историю. Так, следует отметить, что в конце прошлого и начале настоящего века они пользовались широким признанием среди многих исследователей. В нашей стране наиболее последовательным сторонником этих представлений был Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, считавший уральские месторождения (горы Высокая и Благодать) образовавшимися из магнетитового расплава путем его интрузии. Позже в связи с развитием теории метасоматического рудообразования на смену представлениям интрузивного генезиса магнетитовых месторождений пришли представления об их существенно метасоматическом происхождении. Однако дискуссия о генезисе магнетитовых месторождений, по существу, не прекращалась, поскольку в литературе периодически появлялись публикации, указывающие на магматическую природу руд ряда месторождений. Особенно она оживилась после обнаружения заведомо магматических магнетитовых месторождений Эль-Лако в Чили. В последние годы представления о магматическом генезисе магнетитовых месторождений получили новые теоретические разработки.
Коротко остановимся на данных, обосновывающих предлагаемую модель и касающихся термодинамических аспектов образования рудных магм, их проявления в природных условиях, морфологии месторождений, соотношения оруденения с магматизмом, источника рудного вещества и структурно-текстурных особенностей руд.
Термодинамические аспекты образования рудных магм. В основе предлагаемой интрузивно-метасоматической модели лежат представления о рудных магмах, являющихся продуктом дифференциации силикатных магм. Закономерно возникает вопрос: с чем же следует связывать появление рудных магм в процессе эволюции силикатных расплавов? Наиболее полно этот вопрос рассмотрен А.Л. Павловым. Здесь же мы коснемся его в самой общей форме.
Использование методов равновесной термодинамики и привлечение материалов по физико-химии пирометаллургических процессов позволяют получить сведения, обосновывающие вывод о том, что одна из вероятных причин появления и обособления рудного вещества в виде рудной магмы в процессе перерождения силикатных расплавов на магматической стадии заключается в повышении содержания окислов щелочных и щелочноземельных металлов, воды и углекислоты, предопределяющих возрастание окислительных свойств расплавов и парциального давления кислорода в системе. При этом происходит перерождение силикатных магм, богатых железистыми силикатами в ферритные рудные магмы, обогащенные ферритным железом, двуокисью кремнезема, силикатами щелочных и щелочно-земельных металлов с дальнейшим их разделением ликвационным путем и последующей инъекцией рудной магмы вверх, где она формирует рудные залежи. Именно процесс ферритизации, т. е. окисления ионов двухвалентного железа силикатов до трехвалентного железа ферритов в условиях повышенной щелочности расплавов под влиянием рассмотренных выше причин, следует признать одним из главных и обязательных факторов, предопределяющих ликвационную дифференциацию первичных магм и приводящих к обособлению рудных ферритовых магм с параллельным отделением магм повышенной щелочности и кремнекислотности. Заметим, что этим обстоятельством, как нам представляется, объясняется широкое развитие щелочных пород, таких как сиениты, альбитофиры и трахиты, в рудных полях многих месторождений магнетита. Одной из характерных особенностей рудной магмы является ее высокая газонасыщенность, определяющая интенсивность процессов метасоматоза при ее становлении.
Проявление рудных магм в природных условиях. Проявление рудных (магнетитовых или гематитовых) магм в природных условиях распространены достаточно широко. Особенно же широко распространены продукты кристаллизации магм переходного типа от силикатных к рудным — магнетитсодержащие породы основного, среднего и кислого состава, в числе которых в первую очередь следует отметить рудные туфы, рудные порфиры и порфириты, часто встречающиеся на железнорудных месторождениях Алтае-Саянской складчатой области (ACCO). He повторяя обзора материала по этому вопросу, сделанного A.Л. Павловым, мы упомянем только несколько типичных случаев.
Наиболее ярким проявлением рудных магм являются магнетитовые лавы древнечетвертичного вулкана Эль-Лако в Чили, сформировавшие несколько залежей с общими запасами около 70 млн. т. В Швеции находится одно из крупнейших магнетитовых месторождений мира — Кирунавара, представления о магматическом генезисе которого уже давно стали хрестоматийными. Широко известны связанные с карбонатитами магматические магнетитовые руды, описанные Д. Робинсоном и др. В частности, В.С. Харламов отмечает, что железные руды, синрудные породы и карбонатиты кристаллизовались из высокоподвижных расплавов в основном силикатно-магнетит-карбонатного состава. Магнетит-апатитовые интрузивные тела, ассоциирующие с известково-щелочными магматическими породами, описаны Дж. Бедхамом и Р. Мортоном в Канаде. По их мнению, магнетитовые тела образовались из магнетитовой жидкости, отделившейся от силикатной магмы. Для Центрального Ирана Г. Форстером и У. Книттелем показано наличие магматических апатит-магнетитовых месторождений, являющихся продуктом излияния магнетитсодержащих расплавов, синхронных с риолитовым магматизмом. В нашей стране в Забайкалье Ю.А. Нуварьевой с соавторами описано месторождение магматических апатит-магнетитовых руд.
В ACCO широко распространены магнетит- и гематитсодержащие породы, представленные рудными туфами, рудными порфирами и порфиритами, описанными на ряде месторождений Горной Шории А.Г. Поспеловым. А.М. Дымкиным с соавторами на Холзунском, С.С. Долгушиным на Анзасском, С.С. Долгушиным и А.Л. Павловым на Ярышкольском, Э.Г. Kacсандровым на ряде рудопроявлений Алтая и т. д. Рудные туфы, рудные порфириты и порфиры — это породы, относящиеся к типично магматическим образованиям со значительным количеством рудного минерала — магнетита или гематита. По содержанию в них железа они часто приближаются к рудам, а иногда ими и являются, что отмечается, например, на Анзасском месторождении. Как магматические породы, изначально обогащенные магматогенным магнетитом, иногда в очень высокой степени, они являются прямым продуктом кристаллизации рудной магмы и в генетическом ряду интрузивная порода — руда служат переходным звеном между материнскими породами рудоносного комплекса и их производными — рудами. Их наличие прямо свидетельствует о возможности высокого концентрирования рудного вещества на магматической стадии, приводящего к образованию рудных магм, а наличие тесных взаимоотношений с рудами говорит о том, что процессы образования тех и других связанных между собой единством происхождения, отражая магматический этап развития рудоносной системы.
Структура и морфология месторождений как отражение интрузивного пути их развития. Основные структурно-морфологические особенности железорудных месторождений, связанные с автономностью их структур и морфологии относительно вмещающей среды и тенденцией расширения снизу вверх, определяющей в той или иной степени выраженную конусность их объемных фигур, не могут быть удовлетворительно поняты без привлечения представлений о формообразующей способности рудной магмы и интрузивного пути ее становления. Формообразующая способность рудной магмы обусловлена ее саморазвитием в связи с перемещением (инъекцией) ее с глубины из области высоких температур и давлений в верхние горизонты с меньшей температурой и давлением. Основным фактором саморазвития системы является прежде всего фазовое расслоение, обусловленное интенсивным протеканием окислительно-восстанови-тельных реакций структурными превращениями в жидкостях, в том числе полимеризацией расплавов, их вскипанием в результате снижения давления и другими явлениями, приводящими к разуплотнению и увеличению объема в связи с резким расширением газовой фазы. Перемещающиеся (инъецирующие) вверх рудные продукты дифференциации магмы, взаимодействуя со средой, завоевывают определенное пространство, геометрические параметры которого должны быть связаны с их физическими и термодинамическими свойствами, вследствие чего объемная фигура месторождения прямо не зависит от особенностей строения вмещающей среды. Из принципа развития перемещающейся в пространстве гидродинамической системы следует, что рудное поле должно неизбежно характеризоваться направленными изменениями от корневых частей к фронтальным. Применительно к геометрии рудно-магматического процесса это должно обозначать наличие закономерных изменений фигуры рудного поля с глубиной. Как следствие этого — фигура рудного поля должна обладать свойствами асимметрии в первую очередь в вертикальном направлении, так как глубинные части принципиально не могут быть повторены во фронтальных частях. Именно эти закономерности и отражаются в строении конкретных месторождений. Так, проведенный нами структурно-морфологический анализ железорудных месторождений ACCO показал, что основным морфологическим мотивом является расширение рудного поля от его корневых частей к фронтальным. В идеальном случае, если бы вмещающая среда была изотропна, фигура рудного поля должна была бы иметь форму гидравлического диффузора. Однако реальная геологическая среда всегда в той или иной степени анизотропна, что и приводит к искажению фигуры в первую очередь в сторону ее уплощения. В связи с этим в зависимости от степени анизотропии среды (проработанности контролирующей положение месторождения тектонической зоны, характера слоистости пород и т. д.) магнетитовым месторождениям свойственны фигуры конусовидные, уплощенно-конусовидные или даже плоские, но имеющие в продольной проекции клиновидную форму, обращенные расширенной частью вверх.
Одно из необходимых условий реализации формообразующей способности рудной флюидной магмы — инъекционный путь ее становления, при котором она, как и любая другая эндогенная жидкость, например силикатная магма, завоевывает себе определенное пространство, равное всему ее объему, включая и его увеличение за счет саморасширения. Именно в этом случае и проявляется ее структурно- и формообразующая способность, обусловливающая определенную автономность структур и морфологии месторождений относительно вмещающей среды. С другой стороны, формирование месторождения инъекционным путем возможно только при условии высокой концентрации рудного вещества в инъецирующей системе, соизмеримой с концентрацией его в рудах, так как весь (или почти весь) объем рудного вещества должен быть подан на место становления в принципе одноактно. Этим условиям, т. е. высокой концентрации рудного вещества, и удовлетворяет рудная магма, представляющая собой продукт дифференциации силикатной магмы рудоносного комплекса.
Соотношение оруденения с магматизмом и источник рудного вещества. Точка зрения о метасоматическом генезисе магнетитового оруденения базируется на представлениях о его формировании в постмагматический этап становления рудоносного комплекса. Между тем фактический материал позволяет говорить не о постмагматическом, а о магматическом, точнее — позднемагматическом времени его проявления.
Наиболее типичный случай для железорудных месторождений AССO — проявление оруденения промышленного типа после главной, но до заключительной дайковой фазы рудоносного комплекса, имеющей близкий, а иногда и тождественный состав с главной фазой. Например, на железорудных месторождениях Горной Шории — Таштагольском, Шерегешевском и др.— рудная минерализация, накладываясь на сиениты главной фазы, повсеместно рвется дайками микросиенит-порфиров. Отдавая должное трудностям установления более узкого интервала времени проявления рудной минерализации между главной фазой и дайковой, отметим, что близость по составу прорывающей оруденение дайковой фазы к составу главной дорудной фазы свидетельствует о происхождении их из одного очага, т. е. в магматический этап его развития. Кроме того, среди магматических производных достаточно часто встречаются породы с повышенным содержанием магнетита (рудные порфиры и порфириты), прямо свидетельствующие о наличии в расплаве высоких концентраций магнетита.
В этой же связи отметим, что А.Н. Маракушев и Е.П. Громеницкий, развивая представления о рудных магмах для систем, аналогичных изучаемым нами, считают оруденение не после-, а позднемагматическим, рассматривая его как составную часть собственно магматического процесса. Определяющим моментом этих построений, так же как и в рассматриваемой нами модели, являются представления о рудных флюидных магмах как высококонцентрированных системах, с внедрением которых и связано образование месторождений.
Важное значение в расшифровке взаимоотношений магматизма и оруденения имеют рудоносные эксплозивные брекчии, широко развитые на магнетитовых месторождениях ACCO. Их образование связано с закрытыми эксплозиями, осложняющими инъекции рудной флюидной магмы в условиях резкого взрывообразного расширения рудоносной системы при проникновении ее с глубины в верхние горизонты со значительным перепадом температур и давлений. Тесная временная связь рудного процесса с эксплозиями свидетельствует о приуроченности его не к постмагматическому, а к собственно магматическому или точнее — к позднемагматическому этапу развития рудно-магматической системы.
При создании любой модели рудообразования решающее значение имеют представления об источнике рудного вещества. В модели метасоматического рудообразования основным источником рудного вещества считаются вмещающие породы, из которых оно извлекается постмагматическими гидротермальными растворами и переотлагается в виде компактных рудных тел. Ho проведенный нами анализ соотношения объемов так называемых «осветленных» пород и руд показывает, что объемы «осветленных» пород превышают объемы руд всего в 1,5—3 раза. В то же время при возможном выносе из них 4—5% железа и содержании его в рудах 40—45% объем «осветленных» пород должен превышать объем руд в 8—10 раз. Однако если учесть, что высокая степень «осветления» пород с выносом из них столь значительного (4—5%) количества железа достигается только для их весьма незначительной части, то становится ясным, что в общем случае объемы «осветленных» пород должны иметь гораздо более чем 10-кратное превышение над объемом руд, что не соответствует фактическим данным. Кроме того, следует учитывать, что широко распространены случаи безжелезистых или маложелезистых вмещающих пород (известняки на Белорецком, песчаники на Ярышкольском, гранодиориты на Ирбинском месторождениях и т. д.), которые вообще не могут рассматриваться в качестве важного источника железа. Все это свидетельствует о незначительной роли заимствованного из вмещающих пород железа в общем балансе месторождения и преимущественно его ювенильной природе, с чем вполне согласуются представления о рудных магмах.
Структурно-текстурные особенности руд. В силу особенностей своего происхождения рудные магмы характеризуются высокой газонасыщенностью, обусловливающей интенсивное проявление метасоматических процессов, сопровождающих ее инъекцию и приводящих к частичному перераспределению рудного вещества с затушевыванием признаков кристаллизации руд из расплава. Однако, несмотря на осложняющее влияние метасоматоза, признаки кристаллизации руд из расплава распространены на многих месторождениях достаточно широко, и вся сложность заключается не столько в их выделении, сколько в истолковании, поскольку необходимо считаться с конвергентностью этих признаков относительно магматического или метасоматического генезиса. Например, сидеронитовые структуры, глобулярная и ее разновидности — глобулярно-линзовидная и линзовйдная, а также флюидальная и тонкополосчатая текстуры в заведомо магматических породах (габброидах и фельзитах) не вызывают сомнения в их магматическом генезисе. В рудах же аналогичные текстуры и структуры обычно считаются метасоматическими. В то же время дело не столько в конвергенции структурно-текстурных признаков, сколько в традиционности подхода к их диагностике в рудах как метасоматических образованиях.
Одним из наиболее ярких признаков кристаллизации руд из расплава являются сидеронитовые структуры, отмечаемые на многих месторождениях (Анзасском, Холзунском, Таштагольском и др.). Обычно это альбит-или скаполит-магнетитовые руды, в которых основная масса сложена магнетитом, а вкрапленники — альбитом, скаполитом, реже карбонатом. В случае понижения содержания магнетита эти руды переходят в рудные порфиры или порфириты, в которых сидеронитовая структура выражена особенно четко. Так, на Анзасском месторождении руды этого типа слагают вместе с вмещающими их рудными порфирами западную прикорневую часть месторождения. Руды с ярко выраженной сидеронитовой структурой распространены на магнетитовых месторождениях в общем-то не столь уж широко. Гораздо шире, вплоть до господствующего их развития (например, на Абаканском месторождении), распространены руды с сидеронитовой структурой, обусловленной наличием в магнетитовой или магнетитсодержащей массе порфировых вкрапленников с разным характером границ — от прямолинейных в хорошо ограненных кристаллах до извилистых и зазубренных в изометричных зернах, отражающих коррозию вкрапленников со стороны магнетита.
Широко развиты руды, структурно-текстурные особенности которых обусловлены ликвационными явлениями при становлении рудного расплава. На отдельных объектах известны руды с глобулярной текстурой, вызванной наличием глобуль магнетита. Это так называемые «бобовидные» руды Анзасского месторождения. Наиболее же широко распространены в этой группе руды со структурами переходного типа от глобулярных к линзовидно-полосчатым, линзовидным и особенно тонкополосчатым. Как разновидность тонкополосчатых отметим руды с бурундучной и рябчиковой текстурами кальцит-магнетитового, кальцит-пирит-магнетитового и апатит-магнетитового состава, широко развитые практически на всех месторождениях, особенно в богатых рудах. В настоящее время традиционными являются представления о метасоматическом генезисе полосчатых, в том числе рябчиковых и бурундучных текстур. Однако с меньшим основанием руды с такими текстурами можно рассматривать и как продукты расслоения, возможно ликвационного, рудных расплавов. Именно так подобные структуры и рассматриваются на многих месторождениях других металлов. Таким образом, рассмотрение структурно-текстурных особенностей руд в свете особых условий их формирования дает основание для представлений об образовании этих руд из газонасыщенного расплава — рудной флюидной магмы.
Подводя итог вышеизложенному, отметим, что предложенная нами интрузивно-метасоматическая модель образования магнетитовых месторождений основывается на признании магматического источника рудного вещества, образовании газонасыщенного высококонцентрированного рудного расплава (рудной флюидной магмы), интрузивного пути его становления путем одноактной инъекции как в интрузивной, так и в эксплозивной форме и последующего метасоматического перераспределения рудного вещества под воздействием газово-гидротермальной фазы, что в значительной степени маскирует первично-интрузивную природу месторождений.