«Процессы кристаллизационной дифференциации богатых медью сплошных сульфидных руд Талнахского и Октябрьского месторождений (на основе изучения разрезов рудных тел и экспериментального моделирования)»

Актуальность исследования Изучением Норильско-Талнахских месторождений занимались многие исследователи. Обобщение этих работ свидетельствует о том, что Сибирская трапповая провинция является самой крупной континентальной базальтовой провинцией, в пределах которой локализованы крупнейшие в мире уникальные ЭПГ-Cu-Ni-S сульфидные месторождения, которые связаны с раннетриасовыми маломощными малоглубинными дифференцированными базитгипербазитовыми интрузиями (Годлевский, 1959; Додин и др., 1971; Дюжиков и др., 1988; Рябов и др., 2000; Naldrett, 2004; Лихачев, 2006; и др.). Особенностью Норильских месторождений является большое количество минералов платиновой группы (МПГ). На момент 1990 г. уже было описано более 40 видов (Евстигнеева, Генкин, 1990), а новые минералы обнаруживаются и в последние годы (Sluzhenikin et al., 2018; Vymazalova et al., 2017, 2018 и др.). Изучены типы руд и их зональность по разрезам рудных полей, получены составы минералов (Дистлер и др., 1975, 1996; Додин и др., 2009). Многочисленные работы по минералогии массивных сульфидных руд выполнены для основной залежи Октябрьского месторождения X1-O (Додин и др., 1971; Генкин и др., 1981; Дистлер и др., 1988; Naldrett et al., 1996). Другие тела массивных руд («Южная линза-2» Талнахской интрузии) изучены фрагментарно (Krivolutskaya et al., 2018; Tolstykh et al., 2020), хотя информация об их строении, минеральном и химическом составе важна для понимания закономерностей образования массивных руд норильских месторождений. Тела сплошных руд, как правило, имеют зональное строение, которое проявляется в закономерном изменении химического состава и смене минеральных ассоциаций снизу верх и на периферию от пирротиновых руд к халькопиритовым (Дистлер и др., 1975, 1996, 1999; Генкин и др, 1981; Додин и др., 2009, что обусловлено фракционной кристаллизацией сульфидного расплава (Генкин и др., 1981; Дистлер и др., 1975, 1988; Czamanske et al., 1992; Naldrett, 2004; Barnes and Lightfoot, 2005; Holwell and McDonald, 2010; и др.). Для массивных рудных тел характерно два типа зональностей: простая, от пирротиновых руд к халькопиритовым, формирующаяся в высокосернистых условиях: и более сложная, от пирротиновых руд к кубанитовым и далее к талнахит-моихукитовым, которая формируется в низкосернистых условиях (Дистлер и др., 1975). Наряду с изучением образования основных рудообразующих минералов при фракционной кристаллизации сульфидных расплавов большое внимание уделяется изучению поведения примесей благородных металлов в этом процессе. Эта информация позволяет выявлять особенности их поведения на основе как природных наблюдений (Сabri, 2002; Genkin, Evstigneeva, 1986), так и экспериментальной информации (Makovicky, 2002; Ballhaus et al., 2001; Helmy et al., 2007; Синякова, Косяков, 2007; 2009, 2012; Holwell, McDonald, 2010 и др.). Система Fe-Ni-Cu-S является базовой геохимической системой, которая широко применяется для моделирования процессов образования магматогенных сульфидных месторождений меди и никеля и интерпретации геохимических и минералогических данных (Craig and Kullerud, 1969, Helmy et al., 2021). Из-за сложности анализа фракционной кристаллизации природных Cu-Ni сульфидных расплавов и недостатка информации для теоретического моделирования в работах (Косяков, Синякова, 2005; Косяков, Синякова, 2012) проведены прямые экспериментальные исследования систем Fe-Ni-S, Cu-Fe-S и Cu-Fe-Ni-S в средней по сере области составов, отвечающей составам сульфидных руд. Результаты подобных экспериментов позволяют определить принципиально возможные типы зональности рудных тел в рассматриваемой многокомпонентной системе и выполнить моделирование сульфидных рудных тел по минералогическим и химическим данным об их строении. Важным аспектом использования направленной кристаллизации является моделирование поведения примесей благородных металлов в процессе фракционной кристаллизации. Результаты экспериментов позволяют: 1) определить значения коэффициентов распределения микропримесей между кристаллической матрицей и расплавом и их зависимость от состава расплава; 4 2) установить формы выделения микроэлементов в виде самостоятельных минералов, а также условия их образования; 3) использовать данные по распределению микроэлементов как индикаторов процессов фазовых превращений в системе, образованной макрокомпонентами. Объект исследования Объект работы – PGE-Ni-Cu сплошные сульфидные руды Талнахской и Хараелахской интрузий. Выбор объекта обусловлен возможностью прямого сравнения двух рудных тел, сформированных в результате фракционирования и кристаллизации богатых медью сульфидных расплавов, но тем не менее имеющих существенные различия в строении и минералогии. Цель исследования Выявление типов зональности сплошных рудных тел норильских месторождений и установление закономерности концентрирования благородных металлов в халькопиритовых рудах Талнахского и моихукитовых рудах Октябрьского месторождений, с последующим сопоставлением этой информации с данными, полученными при изучении направленно закристаллизованного слитка, имитирующего богатые медью руды. Задачи исследования 1. Изучить минеральные ассоциации и состав рудообразующих минералов и минералов платиновой группы (МПГ) по разрезам халькопиритовых руд Талнахского месторождения и моихукитовых руд Октябрьского месторождения; 2. Описать строение рудных тел на основе сменяемости минеральных ассоциаций по разрезу; 3. Выявить вариации главных элементов и примесей, а также закономерности их распределения по разрезам; 4. Методом направленной кристаллизации получить образец, имитирующий зональность тела сплошных сульфидных руд; 5. Определить последовательность выделения основных фаз из расплава и при субсолидусном распаде, приводящую к зональности закристаллизованного образца; 6. Исследовать формы выделения благородных металлов в закристаллизованном образце; 7. Сопоставить минералогический состав природных руд и экспериментального образца. Фактический материал Исследование выполнено по образцам природных руд из двух скважин, вскрывающих моихукитовые и халькопиритовые руды, и экспериментально полученному направленно закристаллизованному слитку. Линза моихукитовых руд расположена в северо-западной части Хараелахской интрузии в поле рудника «Октябрьский». Изучался разрез линзы по керну скважины 441. Для этого было отобрано 22 образца керна с интервалом отбора менее 5 м., изготовлено 86 аншлифов. Линза халькопиритовых руд «Южная линза-2» расположена в южной части Талнахской интрузии в поле рудника «Маяк». Изучался разрез линзы по керну скважины ЕМ-7. Для этого было отобрано 25 образцов керна с интервалом отбора менее 0,5 м., изготовлен 41 аншлиф. Для характеристики сульфидных и благороднометалльных фаз природных руд суммарно выполнено около 7000 анализов методом сканирующей электронной микроскопии, около 2000 микрозондовых анализов. Изготовлено и проанализировано методом ICP-MS 15 и 19 валовых проб для характеристики разрезов по скважинам ЕМ-7 и 441 соответственно. Направленно закристаллизованный слиток (длиной 105 мм, диаметром 8 мм), который имитирует зональность богатых медью сплошных руд, был распилен на шайбы толщиной 3мм. Было отобрано 20 шайб с интервалом 0-6мм, из которых были изготовлены аншлифы. Для характеристики сульфидных и благороднометалльных фаз слитка выполнено около 1500 анализов методом сканирующей электронной микроскопии. Научная новизна Выполнено сравнение двух типов руд, образовавшихся из обогащенных медью расплавов. Выявлено, что линза «моихукитовых» руд на самом деле сложена путоранитовыми рудами. Предложен механизм ликвации станидной и плюмбидной жидкостей в сульфидных расплавах в 5 дополнение к ранее известному механизму ликвации арсенидных и теллуридных жидкостей (Helmy et al., 2007). Сделана находка пентландита с содержанием палладия до 11,26 мас. %, что в несколько раз выше ранее известных значений (Dare et al., 2010; Brovchenko et al., 2020 и др.). Статистическими методами определена схема замещения катионов палладием, проведён количественный расчёт замещения. Впервые минералогический состав изученных руд сопоставлен с результатами эксперимента по кристаллизационной дифференциации имитационного сульфидного расплава, и сделана физико-химическая интерпретация процесса рудообразования. Теоретическая и практическая значимость Данное исследование дополняет существующие представления о минералогической и геохимической зональности двух генетически разных залежей, а полученные результаты могут быть использованы для детализации геологических моделей, прогнозирования структуры рудных тел и выявления в них областей с повышенными концентрациями МПГ при оценке промышленной значимости новых месторождений. Защищаемые положения 1. 1. Халькопиритовые руды Талнахского месторождения имеют ярко выраженную минералого-геохимическую зональность, обусловленную фракционированием обогащенного медью сульфидного расплава с образованием высокосернистой минеральной ассоциации (фугитивность серы fS2 увеличивается снизу-вверх от -9,7 до -7,7), тогда как в разрезе моихукитовых руд Октябрьского месторождения, сложенных низкосернистой ассоциацией (-12 fS2), фракционная зональность отсутствует. Различия минеральных ассоциаций обусловлены разными исходными составами сульфидных расплавов и физико-химическими условиями их кристаллизации. 2. Процесс фракционной кристаллизации модельного расплава приводит к образованию сложной зональности (пирротин -> кубанит -> путоранит), которая имитирует зональность богатых медью руд. Примеси благородных металлов присутствуют в виде твердых растворов в сульфидах и образуют собственные фазы по разным механизмам: а) кристаллизация из сульфидного расплава, б) распад твёрдых растворов, в) отделение расплава подсистемы Cu(Fe, Ni) – S(Pb, Bi, Sb) – ЭПГ(Ag, Au) от материнского сульфидного с последующей его кристаллизацией при Т<560 оС. 3. Палладий, помимо образования собственных фаз минералов, в значительном количестве (до 11,26 мас. %) входит в структуру пентландита, замещая никель: один атом никеля замещается 0,71 атомами палладия и 0,30 атомами железа. Обогащенный палладием пентландит образовался в результате воздействия пострудных гидротермальных растворов (флюидов), содержащих Pd и Fe, в локальных участках руд. Апробация результатов Результаты работы изложены в двух статьях: 1) Kalugin, V.; Gusev, V.; Tolstykh, N.; Lavrenchuk, A.; Nigmatulina, E. Origin of the Pd-Rich Pentlandite in the Massive Sulfide Ores of the Talnakh Deposit, Norilsk Region, Russia. Minerals 2021, 11, 1258. 2) Sinyakova, E.; Goryachev, N.; Kokh, K.; Karmanov, N.; Gusev, V. The Role of Te, As, Bi, and Sb in the Noble Metals (Pt, Pd, Au,Ag) and Microphases during Crystallization of a Cu-Fe-S Melt. Minerals 2023, 13, 1150. Результаты представлены в виде устных докладов на двух конференциях («МНСК-2021», г. Новосибирск и «Современные проблемы геохимии-2021», г. Иркутск), и на научнопроизводственном совещании «Рудоносность базит-гипербазитовых интрузивов и перспективы выявления новых месторождений», 2021, г. Петрозаводск. Структура работы Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 167 страницах, содержит 19 таблиц, 67 рисунков и 3 приложения. Список литературы содержит 185 публикаций. 6 Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям, д.г.-м.н. Толстых Надежде Дмитриевне (ИГМ СО РАН) и д.г.-м.н. Синяковой Елене Фёдоровне (ИГМ СО РАН) за планирование и ведение диссертационной работы и всестороннее консультирование автора. Особенно хочется поблагодарить к.г.-м.н. Калугина Валерия Михайловича (ФГБУ ЦНИГРИ) за предоставленные образцы руд и непосредственное участие в большинстве этапов выполненного исследования. Существенную помощь в подготовке полированных препаратов-аншлифов оказал Цаплин В.Г. Автор глубоко признателен сотрудникам лаборатории рентгеноспектральных методов анализа ИГМ СО РАН: Карманову Н.С., Хлестову М.В., Титову А.Т., Нигматулиной Е.Н., Даниловской В.А. за всестороннюю помощь в проведении аналитики образцов руд. Также автор крайне благодарен Лавренчуку А.В. за неоценимую помощь в статистической обработке аналитических данных. Постановка эксперимента по направленной кристаллизации была бы невозможна без участия Коха К.А. За помощь в подборе актуальной литературы хочется сказать спасибо Белкиной Н.Б. Также хочется поблагодарить за консультации и обсуждения работы Изоха А.Э., Вишневского А.В., Подлипского М.Ю., Шелепаева Р.А., Белянина Д.К., Айриянц Е.В. и других сотрудников ИГМ СО РАН. Неоценимую роль сыграли советы и моральная поддержка со стороны коллег и друзей Чайки И.Ф., Кузьмина И.А., Ефимова М.А., Шаповаловой М.О., Гарсия Дж., Иванова А.В., Метелкина Е.К., Затолокиной К.И. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-35-90088 «Типы зональности и закономерности распределения благороднометальной минерализации в богатых медью массивных сульфидных рудах Талнахского и Октябрьского месторождений» и частичной финансовой поддержке гранта министерства науки и высшего образования РФ № 13.1902.21.0018 «Фундаментальные проблемы развития минерально-сырьевой базы высокотехнологичной промышленности и энергетики России».