Рис. 1. Руководитель проекта доктор Софья Чистякова из Витватерсрандского университета в ЮАР изучает породы рифа Меренского. Фото с сайта wits.ac.zaКрупнейшие залежи платиновых руд в мире приурочены к так называемым рифам — горизонтам силикатных пород, обогащенным сульфидами и благородными металлами и расположенным в основании расслоенных интрузий. Существуют две конкурирующие гипотезы о том, как образуются платиновые руды в рифах: первая предполагает, что кристаллы платиновых и других рудных минералов формировались внутри расплава, а затем осаждались под действием силы тяжести на дно магматической камеры; вторая — что кристаллы росли прямо на дне камеры. Изучая риф Меренского в ЮАР — рудоносную структуру, в которой сосредоточена львиная доля мировых запасов платины и других металлов платиновой группы, — ученые установили, что кристаллы рудных минералов растут на месте, вдоль границ охлаждения магматической камеры, подтверждая тем самым вторую гипотезу.
Бушвелдский магматический комплекс в ЮАР — уникальное геологическое образование. Это самый крупный на Земле расслоенный плутон, занимающий площадь 67 тыс. км
2. Формирование Бушвельдского комплекса происходило в протерозое (около 2 млрд лет назад). Верхняя часть комплекса сложена андезитовыми и фельзитовыми лавами, а нижняя представляет собой расслоенную толщу магматических пород (бушвелдский расслоенный интрузив) общей мощностью около 8 км, сложенную внизу дунитами, перидотитами и пироксенитами, вверху — норитами, габбро, анортозитами и диоритами. Зональное строение магматической серии подчеркивается определенным расположением в ее пределах рудоносных горизонтов (рифов), наиболее продуктивным из которых является риф Меренского (Merensky Reef, рис. 2).
Рис. 2. Геологическая схема и разрез Бушвелдского комплекса. В основании комплекса, над так называемой базальной зоной (розовый), сложенной породами ультраосновного состава, расположена 1000-метровая критическая зона (синий), в которой сконцентрированы рудные минералы. В подошве критической зоны находится главный хромитовый пласт (зеленый), а ее верхнюю границу фиксирует протяженный платиноносный горизонт (риф Меренского), обозначенный на схеме черной линией с кружочками. Главный магнетитовый пласт (железо-титан-ванадиевые руды) залегает в подошве 2000-метровой верхней зоны. Красными кружочками показаны месторождения металлов, голубыми — месторождения флюорита. Рисунок с сайта mining-enc.ruБушвелдский комплекс содержит крупнейшие в мире запасы металлов платиновой группы (МПГ) — платины, палладия, осмия, иридия, родия, рутения: приблизительно 90% всех известных мировых запасов (установленные запасы МПГ до глубины 600 м составляют 62,5 тыс. т), хромовых руд (запасы свыше 3 млрд т до глубины 300 м), а также значительные запасы железа, олова, титана и ванадия. Содержание МПГ в разрабатываемых рудах обычно составляет 7–9 г/т, а иногда — и более 15 г/т. Разработка этих месторождений ведется с 1919 года, преимущественно подземным способом. На сегодняшний день из рифа Меренского добывают примерно 75% мировых объемов платины, 35% — палладия и более 80% — родия (рис. 3).
Рис. 3. Расположение расслоенных интрузивных комплексов, аналогичных Бушвелдскому: с платиноносными рифами (красные кружочки) и без них (зеленые кружочки). Большинство расслоенных комплексов приурочены к архейским кратонам (темно-серые области) и протерозойским щитам (серые области). Светло-серым показаны зоны фанерозойских орогенов. На врезках: b — контуры выхода на поверхность пород Бушвелдского комплекса (красный) и положение в его пределах платиноносного рифа Меренского (черные линии); с — распределение по странам мирового производства МПГ (в т/год). Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific ReportsИсследования, проведенные группой южноафриканских и австралийских ученых во главе с Софьей Чистяковой (Sofya Chistyakova) из Школы наук о Земле Университета Витватерсранда, позволили установить, как образовались залежи руд металлов платиновой группы в Бушвелдском комплексе. Результаты исследований опубликованы недавно в журнале Scientific Reports.
Чтобы ответить на вопрос о том, как образовались залежи рудных минералов рифа Меренского, ученые детально изучили положение этой структуры в пределах Бушвелдского комплекса и ее взаимоотношения с окружающими породами.
Сам риф Меренского представляет собой горизонт силикатных пород норит-пироксенитового состава мощностью от нескольких сантиметров до нескольких метров, насыщенный сульфидными рудными минералами, хромитом и минералами платиновой группы. В окружающих породах за пределами рифа Меренского эти минералы практически полностью отсутствуют.
Характерной особенностью морфологии слоев, подстилающих риф Меренского, является наличие в них углублений-воронок, обладающих крутыми (а иногда даже отрицательными) углами падения стенок. Воронки являются явно вторичными образованиями по отношению к расслоенной толще основания (рис. 4).
Рис. 4. Углубления-воронки (pothole) в кровле подстилающих риф Меренского лейконоритов и анортозитов. Буквами FW обозначены слои подстилающих пород (footwall rocks). Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific ReportsОбразование воронок сложной топологии, нарушающих слоистость подстилающей толщи, авторы связывают с разрушением и термохимической эрозией уже застывшего основания магматического очага при поступлении в очаг новых порций перегретой магмы. При этом залегающие сверху породы рифа Меренского не выстилают пол воронок (как было бы в случае гравитационного осаждения из магмы рудных минералов), а как бы обволакивают крутые и нависающие стенки воронок (рис. 5).
Рис. 5. Общая схема (а) и фотографии некоторых областей (b–e) небольшого участка рифа Меренского (зеленый цвет на схеме), окаймляющего крутые стенки и основание воронки в подстилающих анортозитах (темно-желтый на схеме). Породы рифа Меренского (на фотографиях они более темные) представлены ортопироксенитами, располагающимися между подстилающими анортозитами и перекрывающими лейконоритами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific ReportsОтсюда авторы делают главный вывод — рост минералов пород рифа Меренского происходил in situ на неровной поверхности магматической камеры, а сам риф покрывает собой не только ровные поверхности основания, но и купола и углубления-воронки (как бы драпируя неровности рельефа пола камеры). Это подтверждает гипотезу о том, что рудные минералы не осаждались на дно камеры из магматического расплава под действием силы тяжести, а нарастали на породы основания. При этом кристаллизация всего массива при остывании расплава в камере происходила от дна и краев камеры к ее центру. Это также подразумевает, что химическая эволюция расплава в магматических камерах, формирующих расслоенные интрузии, происходила в целом не путем гравитационного расслоения, а посредством физического отделения растущих in situ кристаллов от расплава, а рудоносные рифы являются элементами внутренней структуры расслоенных массивов, образующиеся в результате последовательного формирования этих массивов (то есть одновозрастные с ними).
Гипотеза образования in situ рудных минералов значительно лучше (по сравнению с гипотезой гравитационного осаждения) объясняет и чрезвычайно высокие содержания МПГ в сульфидных минералах. Низкая скорость роста сульфидных минералов позволила им аккумулировать в своем составе большое количество МПГ, поставляемых к области их кристаллизации магматической конвекцией в камере.
Еще один факт в пользу гипотезы образования in situ — меньшая мощность и более высокая обогащенность платиноидами пород рифа Меренского на субвертикальных и нависающих участках воронок по сравнению с плоскими участками основания. Это объясняется тем, что кристаллы рудных минералов на вертикальных участках росли медленнее, что позволило им накопить большее количество МПГ из окружающего расплава.
Исторически концепция гравитационного осаждения кристаллов была основной парадигмой, объясняющей эволюцию очагов расслоенной магмы. Она основывается на том, что кристаллы рудных минералов зарождаются и растут по всему объему магматической камеры в еще жидкой магме, а затем благодаря гравитационным силам оседают на дно, запуская процесс дифференциации магмы. Теперь же в результате проведенного полевого исследования доказано, что по крайней мере для Бушвелдского массива — самого крупного и эталонного во всех отношениях расслоенного магматического комплекса в мире — действовал альтернативный механизм, когда кристаллы зарождались и росли непосредственно на краях охлаждения камеры, а высвобождающаяся при этом жидкость снова вовлекалась в процесс дифференциации магматического расплава.
Авторы заявляют, что такой механизм образования рудных минералов, скорее всего, можно распространить не только на минералы группы платины, но и на другие типы магматических рудных месторождений, например, на хромитовые и магнетитовые (Fe-Ti-V) руды.
Источник:
Sofya Chistyakova, Rais Latypov, Emma J. Hunt, Stephen Barnes. Merensky-type platinum deposits and a reappraisal of magma chamber paradigms // Scientific Reports. 2019. DOI: 10.1038/s41598-019-45288-8
Владислав Стрекопытов
https://elementy.ru/novosti_nauki/433502/V_magmaticheskikh_rudnykh_mestorozhdeniyakh_platina_obrazuetsya_in_situГанс Меренски (1871–1952) — южноафриканский геолог немецкого происхождения.
В 1924 году он открыл месторождение платины близ Лайденбурга (Трансвааль, ЮАР), которое, как позже оказалось, является одним из целой серии месторождений платиноидов и золота, образующих цепочку длиной в несколько сотен километров. Все они приурочены к рудоносному горизонту Бушвелдского массива, названному впоследствии рифом Меренского (Merensky Reef).
