Россия
Россия
Россия
В статье впервые приводится детальная петрографическая, петрохимическая и минералогическая характеристика месторождения плитчатого камня Талатшинское-2. В породах антиклинория Уралтау в первый раз был обнаружен минерал фергюсонит. Проведена корреляция изучаемого объекта с другими месторождениями плитчатого камня. Выявлено повышенное содержание щелочей, что является нетипичной характеристикой для сланцев восточного крыла Уралтауского антиклинория. Содержания ниобия и иттрия прямо указывают на принадлежность протолита к кислым щелочным образованиям. Обнаружены первые проявления редкометалльно-редкоземельной Y-Nb-Ta-минерализации в сланцах антиклинория Уралтау. На основе комплекса признаков, включая петрохимические, геохимические и минералогические, сделан вывод о том, что протолитом для пород месторождения послужили субщелочные гранитоиды.
Уралтау, максютовская серия, Талатшинское месторождение, слюдистые сланцы, фергюсонит, монацит, циркон, гранитоидный магматизм
Введение
Месторождение плитчатого камня Талатшинское-2 находится в Баймакском районе Республики Башкортостан, в 2 км западнее с. Темясово, на излучине руч. Талатши. Оно было открыто в ходе геологического изучения Талатшинской площади в 2021 году В. Н. Никоновым.
Полезная толща месторождения представляет собой пластообразную субгоризонтальную приповерхностную залежь, сложенную слюдистыми кварцитами и сланцами. Вскрышные породы представлены почвенно-растительным слоем, делювиальными суглинками и выветрелыми сланцами. В разработанном состоянии они представляют щебнисто-глинистую породу (рис. 1). На месторождении выявлены запасы строительного камня, по качеству соответствующего требованиям заказчиков. Для подобного камня нет принятых ГОСТов.
Полезная толща средней мощностью 4 м не обводнена, имеет полого-наклонное до субгоризонтального залегание. Подошва ее, определяющая глубину подсчета запасов, представлена монолитными сланцами.
Ранее поисково-оценочные исследования в интервале глубин до 6 м включали изучение обнажений (карьеров предшественников), топогеодезические работы, проходки шурфов, комплекс опробовательских и лабораторно-аналитических работ. В результате выявлено месторождение строительного камня Талатшинское-2, отнесенное ко второй подгруппе первой группы сложности геологического строения, запасы строительного камня утверждены по категории «С1» в количестве 315 106 м3, в том числе по подсчетному блоку 4С1 — 77 261 м3.
Геологическое строение района
Исследуемая территория расположена у границы восточного крыла антиклинория Уралтау с Магнитогорской мегазоной. Месторождение Талатшинское-2 локализовано в метаморфических породах максютовской серии среднего рифея (рис. 2).
Максютовская серия (RF2mk) сложена кристаллосланцами плагиоклаз-гранат-глаукофановыми, плагиоклаз-гранат-слюдисто-глаукофановыми, глаукофан-слюдисто-плагиоклазовыми, слюдисто-кварцевыми, кварцево-слюдистыми, графито-кварцевыми, графит-слюдисто-кварцевыми с прослоями пироксен-гранат-глаукофановых пород, слюдистыми и графитистыми кварцитами. Наиболее высокометаморфизованные породы — глаукофановые кристаллосланцы с переменным содержанием граната, плагиоклаза и слюд — обнажаются по долинам правых притоков р. Сакмары — рр. Талатши, Кеуште, Буреле. В долине р. Талатши эти образования отмечаются в виде линз, будин и будинированных прослоев среди толщи пологопадающих на юго-юго-восток кварцево-слюдистых сланцев. Породы смяты в мелкие, от первых до десятков метров, линейные складки. Возраст максютовской серии принимается среднерифейским согласно легенде Южноуральской серии листов (Монтин и др., 2015). Мощность свыше 1 км.
Поляковская свита (O2pl) фиксируется в разрозненных тектонических пластинах и блоках и пластинах серпентинитового меланжа Главного Уральского разлома (Коптев-Дворников, 1933). Она сложена базальтами, андезибазальтами, глинистыми и кремнисто-глинистыми и кремнистыми, богатыми тонким туфогенным материалом сланцами зеленовато-серыми, серыми, темно-серыми, вишнево-красными, реже осадочными брекчиями и конгломератами. Мощность 100—800 метров.
Кураганская свита (O2–3kr) представлена глинистыми, глинисто-слюдистыми, хлорит-серицитовыми и песчанистыми сланцами, кварцевыми алевролитами и песчаниками. Мощность у западных окраин с. Темясово более 300 м*.
Kурташская свита (O3kt) представлена кварцитами, часто слюдистыми, реже графитовыми, а также слюдисто-кварцевыми и кварцево-слюдистыми сланцами (Ожиганов, 1955). Мощность свыше 1 км.
Зилаирская свита (D3-C1zl) включает терригенно-карбонатные отложения. Свита представляет собой достаточно выдержанную по составу толщу полимиктовых песчаников, алевропесчаников, алевролитов, часто известковистых, кремнисто-глинистых, глинистых и углисто-глинистых сланцев, в подчиненном количестве гравелитов, известняков, кремнистых туффитов. Она имеет флишоидный, весьма однообразный облик: в одних случаях ритмы имеют трехчленное строение (песчаники от грубозернистых до мелкозернистых, алевролиты, глинистые сланцы), в других — двухчленное (без глинистых сланцев), среди грубозернистых песчаников встречаются маломощные прослои гравелитов, толщина ритмов — от десятков сантиметров до 2—3 м. Для пород характерна параллельная слоистость, очень редко можно встретить косослоистые пачки (Монтин и др., 2015). Мощность свыше 1 км.
Методика исследований
Были отобраны штуфные пробы сланцев весом 300—500 г вкрест простирания юго-восточной стенки карьера через каждые 15 м. При выполнении работы использованы методы оптической и электронной микроскопии. Из образцов было изготовлено 8 петрографических шлифов и 4 пластины, которые изучались под поляризационным микроскопом Zeiss Axioskop 40. Электронно-микроскопические исследования и изучение состава минералов проводились в пластинах на сканирующем электронном микроскопе TescanVega 4 Compact c энергодисперсионным анализатором Xplorer 15 Oxford Instruments. Обработка спектров производилась автоматически при помощи программного пакета AzTec One с использованием методики TrueQ. При съемке применялись следующие установки: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток зонда в диапазоне 3—4 нА, время накопления спектра в точке 20 секунд в режиме Point&ID.
Методом рентгенофлуоресцентного анализа в порошковых пробах определялся макроэлементный химический состав пород (спектрометр VRA-30, Carl Zeiss с рентгеновской трубкой с W-анодом (30—40 кВ, 40 мА). Установлены содержания некоторых микроэлементов (Zr, Y, Sr, Rb, Zn, Cu, Ni, Co, Cr, V, Nb, Ga), для большинства из которых предел обнаружения составлял 0.001 мас. %. Все аналитические исследования проведены в ИГ УФИЦ РАН (Уфа).
Результаты
Петрографическая характеристика пород
Исследуемые породы представляют собой слюдисто-кварцевые сланцы зеленоватого, красноватого и светло-коричневого цвета. Породы легко расщепляются на тонкие плитки (рис. 3, а), на поверхности которых отмечаются концентрические рисунки (рис. 3, b), скопления слюдистого материала (рис. 3, с). Иногда обнаруживается грубая полосчатость, фиксирующаяся различной цветовой окраской пород (рис. 3, d).
Текстура пород — сланцеватая и полосчатая, структура — гомеобластовая (рис. 4, а) и лепидогранобластовая (рис. 4, b), в участках отсутствия слюд — гранитовая (рис. 4, с, d). Главные породообразующие минералы — кварц (35 %), калиевый полевой шпат (30 %), мусковит (20 %), альбит (13 %). Кварц обладает изометричным обликом, границы извилистые, выражены нечётко, размеры зёрен 0.1—0.8 мм, средний размер около 0.4 мм. Слюда представлена таблитчатыми зёрнами размерами 0.1—1 мм, границы чётко выражены, по направлению спайности ровные, без извилин, по иным направлениям с неровными, ступенчатыми ограничениями. Калиевый полевой шпат образует зёрна ксеноморфного и изометричного облика, размеры 0.05—0.2 мм, границы извилистые, нечётко выражены. Альбит выполнен таблитчатыми и cубизометричными зёрнами размерами 0.03—0.11 мм, границы извилистые, нечёткие. Акцессорные минералы представлены сфеном, цирконом, монацитом, ксенотимом, колумбитом и фергюсонитом. Размеры акцессорных минералов менее 0.1 мм.
Химический состав пород
По породообразующим элементам сланцы (плитчатый камень) месторождения Талатшинское-2 (табл. 1) сильно отличаются от пород, слагающих другие месторождения антиклинория Уралтау и смежных территорий (табл. 2). На месторождении Талатшинское-2 содержание основных породообразующих элементов в сланцах следующее (мас. %): SiO2 — 69.82—76.28; Al2O3 — 13.72—17.5; Na2O + K2O — 4.11—9.93; P2O5 — 0.16—0.18. Сланцы (плитчатый камень) других месторождений плитчатого камня характеризуются более высокими содержаниями SiO2 — вплоть до 92.1 мас. %, более низкими содержаниями Al2O3 — до 6.13 мас. % и существенно более низкими содержаниями щелочей.
Модуль НКМ 0.3—0.58 (табл. 1) позволяет сделать вывод о нахождении в породе неизменённого калиевого полевого шпата и об участии в составе протолита магматического материала (Юдович, Кертис, 2000).
По химическому составу сланцы Талатшинского месторождения отличаются не только от сланцев иных месторождений плитчатого камня зоны Уралтау, но и от типоморфных сланцев в составе максютовской серии (Захаров, Аржавитина, 2007).
Содержание некоторых микроэлементов в сланцах месторождения Талатшинское-2 несвойственно породам осадочного происхождения (табл. 3). Так, содержание ниобия до 51 ppm характерно для магматических кислых щелочных пород (Григорьев, 2009), тогда как в осадочных породах количество этого элемента составляет 15—20 ppm. Содержания иттрия в исследуемых породах 51—62 ppm, что также более характерно для кислых щелочных магматических образований. Так, среднее содержание этого элемента в кислых щелочных породах может достигать 60 220 ppm (Коваленко, 1977; Самойлов, 1984), тогда как в осадочных образованиях — 22—30 ppm. Высокое содержание Zr (313—436 ppm) является характерным для субщелочных гранитоидов (Григорьев, 2009).
Минералогическая характеристика пород
Породообразующие минералы представлены кварцем, калиевым полевым шпатом, альбитом и мусковитом. Размеры породообразующих минералов приведены в разделе «Петрографическая характеристика пород». Акцессорные минералы представлены цирконом, монацитом, ксенотимом, колумбитом и фергюсонитом.
Калиевый полевой шпат (K0.93–0.97Ba0.02–0.04Na0.01–0.03)0.99–1.01[Al1.25–1.38Si2.62–2.75O8] содержит небольшие примеси Na2O (до 0.37 мас. %) и Ba2O (до 0.42 мас. %) (табл. 4). Облик зёрен ксеноморфный. В отдельных случаях содержание калиевого полевого шпата существенно выше содержаний кварца и мусковита и достигает в некоторых образцах 35 % от общего объёма, что является необычным для сланцев максютовской серии (рис. 5, a).
Плагиоклаз (Na0.98–0.99K0.1)0.99–1[Al1.12–1.25Si2.75–2.88O8] альбитизирован. СаО отсутствует. Есть небольшая примесь K2O (до 0.1 мас. %) (табл. 5). Зёрна имеют ксеноморфный облик.
Слюда в рассматриваемых породах представлена мусковитом K0.98–1.01(Al1.68–1.71Fe0.16–0.21Ti0.04–0.05Mg0.04)1.96–2.01[Al1Si3O10] с примесью MgO — до 0.56, TiO2 — до 0.57, FeO — до 3.72 мас. % (табл. 6). Отдельные участки чешуек слюд обладают более ярким свечением при изучении на электронном микроскопе, что связано с повышенным содержанием в них FeO.
Характерной особенностью циркона ((Zr0.84–0.94 Nb0.03–0.06Y0.02–0.04Th0.01–0.02Hf0.01–0.02Ta0.01)0.96–1.03[Si0.98–1.01O4]) является примесь редкометалльных и редкоземельных элементов. Содержания Hf2O3 — до 2.19, Y2O3 — до 3.94, Nb2O5 — до 5.21, Th2O3 — до 2.11, Ta2O5 — до 1.45 мас. % (табл. 7). Зёрна имеют ксеноморфный и идиоморфный облик, размер 10—100 мк (рис. 5, b).
Монацит с общей формулой (Ce0.41–0.45 Nd0.21–0.24La0.19–0.23Pr0.05–0.06Sm0.04–0.05Gd0.02–0.03Th0–0.01 Eu0–0.01Y0–0.01Dy0–0.01)0.96–1.05[P0.99–1.01O4]
представлен ксеноморфными зёрнами с субизометричным обликом. Размеры зерен — до 65 мк (рис. 5, с). Особенностью изученных монацитов является присутствие HREE: Gd2O3 — до 1.96, Dy2O3 — до 0.63, а также Th2O3 — до 1.18 мас. % (табл. 8).
Колумбит с общей формулой (Fe0.85–0.94Zr0.04–0.07Th0.03–0.04K0.01–0.02Ce0–0.01Nd0–0.01)1–1.02(Nb1.89–1.94Ta0.04–0.06 Ti0.03–0.05)1.98–2.01O6 представ-
лен ксеноморфными зёрнами с размером до 20 мк (рис. 5, d). Характерными являются примеси Zr2O3 — до 4.05, Ta2O5 — до 2.97, Ce2O3 — до 0.37, Nd2O3 — до 0.32, Th2O3 — до 2.02 мас. % (табл. 9). Колумбит образует срастания с ниобийсодержащим цирконом. Присутствуют отдельные переходные области между цирконом и колумбитом, где содержание Ta2O5 достигает 9.52 мас. % (рис. 5, d).
При изучении сланцев месторождения Талатшинское-2 была сделана первая находка минерала фергюсонит в пределах антиклинория Уралтау. Характерной особенностью фергюсонита с этого месторождения является примесь As2O3 — до 1.82; ThO2 — до 2.13; UO2 — до 1 мас. % (табл. 10). Крайне редко встречающееся аномально высокое (до 5.98 мас. %) содержание Dy позволяет называть найденный минерал Dy-фергюсонитом. Фергюсонит локализован внутри зёрен калиевого полевого шпата, представлен ксеноморфными зёрнами скелетного (рис. 6, a) и субизометричного облика (рис. 6, b).
Описанная выше Nb-Ta-Y-минералогическая ассоциация нетипична для сланцев и кварцитов максютовской серии, но является типоморфной для гранитоидов субщелочного и щелочного ряда, в том числе в более северной части Уралтау (вендский барангуловский интрузивный комплекс в Учалинском районе Башкортостана) (Алексеев, 1976; Сначёв и др., 2012; Сначёв, 2017).
Обсуждение результатов
В результате проведённых петрографических, петрохимических и минералогических исследований было установлено несоответствие полученных нами данных с прежними представлениями о строении максютовской серии в районе месторождения Талатшинское-2.
Как следует из диаграмм на рис. 7, метаморфические образования исследуемого объекта образовались в условиях пассивной континентальной окраины (рис. 7, a, b). Однако по современным представлениям структура Уралтау в целом — это реликт активной континентальной окраины, а максютовсая серия в частности — аккреционная призма (Пучков, 2010). Следовательно, столь повышенное содержание щелочей и соотношение петрогенных оксидов в изученных породах объясняется либо результатом их вторичного изменения, либо тем, что протолитом были не осадочные образования.
Принимая за основу концепцию об изохимическом характере регионального метаморфизма (Ронов и др., 1990; Фации …, 1982; Mehnert, 1969; Shaw, 1970) и модуль НКМ 0.3—0.58, свидетельствующий о наличии в породе неизменённого калиевого полевого шпата, изученные породы можно отнести к магматическим образованиям. Отношение содержаний SiO2—TiO2 (рис. 8, а) свидетельствует о магматическом протолите (Tarrey et al., 1976). Соотношение ГМ к общей щёлочности (рис. 8, b) также подтверждает магматический источник. Перед построением диаграммы Доморацкого (рис. 8, с) вычисляются относительные массовые содержания петрогенных оксидов, являющихся координатами диаграммы, сумма которых равна 100 %. Таким образом, на диаграмме Доморацкого (рис. 9, с) содержания SiO2 — 81.11—82.16, Al2O3 — 17.5—19.11, CaO — 0.18—0.22 отн. дол. %, фигуративные точки расположены внутри полей магматического протолита кислого состава. Особенности химического и минералогического состава пород указывают на то, что их протолитами могли быть субщелочные и щелочные гранитоиды: для них характерно высокое содержание щелочей и редкометалльно-редкоземельная минерализация.
На классификационной диаграмме для изменённых и метаморфизованных магматических пород образцы исследуемого объекта попадают в поле кислых пород и известково-щелочного тренда (рис. 9).
На диаграмме, приведенной на рис. 10, где использованы наименее подвижные микроэлементы для установления магматического протолита метавулканических образований, фигуративные точки составов пород месторождения тяготеют к пограничной зоне между щелочными риолитами и трахитами (Pearce, 1996). В оригинальной интерпретации они целиком попадают в область щелочных риолитов (Winchester, Floyd, 1977).
Кроме того, несмотря на высокую степень метаморфизма, в сланцах отчётливо видны реликты гранитовой структуры, а ориентировка их сланцеватости северо-западная, тогда как генеральное простирание пород максютовской серии северо-восточное.
Выводы
Породы месторождения Талатшинское-2 обладают нетипичными петрохимическими характеристиками, резко отличными от пород максютовской серии антиклинория Уралтау. Это выражается в пониженном содержании в породах SiO2 и в повышенных содержаниях Al2O3 и Na2O + K2O. Петрографические особенности указывают на то, что на отдельных участках породы сохранили первичную гранитовую структуру. Породообразующие минералы представлены кварцем, альбитом и калиевым полевым шпатом примерно в одинаковом соотношении, мусковит имеет подчинённое значение. Впервые в пределах антиклинория Уралтау обнаружен фергюсонит с высоким содержанием Dy. Редкометалльно-редкоземельная Y-Nb-Ta-минерализация с примесью Th, Hf и U, представленная ассоциацией фергюсонита, колумбита, монацита и циркона, является типоморфной для субщелочных гранитоидов. Валовые содержания ниобия в изучаемых сланцах характерны для щелочных и кислых пород. Ориентировка сланцеватости в породах месторождения дискордантна по отношению к простиранию окружающих образований. Совокупность вышеуказанных признаков указывает на то, что протолитом для сланцев (плиточного камня) месторождения Талатшинское-2 являются не осадочные, а магматические породы — субщелочные гранитоиды, претерпевшие региональный метаморфизм с утратой первичного облика интрузивных пород, ставшие внешне неотличимыми от обычных кристаллических сланцев максютов-ской серии.
1. Алексеев A. A. Магматические комплексы зоны хребта Урал-тау. М.: Наука, 1976. 226 с.
2. Григорьев Н. А. Распределения химических элементов в верхней части земной коры. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 376 с.
3. Доморацкий Н. А. Определение первичной природы метаморфических пород по содержанию в них инертных компонентов // Петрографические формации и проблемы петрогенезиса. М.: Наука, 1964. С. 166-179.
4. Захаров О. А., Аржавитина М. Ю. Геология и геохимия максютовского комплекса зоны Уралтау. Уфа: Гилем, 2007. 91 с.
5. Коваленко В. И. Петрология и геохимия редкометалльных гранитоидов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977. 206 с.
6. Коптев-Дворников В. С. Отчет о работах по составлению геологической карты масштаба 1 : 25 000 для южной части Миасского р-на Челябинской области и северной части Учалинского района (БАССР). 1933. Т. 1-2.
7. Монтин С. А., Левина Н. Б., Батрак И. Е. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1 : 200 000. Издание второе. Серия Южно-Уральская. Лист N-40-XXIX - Сибай. Объяснительная записка. М.: МФ ВСЕГЕИ, 2015. 218 с.
8. Ожиганов Д. Г. Стратиграфия и фациальные особенности силурийских отложений западного склона Южного Урала // Ученые записки Башгосуниверситета, 1955. Вып. 4. С. 55-92.
9. Первые находки Ta-Nb-минерализации в гранитоидах западного склона Южного Урала / В. И. Сначев, Д. Е. Савельев, А. В. Сначев и др. // ДАН. 2012. Т. 445. № 4. С. 441-444.
10. Пучков В. Н. Геология Урала и Приуралья (актуальные вопро-сы стратиграфии, тектоники, геодинамики и металлогении). Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2010. 280 с.
11. Ронов А. Б., Ярошевский А. А., Мигдисов А. А. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. М.: Наука, 1990. 184 с.
12. Cамойлов В. С. Геохимия карбонатитов. М.: Наука, 1984. 190 с.
13. Сначёв В. И. Перспективы гранитоидов Барангуловского массива на тантал-ниобиевое оруденение, зона Уралтау // Руды и металлы. 2017. № 1. С. 33-39.
14. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Основы литохимии. СПб.: Наука, 2000. 479 с.
15. Jensen L. S. A new cation plot for classifying subalkalic volcanic rocks. Miscellaneous, Ontario Department of Mines, 1976, 22 p.
16. Maynard J. B., Valloni R., Yu H.-Sh. Composition of modern deep-sea sands from arc-related basins. Geol. Soc. Spec. Publs. L., 1982, no. 10. pp. 551-561.
17. Mehnert K. R. Composition and abundance of common metamorphic rock types // Handbook of geochemistry. B.: Springer, 1969. V. 1. P. 272-296
18. Pearce, J. A. A User’s Guide to Basalt Discrimination Diagrams. In: Wyman, D. A., Ed., Trace Element Geochemistry of Volcanic Rocks: Applications for Massive Sulphide Exploration, Geological Association of Canada, Short Course Notes, Vol. 12, 1996 p. 79-113.
19. Roser, B. P., Korsch, R. J. Provenance Signature of Sandstone-Mudstone Suites Determined Using Discriminant Function Analysis of Major Element Data. Chemical Geology, 67, 1988, 119-139p.
20. Shaw D. M. Trace element fractionation during anataxis // Geochim. Cosmochim. Acta. 1970. V. 34. P. 237-243.
21. Tarrey, J., Dalziel, I. W. D., and DeWit, M. J. Marginal basin ‘Rocas Verdes’ complex form S. Chile: A model for Archaean greenstone belt formation. In The Early History of the Earth. Edited by B. F. Windley. Wiley, London, 1976, pp. 131-146.
22. Winchester J. A. and Floyd P. A. Geochemical Discrimination of Different Magma Series and Their Differentiation Product Using Immobile Elements. Chemical Geology, 20, 1976, 325-343.
