4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время прогнозно-поисковые работы на алмазы проходят на закрытых территориях и в сложных ландшафтно-геологических обстановках. Это требует расширения сведений о минералах, используемых для локализации кимберлитовых тел на исследуемых площадях, что стало причиной возобновления интереса к флогопитам и серпентинам, являющимся индикаторными минералами кимберлитов. Однако использование этих слоистых силикатов ограничено недостатком сведений об особенностях структуры, отражающей физико-химические условия среды их образования. Поэтому изучение особенностей флогопитов и серпентинов из кимберлитовых пород с использованием современных методов анализа и аппаратуры является актуальным. Кроме того, не в полной мере изучены факторы, связанные с изменением кимберлитовых тел в ходе геологической эволюции, влияние которых необходимо учитывать при поиске и эксплуатации алмазных месторождений. Между тем, нами накоплен обширный материал по рентгенографическому изучению основной массы кимберлитов Сибирской платформы, требующий анализа и обобщения. Решение этих проблем связано с необходимостью детального рассмотрения развития вторичных минералов в основной массе кимберлитовых пород, которая представлена тонкоагрегатной смесью серпентина, карбонатов и слюдистых образований. Анализ минеральных ассоциаций вторичных минералов, а также использование выявленных особенностей серпентинов позволит выделить общие и индивидуальные черты коренных алмазных месторождений Западной Якутии.
Цель исследования - получение новых данных об особенностях флогопитов, серпентинов и развития вторичных минералов основной массы кимберлитов Западной Якутии, позволяющих использовать их для локализации и выявления признаков изменения кимберлитовых тел.
Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели, следующие:
5
1 Изучить комплексом современных методов особенности реальной структуры флогопитов из кимберлитов, заключающиеся в характере замещений в тетраэдрическом слое, заполнения межслоевых промежутков, распределения октаэдрических катионов и нарушений кристаллического строения.
2. Установить причину нестабильности относительных интенсивностей линий рентгеновской дифракции от плоскостей hkl=OOl и изменения соответствующих межплоскостных расстояний, зафиксированных у серпентинов из кимберлитовых пород.
3. Выявить особенности распределения флогопитов, серпентинов и ассоциаций вторичных минералов в основной массе кимберлитов различных алмазных месторождений Западной Якутии с использованием результатов рентгенографического анализа.
4 Определить возможности использования особенностей флогопитов и серпентинов для локализации коренных месторождений алмазов.
Фактический материал и методы исследований. Общий объем аналитических исследований при выполнении настоящей работы составил 3182 различных анализов, выполненных следующими методами рентгенографическим - 3070, электронографическим - 20, термографическим -17, микрорентгеноспектральным - 45, рентгеновской флюоресценции - 8, инфракрасной спектроскопии - 22. В результате получены структурные характеристики 52 образцов флогопитов I, II и III морфологических типов из кимберлитовых пород трубок Интернациональная, Нюрбинская, Иреляхская, Ботуобинская, Юбилейная и кимберлитоподобных пород Западной Якутии Для ряда образцов серпентинов из кимберлитовых пород трубок Поисковая, Зарница, Ботуобинская изучено изменение дифракционных характеристик и степени дефектности структуры минерала при его разрушении в процессе прокаливания Непосредственно автором проведены рентгенографические и термографические измерения, полуколичественный рентгенофазовый анализ основной массы кимберлитов и выполнена обработка результатов, полученных
6
методами инфракрасной спектроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской флюоресценции. Научная новизна.
1 Впервые исследованы особенности флогопитов из кимберлитов, определяемые областями когерентного рассеяния и микродеформациями решетки, особенностями заполнения октаэдрических слоев и межслоевых промежутков.
2. Выявлены новые особенности рентгенодифракционных характеристик серпентинов из кимберлитов, такие как нестабильность относительных интенсивностей линий отражения 001, связанные с различной степенью нарушений структуры в области ОН групп.
3. Получены новые сведения, касающиеся развития серпентинов и минеральных ассоциации вторичных минералов в основной массе кимберлитов Западной Якутии.
4. Установлено отличие флогопитов из кимберлитов и кимберлитоподобных пород Западной Якутии по параметрам с элементарных ячеек, содержанию молекулярной воды и степени нарушений кристаллического строения
Практическая значимость работы заключается в следующем.
1. Выявлены критерии, позволяющие диагностировать флогопит и серпентины при установлении их принадлежности к кимберлитовым породам
2. Разработан экспрессный способ качественной оценки нарушений кристаллического строения серпентинов из кимберлитов Западной Якутии, основанный на определении величины отношения WIooi, где 102 и I0oi ~ интегральные интенсивности полосы 02 и линии 001 дифракции, соответственно. Способ позволяет, в совокупности с другими характеристиками минерала, повысить информативность рентгенографического анализа минерального состава породы
3. Для 17 коренных месторождений алмазов Западной Якутии получены данные по распределению и степени распространения вторичных минералов в основной массе кимберлитов, которые дают возможность диагностировать
7
минеральный состав обломков и цемента различных пород вмещающих коллекторов при установлении их принадлежности к кимберлитам
4. Установленные особенности флогопита и рентгенодифракционных характеристик серпентинов позволяют усовершенствовать методику прогнозно-поисковой оценки перспективных территорий при локальном районировании
Защищаемые положения.
1 Типоморфными особенностями флогопитов I, II, III морфологических типов из кимберлитов являются характерные параметры элементарных ячеек, нарушения кристаллического строения, распределения октаэдрических катионов и состав межслоевых промежутков.
2 Свойственное серпентинам из кимберлитов разнообразие рентгенодифракционных характеристик обусловлено различной степенью ослабления относительных интенсивностей линий отражения 001 и изменением соответствующих им межплоскостных расстояний, вызванных нарушениями структуры минерала в области ОН-групп и присутствием септехлорита.
3. Характерными для коренных месторождений алмазов Западной Якутии являются серпентин-кальцитовые, кальцит-серпентиновые, доломит- серпентин-кальцитовые и хлорит-серпентиновые ассоциации Индивидуальные свойства кимберлитовых пород и признаки их вторичных изменений обнаруживаются в распределениях указанных ассоциаций, септехлоритов, серпентинов с различной степенью нарушений структуры, а также в соотношениях лизардита и хризотила.
Апробация работы. Отдельные положения и разделы работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов» (Казань, 1997), XIV Международном совещании по рентгенографии минералов (Санкт-Петербург, 1999); XV Международном совещании по рентгенографии и кристаллохимии минералов (Санкт-Петербург, 2003), Международной научной
8
конференции «Глины и глинистые минералы» (Воронеж, 2004); на
региональных и научно-практических конференциях «Геология,
• закономерности размещения, методы прогнозирования и поисков
месторождений алмазов» (Мирный, 1998); «Общество и технический прогресс
Ш
на современном этапе» (Мирный, 1999; 2004); «Проблемы прогнозирования,
поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века» (Мирный, 2003). По теме диссертации опубликовано 17 научных работ. Основные результаты исследований вошли в три отчета о научно-исследовательских работах ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА», выполненных при непосредственном участии автора.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав и заключения. Общий объем работы составляет 132 страницы, в том числе
Ы
14 таблиц и 38 рисунков и списка литературы из 122 наименований.
Работа выполнена в ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА» под руководством доктора геол.-мин. наук, профессора НН. Зинчука, которому автор выражает глубокую благодарность за внимание и содействие, оказанное в процессе исследований. Материалы работы использовались в ряде плановых бюджетных научно-исследовательских работ ЯНИГП ЦНИГРИ и договорных тем с Ботуобинской и Амакинской геологоразведочными экспедицициями в 1997-
ф. 2004 гг. При написании работы учтены критические замечания и ценные советы докторов геол -мин. наук А Э. Гойло, А.Я Ротмана, 3 В. Специуса, кандидатов геол -мин. наук И.И. Антипина, И.Н. Богуш, Е И. Бориса, А В ф Герасимчука, Н.И Горева, А.С Иванова, Г. А Кринари, В П Корниловой, Н С Занкович, Д.Д. Котельникова, А.П Жухлистова, кандидата физ -мат. наук Л П Шадриной, сотрудников ЯНИГП ЦНИГРИ О Е Ковальчука, Ю Б Стегницкого, О В Тарских, Е В Тарских, Г В Колесникова, Б.С Помазанского, Н О
*Щ Свиридовой, которым автор выражает глубокую признательность. Автор приносит благодарность специалистам отдела минералогических исследований ЯНИГП ЦНИГРИ за подобранный и предоставленный материал для исследований
9
ГЛАВА 1
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФЛОГОПИТА
И СЕРПЕНТИНОВ - ИНДИКАТОРНЫХ МИНЕРАЛОВ
КИМБЕРЛИТОВЫХ ПОРОД
Геолого-минералогическое значение слоистых силикатов, к которым относятся флогопит и серпентины, обусловлено способностью их структуры фиксировать в своих особенностях физико-химические условия образования, которые в кимберлитах многообразны. В главе рассмотрены основные направления использования флогопитов и серпентинов в целях поиска и разведки алмазных месторождений Якутии. Кроме того, кратко рассмотрены основные принципы кристаллического строения слюд и серпентинов, условия образования этих минералов в кимберлитовых породах и их особенности, связанные с кимберлитовым генезом.
1.1. Анализ основных направлений по использованию флогопита и серпентинов при поисках и разведке кимберлитовых тел
Возможность использования вторичных минералов при прогнозе и поисках коренных месторождений алмазов была выявлена в ходе изучения вещественного состава, условий образования кор выветривания и продуктов их переотложения Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакитского районов [44] При этом немаловажное место отводилось серпентинам и флогопиту, как широко распространенным индикаторным минералам кимберлитовых пород [6, 106]. При поисках шлиховым методом в районах, где кимберлиты перекрыты толщами разновозрастных осадков, этим слоистым силикатам, входящим в состав легкой фракции, придавалось особое значение. Кроме того, серпентины и флогопит представляют интерес для изучения вторичных изменений кимберлитовых пород, выступая в качестве индикаторов процессов минералообразования [24, 27],
10
Совершенствование методов по поиску и разведке кимберлитовых пород с использованием флогопита и серпентинов состоит в развитии двух направлений. Первое — установление различных типоморфных особенностей указанных минералов, второе - изучение продуктов изменения данных слоистых силикатов в корах выветривания кимберлитов. Последнее является предметом специальных исследований и не входит в объекты изучения данной работы Кроме этого, немаловажную роль в решении проблем, косвенно касающихся поисков и эксплуатации кимберлитовых тел, является выявление признаков их изменения под воздействием вторичных процессов
Типоморфная особенность - это качество минерального индивида, отражающее конкретные условия среды существования минерала в конкретные периоды его истории [100, 109]. Считается, что кимберлиты относятся к породам, обладающим ярко выраженным типоморфизмом минералов, включая флогопит и серпентины [106]. В результате детального изучения вещественного состава, закономерностей размещения и условий формирования осадочных коллекторов [85] был сделан вывод, что флогопит и серпентин могут выступать в качестве минералогических критериев при выявлении кимберлитовых тел и полей. При этом установленный структурный типоморфизм флогопита позволит типизировать ореолы ближайшего сноса и увязывать их с кимберлитовыми телами или первоисточниками другого генезиса [105] Невзирая на то, что флогопит в шлиховых ореолах относительно редок, нахождение даже единичных зерен минерала, доказанной кимберлитовой природы, может способствовать локализации источника сноса [106] Серпентины из кимберлитов, хотя и имеют ограниченное применение при поисках кимберлитовых тел, тем ни менее они также могут использоваться при локализации кимберлитовых тел [8, 44, 87, 105] В основной массе кимберлитов серпентины, как правило, представлены мелкокристаллическими агрегатами, состоящими из смеси политипов со средней и низкой степенью упорядоченности структуру. Поэтому главным способом диагностики этих минералов является рентгенографический метод. При этом важно учитывать
11
типоморфные особенности дифракционных характеристик минералов группы серпентина.
В настоящий период в практике геологоразведочных работ применение минералов легкой фракции ограничено Основным препятствием к использованию флогопитов и серпентинов при поиске коренных источников алмазов, по мнению специалистов, занимающихся разработкой шлихоминералогических методов [105], является недостаточное количество имеющихся в литературе сведений о типоморфных особенностях структуры данных слоистых силикатов, образовавшихся в кимберлитах
Наибольшее значение при поисках на алмазы придается крупному флогопиту I генерации, выполняющему роль порфировых вкрапленников [86, 87]. Однако, для установления типа первоисточника флогопита недостаточно использование только морфологических признаков минерала Во-первых — крупные кристаллы флогопита могут образовываться на границе траппов с вмещающими породами, что, например, наблюдается в Малоботуобинском районе [105]. Во-вторых - неоднозначность определения генезиса крупных вкрапленников, высвобожденных из пород корового мантийного субстрата, и того, какими породами эти ксенокристаллы были подняты [55] В то время как прямым указанием на присутствие кимберлитовых тел на исследуемых территориях является наличие в шлихах флогопита II и III генерации, участвующего в сложении основной массы кимберлитов и относящегося к выделениям кимберлитового расплава - флюида. Тем не менее, несмотря на принадлежность флогопита II и III генерации к характерным минералам кимберлитов, его структурные особенности являются наименее изученными В кимберлитах кроме того присутствует вторичный флогопит, образующийся на постмагматической стадии становления породы. Существует мнение [72], что развитие постмагматического флогопита происходит не повсеместно, а лишь в породах обогащенных, алюминием и калием, которые чаще распространены в периферийных зонах кимберлитовых провинций.
12
Важным для поисков алмазных месторождений считается установление различий между флогопитами из кимберлитов, лампроитов и других кимберлитоподобных пород [105]. Имеющиеся в литературе сведения о химическом составе флогопитов из кимберлитов, обобщенные в работе [105] не позволяют однозначно относить его к кимберлитам или лампроитам по нескольким причинам. Во-первых, отсутствуют достаточное количество сведений о химическом составе флогопитов из кимберлитов, относящихся к разным генерациям, что вносит неясность при интерпретации типа первоисточника. Во-вторых, диапазоны изменения компонентов химического состава флогопитов из лампроитов и кимберлитов имеют общие достаточно широкие области. В-третьих, не выделены наиболее информативные соотношения компонентов для выявления принадлежности флогопита к определенному типу пород. В связи с этим представляется полезным рассмотреть возможность применения структурных характеристик для определения генезиса флогопитов
Одной из проблем, затрагивающих, как поиск алмазных месторождений, так и их эксплуатацию, является совершенствование принципов геолого-генетической классификации коренных месторождений алмазов [13, 69]. Для проведения локальных прогнозно-поисковых работ важную роль играет классификация коренных месторождений алмазов, как объектов поиска, которая до настоящего времени до конца не разработана. Одним из классификационных признаков разделения на геолого-генетические типы месторождений является степень вторичных изменений алмазоносной породы При этом важно учитывать все факторы, связанные с изменением кимберлитовых пород в ходе геологической эволюции, в том числе постмагматические процессы, связанные с образованием флогопита и серпентиновых минералов.
Таким образом, одним из направлений использования флогопита и серпентинов при локализации кимберлитовых тел и определении типа первоисточника является установление их типоморфных особенностей,
13
применяемых в шлихо-минералогическом методе поиска Основным препятствием для этого является недостаточное количество признаков, доказывающих кимберлитовый генезис указанных минералов. Кроме того, окончательно не выявлены все признаки, указывающие на степень изменения кимберлитовых пород под влиянием постмагматических процессов, что косвенно касается поисков и эксплуатации алмазных месторождений. Анализ распределения и степени распространения вторичных минералов в основной массе кимберлитов Западной Якутии с использованием особенностей рентгенодифракционных характеристик серпентинов позволит более детально рассматривать степень изменения продуктивных месторождений алмазов данной территории.
1.2. Проблемы изучения вторичных преобразований кимберлитовых пород
Западной Якутии
Большинство кимберлитовых тел (трубок, даек и жил) представляют собой породы, в разной степени измененные вторичными процессами Образовавшиеся при этом постмагматические минералы, возникшие в результате пневматолито-гидротермальной деятельности, относятся к вторичным минералам [68]. Реальный облик кимберлитовых тел в значительной мере определяется развитием комплекса вторичных минералов, возникших после консолидации породы в результате эндо- и экзогенных преобразований [67]. В процессе изучения кимберлитовых пород были получены многочисленные сведения о вторичных минералах, которые впоследствии были обобщенны в работах [40, 47] К основным результатам этих исследований следует отнести а) определение диагностических признаков силикатов, карбонатов, оксидов и гидроксидов, сульфидов, сульфатов, галогенидов, фосфатов, боратов; б) выявление наиболее распространенных ассоциаций в кимберлитовых породах; с) установление факторов, влияющих на постмагматические преобразования кимберлитов; д)
14
обоснование роли вторичных минералов при поисках кимберлитовых трубок и влияния их на технологические процессы переработки породы Дальнейшее развитие представлений о процессах вторичного преобразования кимберлитов получено в исследованиях по выявлению закономерностей распределения минералов — новообразований основной массы кимберлитов трубок Мир, Удачная, Сытыканская [41]. В результате были получены свидетельства о том, что исследованные кимберлиты претерпели в процессе формирования неоднократные изменения Их интенсивность на разных стадиях формирования трубок имеет индивидуальный характер и зависит от конкретных условий минералообразования Было установлено, что существуют отличия в минеральном составе новообразований не только в разных трубках, но и в плане отдельных тел и блоков. Впервые охарактеризованы наиболее распространенные в кимберлитовых породах ассоциации новообразований, состоящие из двух и более минералов, большинство из которых является парагенетическими, что позволило решить некоторые вопросы постмагматических преобразований кимберлитовых пород [71].
Однако недостаточно изученным направлением в исследовании закономерностей преобразования кимберлитовых пород, оставалось установление роли каждого из вторичных минералов, реконструкции последовательности их образования, устойчивости в различных условиях С целью решения этих вопросов были выполнены детальные комплексные исследования вещественного состава и процессов вторичного ф минералообразования на материале из кимберлитовых диатрем Мирнинского, Далдынского, Алакит-Мархинского, Верхнему некого и Накынского кимберлитовых полей Якутской алмазоносной провинции [40]. Получен широкий спектр разнообразных выводов, в том числе касающихся (ф типоморфных свойств минералов, среди которых особое внимание уделено серпентинам, флогопитам и кальцитам, как доминирующим минералам кимберлитов. Важным итогом выполненных работ явились рекомендации по возможностям использования вторичных минералов кимберлитов для
15
определения величины эрозионного среза кимберлитовых диатрем. Также были предложены различные варианты использования основных закономерностей выветривания силикатных пород, особенностей глинистых минералов, типоморфных особенностей слюдистых минералов в корах выветривания и осадочных породах на территории Якутии.
Выполненные исследования позволили в некоторой степени восполнить пробел в изучении кимберлитовых пород, когда все петрографические построения производятся только для первичных магматических минералов, не затронутых процессами вторичного преобразования. В то же время, как показал опыт изучения кимберлитовых пород, нельзя игнорировать процессы их постмагматического преобразования, так как в конечном итоге 90-95 % объема породы составляют вторичные минералы.
Несмотря на полученные результаты по комплексному исследованию вторичных процессов в кимберлитах и возникающих при этом минералов, их нельзя считать завершенными. Для этого требуется расширение сведений о вещественном составе трубок взрыва, что позволит более детально выяснять характер вторичных преобразований кимберлитов. Незаслуженно малая роль в этих исследованиях отведена основной массе кимберлитов, которая представлена в основном тонкоагрегатной смесью серпентина, карбонатов и флогопита. Особая роль при этом должна отводиться флогопиту и серпентинам, которые относятся к индикаторным минералам кимберлитов. Эти минералы являются главными участниками серпентинизации, карбонатизации, хлоритизации - основных процессов постмагматических преобразований кимберлитовых пород, которые развиваются в каждой трубке индивидуально При этом не в полной мере отработаны признаки изменения кимберлитовых пород, которые позволили бы сравнивать различные месторождения и выявлять их общие и индивидуальные черты. Для решения этих проблем следует привлекать новые данные об особенностях вторичных минералов, полученных с помощью современных методов исследования минералов
16
Таким образом, существует ряд проблем, связанных с выявлением индивидуальных и общих свойств кимберлитовых пород Западной Якутии, измененных под воздействием процессов серпентинизации, карбонатизации и хлоритизации. Одним из способов их решения является анализ развития в основной массе кимберлитов вторичных минералов и в частности такого индикатора условий образования, как серпентин. Основной для этого является обширный фактический материал, полученный в результате рентгенографического изучения минерального состава основной массы кимберлитов Западной Якутии, и использование выявленных особенностей рентгенодифракционных характеристик серпентинов
1.3. Кристаллическая структура флогопита и условия его образования в
т
кимберлитах
Флогопит относится к слоистым структурам типа 2:1 [7, 11, 12, 118]. Трехэтажные слои образованы сочетанием октаэдрической и примыкающими к ней сверху и снизу двумя тетраэдрическими сетками Вершины всех тетраэдров соединяются лишь с 2/3 вершин октаэдров, остальная 1/3 вершин заселена группами ОН. Между собой трехэтажные слои связаны межслоевыми катионами. Флогопиту, имеющему стехиометрический состав, соответствует кристаллохимическая формула KMg3[Si3AlOi0]-(ОН, F)2 [73].
Генетическая информация о слюдах заключена в таких особенностях ее
ф структуры, как параметры элементарной ячейки, политипная модификация,
степень упорядоченности [19, 94], замещение тетраэдрических позиций
катионами Fe31", Al, Ti Кроме того, она проявляются в степени и характере
развития нарушений структуры [61] и вхождением различных форм воды
(ф (кристаллогидратная, конституционная) [3, 18]
Параметры элементарной ячейки определяются химическим составом и спецификой изоморфных замещений. В целом для флогопитов их предельные
17
границы изменения составляют следующие диапазоны [74] а (0,5307 - 0,5319) нм, Ъ (0,9190 - 0,9220) нм, с (1,0154 - 1,0298) нм, р (99°55' - 100°05')
Различия структур отдельных политипов слюд сводятся к относительному развороту соседних трехэтажных слоев относительно друг друга, при этом смещения их ограничены крупными межслоевыми катионами [94]. Введение к этому дополнительных сдвигов смежных октаэдрических и тетраэдрических сеток позволило вывести шесть теоретически возможных политипных модификаций 1М, 2МЬ ЗТ, 2М2, 2О, 6Н [37, 94]. В природе флогопит обычно кристаллизуется в политипной модификации 1М и реже 2М] [94]
Упорядоченность при наложении слоев и сеток отражается на интенсивности рефлексов с к фЗп [10, 37]. При частичной неупорядоченности эти рефлексы ослабляются и расширяются, а при полностью неупорядоченности структуры - исчезают
Распределение катионов в октаэдрическом слое триоктаэдрических слюд представляется возможным анализировать с помощью новой разработки в порошковой рентгенографии, предназначенной для изучения характера распределения катионов по цис- и трансоктаэдрическим позициям [19, 20] В октаэдрическом слое слюд имеются две неэквивалентные М(1) - цис- и М(2) — транспозиции [28] Хотя в триоктаэдрических слюдах все положения заселены, в отличие от диоктаэдрических, энергетическое различие цис- и транспозиций связано с положение ОН группы и связанным с этим различием в симметрии и строении, так октаэдры М(1) чаще бывают крупнее, чем М(2)
Но составу флогопит образует изоморфный ряд флогопит - биотит, который не является непрерывным. При упорядочении октаэдрических катионов в ряду флогопит - биотит устанавливается разрыв смесимости при содержании Fe~r от 0,35 до 0,52 формульных единиц [17] Возможность кристаллизации биотита в кимберлитах теоретически допускается исследователями [106]
В идеальной структуре железисто—магнезиальных слюд вода присутствует только в виде гидроксила ОЬГ, однако исследования ряда триоктаэдрических |
