Значение ликвидации щелочной магмы фомировании апатито-нефилиновых месторождений Хибинского массива

Делицын Л.М., д.г.-м.н, НИЦ «Экология» ОИВТРАН

Хибинский массив - крупнейшая в мире платформенная интрузия щелочных пород располагается на Кольском полуострове в зоне грабеноподобного опускания глубинного Северо-восточного разлома, доходящего до границы Мо-хоровичича (рис.1). Установленное геофизическими исследованиями значительное поднятие земной коры под массивом определенно указывает на связь между положением массива и поднятием подкорового субстрата. Хибинский массив, возраст которого 290±10 млн. лет, обладает автономным внутренним строением, не связанным со структурой вмещающих пород рамы - архея и протерозоя.

В средней части массива между хи-бинитами и рисчорритами протягивается прерывистая дугообразная полоса ийолит-уртитовых пород, с которыми неразрывно связаны все промышленные месторождения апатито-нефелиновых руд. Площадь выхода ий-олит-уртитов на современном эрозионном срезе составляет 78.3 км2, но в них сосредоточено 32.8% фосфора, тогда как остальные 67.2% фосфора рассеяны в нефелиновых сиенитах, занимающих 1248.7 км2, т.е. 94.1% площади массива. Доля же апатито-нефелиновых месторождений в массиве не превышает 0.17%, однако здесь сконцентрировалось почти 1 млрд.т фосфорной кислоты. Степень концентрирования фосфора в ийолит-уртитах и приуроченных к ним апатито-нефелиновых телах столь велика, что на 1-2 порядка выше, чем в остальных породах массива (табл.1). В морфологическом отношении апатито-нефелиновые месторождения представлены линзообразными телами, выклинивающимися по падению, по восстанию и простиранию. Протяженность по простиранию и падению обычно в 10-30 раз превышает мощность рудных тел. Рудные тела слагаются слоями богатых и бедных текстурных типов руд, положение которых в пространстве, объемы и состав находятся в определенных количественных соотношениях (рис.2, табл.2).

Апатито-нефелиновые месторождения - явление в природе уникальное, и аналогов им до настоящего времени не обнаружено. Громадные рудные тела, протягивающиеся на многие километры, поражают воображение исследователей и невольно заставляют задумываться о причинах данного феномена. Высказываемые ранее гипотезы их происхождения весьма противоречивы и не объясняют основной механизм, приведший к концентрированию на ничтожном участке земной коры столь грандиозных скоплений фосфора в виде фторапатита.


Изученность апатито-нефелиновых месторождений очень высока, и мы лишь подчеркнем те кардинальные параметры геологического строения, которые должны быть объяснены в любой гипотезе их образования:

• закономерное размещение промышленных рудных тел в контурах ийолит-уртитовой дуги, корреляция между мощностью ийолит-уртитов и объемами рудных тел;

• связь между мощностью рудных тел, глубиной их залегания и вещественным составом, выдержанность строения рудных тел, распространенность богатых и бедных текстурных типов руд;

• устойчивость количественного минерального состава текстурных типов руд, устойчивость количественных фазовых соотношений в рудах и породах месторождений;

• стабильность химического состава главных породообразующих минералов в текстурных типах руд, состав летучих компонентов, высокое содержание фтора в рудах и породах;

• ритмическая расслоенность руд и пород, превосходно выраженная как на макро-, так и на микроуровнях.

Кроме того, геологические данные по распределению фаз и компонентов должны быть подтверждены специальными экспериментальными исследованиями, объясняющими механизм концентрирования фосфора в локальном замкнутом объеме от его изначально невысокого значения до промышленных содержаний.

Вполне понятны сложности в решении данной проблемы. Поэтому мы a priori допускаем, что апатито-нефели-новые месторождения являются продуктом дифференциации первичной щелочной сиенитовой магмы, насыщенной солевыми компонентами, обладающими высокой упругостью пара, среди которых основными были соединения фосфора и фтора. Зародившаяся в нижних структурных этажах земной коры на границе Мохоровичича первичная магма поступала в верхние горизонты, раздвигая породы кровли и завоевывая себе пространство. Ее продвижение сопровождалось изменением термодинамических параметров системы (Р, Т), состав же оставался постоянным. По мере остывания и снижения температуры и внешнего давления в магматическом расплаве происходили структурные перестройки, вызванные, прежде всего, уменьшением растворимости соединений с высокой упругостью пара (фториды, фосфаты и др.), что сопровождалось распадом исходной магмы на два расплава: хибинито-вый, обогащенный кремнеземом, щелочами и алюминием, и ийолит-урти-товый, бедный кремнеземом, но обогащенный фосфором, железом, титаном и фтором. Причем исходная хибинская магма сбросила всего лишь 5.9% ийолитового расплава, но извлечение в него Р2О5 составило ~33%, Fe2O3 ~20%, CaO ~20-25%, SiO2 ~5% и около 15%F. Недостаток в ийолитовом расплаве (жидкости) кремнезема компенсировался анионными группировками фосфора, титана и летучими, среди которых самую активную роль играли фториды. В этом плане ийолитовая жидкость являлась растворителем для указанных компонентов.

При понижении температуры ийолитовой магмы до температуры ~1300°С концентрация солевых компонентов превысила предел их растворимости в щелочном расплаве, составляющий 6-7%, и произошел акт ликвации с отделением рудных компонентов расплава. При этом солевые компоненты, среди которых был и фторид натрия, являлись растворителями для фосфатов и организовывали свою собственную фосфатную жидкую фазу (магму), не смешивающуюся с силикатной, которая в данном случае являлась ее матрицей. Характерно, что если ийолит-уртиты от всего массива составили 5.9%, то рудная составляющая от ийолит-уртитов занимает около 3%. Компоненты же распределились таким образом, что жидкая фосфатно-солевая фаза растворила в себе около 19% Р2О5, 25-27% СаО, ~20% SiO2, ~10% щелочей, до 7-10% F.

Известно, что распад расплава на несмешивающиеся жидкие фазы протекает в три этапа: зарождение новой фазы - развитие процесса - его стабилизация. Причем второй этап протекает в режиме интенсивной турбулизации (рис. 3). Соответственно насыщенный летучими компонентами, жидкотекучий, подвижный, обладающий низкой вязкостью, фосфатно-солевой расплав вступил в интенсивное турбулентное движение в объеме, ограниченном ийолит-уртитовой магмой-матрицей. Развитие этого громадного плоского вихревого потока ликвирующей огненно-жидкой магмы протекало по дуге с запада на восток под наклоном к центру массива, подчиняясь форме магматической камеры. Насыщенный летучими компонентами фосфатный расплав стремился занять наиболее высокие уровни в силикатной магме-матрице, обладающей большей плотностью. Устремляясь вверх, фосфатная магма раздвигала фронт силикатного расплава, и самые верхние ее слои в наибольшей степени приближались к кровле магматической камеры. При этом двигающаяся вверх колонна капель солевого расплава насыщалась фосфором, кальцием, стронцием, редкими землями и компонентами-растворителями. Несомненно, что на распределение редких земель между фосфатными и силикатными слоями определяющее влияние оказал процесс жидкостной экстракции.

Естественно, что при столь больших масштабах развития вихревого потока несмешивающихся жидких фаз происходили локальные срывы вихрей меньшего порядка, отстающие от главного потока по падению камеры и представляющие уже автономно развивающиеся физико-химические гидросистемы. Возрастающая вязкость гетерогенной жидкофазной среды, рассеивание энергии, идущей на образование поверхности раздела жидких слоев, тормозили процесс всплывания сорванных вихрей, и они дифференциировали в дальнейшем самостоятельно. Этим объясняется, что отстающие по падению камеры рудные линзообразные тела обладают меньшими размерами, более бедны по содержанию фосфора и богаче кремнеземом. Такое представление о процессе формирования рудных тел следует также из анализа мощности рудных тел, глубины их залегания и распределения в них компонентов. Таким образом, создалось несколько линзообразных слоев фосфатного расплава, верхние из которых (Кукисвумчорр-Расвумчоррское рудное поле) обогащены фосфором и занимают гораздо большие объемы, чем глубокозалегающие слои-линзы (Эвеслогчорр, Коашва, Партомчорр).

Ликвирующая система всегда стремится к тому, чтобы свести запас свободной поверхностной энергии к минимуму, и поэтому оптимальной формой, которую может принять отделяющийся фосфатный расплав в узкой полосе дугообразной камеры, является плоская линза, осложненная локальными пережимами и раздувами. Способность линзообразного фосфатного жидкого тела к растеканию по поверхности сопряженной с ним более вязкой силикатной жидкости вызывает его выклинивание по падению, восстанию и на флангах. В то же время сохраняется и некоторая конформность с сосуществующим с ним и сопряженным в пространстве ийолит-уртитовым расплавом. В ликвирующей системе жидкие фазы противоположного состава частично остаются друг в друге вследствие неполноты разделения фаз, что наблюдается практически во всех экспериментальных исследованиях силикатно-солевых систем и поэтому вполне объяснимо нахождение линзовидных, шлироподобных и т.п. небольших образований ийолит-уртитового состава среди рудных слоев и наоборот линзочек, прослоев апатитового состава в лежачем боку рудных тел среди массивных ийолит-уртитов.

При восходящем потоке фосфат-но-солевого расплава верхняя граница его сопряжения с ийолит-уртито-вой жидкостью всегда будет резкой, четкой и ясно выраженной. В отличие от нее - нижняя граница будет иметь до некоторой степени условный характер, который зависит от вязкости среды и кинетических условий всплыва-ния солевых капель в силикатной матрице. Очевидно этим можно объяснить строение зоны лежачего бока рудных тел, где частично остаются линзы, прослои, капли, шлировые образования фосфатного состава, переслаивающиеся с ийолит-уртитами и постепенно исчезающие. Специальными исследованиями, связанными с законами распределения фосфора в рудах и породах, установлено, что граница между рудными телами и вмещающими их ийолит-уртитами проходит при содержании Р2О5 ~4.5%, что является естественным бортовым содержанием и близко к пределу растворимости фосфатного ангидрида в ийолит-уртитовом расплаве.

Отликвировавшая от ийолит-уртитового расплава рудная магма в процессе дальнейшего остывания продолжала распадаться на несмешивающиеся жидкие фазы противоположного состава. Механизм последовательных ликвационных распадов, показанный на рис.4, позволяет связать объемы, состав и местоположение всех главных текстурных типов руд в единой структуре рудных тел. Прямолинейная геохимическая связь Р2О5- SiO2 (рис.4,А), которой подчиняются все текстурные типы руд и ийолит-урти-ты, отражает процесс распада исходного гомогенного рудного рас-
плава на сосуществующие жидкости. Поскольку положение коннод известно (см. точки на прямой Р2О5^Ю2 и линии 2-3, 4-5, 6-7 и т.д. на рис. 4,Б), то составы и объемы равностных жидких фаз могут быть определены по правилу рычага и, соответственно, положение, состав и процент распространенности типов руд и ийолит-уртитов не случайны, а вполне закономерны и зависят от химического состава и объема расплава, находившегося при определенных термодинамических параметрах в тот или иной промежуток времени in situ.

Таким образом, рудный расплав распался на две несмешивающиеся жидкие фазы: одну - богатую по содержанию фосфора, фтора и других летучих компонентов (точка 2) и вторую - бедную по содержанию фосфора, но обогащенную кремнеземом, и более вязкую (точка 3). Отликвировавшая богатая фосфатом жидкость, т.е. зона богатых руд, содержала 25-28% Р2О5, 30-35% СаО и 12-15% SiO2. Сосуществующий с ней расплав, из которого сформировалась зона бедных руд, содержал 13-16% Р2О5, 18-25% СаО, 20-26% SiO2. Содержание летучих компонентов в бедной зоне было меньше, а плотность и вязкость выше, чем в богатой зоне. Вследствие такого распределения компонентов богатая жидкость (богатая зона) заняла верхнюю часть исходного объема и отделилась от бедной зоны по границе раздела, представлявшей собой плавную волнистую поверхность. Поскольку объем отликвировавшей богатой фосфатной жидкости составил от исходного 20-25%, то он, консолидируясь в виде самостоятельного линзообразного жидкого тела почти в 5 раз меньшего, чем сопряженный с ним объем бедного фосфором расплава, выклинивался по падению и к флангам быстрее, чем бедная зона. Этим объясняется более быстрое сокращение мощности зоны богатых руд по сравнению с зоной бедных руд, вплоть до полного ее исчезновения по падению рудных тел. В богатой зоне вследствие снижения растворимости кремнекис-лородных ионных группировок произошла ее ликвация на два новых сосуществующих расплава: один из которых, более кремнеземистый и составляющий от богатой зоны 15-20%, создал слой брекчевидных руд (точка 5), а второй - больший по объему и богатый фосфором - слои пятнистых и пятнисто-полосчатых руд (точка 4). Почти одновременно в зоне бедных руд произошел сброс богатой фосфатной жидкости (точка 6), которая отделилась в виде слоев, прослеживаемых на десятки и сотни метров при очень выдержанной мощности в 10-20 см и располагающихся среди линзовидно-полосчатых руд (точка 7).

На заключительной стадии жидко-фазного состояния расплава в каждом из сформировавшихся слоев происходили автономные ликвационные распады более мелкого порядка (точки 4'-4'', 5'-5'', 6'-6'', 7'-7''), что и привело к образованию различных текстурных типов апатито-нефелиновых месторождений и ритмической расслоенности, столь характерной для данного геологического образования.

Экспериментальными физико-химическими исследованиями процесс ликвации уртитового расплава с образованием богатых фосфатом жидких фаз был решен в рамках очень сложной системы

Р2О5-SiO2-TiO2-Al2Oз-Fe2Oз-FeO-TR2Oз-CaO-MgO-SrO-Na2O-K2O-F, фрагмент которой приведен на рис.5. На диаграмме «уртит-апатит-NaF» видно, что поле ликвации, занимающее значительную ее часть, с повышением температуры сокращается, причем растворимость силикатного расплава (Lc) в фосфатном выше, чем фосфатного (Lф) в силикатном. Причем, с понижением температуры фосфатные расплавы становятся более насыщенными фторидными компонентами. Равновесные силикатные и фосфатные расплавы по составу аналогичны рудным телам и сопряженным с ними ийолит-уртитам (табл. 3).

Помимо апатито-нефелиновых месторождений с помощью процесса ликвации можно объяснить образование целого ряда других магматических месторождений, таких как: хромитовые, сульфидные медно-никилевые, тита-номагнетитовые, карбонатитовые, пегматитовые.

Кроме того, из гипотезы ликвационного генезиса апатито-нефелиновых месторождений вытекает ряд новых решений прикладного характера:

• создание теоретических основ технологии пирохимического обогащения низкосортного минерального сырья (фосфатного, фосфатно-редко-метального, сульфатного, борного, вольфраматного, молибдатного и др.);

• создание технологии прогнозирования количественного минерального и химического состава руд в неразведанных участках рудных тел, находящихся в ненарушенном залегании, для целей выпуска руды.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1997