Метасоматиты, равновесные с нейтральными растворами

К метасоматитам, равновесным с близнейтральными (слабо­кислотными или слабощелочными) гидротермальными раствора­ми, относятся магнезиальные и известковые скарны, кварц-поле­вошпатовые метасоматиты, пропилиты, большая часть турмалинитов, гидрослюдиты, а также редкие парагонитовые и ак-тинолитовые метасоматиты.

Типоморфными минералами низкотемпературных метасома-титов являются хлорит, эпидот, цоизит, альбит, карбонаты, гид­рослюды. Для среднетемпературных условий характерно возникно­вение амфиболов, биотита, щелочных полевых шпатов, для высокотемпературных — пироксена, фаната, форстерита.

К метасоматитам этой группы приурочены месторождения же­лезных руд, бора, олова, вольфрама, молибдена, полиметаллов, зо­лота и серебра.

По Т-рН условиям метасоматиты объединены в три главные фа­ции: скарновую, кварц—полевошпатовых метасоматитов и пропи-литовую.

Скарновая фация

К скарновой фации относятся продукты слабощелочного—близ-нейтрального метасоматизма, происходящего в широком интерва­ле температур от 450 до 1000 °С на глубинах от I до 30 км.

С древних времен шведские горняки называли скарнами обособ­ления силикатных минералов в железных и сульфидных рудах. В настоящее время под скарнами понимаются метасоматические породы, сложенные силикатами кальция, железа и магния и возни­кающие в результате химического взаимодействия карбонатных и алюмосиликатньгх пород, или карбонатных пород и алюмосили-катных магматических расплавов при участии растворов.

В зависимости от состава замещаемого карбонатного субстра­та выделяются две крупные группы скарнов: магнезиальные и из­вестковые. На контакте с еще не затвердевшими магмами возника­ют наиболее высокотемпературные магнезиальные скарны, которые вместе с близкими по составу постмагматическими метасоматита-ми формируются по доломитам и магнезитам. На контакте затвер-

4. Метасоматиы, равновесные с нейтральными раствора

девших интрузивных тел с известняками по вмещающим и магма­тическим породам образуются известковые скарны. Метасоматиты внешних зон скарновых ореолов, которые содержат не типичные для скарнов полевые шпаты, получили название околоскарновых пород.

Различают экзоскарны, которые образуются при замещении кар­бонатных пород, и эндоскарны, которые формируются по алюмоси-ликатным породам различного происхождения, в том числе и гра-нитоидам.

К скарнам приурочены крупные месторождения Fe, Co, W, В, флогопита и многих других полезных ископаемых. Значительная часть оруденения наложена на скарновые зоны в результате воздей­ствия более поздних и более низкотемпературных гидротермальных растворов.

4.1.1. Магнезиальные скарны

Магнезиальные скарны, как особый тип метасоматитов, были выделены в 1953 г. Д.С.Коржинским.

Магнезиальные скарны — это шпинель-форстерит-клинопи-роксеновые породы с большим количеством второстепенных и ак­цессорных минералов. Часть магнезиальных скарнов формируется на магматической стадии, часть является постмагматическими об­разованиями. Скарны магматической стадии образуются при вза­имодействии магнезиальных карбонатных пород с растворами, ко­торые отделяются от магмы до завершения ее кристаллизации или циркулируют в это время во вмещающих породах. Формирование скарнов до полного затвердевания магматического расплава дока­зывается отсутствием эндоскарнов, появлением апофиз неизме­ненных магматических пород, пересекающих метасоматиты, а так­же наличием ксенолитов магнезиальных скарнов в эндоконтактовых частях интрузивных массивов.

Исходные породы. Магнезиальные скарны образуются по до­ломитам и магнезитам. Содержания MgO в карбонатных породах, достаточные для образования магнезиальных скарнов, составляют 12-13 мас.%. На постмагматической стадии магнезиальные скарны могут формироваться, кроме того, по гранитам, гранито-гнейсам и мигматитам, которые соприкасаются с Mg-содержащими карбо­натными породами.

Условия залегания метасоматитов. Магнезиальные скарны встре­чаются в двух геологических обстановках: 1) в глубинных гранито-

Часть V. Петрография и петрология метасоматических горных пород

гнейсовых комплексах древних щитов; 2) вблизи контактов ин­трузивов гранитоидов, реже си­енитов, габброидов и даже ульт­раосновных пород. Наиболее полно скарнообразование про­явлено в связи с гранитоидным магматизмом. Магнезиальные скарны формируются на всех уровнях глубинности, за исклю­чением приповерхностных. В абиссальных условиях они об­разуют пластовые и линзовид-ные тела, мощность которых до­стигает нескольких сотен метров при протяженности до 1.0— 1.5 км. Пластовые тела приуро­чены к горизонтам доломитов и залегают согласно с вмещаю­щими породами. В экзоконтак-товых зонах интрузивов магне­зиальные скарны встречаются в виде крутопадающих столбов, трубчатых тел, жил, а также об­разуют фронтальные залежи причудливой формы (рис. 4.1). Мощность тел варьирует от де­сятков сантиметров и первых метров до 100 м. Отдельные столбо­образные тела прослежены на глубину до 800 м.

Минеральный состав. Главными минералами скарнов магмати­ческой стадии являются форстерит, шпинель, клинопироксены (диопсид или фассаит), кальцит и реже доломит. В глубинных ус­ловиях к этим минералам добавляются энстатит и гиперстен. На ма­лых глубинах появляются монтичеллит, мервинит и периклаз, а форстерит и кальцит исчезают.

Второстепенные и акцессорные минералы в скарнах представ­лены магнетитом, апатитом, а в околоскарновых породах — сфеном. Из наиболее поздних новообразований в магнезиальных скар­нах наблюдаются флогопит, амфиболы, бораты, сульфиды и другие наложенные минералы.

4. Метасоматиы, равновесные с нейтральными pacmeoi

Разновидности магнезиальных скарнов выделяются по мине­ральному составу. Наиболее широко развиты форстеритовые, шпи-нель-форстеритовые, пироксеновые и шпинель-пироксеновые скарны. Вблизи неизмененных карбонатных пород образуются калъцифиры, состоящие из карбонатов, форстерита, количество ко­торого обычно не превышает 30 об.%, и шпинели (менее 10%). Око-лоскарновые породы содержат плагиоклаз, количество которого достигает 40-60 об.%.

Форстерит, содержащий менее 5 мол.% Fe₂Si0₄, является типич­ным минералом кальцифиров; в форстеритовых скарнах железис-тость возрастает до 10-15 мол.%.

Доломит встречается только в кальцифирах; в пироксенсодер-жащих породах он неустойчив и замещается кальцитом.

Шпинель в кальцифирах представлена зеленой, реже розовой и желтой разновидностями, содержащими от 5 до 20 мол.% герци-нитовой составляющей. В пироксеновых скарнах железистость ми­нерала возрастает до 20—40 мол.%. Шпинель распространена нерав­номерно.

Клинопироксены относятся к фассаиту или диопсиду, между которыми устанавливаются постепенные переходы. Железистость обоих минералов близка и составляет 2—7%. В околоскарновых по­родах железистость клинопироксена возрастает до 30—40%. Содер­жание глинозема в диопсиде составляет 1 -2 мас. %, а в фассаите уве­личивается до 4-9, иногда до 15-16 мас.%.

В образцах фассаит окрашен в темно-зеленые, буровато-зеленые или почти черные цвета, под микроскопом обладает зеленоватым от­тенком, показатели преломления больше, чем у диопсида (n_g= 1.710-1.729, п_т= 1.704-1.715, n_р = 1.699-1.707). Фассаит обла­дает сильной дисперсией оптических осей по схеме r > v, не харак­терной для диопсида.

Ортопироксен скарнов представлен энстатитом, содержащим менее 15% ферросилитовой молекулы. В околоскарновых породах более типичен гиперстен, содержащий до 45 мол.% FeSiO₃. В око­лоскарновых породах иногда появляется основной плагиоклаз (Аn₅₀_₁₀₀), реже андезин (Аn₄₀_₄₉) в ассоциации с K-Na полевым шпатом.

Магнезиальные скарны постмагматической стадии, известные лишь в глубинных гнейсовых комплексах докембрия, отличаются от скарнов магматической стадии меньшим количеством шпинели, большей ролью кальцита, повышенной железистостью цветных

Часть У. Петрография и петрология метасоматических горных пород______

минералов. Так, пироксены представлены промежуточными члена­ми изоморфного ряда диопсид-геденбергит с содержанием геден-бергитовой составляющей 20-35 мол.% (до 45-65 мол.% в около-скарновых породах).

Химический состав. По сравнению с исходными карбонатными породами в магнезиальных скарнах магматической стадии увеличи­вается содержание А1 и Si, причем накопление Si закономерно свя­зано с нарастанием интенсивности метасоматизма. Mg испытыва­ет локальное перераспределение, накапливаясь в форстеритовых

скарнах.

В постмагматических экзоскарнах происходит накопление Si и Fe, частичный вынос Mg и Са при незначительной миграции гли­нозема, а в эндоскарнах, наоборот, накопление Mg и Са, при умень­шении содержания Si.

Внешний облик. Форстеритовые и пироксеновые скарны окра­шены в зеленый или темный зеленовато-серый цвета; кальцифи-ры — породы белого цвета. Структура магнезиальных скарнов ва­рьирует от тонко- до крупнозернистой. Тонкокристаллические породы имеют роговиковый облик. Текстура скарнов массивная, пятнистая, а кальцифиров и форстеритовых скарнов — полосчатая, обусловленная цепочечным расположением темноцветных минера­лов и шпинели в карбонатной массе.

Микроструктуры гранобластовая и гетеробластовая. Во всех раз­новидностях скарнов проявляется метасоматический характер ми­нерал ообразования, выраженный в развитии псевдоморфоз по пер­вичным минералам или их агрегатам.

Стадийность и зональность метасомататов. Магнезиальные скар­ны характеризуются устойчивой и четко выраженной зональностью. Поданным ВАЖарикова [1968] и Л. И. Шабынина [1973], для маг­незиальных скарнов больших глубин типична следующая метасо-матическая колонка:

0. Доломит

1. Кальцифир: Фо + Шп + Ка + До

2. Шпинель-форстеритовый скарн: Фо + Шп + Ка

3. Шпинель-пироксеновый скарн: Пи + Шп + Ка

4. Пироксен-плагиоклазовая порода: Пи + Пл
0. Алюмосиликатная порода (гранит, гнейс)

Для умеренных глубин характерны колонки несколько иного типа:

0. Доломит

__________ 4. Метасоматиы, равновесные с нейтральными растворами________

1. Кальцифир: Фо + Шп + Ка + Пер

2. Форстеритовый скарн: Фо + Шп + Ка

3. Пироксеновый скарн: Пи + Шп + Ка
0. Гранит

II

0. Доломитовый мрамор

1. Кальцит-периклазовый мрамор: Ка + Пер

2. Шпинель-форстеритовый кальцифир: Шп + Фо + Ка + Пер

3. Шпинель-форстеритовый скарн или кальцифир: Шп + Фо +
+ Ка

4. Шпинель-форстерит-пироксеновый скарн: Шп + Фо + Пи

5. Шпинель-пироксеновый скарн: Шп + Пи

6. Пироксен-плагиоклазовая околоскарновая порода: Пи + Пл
0. Гранитоид, гнейс.

В малоглубинных условиях шпинель-форстеритовая и кальцит-периклазовая зоны отсутствуют. Вместо форстерита в ассоциациях со шпинелью появляется монтичеллит, а вместо кальцита — пери-клаз. При повышении температуры шпинель и монтичеллит заме­щаются геленитом.

Зональность магнезиальных скарнов магматической стадии ча­сто затушевана более поздними процессами, связанными с проса­чиванием послемагматических растворов. В преобразованных эти­ми растворами магнезиальных скарнах появляются минералы из группы гумита, флогопит, паргасит, сине-зеленая роговая обманка и скаполит. При этом в шпинель-форстеритовых скарнах развива­ется флогопит-клиногумитовая ассоциация; шпинель-фассаито-вые скарны замещаются флогопитовыми и паргасит-флогопитовы-ми породами, а околоскарновые пироксен-плагиоклазовые породы преобразуются в амфибол-скаполитовые метасоматиты с флого­питом.

В дальнейшем в измененных скарнах возникает комплекс низ­котемпературных минералов (тремолит, актинолит, амезит, сер­пентин, тальк и брусит), представляющих специфическую пропи-литовую ассоциацию, которая интенсивно замещает минералы постмагматической стадии и реликтовые минералы магнезиаль­ных скарнов.

Еще более поздние наложенные минеральные парагенезисы в скарнах связаны с воздействием кислотных растворов, приводя­щих к образованию слюдитов и березитов (см. раздел 5.1).

______ Часть V. Петрография и петрология метасоматических горных пород______

Известковые скарны

Известковые скарны — это метасоматиты, сложенные в основ­ном пироксенами диопсид-геденбергитового ряда, гранатами грос-суляр-андрадитового ряда и волластонитом.

Исходные породы. Известковые экзоскарны образуются по из­вестнякам, мергелям, известковистым туфам и туффитам, магнези­альным скарнам. Экзоскарны возникают по интрузивным поро­дам различного состава, а также по эффузивам, кристаллическим сланцам и гнейсам, примыкающим к зонам высокотемпературно­го прогрева в контактовых ореолах интрузивов. Для образования мощных скарновых тел особенно благоприятны участки чередова­ния карбонатных и алюмосиликатных пород.

Условия залегания метасоматитов. Известковые скарны приуро­чены к контактам разнообразных по составу интрузивов, но глав­ная их масса тяготеет к гранитоидам повышенной основности. Форма скарновых залежей разнообразна, преобладают пластовые, линзовидные, плащеобразные тела мощностью от десятков санти­метров до первых десятков метров. Кроме того, скарны встречают­ся среди интрузивных и карбонатных пород без видимой связи с интрузивными контактами (рис. 4.2). В этом случае они образуют

Рис 4.2 Жильные известковые скарны, по ВАЖарикову [1968] с упроще-

ниями:а-... б-... 1-... 2 3 4 5 6

_________ *• Метасоматиы, равновесные с нейтральными растворами______________

трубо-, жило- или столбообразные тела, а также залежи, мощность которых достигает 15-30 м. По падению жилы и столбы прослеже­ны на глубину до 100-300 м.

Минеральный состав. Главные минералы представлены фаната­ми, клинопироксенами, волластонитом, реже скаполитом, эпидо-том и везувианом. Последний особенно характерен для метасома-титов, которые развиваются по ранее образованным магнезиальным скарнам.

К второстепенным и акцессорным минералам относятся магне­тит, апатит и сфен. В приповерхностных условиях среди главных или второстепенных минералов появляются ларнит, мервинит, сперрит, тиллеит, геленит.

Для околоскарновых пород типичны полевые шпаты, скапо­лит и эпидот.

Пироксены известковых скарнов представлены изоморфным рядом диопсид-геденбергит с небольшой примесью чермакита и эгирина. Чистый диопсид встречается редко, как правило, в без­рудных скарнах. Наиболее распространены салиты с переменным содержанием геденбергитовой молекулы. На заключительных ста­диях скарнообразования появляется иогансенит CaMnSi₂O₆.

Гранаты относятся к изоморфному ряду фоссуляр-андрадит с небольшой (до 8-10 мол.%) примесью пиральспитового компо­нента. Типоморфными признаками фанатов из скарнов являются секториальное двойниковое строение, зональность и аномальная анизотропия, которая появляется при содержании более 40 мол.% андрадитового компонента. На заключительной стадии скарнооб­разования формируются существенно андрадитовые гранаты с 85—100 мол.% железистого компонента.

Волластонит слагает спутанноволокнистые или радиальнолучи-стые афегаты, реже образует отдельные мелкотаблитчатые кристал­лы. Эпидот типичен для эндоскарновых зон, где иногда формиру­ются зоны мономинеральных эпидозитов.

Следует отметить, что однотипные минералы эндо- и экзоскар-нов заметно отличаются по химическому составу. Гранаты эндо-скарнов всегда содержат больше фоссулярового минала по сравне­нию с гранатами экзоскарнов. Железистость пироксенов из экзоскарнов, как правило, выше, чем у пироксенов из эндоскарнов. Кроме того, в эндоскарнах всегда присутствуют апатит и титанит.

Химический состав. Формирование известковых эндоскарнов сопровождается накоплением Са и уменьшением содержания Si

Часть У. Петрография и петрология метасоматических горных пород____

по сравнению с исходными алюмосиликатными породами. В экзо-скарнах, наоборот, присутствует большее количество Si и меньшее Са, чем в карбонатных породах. Содержание Fe (иногда и Mg) воз­растает во всех разновидностях скарнов, а глинозем испытывает незначительное перераспределение.

Внешний облик. В зависимости от минерального состава окра­ска скарнов может варьировать от черной (гранатовые скарны) и темно-зеленой (породы, обогащенные геденбергитом) до пятни­стой (пироксен- гранатовые скарны) и серовато-белой с краснова­тым оттенком (волластонитовые скарны). Размеры минеральных зе­рен колеблются от долей миллиметра до 1—2 см, иногда отдельные кристаллы пироксена и фаната достигают 10-15 и даже 30-50 см. Очень характерно неравномернозернистое строение пород. Среди текстур типичны массивная, пятнистая, полосчатая, друзовая.

Микроструктуры. Преобладающими микроструктурами явля­ются гранобластовая, гетеробластовая, порфиробластовая и нема-тогранобластовая.

Стадийность и зональность метасоматитов. Для известковых скар­нов характерны разнообразные типы метасоматической зонально­сти, что обусловлено вариациями температуры и состава растворов, а также глубиной становления метасоматитов.

В обобщенном виде метасоматическая колонка выглядит следу­ющим образом:

0. Карбонатная порода

1. Волластонитовый экзоскарн

2. Пироксеновый экзоскарн

3. Гранатовый экзо- или эндоскарн

4. Пироксен-гранатовый эндоскарн

5. Пироксен-плагиоклазовая околоскарновая порода
0. Алюмосиликатная порода

При понижении температуры из колонки выпадает зона волла-стонитового, а иногда и гроссулярового скарна; в эндоскарнах по­является эпидот. В ходе дальнейшего охлаждения формируются ассоциации кварц-плагиоклазовых метасоматитов: Мп-содержа-щие пироксены, андрадит, амфибол, плагиоклаз, кварц (см. раз­дел 4.2.2) и низкотемпературная пропилитовая ассоциация: эпи­дот, тремолит, хлорит, кальцит.

При понижении температуры и повышении кислотности рас­творов на скарны накладывается грейзеновая ассоциация- флюорит слюды, хрупкие слюды, топаз (см. раздел 5.1.3).

4. Метасоматиы, равновесные с нейтральными

растворами

4.1.3. Физико-химические условия формирования метасоматитов

Согласно экспериментальным данным, магнезиальные скар­ны возникают при температурах от 650 до 900 °С и выше под воздей­ствием слабощелочных близнейтральных галоидных растворов, обогащенных углекислотой, рН которых колеблется от 5.5 до 8.5 при оптимальных значениях рН = 5.5-6.0. Повышение щелочности растворов способствует формированию диопсидовых магнезиаль­ных скарнов, а увеличение кислотности — кальцит-форстерито-вых и форстерит-магнетитовых скарнов. Понижение давления спо­собствует разложению доломита и образованию на малых глубинах периклазовых мраморов и магнезиальных скарнов:

CaMg(CO₃)₂ → СаСО₃ + MgO + СО₂.

доломит кальцит периклаз

При низком Р_со2 становится возможной декарбонатизация и возникновение монтичеллита (ларнита, мервинита): Mg₂Si0₄ + СаСО₃ → CaMgSiO₄ + MgO + CO₂.

форстерит кальцит монтичеллит периклаз

По экспериментальным данным Л.И.Иоффе и Н.Н.Перцева (1972 г.), монтичеллитовые скарны образуются при Т= 800 °С и Р_со2 = 10МПа. Понижение температуры приводит к смене магнези­альных скарнов известковыми вследствие существенного уменьшения активности магния и понижения роли углекислоты. Оптимальные температуры формирования известковых скарнов составляют 540-700 °С. Главной причиной, препятствующей возникновению этих метасоматических пород при более высокой температуре, явля­ется устойчивость кальцита, особенно при большом давлении. Поэто­му известковые скарны не образуются на магматической стадии и от­сутствуют на больших глубинах, где при высоком Р_со2 Са-содержащие скарновые минералы разлагаются с образованием кальцита.

Среди метасоматических колонок, полученных эксперимен­тальным путем, к природной зональности известковых скарнов на­иболее близки те, которые являются результатом взаимодействия с близнейтральными и слабокислыми (рН = 5.5-6.0) хлоридными растворами (NaCl, KC1, СаС1₂, MgCl₂). Под воздействием щелочных растворов процесс формирования известковых скарнов развива­ется слабо.

Таким образом, переход от магнезиальных скарнов к известко­вым отражает не только снижение температуры, но и изменение рН растворов от слабощелочных до слабокислых.

Часть У. Петрография и петрология метасоматических горных пород____

Изучение флюидных микровключений в минералах скарнов подтверждает изменение состава растворов при переходе от магма­тической стадии к постмагматической. Высокотемпературные флю­иды магматической стадии обогащены компонентами расплавов: Si, Al, Fe, а также углекислотой (Х_СО2 = 0.6-0.8). Проникая в доломи­ты', такие растворы формируют магнезиальные скарны. Поскольку в этих условиях устойчив кальцит, а не Са-содержащие силикаты и алюмосиликаты, то известковые скарны образоваться не могут. Во флюидах постмагматической стадии вода преобладает над уг­лекислотой и возрастает активность Mg, К и Fe. Просачиваясь в контактах карбонатных и алюмосиликатных пород, эти флюиды стимулируют обменные реакции, обеспечивая участие в скарно-образовании Са, Mg, Si и Al.

Итак, скарны образуются в результате средне-высокотемпера­турного (Т= 450-900 °С) близнейтрального метасоматизма (рН = 5.0-8.5), происходящего при высокой активности Mg, Са, Fe, малой активности щелочных металлов и различной роли лету­чих компонентов.

4.1.4. Распространенность и рудоносностъ метасоматитов

Скарны широко распространены в земной коре и формирова­лись от архея до кайнозоя. Мощные тела магнезиальных скарнов описаны, например, в Забайкалье (Слюдянка), на Кольском полу­острове, в Афганистане.

Классическими примерами развития известковых скарнов, свя­
занных со становлением гранитоидов, являются горы Магнитная
и Высокая (Южный Урал), районы Дагестана (Азербайджан) и Тыр-
ныауза (Северный Кавказ).

Скарновые зоны, возникшие на контактах со щелочными сие­нитами, сиенитами, граносиенитами, монцонитами, известны на Урале и Кузнецком Алатау, редкие скарновые залежи в связи с трап­пами изучены в Восточной Сибири (Норильское месторождение).

Магнезиальные и известковые скарны служат благоприятной средой для рудоотложения. В них сосредоточена значительная до­ля мировых запасов Fe, W, флогопита, вермикулита, лазурита. К скарнам приурочены месторождения Си, Со, Аи, U, В и других по­лезных ископаемых. Рудная минерализация носит как сопряжен­ный, так и наложенный характер. С магнезиальными скарнами со­пряжены магнетитовые руды (месторождения Кольского

4. Метасоматиы, равновесные с нейтральными

растворами

полуострова и Горной Шории), а также скопления людвигита, фло­гопита, лазурита. Крупные магнетитовые месторождения залегают в известковых скарнах (г. Магнитная на Урале). Месторождения других металлов обычно наложены на скарны и связаны с воздей­ствием более низкотемпературных гидротермальных растворов.

В ряде случаев повышенное содержание того или иного метал­ла отмечается в продуктах всех стадий гидротермального процесса. Например, поданным С.М.Александрова [1990], на боро-оловян-ных месторождениях в магнезиальных скарнах магматической ста­дии развит оловосодержащий магнетит, в гумитизированных и фло-гопитизированных разностях этих скарнов — станнобораты, в апомагнезиальных известковых скарнах — пайгеит и норден-шильдит CaSnB₂O₆, в грейзенизированных скарнах — касситерит с флюоборитом MnBO₃(F,OH)₃, а в продуктах низкотемпературно­го метасоматизма — вторичные магнезиальные бораты, станнаты магния и тонкодисперсный касситерит.