Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 118-124

Первые находки самородного иридия в коренных хромит-платиновых рудах и россыпях зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Урала

С. Ю. Степанов 1, член-корреспондент РАН В. Н. Пучков 1, Р. С. Паламарчук 2*, Д. А. Варламов 3, В. В. Шиловских 4, А. В. Козлов 5

1 Институт геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого Уральского отделения Российской академии наук
Екатеринбург, Россия

2 Южно-Уральский федеральный научный центр минералогии и геоэкологии Уральского отделения Российской академии наук
Миасс, Россия

3 Институт экспериментальной минералогии Российской академии наук
Черноголовка, Россия

4 Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

5 Санкт-Петербургский горный университет
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: palamarchuk22@yandex.ru

Поступила в редакцию 04.03.2020
После доработки 11.05.2021
Принята к публикации 13.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены результаты исследования агрегатов самородного иридия из хромититов Светлоборского и Сосновского клинопироксенит-дунитовых массивов Платиноносного пояса Урала и связанных с ними элювиальных и ложковых россыпей. Впервые для Платиноносного пояса Урала описаны морфологические особенности этих агрегатов и установлены закономерности их внутреннего строения. Установлена ассоциация минералов платиновой группы, сопровождающая обособления самородного иридия. Структурно-вещественные особенности скоплений самородного иридия и пространственно-временные взаимоотношения этого минерала с железо-платиновыми интерметаллидами позволили сделать вывод о формировании этого минерала в диапазоне температур от 850 до 1345°С в рамках магматической стадии развития клинопироксенит-дунитовых интрузивов. В ходе исследований было также установлено, что распространение самородного иридия в коренных рудах и россыпях может указывать либо на глубокий уровень эрозионного среза клинопироксенит-дунитовых массивов, либо на специфику исходного рудообразующего вещества.

Ключевые слова: самородный иридий, Платиноносный пояс Урала, минералы платиновой группы, хромит-платиновое оруденение

Минералы платиновой группы (МПГ) из коренных и россыпных месторождений Платиноносного пояса Урала (ППУ) изучаются на протяжении практически двух веков. За это время ассоциации МПГ были изучены с разной степенью детальности. Первые систематические исследования минералов платиновой группы из россыпей и коренных руд [1] проводились на обширном материале, но детальность этих исследований была ограничена технологическими возможностями того времени. Исследования ассоциаций минералов платиновой группы из коренных хромит-платиновых руд зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Урала [6, 8, 12] и связанных с ними россыпей [9, 11] в последнее время позволили с высокой степенью детальности охарактеризовать парагенезисы МПГ и предложить новые варианты генетических моделей формирования платиноидной минерализации.

Ассоциации МПГ большинства клинопироксенит-дунитовых массива Урала и мира характеризуются преобладанием Pt–Fe-минералов с подчиненным количеством включений Os–Ir– (Ru)-интерметаллидов, сульфидов, арсенидов, антимонидов элементов платиновой группы (ЭПГ) и других более редких соединений. Некоторые массивы обладают ярко выраженной иридиевой спецификой, которая выражается в находках самостоятельных зерен самородного иридия. Обобщению таких находок в пределах ППУ и описанию крупных агрегатов самородного иридия из коренных хромит-платиновых руд клинопироксенит-дунитовых массивов ППУ и элювиально-делювиальных россыпей посвящена данная работа.

Ранее в хромититах Светлоборского массива (рис. 1а) были обнаружены единичные зерна самородного иридия средним размером 0.15 мм [6]. Затем в элювиально-делювиальных отложениях, перекрывающих хромит-платиновые рудные зоны участка Вершинный этого массива (рис. 1б), были обнаружены обособленные зерна самородного иридия размером 0.25 мм [4]. Отдельные зерна самородного иридия были встречены в россыпи р. Сосновка, дренирующей одноименный массив на севере ППУ (рис. 1а), где их размер достигал 0.8 мм. В результате полевых работ 2014 г. в элювиальных надрудных отложениях Светлоборского массива было обнаружено срастание самородного иридия размером уже несколько миллиметров, являющееся уникальным по своим размерам. Это срастание стало основным объектом данного исследования.

Рис. 1.

Расположение клинопироксенит-дунитовых массивов, с которыми связаны находки самородного иридия (а) и геологическая схема Светлоборского клинопироксенит-дунитового массива (б). Условные обозначения: 1 – палеозой Восточно-Европейской платформы; 2 – Западно-Уральская складчато-надвиговая зона; 3 – Центральное Уральское поднятие; 4 – Салатимская сутурная зона; 5 – Тагило-Магнитогорская мегазона; 6 – осадочный чехол Западно-Сибирской платформы; 7 – Полюдовское поднятие; 8, 9 – массивы Платиноносного пояса Урала: 8 – дунитовые тела, 9 – пироксениты, габбро, вулканиты; 10 – расположение Светлоборского (Sv) и Сосновского (S) клинопироксенит-дунитовых массивов. 11 – клинопироксениты; 12 – мелкозернистые дуниты; 13 – среднезернистые дуниты; 14 – аллювиальные и техногенные отложения.

Изучение агрегатов МПГ было проведено с использованием растровой электронной микроскопии. Состав минералов был определен с использованием рентгеноспектрального микроанализатора CamScan MV2300 (ИЭМ РАН, Черноголовка) с энергодисперсионным спектрометром “INCA Energy” 350 и Camebax SX50 с волновыми спектрометрами (аналитик Д.А. Ханин, МГУ, Москва). Изучение образцов с использованием EBSD производилось с помощью сканирующего электронного микроскопа “Hitachi” S-3400N, с детектором дифракции обратно-рассеянных электронов Oxford NordLys Nano и энергодисперсионным спектрометром Oxford X-Max 20 (ресурсный центр “Геомодель” НП СПбГУ).

Наиболее крупный самородок иридия, обнаруженный в элювиальных россыпях Светлоборского массива, достигающий размера 6 мм, представляет собой агрегат изометричных зерен самородного иридия, срастающихся с изометричными индивидами хромшпинелида (рис. 2а, 2б). Небольшие самородки иридия из россыпей Сосновского массива – это срастания нескольких зерен самородного иридия с подчиненным количеством изоферроплатины (рис. 2в). В коренных хромит-платиновых рудах Светлоборского массива самородный иридий распространен в виде единичных монокристаллов с частично проявленным собственным кристаллографическим огранением (рис. 2г). В агрегатах большая часть зерен самородного иридия обладает изометричным обликом со средним размером 0.5 мм (рис. 2д). Эти зерна обычно содержат эмульсионные выделения изоферроплатины, образовавшиеся в результате распада высокотемпературного Ir–Pt(Fe)-твердого раствора (рис. 2е). При этом в краевых частях индивидов самородного иридия распад твердого раствора может быть не проявлен (рис. 2е), а содержание иридия может достигать 65 мас. %. Обычно отдельные зерна самородного иридия сцементированы зернистыми агрегатами или отдельными зернами изоферроплатины, в первом приближении имеющими ксеноморфные очертания (рис. 2д, 2е). В зернах Pt–Fe-интерметаллидов часто наблюдается распад твердого раствора с обособлением микрокристаллических индивидов самородного иридия (рис. 2в).

Рис. 2.

Морфология и внутреннее строение агрегатов самородного иридия из элювиальных россыпей и коренных хромититов зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Платиноносного пояса Урала: а – образец № 95 248 из коллекции Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН (источник фото https://webmineral.ru/minerals/image.php?id=9182), элювиальная россыпь участка “Вершинный”, Светлоборский массив; б – то же, в режиме BSE; в – самородок иридия из россыпи р. Сосновка, Сосновский массив; г – срастание иридия и хромита из коренной хромит-платиновой зоны участка “Вершинный”, Светлоборский массив; д–з – внутреннее строение самородка иридия, приведенного на рис. 2а. На рисунке д показан фрагмент структуры агрегата самородного иридия с использованием кодировки в цветах обратных полюсных фигур по данным EBSD. Ir+Isf – самородный иридий с распадом изоферроплатины, Isf – изоферроплатина, Ir – самородный иридий, Chr – хромит, Srp – серпентинит. Номера точек соответствуют номерам анализов в табл. 1.

Таблица 1.

Химический состав Pt–Fe- и Ir–Os-интерметаллидов, мас. %

Fe Ni Ru Rh Pd Os Ir Pt Ʃ Формулы минералов
1 1.24 1.65 1.56 25.43 58.09 12.59 100.56 Ir0.54Os0.24Pt0.12Fe0.04Ru0.03Rh0.03
2 1.19 1.75 1.09 0.23 25.63 53.42 16.79 100.10 Ir0.51Os0.24Pt0.16Fe0.04Ru0.03Rh0.02
3 0.60 0.06 0.07 1.37 0.01 32.41 63.37 2.82 100.71 Ir0.61Os0.32Pt0.03Rh0.02Fe0.02
4 0.45 0.98 1.35 31.59 64.52 1.27 100.16 Ir0.62Os0.31Rh0.02Ru0.02Fe0.02Pt0.01
5 7.38 0.14 0.40 0.41 0.35 4.91 85.83 99.42 (Fe0.87Ni0.02)0.89(Pt2.89Ir0.17Ru0.03Os0.01Pd0.02)3.11
6 0.61 0.05 1.50 2.27 0.16 28.08 60.03 7.58 100.28 Ir0.57Os0.27Pt0.07Rh0.04Ru0.03Fe0.02
7 0.46 0.99 1.71 0.34 29.60 59.98 7.24 100.32 Ir0.58Os0.29Pt0.07Rh0.03Ru0.02Fe0.01
8 0.59 1.87 1.65 27.52 58.65 9.72 100.00 Ir0.56Os0.27Pt0.09Ru0.03Rh0.03Fe0.02
9 1.31 0.04 1.77 1.57 0.26 26.05 54.36 15.31 100.67 Ir0.51Os0.25Pt0.14Fe0.04Ru0.03Rh0.03
10 1.27 1.90 1.82 0.30 24.48 51.88 19.02 100.67 Ir0.49Os0.23Pt0.18Fe0.04Ru0.03Rh0.03
11 0.72 1.06 1.71 0.55 28.00 59.15 9.27 100.46 Ir0.56Os0.27Pt0.09Rh0.03Fe0.02Ru0.02Pd0.01

Примечание. Формулы рассчитаны на 1 атом для Ir–Os-интерметаллидов и на 4 атома для изоферроплатины (№ 5).

Детальное изучение иридиевых самородков позволило установить, что распад твердого раствора, напоминающий эмульсионные структуры, представляет собой равномерно распределенные по всему объему зерен самородного иридия полиэдрические обособления изоферроплатины (рис. 3а). Использование метода EBSD позволило установить, что все индивиды изоферроплатины в структуре распада твердого раствора имеют одинаковую ориентировку (рис. 3б), совпадающую с ориентировкой кристалла самородного иридия, выполняющего роль матрицы. Аналогичные структурные взаимоотношения характерны для структур распада самородного иридия в изоферроплатине (рис. 3в, 3г), однако Pt–Fe-матрица часто слабо деформирована, а ориентировка зерен самородного иридия может различаться на доли градуса (рис. 3г). В агрегатах самородного иридия помимо структурных неоднородностей, вызванных проявлением распада твердого раствора, неравномерным распределением элементов платиновой группы и распространением “цементирующих” скоплений Pt–Fe-интерметаллидов, встречаются минеральные включения. Среди них преобладают индивиды хромшпинелида, по составу отвечающие (Mg0.64Fe$_{{0.36}}^{{2 + }}$Mn0.01)1.01(Cr1.34Al0.34Fe$_{{0.30}}^{{3 + }}$Ti0.01)1.99O4, и зональные кристаллы лаурита (рис. 3д, 3е) со значительной вариацией содержания эрликманитового минала (табл. 2).

Рис. 3.

Внутреннее строение агрегатов самородного иридия с распадом изоферроплатины (а, б) и Pt–Fe-минералов с распадом иридия (в, г) и включения лаурита в самородном иридии (д, е). Рисунки б и г – карта внутризерновых разориентировок, полученная для участков с использованием дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD). Isf – изоферроплатина, Ir – самородный иридий, Lr – лаурит, Chr – хромшпинелид. Номера точек соответствуют номерам анализов в табл. 2.

Таблица 2.

Химический состав зональных кристаллов лаурита, мас. %

S Ru Rh Pd Os Ir Ʃ Формулы минералов
1 33.35 35.15 1.81 0.41 21.42 7.15 99.29 (Ru0.67Os0.22Ir0.07Rh0.03Pd0.01)1.00S2.00
2 33.27 35.64 1.83 21.42 7.12 99.28 (Ru0.66Os0.22Ir0.07Rh0.03)1.00S2.00
3 34.20 38.09 1.14 0.63 19.35 6.98 100.39 (Ru0.71Os0.19Ir0.07Rh0.02Pd0.01)1.00S2.00
4 34.88 41.41 1.56 14.50 7.80 100.15 (Ru0.75Os0.14Ir0.07Rh0.03)1.00S2.00
5 33.08 34.68 1.81 0.68 22.82 8.00 101.07 (Ru0.66Os0.23Ir0.08Rh0.03Pd0.01)1.02S1.98
6 33.02 33.75 2.13 22.90 8.24 100.04 (Ru0.65Os0.23Ir0.08Rh0.04)1.00S2.00
7 34.58 41.41 1.62 14.00 7.79 99.40 (Ru0.76Os0.14Ir0.08Rh0.03)1.00S2.00
8 34.74 40.85 1.23 16.42 6.79 100.03 (Ru0.75Os0.16Ir0.07Rh0.02)1.00S2.00

Примечание. Формулы рассчитаны на 3 атома.

По химическому составу самородный иридий, обнаруженный в коренных хромититах и россыпях Светлоборского и Сосновского массивов, полностью аналогичен Os–Ir–(Ru)-интерметаллидам из хромититов и россыпей зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Среднего Урала [6], и его химический состав укладывается в тренд составов (рис. 4а), характерных для Os–Ir-сплавов в зональных массивах Урало-Аляскинского типа [8]. Общей чертой изученных агрегатов самородного иридия является низкое содержание рутения. Содержание платины в самородном иридии изменяется в широких пределах. Особенность химического состава самородного иридия (рис. 4б) позволяет сделать вывод, что распад твердого раствора с обособлением изоферроплатины происходил в диапазоне температур от 750 до 850°С.

Рис. 4.

Составы Os–Ir–Ru-сплавов: 1 – самородок иридия из элювиальных отложений Светлоборского массива, 2 – зерна самородного иридия из хромититов участка Вершинный (Светлоборский массив), 3 – зерно самородного иридия из элювиально-делювиальных россыпей участка Вершинный (Светлоборский массив), 4 – зерно самородного иридия из россыпей Сосновского массива; поля составов Os–Ir–Ru-сплавов ППУ по [6]: 5 – самородного осмия; 6 – самородного иридия. На диаграмме (б) изотермы оценены по бинарному Pt–Ir-сольвусу [13].

Установлено, что распад твердого раствора иридия в изоферроплатине начинается при температурах ниже 845°С [9] и, соответственно, формирование агрегатов Ir–Pt(Fe)-твердого раствора происходило в более высокотемпературных условиях в рамках магматического этапа формирования хромит-платинового оруденения. Изучение включений в хромшпинелидах из дунитов Нижнетагильского массива позволило прийти к выводу о формировании этих пород из расплавов по составу наиболее близких к пикритам при температурах 1345–1430°С, включая хромшпинелиды, сформированные в диапазоне температур от 1310 до 1345°С [5]. Генетическая связь хромшпинелидов и Os–Ir–(Ru)- и Pt–Fe-интерметаллидов была доказана с использованием методов генетической минералогии [3, 6]. Таким образом, кристаллизация крупных индивидов и агрегатов высокотемпературных Ir–Pt(Fe)-твердых растворов могла происходить при температурах от 845 до 1345°С.

Впервые описанные структурные особенности крупных обособлений самородного иридия из россыпей и коренных руд зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Урала и выявленный в них полный ряд распада твердых растворов самородного иридия в изоферроплатине и Pt–Fe-интерметаллидов в самородном иридии позволяют сделать вывод о формировании платино-иридиевого парагенезиса на магматическом этапе развития зональных клинопироксенит-дунитовых массивов.

Общие закономерности геологического строения Светлоборского и Сосновского клинопироксенит-дунитовых массивов [2] позволяют сделать предположение о глубоком эрозионном срезе их дунитовых ядер. Широкое распространение самородного иридия в коренных рудах этих массивов и в связанных с ними россыпях может указывать на увеличение содержания иридия в дунитовых “ядрах”. Однако в результате изучения ассоциации МПГ из россыпи р. Малая Каменушка, связанной со слабо эродированным дунитовым “ядром” Каменушенского массива [10], было установлено, что Pt–Fe-интерметаллиды из россыпей, связанных с Каменушенским массивов, также содержат большое количество включений самородного иридия. Этот факт ставит под сомнение прямую связь глубины эрозионного среза дунитового “ядра” массива с количеством самородного иридия в ассоциации МПГ и позволяет выделить в структуре Платиноносного пояса Урала несколько дунитовых тел, в которых хромититы характеризуются высокими концентрациями иридия. При этом для всей совокупности дунитовых “ядер” массивов ППУ сохранится Ir–Pt-геохимическая специфика [7], однако повышенные концентрации иридия могут свидетельствовать о различном характере эволюции первичного вещества, из которого происходило формирование магматических пород Платиноносного пояса Урала.

Список литературы

  1. Заварицкий А.Н. Коренные месторождения платины на Урале. Л.: Изд-во Геологического комитета, 1928. 56 с.

  2. Иванов О.К. Концентрически-зональные пироксенит-дунитовые массивы Урала. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 1997. 488 с.

  3. Козлов А.В., Степанов С.Ю., Паламарчук Р.С., Минибаев А.М. Онтогенические ориентиры для выбора модели формирования платинового оруденения в зональных клинопироксенит-дунитовых массивах Урала // Зап. РМО. 2019. Т. 148. № 2. С. 115–130.

  4. Паламарчук Р.С., Степанов С.Ю., Ханин Д.А., Антонов А.В., Золотарев А.А. Сравнительная характеристика минералов платиновой группы из элювиально-делювиальной россыпи и хромититов Светлоборского клинопироксенит-дунитового массива (Средний Урал) // Минералогия. 2017. № 4. С. 37–50.

  5. Симонов В.А., Пучков В.Н., Приходько В.С., Ступаков С.И., Котляров А.В. Условия кристаллизации дунитов Нижнетагильского платиноносного ультраосновного массива (Урал) // ДАН. 2013. Т. 499. № 6. С. 692–695.

  6. Степанов С.Ю., Паламарчук Р.С., Антонов А.В., Козлов А.В., Варламов Д.А., Ханин Д.А., Золотарев А.А. Морфология, состав и онтогения минералов платиновых металлов в хромититах зональных клинопироксенит-дунитовых массивов Среднего Урала // Геология и геофизика. 2020. Т. 61. № 1. С. 60–83.

  7. Степанов С.Ю. Паламарчук Р.С., Ханин Д.А., Варламов Д.А., Антонов А.В. Распределение и форма нахождения элементов платиновой группы в хромититах Светлоборского, Вересовоборского и Каменушенского клинопироксенит-дунитовых массивов (Средний Урал) // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2018. № 5. С. 60–69.

  8. Толстых Н.Д., Телегин Ю.М., Козлов А.П. Коренная платина Светлоборского и Каменушенского массивов Платиноносного пояса Урала // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 6. С. 775–793.

  9. Шанк Ф. Структуры двойных сплавов. М. Металлургия, 1973, 760 с.

  10. Palamarchuk R.S., Stepanov S.Yu., Kozlov A.V., Kha-nin D.A., Varlamov D.A., Zolotarev A.A., Kiseleva D.V., Shilovskikh V.V. Platinum-group Minerals from the Malaya Kamenushka River Placer, Middle Urals, Russia // Miner. Mag. 2020. V. 84. № 6. P. 900–912.

  11. Raub E., Plate W. Tempering and Decomposition of Platinum-iridium Alloys // Z. Metallkd. 1956. V. 47. P. 688–693.

  12. Stepanov S.Yu., Palamarchuk R.S., Kozlov A.V., Kha-nin D.A., Varlamov D.A., Kisileva D.V. Platinum-group Minerals of Pt-placer Deposits Associated with the Svetloborsky Ural-Alaskan Type Massif, Middle Urals, Russia // Minerals. 2019. V. 9. № 2.

  13. Tolstykh N., Kozlov A., Telegin Yu. Platinum Mineralization of the Svetly Bor and Nizhny Tagil Intrusions, Ural Platinum Belt // Ore geology Reviews. 2015. V. 67. P. 234–243.

Дополнительные материалы отсутствуют.