Дифференциация тантала и ниобия во флюидно-магматических (щелочной и гранитной) системах (экспериментальные данные)

Чевычелов В.Ю.

Институт экспериментальной минералогии, Черноголовка, Московская обл., Россия

chev@iem.ac.ru

 

Многие принципиальные вопросы генезиса редкометальных месторождений, связанных с гранитоидным и щелочным магматизмом, до настоящего времени остаются недостаточно ясными. Экспериментальные исследования могут помочь получить более четкие представления о физико-химических условиях их образования (Зарайский, 2004; Чевычелов и др., 2005). Геологические данные свидетельствуют о важной роли магматических факторов при образовании альбититовых, грейзеновых и других генетических типов редкометальных месторождений Ta, Nb, Sn, W, Mo и др. По своим химическим свойствам эти металлы имеют высокое сродство к кислороду и к магматическому расплаву, благодаря чему накапливаются в остаточном расплаве, обогащая собой поздние дифференциаты эволюционных гранитных серий. Такие месторождения, как правило, связаны с высоко дифференцированными многофазными гранитными плутонами. Для моделирования возможных условий образования месторождений тантала и ниобия подобного типа в настоящем докладе рассматриваются полученные количественные данные по растворимости колумбита (Mn,Fe)(Nb,Ta)₂O₆ в магматических расплавах различной щелочности и глиноземистости и по распределению Ta и Nb в процессе флюидно-магматического взаимодействия.

Установлено, что состав расплава оказывает очень сильное влияние на растворимость колумбита. В щелочном расплаве растворимость максимальна (до ~2 мас. % Ta и до ~5 мас. % Nb при P =100 МПа). В расплаве близ нормального состава предельные содержания Ta и Nb уменьшаются на порядок и более и, наконец, в обогащенном глиноземом расплаве эти содержания часто снижаются еще в 2-6 раз. При этом в щелочном расплаве выше концентрация Nb, а в плюмазитовом – Ta (рис. 1). Температурная зависимость растворимости положительная, но выражена слабее, чем влияние состава. Она наиболее заметно проявлена в расплаве близ нормального состава, в котором с понижением температуры от 850 до 650^оС предельные концентрации Ta и Nb уменьшаются от ~0.5-0.8 до 0.14-0.05 мас. %. При этом тантал становится более растворимым в расплаве, чем ниобий. Влияние давления на растворимость в изученном диапазоне 30-400 МПа является менее выраженным. Однако с уменьшением давления до 30 МПа максимальные содержания Ta и Nb в гранитных расплавах могут уменьшаться в 3-6 раз (Чевычелов и др., 2010).

В изученных условиях коэффициенты диффузии Ta, Nb и Mn в расплаве составляют ~n·10^-8- n·10^-11 см²/сек. При этом коэффициенты диффузии для Ta минимальны, для Nb обычно на полпорядка выше, а для Mn еще выше примерно на столько же (рис. 2). Отмечается более заметное влияние изменения давления и особенно состава расплава на величину коэффициентов диффузии по сравнению с влиянием температуры.

Показано, что коэффициенты распределения Ta, Nb и Mn между флюидом и гранитным расплавом (весовое отношение ^fluidC_i/^meltC_i = ^fluid/meltD_i) при изученных условиях имеют очень низкие значения (0.001–0.008 для Ta, 0.001–0.022 для Nb и 0.002–0.010 для Mn); то есть распределение этих металлов резко смещено в пользу расплава (рис. 3). В целом, коэффициенты ^fluid/meltD_Ta и ^fluid/meltD_Nb возрастают как с увеличением коэффициента глиноземистости в составе стекла, так и с ростом температуры. В изученных условиях фтор преимущественно концентрируется в расплаве: коэффициенты распределения F меньше единицы и находятся в пределах 0.1-0.7. Стекла плюмазитового состава максимально обогащены фтором (до ~4.5 -6 мас. %), а в щелочных стеклах содержание F снижается до ~0.5 -2 мас. % (Бородулин и др., 2009).

Таким образом, Ta и Nb, благодаря высокому сродству к расплаву, не могут перейти в водный флюид в заметных количествах и при его отделении остаются в расплаве. Экспериментально показано, что растворимость колумбита в близ нормальном и плюмазитовом гранитном расплаве имеет сильно выраженную положительную температурную зависимость, то есть с понижением температуры предельные содержания ниобия и, в особенности, тантала в этих расплавах резко уменьшаются, причем в расплаве природного Li-F гранита с A/NK ~1.3 значительно сильнее, чем для модельных расплавов. Но все же растворимость колумбита в гранитных расплавах остается достаточно высокой, особенно в щелочных магмах. Она значительно выше по концентрации Ta и Nb, чем содержание этих элементов даже в наиболее обогащенных ими гранитных породах. Можно с уверенностью заключить, что кристаллизация колумбита на ликвидусе как в агпаитовых, так и в плюмазитовых магмах невозможна.

Ta и Nb, по-видимому, выделяются из расплава в самом конце кристаллизации расплава при температуре солидуса (550-600^oC) с образованием мельчайшей акцессорной вкрапленности танталита-колумбита в межзерновом пространстве наиболее поздних конечных дифференциатов Li-F гранитов. Однако содержание магматогенного тантала в Li-F гранитах и онгонитах кукульбейского комплекса Восточного Забайкалья и других редкометальных регионов - в несколько раз ниже промышленного. Обычно оно не превышает 30-50 ppm, при принятом бортовом содержании Ta₂O₅ в рудных телах Орловки и Этыки 90 ppm и среднем содержании в рудах 130-140 ppm. По-видимому, дальнейшее концентрирование Ta до промышленного уровня 100-350 ppm происходит гидротермально-метасоматическим путем в процессе грейзенизации и альбитизации Li-F гранитов постмагматическими флюидами с переотложением ранее кристаллизовавшихся акцессорных тантало-ниобатов в верхней части гранитных куполов под экраном ороговикованной сланцевой кровли (Чевычелов и др., 2005; Зарайский и др., 2008).

 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ грант № 08-05-00865-a.

 

Рис. 1. Предельные концентрации Ta и Nb в расплаве на границе с колумбитом в зависимости от температуры (черные значки). Коэффициент глиноземистости Al₂O₃/(Na₂O +K₂O+MnO+FeO) в составе расплава (сокращенно A/NKMF) изменяется от 0.6-0.8 (а) до 2.0-2.2 (в). Для сравнения в качестве репера добавлены наши прежние результаты для расплава природного Li-F гранита с A/NK ~1.3 (незакрашенные значки, штриховые линии).

Рис. 2. Коэффициенты диффузии Ta, Nb и Mn в расплаве в зависимости от состава расплава.

Рис. 3. Коэффициенты распределения Ta и Nb между флюидом и гранитным расплавом в зависимости от температуры.