Скарновые (контактово-метасоматические) месторождения

Скарновыми называются месторождения, которые образуются рудоносными растворами в результате процессов метасоматоза в зоне контакта карбонатных пород с внедрившимися магматическими силикатными породами.Следует отметить, что к скарнам часто относят месторождения других генетических типов, например, гидротермальные, залегающие в зоне контакта магматических пород, внедрившихся в карбонатные толщи и имеющих в своем составе комплекс минералов контактового метасоматоза.

Промышленное значение скарновых месторождений определяется тем, что в скарнах известны месторождения почти всех металлов, за исключением Cr, Sb, Hg. Наибольшее промышленное значение имеют: в известковистых скарнах – Fe, Со, Cu, Pt, W, Mo, Pb-Zn, Au, Sn, Be, Nb, U; в магнезиальных скарнах – В, флогопит. Например, на Урале широко развиты скарновые месторождения железа (Магнитная, Благодать, Соколовское, Сарбайское), меди (Турьинское), на Дальнем Востоке свинцово-цинковая минерализация (Тетюхе), на Кавказе и в Средней Азии месторождения вольфрама и молибдена. Большинство месторождений относится к средним и мелким, хотя встречаются крупные и весьма крупные объекты.

Геологические особенности.Скарновые месторождения образуются в складчатых областях, реже на платформах. Рудные скарны связаны с интрузиями умеренно кислого (граниты) или среднего (гранодиориты, кварцевые диориты, монцониты) состава. На контактах ультраосновных интрузий скарны не образуются.

Глубины образования от 0,5 до 1,5-2 км. На этих небольших глубинах внутреннее давление летучих способно преодолеть внешнее давление пород. Скарны связаны с гипабиссальными интрузиями (рис. 37). Образуются они по обе стороны от линии контакта, как внутри интрузивных пород (эндоскарн), так и во вмещающих карбонатных породах (экзоскарн). Оптимальная зона скарнообразования составляет 200-300 м вдоль контакта (рис. 38). Иногда месторождения могут локализоваться на удалении от контакта до 1-2 км. Формирование месторождений происходит при значительной роли разрывных нарушений, секущих контакт или проходящих вдоль него.

Геологические структуры месторождений и формы рудных тел определяются поверхностью контакта, слоистостью вмещающих пород, складками и разрывами. Рудные тела чаще имеют неправильную форму, подчиняющуюся форме контакта (см. рис. 37). Наиболее интенсивно процесс происходит при пологом контакте интрузива. Распространены пластовые и пластообразные рудные тела, штоки, трубы, жилы и жилообразные залежи, гнезда, линзы, сложные по форме залежи.

Минеральный состав скарнов.По минеральному составу скарны это известково-силикатные горные породы, содержащие карбонаты и силикаты Са, Fe, Al.

Скарновые месторождения типизируются по различным признакам:

-по составу (известковые, магнезиальные, силикатные);

-по стадийности процесса: простые ранних стадий (Fe), сложные поздних стадий (полиметаллические);

-по формациям материнских магматических пород: плагиогранитовые, сиенитовые (Cu, Fe), гранитные (W), диоритовые (полиметаллы, Fe);

-по положению относительно контакта: эндо- , экзоскарн;

-по составу полезных ископаемых - Fe, W, Cu, Pb- Zn, Mo, Sn, В и др.

Месторождения железа связаны со штоками диоритов и эффузивных горных пород среднего состава; главное оруденение - в эндоскарне (гора Благодать, Сарбай в Башкирии, Эмпайр в Канаде). Вольфрам и молибден связаны с порфировидными гранодиоритами, кварцевыми монцонитами. Это пластовые тела в известковистых скарнах (Сангдонг в Южн. Корее). Медь связана со щелочными гранодиоритами и кварцевыми монцонитами; наиболее крупные месторождения - в меднопорфировых плутонах вместе с гидротермальными Cu-порфировыми месторождениями (Саяк 1 в Казахстане). Свинцово-цинковая минерализациявстречается в экзоскарнах в зонах разломов. Оруденение олова- в вулкано-плутонических комплексах кислого - среднего состава.

В качестве генетических подтипов скарновых месторождений чаще выделяют:

- известковые скарны (замещение известняков), содержащие гранат (гроссуляр-андрадит), пироксены (диопсид-геденбергит), волластонит, скаполит, амфиболы, эпидот, хлориты, магнетит, гематит, кварц, сульфиды металлов, кальцит, флюорит, шеелит (например, скарны г. Магнитной);

- магнезиальные скарны (замещение доломитов или доломитизированных известняков), имеющие в своем составе диопсид-геденбергит (пироксены), гранаты (андрадит-гроссуляр), форстерит, серпентин, амфиболы, флогопит, шпинель, магнетит, доломит, кальцит, сульфиды металлов;

- силикатные скарны (замещение силикатных пород), включающие как характерный минерал скаполит, в остальном они близки к известковым скарнам.

По преобладанию типичных минералов скарны разделяются на гранатовые, волластонитовые, диопсидовые и др.

Для скарнов характерна зональность в распределении минеральных ассоциаций. В известковых скарнах выделяются следующие зоны: 1- неизмененные или осветленные гранитоиды, 2 - эндоскарны гранатовые с эпидотом, 3 - экзоскарны пироксен-гранатовые, 4 –скарны гранат-пироксен-эпидотовые, 5 - известняки мраморизованные и неизмененные.

Для магнезиальных скарнов зональность выглядит следующим образом: 1 - гранитоид, 2- пироксен-полевошпатовая околоскарновая порода, 3- шпинель-пироксеновый скарн, 4 - шпинель-форстеритовый скарн, 5 - мрамор, 6 - доломитовый мрамор.

Физико-химические условия образования и генезис.При внедрении горячей магмы (1200-1000⁰) в относительно холодные породы происходит образование новых минеральных форм. Это контактовый метаморфизм. При контактовом метаморфизме рудные месторождения образуются редко. Происходит изменение состава как вмещающих пород, так и магматических образований: глинистые сланцы превращаются в роговики; песчаники - в кварциты; карбонатные породы - в мраморы.

Контактово-метасоматические процессы создают благоприятный «фон» для дальнейшего рудоотложения, изменяя свойства вмещающих пород. Воздействие интрузива двоякое: 1-термальный метаморфизм (прогревание), при котором образуются роговики, кварциты, мраморы, 2- метасоматические процессы под воздействием летучих, которые выделяются со стороны интрузива или из его глубинных частей. Развитие скарнов контролируется зоной контакта и тектоническими деформациями в этом участке коры. По расчетам Д. Казанли (исследование влияния температурных полей) при воздействии интрузива породы в приконтактовой зоне за 1000 лет прогреваются до 250⁰ на расстоянии от контакта до 200 м, а за 50 тыс. лет - на 600⁰. (Исходные данные: начальная t расплава 1300⁰, скрытая теплота плавления гранитов 60 кал, теплопроводность 4.10^-3кал/см сек^-1, теплоемкость 0,3).

Рудная минерализация образуется после частичного или полного застывания магмы в процессе деятельности газово-жидких растворов, которые выносятся из магмы и воздействуют на скарны. Обычно это происходит в результате длительной и многостадийной циркуляции растворов вдоль зоны контакта на фоне неоднократного дробления пород.

Установлено три типа взаимоотношения руд и скарнов (рис. 39): 1 - руды и скарны одновременны или близки по времени, что встречается редко (руды Fe, В); 2 - рудообразование непосредственно следует за скарнообразованием (руды Sn, Fe); 3 - наложение гидротермального оруденения на скарны (руды Au, W, Cu). Чаще скарны служат благоприятной в физическом и химическом отношении средой.

Скарны образуются при температурах 300-900⁰. Эксперименты по изучению газово-жидких включений и теоретические расчеты позволяют выделить следующие температурные фазы скарнов: волластонит-плагиоклазовая - 900-750⁰; пироксен-гранатовая - 800-500⁰; гранат-эпидотовая - 500-450⁰; пироксен-эпидотовая - 400⁰. Рудная минерализация, наложенная на скарны, образуется при температуре от 300⁰ и ниже.

В скарнах парагенезис (состав минеральных ассоциаций) и зональность (смена их по отношению к контакту) зависят от возрастания кислотности процесса. Обычно процесс идет (во времени) по пути вытеснения кальция магнием, а затем железом. Образуется ряд: волластонит - диопсид - геденбергит - андрадит.

Существуют следующие главные модели образования скарнов (рис. 40)

1. Инфильтрационно-диффузионная модель Д.С. Коржинского.

По обе стороны от зоны контакта силикатных и карбонатных пород возникает неравновесная химическая система. В этой системе по одну сторону преобладают элементы карбонатной среды, по другую - силикатной. В этих условиях происходит выравнивание составов путем встречного диффузионного оттока элементов из области высокой их концентрации в зону пониженной концентрации(биметасоматоз, по Д.С. Коржинскому). СаО перемещается из карбонатных пород в алюмосиликатные, SiО₂ и Al₂О₃ - из силикатных в карбонатные (см. рис. 40). По мере развития скарнообразования происходит постепенное разрастание зон метасоматоза в направлении диффузионного потока (наступление тыловых зон на фронтальные). На фоне диффузионного проникновения происходят обменные реакции между соединениями раствора, а также между раствором и породообразующими минералами скарнов или гранитоидов. Зональностьминералообразования, установленную в скарнах, Д.С. Коржинский объяснил разной степенью подвижности диффундирующих элементов и изменениями условий среды. Наиболее подвижные группы: Н₂О, СО₂ ; S, Cl, K, Na; наименее подвижные: Р, Тi, Al .

Однако подсчеты показали, что SiО₂ и СО₂, имеющиеся в гранитах и известняках, не обеспечивают объемов этих компонентов, содержащихся в скарнах. Необходим привнос этих веществ извне. С учетом этого положения Д.С. Коржинский выдвинул инфильтрационно-диффузионнуюконцепцию: скарны формируются как при диффузии на границе интрузии, так и в процессе привноса элементов циркулирующими горячими растворами. Эти растворы привносят элементы из глубинного магматического очага и из пород по пути их следования. Т.е. процесс происходит в открытой системе путем инфильтрации и диффузии. Инфильтрация - перенос вещества растворами, которые просачиваются через всю массу породы по порам и трещинам. Диффузия - перемещение частиц (атомов, ионов, молекул) в направлении убывания их концентраций. Эти процессы происходят в газах быстро, в жидкостях медленно, в твердых телах еще медленнее. Скорость возрастает при повышении t⁰.

Наиболее ценные месторождения создаются в трещинных зонах с существенным привносом вещества из магматического очага (контактово-инфильтрационные скарны).

2. Стадийная модель П. Пилипенко - предполагается, что главная масса вещества привносится из магматического очага. Среда играет роль поставщика минерализаторов.

Состав привносимых веществ постепенно меняется, t⁰ понижается. Это приводит к стадийности процесса и зональному расположению минеральных ассоциаций. П. Пилипенко выделил 6 фаз (стадий) метасоматоза: 1-кремниевый (привнос Si) - образование диопсидовой породы; 2-алюмосиликатный метасоматоз - привнос Si и Al (гранаты); 3-галоидный - привнос Cl (скаполит); 4-железистый метасоматоз (геденбергит, гранат, магнетит, гематит); 5-флюидно-водный метасоматоз - привнос Н₂О, СО₂, Cl (роговая обманка, эпидот, шеелит, кальцит); 6-сульфидный метасоматоз - наиболее низкие t⁰, привнос Н₂О, S, металлов.

3. Рассматривая обе эти модели, В. Смирнов показал, что на ранних стадиях формирования скарновых месторождений главную роль играет биметасоматоз, а по мере развития процесса прогрессивно нарастает привнос вещества из глубинных источников. Последний имеет главное значение для образования рудных скоплений.

Рудные формации скарновых месторождений: 1 - железорудная - магнетит, гематит, сульфиды (Магнитная, Тельбесское (Зап. Сибирь), Дашкесан (Кавказ), Банат (Венгрия); 2 - меднорудная - пирит, халькопирит, пирротин, сфалерит, магнетит, гематит (Турьинское (см. рис. 37), Гумешевское на Урале, Глафиринское в Минусинском районе, Бисби в Аризоне); 3 - вольфрамовая – шеелит, сульфиды (Балканское на Урале, Лянгарское в Ср. Азии, Пайн-Крик в Калифорнии, Тырныауз (рис. 41) на Кавказе); 4 - золоторудная - Au, сульфиды (в Зап. Сибири); 5 - свинцово-цинковая - галенит- сфалеритовая (Алтын-Топкан

и др. в Ср. Азии); 6 - бериллия и ниобия – гельвин, фенакит (Кайзерштуль, Шиллинген в Германии); 7 - касситеритовая (Питкяранта в Карелии); 8 - магнезиальных бороносных скарнов (Россия, Болгария, Чехия); 9 - неметаллических полезных ископаемых - апатит, хризотил-асбест.