Редкоземельные элементы (РЗЭ) всё чаще мелькают в заголовках новостей. Эти металлы, представленные 17 химическими элементами – лантаноидами, иттрием (Y) и скандием (Sc), – являются основой современной электроники и критически важны для развития военных и космических технологий. Учитывая растущий спрос на РЗЭ, изучение условий формирования месторождений этого стратегического сырья приобретает особую значимость.
Коллектив ученых ИГМ СО РАН совместно с коллегами из ИЗК СО РАН (Иркутск), ИГГД РАН (Санкт-Петербург), а также ИГЕМ РАН (Москва) долгое время занимаются изучением пород Катугинского месторождения, которое расположено на севере Забайкальского края. Оно известно, как крупный источник редкоземельных элементов, а также циркония (Zr), ниобия (Nb) и тантала (Ta). Ключевыми научными задачами исследователей были установление условий рудообразования и реконструкция геологической истории формирования месторождения. Подобные исследования имеют высокую прикладную значимость. Полученные данные позволяют точнее оценивать запасы полезных ископаемых, выбирать эффективные методы их добычи и находить перспективные участки для дальнейшей разведки.
В журнале Lithos ученые опубликовали результаты последних исследований и тем самым поставили под сомнение устоявшуюся гипотезу, согласно которой формирование Катугинского месторождения происходило в рамках одного геологического события около 2 млрд лет назад. Исследователи изучили содержащиеся в породе минералы цирконы и получили новые данные, свидетельствующие о том, что спустя примерно 100 миллионов лет после кристаллизации катугинских гранитов в них произошло перераспределение редкоземельных элементов. Учёные предполагают, что на этом позднем этапе также могло произойти дополнительное обогащение пород рудными элементами.
Необычные породы массива: гипотезы о формировании катугинских гранитов
Большинство месторождений РЗЭ связаны с такими породами, как карбонатиты. Однако в промышленных концентрациях РЗЭ также встречаются в щелочно-гранитных комплексах. Катугинское месторождение входит в число четырёх крупнейших месторождений этого типа наряду с Strange Lake (Канада), Ghurayyah (Саудовская Аравия) и Baerzhe (Китай). В отличие от других месторождений, где преобладают лёгкие РЗЭ – лантан, церий, празеодим, неодим, – Катугино содержит высокие концентрации элементов иттриевой группы, что представляет собой достаточно необычное явление.
Это месторождение было открыто и разведано в 50-60-х годах прошлого столетия. В результате исследования массива были определены главные рудные минералы – пирохлор (Nb, Ta), циркон (Zr), фториды редкоземельных металлов и криолит. В рамках существующих тогда представлений о том, что не бывает высокофтористых гранитоидных магм, руды Катугинского массива относили к щелочным метасоматитам. Предполагали, что по глубинным разломам проходили флюиды (высокотемпературные жидкости), которые «пропаривали» вмещающие породы и привносили в них новые элементы. Порода перекристаллизовывалась, образуя новые минеральные ассоциации.
Новый импульс к изучению месторождения начался уже в нашем тысячелетии. К этому времени были найдены аналоги высокофтористых гранитов среди вулканических пород (застывшая излившаяся магма). Это позволило ученым доказать, что Катугинский комплекс образовался в результате остывания в толще земной коры высокофтористого щелочного расплава 2,06 миллиарда лет назад. Учеными был проведен большой комплекс исследований и охарактеризован минеральный и вещественный состав пород и руд месторождения. Тем не менее, все еще оставалось много неясных моментов. Например, было не понятно, какие именно процессы привели к неравномерному обогащению гранитов комплексными рудными компонентами.
«Некоторые исследователи предполагали, что такое распределение руд связано с ликвацией – это такой процесс разделения магматического расплава на несколько разных жидкостей. Для Катугинского месторождения разные исследователи предлагали существование аллюмофторидного расплава (образование рудного минерала криолита, фторалюмината Na3AlF6), и чисто фторидного, но обогащённого редкими землями: в массиве мы встречали участки, которые состоят только из редкоземельных фаз. Мы тоже раньше думали, что такое перераспределение связано с ликвацией» - комментирует первый автор работы старший научный сотрудник Старикова Анастасия Евгеньевна.
1) Фотографии керна из скважин катугинского месторождения
2) Образец редкометального гранита с рудной минерализацией: Pcl - пирохлор (руда на Nb), Zrn - циркон (руда на Zr)
Современные исследования цирконов и новые гипотезы
Чтобы разобраться, что происходило в прошлом, учёные из Института геологии и минералогии СО РАН взялись за изучение циркона. Циркон – минерал, обладающий отличной химической и физической стойкостью, и с момента кристаллизации или перекристаллизации он может сохранятся практически неизменным миллиарды лет. Анализ включений в цирконах и его строение позволяет определить среду, в которой кристаллизовался минерал, и условия образования пород. По изотопному составу циркона можно установить время геологических событий, происходящих с породой.
Оказалось, что для пород Катугинского месторождения можно выделить несколько разных типов цирконов по их внутреннему строению. Исследователи выяснили, что только цирконы, имеющие черты магматических, были приурочены к начальной стадии формирования комплекса 2,06 млрд лет назад. Другие типы цирконов своей структурой, включениями и изотопным составом стали для ученых свидетельствами процессов, протекавших значительно позже. Магматические цирконы в той или иной степени замещались рыхлыми неоднородными участками (гетерогенными зонами). В некоторых случаях эти зоны полностью слагали весь циркон.
«Мы нашли в наших образцах жилки криолита (фторалюмината) в гранитах, у которых образовалась кайма, состоящая из циркона, пирохлора (Nb, Ta) и РЗЭ минералов. То есть появление циркона и минералов–концентраторов РЗЭ произошло одновременно с жилкой криолита. Мы посмотрели внутреннее строение этих цирконов. Оказалось, что они отличаются от магматических строением центральной части, которая была абсолютно однородная и без всякой зональности. При этом по ней тоже развивалась гетерогенная зона со включениями. Мы решили измерить возраст этих цирконов и оказалось, что они значительно моложе: им 1,92 млрд лет. Это значит, что они образовались значительно позже, чем весь массив», - рассказывает Анастасия Евгеньевна – «Мы также сделали анализ гетерогенных зон. И выяснили, что гетерогенная зона, которая замещает магматическую, тоже значительно моложе. Время ее образования также 1,92 миллиард лет назад. Соответственно, происходил какой-то процесс, который преобразовывал породы».
Кайма циркона на границе криолитовой жилки с гранитом (фотография в проходящем свете);
Обособление с редкоземельной минерализацией (изображение в обратно-рассеянных электронах). Cry - криолит
Еще одним способом реконструкции геологических событий прошлого является анализ включений в минералах. В процессе роста кристалл захватывает среду, из которой растёт, и найденное включение показывает ученому в каких обстановках рос кристалл. В новообразованных гетерогенных зонах цирконов Катугинского месторождения наблюдалось очень много включений – это могли быть другие минералы или даже остатки флюида, который участвовал в процессе преобразования минерала. До недавнего времени исследователи считали, что обнаруженные в цирконах включения являются расплавными, то есть минерал захватил расплав во время своего роста из магмы. Такие включения должны иметь схожий друг с другом состав. Но в данном случае специалисты столкнулись с неожиданностью:
«Вот группа включений, находящихся в одном зерне циркона. Из них: одно включение газово-жидкое, другое – твердофазное, еще чуть поодаль - содержит только рудные компоненты и так далее. Какое включение ни возьми, они все разные, что в расплавных включениях быть не может. В расплавных включениях соотношения минералов должны быть схожими. А у нас они варьируют от включения к включению, и сами фазы разные и соотношения их тоже очень сильно отличаются. Это значит, что среда явно была крайне неоднородной. Где такое возможно, в каких условиях? Возможным ответом является метасоматоз. Такой процесс, при котором одна порода, одна ассоциация минералов в результате частичной перекристаллизации преобразуется в другую минеральную ассоциацию. Мы предполагаем, что происходило воздействие флюида на первоначальные граниты, и это привело к такому преобразованию пород. Мы также выяснили состав флюидов. Получилось, что доминирующим компонентом был углекислый газ и фтор. Именно они составляли основную часть флюида, который «пропаривал» изначальные граниты», – делится деталями работы Анастасия Евгеньевна.
Изображение в обратно-рассеянных электронах, показывающее замещение магматического циркона (2.06 миллиарда лет) более молодым (1.9 миллиарда лет);
Фотография включений в гетерогенном цирконе
Тектонические процессы и возможный привнос вещества
Остается еще невыясненный вопрос: какие процессы вызвали появление высокотемпературного флюида 1,92 млрд. лет назад? Катугинский массив, как показывают предыдущие исследования, образовался в отдельном террейне (участок плиты), который позднее пристыковался к Сибирскому кратону. Финальная «сборка» Юго-Восточной части Сибирского кратона, где сейчас как раз расположен Катугинский комплекс, датируется тем же временем, что и зафиксированные учеными следы флюидной активности в катугинских гранитах. Исследователи считают, что именно эти тектонические процессы могли вызвать приток тепла, который спровоцировал частичное плавление пород и появление флюидов. Остаётся неясным, сопровождался ли этот процесс только термическим воздействием, или в этот период происходил еще и дополнительный привнос вещества из недр Земли.
Отдельный интерес вызывает версия о возможном проникновении обогащенного редкоземельными элементами флюида из глубинного источника 1,92 миллиарда лет назад. На такую мысль ученых наводят обнаруженные компоненты флюида: CO2 и фтор. Высокое содержание фтора могло быть связано с изначальным составом гранитов массива. При этом CO2 нетипичен для гранитов, но является характерной составляющей карбонатитового расплава, насыщенного углекислым газом и редкоземельными элементами. При отсутствии карбонатных пород в районе месторождения, такая гипотеза объясняет необычный состав газовой фазы включений. Подобные случаи пока не подтверждены в мировой практике, и ученые продолжают исследования, чтобы проверить эту гипотезу.
Значение исследования и перспективы
Катугинское месторождение является уникальным примером комплексного взаимодействия магматических и метасоматических процессов при формировании редкометалльных рудных тел. Необычная геохимия комплекса, включающая высокие концентрации иттриевой группы РЗЭ, установление роли флюидов и их нетипичный для гранитов состав, открывает новые перспективы для изучения механизмов рудообразования. Кроме того, связь флюидной активности с тектоническими процессами подчёркивает важность региональных геодинамических событий в формировании месторождений. Результаты исследования могут помочь в поиске аналогичных месторождений в других регионах нашей страны.
Этот объект представляет большой интерес для дальнейших геологических исследований и имеет огромное значение для развития промышленности редкоземельных металлов в России. На сегодняшний день Катугинское месторождение не разрабатывается, но относится к балансовым запасам первоочередной отработки. Необычное «соседство» стратегических для промышленности рудных компонентов представляет собой серьёзную задачу для специалистов, разрабатывающих технологию добычи сырья. Несмотря на это, месторождение остаётся перспективным и требует междисциплинарного подхода для его промышленного освоения.
Исследование выполнено в рамках государственных заданий ИГМ СО РАН и поддержано грантами Российского научного фонда 22-17-00078 и 23-17-00196.
Материал подготовлен Пресс-службой ИГМ СО РАН