Аутигенная титановая минерализация как отражение гальмиролиза карбонатно-сульфидно-гиалокластитовых осадков на колчеданоносных полях Урала

Объект исследования. Изучены горизонты оксидно-железистых отложений колчеданных месторождений Урала.

Цель работы – оценка поведения титана в процессах гальмиролитического преобразования и литогенеза известковистых гиалокластитов и карбонатно-сульфидно-гиалокластитовых осадков.

Материалы и методы. Исследованы микротекстуры агрегатов аутигенных минералов Ti (анатаз, рутил, титанит) в джасперитах и госсанитах из разных колчеданных месторождений Урала. Для идентификации минералов использованы микроскопические и электронно-микроскопические методы исследований, а также дифракция отраженных электронов.

Результаты. Установлено, что при частичном гальмиролизе известковистых гиалокластитов происходил вынос Ti c формированием каемок аутигенного анатаза в краевых частях гематитизированных гиалокластов. При полном превращении гиалокластитов в гематит-кварцевые джаспериты аутигенные минералы Ti исчезали. В госсанитах (гематиткварцевых и гематит-хлоритовых продуктах субмаринного окисления карбонатно-сульфидно-гиалокластитовых осадков) Ti концентрировался в виде аутигенных рутила и титанита. Судя по обилию бактериоморфных структур в корродированных гиалокластах, гальмиролиз происходил при участии бактерий.

Выводы. Источником вещества для образования титановых минералов в оксидно-железистых отложениях служил гиалокластический материал. Гальмиролиз карбонатно-гиалокластитовых осадков с формированием джасперитов происходил в щелочных условиях, благоприятных для переноса Ti в виде гидроксокарбонатных комплексов. Образование рутила вместо анатаза связано с более низкими значениями pH (<5) среды минералообразования, обязанными окислению пирита в продуктах гальмиролиза гиалокластитов, смешанных с сульфидами. Титанит образовался в результате перераспределения ранее образованных Ti-содержащих фаз. Полученные результаты исследований решают фундаментальную проблему мобильности Ti в условиях гальмиролиза гиалокластитов в отличие от иммобильности этого элемента в гидротермальных процессах.

1. Агапова Г.Ф., Модников Е.М., Шмариович Е.М. (1989) Экспериментальное изучение поведения титана в термальных сульфидно-карбонатных растворах. Геология рудн. месторождений, (2), 73-79.

2. Аюпова Н.Р., Масленников В.В. (2012) Биоминерализация в железисто-кремнистых отложениях колчеданных месторождений Урала. Докл. АН, 442(5), 649-652.

3. Зайков В.В. (2006) Вулканизм и сульфидные холмы палеоокеанических окраин (на примере колчеданоносных зон Урала и Сибири). М.: Наука, 428 с.

4. Зайкова Е.В. (1991) Кремнистые породы офиолитовых ассоциаций (на примере Мугоджар). М.: Наука, 134 с.

5. Либрович Л.С. (1936) Геологическое строение Кизило-Уртазымского района на Южном Урале. Л.; М.: ОНТИ НКТП СССР, 208 с.

6. Масленников В.В. (1999) Седиментогенез, гальмиролиз и экология колчеданоносных палеогидротермальных полей (на примере Южного Урала). Миасс: Геотур, 388 с.

7. Масленников В.В. (2006) Литогенез и колчеданообразование. Миасс: Ин-т минералогии, 384 с.

8. Масленников В.В., Аюпова Н.Р. (2007) Кремнистожелезистые отложения Узельгинского рудного поля, Южный Урал. Литосфера, (4), 110-129.

9. Масленников В.В., Зайков В.В. (1991) О разрушении и окисления на дне Уральского палеоокеанасульфидных холмов. Докл. АН СССР, 319(6), 1434-1437.

10. Масленников В.В., Аюпова Н.Р., Масленникова С.П., Леин А.Ю., Целуйко А.С., Данюшевский Л.В., Ларж Р.Р., Симонов В.А. (2017) Критерии обнаружения фауны гидротермальных экосистем в рудах колчеданных месторождений Урала. Литология и полез. ископаемые, (3), 199-218. https://doi.org/10.7868/S0024497X17030028

11. Маслов В.А., Артюшкова О.В. (2010) Стратиграфия и корреляция девонских отложений Магнитогорской мегазоны Южного Урала. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 288 c.

12. Пуркин А.В. Денисова Т.А. (1987) Геологические критерии прогнозирования и поисков на Урале скрытых стратиформных медноколчеданных месторождений, сформированных по продуктам субмаринного выветривания базальтов. Свердловск: Уралгеология, 190 с.

13. Чайковский И.И., Чайковская Е.В., Коротченкова О.В., Чиркова Е.П., Уткина Т.А. (2019) Аутигенные минералы титана и циркония Верхнекамского месторождения солей. Геохимия, 64(2), 182-194.

14. Alt J.C. (1988) Hydrothermal oxide and nontronite deposits on seamounts in the Eastern Pacific. Mar. Geol., 81, 227-239.

15. Ayupova N.R., Maslennikov V.V., Tessalina S.G., Shilovsky O.P., Sadykov S.A., Hollis S.P., Danyushevsky L.V., Safina N.P., Statsenko E.O. (2017) Tube fossils from gossanites of the Urals VHMS deposits, Russia: authigenic mineral assemblages and trace element distributions. Ore Geol. Rev., 85, 107-130. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2016.08.003

16. Banerjee N.R., Furnes H., Muehlenbachs K., Staudigel H., de Wit M. (2006) Preservation of ~3.4–3.5 Ga microbial biomarkers in pillow lavas and hyaloclastites from the Barberton Greenstone Belt, South Africa. Earth Planet. Sci. Lett., 241, 707-722. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.11.011

17. Constantinou G., Govett G.J.S. (1973) Geology, geochemistry, and genesis of Cyprus sulfide deposits. Econ. Geol., 68, 843-858.

18. Daux V., Crovisier J.L., Hemond C., Petit J.C. (1994) Geochemical evolution of basaltic rocks subjected to weathering: fate of the major elements, rare earth elements, and thorium. Geochim. Cosmochim. Acta, 58, 4941-4954.

19. Fallon E.K., Petersen S., Brooker R.A., Scott T.B. (2017) Oxidative dissolution of hydrothermal mixed-sulphide ore: An assessment of current knowledge in relation to seafloor massive sulphide mining. Ore Geol. Rev., 86, 309-337. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2017.02.028

20. Fisher R.V., Schmincke H.-U. (1984) Alteration of volcanic glass. Pyroclastic rocks. Berlin; Heidelberg; New York, Springer, 312-345.

21. Force E.R. (1991) Geology of titanium-mineral deposits. Geol. Soc. Amer. Spec. Papers, 259, 1-112.

22. Georgieva M.N., Little C.T.S., Maslennikov V.V., Glover A.G., Ayupova N.R., Herrington R.J. (2021) The history of life at hydrothermal vents. Earth-Sci. Rev., 217, 103602. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103602

23. Gifkins C.C., Allen R.L. (2001) Textural and chemical characteristics of diagenetic and hydrothermal alteration in glassy volcanic rocks: Examples from the Mount Read Volcanics, Tasmania. Econ. Geol., 96, 973-1002.

24. Glorgetti G., Monecke T., Kleeberg R., Hannington M.D. (2006) Low-Temperature Hydrothermal Alteration of Silicic Glass at the Pacmanus Hydrothermal Vent Field, Manus Basin: An XRD, SEM and AEM-TEM study. Clays Clay Miner., 54, 240-251.

25. Grenne T., Slack J.F. (2003) Paleozoic and Mezozoic silicarich seawater: Evidence from hematitic chert (jasper) deposits. Geology, 31, 319-322.

26. Grenne T., Slack J.F. (2005) Geochemistry of jasper beds from the Ordovican Lökken Ophiolite, Norway: origin of proximal and distal siliceous exhalites. Econ. Geol., 100, 1511-1527.

27. Hanaor D., Sorrell C.C. (2011) Review of the anatase to rutile phase transformation. J. Mater. Sci., 46, 855-874. https://doi.org/10.1007/s10853-010-5113-0

28. Hekinian R., Hoffert M., Larque P., Chemine J.L., Stoffers P., Bideau D. (1993) Hydrothermal Fe and Si oxyhydroxide deposits from South Pacific intraplate volcanoes and East Pacific Rise axial and off-axial regions. Econ. Geol., 88, 2099-2121.

29. Herzig P.M., Hannington M.D., Scott S.D., Maliotis G., Rona P.A., Thompson G. (1991) Gold-rich sea-floor gossans in the Troodos ophiolite and on the Mid-Atlantic ridge. Econ. Geol., 86, 1747-1755.

30. Hollis S.P., Cooper M.R., Herrington R.J., Roberts S., Earls G., Verbeeten A., Piercey S.J., Archibald S.M. (2015) Distribution, mineralogy and geochemistry of silica-iron exhalites and related rocks from the Tyrone Igneous Complex: implications for VMS mineralization in Northern Ireland. J. Geochem. Explor., 159, 148-168.

31. Hümmel K. (1922) Die Entstehung eisenreicher Gesteine durch Halmurose. Geol. Rundschau, 2(13), 40-81.

32. ICSD (Inorganic Crystal Structure Database). Fachinformationszentrum (FIZ). Karlsruhe, (2021).

33. Izawa M.R.M., Banerjee N.R., Shervais J.W., Flemming R.L., Hetherington C.J., Muehlenbachs K., Schultz D.D., Hanan B.B. (2019) Titanite mineralization of microbial bioalteration textures in Jurassic Volcanic Glass, Coast Range Ophiolite, California. Front Earth Sci., 7, 315. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00315

34. Kalogeropoulos S.I., Scott S.D. (1983) Mineralogy and geochemistry of tuffaceous exhalites (tetsusekiei) of the Fukazawa mine, Hokuroku district, Japan. Econ. Geol. Monogr., 5, 412-432.

35. Liou J.G., Maruyama S., Cho M. (1987) Very low-grade metamorphism of volcanic and volcaniclastic rocks – mineral assemblages and mineral facies. Low Temperature Metamorphism. (Ed. M. Frey). Glasgow: Blackie, 59-113.

36. Liu Z.-R.R., Zhou M.-F., Williams-Jones A.E., Wang W., Gao J.-F. (2019) Diagenetic mobilization of Ti and formation of brookite/anatase in early Cambrian black shales, South China. Chem. Geol., 506(20), 79-96.

37. Mader D. (1980) Authigener rutil in Buntsandstem der Westeifel. New Jahrb. Mineral. Monatsh., 3, 97-108.

38. Marsaglia K.M., Tazaki K. (1992) Diagenetic trends in Leg 126 sandstones. Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results, College Station, TX (Ocean Drilling Program). (Ed. B. Taylor, K. Fujioka et al.), 126, 125-138. https://doi.org/10.2973/odp.proc.sr.126.123.1992

39. Maslennikov V.V., Ayupova N.R., Herrington R.J., Danyushevskiy L.V., Large R.R. (2012) Ferruginous and manganiferous haloes around massive sulphide deposits of the Urals. Ore Geol. Rev., 47, 5-41. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2012.03.008

40. Maslennikov V.V., Ayupova N.R., Safina N.P., Tseluyko A.S., Melekestseva I.Yu., Large R.R., Herrington R.J., Kotlyarov V.A., Blinov I.A., Maslennikova S.P., Tessalina S.G. (2019) Mineralogical features of ore diagenites in the Urals massive sulfide deposits, Russia. Minerals, 9, 150. https://doi.org/10.3390/min9030150

41. Maslennikov V.V., Maslennikova S.P., Large R.R., Danyushevsky L.V. (2009) Study of trace element zonation in vent chimneys from the Silurian Yaman–Kasy VHMS (the Southern Urals, Russia) using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP MS). Econ. Geol., 104, 1111-1141.

42. Maslennikov V.V., Maslennikova S.P., Large R.R., Danyushevsky L.V., Herrington R.J., Ayupova N.R., Zaykov V.V., Lein A.Y., Tseluyko A.S., Melekestseva I.Y., Tessalina S.G. (2017) Chimneys in Paleozoic massive sulfide mounds of the Urals VMS deposits: Mineral and trace element comparison with modern black, grey, white and clear smokers. Ore Geol. Rev., 85, 64-106. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2016.09.012

43. Merino E. (1975) Diagenesis in Tertiary Sandstones from Kettelman, North Dome, California. I. Diagenetic mineralogy. J. Sed. Petrol., 45, 320-336.

44. Milliken K.L. (1992) Chemical behaviour of detrital feldspar in mudrocks versus sandstones, Frio Formation (Oligocene), South Texas. J. Sediment. Res., 62, 790- 801. https://doi.org/10.1306/d42679dd-2b26-11d7-8648000102c1865d

45. Morad S. (1986) SEM study of authigenic rutile, anatase and brookite in Proterozoic sandstones from Sweden. Sediment. Geol., 46(1-2), 77-89. https://doi.org/10.1016/0037-0738(86)90007-2

46. Morad S., Aldahan A.A. (1982) Authigenesis of titanium minerals in two Proterozolc sedimentary rocks from southern and central Sweden. J. Sed. Petrol., 52, 1295- 1303.

47. Morton A.C., Humphreys B. (1983) The Petrology of the Middle Jurassic Sandstones from the Murchison Field. North Sea. J. Petrol. Geol., 5, 245-260.

48. Muscat J., Swamy V., Harrison N.M. (2002) First-principles calculations of the phase stability of TiO2. Phys. Rev. B, 65, 224112/1-224112/15.

49. Parnell J. (2004) Titanium mobilization by hydrocarbon fluids related to sill intrusion in a sedimentary sequence, Scotland. Ore Geol. Rev., 24(1-2), 155-167.

50. Peter J.M., Goodfellow W.D. (1996) Mineralogy, bulk and rare earth element geochemistry of massive sulphide-associated hydrothermal sediments of the Brunswick horizon, Bathurst mining camp, New Brunswick. Can. J. Earth Sci., 33, 252-280.

51. Sabyrov K., Adamson V. (2014) Two-step phase transformation of anatase to rutile in aqueous suspension. Cryst. Eng. Comm., 16(8), 1488. https://doi.org/10.1039/c3ce41820k

52. Schulz H.-M., Wirth R., Schreiber A. (2016) Nano-crystal formation of TiO2 polymorphs brookite and anatase due to organic – inorganic rock–fluid interactions. J. Sediment. Res., 86(2), 59-72.

53. Smith S.J., Stevens R., Liu Sh., Li G., Navrotsky A., Boerio-Goates Ju., Woodfield B.F. (2009) Heat capacities and thermodynamic functions of TiO2 anatase and rutile: Analysis of phase stability. Amer. Miner., 94, 236-243.

54. Staudigel H., Hart S.R. (1983) Alteration of basaltic glass: mechanisms and significance for the oceanic crust-sea water budget. Geochim. Cosmochim. Acta, 47, 337-350.

55. Valentine P.C., Commeau J.A. (1990) Fine-grained rutile in the Gulf of Maine – diagenetic origin, source rocks, and sedimentary environment of deposition. Econ. Geol., 85, 862-876.

56. Van Panhuys-Sigler M., Trewin N.H. (1990) Authigenic sphene cement in Permian sandstones from Arran. Scottish J. Geol., 26, 39-144. https://doi.org/10.1144/sjg26020139

57. Zhang H., Banfield J.F. (2000) Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior During Growth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO2. J. Phys. Chem., 104(15), 3481-3487. https://doi.org/10.1021/jp000499j

58. Zhou Z., Fyfe W.S. (1989) Palagonitization of basaltic glass from DSDP site-335, LEG-37 – textures, chemical-composition, and mechanism of formation. Amer. Miner., 74, 1045-1053.