Манганоильменит и пирофанит из сиенитов Ильмено-Вишневогорского щелочного комплекса (Южный Урал)

Ильменит — минерал, впервые открытый в породах ильмено-вишневогорского щелочного комплекса, является широко распространенным акцессорным минералом основных щелочных пород (сиенитов, гранитов) и карбонатитов. При замещении Fe2+ на Mn2+ в ильмените образуется пирофанит с содержанием MnO > 21.4 мас. %; при Mn > Fe формируется промежуточный минерал — манганоильменит — с содержанием MnO > 13 мас. % [12]. Состав ильменитов из щелочных пород изменяется в широких пределах, в них всегда присутствует доля MnTiO3 [1].

В ильмено-вишневогорском щелочном комплексе манганоильмениты были описаны в пегматитовых телах поздних миаскитов (копь № 118 и др.), сиенитов (копь № 158) и щелочных гранитов (копи № 405, 198), а пирофанит по данным рентгеноструктурного анализа был определен в щелочном гранитном пегматите копи № 198 [10, 16, 20]. Манганоильмениты и пирофаниты также встречены в родонитах Среднего Урала; в измененных монцодиоритах массивов Восточной Среднегории в Болгарии; в родингитах базит-гипербазитовых массивов Камчатки; в измененных гранитах Чукотки; в карбонатитах, ийолитах, мельтей-гитах и якупирангитах щелочных комплексов Украинского щита и кимберлитах Бразилии [3,4, 7, 15, 17, 22].

Исследование состава ильменитов в щелочных породах ильменогорского комплекса позволяет оценить вариативность процессов минерало- и рудообразования и существенно расширить представления о мобильности и инертности компонентов в щелочной среде, а также вносит вклад в развитие фундаментальной проблемы геологии — генезис щелочных пород и рудообразование в них.

Методы исследования

Химический анализ минералов выполнен на растровом электронном микроскопе РЭММА-202 М с энергодисперсионной приставкой LZ Link Sistems с Si-Li-детектором (ИМин УрО РАН, аналитик В. А. Котляров). Стандарты: AstJMEX scientifie Limited MJNM 25-53 Mineral Mount serial № 01-44. Режим съемки при разрешении детектора 160 эВ, ускоряющем напряжении 2030 кВ, силе тока 3 х 10^-3 А, диаметром пучка 1-2 мкм. Коррекция данных производилась с использованием программы Magellanes.

Геологическое положение

Ильмено-вишневогорский щелочной комплекс (рис. 1, а) состоит из тел миаскитов, сиенитов, фени-тов, пегматитов и карбонатитов. Часто эти породы пре- образованы полистадийными деформационными и метасоматическими процессами. На этапе постколлизионного развития комплекса произошло заложение субмеридиональной региональной сдвиговой зоны. Породы подверглись хрупкопластичным деформациям в условиях амфиболитовой фации динамотермального метаморфизма (270—240 млн лет) [25]. В ильмено-вишневогор-ском комплексе выделяют крупные миаскитовые массивы — Вишневогорский и Ильменогорский (рис. 1, b), соединенные Центральной щелочной полосой (рис. 1, с), сложенной дезинтегрированными породами массивов. Геология, петрография и возраст пород комплекса детально рассмотрены многими авторами [2, 6, 8].

Миаскиты (мас. %: SiO2 — 57.98, TiO2 — 0.12, Al2O3 — 23.50, Fe2O3 — 1.66, FeO — 1.21, MnO — 0.08, MgO — 0.13, CaO — 0.28, Na2O — 8.68, K2O — 4.28), в которых был изучен пирофанит, подверглись процессам милонитизации. Порода лейкомезократового облика имеет полосчатую текстуру, немато- или лепидогранобластовую, иногда порфирокластовую структуру. Порфирокласты представлены ортоклазом, микроклином, реже нефелином и амфиболами (ферритарамитом и калийферритара-митом). Матрикс милонитизированного миаскита сложен биотитом (аннитом и флогопит-аннитом) и альбитом. Акцессорные минералы представлены ильменитом, магнетитом, титанитом, пирохлором, цирконом, алланитом, монацитом, бритолитом, бастнезитом [13, 14]. Присутствуют вторичные минералы — кальцит и эпидот.

Сиенитовые пегматоиды! (мас. %: SiO₂ — 62.62, TiO₂ — 0.98, Al₂O₃ — 12.49, Fe₂O₃ — 6.80, FeO — 1.29, MnO — 0.19, MgO — 1.37, CaO — 2.92, Na2O — 6.04, K₂O — 4.54) расположены в пироксеновых сиенитах в виде зональных жил пегматоидного облика. Центральная часть жил представлена гигантозернистым микроклином и ортоклазом, к ней приурочены акцессорные минералы: апатит, циркон, ильменит, магнетит. Краевая часть представлена меланократовым средне-, крупнозернистым агрегатом, сложенным пироксеном (эгирин-авгитом), полевым шпатом (альбитом), титанитом, биотитом (аннитом) и поздними минералами: кварцем, флогопитом, амфиболами (фер-ривинчитом, феррибраузитом, магнезиорибекитом), пироксенами (клиноэнстатит—клиноферросилитом, эгирин-авгитом). В ней диагностируются акцессорные минералы: апатит, циркон, ильменит, магнетит, представленные несколькими генерациями [23, 24].

Манганоильменит и пирофанит

Ильмениты в миаскитах представлены идиоморфными деформированными зернами или округлыми порфирокластами размером от 0.5—5 мм. Минерал

Рис. 1. Схематические геологические карты ильмено-вишневогорского щелочного комплекса (а), Ильменогорского миаскитового массива (b) и части Центральной щелочной полосы (c) по [8, 19]:

1 — фениты (О₂); 2 — биотитовые миаскиты (О₂); 3 — амфиболовые миаскиты (О₂); 4 — сиениты (О₂); 5 — селянкинская серия амфи-бол-гнейсово-плагиомигматитовая (Ar- Pt 1 ); 6 — бластомилониты гранитоидного и сиенитового состава (Р₂—Т₁(?); 7 — милониты Кыштымского сдвига-надвига; 8 — елан-чиковская толща плагиосланцев и мигматитов инъекционного типа; 9 — саитовская серия, метатерригенная; 10 — зеленосланцевые осадочно-вулканогенные комплексы Западно-Mагнитогорской и Арамильско-Сухтелинской зон; 11 — Увильдинский мон-цонит-гранитный комплекс (Pz₃); 12 — гнейсовидные граниты кисегачского комплекса, 13 — метагипербазиты; 14—поздние разломы;

15 — место взятия образцов (см. таблицу)

Fig. 1. Schematic geological maps of the Ilmeny-Vishnevogorsky alkaline complex (a), the Ilm-enogorsky miaskite massif (b) and part of the Central alkaline belt (c) after [8, 19].

1 — Middle Ordovician biotite miaskites; 2 — Middle Ordovician amphibole miaskite; 3 — Middle Ordovician fenites; 4 — Middle Ordovician syenites; 5 — Selyankino Group: Archean to Early Proterozoic amphibolite-gneiss-plagiomigmatite rocks; 6 — Middle Permian-Lower Triassic (?) granitic and syenitic blastomylonites; 7 — mylonites of the Kyshtym — strike-slip fault thrust; 8 — Elanchik Sequence: plagioshales and injection of migmatites; 9 — Saitovo Sequence: metaterrigenous rocks; 10 — greenschist volcanosedimentary complexes of the West Magnitogorsk and Aramil-Sukhteli zones;

11 — Upper Precambrian Uvildy monzogranitic complex; 12 — gneissic granites of the Kisegach complex; 13 — metaultramafic rocks; 14 — late faults; 15 — sampling place (see table)

имеет непостоянный состав (рис. 2) — Ilm84-94Pph6-16. Отношение Ti/(Ti+Mn+Fe) варьирует от 0.43 до 0.51. Содержит примесь Nb (0.11—0.98 мас. %).

Пирофанит из миаскитов замещает идиоморфные зерна магнетита в виде ламелей (размер 60—20 х 3 мкм и менее) по спайности и в виде ксеноморфных выделе-

Рис. 2. Состав ильменит-пирофанитов в сиенитах ильмено-вишневогорского щелочного комплекса (мольные доли от (Fe + Mn + Ti)):

1, 2 — ильмениты: 1 — из сиенитовых пегматоидов; 2 — из миаскитов; 3 — манганоильмениты из сиенитовых пегматоидов; 4 — пирофаниты из миаскитов

Fig. 2. Composition of ilmenites and pyrophanites from syenites of the Ilmeny-Vishnevogorsky alkaline complex (mol. % of the (Fe + Mn + Ti)). 1, 2 — ilmenites from: 1 — from syenite pegma-toic rocks; 2 — miaskites; 3 — manganilmenites from syenite peg-matoic rocks; 4 — pyrophanites from miaskites ний (размер 30—10 мкм) по краям и трещинам (рис. 3). Магнетит формируется в межзерновом пространстве породообразующих минералов. Замещение магнетита пирофанитом в краевых участках часто происходит в контакте с поздними минералами (альбитом, флогопит-анни-том, мусковитом) (рис. 3, а, b). Состав минерала (см. таблицу; рис. 2) не постоянный (Pph48-70Ilm30-52) и отвечает железистому пирофаниту. Отношение Ti/(Ti + Mn + Fe) изменяется от 0.45 до 0.51. Отличительной чертой пирофанита является отсутствие элементов-примесей (Nb). Магнетиты, по которым развит пирофанит, имеют посто янный состав с незначительным содержанием элементов-примесей Ti (0.06—0.51 мас. %) и Mn (0.13—0.33 мас. %).

В сиенитовых пегматоидах ильменит встречается в виде изометричных гипидиоморфных зерен в срастании с пироксеном (эгирин-авгитом) и альбитом. Он содержит низкое количество Mn (Ilm85-95Pph5-15), отношение Ti/(Ti + Mn + Fe) изменяется от 0.45 до 0.47 (рис. 2). В качестве примеси в нем содержится Nb (0.25—1.60 мас. %, реже до 4.24 мас. %), Al (0.43—0.63 мас. %) и Mg (0.25— 0.65 мас. %).

В данной породе обнаружен манганоильменит (Ilm54-73Pph27-46) в виде тонкопластинчатых вростков (ламелей) в центральной части (рис. 4, а) и в краевых участках зерен магнетита (рис. 4, b). Размеры ламелей варьируют от 0.02—0.01 до 1—0.02 мм. В составе мангано-ильменита (см. таблицу, рис. 2) отсутствуют элементы-примеси (Nb, Al, Mg), характерные для ранних ильменитов. Величина отношения Ti/(Ti+Mn+Fe) в манганоиль-мените колеблется от 0.49 до 0.52. Магнетит, по которому развивается манганоильменит, содержит примеси Ti (0.08-0.93 мас. %), Mn (0.00-1.95 мас. %), V (0.00-0.93 мас. %) и Al (до 0.47 мас. %) и имеет зональное строение, выраженное в увеличении содержания V и Fe и уменьшении Mn от центра к краю.

Обсуждение результатов

Изученные ильмениты ильмено-вишневогорского щелочного комплекса показывают, что в сиенитах существуют первичные ильмениты, образованные из расплава, и поздние манганоильменит и пирофанит. Первичные ильмениты характеризуются идиоморфными формами кристаллов (рис. 2), близким составом и вариативностью отношения Ti/(Ti + Mn + Fe). Для них характерно наличие элементов-примесей Nb, Al, Mg, при этом ильмениты миаскитов содержат только Nb.

Манганоильменит обнаружен в сиенитовом пегматоиде в виде микроскопических ламелей в магнетите, а пирофанит — в виде ксеноморфных выделений, образованных по магнетиту. Характерная черта этих минералов — широкие вариации составов (рис. 2) при относительно незначительных колебаниях отношения Ti/(Ti + Mn + Fe), что определяется основным механизмом замещения по схеме Fe2+ ^ Mn. Отсутствие в них элементов-примесей (Nb, Al, Mg) отличает их от ранних ильменитов ильмено-вишневогорского комплекса.

20 мкм

Рис. 3. Замещение магнетита пирофанитом в миаските: а — в краевых частях зерен; b — по трещинам (СЭМ-фото). Индексы минералов по [26]

Fig. 3. Replacement of magnetite by pyrophanite in miaskites: a — in rims, b — in fractures (BSE-image). Abbreviation of the minerals are after [26]

Химический состав пирофанитов и манганоильменитов из сиенитов ильмено-вишневогорского щелочного комплекса (мас. %, к. ф.).

Chemical composition of pyrophanites and manganilmenites from syenites of the Ilmeny-Vishnevogorsky alkaline complex (wt. %, f. u.).

№ анализа Analysis	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
TiO2	53.01	53.10	53.38	39.3	51.84	47.51	52.16	52.78	52.50	53.15	52.05	52.33	52.79	51.87	51.53	55.09	52.54
FeO*	22.44	21.99	21.96	31.16	14.39	19.84	14.97	30.36	31.28	25.98	26.82	26.97	25.30	34.58	34.97	32.27	35.27
MnO	24.28	24.57	24.53	28.63	33.54	32.46	32.53	16.61	15.78	19.9	21.11	20.47	21.6	13.57	13.35	12.53	11.79
Сумма \ Total	99.73	99.66	99.87	99.09	99.77	99.81	99.66	99.75	99.56	99.03	99.98	99.77	99.69	100.02	99.85	99.89	99.6
Элементы Elements	к. ф.
Ti	1.01	1.00	1.01	0.74	0.98	0.89	0.99	1.00	1.00	1.02	0.99	0.99	1.00	0.98	0.98	1.05	1.00
Fe	0.47	0.47	0.46	0.65	0.30	0.42	0.32	0.64	0.66	0.55	0.56	0.57	0.54	0.73	0.74	0.68	0.75
Mn	0.52	0.53	0.53	0.61	0.72	0.69	0.69	0.36	0.34	0.43	0.45	0.44	0.46	0.29	0.28	0.27	0.25

Примечание. 1—4 — пирофанит из биотитовых миаскитов (1—3 — обр. НТ 3—12 (N 55 ° 14'40.6'' E 60 ° 11'47.3''); 4 — обр. НТ 5—12 (N 55 ° 22'52.8'' E 60 ° 15'45.4'')); 5—7 — пирофанит из амфибол-биотитового миаскита (обр. HM 9 — 13 (N 55 ° 04'47.0'' E 60 ° 08'18.7'')); 8—17 — манганоильменит из сиенитового пегматоида (8—11 — обр. Нж — 35, 12—14 — обр. Нж — 36, 15—18 — обр. 1ц — 1 (N 55 ° 10'30.0'' E 60 ° 10'30.0'')). Пирофанит и манганоильменит рассчитаны на 2 катиона. FeO* — FeO + Fe₂O₃.

Note. 1—3 — pyrophanite from biotite miaskites (1—3 sample HT 3-12 located (N 55 ° 14'40.6'' E 60 ° 11'47.3''); 4 — sample HT 5—12 located (N 55 ° 22'52.8'' E 60 ° 15'45.4'')); 5—7 — pyrophanite from amphibole-biotite miaskites (sample HM 9 — 13 located (N 55 ° 04'47.0'' E 60 ° 08'18.7'')); 8—17 — manganilmenite from syenite pegmatoic rocks (8—11 — sample 11ж — 35, 12—14 — sample 11ж — 36, 15—17 — sample 1ц — 1 located (N 55 ° 10'30.0'' E 60 ° 10'30.0'')). Structural formulae of pyrophanite and manganilmenite calculated on the basis of two cations. FeO* — FeO + Fe₂O₃.

Рис. 4. Ламели манганоильменита по магнетиту в сиенитовом пегматоиде: а — в центральной части зерен магнетита; b — в краевых участках зерен магнетита, на контакте магнетита и поздних биотита и альбита (СЭМ-фото)

Fig. 4. Lamellae of manganilmenite after magnetite in syenite pegmatoic rocks: a — in central part of magnetite grains; b — in rims at contact of magnetite and late biotite and albite (BSE-image)

Образование манганоильменита и пирофанита в щелочных породах связано с распадом твердого раствора в титаномагнетите и метасоматическими преобразованиями под влиянием флюида [1, 4, 7, 15, 17, 18, 22].

Отсутствие следов деформации и форма выделений минералов позволяют предполагать, что пирофаниты в миаскитах имеют позднее метасоматическое образование, а манганоильмениты в сиенитовых пегматоидах образовались в ходе распада твердого раствора в магнетите на конечном этапе формирования породы [4, 18]. Известно, что содержание марган ца в ильмените зависит от щелочности породы [1, 7]. Повышенное содержание Mn в поздних разновидностях ильменита можно объяснить влиянием щелочного флюида с высокой фугитивностью. Воздействие его на миаскит способствует мобильности устойчивых Ti, Fe и Mn при температурах < 650-700 °C [1, 15]. Высокая фугитивность флюида (F, OH) определяет смещение равновесия системы «магнетит—ильменит» в сторону последнего. Отсутствие элементов-примесей (Nb и др.) в манганоильменит-пирофанитах объясняется инертностью этих элементов.

Изучение включений минералообразующих сред минералов сиенитовых пегматоидов показало, что они образованы остаточными щелочными растворами при температурах 450—700 °C [21]. При таких условиях мобильные в щелочной среде Ti и Mn концентрировались в магнетите — минерале-концентраторе Fe, наиболее геохимически родственном элементе для Mn и Ti. При снижении температуры произошло разделение минеральных фаз на собственно магнетит и манганоильменит.

Перераспределение элементов под воздействием щелочного флюида [9] подтверждается широко проявленными метасоматическими изменениями в породах ильмено-вишневогорского комплекса и образованием характерной поздней минерализации: банальсит-стро-нальсита, бастнезита, бритолита и др. [11, 13, 14].

Выводы

Появление марганецсодержащих беспримесных ильменитов, развитых по магнетиту, объясняется влиянием щелочного флюида, обеспечившего мобильность и перераспределение Ti, Fe и Mn и инертность Nb, Mg, Al. Породы, содержащие манганоильменит и пирофанит, были сформированы либо изменены щелочным флюидом, имевшим широкое проявление на завершающем постколлизионном этапе (240—270 млн лет) развития региона.