Статья: Редкие и редкоземельные элементы в Cu-Ni рудах Норильского района

РЕДКИЕ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В Cu-Ni РУДАХ НОРИЛЬСКОГО РАЙОНА

А.В. Григорьева, А.В. Волков, К.Ю. Мурашов

ФГБУН Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (Москва, Российская Федерация)

Месторождения Норильского района приурочены к краевой северо-западной части Сибирской платформы и связаны с проявлением раннемезозойского траппового вулканизма. Сульфидное оруденение концентрируется в интрузивной фации вулкано-интрузивного комплекса. По текстурным особенностям выделены четыре основных типа Cu-Ni руд: массивные, прожилково-вкрапленные, брекчиевидные и вкрапленные, которые существенно различаются по химическому составу и содержанию породо- и рудообразующих компонентов. Коэффициенты обогащения рудных микроэлементов в октябрьской и талнахской прожилково-вкрапленной руде достигают в основном сотен (S, Pt, Au, Se, Te, Pb, As, Sn, Mo) и тысяч (Ni, Cu, Ag, Pd) раз. Выявлена довольно высокая обогащенность всех типов руд Bi, Re и Cd, которые потенциально промышленно значимы как высокотехнологичные металлы и могут быть перспективны для попутной добычи. Концентрация редких земель в основных типах руд за исключением массивных превышает уровень стандарта хондрита, фракционирование РЗЭ слабое. Суммарные содержания легких РЗЭ выше, чем тяжелых. Схожесть геометрии спектров РЗЭ массивных и прожилково-вкрапленных, брекчиевидных, вкрапленных типов руд, содержащих значительную примесь вмещающих пород, указывает на унаследованность состава РЗЭ в рудах от вмещающих пород.

Ключевые слова: Норильский район, медно-никелевые месторождения, геохимия руд, микроэлементы, редкие земли.

Abstract

RARE-EARTH ELEMENTS IN Cu-Ni ORES OF THE NORILSK REGION

Grigorieva A. V., Volkov A. V., Murashov K. Yu.

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry RAS (Moscow, Russian Federation)

The deposits of the Norilsk region are confined to the marginal northwestern part of the Siberian platform and are associated with the manifestation of the Early Mesozoic trap volcanism. Sulfide mineralization is concentrated in the intrusive facies of the volcano-intrusive complex. Four main types of Cu-Ni ores are distinguished according to textural features: massive, vein-disseminated, brecciated, and disseminated. The main types of Cu-Ni ores differ significantly from each other in the chemical composition and content of rock- and ore-forming components. The enrichment ratios of ore trace elements in the Oktyabrskaya and Talnakhskaya vein-disseminated ore mainly reach hundreds (S, Pt, Au, Se,Te, Pb, As, Sn, Mo) and thousands (Ni, Cu, Ag, Pd) times. A rather high enrichment of all types of Bi, Re and Cd ores has been revealed, which are potentially industrially significant as high-tech metals, and can be promising for associated mining. The amount of rare-earth elements (REE) in ores is several times less than in the upper crust and more than in the primitive mantle. The concentration of rare earths in the main types of ores, with the exception of massive ones, exceeds the level of the chondrite standard, and REE fractionation is weak. The distribution spectra of chondrite-normalized REEs have a slight negative slope: the total content of light REEs is higher than that of heavy ones. The similarity of the geometry of the REE spectra of massive, vein-disseminated, brecciated and disseminated types of ores containing a significant admixture of host rocks indicates the inheritance of the REE composition in ores from the host rocks. In the disseminated ores of common taxite gabbro-dolerites, the Eu anomaly is present in the Kharaelakhsky (Oktyabrskoye Deposit) and Talnakhsky (Talnakhskoye Deposit) intrusions, it is positive, and in the Norilsk I Intrusive (in the same rocks), it is negative. Higher concentrations of REEs and significant fractionation of light and heavy rare elements are typical for host contact-metamorphic and metasomatic rocks with vein-disseminated (exocontact) ores. For olivine-free hornfels and skarns in brecciated ores, as well as for vein-disseminated ores, significant fractionation of light REEs with relatively heavy ones and a pronounced Eu minimum are characteristic. In massive ores, the distribution of REEs is determined by the composition of xenoliths.

The research was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research, (Grant No. 18-05-70001 “Studying the geological and geodynamic conditions for the formation of large strategic metal deposits in the Arctic zone of Russia: conclusions for forecasting and prospecting for new deposits”).

The authors are grateful to S.F. Sluzhenikin for kindly providing the collection of samples of the main types of Cu-Ni ores of the Norilsk region and for valuable critical comments; to N. V. Sidorova -- for technical assistance during the preparation of samples for research.

Keywords: Norilsk region, copper-nickel deposits, geochemistry of ores, trace elements, rare earths.

Введение

Норильский район, один из крупнейших промышленных регионов России, расположен в Арктической зоне. Здесь сосредоточено 71,1% запасов никеля России, более 33,9% запасов меди и 93% платиноидов [1]. Норильские месторождения сульфидных Cu- Ni руд интенсивно разрабатываются Заполярным филиалом ПАО ГМК «Норникель», который производит Ni, Cu, Co, Pd, Pt, Ru, Rh, Os, Ir, Au, Ag, Te, Se и серную кислоту ¹. По оценкам компании «Schodde at Minex Consulting», с момента начала эксплуатации в 1940 г. на месторождении было добыто в общей сложности 8,3 млн т Ni, 16,3 млн т Cu, более 5500 т платиноидов и около 100 т Au из 691 млн т руды [2]. В 2019 г. «Норникель», судя по опубликованному отчету, заработал более 13,6 млрд долл.

Месторождения Норильского района приурочены к краевой северо-западной части Сибирской платформы и связаны с проявлением траппового вулканизма в раннемезозойское время (около 250 млн л). Выявлено восемь Cu-Ni месторождений, локализованных в трех рудных узлах: Октябрьское и Талнахское месторождения Талнахского рудного узла; месторождения Норильск I, Черногорское, Норильск II, Масловское, Зуб-Маркшейдерское в Норильском рудном узле и Имангдинское -- Имангдинский рудный узел. Руды наиболее значимых по запасам Cu, Ni и платиновых металлов месторождений Норильск I, Октябрьского и Талнахского (рис. 1) -- предмет настоящих исследований.

Сульфидное оруденение концентрируется в интрузивной фации вулкано-интрузивного комплекса, причем его максимальная концентрация сосредоточена в полнодифференцированных массивах и в меньшей степени в более ранних дифференцированных лейкократовых интрузивах и более поздних дифференцированных меланократовых интрузивах. Одна из особенностей норильских месторождений -- многообразие слагающих их типов сульфидных руд [3--5].

Рис. 1. Схематическая структурно-геологическая карта Норильского рудного района (по материалам Норильской комплексной геолого-разведочной экспедиции (НКГРЭ), 1974 г., модифицирована)

Fig. 1. Schematic structural and geological map of the Norilsk ore region (based on materials of the Norilsk comprehensive geological exploration expedition (NIGEE), 1974, modified)

Основные Cu-Ni месторождения Норильского района изучаются на протяжении многих лет большим числом ученых России и мира. Однако распределение редких и редкоземельных элементов (РЗЭ) в Cu-Ni рудах современными аналитическими методами исследовано недостаточно. Известно, что микроэлементы и РЗЭ активно реагируют на окислительно-восстановительную среду природных обстановок, что позволяет использовать их в качестве геохимических индикаторов источников вещества. Кроме того, доизучение химического состава руд комплексных норильских месторождений, потенциальных источников высокотехнологичных металлов, имеет большое практическое значение [6]. Публикация продолжает серию статей Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН), посвященных минеральным ресурсам Арктики.

Методика исследований

Для проведения исследований была составлена коллекция из 32 образцов основных типов руд (табл. 1, рис. 2). Массивные руды представлены 7 образцами (6 Октябрьского и 1 Талнахского месторождений); прожилково-вкрапленные руды -- 5 образцами Талнахского месторождения; брекчиевидные руды -- 4 образцами западного фланга Октябрьского месторождения; вкрапленные руды -- 17 образцами, отобранными из такситовых и пикритовых габбродолеритов Талнахского (скважина ОУГ-2), Хараелахского (скважина РТ-7) и Норильск I (скважина МН-2) интрузивов.

Петрографическими и минералогическими методами изучались состав пород и рудная минерализация.

Определение концентрации главных и примесных элементов в пробах выполнено методом рентгеноспектрального флюоресцентного анализа на вакуумном спектрометре последовательного действия (с дисперсией по длине волны), модель Axios mAX Advanced производства компании PANalytical (Нидерланды), в лаборатории анализа минерального вещества ИГЕМ РАН. Спектрометр снабжен рентгеновской трубкой мощностью 4 кВт с Rh-анодом. Максимальное напряжение на трубке 60 кВ, максимальный анодный ток 160 мА. При градуировке спектрометра использованы отраслевые и государственные стандартные образцы химического состава горных пород и минерального сырья. В качестве контрольных образцов использованы стандартные образцы Геологической службы США (USGS).

Анализ выполнен по методикам Научного совета по аналитическим методам исследований Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья им. Н.М. Федоровского, обеспечивающим получение результатов III категории точности количественного анализа по ОСТ РФ 4108-205-04. Данная категория точности применяется для массового анализа проб минеральных веществ, контрольных анализов и при подсчете запасов месторождений полезных ископаемых (аналитик А. И. Якушев).

Таблица 1. Коллекция норильских Cu-Ni руд

Примечание: гл. -- глубина.

Определение микроэлементов и РЗЭ проводилось в Институте экспериментальной минералогии им. академика Д.С. Коржинского РАН (Черноголовка Московской области) с помощью масс-спектрометра ICP-MS XSeries 2 Thermo Electron, который позволяет выполнять высокоточный анализ в диапазоне элементов от Li до U, включая элементы с высокими потенциалами ионизации: РЗЭ, Zr, Nb, W и др. Пределы обнаружения элементов от 10^-9 до 10^-12 г/мл (аналитик В. К. Карандашев).

Рис. 2. Фотографии основных типов Cu-Ni норильских руд. Полированные штуфы в натуральную величину: а -- массивная пентландит-пирротин-халькопиритовая руда, Октябрьское месторождение, рудник «Комсомольский»; б -- массивная пентландит-пирротин-халькопиритовая руда, Октябрьское месторождение, рудник «Октябрьский»; в -- пентландит-халькопирит-пирротиновая прожилково-вкрапленная руда, Талнахское месторождение, рудник «Комсомольский»; г -- пентландит-кубанит-талнахитовая массивная руда, Талнахское месторождение, рудник «Комсомольский»; д -- вкрапленная сульфидная руда (ликвационные халькопирит-пирротиновые капли) в пикритовых габбро-долеритах (нижние части сульфидных капель сложены пирротином, верхние -- халькопиритом), Талнахское месторождение, рудник «Комсомольский»; е -- халькопирит-пирротиновая густовкра-пленная сидеронитовая руда в пикритовых габбро-долеритах, месторождение Норильск I; ж -- пирротин-халькопиритовая тон- ковкрапленная руда с магнетитом в оливиновых габбро-долеритах, месторождение Норильск I; з -- пирротин-халькопиритовая прожилково-вкрапленная тонкозернистая руда с магнетитом в роговиках, Талнахское месторождение, рудник «Комсомольский»; и -- брекчиевидные руды («обломки» роговиков, метасоматитов и габбродолеритов цементируются крупнозернистым пентландит-халькопирит-пирротиновым материалом, роговики замещаются сульфидами и магнетитом), Октябрьское месторождение, рудник «Октябрьский»

Fig. 2. Photos of the main types of Cu-Ni ores in Norilsk. Life-size polished floats: а -- massive pentlandite-pyrrhotite-chalcopyrite ore, Oktyabrskoe Deposit, Komsomolsky mine; б -- massive pentlandite-pyrrhotite-chalcopyrite ore, Oktyabrskoe Deposit, Oktyabrsky mine; в -- pentlandite-chalcopyrite-pyrrhotite veined-interspersed ore, Talnakhskoye Deposit, Komsomolsky mine; г -- pentlandite-kubanite-talnakhite massive ore, Talnakhskoye Deposit, Komsomolsky mine; д -- interspersed sulfide ore (liquation chalcopyritepyrrhotite drops) in picrite gabbro-dolerites. The lower parts of the sulfide droplets are composed of pyrrhotite, and the upper parts are of chalcopyrite. Talnakhskoye Deposit, Komsomolsky mine; е -- chalcopyrite-pyrrhotite thickly interspersed sideronite ore in picrite gabbro-dolerites Norilsk I Deposit; ж -- pyrrhotite-chalcopyrite thinly interspersed ore with magnetite in olivine gabbrodolerites, Norilsk I Deposit; з -- pyrrhotite-chalcopyrite vein-interspersed fine-grained ore with magnetite in hornfels, Talnakhskoye Deposit, Komsomolsky mine; и -- brecciate ores. “Fragments” of hornfels, metasomatites, and gabbrodolerites are cemented by coarse-grained pentlandite-chalcopyrite-pyrrhotite material. The hornfels are replaced by sulfides and magnetite. Oktyabrskoye deposit, Oktyabrsky mine

Характеристика основных типов Cu-Ni руд. Массивные или сплошные руды

Массивные -- наиболее экономически значимый тип Cu-Ni руд. Массивные руды в настоящее время играют наиболее существенную роль (8,5%) в балансе запасов Норильского промышленного района. Наибольшее их количество сосредоточено в месторождениях Талнахское и Норильск I. По латерали протяженность залежей этих руд достигает несколько сотен метров, а мощность колеблется от 0,1 до 45 м. Наибольшей мощности сплошные руды достигают в осевых зонах интрузивов. Кроме того, массивные руды образуют самостоятельные тела и локализуются в метаморфических и метасоматических породах ближнего экзоконтакта рудоносных интрузивов. Они образуют систему жил плито- и линзовидных тел, залегающих в породах нижнего экзоконтакта интрузивов конкордантно с элементами залегания последних.

Форма тел массивных руд плитообразная, уплощенно-линзовидная. В меньшем количестве тела массивных руд размещаются среди пород дифференцированных рудоносных интрузивов, где слагают жилы, заполняют свободное пространство [7].

В норильских и особенно талнахских массивных рудах установлен полный ряд парагенетических ассоциаций сульфидов, охватываемых системой Fe- Cu-Ni-S. Слагая отдельные части рудных тел, они обуславливают их зональность и скрытую расслоенность. Большинство рудных тел сложено пирротиновыми рудами с отношением Cu/Ni порядка 0,8, почти в два раза ниже, чем во вкрапленных рудах. Эти руды на 60--65% сложены минералами группы пирротина, на 15--20% -- халькопиритом, на 10-- 15% -- пентландитом и примерно на 5% -- магнетитом. Среди существенных пирротиновых руд по текстурным особенностям выделяются две разновидности. Первая характеризуется петельчатой текстурой: между блоками, сложенными пирротином, развивается халькопирит в виде петель изменяющейся мощности. Количество ксенолитов роговиков в них не превышает 5%. Вторая разновидность представляет собой мелкозернистые руды с большим количеством магнетита и силикатных включений, составляющих до 30% объема руд. В рудах с низкосернистыми ассоциациями сульфидов (минералы группы халькопирита с пониженным содержанием серы) концентрация Ni в пентландите опускается до 28 масс. %, а в пирротиновых рудах поднимается до 36 масс. %. Содержание Ni в пирротине при этом изменяется от сотых долей процента (в троилите) до 1,6 масс. % в моноклинном пирротине. Массивные руды формируются позже внедрения сульфидно-силикатной магмы, образующей полнодифференцированные интрузивы с вкрапленным оруденением [3].