Геохимические методы поисков изумрудов

Изумруд — темно-зеленая хромсодержащая разновидность берилла — относится к группе драгоценных камней первого класса. Принадлежит к трем генетическим типам: 1) пегматитовому (миароловые микроклиновые пегматиты); 2) пневматолит-гидротермальному (слюдитовые грейзены); 3) гидротермальному (телетермальные кальцитовые и пирит-альбитовые жилы).

Месторождения, связанные с пегматитами, залегающие в основных и ультраосновных породах, имеют небольшие размеры. Высококачественный ювелирный изумруд в них встречается очень редко (США, Норвегия). Месторождения второго типа являются важнейшим источником ювелирных разновидностей изумрудов; локализуются в гипербазитах, диоритах, в флогопитовых слюдитах, генетически связанных с кислыми и ультракислыми гранитами. Формирование этих месторождений обусловлено пневматолитогидротермальными процессами в ультрабазитах в результате которых образовались мощные флогопитовые и биотитовые оторочки вдоль зальбандов кварц-плагиоклазовых жил.

Наиболее благоприятные условия для образования изумрудов появились в результате воздействия агрессивных бериллийсодержащих компонентов гранитных расплавов, обогащенных фтором, хлором, бором на хромсодержащие гипербазиты (до 0,15% Cr2O3). Слюдиты, концентрирующие хромсодержащие разновидности берилла, ассоциируют с пегматитами, альбититами, кварц-полевошпатовыми и кварцевыми жилами. Изумрудная минерализация, локализующаяся только в слюдитах, образовалась в последнюю стадию после образования флогопита. На месторождениях изумруда олюдитового типа отчетливо прослеживается многоэтапность образования минеральных фаз. В первый этап происходило внедрение пегматитовых жил, сопровождавшихся очень слабым проявлением гидротермальных изменений. Во второй, собственно продуктивный, этап при повторных тектонических движениях происходило формирование изумрудоносных образований, связанных с воздействием на породы субстрата и пегматитовые жилы минералообразующих растворов, сопровождавшееся образованием фло-гопит-биотитовых слюдитов. Из глубины привносились Cl, F, СО2, H2O, Hg, основная масса слюдитовых образований заимствовалась из вмещающих пород. В третий, гидротермальный, этап на ранней стадии образовывались мусковит-флюоритовые и мусковит-альбитовые жилы, а на поздней стадии формировались кварцевые и кварц-сульфидные жилы с кальцитом и цеолиты.

Телетермальные месторождения связаны с кварцевыми, кальцитовыми и альбитовыми жилами, залегающими в сланцах, алевролитах, известняках. Авторы полагают, что основная масса щелочных и летучих компонентов, а также бериллий привносились из глубин. Воздействие агрессивных растворов на вмещающие породы приводило к мобилизации таких элементов, как Fe, Mg, Ca, Si, Cr, V, Sc. Минеральные парагенезисы изумрудоносных зон зависят от состава вмещающих пород.

Для поисков месторождений изумрудоносных пегматитов применяются следующие поисковые признаки:

1) наличие микроклиновых пегматитов и гранитов, залегающих в ультрабазитах и слюдистых сланцах;

2) обнажения пегматитов, содержащие миароловые, занорыши.

Для поисков месторождений берилловых (изумрудоносных) грейзенов поисковыми признаками являются:

1) пегматиты и жилы гранитов среди серпентинизированных ультрабазитов, а также на контакте последних с диоритами и амфиболитами;

2) наличие слюдитов, сопровождаемых пегматитами, альбититами, кварц-полевошпатовыми и кварцевыми жилами;

3) непосредственные находки слюдитов;

для поисков телетермальных месторождений:

1) присутствие сланцев и полевошпатовых песчаников в контакте с кварц-кальцитовыми и альбитовыми жилами карбонатных пород;

2) непосредственные находки кальцитовых, доломит-кальцитовых и пирит-альбитовых жил, образующих штокверки.

Минеральный состав изумрудоносных зон разнообразен. В эндогенных месторождениях пегматитового типа наиболее распространенными являются: микроклин, кварц, турмалин, биотит, альбит, берилл, каолин. Для пневматолит-гидротермального типа характерно разнообразие литолого-петрографического состава вмещающих пород (сланцы, амфиболиты, диориты, ультрабазиты) и соответственно минерального состава изумрудоносных зон: флогопит (биотит), апатит, александрит, турмалин, флюорит, хризоберилл, топаз, гранат, мусковит, клиногумит, молибденит, халькопирит, пирит, цинвальдит, маргарит, роговая обманка, тремолит, тальк, хлорит, кальцит, цеолиты. Главная масса изумруда тяготеет к флогопитовой зоне. Флогопит из слюдитов содержит включения сфена, апатита, циркона, ильменита, рутила, пирротина. В изумрудных телах выделяются зеленые и серые слюдиты. Последние являются более поздними образованиями и замещают зеленые слюдиты. Наиболее часто изумруды встречаются в серых слюдитах. Вокруг слюдитовых жил, залегающих в серпентинитах, развиваются зоны измененных пород — актинолитовая, актинолит-хлоритовая, хлоритовая и тальковая. В том случае когда слюдиты формируются по контакту серпентинизированных ультрабазитов с диоритами или амфиболовыми гнейсами, со стороны последних наблюдается только биотитизация; если вмещающими являются тремолитовые породы, то вокруг слюдитов развиваются флогопит-тремолитовые, тремолит-хлорит-тальковые и хлорит-тремолитовые зоны.

В водных вытяжках изумрудной зелени и берилла установлены в экв. %): Na (54—64), К (24—31), Li (2—5), Mg (1,5—3), Cl (7—19), F (1—10), бикарбонат (62—92), сульфат-ион (до 8). В некоторых месторождениях (Родезия) изумруд связан с пегматитами, локализующимися в интенсивно измененных ультрабазитах. Пегматиты содержат лепидолит, сподумен, тантало-ниобаты. В качестве включений в изумрудах отмечается тремолит, гранат, гематит, магнетит, мусковит, биотит, лимонит, турмалин. Характерными спутниками изумруда телетермального класса являются: пирит, кальцит, доломит, арагонит, флюорит, барит, альбит, гётит, апатит, паризит, графит.

Приведенные данные, а также результаты изучения минерального состава слюдитовых зон показывают, что наиболее эффективными элементами-индикаторами изумрудоносной минерализации являются фтор, хлор, бор, бериллий, калий, натрий, рубидий, литий, хром, титан. Для месторождений первой генетической группы наиболее характерными элементами-индикаторами являются бор, фтор, бериллий, калий, натрий. Для объектов второй генетической группы устанавливаются элементы-примеси, для которых типичны эндогенный привнос (фтор, бериллий, бор, хлор, калий в пегматитовый и пневматолитовый этапы, ртуть, углекислота в гидротермальный этап), а также перемещение по зонам (обеднение зон продуктивной минерализации пневматолитового этапа хромом, титаном, натрием, медью, ванадием при заимствовании их из вмещающих пород). На телетермальных месторождениях из глубин привносились фтор, сера, углекислота, натрий, бериллий, а из вмещающих пород заимствовались кальций, железо, магний, хром, торий, ванадий, селен, медь, никель. Важнейшим элементом, определяющим окраску изумрудов, является хром, пределы содержания которого в слюдитах составляют 0,01—0,47%, причем наиболее высокие концентрации элемента характерны для магнезиальных разновидностей. В существенно глиноземистых слюдитах наряду с хромом присутствует титан. Наблюдаются корреляции между содержаниями: отрицательная (хром-титан, алюминий—железо) и положительная (кремний—магний). При калий-фтористом метасоматозе хром переходит в раствор, переносится с другими элементами, что приводит к образованию изумрудов. Таким образом, на: проявлениях изумрудоносной минерализации как и на других типах гипогенных месторождений наблюдаются миграция и перераспределение элементов, что обусловливает возможность применения геохимических методов при их поисках. Основой для применения геохимических поисков эндогенных изумрудоносных тел являются вторичные ореолы рассеяния названных элементов вокруг слюдитовых зон. К поисковым предпосылкам, связанным с особенностями формирования изумрудоносной минерализации, следует отнести пониженные содержания хрома и титана в слюдитах. Построение графиков распределения хрома по данным опробования рыхлых отложений и в результате профильных пересечений коренных пород показало, что слюдитовые зоны выявляются отрицательными аномалиями хрома. Последовательное понижение содержания хрома от вмещающих ультрабазитов к центральным зонам слюдитовых комплексов обусловлено выносом хрома. В этом же направлении наблюдается увеличение концентрации фтора и калия. Экспериментальными работами доказана возможность применения магнито-, электроразведки и нейтронного каротажа при поисках изумрудоносных зон.

Геохимические методы в настоящее время наиболее широка применяются на стадии разведки изумрудоносных зон. Эти методы позволяют выявлять не выходящие на поверхность продуктивные слепые тела, проводить оценку вертикальности зональности месторождений с целью выявления уровня эрозионного среза рудных тел и размера оруденения. Геохимические методы позволяют проводить разбраковку слюдитов на продуктивные и непродуктивные и тем самым сокращать объем дорогостоящего опробования.

Изумрудоносность слюдитов обусловлена сочетанием целого ряда взаимосвязанных факторов — температуры, кислотности-щелочности минералообразующих растворов, а также составом вмещающих пород, что проявляется в особенностях химического состава слюдитовых комплексов и количественного отношения таких элементов, как калий, натрий, хром, титан, фтор. Для образования слюдитов благоприятны следующие факторы: а) наличие вмещающих пород, обогащенных хромом (гипербазитов); б) повышенное содержание в минералообразующих флюидах калия и фтора, обусловливающих агрессивность растворов и заимствование Cr из пород субстрата; в) оптимальное отношение хрома к титану, так как при высоких концентрациях титана последний образует с хромом твердые минеральные фазы Cr2TiO5 и тем самым выводит хром из системы, препятствуя окрашиванию берилла. В процессе калий-фтористого метасоматоза ультрабазитов изменяются общая концентрация и соотношение между окисным и силикатным хромом в пользу последнего, причем в слюдитовой зоне весь хром — силикатный. До последнего времени оценка продуктивности слюдитов в связи с неравномерным распределением изумрудной минерализации проводилась с помощью валового опробования. Из общей массы горных пород слюдиты извлекались, вручную. При этом значительные объемы подземных горных выработок (до 70%) проходили в слюдитах, не содержащих изумрудов.

Оценочные критерии на изумрудоносность по геохимическим признакам разрабатывались путем сопоставления химического состава слюд и слюдитов с данными валового опробования слюдитов. Высокопродуктивные слюдиты содержат, %: К2О больше 7,2; F больше 2,8; 0,2 < Na2O < 0,05; TiO2 < 0,15; 0,8 < Сr2O3 < 4. При низких концентрациях бериллия в системе (0,01 %) для образования изумрудов необходимы высокие концентрации фтора (4%).

Методика работ. В районах, где коренные породы перекрыты элювиально-делювиальными отложениями, для обнаружения и оконтуривания вторичных ореолов опробуют рыхлые образования по профилям, ориентированным вкрест вероятного простирания рудоносных структур. Поиски по литогеохимическим ореолам рассеяния обычно проводят в пределах перспективных участков, выявленных в результате предшествующих геологосъемочных работ. На поисковом этапе работ в условиях полузакрытых районов на перспективных участках целесообразно применять площадное (в масштабе 1:50000 и 1:10 000) геохимическое и минералогическое опробование рыхлых образований. При геохимических исследованиях пробы массой 200—300 г отбирают из представительного для конкретных условий горизонта элювиально-делювиальных образований. Представительным считается горизонт, который по особенностям распределения элементов-индикаторов проявляет наиболее тесную корреляцию с аномалиями в коренных породах — первоисточником гипергенных аномалий. Мелкая фракция (0,1 мм) отобранных проб после истирания передается на анализ.

Выявление изумрудоносных тел геохимическими методами заключается в установлении аномалий калия, фтора, хлора, бериллия, бора развивающихся вокруг слюдитовых тел. Поиски последних затрудняются тем, что аналогичные аномалии! могут быть обусловлены пегматитовыми жилами, дайками гранитов. При разбраковке аномалий необходимо использовать дополнительные геохимические и минералогические критерии:

1) наличие ореолов привноса и выноса хрома, титана и натрия, сочетание которых фиксирует эпицентры слюдитов;

2) присутствие прямых индикаторов изумрудоносности — бериллия, фтора, бора, хлора, связанных с пневматолитовым (продуктивным) этапом;

3) комплексность и контрастность аномалий, совмещение в пространстве ореолов различных элементов.

Весьма эффективно комплексное использование минералогических и геохимических методов. Хорошие результаты при поисках месторождений изумруда дает шлиховый метод. Применяя его, необходимо учитывать характер спутников изумруда, что может указывать на тип коренного месторождения. Благоприятными поисковыми предпосылками являются находки в шлихах изумруда, турмалина, апатита, берилла, топаза, флюорита, флогопита и литиевых слюд. В районах развития мощных рыхлых отложений (десятки метров) шлиховые и геохимические пробы отбирают из буровых скважин, достигающих коренных пород. При выборе мест опробования необходимо учитывать геологические факторы. Пробы из делювиальных образований отбирают по поисковым линиям, которые располагают перпендикулярно к направлению предполагаемого потока рассеяния (по изогипсам вдоль склона). При этом расстояния между местами отбора проб по линиям принимают меньшие, чем между линиями. При пологом рельефе в районе исследования пробы отбирают по квадратной сети.

В открытых районах на этапе поисковых работ в пределах перспективных участков проводится площадное геохимическое опробование коренных пород по профилям, ориентированным вкрест простирания предполагаемых минерализованных зон. Сеть опробования 250x25 м (масштаб 1 : 25000), 100x10 м (масштаб 1 : 10 000), в отдельных случаях 50x5 м (масштаб 1 : 5000). Отбор проб из коренных пород производится методом пунктирной борозды. Из интервала опробования (3—5 м) отбирают 5—6 сколков пород (через равные расстояния), которые объединяют в одну пробу массой 150—200 г. Встреченные по профилю пегматиты, слюдиты, зоны разломов опробуют отдельно. При смене пород интервал опробования изменяется. Каждая проба должна включать сколки только одной разности пород. Из этих пород рекомендуется отбирать пробы массой 5 кг, которые измельчают, а затем обогащают с целью изучения тяжелых минералов коренных пород. После дробления (до крупности 1 мм) материал пробы квартуют: одну половину хранят как дубликат, а вторую после истирания. передают на анализ. Геохимические аномалии оконтуривают по величине минимально аномальных содержаний, рассчитанных с 5%-ным уровнем значимости (односторонний 2,5%); с целью усиления аномалий рекомендуется метод построения мультипликативных ореолов (Li*Rb*Cs). Последние характеризуются значительными размерами, равномерным распределением, отсутствием в пределах ореолов фоновых участков. Результаты площадного опробования коренных пород графически оформляются в виде геохимических карт (размещение аномалий). При интерпретации геохимических аномалий учитывают результаты минералогических исследований. В частности фиксируют показатели, рекомендуемые А.И. Шерстюком, — соотношение гипербазитов и диоритов (коэффициент Г/Д-1) и показатель разнородности, перемежаемости горных пород (Kп = 0,3), указывающий на присутствие изумрудоносных зон.

Для количественной оценки вертикальной зональности целесообразно рассчитывать показатели зональности и изменение мультипликативных показателей ореолов для следующих элементов: Ba, Sr, As, Sb, Hg, Ga, Cu, Co, V, В, F. Для надрудных зон характерны повышенные концентрации Ba, Sr, As, Sb, Hg, Ga, а для подрудных — Co, V, В, Ni, Cu.

Уровень эрозионного среза аномалий оценивается сравнением величин отношений средних содержаний и продуктивностей пар элементов с таковыми ореолов известных рудных тел.

После обнаружения слюдитов их разбраковывают на высоко-, слабо- и непродуктивные. Для выделения изумрудоносных зон из общей массы слюдитов могут применяться геохимические исследования.

Геохимические критерии обнаружения наиболее перспективных слюдитовых зон в пределах гипербазитов связаны с особенностями состава этих пород. При этом учитывают повышенное содержание в них характерных (типоморфных) элементов: калия, рубидия, фтора, хлора, бериллия, бора.

Для оценки изумрудоносности слюдитов используют геохимическую диаграмму, а также график состава слюдитов (рис. 9, 10). На их основании можно проводить разбраковку слюдитов на высоко-, слабо- и непродуктивные. Это позволяет выделить наиболее перспективные зоны, заслуживающие детального изучения и валового опробования. Однако в ряде случаев при интерпретации геохимических данных возникают определенные затруднения в связи с тем, что химический состав слюдитов зависит от состава субстрата. В случае локализации слюдитов в кристаллических сланцах отношение калия к натрию будет больше, чем в диоритах. Для уверенной разбраковки слюдитов необходимо учитывать следующие факторы: а) присутствие индикаторов, характерных для метасоматического процесса слюдитов, развивающихся по гипербазитам, — фтора, хлора, бериллия, рубидия, бора, ртути, содержания которых не зависят от состава вмещающих пород; б) многоформность фазовых состояний ртути в породах; в) наличие отрицательных аномалий хрома, который при калий-фтористом метасоматозе выносится из вмещающих пород, осаждается с другими элементами, что приводит к образованию изумрудов; г) высокую радиоактивность слюдитов (0,07 А/кг при фоне 0,001 А/кг).

Учитываются типоморфные особенности флогопитов. Последний из слюдитов, развивающихся по ультрабазитам, характеризуется низкими показателями преломления и буровато-серым цветом. В ореоле распространения акцессорного берилла изумрудоносные участки оконтуриваются по зеленому цвету последнего, а также по присутствию зерен хромшпинелидов. Необходимо учитывать, что перспективные апогипербазитовые слюдиты содержат такие акцессорные минералы как хромит, пирротин. Хром-титановое отношение в них 1—2,7 (среднее 1,0), а в аподиоритовых слюдитах 0,02—0,08 (среднее 0,07).

В процессе поисковых работ особое внимание обращают на выявление серых разновидностей слюдитов как наиболее продуктивных. Ввиду постепенного изменения свойств промежуточные разновидности слюдитов слабо отличаются. Для разбраковки слюдитов последние подвергают воздействию щавелевой кислоты. Продуктивные серые слюдиты разрыхляются (в массе) по плоскостям срастания чешуек флогопита через 5—10 дней, зеленые — через 3—4 недели. При обработке изумрудоносных образований целесообразно использовать химический метод извлечения изумруда из слюдитов.