- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Проточная камера в недрах Африки

Алексей Оскольский

Алек­сей Осколь­ский

Как образовалось крупнейшее месторождение хромитовых руд на Земле

Руд­ный мине­рал хро­мит слу­жит важ­ней­шим источ­ни­ком хро­ма. Этот металл неза­ме­ним для про­из­вод­ства леги­ро­ван­ных ста­лей и иных спла­вов, а зна­чит, и для раз­ви­тия совре­мен­ной инду­стрии. Меха­низм обра­зо­ва­ния зале­жей хро­ми­та, одна­ко, дол­гое вре­мя оста­вал­ся загад­кой для гео­ло­гов. При­бли­зить­ся к раз­гад­ке уда­лось про­фес­со­ру Раи­су Латы­по­ву и его кол­ле­гам из Шко­лы гео­ло­ги­че­ских наук Уни­вер­си­те­та Вит­ва­тер­сран­да в Йохан­нес­бур­ге (ЮАР). Ста­тья об их откры­тии недав­но вышла в жур­на­ле Nature Communications1.

Сокровище Африки

Самое боль­шое в мире место­рож­де­ние хро­ми­та нахо­дит­ся в Южной Афри­ке в соста­ве так назы­ва­е­мо­го Бушвельд­ско­го ком­плек­са, рас­по­ло­жен­но­го к севе­ру от Пре­то­рии. Этот ком­плекс пред­став­ля­ет собой круп­ней­ший интру­зив­ный мас­сив на нашей пла­не­те, срав­ни­мый по пло­ща­ди с Ислан­ди­ей. Он сло­жен древ­ней­ши­ми маг­ма­ти­че­ски­ми поро­да­ми, закри­стал­ли­зо­вав­ши­ми­ся в глу­би­нах зем­ной коры еще в докем­брии, око­ло 2 млрд лет назад. Хро­мит зале­га­ет в нем в виде сло­ев мощ­но­стью до несколь­ких мет­ров, кото­рые про­сти­ра­ют­ся на сот­ни кило­мет­ров. Поми­мо хро­ма эти слои очень бога­ты пла­ти­ной и дру­ги­ми эле­мен­та­ми пла­ти­но­вой груп­пы. Добы­ча и пере­ра­бот­ка богатств Бушвельд­ско­го ком­плек­са состав­ля­ет осно­ву эко­но­ми­ки Южной Афри­ки.

Место­рож­де­ния хро­ми­та есть и в дру­гих стра­нах. В Рос­сии самые боль­шие зале­жи хро­ми­то­вой руды нахо­дят­ся на Ура­ле (Сара­ны) и на Коль­ском полу­ост­ро­ве (Мон­че­горск). Тем не менее имен­но Бушвельд­ский ком­плекс, уни­каль­ный по сво­им мас­шта­бам и гео­ло­ги­че­ско­му стро­е­нию, осо­бен­но при­вле­ка­ет к себе вни­ма­ние гео­ло­гов все­го мира. Для Раи­са Латы­по­ва и его кол­лег он послу­жил рабо­чей моде­лью, кото­рая помог­ла им выяс­нить меха­низм обра­зо­ва­ния зале­жей хро­ми­та.

Загадка хромитовых слоев

Схема образования слоев хромита в магматической камере

Схе­ма обра­зо­ва­ния сло­ев хро­ми­та в маг­ма­ти­че­ской каме­ре

Итак, каким же обра­зом хро­мит смог отде­лить­ся от ман­тий­ных базаль­то­вых магм, под­няв­ших­ся с боль­шой глу­би­ны, и затвер­деть в виде хоро­шо выра­жен­ных сло­ев? Этот вопрос дол­го не нахо­дил отве­та. Дело в том, что ман­тий­ные маг­мы бога­ты маг­ни­ем и желе­зом, сили­кат кото­рых пред­став­ля­ет собой мине­рал оли­вин. Счи­та­ет­ся, что имен­но этот мине­рал (воз­мож­но, с неболь­ши­ми при­ме­ся­ми хро­ми­та) и дол­жен обра­зо­вы­вать­ся при их кри­стал­ли­за­ции.

Факт суще­ство­ва­ния хро­ми­то­вых сло­ев, одна­ко, тре­бо­вал объ­яс­не­ния. Боль­шин­ство гео­ло­гов схо­ди­лось во мне­нии, что ман­тий­ные маг­мы насы­ща­ют­ся хро­ми­том после их при­бы­тия в маг­ма­ти­че­скую каме­ру на срав­ни­тель­но неболь­шой глу­бине (несколь­ко кило­мет­ров). О меха­низ­мах их насы­ще­ния выска­зы­ва­лись раз­ные гипо­те­зы: речь шла о сме­ше­нии магм раз­но­го соста­ва, о кон­та­ми­на­ции маг­мы крем­не­зе­ми­сты­ми поро­да­ми, о повы­ше­нии содер­жа­ния в ней воды или кис­ло­ро­да и т. д. Ни одно из этих пред­по­ло­же­ний, одна­ко, не мог­ло удо­вле­тво­ри­тель­но объ­яс­нить все осо­бен­но­сти хро­ми­то­вых сло­ев, извест­ные гео­ло­гам. В какой-то момент ста­ло ясно, что поис­ки реше­ния про­бле­мы зашли в тупик.

Вый­ти из него помог­ла ори­ги­наль­ная идея, кото­рую пред­ло­жил Раис Латы­пов. Если хро­ми­то­об­ра­зу­ю­щие маг­мы не мог­ли появить­ся в мало­глу­бин­ной маг­ма­ти­че­ской каме­ре — зна­чит они сфор­ми­ро­ва­лись по пути к ней. Но что может про­изой­ти с маг­мой на пути из ман­тии к поверх­но­сти? Ответ вполне оче­ви­ден: все маг­мы, под­ни­ма­ю­щи­е­ся из глу­бин Зем­ли, неми­ну­е­мо испы­ты­ва­ют деком­прес­сию, т. е. суще­ствен­ное сни­же­ние лито­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Сле­до­ва­тель­но, для реше­ния про­бле­мы необ­хо­ди­мо было изу­чить вли­я­ние дав­ле­ния на про­цес­сы кри­стал­ли­за­ции базаль­то­вых магм.

Петрологи за работой

Раис Латыпов (крайний справа) и его коллеги — Cтив Барнес из Австралии, Самер Машаур из Ирана и Ричард Хорнсей из ЮАР — исследуют текстурные особенности хромитов

Раис Латы­пов (край­ний спра­ва) и его кол­ле­ги — Cтив Бар­нес из Австра­лии, Самер Маша­ур из Ира­на и Ричард Хорн­сей из ЮАР — иссле­ду­ют тек­стур­ные осо­бен­но­сти хро­ми­тов

Раис Латы­пов и его кол­ле­ги при­ме­ни­ли стан­дарт­ный набор мето­дов, исполь­зу­е­мых в маг­ма­ти­че­ской пет­ро­ло­гии. Преж­де все­го они обра­ти­лись к фазо­вой диа­грам­ме состо­я­ния рас­пла­ва, состо­я­ще­го из сили­ка­та маг­ния, сили­ка­та алю­ми­ния и каль­ция, крем­не­зё­ма и бихро­ма­та маг­ния, т. е. близ­ко­го по соста­ву к базаль­то­вой маг­ме. Такая диа­грам­ма пока­зы­ва­ет, какие мине­ра­лы кри­стал­ли­зу­ют­ся из жид­ко­го рас­пла­ва при раз­лич­ных про­пор­ци­ях сла­га­ю­щих его ком­по­нен­тов, тем­пе­ра­ту­ре и дав­ле­нии.

Иссле­до­ва­те­ли обра­ти­ли вни­ма­ние на осо­бую кон­фи­гу­ра­цию линий на ней, кото­рую они назва­ли «хро­ми­то­вая впа­ди­на»: она пока­зы­ва­ет, что при опре­де­лен­ных усло­ви­ях умень­ше­ние дав­ле­ния дей­стви­тель­но может при­ве­сти к кри­стал­ли­за­ции хро­ми­та из рас­пла­ва. Хотя фазо­вая диа­грам­ма для дан­ной сме­си экс­пе­ри­мен­таль­но была полу­че­на доволь­но дав­но, никто преж­де не обра­щал вни­ма­ния на эту важ­ней­шую осо­бен­ность.

Что­бы про­ве­рить догад­ку, Раис Латы­пов и его кол­ле­ги обра­ти­лись к экс­пе­ри­мен­таль­ным дан­ным по более слож­ным систе­мам — при­род­ным базаль­там. Ока­за­лось, что при раз­ных соче­та­ни­ях дав­ле­ния и тем­пе­ра­ту­ры они ведут себя точ­но таким же обра­зом, как и искус­ствен­ные сме­си, напо­ми­на­ю­щие их по соста­ву. Так было полу­че­но еще одно под­твер­жде­ние того, что деком­прес­сия дей­стви­тель­но спо­соб­ству­ет насы­ще­нию магм хро­ми­том.

Нако­нец, иссле­до­ва­те­ли вос­поль­зо­ва­лись тер­мо­ди­на­ми­че­ским моде­ли­ро­ва­ни­ем, что­бы тео­ре­ти­че­ски рас­счи­тать усло­вия выпа­де­ния хро­ми­та из базаль­то­вой маг­мы при раз­ных дав­ле­ни­ях. Ком­пью­тер­ная про­грам­ма MELTs, в осно­ве кото­рой лежит этот метод, широ­ко при­ме­ня­ет­ся в маг­ма­ти­че­ской пет­ро­ло­гии. Она поз­во­ля­ет постро­ить фазо­вые диа­грам­мы для магм раз­но­го соста­ва, не при­бе­гая к тру­до­ем­ким и доро­гим экс­пе­ри­мен­там. Резуль­та­ты тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го моде­ли­ро­ва­ния так­же пока­за­ли, что кри­стал­ли­за­ция хро­ми­та из базаль­то­во­го рас­пла­ва сопря­же­на с пони­же­ни­ем дав­ле­ния.

Из огня да в полымя

Фазовая диаграмма, описывающая состав хромитообразующих магм

Фазо­вая диа­грам­ма, опи­сы­ва­ю­щая состав хро­ми­то­об­ра­зу­ю­щих магм

Итак, три неза­ви­си­мых под­хо­да при­ве­ли к одно­му и тому же выво­ду: неко­то­рые (не все) базаль­то­вые маг­мы в ходе их деком­прес­сии, т. е. по мере подъ­ема из ман­тии к поверх­но­сти Зем­ли, насы­ща­ют­ся хро­ми­том. Ника­ких допол­ни­тель­ных про­цес­сов, вро­де сме­ше­ния магм или их кон­та­ми­на­ции, для это­го не тре­бу­ет­ся. Вывод важ­ный и очень неожи­дан­ный, одна­ко пока недо­ста­точ­ный для объ­яс­не­ния меха­низ­ма фор­ми­ро­ва­ния про­тя­жен­ных сло­ев хро­ми­тов.

Дело в том, что содер­жа­ние хро­ма даже в насы­щен­ной хро­ми­том базаль­то­вой маг­ме не пре­вы­ша­ет 0,1–0,2 мас­со­во­го про­цен­та. Сле­до­ва­тель­но, хро­ми­ты долж­ны были каким-то обра­зом выде­лить­ся и скон­цен­три­ро­вать­ся из очень боль­шо­го коли­че­ства такой маг­мы. Но как это мог­ло про­изой­ти?

Модель, поз­во­лив­шая объ­яс­нить накоп­ле­ние хро­ми­тов в Бушвельд­ском ком­плек­се, была пред­ло­же­на Тони Нал­дре­том (Tony Naldrett) из Уни­вер­си­те­та Торон­то в Кана­де. Соглас­но этой моде­ли, Бушвельд­ский ком­плекс рабо­тал как про­точ­ная каме­ра. Из ман­тии или глу­бин­но­го оча­га в нее посту­па­ла маг­ма, насы­щен­ная хро­ми­том. Из нее кри­стал­ли­зо­вал­ся хро­мит, отла­га­ясь на дне каме­ры в виде твер­до­го слоя; жид­кая же фаза маг­мы поки­да­ла каме­ру, изли­ва­ясь на поверх­ность Зем­ли через вул­ка­ны в виде базаль­то­вых лав. Затем в тече­ние мно­гих мил­ли­о­нов лет поверх­ност­ные лавы были уни­что­же­ны эро­зи­ей, и рудо­нос­ные слои вышли на поверх­ность. Так они ста­ли доступ­ны для гео­ло­гов и шах­те­ров.

Как счи­та­ет Раис Латы­пов, умень­ше­ние лито­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния слу­жит клю­чом к пони­ма­нию про­цес­са обра­зо­ва­ния сло­ев хро­ми­тов не толь­ко в Бушвельд­ском ком­плек­се, но и в дру­гих интру­зи­вах подоб­но­го типа. Резуль­та­ты, полу­чен­ные им и его кол­ле­га­ми, дают гео­ло­гам ключ к реше­нию про­бле­мы про­ис­хож­де­ния и неко­то­рых дру­гих маг­ма­ти­че­ских место­рож­де­ний. Изу­че­ние магм, кото­рые пре­тер­пе­ли сни­же­ние лито­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния, пред­став­ля­ет­ся пер­спек­тив­ным направ­ле­ни­ем в руд­ной и маг­ма­ти­че­ской пет­ро­ло­гии, суля­щим еще мно­го инте­рес­ных и неожи­дан­ных откры­тий.

Глядя с Урала

Раис Латыпов возле слоя хромита в Бушвельдском комплексе

Раис Латы­пов воз­ле слоя хро­ми­та в Бушвельд­ском ком­плек­се

Инте­рес к про­ис­хож­де­нию хро­ми­тов, в кото­рых встре­ча­ют­ся пла­ти­но­вые само­род­ки, воз­ник у Раи­са Латы­по­ва еще в дет­стве. Он родил­ся в 1966 году в Пер­ми, отку­да семья пере­бра­лась жить в неболь­шое село Кыла­со­во в Кун­гур­ском рай­оне Перм­ской обла­сти. Будучи школь­ни­ком, Раис актив­но зани­мал­ся в круж­ке юных гео­ло­гов под руко­вод­ством заслу­жен­но­го педа­го­га Вален­ти­ны Вла­ди­ми­ров­ны Ново­сё­ло­вой, ходил в гео­ло­ги­че­ские похо­ды по Ура­лу. Имен­но тогда, на место­рож­де­нии в Сара­нах, он впер­вые уви­дел слои чер­но­го мине­ра­ла, кото­рый назы­ва­ет­ся хро­ми­том. А в Ураль­ском гео­ло­ги­че­ском музее в Сверд­лов­ске Раи­са пора­зи­ли само­род­ки пла­ти­ны, кото­рые были най­де­ны вме­сте с хро­ми­та­ми. Надо ска­зать, что в тече­ние ста лет (1824–1925) Урал был глав­ным миро­вым цен­тром добы­чи само­род­ной пла­ти­ны и утра­тил свое лидер­ство лишь после откры­тия место­рож­де­ний Бушвельд­ско­го ком­плек­са.

После окон­ча­ния кафед­ры мине­ра­ло­гии Ленин­град­ско­го госу­дар­ствен­но­го уни­вер­си­те­та в 1991 году Раис Латы­пов поехал рабо­тать на Коль­ский полу­ост­ров. Там он пытал­ся раз­га­дать загад­ку про­ис­хож­де­ния пла­ти­но­во­го место­рож­де­ния Пан­ско­го рас­сло­ен­но­го мас­си­ва, а так­же хро­ми­тов Мон­че­гор­ско­го мас­си­ва. Этой же про­бле­ма­ти­кой Раис про­дол­жил зани­мать­ся на фин­ских место­рож­де­ни­ях пла­ти­ны и хро­ми­та в мас­си­вах Пени­кат, Кеми и Кой­те­лай­нен после того, как в 2004 году полу­чил пози­цию в Уни­вер­си­те­те Оулу. Имен­но там, в Фин­лян­дии, ему при­шла в голо­ву идея о вли­я­нии дав­ле­ния на фор­ми­ро­ва­ние отло­же­ний хро­ми­тов, но пона­ча­лу она вос­при­ни­ма­лась как кра­моль­ная.

Образец хромита (черный) и анортозита (серый)

Обра­зец хро­ми­та (чер­ный) и анор­то­зи­та (серый)

Про­ве­рить свою гипо­те­зу Раис Латы­пов смог толь­ко в Южной Афри­ке. В 2013 год он стал про­фес­со­ром маг­ма­ти­че­ской и руд­ной пет­ро­ло­гии в Шко­ле гео­ло­ги­че­ских наук Уни­вер­си­те­та Вит­ва­тер­сран­да в Йохан­нес­бур­ге. Пять лет рабо­ты с хро­ми­та­ми Бушвель­да поз­во­ли­ли ему собрать бога­тый мате­ри­ал, убе­ди­тель­но под­твер­жда­ю­щий роль изме­не­ний лито­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния в фор­ми­ро­ва­нии место­рож­де­ний хро­ми­тов. По край­ней мере, в Бушвель­де.

Впро­чем, в этой обла­сти еще оста­ет­ся мно­го зага­док. Одна из них — это пока еще нерас­кры­тые меха­низ­мы фор­ми­ро­ва­ния хро­мит-пла­ти­но­вых место­рож­де­ний Ура­ла и Аляс­ки. Сей­час Раис Латы­пов, воору­жен­ный новы­ми зна­ни­я­ми и опы­том, пла­ни­ру­ет пора­бо­тать на род­ном Ура­ле в надеж­де разо­брать­ся, какие при­род­ные про­цес­сы обес­пе­чи­ли тому сла­ву миро­во­го цен­тра по добы­че пла­ти­ны.

Алек­сей Осколь­ский,
докт. биол. наук, вед. науч. сотр. Бота­ни­че­ско­го
инсти­ту­та им. В. Л. Кома­ро­ва РАН (Санкт-Петер­бург),
Senior
Lecturer in the Department of Botany and Plant Biotechnology,

University of Johannesburg (ЮАР)


1 www.nature.com/articles/s41467-017–02773-w

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи