Original Material
Проточная камера в недрах Африки
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
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 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
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
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.
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)