Новым источником редкоземельных элементов может стать оливин из южноафриканского месторождения Фергенух

Редкоземельные элементы (РЗЭ) весьма востребованы в производстве различной высокотехнологичной продукции — от смартфонов до ракет. В природе они встречаются только в рассеянном виде, а добывают их в основном как попутные компоненты при разработке других видов полезных ископаемых. Практически монополистом в области добычи РЗЭ является Китай, на территории которого находятся крупнейшие в мире запасы редкоземельного сырья, и который, благодаря этому, диктует производителям электроники свои условия. Немецкие геологи предложили рассмотреть в качестве нетрадиционного источника РЗЭ оливин железорудно-флюоритового месторождения Фергенух в ЮАР. Как им удалось выяснить в недавнем исследовании, руды этого месторождения образовались из высокофракционированного магматического расплава кислого состава, обогащенного РЗЭ.

Оливин (Mg, Fe)₂SiO₄ — один из самых распространенных минералов нашей планеты. Он почти целиком слагает верхнюю мантию, а также является породообразующим минералом магматических пород основного и ультраосновного состава, образующихся при ее плавлении. Реже оливин встречается в кислых породах — гранитах, сиенитах и риолитах. Чаще всего, это так называемый кумулятивный оливин, кристаллизующийся первым из кислого гранитного расплава и оседающий на дно магматической камеры.

По химическому составу различают железистый оливин — фаялит (Fe₂SiO₄) и магнезиальный оливин — форстерит (Mg₂SiO₄). Между этими крайними по составу версиями оливина существует множество переходных вариантов.

Изучая состав кумулятивного фаялита из железорудно-флюоритового месторождения Фергенух (Vergenoeg) в ЮАР, немецкие геологи из Университета имени Фридриха и Александра в Эрлангене — Нюрнберге обратили внимание на повышенное содержание в нем редкоземельных элементов (РЗЭ), достигающие значений, присущих кондиционным редкоземельным рудам. Причем, что особенно ценно, РЗЭ в южноафриканском фаялите представлены наиболее дефицитной и дорогой группой тяжелых лантаноидов (HREE — heavy rare earth element), в которую входят элементы от европия до лютеция, а также иттрий. Результаты исследования опубликованы в журнале Geology.

Месторождение Фергенух расположено в пределах Бушвелдского магматического комплекса (см. Bushveld Igneous Complex) — крупнейшего интрузивного комплекса на планете. Около двух миллиардов лет назад огромные массы расплавленной породы из мантии Земли были вынесены на поверхность через дугообразные трещины в земной коре и застыли в виде расслоенного лополитообразного тела.

Комплекс включает слоистые интрузии основного состава (серия Рустенбург) и кислую фазу — граниты и гранофиры (рис. 2, А). Само месторождение Фергенух представляет из себя трубообразное тело, внедрившееся в риолиты серии Рооиберг и сложенное магнетитом, фаялитом и флюоритом (рис. 2, В).

Несмотря на то, что Фергенух — одно из крупнейших флюоритовых месторождений мира, относительно того, каково происхождение рудоносной трубки — магматическое (породы кристаллизовались непосредственно из магматического расплава), гидротермальное (образовались из горячих водных растворов, отделившихся от магматического очага на поздних стадиях его эволюции) или смешанное гидротермально-магматическое — до сих пор идут споры.

Среди сторонников магматической гипотезы также нет единства. Одни ученые предполагают, что породы трубки кристаллизовались из специфического карбонатитового расплава (B. H. Goff et al., 2004. The giant Vergenoeg fluorite deposit in a magnetite–fluorite–fayalite REE pipe: a hydrothermally-altered carbonatite-related pegmatoid?), другие — что из того же фельзитового расплава, что и риолиты серии Рооиберг, из которого при дифференциации магмы выделилась несмешиваемая фаза, обогащенная железом (S. Brandt et al., 2019. Formation of the Vergenoeg F–Fe–REE Deposit (South Africa) by Accumulation from a Ferroan Silicic Magma). Источником гидротермальных растворов большинство исследователей признают бушвелдские граниты.

Геологи, работающие на месторождении, регулярно отмечают в рудных пробах промышленные содержания РЗЭ, но в какой форме они присутствуют в руде и с каким минералом связаны, до сих пор было неясно.

Авторы обсуждаемой работы с помощью методов масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ICP-MS) и атомно-зондовой томографии (APT — Atom-Probe Tomography) установили, что РЗЭ входят в состав кумулятивного фаялита. Пласты и линзы оливинитов — практически мономинеральных пород, сложенных этим железистым оливином, — вскрыты скважинами на различных уровнях трубообразного рудного тела (рис. 2, В).

По данным LA-ICP-MS-анализа, фаялит месторождения Фергенух содержит литий, ниобий и РЗЭ в следующих концентрациях: Li — до 159 ppm, Nb — 62–276 ppm, Y — 29–714 ppm, Dy — до 31 ppm, Ho — 0,7–15 ppm, Er — 6–120 ppm, Tm — 4–50 ppm, Yb — 35–710 ppm, Lu — 8–155 ppm. Причем распределение этих элементов в пределах отдельных кристаллов более или менее равномерное (рис. 3).

Это самые высокие из известных на сегодняшний день содержаний РЗЭ в оливине. Концентрация элементов тяжелой группы (HREE) в фаялите месторождения Фергенух существенно превышает не только аналогичные значения для оливинов из других расслоенных интрузий, но и содержание в некоторых промышленных месторождениях HREE (рис. 4).

Результаты атомно-зондовой томографии — метода, позволяющего изучать химический состав минералов на атомном уровне, — показали, что эти элементы входят в состав кристаллической решетки фаялита и не связаны с нанопримесями, а также объяснили, почему в оливине концентрируются РЗЭ тяжелой группы (HREE) и практически отсутствуют легкие редкие земли (LREE).

В решетке оливина есть два типа катионных узлов — мест, которые могут занимать положительно заряженные ионы. Радиус большего из них составляет около 0,81 Å. Поэтому HREE, ионные радиусы которых меньше, чем у LREE (0,86–0,96 и 0,98–1,032 Å соответственно), легче занимают эти вакансии.

Кроме того, из предыдущих исследований оливина известно, что жесткость его решетки, а, следовательно, и ограничения по ионному радиусу входящих в решетку элементов, возрастают с ростом железистости (C. V. Stead et al., 2017. Rare earth element partitioning and subsolidus exchange behaviour in olivine). А оливин месторождения Фергенух — максимально обогащенный железом крайний член изоморфного ряда «фаялит — форстерит».

Тем не менее, далеко не всегда крайне железистый оливин содержит РЗЭ в количествах, пригодных для промышленного извлечения. Исследователи предполагают, что на Фергенухе редкоземельными элементами и иттрием была обогащена наиболее железистая фаза фракционированного магматического расплава, из которой сначала кристаллизовался фаялит, «забирая» с собой все HREE, а затем и магнетит. Легкие РЗЭ были фракционированы в другой фазе расплава, из которой отложились содержащие LREE ортит, ксенотим и фторапатит. Поэтому, как видно из рис. 4, валовые пробы породы обогащены легкими РЗЭ относительно фаялита.

Возможно, считают авторы, аналогичный механизм имел место и при формировании сиенитовой интрузии Мизери в провинции Квебек в Канаде, где фаялит-кварцевые дайки содержат до 1% HREE в валовом составе пород.

В обоих месторождениях — и Фергенух, и Мизери — фаялит является продуктом глубокого фракционирования магматического расплава. Исследователи отмечают, что и в других расслоенных интрузивных массивах, скорее всего, можно выделить слои кумулятивного фаялита, который авторы предлагают рассматривать как новый потенциальный источник редкоземельного сырья.

Источник: S. Brandt, M. L. Fassbender, R. Klemd, C. Macauley, P. Felfer, K. M. Haase. Cumulate olivine: A novel host for heavy rare earth element mineralization // Geology. 2020. DOI: 10.1130/G48417.1

Владислав Стрекопытов