Дунаев А. Ю., Юминов А. М., Григорьев С. А.
Использование хромитов для прогноза медных руд в офиолитах

Открытие в конце прошлого века на территории современных Челябинской и Оренбургской областей протогородских поселений синташтинской культуры, существовавших XХ-XV вв. до н. э. [4] инициализировало проведение геоархеологических исследований на Южном Урале. Наряду с работами по изучению минерально-сырьевой базы древних обществ, составлению петрофонда каменной индустрии и петрографических карт каменных сооружений, определению мест добычи горных пород, анализа состава металлических изделий из поселений и погребений [2], в последнее время большое внимание начало уделяться сравнительному минералого-геохимическому исследованию руд, шлаков и металлических изделий. Полученные материалы позволяют дополнить сведения о древнем горном деле и металлургии региона и выработать новый методический прием сопоставления руд и шлаков по отдельным минералам. В качестве материала для изучения был выбран минерал с непостоянным химическим составом – хромит. Данный минерал является типичным для медных месторождений в ультраосновных породах и установлен в шлаках археологических памятников.
Цель исследования – определение источников медных руд для металлургического производства бронзового века на Южном Урале и выявление в шлаках групп хромитов, которые не известны в открытых месторождениях. В случае успеха это позволит дать рекомендации по поискам новых месторождений на основе геоархеологических исследований.
Авторы провели изучение хромитов в шлаках из шести археологических памятников Южного Урала: Синташты, Аркаима, Аландского, Устья, Родников и Куйсака [1, 3]. Полученные данные сопоставлены с их аналогами в колчеданных и окисленных рудах Ишкининского, Ивановского и Дергамышского месторождений в ультрамафитах Главного Уральского разлома. К зонам окисления месторождений приурочены древние карьеры, выявленные при проведении геолого-разведочных и геоархеологических исследований [6]. Также были изучены хромиты из серпентинитов древнего рудника Воровская яма.
Исследования выполнены при финансовой поддержке проекта совместных исследований УрО – СО РАН, грантов РГНФ 05-01-85112а/У «Рудная база и социально-экономические условия горно-металлургического производства эпохи средней бронзы в Южном Зауралье» и Минобразования и науки РФ РНП.2.1.1.1840.
Хромиты из древних рудников. Все изученные сульфидные и окисленные апосерпентинитовые руды месторождений повсеместно содержат вкрапленность хромитов, которые представлены эвгедральными и субгедральными зернами размерами до 0.5 мм в поперечнике. Часто отмечены магнетитовые каймы мощностью до 100–150 мкм с четкими ровными границами с хромитом.
Состав хромитов разнообразен. Хромиты из руд Ишкининского месторождения характеризуются незначительными колебаниями хромистости – 100Cr/(Cr+Al), где она находятся в пределах 62.98–76.83 %, разброс магнезиальности – 100Mg/(Mg+Fe2+), составляет 38.60–57.00 %, доля трехвалентного железа 4.80–14.00 %. Концентрации TiO2 достигают 0.35 мас. %, MnO 0.48 мас. %.
На Ивановском месторождении хромиты характеризуется более высокими содержаниями хрома и магния. Их хромистость варьирует в пределах 58.86–89.98 %, а магнезиальность 29.50–68.20 %. Доля трехвалентного железа достигает 9.65 %. Концентрации марганца и титана незначительны и составляют до 0.48 и 0.28 мас. % соответственно.
В рудах Дергамышского месторождения включения хромитов более редки, они имеют размер 0.1–0.3 мм [5]. Соотношение основных минералообразующих оксидов показывает, что хромиты аналогичны таковым из Ишкининского и Ивановского месторождений. Их хромистость составляет 60.12–83.77 %, магнезиальность – 22.11–65.35 %, а доля трехвалентного железа не превышает 10.35 %. Содержания MnO и TiO2 достигают 0.20 и 0.39 мас. % соответственно.
Хромиты из серпентинитов древнего рудника Воровская яма представлены преимущественно субгедральными и амебовидными зернами размерами около 0.3 мм. Часто зерна разбиты микротрещинами. Состав хромитов отличается от таковых из руд колчеданных месторождений. Их хромистость варьирует в пределах 60.60–70.95 % (при единичных значениях 26.68–27.51 %), магнезиальность – 6.30–62.60 % (до 84.40 %), доля трехвалентного железа достигает 10.85 %. Содержания марганца весьма значительны, до 3.24 мас. %, в то время как содержания титана находятся ниже предела обнаружения зонда.
Хромиты шлаков. Во всех изученных шлаках хромиты – эвгедральные и субгедральные, редко округлые, размер зерен 0.1–1 мм, часто с силикатными включениями. Магнетитовая кайма устанавливается во многих зернах шпинелей, мощность ее не превышает 75 мкм. В большинстве случаев кайма имеет простое строение с ровными границами с хромитом.
Анализ химического состава хромитов из шлаков древних поселений выявил широкий разброс содержаний основных компонентов (табл. 1). Это касается не только составов хромитов отдельных поселений, но хромитов внутри отдельных образцов шлаков. Часто в одном шлаке отмечены зерна, обладающие существенно глиноземистыми составами, и зерна с высокохромистым составом. Например, хромистость хромитов из образца шлака поселения Устья колеблется в пределах 48.92–82.35 %, а поселения Куйсак – 58.82–82.90 %.
 
Таблица 1
 
Состав хромитов из металлургических шлаков поселений бронзового века
 
Поселение (число анализов)
Содержание, мас. %
Параметры
MnO
TiO2
Al2O3
Cr2O3
MgO
ΣFeO
Cr#
Mg#
ZFe3+
Снташта (19)
0.00–0.78
0.00–1.06
5.78–15.63
39.10–57.41
2.77–9.33
23.25–45.82
66.76–83.54
14.80–45.20
2.75–12.15
(0.24)
(0.20)
(11.15)
(51.94)
(7.61)
(29.49)
(75.69)
(37.68)
(9.68)
Аркаим (22)
0.00–0.98
0.00–0.47
10.15–17.04
45.64–56.75
4.14–12.08
20.48–35.29
63.90–78.51
21.00–57.60
2.15–10.10
(0.17)
(0.06)
(13.27)
(51.94)
(8.41)
(25.86)
(72.41)
(41.20)
(6.37)
Аландское (12)
0.00–0.99
0.00–0.43
11.52–14.09
50.91–54.45
9.65–13.20
20.06–26.62
71.55–75.80
46.60–62.10
5.65–9.35
(0.33)
(0.15)
(12.96)
(53.08)
(11.80)
(21.82)
(73.33)
(56.66)
(7.76)
Куйсак (79)
0.00–0.62
0.00–1.84
8.43–18.53
39.07–62.42
2.19–13.52
16.69–34.55
58.72–82.90
11.50–64.10
0.05–12.80
(0.18)
(0.28)
(12.80)
(54.55)
(8.35)
(23.02)
(73.98)
(41.36)
(3.18)
Родники (43)
0.00–0.32
0.00–0.58
5.46–19.76
46.55–60.23
1.53–11.26
17.47–37.37
61.42–87.12
8.20–54.80
0.55–10.30
(0.02)
(0.24)
(12.22)
(56.03)
(8.36)
(22.85)
(75.58)
(41.10)
(2.75)
Устье (121)
0.00–0.24
0.00–1.33
8.45–27.86
38.39–59.50
4.10–14.37
15.24–35.53
48.92–82.35
21.00–63.20
0.05–16.00
(0.10)
(0.13)
(13.57)
(51.86)
(8.75)
(25.75)
(71.72)
(42.78)
(6.99)
Примечание. ΣFeO – FeO+Fe2O3. 0.00 – ниже предела обнаружения. В скобках показаны средние значения. Расчетные параметры: Cr#=100Cr/(Cr+Al), Mg#=100Mg/(Mg+Fe2+), ZFe3+ – доля трехвалентного железа в R3+, %. Анализы выполнены на рентгеноспектральном микроанализаторе JEOLJCXA-733 (ИМин УрО РАН, аналитик Е. И. Чурин) и растровом электронном микроскопе РЭММА-202М (ИМин УрО РАН, аналитик В. А. Котляров).
 
Сравнительный анализ химического состава минералов показал сходство хромитов из шлаков и руд трех охарактеризованных месторождений и отличие их от хромитов из рудовмещающих пород рудника Воровская яма. В то же время установлены разности хромитов из шлаков, отличающиеся по составу от хромитов из руд. К ним относятся хромиты поселения Устья, часть которых обогащена алюминием и магнием, Синташта, некоторые хромиты которого обладают наибольшей долей трехвалентного железа, и Аландское, где хромиты представлены высокомагнезиальными разностями (табл. 2, рис. 1).
 
Таблица 2
 
Составы хромитов из шлаков древних поселений, перспективных
для поисков новых рудников среди ультрамафитов
 
Поселение
№ аншлифа
№ анализа
Содержание, мас. %
Параметры
MnO
TiO2
Al2O3
Cr2O3
MgO
ΣFeO
SiO2
Сумма
Cr#
Mg#
Z Fe3+
Синташта
Гр-4
2
0.73
0.69
9.81
39.10
4.15
44.97
–
99.45
72.78
21.50
26.15
5
–
1.06
5.78
43.76
2.77
45.82
–
99.19
83.54
14.80
25.95
Устье
877
1a
–
–
22.93
47.54
13.01
15.48
0.19
99.15
58.18
60.00
0.05
1b
–
–
21.60
48.24
13.74
15.76
0.21
99.55
59.99
63.20
1.90
1c
–
–
21.92
49.11
13.64
15.24
0.20
100.12
60.05
62.40
0.75
2
–
–
27.71
40.51
13.79
18.82
0.21
101.04
49.53
61.10
3.90
2a
–
–
27.86
39.77
14.37
18.79
0.21
101.01
48.92
63.40
4.95
842
5
0.13
0.34
20.40
40.39
8.35
29.68
0.28
99.57
57.08
40.00
9.95
5a
0.11
0.36
20.47
40.85
8.47
29.31
0.22
99.78
57.27
40.50
9.55
5b
0.10
0.36
20.15
40.35
8.23
29.34
0.25
98.77
57.31
39.80
9.70
Аландское
B11-51
10
–
–
14.09
52.78
13.20
20.30
–
100.38
71.55
62.10
7.90
11
0.55
0.38
13.56
50.19
12.71
20.17
–
98.28
71.58
61.80
8.35
Примечание. ΣFeO – FeO+Fe2O3. Прочерк – ниже предела обнаружения. Расчетные параметры: Cr#=100Cr/(Cr+Al), Mg#=100Mg/(Mg+Fe2+), ZFe3+ – доля трехвалентного железа в R3+, %. Анализы выполнены на рентгеноспектральном микроанализаторе JEOLJCXA-733 (ИМин УрО РАН, аналитик Е. И. Чурин).
 
Cоставы хромитов из шлаков поселений близки между собой, но обладают некоторыми различиями. По соотношению марганца и титана выделяются три поселения, для хромитов которых свойственны более марганцовистые и менее титанистые составы – Аландское, Синташта и Аркаим по сравнению с поселениями Куйсак, Родники и Устье, где хромиты включают наиболее титанистые и менее марганцовистые разности (табл. 1, рис. 2). По остальным минеральным компонентам хромиты поселений близки между собой.
Полученные материалы показывают, что основными источниками медных руд, связанных с серпентинитами, для металлургов синташтинской культуры, вероятно, являлись Ишкининское, в меньшей степени Ивановское и Дергамышское месторождения (судя по остаткам карьеров, на Ишкининском месторождении добыча апосерпентинитовых руд имела гораздо более значительный масштаб, чем на Дергамышском и Ивановском месторождениях, где объем выработок был на порядок меньше), либо это были объекты сходные с ними. В пользу последнего предположения свидетельствуют различия в составе хромитов из шлаков поселений и колчеданных руд месторождений, а также различия составов хромитов из шлаков поселений между собой, связанные с использованием разных источников малахитсодержащих руд. На поселении Устье древними металлургами использовались руды с хромитами, обогащенными алюминием и железом, на Синташте – с более железистыми хромитами, на Аландском – с магнезиальными разностями. Это требует поиска источников аналогичных хромитов. Поселения располагаются вблизи крупных гипербазитовых массивов, на которых проводилась интенсивная разработка никеленосных кор выветривания и следы древних рудников могли быть уничтожены. Возможный путь решения данной проблемы состоит в установлении принадлежности таких хромитов к ультраосновным массивам, расположенных вблизи поселений. Наиболее вероятными ультраосновными массивами с медной минерализацией могут служить Амамбайский, Кацбахский и Варшавский массивы, хромиты которых обладают наиболее сходными чертами химического состава [7].
 
Литература
 
1.      Григорьев С. А., Дунаев А. Ю., Зайков В. В. Хромшпинелиды как индикатор источника медных руд для древней металлургии // Доклады РАН, 2005. № 2. C. 228–232.
2.      Зайков В. В., Бушмакин А. Ф., Юминов А. М., Зайкова Е. В., Зданович Г. Б., Таиров А. Д. Геоархеологические исследования исторических памятников Южного Урала: задачи, результаты, перспективы // Уральский минералогический сборник № 9. Миасс: ИМин УрО РАН, 1999. С. 186–205.
3.      Зайков В. В., Юминов А. М., Дунаев А. Ю., Зданович Г. Б., Григорьев С. А. Геолого-минералогические исследования древних медных рудников на Южном Урале // Археология, этнография и антропология Евразии, 2005. № 4. С. 101–115.
4.      Зданович Г. Б. Аркаим. Арии на Урале или несостоявшаяся цивилизация // Аркаим. Исследования. Поиски. Открытия. Челябинск, 1995. C. 21–43.
5.      Мелекесцева И. Ю., Зайков В. В., Тесалина С. Г., Оже Т. Хромшпинелиды в сульфидных рудах в ультрамафитах Главного Уральского разлома // Уральский минералогический сборник № 11. Миасс: ИМин УрО РАН, 2001. С. 180–190.
6.      Юминов А. М., Зайков В. В. Освоение меднорудных месторождений среди офиолитов Южного Урала в бронзовом веке // Металлогения древних и современных океанов–2002. Формирование и освоение месторождений в офиолитовых зонах. Миасс: ИМин УрО РАН, 2002. С. 232–238.
7.      Кораблев Г. Г., Варлаков А. С., Львов Б. К. и др. Отчет по теме «Составление комплекта карт геологического содержания на территории Челябинской области масштаба 1:500000 базит-гипербазитовых, мигматит-гнейсово-сланцевых и гранитоидных (мигматитовых) комплексов в связи с задачами ГОСГЕОЛКАРТЫ-200 (новая версия)». Т. 1. Миасс, 2000ф.
 
Рис. 1. Состав хромшпинелидов из металлургических шлаков древних поселений в координатах Al–Cr–Fe3+ (поля жирной линией: a – Синташта, b – Устье).
Поля составов хромшпинелидов из: 1 – колчеданных и окисленных руд Ишкининского месторождения, 2 – то же Ивановского, 3 – то же Дергамышского, 4 – серпентинитов древнего рудника Воровская яма. P – составы хромшпинелидов перспективные для поиска источников медных руд среди серпентинитов.
Рис. 2. Соотношение MnO и TiO2 (мас. %) для хромшпинелидов из металлургических шлаков древних поселений.
Поля составов хромшпинелидов из шлаков: 1 – Синташты, 2 – Аркаима, 3 – Аландского, 4 – Куйсака, 5 – Родников, 6 – Устья.