Platinum-rhenium-osmium isotope systematics of chromitite and native osmium from the Guli Massif (Maimecha-Kotui Province, Russia)
- Authors: Malitch K.N.1, Puchtel I.S.2, Kogarko L.N.3, Badanina I.Y.1
-
Affiliations:
- Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
- University of Maryland
- Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 515, No 1 (2024)
- Pages: 45-50
- Section: GEOLOGY OF ORE DEPOSITS
- Submitted: 30.09.2024
- Accepted: 30.09.2024
- Published: 15.07.2024
- URL: https://journals.rcsi.science/2686-7397/article/view/265086
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2686739724030062
- ID: 265086
Cite item
Full Text
Abstract
To gain insight into the source of ore material, this study presents the first Re-Os and Pt-Os isotopic and highly siderophile element (HSE) abundance data for chromitite and osmium minerals from the Guli massif of ultramafic, alkaline rocks and carbonatites located in the Maimecha-Kotui province, Polar Siberia. The study utilized a number of analytical techniques, including electron microprobe analysis, negative thermal ionization mass spectrometry (N-TIMS) and high pressure asher digestion and an isotope dilution-inductively coupled plasma-mass spectrometry. The HSE concentrations in chromitite samples range from 191 to 866 ppb with a predominance of Ir-group platinum-group elements (PGE) (Os, Ir and Ru) over Pt-group PGE (Rh, Pt and Pd) and Re, which is consistent with their platinum-group mineral control (i. e., Os-Ir alloys and laurite, RuS2) within the chromitite. The Re-Os and Pt-Os isotope data indicate that the HSE budget of the chromitite and osmium minerals from the Guli massif was largely controlled by that of the mantle source, which evolved with long-term near-chondritic Re/Os and Pt/Os ratios; this source is within the range of those for the majority of komatiite and abyssal peridotite sources.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Для выявления изотопно-геохимических параметров рудного вещества платинометалльных месторождений нередко используются изотопные системы, основанные на α-распаде 190Pt с образованием 186Os (T1/2 = 469 млрд лет [1]) и β-распаде 187Re c образованием 187Os (T1/2 = 41.6 млрд лет [2]). Эти системы нашли широкое применение при оценке эволюции Pt/ Os- и Re/Os-отношений в мантийных источниках и временных ограничений на плавление мантийных производных в различных геологических обстановках ([3–9] и др.). В отличие от стронция, неодима, гафния и свинца, являющихся элементами, “несовместимыми” с магматическим расплавом, осмий ведет себя как элемент “совместимый”, при плавлении мантии накапливающийся в перидотитовом остатке (мантийном рестите). Рений, и в меньшей степени платина, перераспределяются в расплав. Сильные различия в степени совместимости по отношению к расплаву между Pt, Re и Os определяют значительное преимущество Pt– Os- и Re–Os-изотопных систем перед Sm– Nd-, Lu– Hf-, U–Pb- и Rb–Sr-изотопными системами, дочерние и материнские элементы в которых слабо фракционируют при плавлении мантии. Таким образом, Pt–Os- и Re–Os-системы предоставляют уникальную геохимическую информацию о составе мантийного протолита и эволюции продуктов его плавления. В отличие от Re–Os-изотопных данных, Pt–Os-изотопная систематика платинометалльных месторождений до сих пор остается слабо изученной [6, 7]. Чтобы частично восполнить данный пробел, нами выполнено комплексное минералогическое и изотопно-геохимическое исследования, включающие определение содержаний сильно сидерофильных элементов (ССЭ: Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pt, Pd), и Re–Os- и Pt–Os-изотопии в хромититах и минералах осмия из россыпного месторождения Гулинского массива Маймеча-Котуйской провинции на севере Сибирской платформы. Это исследование является частью более масштабной задачи по выявлению источников рудного вещества и происхождения благороднометалльных месторождений складчатых областей и платформ.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗУЧЕННЫЕ ОБРАЗЦЫ
С уникальным Гулинским массивом ультраосновных и щелочных пород с карбонатитами в Полярной Сибири связаны крупные россыпные месторождения осмия и иридия с мелкими россыпями золота [10, 11]. Ультрамафиты и платиноидная минерализация Гулинского массива обладают чертами сходства с таковыми платиноносных клинопироксенит-дунитовых массивов Алдана, Урала, Дальнего Востока, Аляски, Британской Колумбии, Восточной Австралии и офиолитовых дунит-гарцбургитовых массивов Урала, Корякии, Тасмании и Новой Каледонии. С первыми их сближает парагенетическая ассоциация пород (дуниты, хромититы, верлиты и клинопироксениты) и значительный россыпеобразующий потенциал (первые десятки тонн полезного компонента), а со вторыми – большой площадной размер коренных выходов ультрамафитов (сотни км2) и металлогеническая специализация на платиноиды Ir-группы (Os, Ir, Ru). По данным Л. Н. Когарко и Р. Е. Зартмана [12], Pb–Pb-возраст пород Гулинского массива составляет 250.0 ± 8.7 млн лет.
Выполненное исследование базируется на образцах (1) хромититов c подиформным характером залегания в дунитах (рис. 1 а), выявленных в истоках р. Ингарингда в южной части Гулинского массива (обр. G-3, G-5, G-40), и (2) минералов осмия из четвертичных отложений верхнего течения р. Ингарингда (поисковая линия 369, обр. 7–71) и ручья Бурлаковский (поисковая линия 2, обр. 67), левого притока р. Ингарингда, расположенных в южной части массива (рис. 1 в [13]).
Рис. 1. Морфологические особенности: (а) прожилкового хромитита (обр. G-40) Гулинского массива, (б, в) кристаллов самородного осмия из четвертичных отложений (обр. 7–71 и 67 соответственно) Гулинского массива. Изображения в обратно-рассеянных электронах (BSE) с вещественным контрастом (б, в).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования морфологии и химического состава минералов платиновой группы (МПГ) были использованы сканирующая микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ (СЭМ JSM-6390L, “Jeol” с энергодисперсионной приставкой INCA Energy 450 X–Max 80, “Oxford Instruments”, “CAMECA” SX-100, ЦКП “Геоаналитик” ИГГ УрО РАН, аналитики С. П. Главатских, В. В. Хиллер). При проведении количественных анализов были использованы следующие рентгеновские спектральные линии и стандартные образцы: OsMα, IrLα, RuLα, RhLα, PtLα, PdLβ, NiKα (все чистые металлы), FeKα, CuKα, SKα (халькопирит), AsLα – сплав InAs; проведен учет спектральных наложений линий (RuLα на AsLα; RuLβ на RhLα; IrLα на CuKα и др.). Ускоряющее напряжение составляло 15 кВ, сила тока пучка электронов – 20 нА, длительность измерения интенсивности на пике – 10 с, на фоне – по 5 с, диаметр точки анализа – 1–2 мкм. Определение ЭПГ, рения и изотопного состава осмия в образцах хромититов Гулинского массива (обр. G-3, G-5, G-86) выполнено в Горном Университета Леобена (Австрия) с помощью масс-спектрометрии с использованием изотопного разбавления и ионизации пробы в индуктивно-связанной плазме (ID-ICP-MS) после разложения образцов при высоком давлении. Более подробная характеристика данного аналитического метода приведена в работе [14]. Один образец хромитита (обр. G-40) был проанализирован на содержание ЭПГ и рения, с одновременным анализом изотопного состава осмия и платины в изотопно-геохимической лаборатории (Isotope Geochemical Laboratory, IGL) Университета Штата Мэрилэнд, США. Re–Os- и Pt–Os-изотопные составы для образцов хромитита (обр. G-40) и минералов осмия (обр. 67 и 7-71) были определены с помощью термоионизационной масс-спектрометрии в отрицательных ионах (negative thermal ionization mass spectrometry, N-TIMS) на многоколлекторном масс-спектрометре “ThermoFisher” Triton в IGL, следуя аналитическим процедурам, подробно охарактеризованным в ряде работ [15, 16].
Начальное значение γ187Os(Т) для образцов хромитита и самородного осмия было рассчитано как отклонение (в %) значения 187Os/188Os на момент их образования, принятому в данной работе (Т = 250 млн лет), относительно среднего хондритового 187Os/188Os-значения из работы [17], рассчитанного на тот же момент времени. Средний изотопный состав осмия в хондритах на момент образования образцов хромитита и минералов осмия был рассчитан с использованием константы распада 187Re (λ = 1.666 × 10–11 год–1) и начального изотопного состава осмия Солнечной системы на момент времени T = 4558 млрд лет: 187Os/188Os = 0.09531 и 187Re/188Os = 0.40186 [2, 17]. Начальное значение µ186Os(T) было рассчитано как отклонение доли на миллион (ppm) значения186Os/188Os в изученных образцах хромитита и минералов осмия на момент их образования (Т = 250 млн лет) относительно среднего хондритового 186Os/188Os-значения из работы [6], рассчитанного на тот же момент времени, с использованием константы распада 190Pt (λ=1.477 × 10–12 год–1 [1]) и начального изотопного состава Солнечной системы на момент времени T = 4567 млн лет: 186Os/188Os=0.1198269 и 190Pt/188Os = 0.00174. Следует отметить, что из-за очень низких значений 187Re/188Os и 190Pt/188Os во всех проанализированных образцах, поправки на возраст измеренных 186Os/188Os и 187Os/188Os за счет радиоактивного распада 190Pt и 187Re были ниже погрешности измерения для индивидуальных анализов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Образцы хромититов Гулинского массива характеризуются концентрациями платиноидов в пределах 191–866 мг/т; для них типично преобладание платиноидов Ir-группы (Os, Ir и Ru) над платиноидами Pt-группы (Rh, Pt и Pd) (табл. 1). Уровень концентраций и характер распределения платиноидов в хромититах Гулинского массива сходен с таковыми в подиформных хромититах из мантийных разрезов дунит-гарцбургитовых массивов мира [18]. Среди МПГ-хромититов Гулинского массива доминируют Ir-содержащий осмий и лаурит (RuS2). Таким образом, особенности геохимического распределения платиноидов в хромититах согласуются с формой нахождения МПГ в данных породах. Кристаллы самородного осмия (обр. 7-71 и 67, рис. 1 б, в), изученные методом N-TIMS, характеризуются примитивными составами (Os94Ir3Ru3 и Os87Ir8Ru5 соответственно).
Таблица 1. Содержания сильно сидерофильных элементов (мг/т) в хромититах Гулинского массива
№ обр. | Os | Ir | Ru | Rh | Pt | Pd | Au | Re | ΣССЕ | Pt/Pd | Pt/Ir |
G-40 | 277.8 | 215.9 | 370.6 | н.о. | 1.0 | 0.27 | н.о. | 0.14 | 865.71 | 3.7 | 0.005 |
G-3 | 43 | 62 | 212 | 6.7 | 1.3 | 1.0 | н.о. | 0.29 | 326.29 | 1.3 | 0.021 |
G-5 | 94 | 34 | 56 | 4.6 | 1.1 | 1.0 | н.о. | 0.15 | 190.85 | 1.1 | 0.032 |
Примечание: “н.о.” – не определяли.
Первичная природа минералов осмия предполагает, что изотопный состав данных МПГ во время их образования соответствует таковому в источнике рудного вещества. Re–Os-изотопные результаты, полученные для кристаллов самородного осмия c помощью метода N-TIMS, демонстрируют ограниченный диапазон значений 187Os/188Os, варьирующий в пределах от 0.1244995±0.0000005 до 0.1246370±0.0000005, при значении 187Re/188Os менее 0.00006±28 (табл. 2). Среднее первичное значение 187Os/188Os составляет 0.12457±0.00019 (2SD, n = 2), среднее значение γ187Os(T) = –0.61±0.16 (2SD, рис. 2). Эти значения в пределах соответствующих погрешностей идентичны значениям187Os/188Os и γ187Os(T) для образца хромитита G-40, изученного с помощью N-TIMS (0.1244256±0.0000007 (2SE), γ187Os(T) = –0.728±0.001 (2SE), табл. 2). Таким образом, полученные Re–Os-изотопные данные для кристаллов самородного осмия и хромитита неотличимы от эталонного значения для хондритов в это время (рис. 2), что свидетельствует об их происхождении из источника, который развивался длительное время с хондритовым отношением Re/Os.
Таблица 2. Re-Os- и Pt-Os-изотопные N-TIMS данные для хромитита (обр. G-40) и самородного осмия (обр. 67 и 7-71) Гулинского массива
№ обр., рисунок | 187Re/188Os | 187Os/188Os | 187Os/ 188Os(T) | γ187Os(T) | 190Pt/188Os | 186Os/188Os | 186Os/ 188Os(T) | µ186Os(T) |
G-40, рис. 1а | 0.000250±12 | 0.1244256±7 | 0.12442 | –0.7280±6 | 0.0000034±2 | 0.1198378±7 | 0.1198377 | –2±6 |
67, рис. 1в | 0.00006±٢8 | 0.1246370±5 | 0.124637 | –0.56±0 | 0.0000044±0 | 0.1198397±5 | 0.1198397 | +14±٤ |
7–71, рис. 1б | 0.00006±28 | 0.1244995±5 | 0.124500 | –0.67±0 | 0.0000041±0 | 0.1198403±5 | 0.1198403 | +19±٤ |
Примечание: обр. G-40 – хромитит, обр. 67 и 7–71 – самородный осмий (Os87Ir8Ru5 и Os94Ir3Ru3 соответственно). Погрешности изотопных отношений и начального Os-изотопного состава приведены на уровне 2SD на основе долгосрочной воспроизводимости стандарта Джонсона-Маттея Os в изотопно-геохимической лаборатории Университета Мэрилэнда [16]. Начальные значения µ186Os(T) and γ187Os(T) были рассчитаны для времени образования хромитита и минералов осмия (Т = 250 млн лет) с использованием параметров, указанных в тексте. Погрешность измерения значений 187Re/188Os, 187Os/188Os,190Pt/188Os,186Os/188Os составляет 2SE от среднего значения в последнем десятичном знаке.
Рис. 2. Диаграмма вариаций (а) начальных 187Os/188Os-изотопных составов, выраженных в величинах γ187Os(T), и (б) начальных 186Os/188Os-изотопных составов, выраженных в величинах 186Os(T), для хромитита, минералов осмия Гулинского массива, МПГ Кунарского комплекса и докембрийских комаиитовых массивов, относительно их возраста. Данные по коматиитам по [9], по МПГ Кунарского комплекса по [8]. Синяя вертикальная полоса для современной Валовой Силикатной Земли (Bulk Silicate Earth: BSE) по [4] для (а) и по [7] для (б). Os-изотопные данные для абиссальных перидотитов (Abyssal Peridotite: AP) взяты из [3, 7], для хондритовых метеоритов – из [6, 19, 20]; последние представлены в виде сегмента, заключенного между двумя фиолетовыми сходящимися наклонными линиями и отвечают их полному диапазону вариаций современных значений величин γ187Os, спроецированных во времени к первичному отношению 187Os/188Os для Солнечной системы. Все погрешности отвечают 2SD от среднего значения.
В рамках Pt–Os-системы первичное значение 186Os/188Os и расчетное значение µ186Os(T) для этого же образца хромитита (0.1198377±0.0000007 и –2±6 (2SE) соответственно; табл. 2) является хондритовым. Среднее расчетное значение µ186Os(T) для минералов осмия (+16.5±6.6 (2SD)) тяготеет на диаграмме µ186Os–возраст (рис. 2) к верхней части хондритового диапазона составов. Полученные Re–Os- и Pt–Os-изотопные данные свидетельствуют о том, что содержания сильно сидерофильных элементов, характерные для кристаллов самородного осмия и хромититов Гулинского массива, в значительной степени контролировались составом мантийного источника, который эволюционировал длительное время с околохондритовыми Re/Os- и Pt/Os-отношениями; этот источник находится в пределах Re–Os- и Pt–Os-изотопных параметров, характерных для большинства источников коматиитов и абиссальных перидотитов [3, 6, 9, 19, 20]. Отметим, что Re–Os-изотопные данные для более дифференцированных щелочных пород Маймеча-Котуйской провинции свидетельствуют, что эти породы имели гетерогенные мантийные источники [5], варьировавшие по составу от таковых характерных для астеносферной мантии до близких к источнику OIB.
Выводы о мантийном источнике сильно сидерофильных элементов согласуются с результатами изучения изотопной систематики серы в Ru–Os-сульфидах, сосуществующих с Os–Ir-сплавами Гулинского массива [13]. Таким образом, выявленные особенности изотопного состава осмия и серы для МПГ Гулинского массива свидетельствуют о мантийном источнике рудного вещества.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы признательны В. В. Хиллер, П. С. Главатских, В. Палиулионите и Т. Майзелу за помощь при проведении минералого-геохимических исследований. Авторы признательны одному из анонимных рецензентов за конструктивные замечания, которые способствовали улучшению рукописи.
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 22-27-00140 (https://rscf.ru/project/22-27-00140/).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
About the authors
K. N. Malitch
Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: dunite@yandex.ru
Russian Federation, Ekaterinburg
I. S. Puchtel
University of Maryland
Email: ipuchtel@umd.edu
United States, College Park, MD20742
L. N. Kogarko
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences
Email: kogarko@geokhi.ru
Academician of the RAS
Russian Federation, MoscowI. Yu. Badanina
Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Email: dunite@yandex.ru
Russian Federation, Ekaterinburg
References
- Begemann F., Ludwig K. R., Lugmair G. W., Min K., Nyquist L. E., Patchett L. E., Renne P. R., Shih C.-Y., Villa I. M., Walker R. J. Call for an improved set of decay constants for geochronological use // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001. V. 65. № 1. P. 111–121.
- Smoliar M. I., Walker R. J., Morgan J. W. Re-Os ages of group IIA, IIIA, IVA, and IVB meteorites // Science. 1996. V. 271. P. 1099–1102.
- Brandon A. D., Snow J. E., Walker R. J., Morgan J. W., Mock T. D.190Pt-186Os and 187Re-187Os systematics of abyssal peridotites // Earth and Planetary Science Letters. 2000. V. 177. P. 319–335.
- Meisel T., Walker R. J., Irving A. J., Lorand J.-P. Osmium isotopic composition of mantle xenoliths: A global perspective // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001. V. 65. P. 1311–1323.
- Carlson R. W., Czamanske G., Fedorenko V., Ilupin I. A comparison of Siberian meimechites and kimberlites: Implications for the source of high-Mg alkalic magmas and flood basalts // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2006. V. 7. № 11. Q11014.
- Brandon A. D., Walker R. J., Puchtel I. S. Platinum-osmium isotope evolution of the Earth’s mantle: constraints from chondrites and Os-rich alloys // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. V. 70. P. 2093–2103.
- Day J. M.D., Walker, R.J., Warren, J.M. 186Os-187Os and highly siderophile element abundance systematics of the mantle revealed by abyssal peridotites and Os-rich alloys // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2017. V. 200. P. 232–254.
- Malitch K. N., Puchtel I. S., Belousova E. A., Badanina I. Yu. A combined Re-Os and Pt-Os isotope and HSE abundance study of Ru-Os-Ir alloys from the Kunar and Unga placer deposits, the Taimyr Peninsula, Polar Siberia // Minerals. 2022. V. 12. № 11. Art. No. 1463. doi: 10.3390/min12111463
- Puchtel I. S., Blichert-Toft J., Horan M. F., Touboul M., Walker R. J. The komatiite testimony to ancient mantle heterogeneity // Chemical Geology. 2022. V. 594. 120776.
- Малич К. Н. Платиноиды клинопироксенит-дуни-товых массивов Восточной Сибири (геохимия, минералогия, генезис). С-Пб.: Санкт-Петербургская картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 1999. 296 с.
- Сазонов А. М., Звягина Е. А., Леонтьев С. И., Гертнер И. Ф., Краснова Т. С., Колмаков Ю. В., Панина Л. И., Чернышев А. И., Макеев С. М. Платиноносные щелочно-ультраосновные интрузии Полярной Сибири. Томск: Изд. ЦНТИ, 2001. 510 с.
- Kogarko L. N., Zartman R. E. A Pb isotope investigation of the Guli massif, Maymecha-Kotuy alkaline-ultramafic complex, Siberian flood basalt province, Polar Siberia // Mineralogy and Petrology. 2007. V. 89. P. 113–132.
- Малич К. Н., Когарко Л. Н., Баданина И. Ю., Веливецкая Т. А., Игнатьев А. В. Изотопный состав серы Ru-Os сульфидов Гулинского массива (Маймеча-Котуйская провинция, Россия): первые данные // Доклады РАН. Науки о Земле. 2022. Т. 507. № 2. С. 194–201. doi: 10.31857/S2686739722601752
- Paliulionyte V., Meisel T., Ramminger P., Kettisch P. High pressure asher digestion and an isotope dilution-ICP-MS method for the determination of platinum-group element concentrations in chromitite reference materials CHR-Bkg, GAN Pt-1 and HHH // Geostandards and Geoanalytical Research. 2006. V. 30. P. 87–96.
- Puchtel I. S., Brandon A. D., Humayun M., Wal-ker R. J. Evidence for the early differentiation of the core from Pt-Re-Os isotope systematics of 2.8-Ga komatiites // Earth and Planetary Science Letters. 2005. V. 237. P. 118–134. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.04.023
- Puchtel I. S., Touboul M., Blichert-Toft J., Walker R. J., Brandon A. D., Nicklas R. W., Kulikov V. S., Samsonov A. V. Lithophile and siderophile element systematics of Earth’s mantle at the Archean–Proterozoic boundary: Evidence from 2.4 Ga komatiites // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2016. V. 180. P. 227–255. https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.02.027
- Shirey S. B., Walker R. J. Re-Os isotopes in cosmochemistry and high-temperature geochemistry // Annual Reviews of Earth and Planetary Science 1998. V. 26. P. 423–500.
- Walker R. J., Prichard H. M., Ishiwatari A., Pimen-tel M. The osmium isotopic composition of convecting upper mantle deduced from ophiolite chromites // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2002. 66. 329–345.
- Walker R. J., Horan M. F., Morgan J. W., Becker H., Grossman J. N., Rubin A. E. Comparative 187Re-187Os systematics of chondrites: implications regarding early solar system processes // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2002. V. 66. P. 4187–4201.
- Fischer-Gödde M., Becker H., Wombacher F. Rhodium, gold and other highly siderophile element abundances in chondritic meteorites // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. V. 74. P. 356–379.
Supplementary files
