Монография Ферсмана «Пегматиты». Геофазы пегматитового процесса. Геохимический анализ пегматитов

На смену алмазу пришло увлечение аквамарином, горным хрусталем, топазом в пегматитовых жилах Эльбы, Урала, Забайкалья. Мне казалось, что именно здесь, в сложной истории этих самоцветов, в их родстве и связях с сотнями других редчайших минералов, скрыты величайшие тайны нашей науки, и толстостенные фолианты исследований о пегматитах сложились как результат долгих, почти тридцатилетних наблюдений над законами их жизни и смерти.

А. Е. Ферсман

Почти 40 лет посвятил А. Е. Ферсман пегматитам. До его работ пегматиты были изучены плохо и считались скорее структурной разновидностью гранитов. Александр Евгеньевич подошел к этим образованиям с глубоким геохимическим анализом, рассматривая их как продукт эволюции магматического расплава.

Он изучал пегматиты Кольского полуострова и Северной Карелии, Среднего и Южного Урала (Мурзинка, Изумрудные копи, Ильменские и Вишневые горы и др.), Дзирульского массива в Закавказье, Канского района в Саянах, Слюдянки на Байкале, Борщовочного кряжа и Шерловой горы в Забайкалье, Гиссарского хребта и Кызылкумов в Средней Азии. Ученый посетил пегматитовые поля Норвегии, Швеции, Силезии, Северной Италии, Эльбы, Моравии и Чехии. По коллекционным образцам он ознакомился с пегматитами Конго, Монголии.

Результаты исследований А. Е. Ферсман изложил в широко известной монографии «Пегматиты», первый том которой был опубликован в 1931 г. Второе, исправленное и дополненное издание этого классического труда вышло в 1932 г., третье — в 1940 г.

«Монография эта, выдержавшая уже несколько изданий,— писал академик С. С. Смирнов,— рисует нам в увлекательной и в то же время строго научной форме историю образования, историю развития сложных образований, несущих слюды, руды бериллия, лития, тантала, ниобия и других, несущих изумительные самоцветы, которые так любил и как никто понимал Александр Евгеньевич. Одной этой работы было бы достаточно, чтобы принести ее автору мировую известность» 4.

Исследования в Хибинах и Ильменах позволил А. Е. Ферсману обосновать понятие о пегматитах щелочных магм, о своеобразии их геохимических процессов. Ученый предполагал подробно осветить эти интересные образования во втором томе своей монографии, уделив особое внимание связанным с ними полезным ископаемым (редкие металлы и др.). Свой труд А. Е. Ферсман не успел закончить.

Первый том монографии содержит всестороннюю характеристику гранитных пегматитов и до сих пор не имеет себе равных по глубине анализа и широте охвата проблемы.

По А. Е. Ферсману, пегматиты представляют собой пограничные образования между магматическими породами, изучаемыми петрологией, и водными отложениями — предметом исследований минералогии и геохимии. Поэтому односторонний, петрологический подход к пегматитам пе позволяет вскрыть своеобразие этих тел.

А. Е. Ферсман разработал теорию образования гранитных пегматитов, дал их классификацию, описал различные типы, охарактеризовал минералогические и геохимические особенности. Методологические основы теории ученого покоятся на нескольких важнейших положениях. Главнейшее из них —идея геохимической эволюции пегматитов. По А. Е. Ферсману, при остывании гранитной магмы происходит последовательная кристаллизация минеральных тел, приводящая к образованию самого гранита и накоплению остаточного расплава — раствора, из которого и формируется пегматит.

Под пегматитовым процессом А. Е. Ферсман понимал процессы кристаллизации остаточной магмы, начиная с явлений телокристаллизации и кончая последними выделениями остаточного расплава или раствора. Температурные интервалы этого процесса весьма значительны — 800— 50°. Гораздо уже интервалы образования гранитных пегматитов.

«Гранитным пегматитом,—писал А. Е. Ферсман,— мы называем жильное тело, в своей основе связанное с магматическим гранитным остатком, главная часть кристаллизации которого лежит в пределах 700—350° и которое характеризуется сходством минеральных составных частей с материнской породой, значительной величиной кристаллических индивидуумов, большей или меньшей одновременностью кристаллизации, повышенным содержанием некоторых определенных летучих и подвижных компонентов, а также накоплением рассеянных элементов остаточного расплава» 2.

По А. Е. Ферсману, часть пегматитов может рассматриваться как замкнутая система, что облегчило физикохимический анализ минералообразования. Из трех основных параметров такой системы — температуры, давления и концентрации веществ — для минералообразования решающее значение имеет понижение температуры. Это позволило различные типы пегматитов рассматривать как стадии единого процесса остывания расплава, стадии, отмеченные определенными интервалами температур.

Этапы процесса, отвечающие определенным физико-химическим условиям геохимической эволюции, А. Е. Ферсман предложил именовать геофазами (от А до L), установив 5 этапов и И геофаз.

Магматический этап.

Геофаза А (900—800°) —последние фазы застывания гранитного массива, образование магнетитовых и монаци- товых шлиров, турмалиновых солнц.

Эпимагматический этап.

Геофаза В (800—700°) — образование контактных зон, отделяющих пегматит от вмещающей породы. Зона часто имеет аплитовидный, или сахаровидный, облик, содержит зерна альмандина и магнетита.

Геофаза С (700—600° и ниже) — собственно пегматитовая, или графическая, зона. Образование типичного письменного гранита.

Пневматолитический этап.

Геофазы D—Е (600—500°) — пегматоидные, с образованием шерла, берилла, листов мусковита, топаза. Это основная минерализация жил типа Мурзинки и Адунчалона с крупными кристаллами кварца и полевого шпата.

Геофазы F—G (500—400° и немного ниже) —надкритические. Характерно образование зеленых слюд, альбита, минералов лития, замещение ранее образовавшихся минералов.

Гидротермальный этап.

Геофазы H—I—K (400-50°).

Гипергенный этап.

Геофаза L (50-0°).

Пегматитовый процесс включает в себя геофазы С—G (700—400°). Границы между отдельными геофазами А. Е. Ферсман обосновал физико-химически и, что особенно важно, дал им четкие минералогические критерии.

Геофаза —это не чисто температурная шкала, не определенная глубина процесса, не чисто хронологическая или физико-химическая схема. По словам А. Е. Ферсмана, это скорее «парагенетическая» или «геохимическая» схема, включающая в себя и определенные физико-химические условия, и интервалы температур, и глубину процесса (давление), и отрезок времени. Отвечая равновесному комплексу минеральных тел, геофаза является также понятием энергетическим (энергетический уровень процесса) .

Взгляд на пегматиты как на замкнутые системы, эволюция которых подчиняется понижению температуры, позволил А. Е. Ферсману установить главные особенности пегматитов, вскрыть их сущность, разработать систематику.

Большое значение в анализе пегматитов А. Е. Ферсман придавал построению геохимических диаграмм, на которых по горизонтальной оси отлагаются этапы и геофазы процесса, а по вертикальной — минералы, характерные для каждой геофазы. Ученый подчеркивал, что подобные диаграммы составлялись уже 50 лет назад французскими петрографами, однако он развил и углубил данный метод, превратил в мощное орудие геохимического анализа. Поэтому смело можно говорить о методе геохимических диаграмм Ферсмана. Метод оказался настолько удачным, что получил широкое применение при изучении не только пегматитов, но и гидротермальных и других процессов.

Одной из задач изучения пегматитов А. Е. Ферсман считал «отнесение каждого минерала к определенной геофазе, свойственной ему в данном процессе». Ученый подчеркивал сложность задачи, отмечал необходимость статистического подхода при изучении штуфов. Так, при определении последовательности кристаллизации минералов в жиле Мокруши А. Е. Ферсман изучил свыше 2000 образцов.

Ученый также рассмотрел эвтектоидный процесс, роль летучих компонентов в образовании пегматитов, морфологические и геологические особенности этих образований — формы и размеры жил и отдельных кристаллов, образование пустот («занорышей»), структуру, цвет, возраст пегматитов.

В описательной части монографии охарактеризованы пегматиты Урала, Забайкалья, Карелии, многих районов Западной Европы, Северной Америки, Центральной Азии. Для каждого пегматита приводится геохимическая диаграмма, анализ которой позволяет установить периоды наиболее интенсивной минерализации, отвечающие определенным геофазам.

Каждую жилу или жильное поле, писал А. Е. Ферсман, можно характеризовать по преобладанию минералов определенных геофаз. На этой основе ученый составил исключительно интересную сводную геохимическую диаграмму, на которой жильные поля располагались в порядке убывания температуры. Самые различные пегматиты легли в определенную систему — естественный ряд пегматитового процесса.

Это позволило А. Е. Ферсману разработать классификацию, выделив «пегматиты чистой линии», т. е. образования замкнутой физико-химической системы, и «пегматиты линии скрещения», формирование которых связано с влиянием боковых пород. Среди первых ученый различал 10 типов:

I           — пегматиты наиболее ранней кристаллизации с главными подтипами: а — монацитовый, в — ортитовый, с — гранатовый, d — обыкновенный;

Il         — редких элементов: TR, Nb, Ta, U, Y, Ti и др.;

III — бор-фтористый;

IV — фтор-бериллиевый;

V         — натро-литиевый;

VI        — литиево-фосфатный; VII —фтор-алюминиевый; VIII — фтор-карбонатный; IX — сульфидный;

X — щелочной (цеолит- ный).

Не менее детальна и классификация «пегматитов линии скрещения». А. Е. Ферсман подробно охарактеризовал выделенные типы — их распространение, минералогию, геохимию, генезис, практическое значение.

Много внимания уделил ученый минералогии гранитных пегматитов. Он отметил большое число минералов (около 300), их крупные размеры. На изучении этих минералов, по словам А. Е. Ферсмана, вырабатывались основные понятия описательной минералогии и кристаллографии (труды Н. И. Кокшарова, П. Ниггли, В. Бреггера, В. М. Гольдшмидта и др.). А. Е. Ферсман подробно охарактеризовал 70 типоморфных минералов, отметил их приуроченность к определенным геофазам, условия образования, состав и распространение.

Пегматитам свойственны только определенные классы минералов. Так, в них нет нитратов, йодатов, арсенатов, оксалатов, антимонатов, редко встречаются самородные элементы, сульфиды, углеродистые соединения. Наоборот, группа тантало-ниобатов и фосфатов представлена очень широко. В пегматитах преобладают соединения R203 и R2O5: А120з, В203, Се203, Мп203, У20з, P2Os, Nb2Os, Ta2Os. Для них характерны ромбоэдрический, гексагональный и гипогексагональный типы кристаллов, частично кубическая сингония, изометричная или пластинчатая форма кристаллов, отсутствие очень удлиненных волокнистых минералов, ленточных и цепных структур (в этом отличие пегматитов от гидротерм или протокристаллизации).

Уже ранними работами А. Е. Ферсмана были установлены законы эвтектического срастания главных минералов гранитных пегматитов: Ферсмана, Розе, Мурзинский и Адунчалонский. А. Е. Ферсман указал важную черту минералов гранитных пегматитов: преобладание нечетных чисел (и особенно 3) в природе самих атомов, в характере главнейших молекул (окислов) и в симметрии кристаллических построек.

Ученый показал, что по мере развития пегматитового процесса происходит понижение окраски минералов, сначала увеличение, а потом уменьшение их твердости, уменьшение симметрии кристаллов (смена четной симметрии нечетной), плотности кислородной упаковки. «В основном,— писал А. Е. Ферсман,— процесс идет в сторону выпадения более сложных по строению и стереохимии, но более однородных кристаллических систем, более низкой симметрии, более низкой координации, меньшего выделения энергии, большей растворимости и меньшей твердости» 3. Изучение колоссального фактического материала позволило А. Е. Ферсману установить типоморфные признаки минералов пегматитов.

Исключительно интересен геохимический анализ пегматитов.

Собрав данные химических анализов большого числа пегматитов, А. Е. Ферсман высчитал кларки гранитных пегматитов. Их элементы он разделил на ведущие, главные, нормальные, случайные и запрещенные.

Рассматривая в периодической системе Д. И. Менделеева положение характерных элементов пегматитов, А. Е. Ферсман отметил, что они занимают определенное иоле таблицы. Элементы пегматитов имеют сферические ионы типа благородных газов, низковалентные катионы обладают большими радиусами, а многовалентные катионы образуют большие комплексные анионы. В пегматитах накапливаются нечетные элементы, что ведет к нечетной валентности, нечетной симметрии и нечетным группам таблицы.

По мере развития пегматитового процесса концентрируются две группы элементов: легкие многовалентные, образующие комплексные анионы, и одновалентные. Постепенно происходит замена многовалентных катионов одновалентными в последовательности 4, 3, 2, 1. По словам А. Е. Ферсмана, в пегматитах преобладают «крайности» — наиболее легкие и наиболее тяжелые элементы. Для них характерны также повышенное содержание радиоактивных элементов (ряды Th, U, К, Rb), относительно большая роль ядер типа 4д+3.

В целом в результате пегматитового процесса накапливаются атомы, которые «по строению ядра обладают наименьшей прочностью, наименьшей симметричностью, нечетностью соотношений протонов и нейтронов, особой подвижностью, активностью и самопроизвольным распадом или наибольшей податливостью к разрушению» 4.

Большое внимание А. Е. Ферсман уделил характеристике пегматитов с позиции геоэнергетической теории, считая их типичной диссоциированной системой, для которой можно определять эки и вэки. К гранитным пегматитам, писал А. Е. Ферсман, относятся элементы, дающие анионы и катионы наименьших величин свойственной им кристаллической энергии. При переходе от перидотитов к пегматитам суммарная энергия катионов в единицах эков уменьшается почти вдвое — от 80 до 45. По сравнению с протокристаллизацией пегматиты представляют более низкий уровень энергии. В пределах пегматитового процесса закономерности образования минералов также подчиняются законам геоэнергетики. Геохимический анализ пегматитов А. Е. Ферсман завершил характеристикой поведения в этом процессе всех элементов периодической системы — от водорода до урана.

Монография завершается обзором полей гранитных пегматитов Советского Союза и зарубежных стран, их полезных ископаемых.

Благодаря А. Е. Ферсману исследования пегматитов в Советском Союзе получили широкий размах — было создано геохимическое направление в изучении этих тел, разработана стройная теория их образования. Многие советские минералоги и геохимики опубликовали труды, посвященные пегматитам. Концепция пегматитового процесса А. Е. Ферсмана получила широкое признание и за рубежом (в 1951 г. монография «Пегматиты» была издана в Бельгии). «„Пегматиты“ А. Е. Ферсмана — классическое произведение отечественной литературы, получившее мировое признание»,—писал академик Ф. В. Чухров 5.

С момента выхода в свет последнего издания «Пегматитов» прошло более 40 лет. Естественно, за это время развились новые идеи. В частности, высказываются сомнения в замкнутом характере физико-химической системы пегматитов. Развиваются представления о большой роли метасоматоза в этом процессе, о роли постмагматической перекристаллизации изверженных пород в формировании пегматитов. Таким образом, выдвигается концепция поли- генетичности пегматитов. Все же, как отмечает крупнейший знаток пегматитов профессор А. И. Гинзбург, новый материал в целом ближе всего отвечает идеям А. Е. Ферсмана. Огромное значение по-прежнему имеет разработайная им систематика пегматитов. Его работы, давно ставшие классическими, и в наши дни являются основным спутником всех геологов, минералогов, геохимиков, изучающих пегматиты.

«Пегматиты» А. Е. Ферсмана имеют и более общее, методологическое значение. Эта монография — прекрасный образец детального геохимического исследования природной системы.

Опыт А. Е. Ферсмана в работе над пегматитами может быть творчески использован и при изучении других диссоциированных систем: соляных озер, магматической кристаллизации, отчасти гидротерм и гипергенеза.

 План геохимического анализа системы, исходя из трудов А. Е. Ферсмана, по нашему мнению, представляется в следующем виде:

1. История изучения геохимии системы.

2. Морфология природных тел и геологические условия.

3. Физико-химические параметры.

4. Принципы геохимической классификации, типы процессов.

5. Систематическая характеристика отдельных типов и видов.

6. Минералы:

а) список минералов;

б) характеристика типоморфных минералов;

в) общие особенности минералогии системы.

7. Геохимический анализ системы:

а) средний химический состав и его сравнение с клар- ками;

б) положение характерных элементов в периодической системе;

в) анализ характерных элементов с точки зрения свойств атомных ядер и строения электронной оболочки атомов;

г) кристаллохимия;

д) геоэнергетический анализ (эки, вэки, энергия решетки) ;

е) общие выводы.

8. Обзор геохимии отдельных элементов.

9. Региональный обзор — особенности проявления системы в разных частях Советского Союза и других стран. Закономерности размещения.

10. Полезные ископаемые, связанные с системой, а также другие практические проблемы.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана