Поведение основных элементов и примесей при направленной кристаллизации расплава Fe-Ni-Cu-S-(Rh, Ru, Ir, Pt, Pd, Ag, Au)
Аннотация
Система Cu-Fe-Ni-S является уникальной по количеству кристаллических фаз с разнообразным сочетанием свойств, что делает ее актуальной для поискового материаловедения. Фазы этой системы слагают типичные ассоциации массивных зональных сульфидных Cu-Ni руд, богатые медью зоны которых характеризуются высокими содержаниями благородных металлов. Поэтому эта система является одной из важнейших для геохимии сульфидов и для металлургии меди и никеля. Существует дефицит количественной информации о равновесных коэффициентах распределения макрокомпонентов и поведении примесей при кристаллизации твердых растворов в области диаграммы плавкости, отвечающей природным рудам или промежуточным продуктам металлургических производств. Поэтому целью работы является получение новых данных о фазовой диаграмме системы Cu-Fe-Ni-S и о формах выделения благородных металлов (Rh, Ru, Ir, Pt, Pd, Ag, Au) в процессе фракционной кристаллизации расплава, имитирующего зональные богатые медью руды платино-медно-никелевых сульфидных месторождений.
Проведена квазиравновесная направленная кристаллизация расплава состава (ат. %): Fe 29.20, Ni 5.85, Cu 17.60, S 47, Rh, Ru, Ir, Pt, Pd, Ag и Au по 0.05 каждого компонента. Полученный образец исследовали методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, энерго-дисперсионной спектрометрии (СЭМ/ЭДС) и рентгенофазового анализа. Метод дифференциального термического анализа (ДТА) использован для определени температур ликвидуса вдоль пути кристаллизации.
Распределение макрокомпонентов по длине цилиндрического слитка показало, что он состоит из пяти первичных зон. Первичные фазы и фазовые ассоциации кристаллизовались из расплава в последовательности: mss / mss + iss / iss / iss + bnss / bnss + pnss, где mss – моносульфидный твердый раствор (FexNi1-x)S1±y, iss – промежуточный твердый раствор (Cu,Fe)S1-x, bnss – борнитовый твердый раствор Cu5±xFe1±xS4±y, pnss – пентландитовый твердый раствор (FexNi1–x)9±yS8. Это свидетельствует о сложном строении диаграммы плавкости в изученной области. Определены температуры кристаллизации mss и iss. Установлен новый тип вторичной (фазовой) зональности, образовавшейся в результате субсолидусных превращений первичных фаз, который может присутствовать в Cu-Ni сульфидных рудах. Определено, что примеси могут растворяться в основных сульфидных фазах, образовывать самостоятельные микрофазы в сульфидной матрице или присутствовать в виде твердых растворов в этих микрофазах. Выявлено, что главными концентраторами Pd являются pn и sug. Ir, Rh и Ru распределяются между mss и pn, а Ag предпочитает bnss. Большинство примесей благородных металлов образуют включения в виде самостоятельных микрофаз: RuS2, Pt3Fe, сплава на основе золота Au*, Pt-Fe-Au сплава, CuIr2S4, самородного Ag. Результаты работы показали, что поведение макрокомпонентов можно описать с помощью коэффициентов распределения, а поведение микрокомпонентов строго не соответствует классической теории фракционной кристаллизации многокомпонентных расплавов с примесями
Скачивания
Литература
Craig J. R., Kullerud G. Phase relations in the Cu–Fe–Ni–S system and their application to magmatic ore deposits. Economic Geology Monograph / Ed. H.D.B. Wilson. 1969;4: 344–358. https://doi.org/10.5382/Mono.04.25
Fleet M. E., Chryssoulis S. L., Stone W. E., Weisener C. G. Partitioning of platinum-group elements and Au in the Fe–Ni–Cu–S system: experiments on the fractional crystallization of sulfide melt. Contributions of Mineralogy and Petrology. 1993;115: 36–44. https://doi.org/10.1007/BF00712976
Fleet M. E., Pan Y. Fractional crystallization of anhydrous sulfide liquid in the system Fe–Ni–Cu–S, with application to magmatic sulfide deposits. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994;58: 3369–3377. https://doi.org/10.1016/0016-7037(94)90092-2
Ebel D. S., Naldrett A. J. Crystallization of sulfide liquids and interpretation of ore composition. Canadian Journal of Earth Sciences. 1977;34: 352–356. https://doi.org/10.1139/e17-031
Дистлер В. В., Гроховская Т. Л., Евстигнеева Т. Л. и др. Петрология сульфидного магматического рудообразования. М.: Наука; 1988, 230 c.
Ballhaus C., Tredoux M., Spath A. Phase relations in the Fe-Ni-Cu-PGE-S system at magmatic temperature and application to massive sulphide ores of the Sudbery igneous complex. Journal of Petrolology. 2001;42(10): 1911–1926. https://doi.org/10.1093/petrology/42.10.1911
Naldrett A. J. Magmatic sulfide deposits. Geology, geochemistry and exploration. Springer-Verlag, Heidelberg, Germany; 2004, 727 p.
Fleet M. E. Phase equilibria at high temperature. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2006;61: 365–419. https://doi.org/10.2138/rmg.2006.61.7
Cafagna F., Jugo P. J. An experimental study on the geochemical behavior of highly siderophile elements (HSE) and metalloids (As, Se, Sb, Te, Bi) in a mss-iss-pyrite system at 650 oC: a possible magmatic origin for Co-HSE-bearing pyrite and the role of metalloid-rich phases in the fractionation of HSE. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2016;178: 233–258. https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.12.035
Helmy H. M., Botcharnikov R., Ballhaus C., … Hager T. Evolution of magmatic sulfide liquids: how and when base metal sulfides crystallize? Contributions of Mineralogy and Petrology. 2021;176: 1–15. https://doi.org/10.1007/s00410-021-01868-4
Kullerud G., Yund R. A., Moh G. H. Phase relations in the Cu–Fe–S, Cu–Ni–S, and Fe–Ni–S systems. Economic Geology Monograph. 1969;4: 323–343.
Sugaki A., Kitakaze A. High form of pentlandite and its thermal stability. American Mineralogist. 1998;83(1–2): 133–140. https://doi.org/10.2138/am-1998-1-213
Cabri L. J. New phase relations in the Cu-Fe-S system. Economic Geology.1973;68(4): 443–454. https://doi.org/10.2113/gsecongeo.68.4.443
Peregoedova A., Ohnenstetter M. Collectors of Pt, Pd and Rh in a S-poor Fe–Ni–Cu sulfide system at 760°C: experimental data and application to ore deposits. The Canadian Mineralogist. 2002;40: 527–561. https://doi.org/10.2113/gscanmin.40.2.527
Kosyakov V. I., Sinyakova E. F. Melt crystallization of CuFe2S3 in the Сu–Fe–S system. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2014;115(1): 511–516. https://doi.org/10.1007/s10973-013-3206-0
Sinyakova E. F., Vasilyeva I. G., Oreshonkov A. S., Goryainov S. V., Karmanov N. S. Formation of noble metal phases (Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Au, Ag) in the process of fractional crystallization of the CuFeS2 melt. Minerals. 2022;12(9): 1136. https://doi.org/10.3390/min12091136
Tolstykh N., Brovchenko V., Rad’ko V., Shapovalova M., Abramova V., Garcia J. Rh, Ir and Ru partitioning in the Cu-poor IPGE massive ores, Talnakh intrusion, Skalisty mine, Russia. Minerals. 2022;11:18. https://doi.org/10.3390/min12010018
Mungall J. E. Crystallization of magmatic sulfides: an empirical model and application to Sudbury ores. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2007;71(11): 2809–2819. https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.03.026
Dare S. A. S., Barnes S.-J., Prichard H. M., Fisher P. C. Mineralogy and geochemistry of Cu-Rich ores from the McCreedy East Ni-Cu-PGE deposit (Sudbury, Canada): implications for the behavior of platinum group and chalcophile elements at the end of crystallization of a sulfide liquid. Economic Geology. 2014;109(2): 343–366. https://doi.org/10.2113/econgeo.109.2.343
Barnes S.-J., Ripley E. M. Highly siderophile and strongly chalcophile elements in magmatic ore deposits. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2016;81: 725–774. https://doi.org/10.2138/rmg.2016.81.12
Duran, C. J., Barnes S. J., Plese P., Kudrna Prašek M., Zientek M. L., Pagé P. Fractional crystallization-induced variations in sulfides from the Noril’sk-Talnakh mining district (Polar Siberia, Russia). Ore Geology Review. 2017;90: 326–351. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2017.05.016
Liu, Y., Brenan J., Partitioning of platinum-group elements (PGE) and chalcogens (Se, Te, As, Sb, Bi) between monosulfide-solid solution (MSS), intermediate solid solution (ISS) and sulfide liquid at controlled conditions. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2015;159: 139–161. https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.03.021
Hawley J. E. The Sudbury ores: their mineralogy and origin. The Canadian Mineralogist. 1962;7(1): 1–207.
Naldrett A. J., Ebel D. S., Asif M., Morrison G., Moore C. M. Fractional crystallization of sulfide melts as illustrated at Noril’sk and Sudbury. European Journal of Mineralogy. 1997;9: 365–377. https://doi.org/10.1127/ejm/9/2/0365
Barnes S-J., Cox R. A., Zientek M. L. Platinum-group element, gold, silver and base metal distribution in compositionally zoned sulfide droplets from the Medvezky Creek mine, Noril’sk, Russia. Contributions of Mineralogy and Petrology. 2006;152: 187–200. https://doi.org/10.1007/s00410-006-0100-9
Holwell D. A., McDonald I. A review of the behavior of platinum group elements within natural magmatic sulfide ore systems. Platinum Metals Review. 2010;54: 26–36. https://doi.org/10.1595/147106709x480913
Kosyakov V. I., Sinyakova E. F., Distler V. V. Experimental simulation of phase relationships and zoning of magmatic nickel–copper sulfide ores, Russia. Geology of Ore Deposits. 2012;54: 179–208. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.1134/S1075701512030051
Sinyakova E. F., Kosyakov V. I., Borisenko A. S., Karmanov N. S. Behavior of noble metals during fractional crystallization of Cu–Fe–Ni–(Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Ag, Au, Te) sulfide melts. Russian Geology and Geophysics. 2019; 60(6): 642–651. https://doi.org/10.15372/RGG2019050
Sinyakova E. F., Kosyakov V. I., Kokh K. A., Naumov E. A. Sequential crystallization of pyrrhotite, cubanite and intermediate solid solution from Cu-Fe-(Ni)-S melt. Russian Geology and Geophysics. 2019;60(11): 1257–1267. https://doi.org/10.15372/rgg2019091
Kosyakov V. I., Sinyakova E. F., Kokh K. A. Sequential crystallization of four phases from melt on the polythermal section of the Cu–Fe–Ni–S system. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020;139(6): 3377–3382. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08701-y
Kosyakov V. I., Sinyakova E. F. Physicochemical prerequisites for the formation of primary orebody zoning at copper-nickel sulfide deposits (by the example of the systemsFe–Ni–SandCu–Fe–S). Russian Geology and Geophysics. 2012;53(9): 861–882. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2012.07.003
Kosyakov V. I. Possible usage of directional crystallization for solving petrological problems. Russian Geology and Geophysics. 1998;39(9): 1245–1256.
Sinyakova E. F., Kosyakov V. I. Experimental modeling of zonality of copper-rich sulfide ores in copper–nickel deposits. Doklady Earth Sciences. 2009;427: 787–792. https://doi.org/10.1134/S1028334X0709019X
Schlegel H., Sehüller A. Das Zustandebild Kupfer-Eisen-Schwefel. Zeitschrift für Metallkunde. 1952;43(12): 421–428.
Greig J. W., Jensen E., Merwin H. E. The system Сu-Fe-S. Carnegie Institution of Washington Year Book. 1955;54: 129–134.
Fleet M. E., Chryssoulis S. L., Stone W. E., Weisener C. G. Partitioning of platinum-group elements and Au in the Fe–Ni–Cu–S system: experiments on the fractional crystallization of sulfide melt. Contributions of Mineralogy and Petrology. 1993;115: 36–44. https://doi.org/10.1007/bf00712976
Li C., Barnes S.-J., Makovicky E. et al. Partitioning of nickel, cooper, iridium, rhenium, platinum, and palladium between monosulfide solid solution and sulfide liquid: Effects of composition and temperature. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1996;60(7): 1231–1238. https://doi.org/10.1016/0016-7037(96)00009-9
Barnes S.-J., Makovicky E., Makovicky M., Rose-Hansen J., Karup-Moller S. Partition coefficients for Ni, Cu, Pd, Pt, Rh and Ir between monosulfide solid solution and sulfide liquid and the formation of compositionally zoned Ni-Cu sulphide bodies by fractional crystallization of sulfide liquid. Canadian Journal of Earth Sciences. 1997;34: 366–374. https://doi.org/10.1139/e17-032
Mungall J. E., Andrews D. R. A., Cabri L. J., Sylvester P. J., Tuberett M. Partitioning of Cu, Ni, Au, and platinum-group elements between monosulfide solid solution and sulfide melt under controlled oxygen and sulfur fugacities. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2005;64(17): 4349–4360. https://doi.org/10.1016/j.gca.2004.11.025
Simon G., Kesler S. E., Essene E. J., Chryssoulis S. L. Gold in porphyry copper deposits: experimental determination of the distribution of gold in the Cu-Fe-S system at 400 to 700 °C. Economic Geology. 2000;95: 259–270. https://doi.org/10.2113/gsecongeo.95.2.259
Kolonin G. R., Fedorova Zh. N., Kravchenko T. A. Influence of the composition of phase associations of the Cu-Fe-S system on the mineral forms of rhodium (according to experimental data)*. Doklady of the Academy of Sciences. 1994;337(1): 104–107. (In Russ.)
Sinyakova E. F., Kosyakov V. I. Experimental modeling of zoning in copper-nickel sulfide ores. Doklady Earth Sciences. 2007;417A(9): 1380–1385. https://doi.org/10.1194/S1028334X0709019X
Sinyakova E. F., Komarov V. Yu, Sopov K. V., Kosyakov V. I., Kokh K. A. Crystallization of pyrrhotite from Fe-Ni-Cu-S-(Rh, Ru) melt. Journal of Crystal Growth. 2020;548: 125822. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125822
Massalski T. B., Okamoto H., Subramanian P. R., Kacprzak L. Binary Alloy Phase Diagrams. Second Edition. Ohio, United States: ASM International, Materials Park; 1990. 3589 p.
Ternary alloy systems. Noble metal systems. Selected systems from Ag-Al-Zn to Rh-Ru-Sc. In: Landolf-Börnstein – Group IV. Physical Chemistry. G. Effenberg & S. Ilyenko (eds.). 2006;11B. https://doi.org/10.1007/b96200
Brovchenko V., Merkulova M., Sittner J., … Cnudde V. X-ray absorption spectroscopic study of Pd2+ on Ni site in pentlandite. American Mineralogist. 2023;108: 2086–2095. https://doi.org/10.2138/am-2022-8704
Kalugin V., Gusev V., Tolstykh N., Lavrenchuk A., Nigmatulina E. Origin of the Pd–rich pentlandite in the massive sulfide ores of the Talnakh deposit, Norilsk Region, Russia. Minerals. 2021;11(11): 1258. https://doi.org/10.3390/min11111258
Makovicky E. Ternary and quaternary phase systems with PGE. In: The Geology, Geochemistry, Mineralogy and Mineral Beneficiation of Platinum-Group Elements. L. J. Cabri (ed.) Canadian Institute of Mining. Metallurgy and Petroleum; 2002, Special Vol. 54, pp. 131-175.
Kosyakov V. I., Sinyakova E. F. Peculiarities of behavior of trace elements during fractional crystallization of sulfide magmas. Doklady Earth Sciences. 2015;460(2): 179–182. https://doi.org/10.1134/S1028334X1502021X
Copyright (c) 2024 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
