Титан концентрируется в основном в следующих генетических группах месторождений:
- в собственно магматических,
- в остаточных (коры выветривания),
- в россыпях,
- в осадочно-вулканогенных,
- в метаморфогенных.
Основные промышленные типы представлены месторождениями первой и третьей генетических групп.
Собственно магматические месторождения
Согласно представлениям И. И. Малышева, титановые месторождения по составу материнских пород делятся на два класса: связанные с основными и ультраосновными массивами и с комплексами щелочных пород.
В первом выделяются следующие промышленные типы месторождений: 1) в анортозитовых и габбро-анортозитовых массивах — ильменитового, гематит-ильменитового, магнетит-ильменитового и реже рутил-ильменитового состава; 2) в габбровых, габбро-норитовых и габбро-амфиболитовых массивах — ильменит-магнетитового, иногда титано-магинтитового состава (последние связаны преимущественно с малыми интрузиями габброидной магмы); 3) в ультраосновных массивах в основном титаномагнетитового состава с низким содержанием титана.
Среди месторождений второго класса, связанных со щелочными комплексами, также выделяются три промышленных типа: 1) в ультраосновных — щелочных породах кнопит-титаномагнетитового состава; 2) з стратифицированных комплексах — луяврит-фойяит-уртит-лопаритового состава; 3) в нефелиновых и щелочных сиенитах месторождения, содержащие ильменорутил, ильменит и сфен.
В этих месторождениях развиты вкрапленные руды, приуроченные к определенным горизонтам стратифицированных интрузивов, а также сплошные титаномагнетитовые руды. Последние, согласно представлениям И. И. Малышева и А. В. Пэка, образуются в разрывных нарушениях, возникающих на последних этапах формирования интрузива, куда боковым стрессом отжимается остаточный магматический расплав, обогащенный рудными и летучими компонентами (явление фильтрпрессинга). По мнению ряда других исследователей, решающую роль при образовании сплошных и вкрапленных руд в пределах определенных стратифицированных горизонтов играют процессы ликвации либо метаморфические преобразования магматических масс. Руды часто метаморфизованы. Достаточно крупные титаномагнетитовые месторождения залегают в массивах основных пород (габбро, норитах, анортозитах и габбро-анортозитах).
Крупные месторождения титано-магнетитовых руд широко распространены в пределах Южно-Африканского (ЮАР, Танзания), Канадского, Балтийского и Индостанского щитов. Типичными являются месторождения, залегающие в норитах Бушвельда (ЮАР). Здесь согласно со стратификацией вмещающих пород залегают пластообразные рудные тела мощностью 0,3—0,6 м, прослеживающиеся по простиранию на многие километры. Зона развития этих руд распространяется на 25 км. Они содержат 51—60% Fe и 12—20% Ti. В СССР типичным титаномагнетитовым месторождением, связанным с габбро, является Кусинское, а приуроченным к пироксенитам среди габбро — Качканарское.
Кусинское месторождение (Южный Урал) залегает в дайкообразном массиве основных пород, внедрившихся по контакту карбонатных пород саткинской свиты (с лежачего бока) и гранито-гнейсов. Тело габбро наклонено согласно с падением вмещающих пород на юго-восток под углом около 50°. Горизонтальная мощность массива колеблется в пределах 0,3—1 км. Основные породы, слагающие массив, представлены нормальным габбро, амфиболитизированным габбро и габбро-амфиболитом. Они характеризуются полосчатостью, обусловленной чередованием темных и более светлых разновидностей габбро, а также рудной вкрапленности. Согласно с полосчатостью залегают ильменит-магнетитовые рудные тела. Мощность их (средняя) около 3 м. В составе руд установлены магнетит (60—70%), ильменит (20—30%), хлорит (2—10%), небольшое количество шпинели, гематита и пирита. Зерна ильменита размером 0,1—2 мм структурно подчиняются выделениям магнетита. Химический состав руд (в %): Fe 50—57, Р 8,1, TiO2 11—22.
По мнению А. В. Пэка и И. И. Малышева, массив габбро образовался в месте изгиба простирания складок с меридионального на северо-восточное. Рудные тела приурочены к сколам и возникли в результате явления фильтрпрессинга. В. С. Мясников [1959 г.] пересмотрел это представление. По его данным, Кусинский и другие массивы габбро, вытягивающиеся в виде полосы северо-восточного простирания на 76 км, древнее гранито-гнейсов, которые возникли в результате внедрения гранитной магмы в толщу метаморфических сланцев (свита «М»).
Абсолютный возраст основных пород 1100—1300 млн. лет (протерозой). Руды Кусинского месторождения претерпели метаморфизм, особенно интенсивный на Северном участке, где произошла перекристаллизация титаномагнетита и образовались крупнозернистые агрегаты ильменита и магнетита. Ильменит приобрел округлую форму, магнетит очистился от титана. Иногда можно наблюдать ильменит поздней генерации в форме крупных 5—7 см пластинок, приуроченных к зальбандам и трещинам и ассоциирующих с хлоритом, кварцем, сульфидами и апатитом. Метаморфизм, видимо, изменил и условия залегания рудных залежей, которые, как выяснилось, падают не только на восток, но и на запад, образуя как бы синклинальную складку. Не исключено, что рудные тела Кусинского месторождения представляют собой стратифицированные образования. В процессе метаморфизма перегруппировка материала происходила без привноса, отношение Fe/Ti не изменилось.
Качканарское и однотипное с ним Гусевогорское месторождения (Свердловская область) приурочены к двум обособленным телам пироксенитов среди габбро, слагающим единый Качканарский габбро-пироксенитовый массив, который характеризуется первичной расслоенностью (сверху вниз): габбро — диаллагиты — оливиновые пироксениты и перидотиты. Породы массива пересекаются дайками плагиоклазитов, тонкозернистого габбро и пироксенитов.
Промышленное титаномагнетитовое оруденение приурочено к диаллагитам. В габбро сульфиды меди и апатит отмечаются лишь в небольших количествах. Оруденение представлено протяженной и мощной (до 3 км) зоной вкрапленных руд, со шлирами тиганомагнетита. Падение рудной зоны на северо-восток под углом 25—35°. В рудной зоне выделяются отдельные обогащенные участки с содержанием Fe более 20%.
На месторождении наблюдается полное соответствие структур и текстур руд структурам и текстурам вмещающих оруденение пород: в мелкозернистых пироксенитах преобладает мелковкрапленное оруденение, в среднезернистых — средне-вкрапленное. Максимальное содержание V2O5 отмечается в крупнозернистых (размер вкрапленников более 3 мм) рудных пироксенитах.
Основным рудным минералом является ванадистый титаномагнетит. Редко встречаются ильменит, пирит, халькопирит, борнит, пирротин, пентландит, апатит и единичные зерна самородных платины и золота. Содержание Fe в рудах 14—34%, в среднем 16,6%, V2O5 0,05— 0,31% и TiO2 0,8—2%. Магнетит представлен тремя генерациями: идиоморфными кристаллами, ксеноморфными выделениями в межзерновых промежутках силикатов, пылевидными выделениями и тонкими прожилками в серпентинизированных оливинах и серпентинитах. В процессе метаморфизма перегруппировка материала происходила без привноса: отношение Fe/Ti сохранилось. В рудоносных пироксенитах сверху вниз и от периферии к центру массива содержание Ti и V уменьшается, а Cr несколько возрастает. Руды хорошо обогащаются. К качканарскому типу относится также Велиховское месторождение в Мугоджарах.
Крупные титаномагнетитовые месторождения известны в Канаде в бассейне р. Сент-Лоренс (Квебек). В этом районе залегает гигантское анортозитовое тело, в котором развиты шлиры, линзы и жилы ильменита с гематитом. В массивных рудах содержание TiO2 32%, Fe2O3 42%. Крупнейшим среди месторождений этого района является Лак-Тио. Оно представлено плитообразным рудным телом, которое протягивается на 1300 м с горизонтальной мощностью 1100 м. Достоверные запасы месторождения оцениваются в 125 млн. т. В США 50% добычи дает месторождение такого же типа Тегавуе (штат Нью-Йорк) с запасами руды 100 млн. т и содержанием TiO2 9—12%.
К этому же типу относятся крупные месторождения округа Санфорд-Лейк (штат Нью-Йорк), находящиеся в центре Адирондакских гор и разрабатывающиеся с 1942 г. Месторождения приурочены к огромному анортозитовому массиву [Гросс С. О., 1973]. Контакты между анортозитами и габбро, слагающими массив, четкие. Массив во многих местах пересекается дайками пегматитов основных пород и диабазов. Породы испытали неоднократный метаморфизм, выразившийся в перекристаллизации и развитии планпараллельных текстур. Широко проявлены разрывные нарушения в виде зон дробления (15—30 см) и повышенной трещиноватости (до 15 см).
Все рудные тела пространственно тяготеют к телам габбро. Выделяют два типа руд: 1) залегающие внутри габбро в соответствии с текстурами течения породы и 2) сформированные в анортозитах на контакте с телами габбро или вблизи них. Рудные тела в габбро характеризуются более значительной мощностью (от сантиметра до 5—10 м), мелко — и среднезернистым сложением. В анортозитах рудные тела имеют линзообразную форму. Одно из месторождений, вскрытое двумя карьерами, представлено протяженной и мощной (около 150 м) Главной рудной залежью, залегающей в габбро, и сопровождающими ее несколькими более короткими залежами в анортозитах. Руды сложены ильменитом, магнетитом, пироксеном, гранатом и биотитом. Магнетит обычно содержит пластинчатые вростки ильменита. Присутствует ульвошпинель (Fe2TiO4). Руды, залегающие в габбро, богаче титаном, чем ассоциирующие с анортозитами (отношение Fe/TiO2 менее 2). В небольших количествах в рудах встречаются апатит и шпинель, реже — халькопирит, сфалерит, молибденит, пирротин, эпидот, ортоклаз, кварц, хлорит и карбонаты.
Генезис месторождений является предметом дискуссии. Одни исследователи считают анортозиты, габбро-анортозиты и габбро производными первичной магмы, а руды — продуктами магматической сегрегации с последующей инъекцией остаточного рудного расплава. Согласно представлениям Кейса, руды образовались в результате регионального сжатия первичных пород — анортозитов, содержащих все необходимые компоненты для рудообразования. Одновременно при формировании зон смятия и грануляции происходил вынос кальция и алюминия из первичного лабрадора и преобразование его в более натровый кислый андезин. Вследствие возникновения области пониженного давления в эти зоны происходила миграция железа, магния и титана, которые вступали в реакции с кальцием и алюминием, высвобожденными при андезинизации. Это приводило к образованию железо-магнезиальных силикатов и граната.
Значительные запасы титана сосредоточены в магматических месторождениях Танзании (Укинга, Уванджи, Упангве, Лиганга). Габбро анортозитовые и габбро-диабазовые интрузивы, с которыми ассоциируют титаномагнетитовые месторождения, характеризуются лополитообразной и плитообразной (трещинные интрузии) формой залегания и расслоенностью.
Месторождения, связанные со щелочными породами, как правило, комплексные (Ti, Nb, Zr, TR). Состав руд: перовскит, ильменит, магнетит, сфен, пирохлор, лопарит, апатит и циркон. Подобные месторождения известны в СССР, США (Магнет-Ков), Норвегии (Крагёрё, Кодал).
Остаточные месторождения
Эти месторождения возникают в условиях жаркого и влажного климата на выходах габброидных пород, содержащих повышенное количество ильменита и рутила.
Типичным примером может служить Стремигородское и другие месторождения в коре выветривания габбро-анортозитового массива на Волыни (Украина). Кора выветривания третичного возраста, сложенная каолином, содержит до 15% лейкоксенизированного ильменита и до 4—5% апатита.
Россыпи
Прибрежно-морские россыпи обычно подразделяются на современные и древние (не претерпевшие существенного метаморфизма).
Современные россыпи
Современные россыпи в свою очередь делятся на пляжевые и дюнные.
Пляжевые россыпи образуются в результате разрушения латеритной коры выветривания пород, содержавших минералы титана. При активной деятельности прибоя и прибрежно-подводных течений происходит дифференциация рыхлых отложений и многостадийное обогащение песков устойчивыми минералами титана. Относительная стабильность береговой линии создает благоприятные условия для высокой концентрации полезных компонентов в прибрежных отложениях.
Огромное влияние на сохранность россыпных месторождений оказывают новейшие тектонические движения. Россыпи могут быть нацело уничтожены или погружены на значительную глубину.
Протяженность пляжевых россыпей обычно составляет несколько километров, ширина колеблется от десятков (Бразилия) до сотен метров (Индия). Они обычно вытягиваются в виде цепочек вдоль побережья на несколько десятков и даже первых сотен километров. В разрезе россыпь представляет собой чередование прослоев черного и белого песка мощностью в десятки сантиметров, а мощность разреза в целом не превышает несколько метров.
Наиболее интересны в промышленном отношении пляжевые россыпи Австралии в центральной части восточного побережья, где они с перерывами прослеживаются более чем на 75 км. Ширина продуктивных пляжевых отложений небольшая и лишь местами достигает 800 м. Средняя мощность россыпи около 1,8 м. Содержание рутила 18—20 кг/м3, ильменита 15—16 кг/м3. Достоверные запасы только рутила оцениваются в 800 тыс. т.
Прибрежно-морские россыпи на п-ове Флорида в США прослежены в виде прерывистой полосы вдоль побережья почти на 35 км. Содержание тяжелых минералов в них невысокое, но мощность продуктивного слоя достигает 36 м, запасы огромные. Весьма крупная прибрежно-морская россыпь Шербро в Сьерра-Леоне протягивается на 56 км. Установленные запасы — 3 млн. т (по другим данным 12 млн. т) рутиловых песков со средним содержанием 1—2% TiO2. В СССР также открыты прибрежно-морские и прибрежно-озерные россыпи мезокайнозойского возраста.
Дюнные россыпи представляют собой песчаные гряды, протягивающиеся вдоль берега реки, озера или моря. Они известны среди прибрежно-морских дюн, образуемых в результате выдувания песчаных отложений морских террас. Дюнные россыпи значительно мощнее и крупнее пляжевых, но беднее (первые единицы процентов тяжелых минералов). Распределяются рудные минералы в продуктивных пластах относительно равномерно, богатые прослои не выделяются. Пески обычно мелкозернистые и хорошо отсортированы. Крупные дюнные рутил-циркон-ильменитовые россыпи известны в Австралии (на восточном побережье). Они характеризуются большой мощностью и сравнительно низким содержанием полезных компонентов.
Эти месторождения приурочены к областям тропического климата, где широко развита мощная кора выветривания и где химическое выветривание резко преобладает над физическим. Источником современных россыпей водоемов могут быть обширные области древних щитов со значительным развитием гранитоидов и кислых гнейсов (россыпи Бразилии, Индии), а также полосы гранитизации и зеленокаменных пород (россыпи Флориды, Австралии). Совсем редки россыпи в молодых орогенных областях (россыпи Италии и Японии).
Древние прибрежно-морские россыпи
Древние россыпи представлены слабо сцементированными или уплотненными рудными песками неогенового, палеогенового, мелового и юрского возраста. В СССР они широко распространены [Россыпные…, 1978]. Типичными являются Средне-Днепровские месторождения циркон-рутил-ильменитовых руд. Они образовались за счет размыва мощной мезозойской коры выветривания метаморфических пород Украинского кристаллического щита, последующей сортировки и переотложения продуктов выветривания в бортах Днепровско-Донецкой и Причерноморской впадин в третичное (полтавское и сарматское) время. Полтавские и сарматские пески в различной степени обогащены цирконом, рутилом и ильменитом. Наиболее значительные концентрации установлены в верхних тонкозернистых песках полтавской свиты и в мелкозернистых песках в основании сарматских отложений. На северной окраине Украинского кристаллического щита (правобережное Полесье) ильменитовые россыпи пространственно и генетически связаны с массивами габбро-лабрадоритовых пород.
Повышенные концентрации ильменита приурочены к коре выветривания (каолины, дресва) и палеогеновым отложениям (глауконитовые пески и суглинки), сохранившимся в пониженных участках древнего рельефа. В покрывающих их четвертичных мелкозернистых песках ильменит отсутствует.
Вторым районом развития древних (предположительно средний олигоцен) прибрежно-морских россыпей является Зауралье с многочисленными месторождениями (Тобольское и др.), расположенными в. полосе протяженностью в несколько десятков километров.
Осадочно-вулканогенные месторождения
На юге Воронежской области (в юго-восточной части Воронежской антеклизы) были обнаружены скопления ильменита в палеозойских вулканогенно-осадочных породах (ястребовский горизонт), залегающих с угловым несогласием на породах докембрийского фундамента. Отложения ястребовского горизонта (девон) мощностью до 35 м в виде полосы шириной 20—40 км прослеживаются почти на 100 км в соответствии с простиранием Лосевско-Мамонтовской зоны разломов, с которой связана интенсивная вулканическая деятельность [Блинов В. А. и др., 1963 г.]. Максимальная концентрация ильменита (иногда до 50% объема) отмечается в грубообломочных туфах, туффитах и туфопесчаниках. Ильменит чаще присутствует в виде обломков кристаллов (обычно неизмененных) размером от 0,1 до 0,3 мм.
Предполагается, что накопление ильменита связано с подводной вулканической деятельностью в условиях мелкого моря [Блинов В. А. и др., 1963 г.]. Осадочно-вулканогенные залежи титановых руд установлены также в породах базальтоидной формации на Южном Памире.
Метаморфогенные месторождения
Эти месторождения возникли в результате метаморфизма продуктивных песков и превращения их в песчаники и кварциты. Возраст месторождений от мезо-кайнозоя до докембрия. Промышленная ценность некоторых из них значительна. Они известны в пестроцветных лейкоксен-кварцевых песчаниках Девонских отложений Тиманского хребта.
Типичным является месторождение, открытое В. А. Калюжным. Оруденение, по Л. Ф. Борисенко [1968], приурочено к двум битуминозным горизонтам. Нижний рудоносный горизонт, который залегает на рифейских метаморфических сланцах, развит среди грубо — и крупнозернистых кварцевых песчаников с прослоями алевролитов и аргиллитов. Верхний рудоносный горизонт сложен мелкозернистыми кварцевыми песчаниками с прослоями крупнозернистых песчаников.
Выше этот горизонт перекрыт нерудоносными полимиктовыми конгломератами и аргиллитами.
Оруденение связано с лейкоксеном, образованным в процессе метаморфизма по ильмениту. Он представлен полуокатанными зернами размером 0,2—1,5 мм и в среднем составляет 80% тяжелой фракции. В виде единичных редких зерен встречается остаточный неизмененный ильменит. Источник россыпей — парасланцы, на которых возникла мощная кора выветривания.
Песчаники с повышенным содержанием циркона и минералов титана обнаружены среди кембрийских и силурийских отложений Сибирской платформы. Кварцитовидные песчаники и кварциты, обогащенные минералами титана и цирконом, найдены среди докембрийских отложений Башкирского поднятия и в других районах.
Из зарубежных метаморфизованных месторождений титана следует отметить Робинзон Коп в штате Виргиния (США). Здесь среди песчаников нижнего кембрия встречаются линзообразные тела, обогащенные рутилом и ильменитом, составляющими в сумме до 50% объема этих тел.