Минеральные классы, генетические типы и возрастные группы россыпных месторождений

Под россыпями понимаются скопления рыхлого или сцементированного обломочного материала, содержащие скопления ценных аллотигенных минералов и их агрегатов в концентрациях, представляющих интерес для их извлечения. Россыпи формируются в результате разрушения (выветривания) коренных пород, перемещения, перемыва и переотложения продуктов их разрушения, которые приводят к относительному или абсолютному обогащению осадков устойчивыми полезными минералами. Россыпи — крупнейшая группа месторождений осадочной (седиментогенной) серии, заключающая месторождения благородных металлов, олова и вольфрама, титана и циркония, редких металлов, алмазов и других видов камнецветного и абразивного сырья

Важнейшие процессы, участвующие в образовании россыпей, — это: (а) высвобождение ценных минералов в результате выветривания, (б) их перемещение различными действующими на поверхности земли механическими агентами, (в) сепарация по плотности и массе обломков (если это происходит в водной или воздушной среде соответственно по гидравлической или аэродинамической крупности), а также в соответствии с их механической и химической устойчивостью и (г) относительная или абсолютная концентрация в определенных геоморфологических, литодинамических и фациальных обстановках (значение последнего фактора нашло отражение в таких терминах геологии россыпей, как “форма (долина) — коллектор”, “структурно-эрозионная ловушка”, “россыпеобразующий барьер", “бассейн-классификатор”). Давно установлено, что относительная механическая прочность и химическая устойчивость — отличительная черта минералов россыпей. А.А. Кухаренко впервые обратил внимание на необходимость количественной оценки этих характеристик россыпных минералов и ввел, в частности, понятие абразивной прочности минералов — способность минеральных зерен противостоять истиранию при трении и других механических воздействиях и зависящей от их твердости, хрупкости, спайности и других свойств.

С наибольшей четкостью миграционные свойства минералов, формирующих россыпные месторождения, были обоснованы Н.А. Шило, который ввел понятие “россыпеобразующие минералы”. Под россыпеобразующими минералами понимаются такие аллотигенные (детритовые) минералы, которые “... обладают физическими и кристаллохимическими характеристиками, обуславливающими их сохранность в сложных и длительный процессах, протекающих в зоне гипергенеза, иногда развивающихся в течение целых геологических эпох. Благодаря своим свойствам (повышенная плотность, твердость, химическая устойчивость в широком щелочно-кислотном диапазоне и т.д.), они накапливаются в отложениях, определяя таким образом концентрацию рудного вещества на отдельных участках земной поверхности выше кларковых значений”. Соответственно рудные формации, содержащие минералы, обладающие указанными свойствами, были выделены в качестве “россыпеобразующих рудных формаций”: "...к россыпеобразующим рудным формациям относятся коренные источники, за счет которых в ходе развития литогенеза возможно возникновение россыпей. К ним могут принадлежать разнообразные по генезису и геологической позиции коренные месторождения и проявления. Именно разнообразие коренных источников определяет степень концентрации и качественные особенности минералов (и их комплексов) в россыпях".

Устойчивость минералов в гилергенных условиях определяется уровнями энергии кристаллических решеток, или энергетическими константами, по А.Е. Ферсману; в общем случае она выше у минералов с низкими энергетическими константами кристаллов.

Для сравнительной количественной оценки россыпеобразующей способности минералов Н.А. Шило был предложен кумулятивный показатель — константа гипергенной устойчивости (Kгy), учитывающая твердость минералов, т.е. энергетическое состояние структуры минералов (H), и их плотность, т.е. характер упаковки атомов в кристаллах (р):



Прямая зависимость Kгy от плотности минералов достаточно определенна (рис. 1,А). Устанавливается также достаточно выраженная обратная зависимость между плотностью (р) и твердостью (H) минералов, даже если последняя выражается относительным показателем, в баллах шкалы Mooca (рис. 1,Б). Именно это последнее обстоятельство определяет менее отчетливую, но все же существующую обратную зависимость Kгy от твердости (H) минералов (рис. 1,В).

Константы гипергенной устойчивости россыпеобразующих минералов в целом изменяются в пределах от более 2Л7 (иридистая платина) до 1.27 (паризит) (табл. 1.1).

Для сравнения, кварц, один из наиболее распространенных, по существу матричных, минералов большинства россыпеносных осадков, имеет Kгy = 1.26, т.е. кварц служит своего рода репером, "выше" которого располагаются Kгy большинства россыпеобразующих минералов. Если сравнивать значения Kгy основных семейств, к которым принадлежат россыпеобразующие минералы, то они образуют следующий ряд: элементы (ср.Kгy = I.82) — окислы (1.49) — вольфраматы (1.49) — силикаты (1.43) — фосфаты (1.37) — карбонаты (1,29). За рамками этой последовательности оказываются только два россыпеообразующие минерала: киноварь (Kгy=1.27) — единственный минерал из семейства сульфидов, встречающийся в россыпях в промышленных количествах, весьма хрупкий, но тяжелый (плотность 4.5) и достаточно химически стойкий, и янтарь — представитель класса органических веществ - смол. Последний, представляя собой живицу хвойных голосеменных деревьев Gypnospermae, отличается от всех остальных россыпеобразующих минералов также тем, что он образуется в экзогенных условиях, а его весьма малая плотность (0.97-1.2) определяет его плавучесть и соответственно специфические условия концентрации в осадках.

Итак, общее число минералов, способных в силу своих физико-химических свойств накапливаться в россыпях, превышает 50. Из них почти 35 встречается в россыпях в промышленно ценных концентрациях, но только около 25 (платина, иридосмин, золото, алмаз, касситерит, вольфрамит, шеелит, киноварь, танталит, колумбит, пирохлор, лопарит, монацит, титаномагнетит, ильменит, хромит, лейкоксен, рутил, циркон, бадделеит, корунд, топаз, жадеит, нефрит, агат, горный хрусталь) образуют россыпные месторождения собственного минерального вида; остальные присутствуют в виде попутных компонентов в россыпях других минеральных видов или же входят в состав комплексных россыпей. Промышленная ценность отдельных минеральных видов россыпей и их роль в добыче различных видов минерального сырья неравнозначна, как это следует из табл. 1.2. Относительная роль россыпей в запасах и добыче минерального сырья обусловлена не только причинами экономического и технологического характера, но и, в первую очередь, весьма сложными взаимоотношениями в системе "коренной источник — россыпь". Свойства описанных Н.А. Шило россыпеобразующих рудных формаций реализуются в россыпях не только в зависимости от признаков, лежащих в основе выделения формаций (состав минеральных ассоциаций руд, характер выделения россыпеобразующих минералов, вертикальный диапазон оруденения и др.), но и через структурно-морфологические особенности оруденения, свойства вмещающих пород и, наконец, через особенности вскрытия оруденения в конкретных геоморфологических и литогенетических обстановках. Все это определяет различные случаи соотношения масштабов россыпей и их коренных источников (табл. 1.3).

Различные стороны гипергенной устойчивости минералов определяют поведение последних на разных стадиях россыпеобразовательного процесса. Первая из них, как указывалось выше, — высвобождение, или вскрытие минералов, под которым в общем случае понимается совокупность процессов дезинтеграции вмещающих оруденение горных пород и самих руд, приводящих к сосредоточению преимущественно зерен полезных минералов в определенных классах крупности и обеспечивающих возможность их дальнейшего гравитационного разделения. Оно включает обособление рудных обломков от вмещающих пород, минеральных зерен и их агрегатов из рудной массы, механические и химические изменения самих минералов, включая их "облагораживание” как за счет разрушения дефектных кристаллов (например, у камнецветного сырья), так и за счет химических преобразований (например, образование высокопробных оболочек и перегородок в золоте). Если рудоносная порода отличается значительной плотностью (кварцевые жилы, окварцованные породы и пр.), то процесс высвобождения "задерживается" на первой стадии; тогда полезные минералы поступают в россыпь в виде сростков, в гальке и обломках (золото в жильном кварце, касситерит в гальке кварц-турмалинового и кварц-хлоритового состава), которые разрушаются уже в процессе транспортировки и переотложения. Если же рудоносные породы отличаются пониженной прочностью и химической устойчивостью (слюдяные грейзены, сульфидные жилы, карбонатсодержащие породы и пр.), первые две стадии совмещены во времени, и россыпеобразующие минералы поступают в россыпи практически в полностью высвобожденном виде, чаще всего в виде зерен псаммитовой размерности.

Следует отметить одно важное обстоятельство. Очень часто при описании механизмов высвобождения и транспортировки предполагается, что россыпеобразующий минерал имеет в основном именно псаммитовую, реже гравийную размерность, что в действительности свойственно большинству золотых, платиновых, оловянных, вольфрамовых, алмазных россыпей. Именно этот случай рассматривается в большинстве эмпирических и численных моделях. Однако, расширяя спектр рассматриваемых минеральных видов россыпей, мы сталкиваемся с россыпями, образованными обломками самой разной крупности - от россыпей галечно-валунной и даже глыбовой размерности (так называемые "валунные россыпи", свойственные, например, нефриту, жадеиту, хромиту, но иногда встречающиеся и в других минеральных видах) до россыпей, в которых полезные минералы имеют тонкопесчаную и даже алевритовую (классы — 0.1+0.071 и — 0.071+0.04 мм) размерность (многие полезные минералы, особенно циркон и рутил, иногда алмазы прибрежно-морских россыпей, мелкое и тонкое золото). Более того, приходится учитывать, что чрезмерное измельчение обломков полезного минерала может вести к снижению качества сырья, например, во многих россыпях драгоценных и поделочных камней и пьезосырья, где особое значение имеет размер кристаллов (россыпи топаза, ограночного корунда), моноблоков (пьезокварц), кусков (янтарь).

Очевидно, что механизмы перемещения и концентрации этих россыпеобразующих компонентов существенно различны. Только в водно-аллювиальной среде действуют следующие механизмы концентрации россыпеобразующих минералов: гравитационно-диффузный, сегрегационный, миграционно-остаточный, миграционный. Первые два механизма, определяют остаточную концентрацию наименее подвижных, как правило, наиболее крупных классов россыпеобразующих минералов — преимущественно в инстративную фазу развития долины (в понимании И.П. Карташова), третий — превалирует в формировании слабоперемещенных россыпных концентраций, последний — наиболее характерен для минеральных зерен, обладающих невысокой гидравлической крупностью в силу малой плотности (менее 4-5 г/см3), либо малых размеров ("мелкое" и "тонкое" золото), либо значительной уплощенности (пластинчатые, чешуйчатые выделения).

Глубокое химическое выветривание пород области питания россыпей, обеспечивающее высвобождение россыпеобразующих минералов, существенно и часто необходимо для устойчивых минералов, таких как золото, касситерит, алмаз, ильменит, рутил, циркон, драгоценные камни. Однако, надо отметить, что высокая степень высвобождения россыпеобразующих минералов на начальной стадии, сопровождающаяся часто их химическими преобразованиями, что свойственно корам химического выветривания, далеко не всегда является положительным фактором россыпеобразоваиия. Для некоторых россыпеобразующих минералов, особенно хрупких, таких как вольфрамит или киноварь, ока приводит к быстрому разрушению минералов в процессе перемещения и их плохой сохранности в россыпях. Именно поэтому, логичнее говорить об оптимальном уровне высвобождения россыпеобразующих минералов, обеспечивающих в каждом конкретном случае наилучшие условия сохранности и концентрации минерала в россыпи.

Следует принимать во внимание еще одно обстоятельство, возникшее в связи с изменением технологий разведки и разработки россыпей. В последние два десятилетия благодаря применению рудных схем опробования и обогащения на россыпях “извлекаемыми” стали рудные минералы, заключенные в обломках гравийного и галечного классов, т.е. практически не высвобожденные из материнских пород, а с другой стороны, мелкие и весьма мелкие зерна россыпеобразующих минералов, концентрирующиеся в осадках тонкопесчано-алеэритовой размерности и в высокоглинистых толщах.

За последние полтора десятилетия изменилось само представление о россыпях как скоплениях наиболее устойчивых аллотигениых минералов, образовавшихся в результате исключительно механического перемещения. Сегодня мы располагаем данными, свидетельствующими о процессах геохимической эволюции россыпей. Россыпи не только представляют собой разновидность геохимических ореолов и потоков рассеяния, в которых, наряду с кластогенными минералами, происходит концентрация тонкодисперсных и подвижных форм различных соединений. Последние не только парагенетически связаны с самими рудными (россыпными) концентрациями и являются их индикаторами, но в определенных условиях непосредственно участвуют в формировании рудного профиля россыпного месторождения (примеры: Томторская россыпь хемогенно-кластогенного происхождения, комплексные титано-цирконий-фосфатные россыпи). Возникшая как геологическое тело, любая россыпь, в свою очередь, формирует вокруг себя вторичные геохимические ореолы рассеяния, преимущественно механические в зоне деструкции, и смешанной природы над погребенными россыпями. Последние могут иметь значительное вертикальное развитие; они служат индикаторами глубокозалегающих россыпей и используются при поисках погребенных и затопленных россыпей.

Перемещение высвобожденных из материнских пород россыпеобразующих минералов осуществляется практически всеми действующими на поверхности суши механическими агентами, чем определяется широкий спектр возможных генетических типов россыпей, которые формируются на всех стадиях континентального литогенеза вплоть до прибрежной зоны морей. He останавливаясь ка характеристике механизмов транспортировки и концентрации россыпеобразующих минералов в различных средах, подробно рассмотренных в значительном количестве работ, в том числе в отечественной литературе прежде всего, С.С. Воскресенским, И.Э. Логиновой, Н.Г. Патык-Кара, Ю.Г. Симоновым, Е.И. Тищекко, З.В. Мирзехановой, Л.В. Спорыхиной н др. для элювиально-склоновой стадии, Е.В. Шанцером, И.П. Карташовым, В.В. Поликарпочкиным, Н.А. Шило, Н.В. Разумихиным, Ю.В.Шумиловым и др. для водно-аллювиальной среды, А.А. Аксеновым, Е.Н. Невесским, Ю.А. Павлидисом, Ф.А. Щербаковым, В.Г. Ульстом и др. для полно-прибойной зоны, отметим некоторые важные с нашей точки особенности этих процессов.

Независимо от того, происходит ли это перемещение россыпеобразующих минералов вместе со склоновым чехлом, под влиянием ледника или в воздушном потоке, в водном русловом потоке или в волновом поле, главным механизмом образования россыпных концентраций остается их разделение (сепарация) по размерам (массе), плотности и химической устойчивости. Как уже отмечалось выше, два последних показателя учитываются константой гипергенной устойчивости, которая позволяет сравнивать миграционную способность минералов равной, преимущественно песчаной размерности. Давно замечено, что одни и тот же минерал, в зависимости от крупности выделений и формы, в которой он находится, обладает разной миграционной способностью и может накапливаться в самом широком диапазоне литогекетических и фациальных обстановок (характерные примеры: так называемое “пластовое” золото, образующее автохтонные пластовые россыпи, и тонкое “плавучее” золото, переносимое на расстояния в сотни километров; “рудный” ильменит габбро-анортозитовых массивов, образующий россыпи исключительно ближнего сноса, и акцессорный ильменит, выдерживающий многократное переотложение на протяжении нескольких геологических эпох, и т.д.). Известно, что на миграционную способность россыпеобразующих минералов влияют также форма зерен, в частности, степень их уплощенности (коэффициент анизометричности, по А.А. Кухаренко), смачиваемость (у алмаза), электростатические свойства (у янтаря).

Кроме того, для целей оценки промышленных и потенциально-промышленных россыпей приходится учитывать, что сама по себе миграционная способность минерала мало что значит для определения граничных условий, в которых возможно присутствие полезного минерала в количествах, могущих представлять промышленный интерес, да и сами эти условия могут изменяться в зависимости от применяемой технологии и экономического фактора. Поэтому мы вынуждены отказаться от традиционного рассмотрения обобщенных миграционных рядов минералов россыпей, которые нередко противоречат реальной картине распределения полезных минералов в россыпях. Это не исключает существования миграционной зональности, возникающей в конкретных условиях в полиминеральных россыпях как результат различий миграционной способности минералов на их пути от общего коренного источника (чаще всего в редкометалльных, в касситерит-вольфрамитовых, в россыпях платиновых металлов), либо в уже сложившихся “зрелых” минеральных ассоциациях, образованных минералами равной миграционной способности, как результат разложения этих ассоциаций в зависимости от энергетических показателей перемещающей среды (в комплексных прибрежно-морских россыпях).

Различаются две основные тенденции на пути миграции россыпеобразующих минералов от коренного источника: с одной стороны, постепенное разрушение, истирание и рассеяние минералов (как частный случай, выпадение из минеральных ассоциаций наименее прочных компонентов), а с другой стороны, “очищение” минеральных ассоциаций на пути дальнего переноса разноса материала от малоустойчивых компонентов и формирование новых ассоциаций, образованных зернами минералов, обладающих высокой устойчивостью в процессе транспортировки и характеризующихся близкими значениями гидравлической крупности.

Эти две крупные генетические категории россыпей, получившие в отечественной литературе название соответственно автохтонных и аллохтонных россыпей, локальных и региональных россыпей, россыпей ближнего сноса и россыпей дальнего переноса (и переотложения), существенно различаются не только по механизму концентрации полезных минералов, но и по условиям питания (что нашло отражение в классификации М.Ф. Веклича), но, главное, по основной тенденции россыпеобразовательного процесса.

Первая категория россыпей (россыпи ближнего сноса) суть результат локальной, часто относительной концентрации на пути общего рассеяния полезного компонента; они, пo-существу, представляют собой механические ореолы и потоки рассеяния локального коренного источника. На эту главную их особенность обращали внимание многие исследователи. Нередко содержания полезного минерала в россыпях ближнего сноса вообще на порядок и более ниже, чем в коренных рудах (коэффициент обогащения, Кс, по С.И. Гурвичу, менее 1) и часто только более простая технология добычи и обогащения делает россыпи более выгодными промышленными месторождениями (большинство золотых, оловянных, вольфрамовых, редкометалльных россыпей).

Вторая категория россыпей (россыпи дальнего переноса) возникают вне видимой связи с конкретным коренным источником в результате длительного, обычно многократного переотложения обломочного материала, часто через промежуточные коллекторы (intermediate hosts), сопровождающегося его совершенной сепараций, которая приводит к сосредоточению зерен наиболее прочных минералов в достаточно узком классе крупности с диапазоном — 0.2 +0.071 (0.04) мм. Это высокозрелые в минеральном отношении, существенно кварцевые, часто олигомиктовые породы, содержащие россыпеобразующие минералы в количествах, на один-два порядка превышающие их содержание в региональных питающих породах (коэффициент обогащения Kо, по С.И. Гурвичу, всегда больше 1 и колеблется в пределах 3-60).

Соответственно различаются и обстановки, в которых локализованы россыпи первой и второй категорий (табл. 1.4). Первые формируются на начальных стадиях континентального литогенеза — от элювиально-склоновой стадии через верхние звенья долинной сети до долин II-IV, редко более высокого порядка, в локальных структурных (например, зоны тектонических уступов), структурно-эрозионных и эрозионно-карстовых ловушках, в малых озерных водоемах. Если они формируются В прибрежной волноприбойной зоне или при участии эоловых процессов, в их составе присутствуют остаточные концентрации (соответственно абразионных платформ или дефляционные). Россыпи дальнего переноса занимают область аллювиальных, прибрежных, дельтовых равнин и побережья конечных бассейнов стока — морей и океанов, причем реки как правило служат поставщиками рудных минералов, а водно-прибойная зона — областью, где под влиянием поступательно-возвратных колебаний воды осуществляется основная сепарация минералов. Области осаждения (концентрации) последних контролируются изменениями емкости потока наносов. Здесь, в отличие от россыпей ближнего сноса, действуют не столько структурные, сколько энергетические седиментационные барьеры.

Различная позиция рассматриваемых груш россыпей определяет их принадлежность к разным осадочным формациям: россыпей ближнего сноса — к базальной континентальной формации, россыпей дальнего переноса — к терригенной кварцевой шельфовой формации, по Г.Ф. Крашенинникову, и, как результат, разную позицию в эволюции россыпеносных структур и разную сохранность в ископаемом состоянии.

Россыпи первой группы формируются в этапы континентального развития территории, как на фоне нарастания контрастности рельефа (в этапы горообразования), так и в его нисходящую стадию (выравнивание и пенепленизация). При этом в первом случае преобладает быстрое, глубокое, но локальное вскрытие коренных источников ("эрозионный вырез"), во втором — в целом замедленная площадная их денудация. Соответственно, по разному протекает и деструкция питающих пород. Глубокое химическое выветривание, в общем случае сопровождающее выравнивание территории, бесспорно является важнейшим россыпеобразующим фактором, однако формирование россыпей ближнего сноса может происходить и на фоне весьма быстрого обновления экспозиции, на что обращали внимание многие исследователи. В геологическом времени эти россыпи могут тяготеть к эпохам порообразования и следовать за ними, но также возникают и вне связи с этими эпохами, что хорошо иллюстрирует рис. 2,А, заимствованный у С.И. Гурвича.

В отличие от них россыпи дальнего переноса всегда возникают в эпохи медленного прогибания континентальной окраины и совпадают (или следуют непосредственно) с эпохами выравнивания и глубокого выветривания суши, обеспечивающего переработку значительных объемов рудоносных пород, либо перемыва ранее сформированных металлоносных осадков (промежуточных коллекторов) (рис. 2,Б).

Сохранность россыпей ближнего сноса в геологические протяженные отрезки времени весьма невелика, особенно при изменении тектонического состояния территории и при перестройках структурного плана. До последнего времени древнейшие известные россыпи ближнего сноса “не опускались” ниже позднего мезозоя. Однако, в определенных условиях, как показывает пример Томторской редкометалльной склоново-озерной россыпи, имеющей пермский возраст, в определенных структурно-формационных обстановках возможна сохранность и весьма древних россыпных образований ближнего сноса. Пока же Томторское месторождение является практически единственным серьезным исключением.

Россыпи дальнего переноса, напротив, хорошо сохраняются в составе ископаемых россыпных формаций, среди которых весьма распространены не только раннекайнозойские, но мезозойские и палеозойские, и даже более древние формации (см. рис. 2). Большинство дофанерозойских метамофизованных россыпей также относятся к этой группе. Раннепротерозойские золотоносные конгломераты Витватерсранда и позднепротерозойские золотоносные конгломераты Тарквы, позднепротерозойские алмазоносные конгломераты серий Аделаида в Австралии и Лаврас в Южной Африке, рифейские рутилиты Кольского полуострова, Урала и Северного Казахстана, а также палеозойские алмазоносные тиллиты свиты Итараре в Бразилии, девонские золото-алмазоносные конгломераты Предуралья и Тимака и др. тоже представляют собой россыпи дальнего перекоса.

Россыпеобразующие минералы, число которых, Как указывалось выше, достигает 35, обладая различной миграционной способностью, формируют определенные ассоциации россыпей, свойственные участкам земной поверхности с тем или иным стилем тектоно-геоморфологической эволюции, иными словами, определяют минерагению россыпных районов и провинций.