Развитие современных представлений о процессах рудоотложения

10.07.2018
С рудными месторождениями человек познакомился еще в доисторическое время и уже тогда разрабатывал многие из них. Он использовал киноварь и мягкий красный гематит в качестве красителей задолго до того, как догадался о возможности плавки металлов. Доисторический человек высоко ценил самоцветы, самородную медь, золото и серебро и использовал их для украшений; из этих же металлов он изготавливал простейшие орудия. О происхождении же минералов почти ничего не знали даже и во времена древнегреческой и римской цивилизаций; гипотезы о генезисе руд провозглашались философами, но ни один из них не видел руды в ее коренном залегании. С периода греко-римского владычества до XVIII в. было выдвинуто много фантастических теорий, которыми пытались объяснить наличие минералов и металлов в земной коре. Некоторые философы представляли землю в виде живого существа, которое рождает руды или выдыхает металлические пары; другие считали, что руды живут, вырастая из семян, или «вызревают» из обычных металлов, превращаясь в драгоценные. У таких «натуралистов» было популярным следующее представление: руды существуют в виде подземного «золотого дерева», ветви которого отвечают различного рода металлам, а корни уходят к центру Земли. Вообще-то говоря, некоторые из подобных представлений не были уж такими фантастическими, как это может показаться, ибо именно они дали начало развитию многих современных идей. В XVI и XVII вв. процветала алхимия, а среди алхимиков господствовало убеждение, что рудные месторождения образовались под действием таких небесных сил, как солнечные лучи или влияние планет. Эти фантастические идеи не были достоянием только алхимиков; в число их сторонников входили такие выдающиеся мыслители, как Аристотель, Плиний, Авиценна, Альберт Магнус, Фома Аквинский, Роберт Бойль, Роджер Бэкон и Жорж Бюффон.

Ранние гипотезы происхождения рудных месторождений представляют принципиальный интерес, поскольку их недостатки красноречиво свидетельствуют о том, что изучение процессов рудообразования следует основывать на геологических наблюдениях. Об этом надо бы помнить некоторым современным авторам, которые пытаются развивать различные теории происхождения рудных месторождений без глубокого знания геологических соотношений; их гипотезы слишком часто напоминают уже давно дискредитировавшие себя представления.

Учитывая религиозность и суеверие человека первых дней цивилизации, вовсе не следует удивляться тому, что для объяснения генезиса рудных месторождений и при поисках погребенных залежей призывались сверхъестественные силы. Практиковавшиеся в древности методы привораживания рудных месторождений даже сегодня привлекают многих менее искушенных проспекторов. Древние египтяне и греки для предсказания будущего пользовались гадательными прутьями, но при поисках рудных залежей расщепленную лозу стали применять лишь с XV в. В возможность применения лозы для поисков руд сначала поверили немцы горнорудного района Гарца, а те в свою очередь «просветили» англичан. По мере развития теории рудообразования совершенствовалась и методика поисков, в результате чего современные геофизические и геохимические методы почти полностью вытеснили метод орехового прута.

Прочная основа современных представлений о рудных месторождениях была заложена в XVI в. Георгом Бауэром, более известным под латинизированным именем Георгия Агриколы. Наблюдения Агриколы на рудных месторождениях были просто удивительны для человека того времени, и поэтому он считается отцом рудной геологии. Агрикола жил в Рудных городах в Саксонии, детально и непосредственно изучал рудные месторождения этого района. Он написал много трудов по геологии и горному делу; из его работ наиболее значительна обстоятельная и новаторская книга «De Re Metallica». Несмотря на то что большая часть работ Агриколы опубликована на латинском языке, вследствие чего она была доступна только ученым, его труды послужили сильным, хотя и несколько опережающим свое время, стимулом для развития учения о рудных месторождениях. Современные основы теории рудообразования несут следы его влияния. Главная заслуга Агриколы заключается в попытке классифицировать руды, ибо без классификации невозможен существенный прогресс в науке. Его классификация была основана на генетических признаках (являются ли месторождения переотложенными или образованными in situ), а также на форме рудных тел. Так, к месторождениям коренным (in situ) он относил трещинные жилы, пластовые или горизонтальные залежи, импрегнации, прожилки, рудные прослои и штокверки; кроме того, жилы или рудные прослои Агрикола делил на прямые, изогнутые, наклонные или вертикальные.

Благодаря братьям Гувер, переводчикам «De Re Metallica» Агриколы на английский язык, нам стало известно, что, помимо классификации рудных месторождений, Агрикола выдвинул еще два важнейших принципиальных положения: 1) рудоносными каналами служат вторичные нарушения, более молодые, нежели вмещающие породы; 2) руды отлагаются из растворов, циркулирующих по этим каналам. Таким образом, в трудах Агриколы отразился переход от философских рассуждений к наблюдениям; эти труды связали геологию с практической деятельностью рудокопов. Лозу впервые стали применять для поисков рудных месторождений во времена Агриколы, и следует отдать должное этому великому геологу за то, что он выступил против подобного «поискового метода» как ученый XX в.

С периода деятельности Агриколы до конца XVIII в. учение о рудных месторождениях слабо продвинулось вперед. В XVIII в. на горнорудное дело повсюду продолжали смотреть как на опасную работу и, что еще хуже, как на недостойное занятие. Добыча руд была уделом преступников и рабов; горнорудный промысел не мог состязаться с избранными и более прибыльными профессиями — священнослужителей, медиков, правоведов. Кроме того, добыча руд полностью контролировалась правительствами, которые присваивали себе прибыль. Поскольку большая часть рудников находилась в отдаленных местах, а пути сообщения были примитивными или их вообще не было, работа на рудниках приравнивалась к изгнанию из цивилизованного мира. Такое положение не менялось вплоть до начала XIX в. В связи с улучшением средств сообщения и увеличением потребности в металлах ученые стали постепенно проявлять интерес к геологии и горнорудному делу.

Несмотря на общее отсутствие научного интереса к рудным месторождениям у следующих за Агриколой поколений, все-таки было опубликовано несколько замечательных работ, и, таким образом, стали накапливаться определенные геологические данные. В XVII в. как талантливый ученый выделяется Николаус Стено — латинизированное имя датчанина Нильса Стенсена, работавшего в Италии и много сделавшего для развития общей геологии. Именно он высказал мнение о том, что руды являются продуктом конденсации паров, поднимающихся по открытым трещинам. Замечательная догадка, сохранившая свое значение и в современной теории!

К XVIII в. уже многие передовые ученые стали задумываться над проблемами происхождения руд. Сначала прогресс в этом отношении наметился в Германии в результате развития горнорудного района Рудных гор. Генкель и Циммерман установили большое значение гидротермальных растворов или паров глубинного происхождения, которые, как они справедливо полагали, содержат растворенное вещество горных пород. Они даже указали на признаки, по которым можно определить, что руды отлагались путем замещения. В 1749 г. фон Оппель подметил, что жилы отличаются от пластовых залежей тем, что первые связаны с секущими вторичными нарушениями типа открытых трещин, а вторые согласно переслаиваются в стратифицированных толщах осадочных пород.

Очевидно, в те годы исследователю рудных месторождений было трудно отделить фактические наблюдения от собственного воображения, поскольку научный метод еще не был разработан, а некоторые ведущие ученые выдвигали теории, которые не находили подтверждения в уже имеющемся фактическом материале. В результате правильные выводы перемешивались с фантастическими измышлениями, и лишь теперь, оглядываясь назад, мы можем отличить правду от вымысла и отдать должное тем, кто этого действительно заслуживает. К последним можно отнести Делиуса — иногда тонкого наблюдателя, иногда фантазера, но вместе с тем первого ученого, который установил, что поверхностное изменение руд происходит под действием атмосферных агентов и что вторичные минералы развиваются как в зоне замещения, так и в зоне гипергенного обогащения, ниже зоны замещения. Ho при этом он все же ошибался, полагая, что продукты замещения возникают под воздействием солнечного тепла.

Несколькими годами позднее две небольшие, но хорошо написанные книги опубликовал Шарпантье, профессор Фрейбергской горной академии в Германии. Автор этих работ основывался на данных тщательных наблюдений, проведенных им за многие годы изучения рудников Фрейберга. Он полагал, что жилы этих рудников были образованы путем изменения боковых пород, а в качестве доказательства показывал, как некоторые жилы постепенно переходят в боковые породы. Он сравнивал этот процесс с окремнением дерева, как это делали Генкель и Циммерман, предполагая, что одно вещество может заместить другое. Вместе с тем его современник и соотечественник Герхард рассматривал жилы как выполнение открытых трещин минералами, выщелоченными из боковых пород. Работами Шарпантье и Герхарда положено начало развитию и латераль-секреционной теории; согласно этой теории, отдельные компоненты рудных залежей выщелачиваются из прилегающих боковых пород водами, имеющими обычно, но не обязательно, метеорное происхождение. Латераль-секреционная теория отвергалась почти на протяжении ста лет, пока Зандбергер не опубликовал свой труд «Исследования минеральных жил» («Untersuchungen uber Erzgange»), после чего эта теория стала широко известной и получила признание. Зандбергер пытался показать, что большинство минеральных месторождений образовалось именно так, как постулирует изложенная им теория; публикации Зандбергера сильно повлияли на умы его современников. Действительно, эта теория многим привлекает; даже в настоящее время некоторые осторожные исследователи полагают, что определенная часть рудных месторождений сформировалась именно таким путем.

Конец XVIII в. для геологии прошел под знаком соперничества двух выдающихся ученых, развивавших диаметрально противоположные точки зрения,— шотландца Джеймса Хеттона и немца Абрахама Готлиба Вернера. Их идеи оставили глубойий след в науке о рудных месторождениях. Хеттон — «плутонист» — полагал, что изверженные породы и рудные месторождения своим источником имели расплавленные магмы на глубине и что они были привнесены во флюидном состоянии до мест их современного залегания. Он подчеркивал наличие сходных черт у металлических руд и продуктов плавки. Возражая против идеи об отложении руд из гидротермальных растворов, он предполагал, что рудное вещество затвердевало из расплавленного состояния после того, как рудная магма внедрялась в трещины тектонического происхождения. Массивные агрегаты сульфидов, по Хеттону, возникли таким же образом, как и изверженные породы, что доказывалось взаимным прорастанием зерен минералов, Хеттон в защиту своей магматической теории пошел еще дальше, утверждая, что металлы вообще не могут осаждаться из водных растворов.

Предположение о том, что руды являются непосредственным магматическим продуктом или что они образуются в результате дифференциации магмы, защищалось также Йозефом Брунером, служащим баварских рудников. Развивая эту идею, он пытался объяснить происхождение некоторых необычных руд Баварии. Итальянский геолог Сципион Брейслак процессом магматической сегрегации хотел объяснить причину обогащения рудными минералами отдельных слоев в интрузивных породах. Эта теория не претерпела существенных изменений до работ Жозефа Фурне, восстановившего ее примерно в середине XIX в. Фурне успешно защищал представление о рудных магмах; его идеи с небольшими усовершенствованиями возродил уже в наше время Cпepp. Даже сегодня теория рудной магмы привлекается для объяснения генезиса определенных типов рудных тел.

В противоположность Хеттону, Вернер был «нептунистом». Он утверждал, что все горные породы и рудные месторождения были образованы путем осаждения из первичного океана. В 1791 г. Вернер опубликовал свои идеи в виде краткой сводки «Новая теория образования жил» («Neue Theorie von der Entstehung der Gange»). В его представлении жилы образовались в открытых трещинах, возникших на дне первичного океана при оползнях или землетрясениях. Такие трещины последовательно заполнялись продуктами химического осаждения, доказательством чему служит симметричная полосчатость, наблюдаемая в жилах Рудных гор. Личное обаяние Вернера и его блестящие ораторские способности, равно как и обширные познания в минералогии и местной стратиграфии, снискали ему репутацию выдающегося преподавателя и логически мыслящего человека; у него было много преданных последователей. Прямо или косвенно, но он оказал огромное влияние на развитие всей геологической науки.

Мы обязаны ученикам и последователям Хеттона и Вернера за распространение их теорий. Хеттон не смог изложить свои идеи в удобочитаемом виде, и если бы этого не сделал Джон Плейфер, опубликовавший теорию Хеттона вскоре после его смерти, эти новаторские представления не получили бы столь широкого распространения. Гипотезы Вернера, вероятно, лучше всего изложены на английском языке Чарльзом Андерсоном.

Горячие споры и дискуссии между сторонниками «плутонической» и «нептунической» теорий проводились последователями Хеттона и Вернера в течение многих лет. Однако наблюдательные геологи быстро развенчали универсализм обеих этих теорий. Было нетрудно показать, что лавы не относятся к осадочным образованиям. Так же нетрудно было заметить, что минералы, в том числе и рудные, растворимы и что они могут переноситься в водной среде и осаждаться из нее. И вместе с тем даже сегодня спор между «плутонистами» и «нептунистами», или, как теперь их называют, сторонниками магматогенной и сингенетической теорий, все еще не закончен. Некоторые геологи придерживаются того мнения, что пластовые сульфидные залежи типа Раммельсберг в ФРГ (фиг. 17.8) имеют осадочное происхождение; другие геологи не разделяют этих взглядов, поскольку не ясно, каким образом в простых осадках могли накопиться необычные для них минералы в столь большом количестве.

В начале XIX в. изучались и разрабатывались многие месторождения, однако, оглядываясь назад, мы должны отметить, что для развития теоретических представлений о переносе и отложении рудного вещества было сделано не так уж много. Способы разработки рудных месторождений с развитием техники все более совершенствовались, особенно в связи с изобретением шахтного подъемника. Большим шагом вперед явилось изобретение в Корнуэлле насоса, позволившего проводить подземные работы значительно ниже уровня моря. Детальные геологические наблюдения были проведены такими внимательными учеными, как И.Г. Гейм, Александр фон Гумбольдт и Д’Обюисон де Вуазэн. Их данные позволили подвести научную базу под многие позднейшие теории и выводы. Например, была установлена тесная взаимосвязь между определенными типами рудных месторождений и интрузивными породами. На этой зависимости основано современное представление о гидротермальном происхождении руд. Именно в этот период геологи начали проводить различие между рудными месторождениями, связанными с изверженными породами, и месторождениями осадочного генезиса.

Геологические данные, накопившиеся за последние один — два века, ясно показали, что многие крупные рудные месторождения приурочены к районам со сложным геологическим строением и интенсивной магматической деятельностью. Этот факт широко использовался при поисках новых месторождений. Доказательства, приводимые в пользу связи руд с магматическими источниками, часто были косвенными и иногда довольно слабыми, но тем не менее убедительными. Отдельные типы руд столь часто обнаруживались в интрузивных массивах определенного состава или вокруг них и столь редко в другой геологической обстановке, что естественно и разумно было связывать образование этих руд с соответствующими типами магматической деятельности. Например, никелевые руды связаны с норитами и перидотитами; месторождения вкрапленных медных руд почти всегда залегают в монцонитах или кварцевых монцонитах; олово связано с кислыми интрузивными породами — гранитами и кварцевыми пегматитами. Такое тесное сонахождение служит подтверждением предположения о генетической связи между изверженными породами и многими типами руд. Порядок размещения минерализации в зонах вокруг интрузивного центра также свидетельствует о том, что рудоносные растворы просачивались в стороны от каналов, соединявшихся с глубинными источниками, предположительно магматическими камерами. Эти растворы, поднимаясь вверх и распространяясь по породам, отлагали рудное вещество в благоприятной структурной и литологической обстановке. Чтобы доказать связь оруденения с магматической деятельностью, использовались сведения, полученные при изучении фумарол и горячих источников, в которых были установлены многие рудные компоненты — как в самих термах, так и на пути их циркуляции в боковых породах.

В середине XIX в. несколько работ опубликовал Эли де Бомон; эти работы не потеряли своего значения и до настоящего времени. Де Бомон высказал много интересных мыслей по общей и структурной геологии; он же указал, что определенную роль в формировании рудных месторождений играют гидротермальные растворы. Хотя это было лишь предварительным предположением, де Бомон всячески старался привлечь к нему внимание и развить его. Кроме гидротермальных месторождений он выделял и описывал магматические сегрегации и руды замещения, образованные на контакте метаморфических зон и интрузивных пород. В период деятельности де Бомона в представления геологов о генезисе руд вошли и химические законы, что произошло в основном благодаря К. Г. Бишофу и Бернгарду фон Котту.

Вторая половина XIX в. ознаменовалась тем, что такие, например, выдающиеся ученые, как фон Котт, Ф. Зандбергер и А.В. Штельцнер из Германии, О’Добрэ, а позднее и Луи де Лонэ из Франции, Ф. Пошепный из Чехословакии, Дж. А. Филлипс из Англии, И. X.Л. Фогт из Норвегии и, наконец, С. Ф. Эммонс из США, внесли большой вклад в развитие представлений о переносе и отложении руд. Наука о рудных месторождениях достигла совершеннолетия. Для подтверждения даже наиболее умеренных обобщений весьма разнообразных природных явлений стали необходимыми сбор и описание достаточного количества геологических фактов беспристрастными и независимыми исследователями. Геологи поняли, что с помощью одной какой-либо теории нельзя объяснить генезис всех рудных месторождений.

Луи де Лонэ, И.X. Л. Фогт, В. Линдгрен, Р. Бек, С.Р. ван Хайз, Ф.Л. Рансом, В.X. Эммонс, Дж.Ф. Кемп, У.X. Уид и другие ученые сформулировали многие современные теоретические положения уже в самом начале текущего столетия. Благодаря многочисленным полевым исследованиям, проведенным во всем мире, и увеличению потребности в минеральном сырье, рудная геология выдвинулась в один из важных разделов науки. Постепенно пришли к общему мнению, что чрезвычайно большую роль в размещении оруденения играет геологическая структура, обеспечивающая проникновение рудоносных флюидов в области, благоприятные для рудоотложения. Повсеместно исследователи начали отмечать процессы замещения, постепенно познавались относительно простые природные химические превращения.

Генетическая классификация рудных месторождений не претерпела существенных изменений вплоть до начала XX в. Почти каждый геолог, изучающий рудные месторождения, знает, насколько необходима систематизация накопленных данных, которая помогает показать различия между отдельными месторождениями. Проблеме классификации были посвящены симпозиумы с участием ряда выдающихся геологов из разных стран; их труды и легли в основу современной генетической классификации. Один из таких симпозиумов прошел в 1903 г. под руководством Линдгрена, который в последующие годы и разработал общеизвестную классификационную схему. Линдгрен классифицировал месторождения по их генезису, т. е. на залежи, образовавшиеся в результате механической или химической концентрации, а последние месторождения он в свою очередь подразделял на сформировавшиеся из поверхностных вод, из магм или в горных породах. Основная дискуссия разгорелась по поводу классификации гидротермальных жил, которые Линдгрен отнес к группе месторождений, образованных химическими процессами в горных породах в связи с магматической деятельностью. В эту группу Линдгрен поместил пирометасоматические (интрузивно-метаморфические) и гидротермальные месторождения. Гидротермальные месторождения, руды которых образованы горячими водными растворами, далее подразделялись в зависимости от температуры и глубины их формирования. Гидротермальные месторождения, образованные на большой глубине и при высокой температуре (порядка 300—500°), были названы гипотермальными; месторождения, сформированные на умеренной глубине и при средней температуре (примерно 150—300°),— мезотермальными, а месторождения, возникшие на малых глубинах и при относительно низких температурах (50—150°) — эпитермальными. К 1933 г. Линдгрен повысил температурную границу между мезотермальными и эпитермальными месторождениями со 150 до 200°, но это изменение лишь отразило успехи в развитии геохимии, а не ошибку в его классификационной системе. В дальнейшем в генетическую классификацию Линдгрена был внесен ряд дополнений, из которых лишь два стали общепринятыми. В 1933 г. Грейтон ввел термин телетермальные месторождения, объединяющий месторождения, сформированные на небольших глубинах из почти совсем остывших гидротермальных растворов, т. е. месторождения, удаленные на значительные расстояния от магматических источников и расположенные за пределами эпитермальной зоны или над ней. Подобным же образом Баддингтон предложил понятие ксенотермальной зоны, куда входят месторождения, сформированные при высоких температурах, но на малых глубинах.

В последние годы сторонники теории гранитизации и образования рудных концентраций в процессе регионального метаморфизма лытаются по-новому объяснить происхождение различных типов месторождений. Они полагают, что в процессе метаморфизма более подвижные компоненты, в том числе и многие металлы, «выпотевают» из вмещающих пород и мигрируют вдоль трещин и других каналов в область низкого давления и температуры, где и отлагаются. Хотя метаморфизм обычно рассматривается как процесс рассеяния, а не концентрации, предполагается, что подвижные компоненты покидают первичную породу и начинают концентрироваться вдоль путей циркуляции в отдалении от центров метаморфизма. Таким образом, предполагается, что мобилизующие рудоносные метаморфические флюиды ведут себя аналогично растворам магматического происхождения.

В отличие от геологов, изучающих магматогенные и метамор-фогенные месторождения, ученые, занимающиеся вопросами происхождения осадочных и остаточных руд, в своих выводах единодушны. Генезис этих двух типов руд легче познать, так как они образуются близ дневной поверхности, а условия переноса и отложения их можно наблюдать непосредственно. Некоторые геологи связывают многие пластовые сульфидные месторождения с замещением магматическими продуктами; другие же геологи считают эти месторождения осадочными, возможно связанными с привносом компонентов в море из подводных вулканических жерл или даже образованными в процессе обычного выветривания.

В США среди геологов-рудников преобладает мнение, что рудные магматогенные месторождения связаны с глубинной дифференциацией и что рудные компоненты переносятся в некристаллической фракции. Эта флюидная фракция, обычно смешивающаяся с реликтовыми или метеорными водами, перемещается в область пониженного давления и более низкой температуры, где структурные и другие условия среды оказываются благоприятными для рудоотложения. Некоторые руды отлагаются непосредственно в магме в процессе их дифференциации (магматические сегрегационные месторождения), другие — мигрируют в виде магматической фракции или ее паров. Еще одна группа месторождений, обычно небольших размеров, ассоциирует с эффузивными породами.

Даже в таком кратком обзоре развития теории рудообразования следует указать, что генезис многих месторождений мирового значения, детальнейшим образом изученных, все еще является предметом дискуссий. Хотя геология как наука выросла на изучении рудных месторождений, многие основные проблемы, связанные с переносом и отложением рудного вещества, остаются нерешенными. До сих пор относительно происхождения того или иного месторождения имеются две или более гипотез, и, следовательно, генезис его нельзя считать точно установленным. Все еще спорно происхождение самого знаменитого золоторудного месторождения мира, Витватерсранд в Южной Африке,— россыпное оно или гидротермальное? Многие свинцово-цинковые месторождения типа Маунт-Айзы в Австралии или района Три-Стейт в долине Миссисипи одни геологи относят к гидротермальным, другие же считают, что эти месторождения отвечают пластам, образованным вследствие химического осаждения. Некоторые колчеданные и окисные месторождения одними геологами рассматриваются как прямой результат магматической дифференциации, а другими — как руды замещения, образованные либо разбавленными растворами, либо газами. Отсюда ясно, что многие увлекательные проблемы рудообразования еще ждут своего решения.