17.11.2018
Сантехнические ревизионные люки являются технологичными углублениями или же, иными словами, колодцами, где располагаются счётчики...


17.11.2018
Рекуператор является одним из видов теплообменного оборудования, основным предназначением которого называют возвращение тёплых...


17.11.2018
Большинство людей, решивших выполнить ремонтные работы в своей квартире или же коттедже, сталкиваются с необходимостью выбор...


16.11.2018
В последние годы всё более распространённой является инновационная методика полусухой стяжки пола, ведь она обладает большим...


16.11.2018
В настоящий момент в крупных населённых пунктах нашей страны самым распространённым видом жилплощади в новостройках считаются...


16.11.2018
Пни, которые остаются после удаления старых деревьев, изначально могут достаточно необычно выглядеть на вашем земельном наделе,...


Магма и флюиды магматического происхождения

10.07.2018
Магма представляет собой «природное подвижное вещество горной породы, возникшее в земных глубинах и способное внедряться или изливаться...». Проще говоря, магма — это силикатный расплав или кашеобразная смесь жидкости и кристаллов. Затвердевание магмы приводит к образованию изверженных пород, огромное разнообразие которых, не считая различий в условиях геологического залегания, означает, что процессы возникновения, перемещения и затвердевания магм чрезвычайно сложны. Вероятно, магмы в основном по своему составу неоднородны; в частности, они могут быть обогащены ферромагнезиальными компонентами, кремнеземом, натрием или калием, летучими компонентами, ксенолитами или же какими-либо иными составными частями. К тому же считается, что состав магмы постоянно меняется из-за химических взаимодействий. Магма не статична, она не является закрытой системой, для которой мы могли бы предположить неизменное равновесное состояние.

По мере остывания магмы в ней происходит кристаллизация и разделение на фракции вследствие процессов дифференциации. Металлические элементы обладают способностью концентрироваться в главных фациях и местами могут оказаться достаточно обильными, чтобы конечная изверженная порода стала рудой. В процессе дифференциации более мафические части магмы обогащаются хромом, никелем, платиной, иногда фосфором и другими элементами. Концентрация же олова, циркония и тория характерна для фаций, богатых кремнеземом. Титан и железо сохраняются в магмах любого состава и встречаются во всех типах изверженных пород.

Если частично раскристаллизованная магма подвергается сжатию, жидкая фракция отжимается от остающейся массы кристаллов. Этим процессом, известным как фильтр-прессинг, объясняют образование некоторых рудных месторождений. Металлические элементы могут концентрироваться либо в остаточной массе кристаллов, либо в более подвижном расплаве. Когда какая-нибудь из этих двух фракций выдавливается в окружающие породы, такой процесс называется магматической инъекцией; если же в в этом процессе участвует руда, то в результате образуется магматическое инъекционное месторождение. На шведском месторождении Кируна, например, произошла инъекция жидкой, обогащенной железом фракции, которая после затвердевания образовала одно из самых крупных в мире железорудных тел.

Магмы или магматические фракции, которые после затвердевания оказываются рудами, называются рудными магмами. Поскольку рудные магмы — это расплавы, а не водные растворы, они и ведут себя как магмы. В XIX в. такую точку зрения поддерживал Фурне, а позднее, уже в начале XX в., — Cпepp и некоторые другие геологи. К сожалению, в результате слишком усердного и некритического приложения этой теории ко всем типам рудных месторождений ее идея была в значительной степени опорочена. После забвения, продолжавшегося десятилетия, эту теорию вновь привлекли для объяснения способа образования отдельных типов рудных месторождений. Например, в 1954 г. Сейлс высказал предположение, что сульфидные медные залежи рудной трубы Колорада на месторождении Кананеа в Мексике образовались из рудной магмы. На фиг. 2.1 приведен наиболее эффектный и убедительный пример залежи, образованной рудной магмой. Эта залежь, открытая недавно в северной части Чили, представлена близповерхностным интрузивом и «лавовым потоком», сложенным почти нацело магнетитом и гематитом с небольшим количеством апатита. Таким образом, не исключено, что глинистых минералах, цеолитах и амфиболах; бор входит в состав турмалина и аксинита; фтор установлен в скаполите. Кроме того, многие другие обычные минералы, вроде флюорита, апатита и топаза, также дают нам свидетельства участия в формировании минеральных масс многочисленных легколетучих компонентов. Во многих рудных и жильных минералах содержатся микроскопические вакуоли и включения жидкостей и газов, часть которых, по-видимому, относится к первичным и, следовательно, в них сохраняются минерализаторы и летучие.

Горансон в серии экспериментов, представляющих особый интерес для геологов-рудников, показал, что концентрация летучей фракции увеличивается по мере дифференциации гранитных магм. Он пришел к выводу, что эти существенно водные фракции имеют определенные пределы растворимости при данных условиях температуры и давления; за этими пределами такие фракции составляют отдельные фазы магмы. Смит продолжил эти эксперименты: он медленно остужал искусственно приготовленную гранитную магму, первоначально содержавшую 2% воды. При определенной температуре на кривой остывания магма разделялась на две несмешивающиеся жидкости, одна из которых почти нацело представлена водой.

Некоторые минерализаторы, например хлор, в наибольших количествах, хотя и не всегда, встречаются в мафических дифференциатах магмы, тогда как бор и фтор наиболее характерны для фракций, обогащенных кремнеземом. Сера — один из самых главных и широко распространенных компонентов рудных тел магматогенного происхождения, а элементарная сера — обычный продукт вулканических эманаций. Принято считать, что сера более характерна для основных пород, но в огромном количестве она присутствует в породах среднего и кислого состава. Несмотря на такое широкое распространение серы, ее роль, как и близкого к ней мышьяка, в переносе и осаждении металлов изучена лишь в очень малой степени. Обычно полагают, что концентрация сульфидного иона имеет определяющее значение в формировании минерального состава руд. Можно также легко доказать, что концентрация сульфид-иона является одним из контролирующих факторов как в процессе миграции, так и при отложении руд. Некоторые геологи считают, что руды переносятся в виде хлоридов металлов, поскольку хлоридные комплексы легко растворимы. Однако Барнс и Ромбергер показали, что хлоридные комплексы неустойчивы в присутствии даже совсем небольших концентраций сульфидного иона. Хлор обильно выделяется во многих вулканических эманациях, в большом количестве он установлен также в предположительно первичных жидких включениях в рудных минералах.

Кристаллы по мере своего роста могут захватывать небольшие количества газов или жидкостей, содержащихся в материнской магме. Если кристалл образуется при высокой температуре в среде данного флюида, последующее охлаждение приведет к конденсации флюида, который и останется в кристалле в виде газового или двухфазного газово-жидкого включения. Если минерал образуется при температуре ниже точки кипения данного флюида, вакуоли в нем будут заполнены (или почти заполнены) жидкостью. Предполагают, что содержимое подобных вакуолей соответствует первичному рудоносному флюиду и, следовательно, вакуоли дают ключ к установлению состава и физического состояния рудоносных растворов. Нагревая минерал до тех пор, пока жидкость не заполнит весь вакуоль, или до образования в нем гомогенной фазы, можно приблизительно установить минимальную температуру первичного флюида. Чтобы определить состав рудоносных флюидов, мельчайшие вакуоли вскрывают и непосредственно анализируют содержащуюся в них жидкость. Ньюхауз обнаружил, что среди растворенных компонентов жидких включений заметно преобладают натрий и хлор, и пришел к выводу, согласно которому натрий и хлор являются важными минерализаторами для сульфидных рудных месторождений. Если содержимое вакуолей и включений действительно соответствует рудоносным флюидам, то не исключено, что роль галоидов в рудообразовании значительно важнее той, какую им обычно приписывают.

Состав жидких включений изучал Смит. Он установил, что характер включений служит указанием на наличие двух классов минералообразующих растворов, один из которых отвечает водно-силикатному расплаву, а другой — водному раствору, в котором в значительном количестве содержатся растворенные соли или растворенная двуокись углерода. Растворенные соли, составляющие до 30 вес. % жидкости, главным образом представлены хлоридами, сульфатами и карбонатами натрия, калия и кальция. Далее Смит заключил, что независимо от того, находятся ли минералообразующие растворы при температуре выше или ниже критической, они должны иметь плотность и растворяющую способность жидкостей, поскольку после конденсации вакуоли почти нацело заполняются жидкостью. Некоторые включения, напротив, оказываются исключительно газовыми и не имеют жидкой фазы. Существенно жидкое включение должно формироваться в гидротермальной среде, а газовое — в пневматолитовой. Так как установлены оба типа включений, равно как и промежуточные газово-жидкие, следует заключить, что минералообразующие флюиды бывают всех видов — от газовых до жидких.

Многие геологи и геохимики пытались определить концентрацию растворенных металлов в гидротермальных растворах и получали весьма различные результаты. Прямые определения состава газово-жидких включений, как правило, давали низкие концентрации растворенных металлов, однако с помощью современных методов анализа, основанных на нейтронной активации, удалось установить в жидких включениях кварца и флюорита концентрации меди, марганца и цинка, превышающие 100 г/т. Подобные современные аналитические методы могут существенно изменить сложившиеся представления о составе газово-жидких включений.

Согласно расчету количества воды или пара, необходимого для привнося металлов рудных залежей, требуется флюид в необычайно большом объеме, чтобы эти металлы были перенесены в виде простых растворенных веществ. Показательным примером в этом отношении может служить растворимость HgS. Истинная растворимость HgS при высоких температурах неизвестна, однако в условиях от комнатной температуры до 200° С она колеблется примерно от 10в-15 до 10в-23 молъ/л и зависит от pH раствора. Растворимость HgS увеличивается с повышением температуры и кислотности, причем наивысшая из приведенных величин 10в-15 моль/л относится к раствору при температуре 200° с pH 4—5. Большая часть месторождений киновари формируется при температуре ниже 200°; следовательно, такую температуру можно принять для расчета растворимости. Если бы сульфид ртути переносился в истинном растворе при 200° и pH 4, то для образования рудной залежи всего в 1 т киновари потребовался бы объем раствора, в миллион раз превышающий годовой сток реки Гудзон. И это при том условии, что все растворенное вещество осадилось из раствора в пределах данной залежи! При еще более низком значении pH или при более высокой температуре, или же при сумме этих изменений количество переносимой раствором HgS будет возрастать на много порядков, но никогда не достигнет реальных значений. Конечно, ртуть должна переноситься в какой-то иной форме, а не в виде простого раствора HgS в воде. Природные концентрации ртути могут быть объяснены переносом ее в виде летучих хлоридов, растворимых сульфидных комплексов или в парообразном состоянии. И все же перечисленными способами переноса нельзя объяснить образование рудных тел всех металлов.

Растворимость некоторых металлов во много раз повышается при образовании комплексных ионов — заряженных частиц, состоящих из нескольких атомов. Простая растворимость измеряется числом простых ионов или простых радикалов, которые переходят в раствор при данном количестве воды. Однако количество металла, способного перейти в раствор в присутствии других атомов, с которыми данный ион может взаимодействовать, может значительно превысить пределы его «простой» растворимости. Иначе говоря, комплексные ионы во много раз более растворимы, нежели простые ионы. Таким образом, ртуть может находиться в растворе в виде HgS2-2 или в виде HgS2 (H2O)n-2, HHgS2- и т. д. В любой из названных форм концентрация ртути может быть достаточной для переноса этого металла рудообразующими растворами в реальных объемах. В относительно устойчивые комплексные ионы типа сульфидов, полисульфидов, гидросульфидов, галогенидов, карбонатов, гидроокисей, окислов сульфатов и др. связываются многие металлы. Отложение отдельных минералов будет зависеть от температуры, давления и радиусов ионов, а не от комплекса, в котором данный металл переносится, поскольку нет нужды предполагать наличие специального комплекса для каждого образовавшегося минерала. Соответственно, простой сульфид может отложиться из раствора с многоатомными комплексными ионами. Результаты исследования комплексных ионов представляются обнадеживающими; они помогут объяснить ряд вопросов, связанных с рудоносными флюидами, хотя такие ионы и нельзя считать панацеей от всех бед в проблеме генезиса руд. В лучшем случае с привлечением комплексных ионов можно будет решить лишь некоторые вопросы. Тем не менее представление о переносе металлов в растворе в виде комплексных ионов особенно привлекательно, так как общая последовательность выделения минералов при образовании большей части сульфидных руд строго соответствует относительной устойчивости комплексных ионов; из предположения о простом характере растворимости в общем следует как раз обратное.

Многие геохимики доказывают, что простейшие рудоносные флюиды, обогащенные минерализаторами, первоначально существуют при температурах, превышающих критическую температуру воды. В таких условиях ионы сильно сближены, а вследствие высокой плотности эти газы ведут себя как жидкости; таким образом, они переносят в значительном количестве металлические элементы. Краускопф показал, что представление о газовом переносе вещества недостаточно для объяснения генезиса всех рудных месторождений; вместе с тем тот же автор отметил, что многие обычные металлы присутствуют в магматических эксгаляциях (преимущественно в виде хлоридов) в количествах, достаточных для образования некоторых рудных месторождений. Его данные не позволяют решить вопрос — насколько важна роль летучести по сравнению с растворимостью для малоизученных надкритических растворов. Помимо простого переноса вещества в виде газа, по-видимому, должен оказаться существенным и эффект растворения, особенно если иметь в виду эффект общего иона (common-ion effect) и возможное значение комплексных ионов.

Даже в случае месторождений, отчетливо связанных с интрузивной деятельностью, остается неясным вопрос о первичном источнике металлов. В частности, эта проблема связана со старой загадкой: где и каким образом возникают магмы — глубоко ли в земной мантии или чуть ниже поверхности Мохоровичича? А может быть, при расплавлении осадочных пород? Ho этот несущественный на вид вопрос, касающийся первичного источника магм или способа поступления металлов в магмы, имеет более важный в практическом отношении аналог, а именно: действительно ли металлы в постмагматических флюидах концентрируются благодаря простым процессам фракционирования или же они могут селективно выщелачиваться из вмещающих или ранее затвердевших изверженных пород, через которые проходят восходящие флюиды? Некоторые геологи высказывают предположение, что при вторичном изменении ферромагнезиальных минералов могут высвобождаться ионы металлов в количествах, достаточных для образования рудных месторождений, развитых по контактам изверженных пород. Особенно убедительные доказательства подобного процесса получены в районе Айрон-Спрингс, в юго-западной части штата Юта. В этом районе метасоматические тела магнетитовых и гематитовых руд залегают в известняках, окаймляя лакколиты кварцевых монцонит-порфиров. Первоначально железо было заключено в роговой обманке и биотите, которые кристаллизовались на глубине. После внедрения магмы внешние части лакколитов быстро затвердели, но еще не подверглись вторичному изменению. Однако внутренние части плутонов обогатились летучими, которые выщелачивали железо из почти твердой массы ферромагнезиальных минералов и мигрировали в стороны по трещинам растяжения через ранее раскристаллизовавшиеся периферические части интрузивов. Эти трещины растяжения выполнены кристаллами магнетита, а кварцевые монцониты в зальбандах этих трещин почти лишены железа. Необходимые доказательства были получены благодаря тому, что удалось проследить непрерывный процесс превращения: от глубинных внутренних частей лакколитов, через зону изменения железосодержащих минералов, затем по трещинам, выполненным магнетитом и пересекающим краевую зону лакколитов, вплоть до контактовых метасоматических рудных залежей. Рудные тела развиты только около тех лакколитов, где имеются «выщелачивающие» трещины. Такая гипотеза «вторичного высвобождения» (deuteric release) металлов является частным видом латераль-секреционной теории, предложенной Шарпантье еще в XVIII в.

За признанием процесса выщелачивания растворами, производящими вторичное изменение, как способа заимствования металлов гидротермальными растворами, следует вопрос, который может лечь в основу региональных поисков: должны ли мы ожидать, что интрузивная порода, с которой связаны рудные месторождения, будет обогащена или обеднена данными металлами или же в ней будет обычное их содержание? Если руды связаны с особыми магмами, которые окажутся обогащенными соответствующими металлами, следует ожидать некоторую концентрацию этих ионов в породообразующих минералах. Другими словами, в материнском интрузиве должны быть аномально высокие содержания этих металлов. Если же металлы выщелочены из изверженной породы при вторичном ее изменении или вследствие благоприятной магматической дифференциации металлы селективно сконцентрированы в поздней флюидной фракции, то в данной породе могут оказаться аномально низкие содержания этих компонентов. Рассмотренная проблема может быть окончательно решена только при дальнейших геохимических исследованиях. В настоящее же время имеющиеся данные противоречивы и могут быть использованы в поддержку обеих гипотез. Вероятно, на самом деле справедлива и та и другая. Возможно также, что рассмотренные процессы зависят от глубины внедрения интрузии, а не от первичного состава магмы. Если это правильно, то процессы вторичных изменений более характерны для интрузий малых глубин.

Другим предметом дискуссии среди геологов является оценка pH рудоносных флюидов. При pH ниже 7 (когда pH 7, среда нейтральна) флюиды имеют кислую реакцию, а выше 7 они считаются щелочными или основными. К сожалению, в течение многих лет пользовались терминами кислые, основные, щелочные для обозначения других категорий. В результате в геологическую литературу вкралась путаная терминология; например, кроме приложения терминов кислые, основные и щелочные к pH, они служат определяющими в классификации изверженных пород и их используют для характеристики гипотетических реакций (которые могут и не осуществляться). До сих пор многие полевые геологи характеризуют породы, содержащие флюорит или барит, как «кислые», а горячие источники на основании высокого содержания в них кальция или натрия определяют как «щелочные», хотя на самом деле по значению pH такие воды могут быть кислыми. Более того, обогащенные кремнеземом изверженные породы получили название «кислых» на основании ошибочного предположения, согласно которому кремнезем будет взаимодействовать с водой с образованием кремниевой кислоты H2SiO4 (раствор ее имеет низкое значение pH). Часть таких «кислых» пород из-за присутствия в их составе окиси кальция, калия и натрия называются «кальциево-щелочными». В результате этой путаницы некоторые изверженные породы определяются одновременно и как «кислые», и как «щелочные» (или «кальциево-щелочные»). Подобная терминология неправильна; хотя при чтении старой литературы все кажется понятным, сохранение этих терминов оправдать нельзя. Геологам следует согласиться с обычным химическим определением понятий кислые и основные в том смысле, что под кислым понимается вещество, дающее при растворении его в воде свободные водородные или гидроксониевые ионы, а под основным — вещество, дающее при растворении в воде свободные гидроксил-ионы. Термин щелочной преимущественно служит синонимом термина основной.

Теперь известно, что pH флюида может меняться с изменением температуры, давления и концентрации растворенных веществ, так как pH — это функция константы диссоциации воды, а кислотность раствора будет меняться с изменением этой константы. Константа диссоциации воды несколько увеличивается с повышением давления, причем pH нейтрального раствора становится немного меньше 7; напротив, увеличение концентрации растворенной соли вызовет небольшое уменьшение константы диссоциации. Такие изменения незначительны и выражаются в лучшем случае десятыми долями единицы pH. Колебания pH в связи с изменением температуры могут быть весьма существенны. Среда с pH 7 нейтральна только при температуре около 24°; при 200° нейтральное значение pH будет равным примерно 5,6. Трудно предугадать влияние температурных изменений на pH для сложных растворов, и поэтому pH глубинных флюидов в основном понятие предположительное. Наиболее убедительные данные полевых и лабораторных исследований показывают, что рудоносные флюиды, по-видимому, близки к нейтральным, а сильно кислые и сильно щелочные существуют лишь при чрезвычайно специфических условиях.

Большая часть кристаллических горных пород состоит либо из силикатных, либо из карбонатных минералов. И те, и другие вступают в реакцию с кислыми растворами с образованием оснований (прежде богатые кремнеземом тектосиликаты называли «кислыми» минералами, так же как «кислыми» все еще считаются породы, обогащенные кремнеземом). Вследствие гидролиза любой раствор в контакте с силикатными или карбонатными минералами в конце концов станет щелочным. Следовательно, логично предположить, что рудоносные флюиды близки к нейтральным или что они являются щелочными, по крайней мере при давлениях, близких к 1 атм; другими словами, при взаимодействии с боковыми породами они должны немедленно нейтрализоваться. Так ведут себя обычные грунтовые воды, которые на дневной поверхности имеют кислую реакцию, а на глубине становятся нейтральными или щелочными. И все-таки рудоотложение может быть связано именно с таким химическим превращением. Рудоносные флюиды сначала могут быть кислыми, и в случае если данные металлы растворимы в кислой, но нерастворимы в щелочной среде, при нейтрализации растворов произойдет отложение.

Значение pH рудообразующих флюидов можно рассчитать, пользуясь законами термодинамики, если достаточно хорошо известны равновесные ассоциации минералов. В последнее время подобные расчеты становятся популярными, что позволит создать правдоподобную теорию химизма рудоносного флюида. Представление о нейтральной или слабо щелочной реакции флюидов во время рудоотложения подтверждается данными предварительного изучения ряда обычных минеральных ассоциаций.

Несмотря на широкое распространение щелочных вод, фумаролы и горячие источники могут иметь кислую, нейтральную или щелочную реакцию. В общем химические свойства этих вод на дневной поверхности нельзя считать показателем химизма флюидов в глубинных условиях, поскольку они могут смешиваться с поверхностными водами и взаимодействовать с боковыми породами; кроме того, химические свойства флюидов с уменьшением температуры и давления тоже могут изменяться, особенно в присутствии серы, которая близ поверхности может окисляться с образованием серной кислоты и понижением pH.

Данные изучения состава жидких включений, как правило, свидетельствуют о нейтральном или почти нейтральном характере флюидов, хотя содержимое включений характеризует природу рудоносных растворов лишь того периода, когда руды уже отложились, а не периода переноса.

Существование кислых флюидов пытались объяснить тем, что они проходят большие расстояния сквозь кремнистые или известковистые породы, которые должны повышать значение pH до нейтрального или еще выше. Это предположение основывалось на том, что в процессе миграции флюиды взаимодействуют с боковыми породами с образованием минералов, устойчивых в кислой среде. Эти минералы образуют вдоль путей миграции флюидов изолирующий слой, который отгораживает более поздние порции флюида от неизменных боковых пород. В связи с этим растворы могут перемещаться на большие расстояния, взаимодействуя с боковыми породами лишь в самой малой степени. Наличие серной кислоты в некоторых гидротермальных флюидах обычно объясняется тем, что кислые растворы возникают вследствие окисляющего действия воды на серу и сульфиды, либо привнесенные первичным флюидом, либо находившиеся в породах на пути движения флюида. Окисление серы и сульфидных минерален с образованием серной кислоты — широко распространенное явление в близповерхностных условиях, особенно в присутствии кислорода и воды.

Полагают, что некоторые минералы образуются в кислой среде, тогда как другие их полиморфные модификации характерны для менее кислых или щелочных условий. Например, по данным лабораторных исследований считается, что наличие марказита свидетельствует о кислой среде осаждения. Такое предположение подтверждается геологическими наблюдениями, устанавливающими образование марказита в природных источниках с очень низким значением pH.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: