Миграция флюидов на больших глубинах

10.07.2018
Как правило, проницаемость и пористость пород уменьшаются с глубиной залегания этих пород, что связано с давлением вышележащих толщ и цементацией продуктами минерализованных вод. Нижний предел свободной циркуляции подземных вод колеблется в широких пределах; он может находиться как в нескольких футах от поверхности земли, так и на глубине нескольких тысяч футов в зависимости от характера породы. Многие глубокие рудники уходят ниже этой границы, в результате чего их нижние горизонты оказываются безводными и пыльными. В таких случаях воду для бурения подают вниз по трубам. Так как на глубине проницаемость пород низкая, некоторые геологи сомневаются в возможности просачивания вод или водных рудоносных флюидов снизу вверх через столь плотные компактные толщи на значительные расстояния. Тем не менее многочисленные данные все-таки свидетельствуют о том, что растворы в огромных объемах просачиваются через массивные породы и в глубинных условиях. Эти флюиды переносят металлические компоненты, а в участках их концентрации (в «ловушках») или при химических превращениях происходит отложение их полезного груза и образуются рудные месторождения. Обычно рудоносные флюиды свободно просачиваются через кристаллические известняки и доломиты, частично их замещая. Следы циркуляции минералообразующих флюидов можно видеть по границам минеральных зерен, которые они корродируют и замещают, способствуя тем самым более свободному просачиванию последующих порций раствора.

Длительное время внимание геологов привлекало представление о том, что флюиды, находящиеся под давлением, способны дробить породы и вообще прокладывать себе дорогу. Такой механизм внедрения, вероятно, более подходит для даек, хотя, возможно, и в более сложном варианте; в отношении же рудных флюидов с этим согласиться нельзя, так как они, очевидно, имеют меньшую вязкость и большую подвижность, чем магмы. В начале XX в. геологи предполагали, что рудоносные флюиды могут оказывать значительное давление на стенки трещин и раздвигать их, создавая тем самым благоприятные условия для свободной циркуляции флюидов и способствуя химическим реакциям и рудоотложению. Теперь для решения этой задачи применяются математические расчеты и моделирование; в результате удалось установить, что давление флюидов в подземных условиях достигает значительных величин; эти же исследования подтвердили предположение о способности флюидов образовывать трещины в породах и проходить по ним к участкам пониженного давления. Эта теория помогает найти объяснение условиям формирования кварцевых зон, часто обнаруживаемых среди почти непроницаемых глинистых и кристаллических сланцев; примером могут служить некоторые золотоносные кварцевые зоны в южной части Пидмонта (США) (фиг. 3.1).

Полевые определения относительной проницаемости многих горных пород (в том числе интрузивных образований и глинистых сланцев) в сочетании с данными экспериментального изучения проницаемости показывают, что более важное значение для переноса растворов и рудоотложения имеет наложенная проницаемость, обусловленная разрывами и прочими вторичными структурными элементами, а первичная проницаемость пород менее существенна. И все же, несмотря на очевидное большое значение наложенной проницаемости, рудоносные флюиды во многих случаях, no-видимому, просачиваются сквозь породу, так как мы не можем найти в ней каких-либо доминерализационных путей с повышенной проницаемостью.

Каждый, кто имеет возможность изучить какой-либо район интенсивного развития термальных источников, такой, например, как район Больших Гейзеров близ Хелдсбурга в Калифорнии (фиг. 3.2), не может не поразиться движением огромных масс горячих флюидов через относительно непроницаемые породы. В районе Больших Гейзеров плотные массивные граувакки и аргиллиты глубоко изменены на площади больше 3000 акров. Измененные рыхлые породы насыщены паром и горячей водой; они оказываются теплыми на дневной поверхности или же на глубине в несколько дюймов. Из неглубоких буровых скважин под очень большим давлением вырывается перегретый пар. В настоящее время этот район эксплуатируется как источник геотермической энергии. Термальная зона Больших Гейзеров прослеживается в лежачем боку крупного разрывного нарушения. Вероятно, на большей глубине путь движения пара проходит вдоль разрыва, но вблизи поверхности горячие флюиды распространяются на значительные расстояния в стороны от него и проникают в породы лежачего бока. Отсюда следует, по-видимому, неизбежный вывод, что рудоносные флюиды способны перемещаться сквозь чрезвычайно плотные породы, проникая по границам отдельных зерен или каким-либо иным путем.

Многие геологи указывают на относительно низкую проницаемость массивных карбонатных пород; примером могут служить породы округа Балмат-Эдуардс в штате Нью-Йорк. В этом горнорудном районе был пройден штрек всего в нескольких футах ниже заброшенного и затопленного слепого ствола. Несмотря на давление, образованное весом почти 100-футового столба воды, этот штрек остался сухим. То же произошло и в случае, когда буровые скважины с гидростатическим столбом высотой 600 футов (т. е. давление было равным 260 футам на 1 кв. дюйм, или ~17 атм) в месте пересечения их подземными горными выработками были забетонированы, и сквозь известняки вокруг пробок вода не просачивалась. Из этого Браун заключил, что известняки оказываются практически непроницаемыми для холодных водных растворов, даже если эти растворы находятся под высоким давлением. Он же предположил, что при образовании руд в известняках растворы просачивались в газообразном состоянии сквозь нагретые породы. Близповерхностным водам Браун отводит незначительную роль, подчеркивая, что многие глубокие рудники на нижних горизонтах оказываются сухими, что горные породы в глубинных условиях имеют низкую проницаемость и что водные флюиды должны просачиваться сквозь них с большим трудом. На месторождении Балмат-Эдуардс рудные столбы без значительных изменений прослеживаются более чем на 3000 футов; это свидетельствует о том, что рудоносные флюиды вели себя на столь больших расстояниях с удивительным постоянством. Очевидно, флюиды при своем продвижении использовали полости микроскопического размера, близкие к нижнему капиллярному пределу. Согласно Брауну, в процессе рудообразования такие полости закрывались, а не разрастались.

Для объяснения механизма перемещения флюидов сквозь плотные породы в глубинных условиях выдвинуто много идей и поставлено много интересных экспериментов. Максуэлл и Верралл нагревали под высоким давлением образцы мрамора, известняка и травертина; этим достигалось перманентное расширение объема образцов с соответственным увеличением проницаемости. Эти исследователи предположили, что таким путем можно найти объяснение высокой проницаемости горных пород для рудоносных флюидов при высоких температурах и давлениях.

Представления Брауна о том, что такие минералы, как сульфиды металлов, непосредственно улетучиваются из магмы без участия в их переносе воды в парообразном или жидком состоянии, не получили широкого признания. В недавней своей работе Краускопф показал, что любая теория, основанная только на летучести, не в состоянии объяснить некоторые вопросы, связанные с переносом руд. Флюиды при высоких температурах и давлениях могут переносить ионы металлов и проникать по мельчайшим пустотам; в таких условиях физическое состояние жидкостей и газов в общем одинаково. Клинкенберг экспериментально определил, что скорость течения газов несколько выше скорости течения жидкостей, причем скорость течения газа сквозь породу не обратно пропорциональна вязкости, как это установлено для жидкости. Ошибка, полученная путем экстраполяции определений проницаемости для газов на ожидаемую проницаемость для жидкостей, в случае неконсолидированных осадочных пород невелика, но в случае плотных карбонатных пород, которые характерны для многих рудных месторождений, такая ошибка может оказаться очень большой. Клинкенберг основывал свои определения газовой проницаемости на теории «скольжения». Согласно этой теории, если газ протекает вдоль твердой стенки, то слой газа, прилегающий к ней, находится в движении; иначе говоря, газ скользит. Следовательно, в этом случае объем газа, протекающего через какую-либо среду, будет большим, чем при отсутствии подобного скольжения. Чем меньше плотность газа, тем лучше скольжение, и наоборот, чем большее давление оказывается на газ, т. е. чем плотнее газ, тем по своему поведению он больше приближается к жидкости. В глубинных частях земной коры газы, вероятно, в основном ведут себя аналогично жидкостям.

Оле разделил породы, слагающие восточную часть цинкодобывающего округа Теннесси, по проницаемости на три главные группы: доломиты, известняки и перекристаллизованные породы, т. е. доломитовые мраморы, образованные в результате изменения известняков, залегающих около минерализованных участков. Некоторые пласты известняка были перекристаллизованы и доломитизированы в досульфидную фазу минерализации, в результате чего произошло значительное повышение их проницаемости. Первичные и перекристаллизованные (вторичные) доломиты одинаковы по составу, но метасоматические рудные тела концентрируются в перекристаллизованных доломитах. Оле предположил, что локализация оруденения контролировалась проницаемостью этих пород и что способность известняков к перекристаллизации сделала их более благоприятными для замещения по сравнению с первичными доломитами. Именно поэтому рудные тела замещения приурочены к зонам перекристаллизованных доломитовых мраморов среди известняков. Так как расчеты по данным испытаний показали, что в благоприятных геологических условиях водные растворы могли проходить через доломитовые мраморы в огромных объемах, Оле пришел к выводу, что количество разбавленного раствора, способное просочиться сквозь эти породы, было достаточным для образования в них рудных залежей.

Как указал Оле, в литературе обычно подчеркивается относительная неэффективность межзернового течения по сравнению с течением по открытым каналам; поэтому многие геологи имеют превратное представление об объеме флюида, способном пройти через твердую породу. Если измерена проницаемость данного типа породы, можно с необходимой точностью рассчитать количество данного флюида, которое пройдет через эту породу при данных условиях. Видимо, вывод Оле, согласно которому этого количества флюида хватит для образования крупных рудных тел, противоречит выводам тех геологов, которые подчеркивают непроницаемость карбонатных пород, особенно для водных растворов в глубинных условиях. Вероятно, это противоречие является следствием различных мнений относительно глубин, на которых рудоносные флюиды проникают в окружающие породы.

Так как объяснить миграцию рудоносных флюидов в глубинных условиях трудно, геологов привлекает идея (к которой они постоянно возвращаются) о диффузионном характере этого процесса. Геологи-рудники определяют диффузию как самопроизвольное движение частиц молекулярного или ионного размера, вызываемое стремлением одного вещества равномерно перемешаться с другим веществом. Диффузия может проявляться в твердой, жидкой и газовой фазах. Таким образом, вода, просачивающаяся по порам породы, не попадает под это определение, а процесс распространения ионов меди в воде попадает. Последние экспериментальные и геохимические данные служат слабым подтверждением диффузионной гипотезы. Ho несмотря на то, что ряд экспериментов свидетельствует о ничтожной роли диффузии, многие геологи проблему переноса руд все-таки решают этим процессом, так как их привлекает простота решения.

Нетрудно рассмотреть вопрос о диффузии ионов или молекул через жидкую фазу, например через насыщенные пористые породы. Именно таким способом осуществляется перенос вещества в процессах замещения, поскольку при диффузии ионы перемещаются в обоих направлениях относительно фронта замещения. Ионы диффундируют в сторону участков с меньшей концентрацией (т. е. они перемещаются в направлении снижения их концентрации); таким образом, замещающие ионы мигрируют в сторону окружающей породы, а замещаемые ионы — в противоположном направлении. По мере отложения металлических ионов на фронте замещения, их концентрация автоматически снижается, но эта потеря восполняется поступлением новых ионов. Поэтому фронт замещения неуклонно надвигается на окружающую породу до тех пор, пока не прекращается поступление замещающих ионов.

Труднее принять в качестве механизма переноса вещества диффузию сквозь породы и твердые кристаллы, поскольку скорость диффузии в них значительно ниже скорости диффузии в жидкостях. Помимо движения по границам зерен, диффузия ионов сквозь твердое тело в основном контролируется дефектами в кристаллической структуре. Действительно, через совершенный кристалл, сохраняющий идеальную упорядоченную структуру во всех условиях, диффузионный поток ионов может пройти лишь с очень малой скоростью, либо через него будут диффундировать лишь самые маленькие ионы. Несовершенство кристаллов может быть обусловлено присутствием в обычной структуре посторонних ионов, нарушивших данную структуру, или наличием вакансий в решетке. Диффундирующий ион мигрирует от одного структурного дефекта к другому или, если есть вакансии, — от одной вакансии к другой. Таким образом, диффузия сквозь кристаллическую структуру может заключаться во внедрении иона или в отступлении вакансий. В случае мигрирующей вакансии каждый ион в своем ряду будет перемещаться на одну структурную позицию вперед. Скорость диффузии, конечно, будет сильно зависеть от радиуса частиц, продвигающихся через кристалл. Кроме того, она будет являться функцией температуры, поскольку вблизи точки плавления кристаллическая структура минералов нарушается и начинает разрушаться. В пределах одной-двух сотен градусов от точки плавления скорость диффузии через кристалл может возрасти во много десятков раз.

Скорость диффузии различных флюидов и ионов через разный среды можно определить. Она всегда пропорциональна градиенту концентрации (т. е. изменению концентрации на определенном расстоянии) и коэффициенту диффузии, который для каждого диффундируемого вещества-хозяина будет величиной постоянной. Градиент концентрации отчасти зависит от растворимости диффундирующего вещества в данном растворителе, а скорость диффузии является функцией соответственно флюида, или диффундирующего иона, и среды, через которую происходит диффузия. Чем больше произведение растворимости, тем выше скорость диффузии. При реакциях замещения может поддерживаться двусторонний градиент концентрации, когда замещаемый минерал диффундирует в сторону от фронта замещения, а замещающее вещество — в противоположном направлении; отложение руды на фронте замещения, безусловно, будет снижать концентрацию раствора. Действительно, трудно себе представить какой-либо иной механизм переноса веществ к фронту замещения и от него.

В пользу диффузии свидетельствуют данные изучения ореолов рассеяния элементов в боковых породах около жил. Согласно диффузионной теории, содержание данного металла в боковых породах с приближением к рудному телу должно возрастать логарифмически. При изучении ореолов в боковых породах в некоторых районах была обнаружена именно такая логарифмическая зависимость. Например, Моррис при исследованиях в округе Тинтик (штат Юта) установил логарифмический характер дисперсии меди, свинца и цинка в доломитах и кварцевых монцонитах с удалением от полиметаллических жил. Рассеяние рудных элементов в доломитах прослеживалось не более чем на 10 футов, от рудного тела, а в кварцевых монцонитах следы тяжелых металлов устанавливались на расстоянии, превышающем эту величину в несколько раз. На участках развития трещин течение флюида усложнило общую картину диффузии, и в этих местах ореолы; рассеяния приобрели неправильную форму.

Рассчитав скорость диффузии через различные среды, Гаррелс и его коллеги пришли к выводу, что рудоносные флюиды могут быть привнесены в какой-либо участок по небольшим, тесно сжатым трещинам и что образование отдельных массивных рудных тел можно объяснить достаточно длительной в геологическом масштабе времени диффузией флюидов в обе стороны от каждой трещины. Можно показать, что даже в близповерхностных условиях, для которых многие геологи отказываются признать наличие диффузионного эффекта, ионы диффундируют через твердые породы на значительные расстояния. Действительно, Гаррелс и Дрейер рассчитали, что диффузия сквозь известняки при образовании галенита будет по меньшей мере в 300 раз эффективнее, чем просачивание под давлением. При этом температуру в процессе диффузии они приняли лишь за 100°, а градиент давления при напорном течении ими был взят столь большим, что он значительно превысил вероятные давления, развивающиеся при геологических процессах.

Процесс диффузии, вероятно, лучше всего проиллюстрировать на хорошо известном явлении распада твердых растворов в рудных минералах. Так, на фиг. 3.3 показана тонкая эмульсионная вкрапленность халькопирита в образце сфалерита. Если этот образец нагреть до температуры 400°, вкрапленность халькопирита исчезнет и сфалерит будет выглядеть гомогенным. При повышенных температурах связи в кристалле разрушаются или ослабляются, вследствие чего создаются условия для проникновения в него посторонних частиц. При температуре около 400° халькопирит будет диффундировать и рассеиваться в растянутой структуре сфалерита. При медленном охлаждении связи вновь укрепляются и халькопирит вытесняется из структуры сфалерита. По мере остывания образца выделения халькопирита располагаются в соответствии с атомной структурой сфалерита, а при значительном избытке халькопирита в твердых растворах он может образовывать самостоятельные выделения по границам зерен сфалерита.

Другим характерным примером проявления диффузии со значительной миграцией вещества может служить перемещение углистого материала в процессе мраморизации известняков. При перекристаллизации зерна кальцита обесцвечиваются (кристаллические известняки обычно бывают белыми), а небольшие частички угля, придающие известняку темный синеватый или сероватый цвет, уходят из структуры кальцита. Иногда бывает видно, что этот процесс не дошел до конца и углистое вещество сконцентрировалось в виде стяжений антрацита или графита, окруженных ореолом белого мрамора (фиг. 3.4). В случае завершившейся перекристаллизации углистое вещество полностью рассеивается. Если углерод мигрирует именно таким образом, логично предположить, что при благоприятных условиях температуры и давления подобным же образом ведут себя и сульфиды. Этому процессу, вероятно, в значительной степени будет способствовать присутствующая в порах породы вода, которая облегчает рост кристаллов, а также помогает растворению и переносу растворимых чуждых веществ.

Ниггли предположил возможность миграции посредством диффузии газовой фазы. Согласно такому представлению, из остывающей магмы в боковые породы могут переноситься вещества в значительном количестве. Область над магматической камерой должна быть насыщена парами, выделившимися из магмы; в том случае, если между боковыми породами и парами возможны реакции замещения, то породы как бы поглощают эти пары, тем самым непрерывно снижая содержание газов и способствуя дальнейшему «испарению» магмы.

Отмечая роль диффузии в рудообразовании, Эдуарде подчеркивал небольшие масштабы миграции при распаде твердых растворов. Даже если рудные минералы обладают структурами, наиболее благоприятными для диффузии в твердом состоянии (особенно по сравнению с более прочными структурами силикатов), и даже если сульфиды образуются в условиях, наиболее способствующих максимальной диффузии (например, при высоких температурах), то и в этих случаях линейное перемещение каждого данного иона в процессе распада твердого раствора редко превышает несколько миллиметров; обычно оно измеряется лишь микронами. Ho дело в том, что объем минерала, выделившегося из твердого раствора, превышает ту величину, на которую сократился объем минерала-хозяина. Таким образом, в данном случае происходит сепарация, но нет миграции из места первичного отложения.

Однако в процессе распада твердого раствора важны не конечные размеры диффузии, а скорость, с которой совершается диффузия в сульфидах. Что касается последней, то значительное увеличение скорости диффузии через сульфиды меди удалось получить Гиллу, который показал, что при отсутствии гидротермальных растворов и при температурах, обычных для образования многих руд, отдельные ионы, например ионы закисного железа, диффундируют через сульфиды со значительной скоростью (около 1—3 мм в сутки). Весьма наглядные результаты были получены с использованием CuS; столь же хорошие, хотя и менее показательные, результаты получены в опытах с применением FeS, PbS и ZnS.

Согласно данным других экспериментальных исследований, диффузия в кремнеземе и силикатах происходит значительно медленнее, чем в опытах Гилла с сульфидами, и на чрезвычайно короткие расстояния. Например, Ферхуген при попытке осуществить диффузию ионов калия через кристалл кварца установил, что даже при температуре 500° и под влиянием градиента концентрации ионы калия могут перемещаться со скоростью лишь 110 см за миллион лет.

Миграция флюидов через породы сильно облегчается в том случае, когда породы находятся в напряженном состоянии, а во время горообразующих процессов (т. е. как раз тогда, когда многие типы руд и формируются) напряженное состояние пород является самым обычным. В обстановке трехосного сжатия флюиды предпочтительно мигрируют вдоль плоскостей растяжения, т. е. по нормали к оси минимального сжатия. Путями миграции служат трещины, плоскости кливажа и границы кристаллов. Эдуарде указывал, что если ртуть растекается по ненапряженной пластинке латуни, она образует лишь тонкую пленку, но если латунную пластинку изогнуть, ртуть проникнет в нее (преимущественно по границам зерен) и латунная пластинка в конце концов переломится.

Итак, значение диффузии при переносе руд еще остается окончательно невыясненным, но в свете геологических наблюдений и лабораторных исследований, свидетельствующих в пользу такого механизма, диффузионные процессы в твердых веществах могут рассматриваться как реальная возможность переноса рудообразующих веществ при благоприятных условиях. Нельзя переоценить значение относительно открытых каналов, образованных крупными разрывами и системами мелких трещин; несомненно, что миграция рудоносных флюидов на большие расстояния контролируется разрывными структурами. Ho в локальном масштабе, особенно в пределах участка рудоотложения, где для свободной циркуляции могло и не быть условий, роль диффузии ионов металлов сквозь жидкие и твердые среды становится важной как для переноса веществ, так и окончательной конфигурации рудных залежей.