Химический контроль рудоотложения

Для образования рудной залежи недостаточно только благоприятной структурной обстановки, даже при циркуляции рудоносных растворов.

Рудоносные растворы в течение длительного времени взаимодействуют с вмещающими породами, при этом состав растворов непрерывно изменяется и в то же время изменяется характер среды. Кроме того, такие факторы, как падение температуры и давления, также могут приводить к химическим реакциям и уменьшению растворимости различных соединений металлов, что способствует отложению рудных минералов. Во многих случаях геологи не в состоянии объяснить, почему одни слои минерализованы, а другие — как подстилающие, так и перекрывающие рудоносный горизонт — пусты, несмотря на то что эти последние имеют тот же состав и физические свойства, что и минерализованный слои. Если даже мы и не знаем всего, что касается химического контроля, часто можно утверждать, что такой контроль существует. Например, на фиг. 4.26 показан полированный штуф диабаза, рассеченный прожилком кальцита и самородного серебра. Почти все серебро прожилка находится в крупном кристалле полевого шпата, а кальцит сосредоточен в тех местах, где прожилок пересекает диабаз. Заметим, что мощность прожилка во всем образце почти постоянная. Серебро, видимо, образовалось в результате химической реакции между серебросодержащим раствором и кристаллом полевого шпата, а различие между физическими свойствами полевого шпата и диабаза существенной роли не играло. Трещинка служила проводящим каналом, обеспечившим для раствора подходящую обстановку, а рудоотложение происходило только в пределах химически восприимчивого участка.

Многие процессы при подготовке участка рудоотложения, предшествовавшие появлению рудоносных растворов и образованию руд, имеют по существу химическую природу. Окварцевание, доломитизация, перекристаллизация — все это химические процессы, да и брекчированные породы в большинстве случаев стали хрупкими в результате химических реакций с более ранними растворами.

Согласно одному из предложенных объяснений причин обычной локализации руд в карбонатных породах под относительно непроницаемым экраном, восходящие рудоносные растворы, встречая препятствие, вынуждены были двигаться горизонтально по более проницаемым карбонатным породам. Поскольку карбонаты проницаемы и являются химически благоприятной средой, горизонтальная миграция растворов через эти породы способствовала полному контакту растворов и пород, что и приводило к осаждению рудных минералов. Карбонаты считаются химически активными породами, поскольку они легко разлагаются в присутствии кислот и относительно растворимы в воде. Именно потому, что известняки преимущественно растворяются в условиях гумидного климата, они обладают способностью избирательно замещаться минерализующими растворами.

При рудоотложении большое значение имеют изменения температуры и давления. Растворимость многих соединений прямо пропорциональна температуре раствора, поэтому из охлаждающихся растворов выделяются те компоненты, которыми они насыщены. Весьма вероятно, что из некоторых рудоносных растворов, как только они удаляются от своего источника и достигают зоны пониженных температур, начинают отлагаться металлы вне зависимости от того, в каких породах это происходит. К такому же результату может приводить и понижение давления. Из рудоносного раствора, быстро поступающего в зону брекчирования, полезный груз может отложиться в результате резкого увеличения объема полостей циркуляции и непосредственно связанного с ним падения давления. По-видимому, падение давления будет особенно эффективно влиять на надкритический раствор, поскольку растворяющая способность этой фазы прямо пропорциональна молекулярной плотности, которая в свою очередь является функцией давления. Как только давление падает, упаковка молекул становится менее плотной, и любой материал, концентрация которого превышает концентрацию насыщения, осаждается. Можно даже предположить, что рудоотложение возможно вдоль суженных участков проводящих каналов, поскольку, согласно принципу Бернулли, скорость проходящих через них растворов будет повышенной, а давление пониженным. Кроме того, растворимость рудного материала, видимо, зависит от концентрации растворенных газов, таких, как H2S или CO2; поскольку снижение давления способствует удалению этих газов из раствора, постольку возможно одновременное осаждение рудных минералов. Вопрос о значении этого процесса, который, вероятно, играет роль при формировании месторождений с открытыми трещинными системами, остается дискуссионным. Восходящие растворы в таких трещинах, действительно, будут испытывать падение давления, и от этого фактора может зависеть рудоотложение.

Устойчивость раствора, очевидно, определяется значением pH и окислительным потенциалом среды; при их изменении осаждаются растворенные вещества. Окислительный потенциал является мерой энергии, которая выделяется или поглощается в процессе присоединения или отдачи электронов, т. е. при переходе элементов из одного валентного состояния в другое. Способность среды отдавать или принимать электроны определяет валентное состояние любых имеющихся ионов, а валентность в свою очередь определяет, может ли тот или иной ион оставаться в растворе. Например, железо в закисной форме хорошо растворяется в простых растворах, тогда как окисные соединения железа труднорастворимы (кроме как при низких значениях pH). Следовательно, от окислительного потенциала среды в данном районе будет зависеть, перейдет ли железо в раствор или выпадет в осадок. Энергия, необходимая для окисления или восстановления элемента, изменяется в зависимости от значения pH, т. е. и окислительный потенциал и pH определяют, будет ли ион оставаться в растворе; осаждение может быть вызвано изменением любого из этих двух факторов.

Значение отмеченных факторов для гидротермальных растворов в настоящее время точно неизвестно, но, судя по расчетам и лабораторным экспериментам, оно может быть большим. Вместе с тем значения окислительного потенциала и pH в процессе образования осадочных руд и преобразования рудных месторождений в результате гипергенных изменений могут быть точно предсказаны. Такие прогнозы имеют огромное значение, так как позволяют точно охарактеризовать наиболее благоприятные условия отложения некоторых металлов, например железа и марганца.

Сейлс и Мейер выяснили важное соотношение, касающееся концентрации серы в минеральных жилах. Они установили, что состав руд в Бьютте, штат Монтана, непосредственно связан с отношением между серой и сульфидообразующими ионами металлов в первичных растворах. В частности, высокое содержание серы способствует устойчивости простых сульфидов меди и железа (халькозина, ковеллина, пирита), а низкое — образованию сложных сульфидов этих металлов (борнита и халькопирита). Сера вступает в реакцию с железом вмещающих пород, в результате чего образуется пирит, т. е. отношение серы к сумме металлических ионов, способных стать составной частью сульфидов, постепенно уменьшается по мере удаления растворов от источника. В то же время в любой отдельно взятой вдоль жилы контрольной точке роль серы со временем увеличивается, поскольку вся масса рудоносных растворов перемещается во внешнюю зону. Иначе говоря, минералы, образующиеся в данное время на небольшом расстоянии от источника растворов, вследствие низкого содержания серы будут представлены сложными сульфидами меди и железа, а позднее на том же месте могут отложиться простые сульфиды, так как в зону высокого содержания серы по мере увеличения расстояния от источника войдет и данный участок. Несомненно, что для многих сульфидных месторождений обилие серы в рудоносных растворах является главным фактором, определяющим характер минерализации. Растворимость минералов и степень сродства металлов с серой представляют особый интерес для изучающего рудные месторождения. Многочисленные экспериментальные работы, поставленные с целью объяснить процессы переноса и отложения рудных минералов, посвящены изучению комплексных соединений металлов с серой. Согласно экспериментальным данным, полученным к настоящему времени, эти комплексы при образовании руд играют ведущую роль.

Гипотеза переноса рудообразующих минералов в виде комплексных соединений освобождает нас от необходимости ставить минеральный состав конкретного месторождения в зависимость от типа комплексов, которые присутствовали в растворе, поскольку из одного и того же комплексного соединения могут образовываться различные минералы. Кроме того, степень растворимости соединений тяжелых металлов резко меняется при относительно небольших изменениях состава растворов. Следовательно, из растворов, проходящих по трещине, металлы могли отлагаться на ограниченном отрезке последней, где взаимодействие с вмещающими породами значительно изменяло состав растворов, а растворы, несущие компоненты жильных минералов, и вне пределов этого участка могли оставаться устойчивыми.

Нельзя говорить о таких крупных месторождениях с массивными пирит-халькопиритовыми рудами, как Дактаун в Теннесси, Янахара в Японии или Рио-Тинто в Испании, не упомянув об обилии и существенной роли серы в процессе их образования. Считают, что во многих вулканических областях, где распространена сера, она переносилась в газовой фазе и отлагалась либо непосредственно в процессе сублимации, либо в результате реакции газа с вмещающими породами. Сера месторождения Матсуо в Центральном Хонсю, может быть, была образована одновременно с проявлением сольфатарной активности. На этом месторождении в пределах большого кратера в выщелоченных гипсоносных туфах содержится, как считают, минимум 160 млн. т руды со средним содержанием серы около 35% (фиг. 4.27). По скромным подсчетам здесь содержится 50 млн. т самородной серы, а, кроме того, еще много серы связано в огромных массах гипса и в тонко рассеянном пирите, а также в сульфидах мышьяка, висмута и сурьмы, широко распространенных в рудах. Соотношение пирита с самородной серой приблизительно равно 0,5. Если бы первичные туфы Матсуо были обогащены железом, вместо самородной серы могли бы, вероятно, образоваться крупные тела массивного пирита.

В другом районе Японии, на вулкане Сиретоко-Йосан на острове Хоккайдо, наблюдалось отложение самородной серы, происходившее в период сольфатарной активности. Расплавленная сера время от времени извергалась через небольшие гейзеро-паровые жерла и стекала в долину, которая находится примерно в миле от вулкана, в виде потока мощностью более 16 футов и шириной 65—85 футов (фиг. 4.28). Ассоциирующая с серой вода была очень кислой из-за присутствия в ней серной кислоты. Однако большая часть воды имеет метеорное происхождение; она и выщелачивает серу из ранее отложенных подстилающих вулканических агломератов. Первичные магматические растворы, вероятно, были поставщиками серы, которая содержалась в них в виде H2S; выбросы же самородной серы явились продуктом более поздних процессов повторной мобилизации вещества. В пользу этой гипотезы свидетельствуют сезонные и более частые изменения состава вод; в процессе циркуляции они как бы перезаряжаются серой.

Некоторые близповерхностные рудные месторождения осадочного происхождения образовались в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий или других органических процессов. Некоторые бактерии восстанавливают серу сульфатов, выделяя H2S, a H2S в свою очередь может соединяться с какими-либо присутствующими в растворе металлами, образуя сульфиды. В клетках других современных бактерий возможно механическое накопление серы; после распада организмов эта сера может войти в состав месторождений самородной серы или соединиться с ионами металлов. Окислы и гидроокислы металлов — особенно железа и марганца — могут быть осаждены непосредственно в результате процессов жизнедеятельности некоторых бактерий. Для одних организмов окисление этих металлов является источником энергии, позволяющей им усваивать питательные вещества, другие высвобождают окислы из органических соединений, третьи просто механически накапливают окислы в своих слизистых оболочках. О значении этих процессов в образовании рудных месторождений в литературе ведется оживленная полемика. Многие крупные месторождения считались результатом жизнедеятельности бактерий, но относительно большинства залежей до сих пор не опровергнута гипотеза гидротермального происхождения. Если бы металлы отлагались на дне бассейнов с застойными водами — таких, например, как современное Черное море, — месторождения должны были бы быть представлены рудами, состоящими из однородной смеси минералов или ритмически чередующихся слоев таких минералов; однако подобных сульфидных месторождений мы не знаем. Вместе с тем сама способность бактерий аккумулировать соединения металлов не вызывает сомнений и в особых условиях может приводить к образованию рудных месторождений, в частности к образованию месторождений богатых железных руд. Йенсен предположил, что урановые руды в песчаниках обязаны своим происхождением анаэробным бактериям, которые способствовали образованию H2S из сульфатов. Согласно этой гипотезе, между процессом выделения бактериями сероводорода и миграцией сквозь газосодержащие породы ураноносных растворов должно было пройти много времени, в течение которого шестивалентный уран UO4в-2 из раствора успел перейти в четырехвалентную относительно нерастворимую форму UO2. Сопровождающие уран ионы железа и меди осаждались в виде сульфидов.

Как известно, разлагающееся органическое вещество способно осаждать из растворов некоторые металлы в концентрациях, представляющих экономическую ценность. Время от времени обнаруживают, окаменевшую древесину и кости динозавров с исключительно высоким содержанием урана; в угле и угленосных отложениях концентрируются такие элементы, как уран, ванадий, молибден, германий, никель, титан, золото, серебро, свинец и цинк. Любой из этих металлов в повышенных концентрациях может быть также обнаружен в лигнитах или черных глинистых сланцах. Некоторые органические вещества, играя роль восстановителей и источников сульфидных ионов, способствуют переходу металлов в нерастворимое состояние. Для отдельных металлов характерно накапливание в живых организмах; для одних растений и животных эти металлы жизненно необходимы, для других — они случайные, сопутствующие.

В большинстве случаев механизм обогащения живых организмов тем или иным металлом остается для нас тайной.

Какие именно условия господствуют при рудоотложении на небольших глубинах, легко узнать при изучении процесса осаждения твердых веществ из гидротермальных растворов в тех местах, где эти растворы смешиваются с погребенными или грунтовыми водами. Последние обычно на вкус солоноватые и могут быть сильно обогащены ионом SO4в-2. При смешении с ними гидротермальных растворов могут выпадать в осадок сульфиды или сульфаты, в зависимости от преобладающих значений pH и окислительного потенциала. Рансом предположил, что бонанцевые золотые руды месторождения Голдфилд в Неваде образовались в результате смешивания восходящих рудоносных растворов с нисходящими сульфатными водами, и в качестве доказательства подчеркнул широкое распространение ассоциации золотых руд с алунитами. Сходным путем коллоидные растворы могут флокулировать, смешиваясь с грунтовыми водами, содержащими сильные электролиты.