Причины последовательного отложения минералов

10.07.2018
Вопрос о причинах разобщения минеральных комплексов; в пространстве и во времени относится к числу наиболее спорных. He раз пытались сопоставлять явления зональности и парагенезисы минералов с плотностью растворов, атомным весом металлов, твердостью минералов, энергией, освобождающейся при образовании минералов, летучестью различных соединений, отношениями между металлом и серой, электродными потенциалами минералов и многими другими свойствами. С позиции любой предложенной гипотезы мы должны объяснить, почему минералы выделяются именно в той последовательности, которая отражена в парагенетических таблицах Линдгрена и Эдвардса, а также в зональной модели Эммонса. Как и во многих спорных проблемах геологии, в данном случае с помощью какой-либо одной гипотезы нельзя предусмотреть все возможные случаи и условия, а противоречия теоретически выведенных схем последовательности минералообразования могут оказаться результатом относительно повышенного содержания в растворе какого-то одного элемента или локальных особенностей других геологических условий.

Согласно данным Сточеса и Брауна, наиболее поздние минералы характерны для рудных месторождений, максимально; удаленных от магматического источника, а наиболее ранние — для месторождений, сформировавшихся на глубине при высоких температурах и давлениях. Однако эта гипотеза только подтверждает тот факт, что температура рудоносных растворов должна co временем понижаться, но вопросы о причинах локализации данного минерального парагенезиса и зональности по-прежнему остаются открытыми. В прошлом считалось, что причины локальной зональности связаны с растворимостью минералов — наиболее трудно растворимые отлагались вблизи источника, а легко растворимые — вдали от него. Тем не менее оказалось, что наблюдаемые случаи зонального распределения минералов не отвечают тому порядку возрастающей растворимости, который определен лабораторным путем. Несмотря на отдельные исключения, характер зонального распределения минералов, как правило, не соответствует тому, который можно было бы ожидать на основании их растворимости, т. е. в парагенетических сериях более молодые минералы оказываются наименее растворимыми. Например, минералы железа и меди, обычно присутствующие во многих центральных участках месторождений, более растворимы, чем киноварь, встречаемая по их периферии. Также и галенит, будучи, как правило, моложе сфалерита, располагается дальше от центров магматического контроля рудоотложения, а растворимость имеет меньшую. Вместе с тем есть и другие примеры. Так, исключением из общего правила, согласно которому минералы отлагаются в порядке, обратном их растворимости, являются отношения между минералами свинца и марганца. Последние по сравнению с первыми более растворимы и обычно концентрируются за пределами зоны с галенитом. Пытаясь объяснить это явление, Манье предположил, что при повышенных температурах соотношение растворимостей для минералов свинца и марганца становится обратным, однако лабораторные эксперименты гипотезу не подтвердили. Ньюхауз полагал, что хронологический порядок отложения минералов отражает последовательность выноса металлов из водосодержащего остаточного расплава, возникшего в процессе дифференциации магмы. В этом случае наименее растворимые соединения должны выноситься в последнюю очередь, и, следовательно, они окажутся наиболее поздними в рудных месторождениях. С геохимической точки зрения этот процесс представляется несколько сомнительным, но, если допустить, что металлы освобождаются в результате позднемагматического выщелачивания плутонов, кристаллизующихся на небольшой глубине, возможно, что мы получим ответ на вопрос, каковы причины последовательности минералообразования для некоторых парагенезисов. В метасоматических месторождениях минералы, по-видимому, отлагаются в порядке, обратном порядку их растворимости; иными словами, наименее растворимые минералы кристаллизуются, замещая более растворимые.

Поскольку сопоставление растворимостей минералов само по себе не дает ответа на вопрос о причинах образования парагенезисов и зональных рядов рудных месторождений, были предложены различные исключающие одна другую гипотезы. Например, известно утверждение, согласно которому последовательность минералообразования по крайней мере частично связана с летучестью соответствующих соединений; во всяком случае, эта последовательность (зональность) обнаруживает зависимость скорее от изменения степени летучести, чем от колебания растворимости. Эта гипотеза была выдвинута на том основании, что порядку образования минералов в месторождениях грубо соответствует ряд летучих соединений металлов. При этом предполагается, что металлы переносятся главным образом в виде сульфидов, окислов и хлоридов. Холланд показал, что большинство минеральных ассоциаций в период отложения находится в равновесии с газовой фазой, состоящей из SO2 и CO2, причем он не имел в виду, что эти газы служили агентами переноса металлов. Термохимические расчеты Холланда показывают, что отложение минералов определяется температурой и фугитивностью (эффективным парциальным давлением) газов, а минеральные парагенезисы будут соответствовать тем, которые обычно наблюдаются в природе. С позиций этой концепции нельзя объяснить особенностей всех месторождений, поскольку для выделения некоторых минералов потребовалась бы необычайно высокая температура. Кроме того, с этих позиций представляется затруднительным объяснить процесс газового замещения нелетучих вмещающих пород типа роговиков и известняков, а также механизм выноса компонентов, слагающих эти породы.

Корреляционная зависимость между атомными весами или ионными процентами, с одной стороны, и последовательностью образования минералов, с другой, была положена в основу одной из гипотез, объясняющих причины образования парагенетических ассоциаций минералов и зональности рудных месторождений. Соотношения между атомными весами металлов и хронологическим порядком их осаждения в виде минералов установлены Ньюхаузом: в любом отдельно взятом месторождении более тяжелые элементы имеют и более молодой возраст. Сходную зависимость можно заметить у окислов, сульфидов, арсенидов и антимонидов, которые отлагаются в той же последовательности, в какой увеличивается атомный номер элемента анионной группы. Такая закономерность объясняется тем, что более легкие элементы выносятся из магматической камеры в первую очередь. Браун предпочитает связывать парагенезисы и зональность не с атомными весами элементов, а с удельными весами рудных минералов, причем результаты такого сопоставления оказались даже более убедительными. Он предположил, что рудоносные растворы еще в пределах магматической камеры стратифицируются в зависимости от удельных весов и геохимических особенностей содержащихся в них компонентов, подобно тому как расплав в доменной печи разделяется на шлак, штейн и шпайзу. В виде летучих сначала должны выноситься легкие силикаты и окислы (шлак), а затем все более тяжелые сульфиды и самородные металлы (штейн и шпайза).

Аналогичным образом в процессе миграции могло происходить разделение на фракции растворов с различной плотностью и флюидов, состоящих из жидкостей и газов. Подобное разделение, вероятно, и приводило к зональному распределению минерализации вокруг источника растворов; это разделение и следует рассматривать как возможное объяснение причин зональности. Банди предположил, что основным фактором образования минеральных парагенезисов является прогрессивное изменение весового процента, характеризующего содержание в минерале анионного радикала. Согласно гипотезе Банди, в последовательном ряду окислов каждый минерал характеризуется более высоким суммарным весовым процентным содержанием элементов, входящих в состав анионного радикала, по сравнению с минералом непосредственно предшествующим данному по времени выделения. Последовательность минералообразования, определенная этим способом, если не считать некоторых незначительных исключений, полностью совпадает с той, которую установили Линдгрен и Эдуарде. Иным путем устанавливают отношения между сульфидами: здесь основное значение приписывают ионам металлов, а не анионам. Процентное содержание металлов в сульфидах, по-видимому, обратно пропорционально относительному возрасту минералов; поздние сульфиды более обогащены металлами, чем ранние. В соответствии с этим может быть показано, что и твердость рудных минералов также зависит от их положения в парагенетической схеме: чем моложе возраст какого-то обогащенного металлами сульфида, тем он мягче.

Пытались сопоставить последовательность минералообразования в различных зонах с электродными потенциалами элементов. Считают, что электродные потенциалы непосредственно влияют на ход окислительно-восстановительных реакций, и стало быть, они имеют существенное значение для процессов рудоотложения. Если расположить элементы в порядке возрастания (или убывания) их электродных потенциалов, обнаруживается определенная периодичность и резко выраженная связь с распределением этих элементов в первичных рудных минералах.

Зональность в небольших масштабах, особенно в метасоматических рудных телах, отчасти, вероятно, связана с различными скоростями диффузии ионов, так как последние уменьшаются, если радиус ионов увеличивается. Ионы с небольшим радиусом должны мигрировать на большие расстояния, чем ионы с большим радиусом. Однако, если сравнить размеры ионов с соответствующими интервалами их диффузии в метасоматических рудах, эту гипотезу, по-видимому, придется отбросить, поскольку истинная последовательность минералообразования по существу противоположна той, которую следовало бы ожидать. Вполне вероятно, что металлы мигрируют к фронту замещения в виде гидратированных ионов; в этом случае эффективные радиусы ионов будут обратно пропорциональны радиусам негидратированных ионов металлов.

Манье предположил, что осаждение сульфидов обусловлено сложным равновесием между H2O, H2S, HCl, HF и CO2, а также между окислами, сульфидами, хлоридами и фторидами металлов. Поскольку сульфиды — наименее растворимые соединения, постольку при избытке H2S дифференциальное осаждение этих соединений будет определяться растворимостью их в воде. Согласно этой гипотезе, концентрация сульфидов в растворах, отделившихся от магмы, будет пропорциональна относительным содержаниям в растворе металлов. При попытках определить, когда и где произошла кристаллизация вещества, небольшие изменения концентрации следует считать эквивалентными значительным изменениям температуры. Зональное распределение различных минералов возможно при отложении их из единой порции раствора на пути миграции последнего от магматического источника.

Изучая свинцово-цинковые месторождения долины Миссисипи, в которых галенит отлагался вслед за сфалеритом, Гаррелс пришел к выводу, что зональность могла быть обусловлена проявлением в этом регионе концентрированных растворов хлоридов. Многие исследователи считают, что если принять существование комплексных хлоридных ионов, можно дать наиболее правдоподобное объяснение последовательности отложения нерастворимых минералов. Гаррелс и Дрейер предположили, что обычной составной частью рудообразующих растворов могут быть комплексные бисульфидные ионы, а если это так, то можно говорить и о растворимости собственно сульфидов металлов. Возможно, что в присутствии этих комплексных ионов простые сульфиды металлов осаждаются в соответствии с активностью слагающих их элементов.

С недавнего времени комплексные ионы стали играть ведущую роль в гипотезах переноса рудного вещества, рудоотложения, парагенезисов и зональности. Слишком часто, однако, когда выявляются слабые звенья других гипотез, мысль о значительной роли комплексных ионов высказывается лишь как предположение, поскольку не хватает конкретных экспериментальных и теоретических данных о комплексных соединениях. Несомненно, изучению комплексных ионов следует уделять особое внимание, так как их роль нельзя не учитывать при рассмотрении любых проблем, касающихся геохимии рудоносных растворов. Барнс показал, что последовательность минералообразования, выведенная теоретически при рассмотрении устойчивости комплексов с ковалентной связью, точно соответствует наблюдаемым в природе парагенезисам и типам зональности, будь то в больших или малых масштабах. Используя положения термодинамики, мы можем определять относительную устойчивость комплексных ионов при условии, что будут рассматриваться металлы с одинаковой валентностью и одни и те же типы комплексов для разных металлов. Применив этот метод, Барнс установил, что кобальт, железо, никель, олово, цинк, медь, свинец и ртуть образуют ряд с возрастающей устойчивостью аналогичных соединений (растворимость соответствующих комплексов возрастает); при этом имеются в виду сходные по типу соединения металлов, т. е. соединения с любым, но одним и тем же анионом. Кроме того, своими расчетами Барнс показал, что халькопирит в зональных рядах должен располагаться несколько ближе к центру минерализации по сравнению со сфалеритом. Термодинамические расчеты позволяют предполагать наличие большого пространственно-временного интервала между свинцом и ртутью, так как последняя способна мигрировать от магматического источника значительно дальше. Поскольку выведенная последовательность касается только простых сульфидов, постольку, говоря о железе, следует иметь в виду пирротин (или троилит), а говоря об олове — станнин. Сравнивая теоретически выведенную последовательность минералообразования с эмпирическими рядами Линдгрена, Эдуардса и Эммонса, можно говорить об очень близком сходстве схем, полученных разными методами — слишком близком, чтобы его можно было считать случайным, как заметил сам Барнс. Вместе с тем любые природные ряды рудных минералов будут более сложными, чем рассмотренные выше ряды двухвалентных сульфидов, поскольку каждый минерал с недвухвалентным металлом следует считать членом особой, непосредственно не связанной с основной, парагенетической серии.

Сейлс и Мейер описали взаимоотношения минералов на месторождении Бьютт в Монтане и отметили, что эти взаимоотношения, вероятно, обусловлены наличием в рудоносных растворах комплексных сульфидных ионов. Они считают, что высокое отношение серы к металлу в растворе, по-видимому, благоприятствовало отложению простых сульфидов меди и железа — халькозина и пирита, тогда как относительно низкое отношение между упомянутыми компонентами привело к образованию сложных сульфидов меди и железа — борнита и халькопирита. Зная состав таких минералов, как ковеллин и дигенит, можно предполагать, что они также чаще образуются в тех случаях, когда растворы обогащены серой. Концентрация серы в растворе не отражается непосредственно на действительном содержании серы в конкретном минерале; определяющей переменной величиной следует считать фугитивность, или парциальное давление. Например, пирит является основным носителем серы в халькозин-пиритовых зонах. На месторождении Бьютт отношение серы к металлу уменьшается в направлении от центра минерализации, что позволяет говорить о зональности рудного района — обогащении центральных и глубинных частей минералами с высоким содержанием серы. Высокая концентрация серы в растворах определяла природу отлагавшихся минералов, а затем в процессе образования богатых серой руд она снижалась. Околорудные изменения вмещающих пород еще больше снижали роль серы, поскольку в результате разложения магнезиально-железистых минералов кварцевых монцонитов освобождалось железо, которое вступало в реакцию с серой рудоносных растворов с образованием пирита.

Сосмен высказал новое оригинальное предположение г зональность отражает миграцию металлов по направлению к интрузиву, а не от него. Он аргументирует свою гипотезу тем, что магма, недосыщенная водой, должна экстрагировать воду из окружающих осадков. Таким образом, градиент давления воды и градиент ее концентрации должны быть направлены в сторону интрузива. Кроме того, подобному направлению движения воды должен содействовать процесс термального испарения, т. е. газ при постоянном давлении распространится в направлении возрастания температурного градиента (в сторону охлаждающейся магмы) и уменьшения химического потенциала воды. Однако большая часть полевых данных противоречит этой гипотезе. В результате парагенетического изучения рудных серий многих районов оказалось, что за некоторыми немногими исключениями минералы, обнаруживаемые наиболее близко к центральной зоне интрузива, отложились раньше тех, которые находятся вдали от нее. Учитывая это, трудно согласиться с тем, что растворы мигрировали по направлению к магме. Большая часть рудоносных растворов, по-видимому, распространялась в стороны от магматического источника, а не наоборот.

Далеко не всегда зональность рудных районов описывается по отношению к каким-то интрузивным изверженным породам. Например, Браун предположил, что зональность в районе Остинвилла (Виргиния) проявляется скорее по отношению к разломам, чем к магматическому центру. В медных месторождениях Мичигана зональность проявляется в слабом увеличении содержания мышьяка в залежах при прослеживании последних на глубину; вероятно, это увеличение связано с приближением к магматическому источнику, хотя интрузивные породы на глубине и не обнаружены. Прайор также установил повышение пробы золота с глубиной в пределах известного рудного поля Колар в Индии.

Причины образования региональной зональности, вероятно, аналогичны причинам образования зональности в рудных районах и отдельных рудных телах, но необходимый временной интервал в первом случае должен быть значительно более длительным, чем для образования других типов зональности. Например, в регионе, охваченном тектоническими движениями, вызвавшими внедрение интрузива типа батолита или серии батолитов, колоссально много времени потребовалось на дифференциацию магматических масс, на их внедрение и охлаждение. Процесс внедрения интрузивов, вероятно, был весьма продолжительным; за это время породы кровли успевали медленно приподняться, затем ассимилироваться или подвергнуться метаморфизму. Кристаллизация и дифференциация магмы приводили к образованию газовой фазы и остаточного расплава, т. е. к коренным изменениям, которые охватывали промежуток времени от наиболее ранних стадий возникновения магматического очага до наиболее поздних стадий, отвечающих периоду рудообразования. В процессе этих изменений растворы, содержащиеся во вмещающих породах, могли быть активированы и приведены в движение. Пути миграции этих растворов на различных стадиях интрузивной деятельности или метаморфизма могли быть различными. Если батолит продвигался вверх медленно, перекрывающие его породы также приподнимались медленно, образовывались куполы, рассеченные радиальными и концентрическими разломами. Таким образом, история развития трещин могла зависеть в дальнейшем от эволюции структуры куполов; что же касается зональности рудоотложения, то она будет определяться типом прогрессивного трещинообразования. Зональность, возникшая в течение одной стадии интрузивной деятельности или метаморфизма, может быть усложнена или сильно замаскирована рудами, сформировавшимися в последующие стадии. Если интрузивная деятельность или процессы метаморфизма продолжались в течение более одного геологического периода, зональность также может быть разновозрастной. В этом случае оруденение различных возрастов может иметь один и тот же источник, что в региональном масштабе приводит к зональному распределению различных рудных месторождений.

В отдельных случаях региональная зональность может, по-видимому, зависеть не от магматической активности, а от метаморфических процессов, протекавших близ оснований эвгеосинклиналей. По мере развития процессов метаморфизма в более глубоких зонах геосинклинали остаточные растворы становились активными и способными к растворению наиболее пригодных к этому компонентов. Затем эти растворы мигрировали вверх и в стороны, т. е. в участки, где были условия, способствующие осаждению различных солей металлов. В этих условиях растворы мигрируют и вообще ведут себя так, как если бы они были производными магмы. Метаморфическая зональность, в основе которой лежит интенсивный метаморфизм, сопровождающийся перераспределением химических компонентов и изменением минерального состава, описана на примерах многих районов; теперь она получила широкое признание среди петрологов. Как считают, первичные металлические компоненты интенсивно метаморфизованных пород в процессе метаморфизма обычно рассеиваются, а не концентрируются; однако это справедливо вовсе не для всех случаев. Вполне допустимо, что условия в краевых частях наиболее интенсивно метаморфизованных зон могут способствовать осаждению, концентрации и сохранению сульфидов металлов.

Свинцово-цинковые руды района Оммеберг в центральной Швеции, вероятно, образовались в результате метаморфизма; они имеют все признаки зонального размещения (в масштабе района) относительно центра, где метаморфизм проявился наиболее интенсивно. Развитые здесь породы — от наиболее метаморфизованных до наименее затронутых процессами метаморфизма — представлены мигматитовыми гнейсами, толщей полосчатых серых лептитов, содержащих линзы метаморфизованного известняка, биотитовых гнейсов, скарновых минералов, рудными залежами, а также безрудными красными лептитами (фиг. 6.7). Руды и скарновые минералы, видимо, образованы в ходе одних и тех же процессов; генетически сходны с этими образованиями и пегматиты, обнаруженные в пределах рудных зон. Сульфиды представлены пирротином, сфалеритом и галенитом, которые располагаются зонально относительно фронта мигматизации. В геологическом разрезе в направлении от гнейсов мы последовательно будем встречать месторождения различных типов — пирротиновые, скарновые волластонит-диопсидовые, скарновые пироксен-гранат-роговообманково-слюдяные с пирротином, месторождения, обогащенные сфалеритом, и, наконец, месторождения с рудами, обогащенными галенитом. Все промышленные концентрации свинца и цинка располагаются вблизи фронта мигматизации, а интенсивность свинцово-цинковой минерализации постепенно уменьшается по мере перехода в метаморфические фации более низких ступеней метаморфизма. Магнуссон сделал вывод, что мигматитовые гнейсы следует считать палингенными, возникшими в процессе интенсивного метаморфизма, который сопровождался появлением растворов, способствующих образованию сульфидов, скарнов и пегматитов. Эти растворы распространялись впереди фронта мигматизации и были основным фактором локализации оруденения в благоприятных структурах.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: