Примеры применения геотермометрических методов исследования в рудных районах

Сходство результатов, полученных при детальных термометрических исследованиях ряда рудных районов, свидетельствует не только в пользу геотермометрии как отрасли науки, но и в пользу генеральной концепции гидротермального и пневматолитового рудообразования. Температуры, определенные различными геотермометрическими методами, в общем согласуются между собой, намечается некоторый температурный интервал; при этом выясняется, что ранние минералы образовались при более высоких температурах. Кроме того, как показал опыт, нельзя доверять определениям температуры, выполненным каким-то одним методом; всестороннее исследование должно проводиться при использовании нескольких методов и многочисленных образцов из различных участков месторождения.

В качестве примера современного подхода к вопросам геотермометрии приведем данные Ловеринга, полученные им при изучении района Гилмен в Колорадо.

Руды района Гилмен представляют собой метасоматические залежи и трубы, сложенные пиритом, сфалеритом, халькопиритом, борнитом и галенитом. В качестве второстепенных отмечены пирротин, сульфосоли серебра и меди, теллуриды серебра и золота, самородное золото. Рудные трубы в верхней части превращаются в залежи, которые в поперечном сечении имеют грубую эллиптическую форму. Ширина некоторых из этих залежей достигает 300 футов, мощность — 150 футов, а длина — нескольких сотен футов. Помимо сульфидов в составе рудных тел присутствуют мангансидерит, барит, доломит и кварц. Вмещающие породы, представленные известняками Ледвилл миссисипского возраста, были доломитизированы до отложения сульфидов.

Ловеринг использовал при геотермометрических определениях в районе Гилмен различные методы, и полученные им результаты в целом согласовались с результатами изучения парагенетических взаимоотношений минералов. Ранние минералы образовались явно при наиболее высоких температурах, а температуры, определенные для минералов, кристаллизовавшихся одновременно, оказались близкими. В период рудоотложения температура вмещающих пород была ниже температуры образования собственно рудных минералов. Температуры рудоотложения и доломитизации определялись при изучении минеральных ассоциаций, структур распада твердых растворов, растворов FeS в ZnS, термоэлектрических потенциалов кристаллов пирита, газово-жидких включений и даже кривых свечения, полученных при измерении термолюминесценции минералов.

Судя по ассоциации минералов и парагенетическим соотношениям, руды района Гилмен образовались в условиях средних температур, соответствующих мезотермальной зоне Линдгрена, для которой характерна температура рудообразования 200—300° С. Теоретически наиболее ранние рудоносные растворы должны были бы быть и наиболее горячими (возможно, более 300° С), а последние их порции — такими же холодными, как окружающие породы. В кремнистых известняках и доломитах, вмещающих рудные тела, могли образоваться волластонит, тремолит, форстерит или диопсид, если бы температура достигла приблизительно 600° С. Поскольку силикатов кальция и магния в рудах нет, мы можем считать 600° С верхним температурным пределом для образования рудных месторождений района Гилмен.

Некоторые пары рудных минералов были использованы для оценки температур рудоотложения, основанной на структурах распада твердых растворов. Мелкие выделения халькопирита в высокотемпературных железистых сфалеритах свидетельствуют о температуре выше 350° С, но в некоторых маложелезистых сфалеритах включений халькопирита нет, несмотря на очевидную роль в составе растворов и железа и меди. Поэтому можно предположить, что температура упала ниже 350° С еще до образования наиболее позднего сфалерита. Ход рассуждений Ловеринга относительно других пар минералов, хотя и образовавшихся явно совместно, но тем не менее без структур распада твердых растворов, тот же. Так, по отсутствию в борните ранее растворенных в нем включений тетраэдрита можно заключить, что температура рудоотложения ниже 275° С, а по отсутствию в халькопирите аналогичных включений пирротина,— что она ниже 250° С. Для перечисленных минералов установлены следующие парагенетические пары: сфалерит — ранний халькопирит, тетраэдрит — борнит, поздний халькопирит — пирротин. Таким образом, согласно данным геотермометрии по структурам распада твердыхраство-ров, температура рудоносных растворов первоначально превышала 350° С и постепенно падала ниже 250° С. Кроме того, обнаруженные мелкие включения гессита (Ag2Te) в галените считаются результатом либо одновременного отложения этих минералов, либо распада твердого раствора. Гессит представлен низкотемпературной анизотропной модификацией, что свидетельствует об образовании этого минерала (или распаде твердого раствора) при температуре ниже 150° С. Парагенетическое положение гессита соответствует этому определению.

Значения, полученные при рассмотрении пары сфалерит — ранний халькопирит, были проконтролированы другим методом — определением содержания железа в том же сфалерите. По трем образцам были получены различные значения температуры — от 380 до 590° С. Поскольку в период кристаллизации сфалерита пирротин не отлагался, мы не можем составить отчетливого представления о соотношениях между железом и серой, что сильно снижает ценность полученных результатов. На основании того, что в известняках нет волластонита, а в сфалерите — включений халькопирита, Ловеринг считал начальную температуру отложения сфалерита равной 590° С; отложение сфалерита прекратилось при температуре несколько ниже 350° С.

Успех применения метода Смита, т. е. метода определения температур по пириту, в районе Гилмен не был полным. Согласно данным изучения парагенетических соотношений, существует ранний и поздний пирит, причем температура образования раннего пирита выше. Тем не менее для раннего пирита, предшествующего почти всем рудным минералам, определенные значения термоэлектрических потенциалов не во всех случаях оказались одинаково высокими. Если учесть, что этот пирит образовался еще до самого раннего сфалерита или одновременно с ним, значит температура его образования должна быть выше 500° С; однако в большинстве случаев электропроводность пирита свидетельствует о более низкотемпературных условиях. По определению методом Смита, образование самого позднего пирита относительно почти всех рудных минералов падает на температурный интервал 100—200° С, что больше отвечает действительности. Заниженные значения температуры для раннего пирита, вероятно, получены в связи с тем, что последний обладает очень тонкозернистой структурой и содержит многочисленные включения.

Температура доломитизации и температура, господствовавшая во вмещающих породах, определялись путем изучения жидких включений и по термолюминесценции. Температуры гомогенизации для двухфазовых (газово-жидких) включений в доломите позволяют предполагать, что гидротермальная доломитизация протекала при температуре выше 200° С и что максимальная температура несколько превышала 300° С.

Термолюминесценция, или «замороженная» фосфоресценция, — способность вещества светиться при нагревании. Это свечение связано с освобождением энергии электронов при переходе последних с более высоких энергетических уровней на более низкие. Каждый образец дает характерную «кривую свечения», т. е. кривую зависимости интенсивности люминесценции от температуры. У однажды нагретого образца термолюминесценция ослаблена, поскольку электроны остаются на более низких энергетических уровнях; образец не будет светиться при повторном нагревании, если запасы энергии не возобновятся при бомбардировке его радиоактивными частицами. Пики свечения известняков Гилмен соответствуют температурам 235 и 330° С. Ловеринг установил, что в доломитизированных породах первый пик отсутствует, второй же сохраняется повсюду, кроме участков, расположенных близ руд; на основании данных изучения термолюминесценции можно сделать вывод, что вмещающие породы были нагреты выше 235°, но не выше 330° С; эти цифры соответствуют температурам, определенным по газово-жидким включениям. Однако в тех случаях, когда образец нагрет до более низкой температуры, чем температура максимальной люминесценции, свечения может не быть. Следовательно, если нет пика при 235° С — это не значит, что породы были нагреты до температуры выше 235° С, так как пик мог исчезнуть и при температуре 150° С. Ловеринг предположил, что приведенные значения температуры соответствуют процессу дорудной доломитизации и что они не отражают температурных условий в тех же вмещающих цородах в период рудоотложения. В полосе пород мощностью до 40 футов, непосредственно прилегающей к рудам, подавлен также пик, соответствующий 330° С, вследствие нагревания пород рудообразующими растворами в период, следовавший за доломитизацией, до более высоких температур.

Возможны два варианта реконструкции истории гидротермального рудообразования в районе Гилмен. После предварительного этапа — доломитизации — при температуре, которая, возможно, превышала 300° С, а затем несколько уменьшалась, отлагались рудные минералы. Во-первых, вероятно, что отложение было непрерывным; оно началось кристаллизацией раннего пирита и мангансидерита при температуре около 600° С и закончилось образованием позднего пирита и самородного золота приблизительно при 100° С. Во-вторых, можно допустить существование двух обособленных стадий минерализации: ранней, высокотемпературной (>300° С), пирит-сфалеритовой и поздней, низкотемпературной (100—250° С), в течение которой образовались пирротин, халькопирит, тетраэдрит, борнит, галенит, гессит, поздний пирит и самородное золото. Какой бы вариант мы ни выбрали, парагенетические соотношения между минералами останутся теми же и любой из них будет соответствовать режиму закономерного падения температуры для процесса рудообразования в целом.

Близкие результаты были получены при проведении подобных исследований в других рудных районах. Эти исследования не только способствуют выяснению закономерностей гидротермального процесса и свойственных ему температурных условий, но и помогают приблизиться к решению других проблем. Например, с помощью геотермометрических методов, можно решить, является оруденение гидротермальным или сингенетическим. Дело в том, что при метаморфизме осадков или при низкотемпературном рудоотложении должна возникнуть какая-то ассоциация минералов; каждый минерал такой ассоциации образовывался при температуре метаморфизма. Подобные ассоциации отличаются от серий гидротермальных минералов, формирование которых происходит в широком температурном интервале.