Месторождение Брокен-Хилл, штат Новый Южный Уэльс (Австралия)

Иной тип гипотермального месторождения представляет собой Брокен-Хилл (крайняя западная часть Нового Южного Уэльса) (фиг. 12.5). Брокен-Хилл с 1883 г. — один из основных районов мира, где добываются свинец, цинк, серебро (между прочим, первоначально в 1883 г. он был ошибочно заявлен как оловоносный); за все время эксплуатации здесь получено продукции более чем на миллиард долларов. В этом горнорудном районе ежегодно добывается свыше миллиона тонн руды, а запасы его разведанной руды регулярно поддерживаются на уровне 12—13 млн. т. В среднем руда содержит около 15% свинца, 12% цинка и 5 унций серебра на тонну. Кроме этих металлов, рудники Брокен-Хилла ежегодно добывают около 60 000 т серной кислоты, около 200 т кадмия и в небольшом количестве золото, сурьму, медь и кобальт.

Район Брокен-Хилла изучен многими опытными геологами; опубликованы прекрасные работы, в которых всесторонне освещается его геология. Район расположен в полуаридной области песчаных равнин и суровых скалистых хребтов. Он сложен докембрийскими породами, которые непосредственно на участке месторождения интенсивно перемяты.

Докембрийские породы расчленяются на две серии, известные под названием серий Вильяма и Торрованги, которые разделены региональным несогласием. Серия Вильяма (вероятно, нижнедокембрийская) первично представляла собой мощную толщу песчаников и сланцев. Перед процессом метаморфизма или, возможно, во время этого процесса осадочные породы были интрудированы пегматитами и силлами гранитов и габбро. Региональный метаморфизм превратил породы этого комплекса в силлиманит-биотит-гранатовые гнейсы, серпентиниты, итабириты, гранулиты, кварциты, очковые гнейсы, амфиболиты и серицитовые, андалузитовые, роговообманковые и ставролитовые сланцы. Пегматиты образуют разнообразные тела: от больших массивов до невыдержанных прожилков и послойных метасоматических тел или инъекций. Эндрюс отметил, что рудоносная зона совпадает с центролинейным поясом максимальной интенсивности метаморфизма.

Серия Вильяма несогласно перекрывается мощной толщей протерозойских осадочных пород, которые включают глинистые песчаники, кварциты, сланцы, известняки, конгломераты и несколько типов ледниковых отложений. Эти перекрывающие породы и составляют серию Торрованги. Местами в нижней своей части серия Торрованги метаморфизована, но в общем «послевильямский» метаморфизм проявился слабо.

Региональная структура района определяется сложными неправильными мульдами, разделенными гребнями и крутыми антиклиналями, к которым приурочены зоны интенсивной пластической деформации и дробления. Породы серии Вильяма, очевидно, были глубоко погребены, подвергнуты интенсивному прогреву и ориентированному давлению. Деформация, по-видимому, наиболее интенсивно проявилась в слабых, пластичных слоях; между слоями более компетентных пород пластичные слои сильно сплющены и смяты в резкие складки. В этот период породы были метаморфизованы и мигматизированы; тогда же сформировалась вся масса гранитогнейсов, аплитов и пегматитов, в большинстве случаев, очевидно, в результате гранитизации. Ультраосновная интрузия произошла почти в самом конце орогенического периода, а еще позднее образовались диабазовые дайки.

Рудная зона Брокен-Хилла приурочена к одной из узких зон интенсивной складчатости — сплющивания и скалывания. Она располагается между сложной мульдой на востоке и широкой антиклиналью на западе. На протяжении 3 миль меридиональная полоса массивной железной шляпы очерчивает коренной выход рудной зоны, которая в обе стороны погружается под современные отложения. Простирание этой рудной зоны север-северо-восточное, согласное с простиранием метаморфизованных осадочных пород. В этом районе серия Вильяма сложена сильно перемятыми силлиманит-гранатовыми гнейсами, а также маломощными пластами кварцитов и многочисленными смятыми в складки силлами очковых гнейсов (гранитов), амфиболитов (габбро) и пегматитов. Здесь также представлены постскладчатые дайки пегматитов, гранитов и пегматитов. Молодые пегматитовые дайки образовались после значительной эрозии и, как полагают, вскоре после этого поднялись рудоносные флюиды. Складкообразование в рудной зоне и близ нее проявилось интенсивно, что нашло свое отражение в исключительно сложных текстурах, обусловленных пластической деформацией (фиг. 12.6 и 12.7). Все складки изоклинальные и глубокие с почти вертикальными крыльями. Региональное погружение складок в общем южное, хотя северный фланг зоны круто погружается к северу. Здесь развиты также складки второго порядка, ориентированные под углом к главным структурам и вызывающие резкие изменения углов падения и неодинаковое погружение соседних складок. Вертикально погружающиеся флексуры, или перегибы, как и зоны дробления, пересекают и смещают главные складки; эти осложнения возникли в процессе постскладчатых дорудных сбросовых подвижек.

Рудоносная зона фактически представляет собой залежь сложного строения, образованную двумя или более замещенными сильно перемятыми пластами гнейсов, залегающими близко один над другим. Она состоит из массивных свинцово-цинковых сульфидных тел, которые до эрозии образовывали длинную, непрерывную ленту неправильной формы, шириной 2000—3000 футов по вертикали и изменчивую по мощности. В продольном разрезе рудная залежь представляется пологой дугой, погружающейся в обе стороны (фиг. 12.8). Главные рудные залежи образовались путем избирательного замещения двух сближенных, интенсивно дислоцированных горизонтов (фиг. 12.9). Каждая залежь, или линза, отличается от другой по составу жильных минералов и соотношению металлов. Для линзы № 2 (верхней) характерны кальцит, бустамит [(Mn, Ca) SiO3], волластонит и низкопреломляющие родонит и геденбергит.

В отличие от этой линзы линза № 3 (нижняя) содержит флюорит, гранат, родонит и пироксмангит [(Mn, Fe) SiO3], из которых три последних отличаются относительно высокими показателями преломления. В обеих линзах присутствуют общие минералы; к ним относятся гранаты с низкими или средними показателями преломления, а также кварц, калиевый полевой шпат, апатит, рутил и ряд редко встречающихся минералов. Кроме того, в нижней линзе отношение цинка к свинцу и серебра к свинцу повышается по сравнению с верхней. Родонита также больше в нижней линзе, чем в верхней. На южном фланге рудного поля имеется несколько рудных горизонтов, залегающих выше рудной линзы № 2 и близких по минеральному составу к нижележащим рудным телам.

Руда Брокен-Хилла разрабатывается в основном как сфалерит-галенитовая, но в ней также содержится в небольшом количестве тетраэдрит, пирротин, марказит, халькопирит, арсенопирит, лёллингит, дискразит (Ag3Sb), пираргирит, гудмундит (FeSbS) и кубанит (CuFe2S3). Стилуэлл сообщает о редких находках многих других минералов, в том числе вольфрамита, шеелита, молибденита, кобальтина, пирита, станнина, брейтгауптита (NiSb), никелина, борнита, джемсонита, самородного золота и самородной сурьмы. Эта минеральная ассоциация до некоторой степени необычна в том отношении, что она, по-видимому, отвечает образованиям очень широкого температурного диапазона. Арсенопирит, пирротин, вольфрамит и кобальтин — типичные гипотермальные минералы; тетраэдрит, борнит и джемсонит обычно характерны для мезотермальных месторождений и, наконец, пираргирит и марказит типичны для эпитермальной зоны. Парагенезис этих минералов непонятен, что еще более усложняет излагаемую ниже проблему. Согласно данным микроскопического изучения, сульфиды образовывались после главных жильных минералов, а пирит и арсенопирит отложились до минералов цинка, свинца и серебра. Рамдор, однако, полагает, что эти взаимоотношения минералов обусловлены послерудной перекристаллизацией в процессе метаморфизма. Если Рамдор прав, то руды можно относить к метаморфизованным эпитермальным образованиям или, как утверждают Кинг и Томсон, к метаморфизованным сингенетическим. Геотермометрические исследования не разрешат этого противоречия, потому что руды должны оказаться высокотемпературными независимо от того, являются ли они гипотермальными или метаморфическими. Если месторождение относится к гидротермальным, то, судя по структурам распада твердого раствора халькопирит-кубанит, температура рудоотложения превышала 400—450° С; в то же время полагают, что если связывать изменение сурьмы с процессом метаморфизма, то частичное оплавление сурьмы должно свидетельствовать о температуре порядка 630° С. Низкотемпературные минералы типа пираргирита и марказита могут быть супергенными образованиями, и тогда рассматриваемая проблема происхождения месторождения сильно упрощается. Хотя каждая линза имеет характерную, присущую только ей, минеральную ассоциацию, рудные тела в общем удивительно однообразны на всем протяжении рудной зоны. Представляется, что различия между рудными линзами обусловлены различиями в первичном составе вмещающих пород, а не явлением зональности. Возможная гипогенная зональность отразилась в небольшом увеличении концентраций пирротина и арсенопирита по направлению к южному флангу зоны, что, вероятно, можно связать с миграцией рудоносных флюидов, шедшей с юга вверх по линии погружения зоны.

Изменения боковых пород не интенсивны, но вместе с тем трудно найти место, где бы руда непосредственно соприкасалась с относительно неизмененными гнейсами. Отдельные участки гнейсов около рудной зоны окварцованы, гранатизированы или серицитизированы. Если биотит и силлиманит замещены серицитом, то вмещающие породы осветляются. Наиболее широко распространены процессы окварцевания. В случае глубокого окварцевания гнейсы приобретают вид тонкозернистых кварцитов.

Вокруг генезиса руд Брокен-Хилла развернулась дискуссия между представителями двух школ; представители одной из них доказывают гидротермальное происхождение месторождения, а представители другой — сингенетичное. Согласно гидротермальной гипотезе, руда Брокен-Хилла была образована горячими флюидами, которые, перемещаясь снизу вверх вдоль шарниров складок, замещали два или более благоприятных стратиграфических горизонта; в этом случае складкообразование и метаморфизм должны были произойти до рудообразования. Другая гипотеза заключается в том, что руды были отложены одновременно с вмещающими породами как морские химические осадки и затем в процессе метаморфизма они претерпели смятие и перекристаллизацию. И при сингенетическом происхождении руда может обладать структурами замещения, так как при метаморфизме вещество руды может быть мобилизовано и переотложено или под давлением перемещено в пластичном состоянии от крыльев складок к их замкам. Как та, так и другая гипотеза поддерживаются крупными геологами, знакомыми в деталях с геологией района. Вместе с тем ни один из них не в состоянии ответить на все вопросы с позиций защищаемой им гипотезы.

Сингенетическая гипотеза, предложенная Кингом и Томсоном, относительно нова для Брокен-Хилла. Сторонники более ранних теорий, связывающие рудообразование с интрузивным или метаморфическим процессом, доказывали, что руда генетически связана с описанными выше гранитами и пегматитами. Ho Кинга и Томсона поразила выдержанность линз № 2 и 3, в которых содержатся различные минеральные ассоциации, несмотря на стратиграфическую близость обеих линз. Они считали, что избирательное замещение двух благоприятных пластов двумя различными потоками рудных флюидов (что сказалось на отношениях Zn : Ag : Pb) на протяжении 3,5 мили сильно перемятых пород не могло быть столь совершенным. Продвижение рудоносных флюидов вдоль узкой зоны — несомненно загадка, ибо трудно представить себе механизм перемещения столь больших количеств раствора по зоне замещения длиной 3 мили. В связи с этим Кинг и Томсон предположили, что руды отложились вместе с породами серии Вильяма, позднее они претерпели смятие, метаморфизм и гранитизацию. Эта интерпретация подкреплена данными абсолютного возраста, основанными на отношениях свинцовых изотопов в галенитах, которые указывают, что основная масса свинца образовалась 1400—1600 млн. лет назад и что она не испытала сложных геохимических превращений за время, предшествующее отложению. Однако часть руд обнаружила аномальный возраст, откуда следует, что по крайней мере часть минерализации является эпигенетической.

Густафсон отметил, что есть вопросы, которые не разрешает гипотеза сингенетичного происхождения; среди них отнюдь не последнее место занимает вопрос об источнике металлов. Густафсон возражал против дометаморфического времени минерализации, поскольку на рудных и жильных минералах нет следов воздействия ориентированного давления. Данные микроструктурного изучения жильного кварца подтвердили вывод Густафсона, согласно которому рудоотложение происходило после метаморфизма. Точка зрения Густафсона находит свое подтверждение также и в том, что сульфиды замещают некоторые постметаморфические дайки. Вдали от руды дайки свежие, они отчетливо пересекают метаморфизованные породы, но по крайней мере в одном руднике установлено, что дайки уралитизированы и минерализованы.

Сторонники представления о гидротермальном происхождении руды считают, что рудообразование контролировалось как химическим составом вмещающих пород, так и их структурными особенностями. Приуроченность оруденения к замкам складок объясняется повышенной проницаемостью этих зон, и поэтому они могли служить подводящими каналами для рудоносных растворов, мигрировавших снизу вверх вдоль линии погружения зоны. Вместе с тем локализация оруденения обусловливалась возобновлением трещинообразования в благоприятных пластах в период рудоотложения. Смятие слабых пород между более прочными породами приводило к образованию неправильных седловидных структур, которые близко параллельны первичной слоистости. В соответствии с гидротермальной теорией руды отложились в этих зонах максимальной деформации.

Пока не будет решен вопрос об источнике металлов, относительно генезиса руд Брокен-Хилла споры не прекратятся. Нет сколько-нибудь убедительных данных о связи оруденения с глубинным магматизмом, как нет данных и об источнике сингенетичных металлов. Фактический материал скорее свидетельствует в пользу более позднего рудообразования относительно периода метаморфизма серии Вильяма, в связи с чем гидротермальная теория в настоящее время пользуется наибольшей популярностью. Представляет затруднение еще один вопрос, связанный с классификацией Брокен-Хилла, поскольку в состав его руд входят как высоко-, так и низкотемпературные минералы. Преобладают, однако, высокотемпературные минералы, которые по своим особенностям относятся к типичным гипотермальным. Брокен-Хилл — это огромное незональное месторождение, образованное в результате замещения боковых пород. Более того, месторождение ассоциирует (и вероятно, генетически связано) с пегматитами замещения, что свидетельствует о глубинной и высокотемпературной обстановке рудообразования. Допуская возможность того, что некоторые низкотемпературные минералы могут быть вторичными, более обоснованной представляется гипотеза гидротермального происхождения Брокен-Хилла, что позволяет классифицировать это месторождение как гипотермальное.