Урано-ванадиевые месторождения плато Колорадо

Урано-ванадиевые месторождения, расположенные на юго-западе США, в пределах плато Колорадо, в последние годы приобрели громадное значение. Несмотря на то что они известны с 1899 г., все геологические данные о регионе были более чем отрывочными вплоть до того периода, когда производство расщепляющихся материалов стало широко развиваться. Рассматриваемые месторождения распространены по всему водоразделу реки Колорадо в западном Колорадо, на востоке штата Юта, в северо-восточной Аризоне и на северо-западе Нью-Мексико (фиг. 15.1). Интенсивные поиски урана, проводившиеся в течение двух последних десятилетий, нашли свое отражение в многочисленных статьях, посвященных урановым месторождениям, однако в большинстве случаев авторы этих работ ограничивались детальным описанием отдельных месторождений и лишь некоторые из них ставили перед собой задачу рассмотреть регион в целом.

Техника поисков и разведки урановых месторождений отличается от поисков и разведки других полезных ископаемых благодаря особым свойствам урановых минералов и возможности оценивать степень радиоактивности на расстоянии. К наиболее обычным техническим средствам при поисках урана относятся сцинтилляторы и счетчики Гейгера, но также используют флюоресценцию минералов, производят анализы грунтовых и русловых вод, применяют электрогеофизические, стратиграфические, биогеохимические и геоботанические методы. Говоря о геоботанических методах, следует упомянуть, что некоторые виды Astragalus произрастают только на почвах, содержащих селен, а на плато Колорадо селен, как правило, является спутником урановых и ванадиевых руд.

Большая часть наиболее известных промышленных месторождений урана и ванадия приурочена к конгломератам Шинарамп, породам формации Чайнл, песчаникам Энтрада, известнякам Тодилто и породам формации Моррисон. Все перечисленные породы имеют триасовый или юрский возраст, но рудные месторождения встречаются также и в других мезозойских, а также палеозойских и третичных породах. Литологический состав рудовмещающих толщ довольно однообразный: это континентальные песчаники, алевриты, конгломераты и загрязненные примесями известняки.

Вмещающие породы залегают обычно горизонтально, но местами отмечается моноклинальное залегание и пологие антиклинальные складки, осложненные крутопадающими разломами. Между относительно безрудными главными структурными бассейнами района — Сан-Хуан, Юинта и Пайсанс — месторождения располагаются пучками. Известно описание региональной северо-западной структуры типа разлома или структурного шва, которая, по-видимому, является отражением глубинных магматических процессов и тектонических движений. Эта структура на поверхности выражена группами параллельных трещин и небольших разломов, а также цепочками интрузивных массивов. Тем не менее-размещение урановых месторождений, по-видимому, непосредственно не связано с этим элементом региональной структуры, но какая-то косвенная связь все же есть, поскольку тектоническая история влияла на осадконакопление, геоморфологию и магматическую активность. Косвенная связь выражается также в том, что рудные месторождения приурочены к приподнятым участкам между структурными бассейнами. В пределах плато Колорадо широко распространены соляные купола и интрузивные массивы различных типов — лакколиты, силлы, дайки, диатремы, вулканические жерла и некки, небольшие штоки, а также потоки лавы и пирокластические породы. Здесь представлены почти все главные типы изверженных пород, но более крупные массивы в большинстве случаев сложены породами кислого или промежуточного состава. Если не учитывать некоторые докембрийские батолиты, то все интрузивы, по-видимому, имеют ларамийский или более молодой возраст. Нет никакой возможности установить зависимость между пространственным распределением рудных месторождений и участками проявления магматической активности; исключение составляют те случаи, когда урановая минерализация тяготеет к диатремам и вулканическим структурам обрушения.

Очень многие рудные тела морфологически близки друг к другу вне зависимости от минерального состава, географического или стратиграфического положения. Ряд месторождений представлен небольшими неправильными телами типа межпластовых линз, которые разбросаны в пределах того или иного благоприятного горизонта вмещающих пород, а более крупные месторождения — плащеобразными рудными телами, ширина которых достигает нескольких сот футов, а мощность превышает 10 футов. Вытянутые рудные тела часто используют погребенные русла потоков и рек, где минерализация концентрируется в линзах, сложенных конгломератами. Минералы урана и ванадия обычно отлагаются в поровых полостях песчаников и конгломератов. Содержащиеся в этих породах фрагменты углеродистого вещества и ископаемых костей играют роль центров, способствующих образованию восстановительной среды, а сами фрагменты бывают замещены минералами с высокой концентрацией урана. Кроме того, в карбонатных породах встречается рассеянная метасоматическая рудная вкрапленность, а также инкрустация урановых минералов по небольшим трещинкам и плоскостям напластования в глинистых сланцах и известняках.

Главными рудными минералами рассматриваемого региона являются карнотит и тюямунит — продукты окисления первичных уранинита, коффинита [U(SiO4)1-x(OH)4x], роскоэлита [(Al, V)2*(Al+Si3)*(К, Na)O10(ОН, F)2] и монтроузита [VO(OH)]. Обнаруженные в ассоциации с ними другие первичные и вторичные минералы урана и ванадия слишком многочисленны, чтобы их здесь перечислять. В составе руд в незначительном количестве также присутствуют пирит, марказит, галенит, сфалерит, халькопирит, борнит, халькозин, ковеллин и многие другие сульфиды. Для урано-ванадиевых руд плато Колорадо характерно присутствие самородных селена и мышьяка, а также окисла молибдена — ильземанита (MO3O8*nН2O?). Руды, как правило, низкосортные и лишь в редких случаях в них содержится до 1% U3O8 и до 5% V2O5.

К локальным факторам контроля рудоотложения относятся проницаемость пород, способствующая циркуляции грунтовых вод, а наиболее существенную роль играет литологический контроль. Руды могут быть обнаружены вдоль долин, прорезавших древнюю эрозионную поверхность, в русловых песках или в песчаниках, переслаивающихся с глинистыми сланцами и аргиллитами. Пески со значительным содержанием известковистого материала могут быть избирательно обогащены ураном и ванадием. В отдельных случаях можно видеть, что определенную роль в рудоотложении сыграли системы трещин. Например, вблизи Галлана в Нью-Мексико месторождения тяготеют к тем участкам базального горизонта известковистых глинистых сланцев, где в подстилающем горизонте песчаников развиты секущие трещины.

Большинство геологов, изучавших плато Колорадо, отмечает роль окислительно-восстановительных процессов в переносе и отложении соединений урана. Уран и ванадий относительно хорошо растворимы, когда уран входит в состав шестивалентных бикарбонатных и трикарбонатных комплексов, а ванадий — в состав четырехвалентных комплексов. Согласно данным геохимических исследований, соединения этих металлов наиболее устойчивы в нейтральных и щелочных растворах со слабой восстановительной способностью, содержащих избыток CO2. Осаждение металлов происходит в восстановительной среде, которая, в частности, образуется в процессе реакции растворов с углистым веществом и H2S вмещающих пород.

Генезис и процессы концентрации руд — вот вопросы, вызывающие разногласия и остающиеся дискуссионными. Относительно генезиса руд существует четыре основные гипотезы.

1. Руды имеют сингенетичное происхождение; они отложились одновременно с осадками или на ранней стадии диагенетической цементации последних.

2. Уран и ванадий выщелачивались из туфов и вулканогенных пород, залегающих в кровле месторождений или образующих ряд отдельных горизонтов в составе рудовмещающих толщ.

3. В грунтовых водах растворялись металлы, присутствующие в ближайших гранитах или окружающих песках, которые отлагались в обстановке с благоприятными значениями Eh и pH, или в местах, где возникали препятствия для свободной циркуляции растворов.

4. Руды являются производными восходящих гидротермальных растворов, отделившихся от глубинного магматического источника.

Относительно сингенетической гипотезы разногласий уже нет, поскольку методами определения возраста по радиоактивности показано, что урановая минерализация значительно моложе вмещающих ее толщ. На ранних стадиях изучения месторождений геологи прежде всего обращали внимание на то, что структурного контроля оруденения здесь нет, что связь между литологическими особенностями пород и рудоотложением очевидна, что типичных гидротермальных минералов также нет (последнее заключение ошибочно, так как на всех первых рудниках разработка руд велась только в пределах зон окисления). Именно поэтому гипотеза о сингенетичности руд была первой из всех предложенных и до недавнего времени оставалась предметом ожесточенных споров.

Вблизи большинства урановых месторождений отмечены девитрифицированные вулканические пеплы, что говорит в пользу гипотезы, согласно которой предполагается вынос урана из пеплов метеорными водами. Подобная поразительная связь между рудами и вулканическими пеплами отмечена не только на плато Колорадо, но и в других районах распространения урановых месторождений подобного типа. Так, урановые месторождения Дакоты находятся в лигнитах, перекрытых бентонитами, причем лигниты играли роль осадителя урана, содержавшегося в нисходящих метеорных водах. Ho надо иметь в виду, что рудоносные песчаники Колорадо в большей степени способствовали рассеиванию циркулировавших грунтовых вод, в связи с чем для Колорадо необходимо допускать иной механизм концентрации полезных компонентов. Говоря о месторождениях Дакоты нельзя понять, почему уран и ванадий не адсорбировались на месте монтмориллонитом, образовавшимся в процессе девитрификации вулканических пеплов, а если они не адсорбировались, то и не могли быть выщелочены из бентонитов. Хостетлер и Гаррелс предположили, что рудоносные растворы были выжаты из туфов при уплотнении последних и что растворенные соединения урана и ванадия содержались в погребенных водах, которые выносились из туфов и попадали в более проницаемый горизонт песчаников. Иначе говоря, значения Eh и pH растворов не должны были меняться до тех пор, пока мигрирующие с растворами металлы не попадали, уже будучи в песчаниках, в восстановительную среду.

Вопрос о миграции и осаждении соединений урана более полно рассматривался защитниками гипотезы, согласно которой руды образовались в процессе циркуляции грунтовых вод. Вообще говоря, в этой гипотезе об источнике урана и ванадия вопрос не ставится, а подразумевается, что выщелачивание металлов происходило из прилежащих масс пород теми же грунтовыми водами в ходе их миграции. Грунер предположил, что бикарбонатные грунтовые воды выщелачивали уран из докембрийских магматических пород и переносили его во внутренние дренирующие бассейны, где он мог отлагаться под действием локальных восстановителей. Аридный или близкий к аридному климат, господствовавший в пределах плато Колорадо, должен был способствовать сохранению рудных минералов в благоприятных для оруденения горизонтах, а также постепенному увеличению содержания металла в руде. Таким образом, Грунер дал картину ритмичного, многократно повторявшегося процесса, каждый цикл которого включает миграцию и отложение металла. Окисление и выщелачивание металла из его источника протекали также в несколько этапов, что сопровождалось миграцией отдельных порций растворов в участки рудоотложения и последовательным накоплением в этих последних урана. Одновременно было высказано предположение, что восстановительная среда создается за счет сероводорода, а он в свою очередь образуется в результате жизнедеятельности в толщах вмещающих осадков анаэробных бактерий; этот фактор осаждения в равной мере действителен как в случае обычных грунтовых вод, так и в случае восходящих гидротермальных растворов. Восстановительная среда могла образоваться и в тех локальных участках, где были условия для диффузии растворов, содержащих органическое вещество и двигавшихся от какого-то источника, обогащенного углистым веществом. Слияние растворов с восстановительной способностью и растворов, содержащих окисленный уран, вызывало осаждение урановых минералов и увеличивало скорость диффузии ионов урана в сторону фронта реакции.

Можно привести многочисленные факты в поддержку гипотезы, в которой предусмотрены как вынос урана и ванадия восходящими гидротермальными растворами, так и последующее преобразование этих растворов, связанное с деятельностью грунтовых вод.

По данным разведки, на глубоких горизонтах месторождений типичные гидротермальные минералы — галенит, алунит, урановая смолка, герсдорфит (NiAsS), сфалерит, халькопирит и некоторые другие — образуют характерную ассоциацию. Полагают, что эта минеральная ассоциация, а также присутствие трещинных гидрокарбонатов свидетельствуют о необычно высокой температуре минералообразования, порядка 100—350° С. Важным доказательством протекавших здесь активных гидротермальных процессов следует считать изменение боковых пород. В ряде мест доломиты, глины и кварц, располагающиеся зонально, рассматривались в качестве продуктов гидротермального изменения, ассоциирующих с рудными месторождениями. Кроме того, о гидротермальном изменении вмещающих толщ свидетельствуют хромослюдистые глины (перекристаллизованные осадочные глины) и алунитизация. Широко распространенная молибденовая минерализация также, вероятно, может служить указанием на гидротермальное происхождение руд, поскольку другие молибденовые месторождения явно связаны с магматическими источниками. И, наконец, один из сильных аргументов в пользу гидротермальной гипотезы, во всяком случае относительно некоторых из рассматриваемых месторождений, — это связь руд по времени образования и в пространстве с проявлениями магматизма — диатремами, вулканическими жерлами и брекчиевыми трубками. Пробные определения абсолютного возраста дополнительно подтвердили эпигенетический характер оруденения, что позволило предположить одинаковый возраст оруденения и магматической активности.

Доказательства, приводимые в пользу различных гипотез их сторонниками, противоречивы и спорны. Большинство исследователей, по-видимому, придерживаются гидротермальной гипотезы, но вместе с тем они признают, что грунтовые воды и гипергенные процессы играли существенную роль в локализации руд и формировании тех или иных минеральных ассоциаций. В настоящее время в районе ведутся большие работы — как горнотехнические, так и геологические, в ходе выполнения которых накапливаются новые и новые факты. Весьма возможно, что скоро мы получим убедительные доказательства в пользу той или иной гипотезы генезиса оруденения. Они сыграют решающую роль при оценке перспектив оруденения на глубоких горизонтах и, вероятно, помогут объяснить существующие в настоящее время противоречия в вопросе о генезисе месторождений меди, свинца и серебра, связанных с песчаниками.