Перенос и отложение рудного вещества гидротермальными растворами




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Перенос и отложение рудного вещества гидротермальными растворами

Перенос и отложение рудного вещества гидротермальными растворами

05.09.2017


Приведенное ранее обсуждение должно было ясно показать, что гидротермальные растворы не являются редкостью и широко распространены в земной коре. Действительно, вследствие взаимодействия между гидросферой и литосферой образование гидротермальных растворов должно быть правилом, а не исключением. Почему же тогда гидротермальные рудные месторождения столь редки и так малы? Причина заключается, по-видимому, в способах переноса и отложения металлов. Многие статьи настоящей книги являются красноречивыми свидетельствами ярких успехов, достигнутых за последние 25 лет в понимании механизмов переноса и отложения растворенного вещества. В последующих статьях эти вопросы разбираются столь детально, что здесь оправданно только самое краткое рассмотрение.
Большинство типичных рудных минералов представлено сульфидами, и все они обладают одним существенным свойством: их растворимость в воде крайне низка. Об этом осложнении знали давно, и предпринималось много попыток отыскать способ переноса одновременно значительных количеств металлов и сульфидной серы без преждевременного осаждения сульфидов. Более столетия назад транспортирующую роль приписывали «минерализаторам». Они обычно рассматривались как летучие компоненты, способные резко повысить растворимость строптивых рудных минералов, но затем исчезающие из поля зрения, что оставляло простор для всяческих спекуляций. Конкретных минерализаторов для каждого металла назвать практически нельзя, за некоторыми исключениями, например фтора, который участвует в переносе олова. Загадку решили примерно 20 лет назад, когда было показано, что необходимая растворимость может быть достигнута благодаря возникновению в растворе комплексных ионов. Комплексные ионы, в которых металл окружен, как экраном, лигандами, предотвращают выпадение сульфидов, тем самым способствуя переносу металла.
Наибольшее значение в гидротермальных растворах имеют, по-видимому, комплексные ионы двух родов. Первые содержат те самые частицы, которые затрудняли проблему переноса, — частицы серы в восстановленной форме. Если раствор очень богат серой, могут образоваться частицы типа Zn (HS)3 и HgS(H2S)2, способные переносить в растворе большое количество металлов. Ho в случае сульфидных комплексов возникает новая сложность: для предпочтительного образования таких комплексов концентрация сульфид-ионов в растворе (в отличие от более окисленных сульфат-ионов) должна значительно превышать концентрацию металлов. Многие анализы флюидных включений и состав флюидов в современных гидротермальных системах показывают, что отношение металл/сульфид-ион существенно ниже требуемого. В комплексах второго рода лигандом является хлор-ион. В обогащенных хлор-ионом растворах при подходящих условиях образуются комплексы типа ZnCl2 и СuСl3в2-, вполне способные переносить металлы в присутствии небольших концентраций сульфид-иона. Для образования хлоридных комплексов общая концентрация металлов в растворе должна намного превосходить содержание восстановленной серы, и в этом отношении результаты изучения флюидных включений и современных систем свидетельствуют в пользу хлоридных комплексов. Единственное осложнение, возникающее в случае хлоридных комплексов, связано с тем, что отложение сульфидов может, начавшись, продолжаться лишь до тех пор, пока не израсходуются запасы сульфид-иона. При отсутствии дополнительного источника сульфид-ионов большая часть растворенных металлов не сможет осадиться и войти в состав рудного тела.
Относительная роль двух упомянутых групп комплексов до сих пор служит предметом дискуссий. Конечно, временами в переносе могут участвовать и такие лиганды, как фтор-ион, гидроксил, сульфат-ион, карбонатные ионы, амин и органические комплексы, но по имеющимся сведениям роль хлоридных комплексов представляется более значительной. Основанием для такого вывода служат результаты изучения современных гидротермальных флюидов, например геотермальных рассолов Солтон-Си, состав флюидных включений и данные экспериментального изучения устойчивости различных комплексов. Мы уже видели, однако, что данные для гидротермальных систем обычно скудны и, следовательно, могут быть весьма непредставительными. Ho сведения накапливаются быстро, и на оставшиеся еще открытыми вопросы относительно переноса рудообразующих металлов мы, вероятно, получим ответы в ближайшем будущем.
Остался еще не рассмотренным вопрос о причине рудоотложения. К счастью, об отложении нам известно значительно больше, чем об источниках минерального вещества. Ho даже в этом случае мы сталкиваемся с неясностями. Осаждение может быть результатом по крайней мере четырех различных и совершенно независимых изменений раствора, и в любом данном растворе эти причины могут действовать одновременно в любых сочетаниях. Поскольку каждая из четырех рассматриваемых ниже причин может обусловить отложение одних и тех же минералов, мы редко оказываемся в состоянии указать главную причину осаждения.
1. Изменения температуры влияют на осаждение тремя путями: а) через произведения растворимости сульфидов и окислов; б) менее вероятно — посредством влияния на образование и устойчивость комплексных ионов, переносящих металлы; в) влиянием на константы гидролиза лигандов, например Cl-, входящих в состав комплексов. Таким образом, влияние температуры на растворимость оказывается достаточно сложным, но в настоящее время благодаря работам Хелгесона и других исследователей появилась возможность оценить (хотя подчас и со значительной долей неопределенности) суммарный эффект влияния различных факторов и рассчитать изменение растворимости данного минерала при повышении или понижении температуры. В большинстве случаев, хотя и не во всех, падение температуры обусловливает понижение растворимости и может вызвать осаждение рудных минералов, если раствор насыщен ими.
Хотя падение температуры способствует осаждению, для высаживания большого объема вещества из раствора требуется, вероятно, понижение температуры на 20°С или больше. Для формирования рудного месторождения падение температуры должно происходить на ограниченном расстоянии; это снова создает затруднение, поскольку необходимо найти механизм поглощения или причину потери достаточного количества тепла, чтобы вызвать заметное падение температуры. Анализировалось много возможных путей, включая эндотермические реакции между растворами и минералами, но, за исключением трех следующих случаев, эффекты оказались слишком слабыми для заметного снижения температуры.
Первый и, вероятно, наиболее значительный фактор снижения температуры — это смешение горячего восходящего раствора с массой холодных приповерхностных вод. Этот фактор может действовать не только в субаэральных, но и в субмаринных условиях, поскольку в той или иной мере смешение должно всегда происходить при излиянии гидротермального раствора на дно моря. Следующей причиной охлаждения является адиабатическое расширение, обычно называемое дросселированием. Быстрое падение температуры на ограниченном интервале произойдет в том случае, когда во флюиде, поднимающемся к земной поверхности, давление резко изменится от литостатического к гидростатическому. Третьим и, вероятно, наименее эффективным способом понижения температуры является отвод тепла во вмещающие породы. Этот механизм неэффективен в силу того, что потеря тепла будет совершаться на большом расстоянии, что приведет к рассеиванию оруденения.
2. Изменение растворимости может быть результатом простого изменения давления, но этот эффект, если он не сопровождается отделением газовой фазы, не имеет, вероятно, большого значения. Для заметного осаждения необходимы большие изменения давления, порядка 1000 бар, но существует очень мало ситуаций, когда такие большие перепады реализуются на ограниченном расстоянии. В качестве двух возможных примеров такого рода можно назвать образование золото-кварцевых жил при метаморфизме и формирование пегматитов.
Анализируя роль давления, уместно обратить внимание на значение в рудоотложении кипения — контролируемого давлением изотермического эффекта. Кипение влияет двояко: оно непосредственно повышает концентрацию раствора, но, что важнее, является механизмом удаления летучих компонентов из раствора, в связи с чем остаточный раствор становится более щелочным и менее способным переносить металлы.
3. Главной причиной осаждения должны быть химические реакции между раствором и породами, по которым он перемещается. Доказательством этого служит обычно наблюдаемая в полевых условиях связь руд определенного состава с характерными для них околорудными изменениями вмещающих пород.
Одни типы реакций взаимодействия растворов с вмещающими породами изучены довольно широко, а другие требуют еще приложения больших дополнительных усилий; таковы, например, процессы скарнообразования и грейзенизации. Тем не менее уже ясно, что существенную роль играют три различных типа реакций. Это, во-первых, реакции обмена ионов водорода из раствора на ионы из вмещающих пород. По имеющимся сведениям, гидротермальные растворы являются преимущественно слабокислыми, так что удаление из них ионов водорода (или, как обычно говорят, водородный метасоматоз вмещающих пород) будет снижать устойчивость хлоридных комплексов и способствовать осаждению сульфидов. К наиболее распространенным реакциям связывания ионов водорода относятся: а) растворение карбонатов и б) гидролиз полевых шпатов и темноцветных минералов с образованием слюд и глинистых минералов.
Второй важный тип реакций — поступление некоторых компонентов из вмещающих пород в раствор. Наглядным примером может служить вынос восстановленных форм серы, например H2S, или серы из пирита, образующего вкрапленность в черных сланцах. Добавление восстановленной серы вызывает немедленное осаждение сульфидов.
К третьему типу реакций с вмещающими породами относится изменение окислительно-восстановительного состояния раствора, приводящее либо к изменению валентности некоторых металлов, например меди, урана и ванадия, либо к изменению устойчивости некоторых комплексных ионов. Окислительное состояние раствора может изменяться под воздействием двух процессов, ведущих к восстановлению растворенных компонентов, — серпентинизации вмещающих пород и выноса из них органического вещества. Органические соединения играют особенно значительную роль, так как они могут влиять не только на валентность растворенных металлов, но и вызывать восстановление (SO4)2-ионa до H2S. По конечному эффекту это аналогично добавлению сульфидной серы из внешнего источника. В некоторых случаях оказывается возможной длительная транспортировка такого восстановителя, как метан (CH4), в одном гидротермальном растворе с (SO4)2-, несмотря на их крайнюю химическую несовместимость. Длительное метастабильное сосуществование сульфатной серы и потенциального осадителя сульфидов оказывается возможным вследствие очень малой скорости восстановления сульфат-иона метаном. Скорость восстановления сульфатов в ряде случаев может стать значительно больше под влиянием бактерий. Ho бактерии эффективно работают при температурах ниже ~ 80°С, так что их участие может сыграть существенную роль лишь при образовании низкотемпературных месторождений. Одним из возможных современных примеров такого процесса является осаждение сульфидов из гидротермальных растворов высокой плотности, изливающихся на дно Красного моря.
4. Обычной причиной рудоотложения, вероятно, служат химические процессы, возникающие при смешении двух растворов различного состава. Этот эффект, однако, крайне трудно идентифицировать, и даже тогда, когда есть достаточные основания предполагать смешение растворов, обычно невозможно отделить эффекты температурные от химических. Помимо изменения температуры при смешении в раствор может быть привнесен осаждающий компонент, например H2S, или кислотность и концентрация раствора изменятся таким образом, что это приведет к уменьшению устойчивости комплексного иона и, следовательно, к осаждению рудного минерала.