ГлавнаяКоличество гидротермального флюида, прошедшего через породу, можно оценить достаточно просто. Примем, что тепло интрузива целиком расходуется на циркулирующий флюид; например, кондуктивный перенос равен нулю. Тогда
флюида, циркулирующего сквозь плутон за время его остывания от некоторой температуры T до температуры окружающей среды T0, a AHx и AHr — соответственно энтальпии реакций кристаллизации и гидролиза. Отношение массы измененной породы к массе первоначальной породы Мr/М принято равным 0,5; в таком случае
Подставляя значения С = 0,26 кал/(г*°С), Cf = 1,3 кал/(г*°С), T0 = 80° С, T = 950° С, AHx = 50 кал/г и AHr — 45 кал/г, получим величину отношения флюид/порода Mf/M = 0,28. Эта аппроксимация показывает, что на каждый грамм породы плутона требуется для рассеивания аномалии за счет конвективного теплопереноса в среднем 0,3 г гидротермального флюида. В плутоне, характеризующемся однородной проницаемостью, каждый грамм магматической породы будет взаимодействовать с 0,3 г флюида. Это эквивалентно атомному кислородному отношению 0,4, сравнимому со значениями предсказанных отношений на основании измерений b18O. В случае неоднородной проницаемости изменятся только величины локальных отношений флюид/порода; уравнение (12.19) не зависит от проницаемости к.
Для участков рудных месторождений следует ожидать неоднородной проницаемости среды; действительно, это наблюдается там, где распространение метасоматитов и руд контролируется несколькими протяженными структурами. В локальных участках вдоль путей фильтрации отношение флюид/порода может достигать вследствие этого эффекта величины 100 : 1. Тем не менее, с общей точки зрения, различная проницаемость просто влияет на увеличение или уменьшение потока флюида и, следовательно, теплового потока. В результате период остывания становится соответственно короче или длиннее и никаких значительных колебаний в отношениях флюид/порода не происходит. Исключение могут составлять условия некоторого нижнего предела проницаемости, при которых преобладает кондуктивный теплоперенос. В работе Нортона рассматривались положения о путях движения флюидов и об их источниках. Рассмотрим существующие при этом условия для определенных участков системы.
Прохождение конвектирующего флюида через тепловое поле с максимальными изменениями температур вдоль линий тока, которые проходят внутри источников тепла или следуют вдоль их границ, составляет главную особенность процесса рудоотложения. Процессы водной ионной диффузии, необратимые реакции между водными флюидами и минералами, равновесное отложение продуктов метасоматических изменений, ассоциация и диссоциация металлохлоридных комплексов, обмен изотопов кислорода, сдвиги отношения Rb/Sr и отложение сульфидов — все это прямо или косвенно зависит от условий давление — температура вдоль пути фильтрации раствора. Эти параметры находятся в самой непосредственной связи с общим изменением пород, и для участков вдоль средней линии тока флюидов возможна оценка процесса отложения сульфидов, поскольку в любой точке окружающей плутон среды величина давления определяется при интегрировании уравнения (12.1):
В этом уравнении плотность и вязкость флюида функционально связаны с температурой и давлением, тогда как поток флюида q и проницаемость к зависят от пространственного положения в системе. Расчеты давления, выполненные подобным образом для моделируемого плутона (рис. 12.2) для периода времени 20 000 лет и линии тока W = 2, позволяют определить условия вдоль пути течения флюида. Порция флюида проходит полный круг в конвективной системе приблизительно за 150 лет; в течение этого времени температура и давление меняются крайне незначительно на участке этого пути. Следовательно, систему в интервале времени, равном периоду прохождения флюида по кругу, в целях дальнейшего обсуждения можно рассматривать как находящуюся в квазистационарном состоянии. Главное изменение условий во времени в произвольной, фиксированной в пространстве точке на пути движения потока состоит в уменьшении температуры. Расчет давлений в модельной системе, исходя из уравнения (12.20) и использованных в модели значений различных параметров, показал, что давление с глубиной увеличивается и приближается к гидростатическому в конвективной системе. Изменения параметров вдоль линии тока с учетом давления рассматриваются чисто качественно, за исключением свойств флюида, приведенных в табл. 12.4. Учет давления приобретает значение, лишь когда флюид переходит в надкритическую область системы H2O вследствие влияния давления на свойства воды-, которые непосредственно воздействуют на реакции между растворами и породой и на скорость течения флюидов. Таким образом, выводы, касающиеся химического массопереноса вдоль отрезка 3—4 (рис. 12.2) на линиях тока, следует рассматривать как качественные оценки.
По мере движения флюида вниз и в направлении контактовой зоны плутона с вмещающими породами (отрезок 1—2, рис. 12.2) происходит возрастание температуры и давления до тех пор, пока флюид протекает ниже довольно высокотемпературной флюидной колонны, связанной с кровлей плутона. Высокотемпературная зона с пониженной плотностью флюида способствует созданию зоны чуть меньших давлений на глубине. Флюид, мигрирующий из точки 1 в точку 2, будет стремиться отложить минеральные фазы метасоматического замещения породообразующих силикатов и сульфатов и одновременно будет стремиться к недонасыщенности в отношении сульфидов различных металлов. Тем не менее необратимое расходование ионов водорода в результате взаимодействия флюида с породой совместно с эффектом буферирования жидкой фазы гидротермальным биотитом приводит к локальному отложению пирита и халькопирита. Следовательно, сульфидные руды в этой области должны быть тесно пространственно и во времени связаны с образованием силикатных метасоматических фаз. Значительное возрастание массы потока флюидов вследствие 10-кратного падения вязкости флюида осуществляется в областях высоких температур и низких давлений.
Дальнейший путь флюида лежит через контакт плутона с вмещающими породами и внутрь плутона, и тем самым он становится приуроченным к зоне примерно постоянного давления и возрастающих температур (стадия 2—3). На всем отрезке 1—3, испытывающем разворот в поперечном направлении, уменьшение диэлектрической постоянной H2O способствует увеличению стабильности водных ионных комплексов и приводит к возрастанию растворимости минеральных фаз. Это возрастание частично уравновешивается за счет увеличения коэффициентов активности ионов как следствия изменения параметров Дебая — Хюккеля при постоянной ионной силе вдоль пути движения в температурном интервале от 500 до 640° С, тогда как в интервале от 375 до 500° С происходит снижение коэффициента активности в результате противоположно направленных изменений.
Течение вверх через плутон и далее в вышележащие вмещающие породы (стадии 3—4—5) оказывается связанным с уменьшающейся устойчивостью водных металлохлоридных комплексов и снижающейся растворимостью сульфидных минералов. В этих зонах должны находиться крупные массы сульфидов, отложенных в результате падения температур, в противоположность отложению, вызванному метасоматическими реакциями, происходящими на отрезках 1—2—3. В это время растворимость фаз метасоматического изменения возрастает (табл. 12.5) вследствие увеличения констант равновесия и одновременно снижается за счет необратимых реакций, которые стремятся израсходовать находящийся в этой области водород.
Эти колебания вдоль рассмотренной линии тока служат указанием на то, что общая черта конвективного потока вокруг магматических плутонов состоит в локализации гидротермально измененных и сульфидных фаз в соответствии с меняющимися условиями давления и температуры, необратимыми и обратимыми реакциями между раствором и породами и ассоциацией или диссоциацией водных ионов. Такие взаимосвязанные процессы свидетельствуют о возможности образования рудных минералов на боковых контактах плутонов или около них, а также вблизи верхних контактов и отражают важное значение конвективной циркуляции гидротермальных растворов. В частности, химические реакции и условия, господствующие в области бокового втекания в магматическое тело, благоприятствуют отложению метасоматических силикатных фаз, например каолинита, серицита, калиевого полевого шпата и биотита. Равновесность этих фаз с циркулирующим раствором в свою очередь благоприятствует отложению пирита и халькопирита. Взаимозависимость реакций, идущих с образованием сульфидов и силикатов в области втекания в тело плутона, позволяет предполагать, что тесная пространственная и временная ассоциация соответствующих фаз должна реализовываться в аналогичных зонах и в природе. Условия вблизи зоны истекания (верхний контакт) способствуют растворению силикатных фаз и вызывают отложение сульфидных фаз. Можно предсказать, что в области истекания флюидов некоторая часть сульфидных минералов будет развита в системах протяженных трещин без непосредственной ассоциации с метасоматическими силикатными фазами.
Эволюция гидротермальных систем во времени на самом деле представляет собой более сложный процесс, чем это следует из модели простого течения. Так, и теория химического массопереноса, и натурные наблюдения над частично заполненными каналами течения определенно указывают на возможность незакономерных колебаний во времени величин проницаемости пород. Интрузивная масса до кристаллизации, очевидно, непроницаема, хотя данные о степени проницаемости пород и ее изменениях отличаются наибольшей неопределенностью из всех данных, полученных при изучении рудных месторождений.