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
         » » Примеры изучения состава флюидных включений и их геологическая интерпретация

Примеры изучения состава флюидных включений и их геологическая интерпретация

12.09.2017

Сопоставление публикуемых аналитических данных затруднительно из-за различных способов их выражения разными авторами, за исключением тех данных, которые выражены в 10в4 млн-1 хлора. Существует три основных типа, к которым относятся аналитические данные: анализы, выраженные только в виде отношений нескольких ионных форм; анализы водных вытяжек из включений, когда количество воды во включениях остается неизвестным или оно может быть лишь грубо оценено и, следовательно, остаются неизвестными и концентрации в растворе включений; количественные анализы, в которых определены и вода, и ионы, что позволяет представить анализ в форме реального состава флюида включений.
Пегматиты и кварцевые жилы. Несмотря на то что эти образования могут генетически отличаться от нормальных гидротермальных жил, значительная часть имеющихся в литературе химических анализов флюидных включений относится именно к таким образцам. Рассмотрен обширный список минеральных образований — от кристаллов кварца и других минералов камерных зональных пегматитов до жил, линз и гнезд массивного молочного кварца, столь характерных для метаморфических формаций низкой ступени метаморфизма. Вполне вероятно, что может существовать непрерывность между такими жилами безрудного кварца и золото-кварцевыми жилами, ассоциированными с метаморфическими породами низкой ступени метаморфизма. Величины суммарной концентрации солей колеблются в пределах почти двух порядков величины (от 0,4 до 40 вес.%); так же значительно меняются и отношения многих компонентов. Основным катионом является натрий. Атомное отношение Na/K = 2/70. Возможно, это отношение в основном отражает состав соосаждающихся или сосуществующих полевых шпатов вмещающих пород. Данных, связывающих эти соотношения, очень мало; наиболее интересны данные, опубликованные Поти и др. по минералам альпийских жил, и результаты, полученные Вайсбродом и Поти по пегматитам Майерс.
Величины отношений Ca/Mg и Cl/SO4 колеблются еще больше, чем отношение Na/K. В анализах водных вытяжек из раздробленного и растертого минерального материала даже очень небольшая примесь сульфидов из-за окисления при выщелачивании может привести к значительному увеличению найденного значения SO4в2-. Поэтому величину концентраций SO4в2-лучше всего считать максимально возможной в каждом рассматриваемом случае. Концентрация HCO3- в некоторых анализах значительно выше концентрации Cl-. Однако НСО3 не всегда определяют, и различие между НСО3 и свободной CO2, выделившейся при дроблении в жидкости, не представляется ясным. Свободная CO2 — распространенный компонент, зависимый от основного состава вмещающих пород.
На основании всестороннего оптического изучения фаз, присутствующих во включениях в пегматитовом кварце, можно полагать, что валовой состав может меняться значительно сильнее, чем это указано выше, и что в некоторых специфических образцах концентрация отдельных анионов и катионов может быть очень высокой. Так, во включениях в минералах пегматитов многократно наблюдались и даже детально исследовались довольно крупные кристаллы NaCl и KCl (несмотря на неоднократное цитирование утверждения, согласно которому в минералах пегматитов такие фазы не встречаются). Можно надеяться, что наконец удастся связать такие флюидные включения в пегматитах с аналогичными включениями в ассоциированных с пегматитами метаморфических породах.
В неожиданном количестве кварц и даже такие силикатные минералы, как топаз, образуют минералы-узники, или они кристаллизуются на стенках некоторых включений, а при нагревании могут быть снова растворены. Некоторые включения в гранитах приближаются к водно-солевым силикатным расплавам при достижении температур гомогенизации. Во включениях минералов пегматитов России установлен ряд минералов-узников, по составу представляющих собой фториды, хлориды и бораты, причем не только галит и сильвин, но также эльпасолит K2NaAlF6, криолит Na3AlF6, флюорит, флюобораты группы авогадрита-ферручита [(К, Cs) BF4 — NaBF4], типлеит Na2B2O4*2NaCl*4Н2O, караколит (~РbOНСl*Na2SO4) и многочисленные, вызывающие сомнения или неопределенные фазы, указывающие на высокие концентрации отдельных ионов. Более концентрированные растворы, как правило, обогащены хлоридами, и в них содержатся отдельные, еще не названные новые фазы хлоридного состава, в том числе FeCl2*2Н2O, и хлорид цинка и алюминия.
Типичные гидротермальные месторождения. Суммарная концентрация солей в растворах включений из нормальных (т. е. «магматогенных») гидротермальных месторождений колеблется от <1 до >50 вес. %.. Только для сравнительно небольшого количества химических анализов имеются надежные определения содержания воды. В то же время на основании данных криометрических исследований многих месторождений установлено, что большая часть рудных флюидов соответствует всего лишь от 0 до 5 вес. % эквивалента NaCl. В большей части гидротермальных месторождений кристаллов минералов-узников хлоридно-натриевого состава нет, что указывало бы на 30, 40 или даже на 50%-ную концентрацию солей. То же характерно и для многих меднопорфировых и также некоторых эпитермальных месторождений. Для последних часто предполагают, что это является следствием приповерхностного вскипания рассолов. Однако, поскольку количество воды, которое может быть потеряно при вскипании вследствие простого падения давления, очень ограниченно, существенное возрастание концентрации солей под действием вскипания может быть только при нагревании более или менее стационарного флюида. Данные такого рода, получаемые по включениям, весьма ценны, поскольку даже при незначительном масштабе вскипание может привести к существенным изменениям химии флюидов и к осаждению руд.
Составы флюидов и температуры гомогенизации могут изменяться во времени и пространстве в пределах рассматриваемого месторождения. Несмотря на то что для многих месторождений показано общее снижение обеих величин в процессе рудоотложения, имеются отклонения в обратную сторону. Изменения в пространстве наиболее проявлены в обширных районах и особенно на меднопорфировых месторождениях, где в центральных зонах обычно находятся включения с высокой минерализацией и высокой температурой, тогда как включения из периферической части месторождений характеризуются значительно более низкими соответствующими величинами.
В то время как выполнено большое количество термометрических измерений включений из материала типичных гидротермальных месторождений, описанных образцов с достаточно точными и полными химическими анализами существует сравнительно мало. Заметим, что как методы очистки и экстракции, так и аналитические методики исследования включений должны подбираться в соответствии с исследуемыми образцами, но часто об этом даже не говорится. При изменениях минерализации растворов включений будут происходить и значительные изменения концентраций отдельных компонентов. По этой причине при сравнении аналитических данных лучше всего пользоваться отношениями компонентов. В табл. 14.2 представлены три наиболее важных отношения (атомные величины) — Na/K, Ca/Mg, Cl/SO4, рассчитанные по данным наиболее полных опубликованных анализов по включениям из ряда районов. Подобные данные для значительно большего круга месторождений, включая мышьяково-сурьмяные, исландского шпата, ртутные, баритовые и др. месторождения, можно найти в работе, табл. 3.6. Для большинства месторождений отношение Na/K, вероятно, контролируется реакциями изменения вмещающих пород. Однако нелегко выявить различия между изменениями, происшедшими в самих флюидах и связанными с различным минералогическим составом и степенью проработки боковых пород. Кроме того, в суждениях об одновременности образования того или иного флюида и минеральной ассоциации вмещающих пород обычно очень много неопределенного.
Отношение Ca/Mg имеет прямое касательство к различным реакциям изменения вмещающих пород, серицитизации плагиоклазов, хлоритизации пирибола, доломитизации с теми же ограничениями. Концентрации кальция в анализах водных вытяжек из флюоритов, без сомнения, максимальны вследствие выщелачивания самого минерала.
Основной анион хлор преобладает обычно в 2—10 раз, хотя изредка определяется и может преобладать ион НСО~3, особенно в ртутных месторождениях. (Свободная CO2 присутствует в виде самостоятельной фазы в некоторых ртутьсодержащих растворах) Концентрации SO4в2- (в действительности концентрации общей серы в форме SO4) в анализах включений из сульфидных минералов единственно ценны как максимальные величины ввиду окисления сульфида даже при быстром выщелачивании. Очень редко и обычно в низких концентрациях во включениях обнаруживается сероводород. Информация о количественных соотношениях различных форм серы представлялась бы очень интересной, но для большинства анализов это не делается и не может быть сделано. Новый метод, использующий спектроскопию комбинационного рассеяния с лазерным источником, дает надежду на получение данных по концентрации SO4в2- в отдельных невскрытых включениях.
Газы включений в гидротермальных минералах анализировали с помощью самых различных методов, в том числе и микрометодом анализа выделенного пузырька газа в серии жидких поглотителей, развитым в России, газовой хроматографией, развитой на Западе, масс-спектроскопией и комбинацией двух последних методов. До сих пор по многим причинам не решены серьезные проблемы получения представительных проб газа для анализа. Хотя состав газов, видимо, имеет очень важное значение в контроле (и может контролироваться) равновесий между различными ионными формами в растворе, интерпретация подобных данных может быть далеко не однозначной. Так, если затрудения в экстракции и анализе преодолены полностью, остается все же нерешенной проблема, в какой момент (или моменты) между температурой или временем образования включения и временем его анализа останавливается каждая из многих происходящих в системе газовых реакций. Даже сведения о полном отсутствии неконденсированных газов в некоторых гидротермальных растворах (например, в кипящих рудоносных флюидах месторождения Крид в Колорадо) представляют собой ценную информацию, позволяющую предполагать, что кипения было достаточно, чтобы все неконденсированные газы были удалены.
Месторождения типа долины Миссисипи — альпийского типа. Для месторождений этого типа было сделано столько же полных химических анализов, сколько для всех типичных гидротермальных месторождений вместе взятых. В этих анализах имеются также значительные расхождения, но вместе с тем, вероятно, самой существенной особенностью, свойственной самым различным объектам, является их удивительное сходство. Они очень отличаются от аналитических данных по типичным гидротермальным месторождениям. На основании многочисленных криометрических данных показано, что в большинстве случаев включения в минералах этого типа месторождений имеют концентрацию солей 15—20 вес. % и больше и высокие величины отношений Na/K, Na/Ca, Ca/Mg (табл. 14.2). Холл и Фридман позднее показали, что при образовании руд в месторождениях южного Иллинойса и верховьев долины Миссисипи происходили закономерные изменения концентрации раствора и отношений некоторых важных компонентов. Для этих месторождений особенно характерно увеличение отношения Mg/Na и падение как общей концентрации, так и величины отношения D/H ко времени окончания процесса рудоотложения. Изменения отношений Na/Cl для материала двух рассматриваемых групп не закономерны.


Вне зависимости от местоположения практически для всех месторождений типа долины Миссисипи существует относительная последовательность распространенности ионов: Cl > Na > Ca > К >Mg > В. Отклонения объясняются в основном либо тем, что исследовались минералы очень поздних стадий, характеризующихся весьма разбавленными растворами во включениях, либо аналитическими ошибками, такими, например, как связанные с растворением минерала-хозяина. Аналитические данные по сульфат-иону, безусловно, являются максимальными вследствие возможности окисления даже малых количеств сульфидов, присутствие которых возможно и в образцах флюорита, кажущихся чистыми. Несмотря на значительную разницу в цифрах по сульфату, они дают возможность сделать один важный вывод: для этих флюидов концентрация суммарной серы в виде сульфата значительно меньше концентрации хлорида. Даже если данные по SO4 и завышены благодаря окислению минералов при выщелачивании, они все же на один-два порядка величины меньше данных по хлору.
Уайт на основе ранних качественных анализов Ньюхауза, а также более поздних Холла и Фридмана указал на сходство растворов во включениях с натриево-кальциево-хлоридными рассолами нефтеносных областей. Судя по результатам количественных анализов включений, между ними имеется большое сходство, но очевидны и некоторые важные различия. Натриево-кальциево-хлоридные рассолы нефтеносных областей обычно содержат значительно больше магния, чем калия (по весу), а во включениях магния столько же, сколько калия, или чуть больше. В девяти из 12 опубликованных анализов рассолов нефтеносных областей атомное отношение Na/K выше 43 и повышается максимально до 1134, тогда как в 29 анализах включений, представленных в табл. 14.2, максимальная величина отношения Na/K составляет 40. По данным большинства анализов средняя величина Na/K очень близка к 26. Уайт показал, что для природных термальных вод величина Na/K является функцией температуры. При 100° С отношение Na/K обычно равно примерно 34. Аналитические данные по включениям вообще и по месторождениям типа долины Миссисипи в частности согласуются с этой закономерностью, несмотря на возможное выщелачивание эвапоритов.
Кроме включений рассолов для многих месторождений характерны также первичные включения нефти или включения смешанного состава нефть — рассол. Теоретически было бы вполне возможным получить обе величины — давление и температуру образования — по включениям, содержащим одновременно рассол и нефть.
Генезис месторождений этого типа активно дебатировался в течение длительного времени и было предложено много схем их образования. Каждая такая схема заслуживает дальнейшего рассмотрения уже потому, что по ней можно объяснить некоторые известные факты. При рассмотрении поразительно однообразных данных по включениям (высокая минерализация, состав солей, присутствие нефти и метана, низкие температуры образования), многочисленных ярких структурных и минералогических черт этого типа месторождений, значительных площадей их развития, а также изотопных данных становится очевидным, что необходимо подразумевать здесь какие-то иные процессы по сравнению с теми, которые определяют возникновение типичных гидротермальных месторождений. Можно полагать, что последующее химическое и термометрическое изучение включений, тесно увязанное с имеющимися структурными данными, помогающими определить возможное направление течения растворов, окажется весьма плодотворным для реконструкции условий и причин рудоотложения.
Содержание тяжелых металлов, pH и Eh флюидов включений. Несмотря на то что каждый из этих параметров представляет очень большой интерес, имеется очень мало данных, пригодных для использования. Опубликованы достаточно многочисленные результаты количественных измерений pH, но большая часть их вряд ли представляет ценность, поскольку эти результаты получены по водным вытяжкам из растертых минералов. Такие растворы не содержат газов под давлением, какое бывает во включениях, раствор включений сильно разбавляется (до 5000-кратного), и, кроме того, величина pH раствора водной вытяжки в контакте с минералом-хозяином и его возможными минеральными примесями также может меняться. Немногие измерения, проведенные непосредственно на флюидах включений, частично даже с простым лакмусом, вероятно, имеют более важное значение. В большинстве случаев величины pH отличаются не более чем на единицу от нейтрального значения, хотя Калюжный получил столь низкие значения, как 4, 3, для больших многофазных включений в топазе из пегматитов, при вскрытии выделивших много газа. Экстраполяция таких значений pH, измеренных при комнатной температуре, на условия образования из малоплотных высокотемпературных флюидов при высоком давлении возможна, но рискованна.
Единственные проведенные измерения Eh во флюидах включений выполнены Петриченко и Шайдецкой, которые использовали миниатюрные электроды, помещенные в отверстия размером 1 мм очень крупных включений рассолов в каменной соли из Донбасса.
В любом крупном включении можно измерить Eh с помощью имеющегося оборудования, поскольку микро- и субмикроэлектроды всем доступны. Однако такие измерения осложняются тем, что они связаны с экстракцией раствора, и, кроме того, здесь те же сложности, что и при измерениях pH.
Величина Eh может быть рассчитана из полных данных по составу включений. Так, теоретически можно использовать любой компонент или ассоциации с разновалентным состоянием элементов, например Fe2+/Fe3+, CO/CO2, HS-/SO4в2- или другие подобные пары. В то же время, даже если возможен достаточно точный анализ для таких пар, одновременный с измерением pH, очень трудно представить, что это будет соответствовать первоначальному высокотемпературному равновесному состоянию или равновесному состоянию при комнатной температуре. Некоторые свидетельства о степени окисления можно получить по минералам-узникам, таким, как пирит, гематит, гипс (или ангидрит), каждый из которых, как известно, встречается в виде самостоятельной фазы во включениях минералов гидротермальных месторождений.
К сожалению, на величину Eh флюидов включений сильно влияет удаление из системы H2 (или H2S). И хотя данные об отсутствии утечки значительных количеств основных компонентов из включений представляются вескими, все же нет доказательства того, что небольшая часть водорода могла удаляться, что повысило бы окислительное состояние оставшегося раствора. Одна из основных трудностей в привлечении этого механизма для объяснения наличия чешуек гематита во включениях состоит в необходимости адекватного удаления водорода за пределами включения вследствие диффузии. Поскольку процессы рудообразования в основном протекают, видимо, при низких значениях окислительно-восстановительного потенциала, т. е. при высоких парциальных давлениях водорода, наиболее вероятно предположить, что состояние флюида, омывающего кристаллы, будет изменяться в окислительную сторону, особенно при приближении к поверхности эрозионного среза и при вовлечении окисленных поверхностных вод. Однако такой процесс может быть слабо проявлен из-за сильного снижения скоростей диффузии при температурах поверхности, а также вследствие сильного буферирования по отношению к кислороду поверхностных грунтовых вод, достигающих рудных залежей, в реакциях с сульфидами.
Содержание рудных элементов в флюидных включениях представляет большой интерес как для понимания механизма переноса рудных элементов, так и для создания хотя бы полуколичественной модели системы, обеспечивающей их привнос. Кроме рассолов Солтон-Си и некоторых других термальных источников, рассмотренных Вейсбергом и др., включения представляют собой единственный природный объект, позволяющий непосредственно судить о рудообразующих флюидах. Для оценки количества осадившегося рудного элемента (предположительно только при понижении температуры) были использованы факты нахождения твердых непрозрачных минералов-узников (возможно, рудных) во включениях. Редкость нахождения и малый размер выделений этих непрозрачных минералов-узников служат указанием на то, что количество рудных элементов, выпадающих из рудообразующих флюидов, должно быть довольно низким — обычно от 1 до 10 млн-1; однако в некоторых высокотемпературных включениях осаждалось более 1% сульфидов. Количество тяжелых металлов, оставшихся в растворенном состоянии во флюидах включений, по-видимому, велико — от 100 до 10 000 млн-1 для каждого элемента в отдельности — Cu, Mn и Zn, что следует из данных нейтронно-активационного анализа по двум тщательно отобранным образцам с включениями, по флюориту из южного Иллинойса и кварцу из Крида, Колорадо. Авторы проанализировали различные возможные источники загрязнения и нашли их несущественными. В то же время полученные неожиданно высокие значения объяснить трудно, и их следует проверить. В ряде более поздних работ приводятся определения одного или нескольких металлов, но обычно без достаточных оговорок относительно методики очистки образцов перед экстракцией и величины ошибок в холостых пробах. В известной степени исключения составляют следующие работы: Рай и Хаффти, где найдены для раствора включений в кварце из Провиденсии, Мексика, максимальные значения для цинка — 890 млн-1 и для меди — 530 млн-1; Пинкни и Хаффти установили для включений во флюорите, кварце и барите из месторождения в южном Иллинойсе от 10 до 1040 млн-1 цинка и от 0 до 350 млн-1 меди; Омото обнаружил концентрации от 20 до 2200 млн-1 цинка для минералов II и III стадий из месторождения Блубелл, Британская Колумбия; Холл и др. определили концентрацию цинка от 200 до 4600 млн-1 и концентрацию меди от 80 до 4000 млн-1 в кварце из Клаймакса, Колорадо.
Несмотря на то что хлоридные комплексы многих металлов известны при низких и умеренных температурах, во многих случаях неожиданно высокая растворимость тяжелых металлов при высоких температурах, возможно, обусловливается еще неизвестными реакциями с флюидами включений высокой минерализации. Так, Борина измерила кажущуюся растворимость CaMoO4 в растворах NaCl и KCl и нашла, что при температуре 400° С растворилось 0,015%. Некоторые другие исследователи также указывают на высокую кажущуюся растворимость тяжелых металлов в концентрированных хлоридных растворах. Брятов и Кузьмина установили, что растворимость галенита при температуре 400° С составляет 2350 млн-1 свинца. Андерсон и Бернэм сообщили о растворимости металлического золота (или платины) в интервале от 1000 до 2000 млн-1. Высокотемпературные и надкритические водные растворы сульфатов могут содержать большое количество урана, меди и никеля в растворе. Представляется, что, пока не будут достигнуты успехи в развитии надежных теоретических методов, позволяющих рассчитывать растворимость в нагретых концентрированных многокомпонентных системах, близких к природным, выводы и построения относительно механизма переноса и отложения рудных минералов должны основываться, по крайней мере частично, на данных по включениям в минералах. В любом случае существует настоятельная необходимость дальнейшего лабораторного исследования таких систем с использованием включений как естественных «визуальных автоклавов» и также развивающихся в настоящее время методов экспериментального изучения растворимости в гидротермальных условиях.
Изотопный состав флюидов включений. В течение нескольких самых последних лет отмечается существенный подъем и расширение исследований по определению изотопных отношений водорода, кислорода, серы и углерода как в растворах включений, так и в самих минералах или в тех и других. Многие работы выполнены на конкретных рудных месторождениях с целью понять происхождение руд и рудообразующих растворов, процессов рудоотложения. Кроме того, в ряде работ установлены изотопные отношения для различных фаз в синтетических смесях в эксперименте для определения факторов изотопного разделения и явлений, влияющих на этот процесс.
Такие данные могут быть использованы для решения множества задач, они дают исследователю ценный метод для этого, хотя, конечно, не решают всех проблем рудообразования. Наиболее эффективно эти данные могут служить при выборе вариантов протекания процессов, а не для их распознавания. Изотопное отношение в каждом случае является параметром, который может быть описан в рамках любой обоснованной модели рудообразования, но ни один такой параметр сам по себе не будет определяющим. В то же время серия изотопных параметров, если к тому же эти данные дополнены независимыми данными по другим типам, может быть много более эффективной в отборе моделей, вариантов, процессов. Вполне возможно, что к наиболее важному результату, полученному по растворам включений в процессе недавних серьезных работ по изотопам, относится подтверждение возможности смешения флюидов разного происхождения, что поразительно часто встречается при образовании рудных месторождений. Например, такое смешение установлено для полиметаллического месторождения Блубелл, вольфрамового месторождения Пасто-Буэно, для молибденового месторождения Клаймакс, для золото-свинцово-цинково-медного месторождения Касапалька, двух районов долины Миссисипи и для различных меднопорфировых месторождений. Обычно часть флюидов представлена грунтовыми водами, и некоторые месторождения, возможно, образовались исключительно под действием нагретых грунтовых вод.
Для ряда других рудных месторождений данные по включениям не свидетельствуют о смешении. Так, автором установлено, что величина отношения D/H во включениях из Крида, Колорадо, меняется очень слабо, тогда как риометрические данные свидетельствуют об очень сильном (в 3 раза) изменении минерализации растворов за тот же период минералообразования. Подобные результаты получил Рай по Провиденсии, но при другом уровне величин D/H. Если постулируется простая модель смешения, когда образование вод переменной минерализации происходит при смешении рассолов и пресных вод, то полученные данные соответствуют тому, что в каждом случае оба флюида практически полностью идентичны по D/H. Возможное, но маловероятное сочетание обстоятельств.
Изотопные данные можно использовать и во многих других случаях. Например, большие различия в величинах D/H найдены для флюидных включений в кристаллах сфалерита, выстилающих стенки занорышей в Криде, Колорадо, и для вадозных вод, предположительно омывавших эти кристаллы под внешним давлением, равным 30—40 атм, в течение миллионов лет. Хотя и существуют более удачные и более чувствительные способы проверки, этот факт сам по себе служит веским доказательством против значительной негерметичности таких включений.
В последующих работах следовало бы изучить для растворов включений изотопные соотношения и других элементов, особенно серы, кислорода и углерода с использованием минералов, не содержащих указанных элементов, чтобы можно было избежать обменных реакций с минералом-хозяином при охлаждении. В то же время именно изотопный обмен между раствором и рудой или вмещающей породой при минералообразовании можно использовать для установления некоторых пределов величин массы рудообразующих флюидов.