Геохимия гидротермальных процессов. Реакции метасоматоза. Метасоматоз и оруденение

Основную информацию по геохимии гидротермальных систем дает изучение рудных месторождений. В этой области накоплен колоссальный фактический материал, сделаны ценные обобщения. Важным источником информации служит также изучение современных гидротерм. Эти два направления исследований развивались и частично развиваются независимо друг от друга, на основе разной методологии и разных методов, выводы их часто слабо увязаны между собой, а порой и противоречат друг другу. Поэтому одна из актуальных задач геохимии гидротермальных процессов — разработка единой теории на основе синтеза данных геохимии, минералогии, петрографии, науки о рудных месторождениях, гидрогеологии и вулканологии.

Современные гидротермы стали детально изучаться в связи с перспективой их использования в качестве источника тепловой и электрической энергии, а также источника Li, Cs, Sr, Ge, B, Br, I и других элементов. В результате представления о природе и распространении гидротерм сильно изменились.

Ранее термальные источники были известны лишь в районах современного или молодого вулканизма, поэтому их происхождение связывали с магматизмом. Это был один из аргументов в пользу постмагматического происхождения гидротермальных месторождений. В настоящее время гидрогеологи открыли в земной коре особый пояс термальных вод. Выяснилось, что холодные воды образуют лишь тонкую пленку на основной массе нагретых и перегретых вод.

Источником гидротерм в большинстве случаев оказались не ювенильные (магматические) или метаморфические воды, а атмосферные осадки, проникшие на глубину. Даже в районах современного вулканизма, где ювенильный генезис наиболее вероятен, доказана связь термальных вод с атмосферной циркуляцией. Так, определение изотопного состава H, 02, С, Не и Ar показало, что большинство терм Курильских островов и полуострова Камчатка имеют вадозное происхождение.

На Камчатке и Курильских островах было детально изучено современное минералообразование на выходах гидротерм. На платформах и передовых прогибах были открыты глубинные горячие артезианские хлоридные рассолы, часто с сильнокислой реакцией. Происхождение этих рассолов многие авторы связывают с растворением залежей ископаемых солей, предполагают и магматический источник.

Кислые хлоридные рассолы способны выщелачивать из вмещающих пород рудные элементы, в том числе Fe, Mn, Sr, Ва, Pb, Zn, Cu и т. д. Многие металлы образуют в этих водах растворимые хлоридные комплексы. Ценную информацию о подобных гидротермах дало изучение подземных вод, разгружающихся во впадинах морского дна, в наземных рифтах, озерах. Особую известность приобрели металлоносные хлоридные рассолы рифтовой зоны Красного моря, открытые американскими геохимиками. Здесь в глубоких впадинах Атлантик-Н, Дисковери и других разгружаются кислые хлоридные рассолы с температурой около 50° С, обогащенные Mn, Fe, Zn, Pb, Си, Со.

На полуострове Челекен в Закаспии в красноцветных неогеновых отложениях при бурении вскрыты горячие хлоридно-натриевые рассолы. Среди газов в них установлены NH3 и его гомологи, H, N, в меньших количествах — С02 и H2S (не всегда). Воды обогащены Pb, Zn, Cu, Tl, Cd и т. д. Ф. В. Чухров, обобщивший данные о современных гидротермах, отмечает горячие рассолы Гаурдака (Туркмения), Устюрта в СССР, ряда районов в штатах Миссисипи и Калифорния в США.

По Г. А. Голевой, для глубоко погребенных нефтегазоносных структур характерны углеводородные металлоносные рассолы. В Предкарпатском прогибе такие рассолы залегают на глубине 5—6 км.

В областях современного и молодого вулканизма известны также азотно-углекислые гидротермы. Они тяготеют к зонам глубинных разломов, минерализация их невелика (пт/л), воды часто обогащены As, В, Rb, местами Sb, Hg и другими микроэлементами. Они имеют нейтральную или щелочную реакцию, на сравнительно небольшой глубине — температуру более 200° С. Таковы гейзеры Камчатки, Джермук Армении и т. д. К кристаллическим породам часто приурочены азотные термы, не имеющие прямой связи с вулканизмом. Они содержат много Si02, относительно много F, Ge, W и Mo. Источником данных элементов, по мнению G. Р. Крайнова, служат вмещающие породы, чаще всего гранитоиды. Возможно, это типичные рудоносные растворы.

В передовых прогибах, в артезианских бассейнах на участках брахиантиклиналей с нефтью и газом часто образуются термальные сероводородные воды. При не очень высоких температурах сероводород поступает в воды за счет восстановления сульфатов бактериями, при более высоких температурах этот газ образуется в результате термического разложения органических веществ, обменных реакций с сульфидами, химического восстановления сульфатов. Развиваются представления и о глубинном источнике сероводорода — из магмы.

Много нового в понимание геохимии гидротермальных процессов внесло изучение гидротермального метасоматоза Д. С. Коржинским и его школой.

Реакции метасоматоза экзотермичны и сопровождаются связыванием воды в силикатах (хлоритизация, серици- тизация, каолинизация и т. д.). По Ф. А. Летникову, это приводит к росту концентраций рудных элементов в растворах и к их осаждению (метасоматоз часто предшествует рудообразованию). Большое влияние на метасоматоз оказывают щелочно-кислотные условия среды. Четко выявились две основные группы процессов: кислотное выщелачивание и щелочной метасоматоз. Согласно Д. С. Коржин- скому, по мере движения гидротермальных растворов происходит закономерная смена щелочно-кислотных условий, соответствующая трем стадиям гидротермального процесса: ранней щелочной, кислотной и поздней щелочной.

Изучение метасоматоза привело к представлению о метасоматической зональности — последовательной смене метасоматитов от наиболее измененной внутренней зоны к внешней зоне и неизмененной породе. Совокупность одновременно образовавшихся метасоматитов (зональная колонка) именуется метасоматической фацией, а их ассоциация, образовавшаяся в результате генетически единого геологического процесса, — метасоматической формацией (В. А. Жариков). По Б. И. Омельяненко, для этих формаций характерны признаки, выдерживающиеся в пределах крупных провинций, повторяющиеся во многих районах со сходными геологическими условиями. К таким признакам относится и геохимическая специализация метасоматитов. В аналогичном смысле используется также термин «гидротермально-метасоматическая формация» (В. И. Ре- харский, Д. В. Рундквист).

Гидротермальное оруденение часто накладывается на метасоматиты или развивается одновременно с метасоматозом. Поэтому многие авторы рассматривают рудообразо- вание как часть общего процесса метасоматического изменения пород (рудоносные метасоматиты). Например, на одном из медно-молибденовых месторождений к березито- вой формации приурочено свинцово-цинковое оруденение, к кварц-серицитовой — медное и к полевошпат-кварцевой — молибденовое.

В. И. Рехарский выделил три группы гидротермальио- метасоматических формаций, для каждой из которых характерны различные метасоматиты и парагенные ассоциации элементов. Например, для грейзеновой формации характерна аккумуляция W, Mo, Sn, Be, Li, Bi, а для бе- резитовой — Pb, Zn, Au, A g, Mo, Bi, Sn, W, Be, Go, As, Sb, Hg (выделены элементы, имеющие промышленное значение) .

Проблема «метасоматоз и оруденение» привлекла большое внимание петрологов, геохимиков, специалистов по рудным месторождениям. Многие положения в этой области являются предметом дискуссии. Более общее значение метасоматоза (по сравнению с оруденением), по мнению автора, объясняется тем, что .он обусловлен небольшим числом ведущих элементов с высокими кларками: Na, К, S, F, С1 и т. д. Отсюда известное постоянство типов метасоматоза, их устойчивость в широком интервале pH, Eh, T, Р и т. д. Например, альбитизация возможна и при рН=8 и при рН=10, т. е. при изменении концентрации водородных ионов в 100 раз. Существенно, что миграция многих ведущих элементов метасоматоза не зависит ни от pH, ни от Eh (К, Na, Cl и т. д.).

Иные зависимости характерны для оруденения. Число рудных элементов намного превышает число ведущих элементов метасоматоза. Рудные элементы, как правило, имеют низкие кларки и, следовательно, характеризуются низкими концентрациями в растворах; поэтому рудные элементы не определяют физико-химические условия среды и вынуждены приспосабливаться к той обстановке, которая создается Na, Cl, S, С и другими ведущими элементами. Поведение рудных элементов часто сильно зависит от щелочно-кислотных условий среды. Для некоторых из них также важную роль играют и окислительно-восстановительные условия. Все это определяет разнообразие рудо- образования в одной и той же метасоматической обстановке. Именно поэтому в зависимости от pH, Eh и других параметров в одной и той же метасоматической обстановке происходит накопление различных рудных элементов. Иначе говоря, растворы, различные по составу рудных элементов, могут обусловливать одни и те же явления метасоматоза (альбитизацию, каолинизацию и т. д.).

Изучение гидротермальных месторождений поставило вопрос о строении гидротермальных систем. Л. Н. Овчинников подразделил их на три области: мобилизации металлов и возникновения растворов, движения растворов (транзита) и рудоотложения. Последняя расположена в верхней части литосферы, ее мощность 5—7 км. Основные факты, накопленные наукой о рудных месторождениях, относятся к третьей области. Представления о двух первых во многом носят гипотетическнй характер. В этой связи интересны исследования В. Л. Барсукова, который обнаружил на кварц-касситеритовых месторождениях вынос олова из гранита в нижней, подрудной зоне. При этом из гранита выщелачивалось более 80% содержащегося в нем олова. Мобилизация олова осуществлялась при гидротермальных изменениях гранитов — альбитизации и мус- ковитизации. Существенно, что область рудоотложения (грейзены) сопрягалась на глубине с областью мобилизации рудного элемента. Обе области составляли единую вертикальную зональность гидротермальной системы. Однако во многих случаях зона выноса металлов не выявлена, и проблема источника рудных элементов является одной из наиболее дискуссионных.

Значительно лучше изучено строение области рудо- отложения. Рудные элементы осаждаются в больших объемах горных пород, намного превосходящих промышленные рудные тела. Поэтому следует различать рудное тело и первичный геохимический ореол, в котором концентрация элементов не достигает кондиций. Согласно Л. Н. Овчинникову, запасы элементов-спутников в ореолах всегда больше, чем в рудных телах. Нередко и по запасам главных рудных элементов ореолы не уступают рудным телам.

Рудные тела и первичные ореолы обычно занимают лишь часть пространства метасоматически измененных пород. Условно, следовательно, гидротермальную систему в области рудоотложения можно разделить на следующие части: рудные тела (максимальная концентрация рудных элементов) ; первичные ореолы (зона ослабленного обогащения) ; зона необогащенных метасоматитов. Хотя эти части, как правило, изучаются специалистами разного профиля, они представляют собой единое целое, компоненты одной системы.

Значительно изменились взгляды на механизм гидротермального рудообразования. А. Е. Ферсман связывал эти процессы с охлаждением магматического очага. Ученый писал: «Когда охлаждается расплавленная масса под покровом каких-либо окружающих пород, то она делится на две части: часть расплава остается внутри его самого, сохраняя при этом известное количество летучих соединений,— это первая часть, называемая пегматитовым остатком или попросту пегматитом. Другая — объединяет значительное количество летучих соединений, которые выделяются из магмы, проникают в окружающие породы, поднимаются кверху, постепенно охлаждаются и дают начало целому ряду отдельных струй источников и газовых выделений. Первая, как бы нижняя, более тяжелая часть более тесно связана с самой магмой; верхняя часть носит летучий характер и образована летучими газами.

Совершенно ясно, что если какой-либо элемент или какое-либо вещество обладает большей летучестью, т. е. большей упругостью пара, то при том давлении, которое господствует в изучаемом очаге, он будет раньше других и больше других стремиться кверху, выйти из обстановки расплава. Если же, наоборот, упругость пара невелика, он будет в ней оставаться. Значит, упругость паров будет одним из характерных свойств, определяющих характер миграции атомов при охлаждении выделяющегося магматического вещества. Таким образом, в зависимости от величины давления (ибо внешнее давление мешает его выделению) и от сочетания давления и температуры мы получаем характер распределения элементов вокруг охлаждающегося очага (...)

Раз мы знаем эти две величины и знаем третью — величину упругости пара химических соединений данного элемента, то мы приходим к довольно определенной и ясной картине. Оказывается, что химические элементы вокруг каждого охлаждающегося очага располагаются в закономерной зависимости, и их распространение совершенно определенно и следует определенным геохимическим законам. Именно если мы начнем с более глубокой части охлаждающего очага, то последовательно будут отлагаться: редкие земли, бериллий, торий, фосфор, фтор, литий; выше следуют: молибден, олово, вольфрам, золото, медь, цинк, свинец, серебро, кобальт, сурьма, ртуть и мышьяк.

Этот ряд является, с одной стороны, рядом эмпирическим, выявленным на основании громадного количества наблюдений; с другой стороны, он может рассматриваться и как ряд теоретический, устанавливаемый, исходя из анализа упругости пара тех основных соединений, которые образуются в условиях данного комплекса.

Этот ряд говорит о том, что химические соединения распределяются вокруг нашего очага с определенной зональностью; в вертикальном направлении эта зональность следует в определенном порядке, и на различных глубинах, на различных расстояниях от этого очага мы будем встречать преобладание тех или иных химических соединений» 6.

Намеченная выше последовательность осаждения элементов получила название ряда Эммонса по имени американского ученого, подробно обосновавшего данную концепцию. В. Эммонс выделил 16 зон (снизу вверх по мере падения температуры), составляющих зональность гидротермальных месторождений: пустая кварцевая, оловянная, вольфрамовая, мышьяковая (арсенопиритовая), висмутовая, золотая, медная, цинковая, свинцовая, серебряная, безрудная, серебряная, золотая, сурьмяная, ртутная, пустая (Sn, W, As, Bi, Au, Cu, Zn, Pb, A g, Au, Sb, Hg). Хотя ни на одном месторождении все 16 зон не наблюдались, взгляды В. Эммонса оказали сильное влияние на научную мысль. А. Е. Ферсман разделял эти взгляды и обосновал их с позиций геоэнергетической теории.

Последующие работы сильно изменили представление о механизме гидротермального рудообразования. Однако выяснилось, что последовательность элементов в ряде Эммонса отражает глубокие геохимические закономерности. Реальность этого ряда при изучении первичных ореолов гидротермальных месторождений была доказана Л. Н. Овчинниковым и С. В. Григоряном. Оказалось, что различные по составу, происхождению и геологическим условиям формирования сульфидные месторождения сопровождаются однотипными ореолами главных элементов-индикаторов. В ореолах наблюдается контрастная зональность в направлении движения гидротермальных растворов, причем одни элементы образуют интенсивные и широкие ореолы в верхней части околорудного пространства, другие — в нижней. От надрудных сечений к подрудным обобщенный ряд зональности в основном совпадает с рядом Эммонса: Sb—As—Ва—Ag—Pb—Zn—Gu—Bi—W— Mo — Sn — Go—Ni—Be.

Данная закономерность геохимии первичных ореолов еще не получила достаточного теоретического обоснования, но ее практическое значение для поисков рудных месторождений очень велико. На ее основе при геохимических поисках определяют уровень эрозионного среза, отделяют надрудную часть месторождения от подрудной, т. е. оценивают перспективы геохимических аномалий.

Для объяснения последовательности осаждения элементов из гидротермальных растворов геохимики в настоящее время идут по пути, намеченному А. Е. Ферсманом, т. е. используют законы термодинамики, но конкретное решение проблемы у них другое. Так, Ф. А. Летников объяснил последовательность осаждения элементов в гидротермальных системах различиями изобарных потенциалов образования минералов. Этот вопрос решается и с других позиций, например на основе анализа устойчивости хло- ридных комплексов. В целом проблема далека от окончательного решения.

Использование изотопных и других методов позволило с новых позиций подойти к проблеме источников воды, газов и рудных элементов в гидротермальных системах. Намечается три основных источника гидротермальных растворов.

Первый, на который указывал А. Е. Ферсман,— магматические очаги. Остывая, они выделяют водяные пары и другие газы, образующие при дальнейшем охлаждении гидротермальные растворы. Изучение минеральных равновесий для магматических условий привело И. Д. Ряб- чикова к выводу, что при кристаллизации гранитных магм на небольших глубинах (до 5 км) должно происходить отделение водно-солевой жидкости, в которую переходит много железа и халькофильных металлов. Ученый полагает, что для образования гидротермальных месторождений геохимическая специализация интрузий не обязательна, источником металлов могут служить гранитоиды с Марковыми их содержаниями.

Однако, по мнению ряда исследователей, магма — не единственный и даже не главный источник воды, газов и рудных элементов гидротермальных систем. Второй источник — метаморфизм осадочных пород. В ходе его освобождается норовая, конституционная и кристаллизационная вода глинистых и других минералов. Эта вода выщелачивает различные металлы из вмещающих пород. Установлено, что метаморфические сланцы содержат много меньше этих форм воды, чем исходные глины и алевролиты. А. А. Сауков подсчитал, что 1 км3 глинистых осадочных пород может выделить при метаморфизме 100 млн. т воды.

Третий источник — вмещающие породы, из которых вадозные термальные воды выщелачивают рудные элементы. Особенно подчеркивают роль вадозных вод гидрогеологи. Так, один из создателей гидрогеохимии — А. М. Овчинников писал, что большинство гидротермальных месторождений — это древние очаги разгрузки напорных вод сложных артезианских бассейнов.

По А. И. Германову, сера некоторых сульфидных месторождений обязана своим происхождением сероводороду, возникающему за счет восстановления сульфатов на участках разрушающихся нефтяных месторождений. Этим он объясняет пространственную связь битуминозных пород и ряда гидротермальных месторождений. Связь рудообразующих флюидов с водами нефтяных и газовых месторождений отмечает и А. Д. Щеглов. На немагматогенное происхождение части гидротермальных месторождений указывали А, А. Смирнов, А. В. Щербаков и другие гидрогеологи.

По Ф. В. Чухрову, немагматогенные месторождения относятся к низкотемпературной группе. В их числе он отмечает некоторые месторождения Fe, Mn, Pb, Zn, Gu, F (флюорита) и все месторождения барита.

Д. И. Горжевский считает, что в рудах полиметаллических и медноколчеданных месторождений свинец заимствован из гранитного слоя, медь — из базальтового, цинк — из обоих слоев.

Таким образом, современные данные говорят о полигенетичности гидротермальных систем. Не только разные системы имеют разное происхождение (магматогенное, ва- дозно-гидротермальное, метаморфогенное и т. д.), но и в одной системе ее компоненты могут быть связаны с различными источниками. Вместе с тем гидротермальные системы представляют собой определенную общность.

Для всех представителей этих систем характерны сходные термодинамические параметры, водная среда миграции. Последний признак позволяет рассматривать термальные и холодные растворы литосферы как часть более крупной системы — подземной гидросферы. Автор предложил следующую группировку систем земной коры: 1) магматические расплавы, 2) водные системы — гидротермальные и гипергенные.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана