Процессы рудообразования

Понятие руда не только геологическое, но и экономическое. Такое определение руды как «минеральный агрегат, из которого технологически возможно и экономически целесообразно извлекать металлы, соединения металлов, или минералы, являющиеся объектами использования в народном хозяйстве», данное П.М.Татариновым, еще в середине прошлого века, мало меняется в последующих публикациях, в том числе и в Геологическом словаре. Однако для решения геолого-генетических вопросов важно, что любое рудное тело всегда содержит повышенные содержания каких-то компонентов. Иначе оно не было бы рудным телом. В этом, повышенном, по сравнению с обычными породами, содержанием отдельных компонентов, и состоит геологический смысл понятия руда. Является это содержание экономически выгодным сегодня, или оно может стать таковым завтра, когда появятся новые технологии или изменится конъюнктура, выходит за пределы геологического знания.

Итак, руда [15], в геологическом аспекте, на котором мы концентрируем внимание в данной главе, это горная порода с аномальным, по отношению к фону, содержанием и (или) распределением отдельных компонентов. В каких количествах - это вопрос иного порядка, тесно связанного с экономической конъюнктурой. В первом приближении за аномальное можно принять устойчивое превышение естественных статистических колебаний. В большинстве случаев за такой порог принимается три среднеквадратичных отклонения (С_рудн.>3s).

Можно воспользоваться введенным еще В. Вернадским понятием кларка концентрации представляющим собой отношение содержания данного компонента к его среднему содержанию в земной коре или в данном типе пород (КК=С_о/С_ф, где С_о - содержание компонента в объекте, а С_ф - его фоновое содержание). Для макрокомпонентов, имеющих нормальное распределение, это отношение величин; для микрокомпонентов, распределенных логнормально, - логарифмов их отношений. По подсчетам Л.Н. Овчинникова среднее содержание большинства металлов в рудах на три порядка выше их среднего содержания в земной коре. Для отдельных месторождений эти значения могут быть и выше и ниже этой величины.

В середине прошлого века основное внимание сосредотачивалось вокруг магматических процессов. По мере совершенствования горнодобывающей промышленности накапливалось все больше новых эмпирических данных, не укладывающихся в ортодоксальную магматогенную концепцию. Отсутствие четкой пространственной связи рудных месторождений с магматическими телами были установлены для самых различных рудных образований. В результате стали быстро развиваться представления о катагенетическом, вулканогенном и метаморфогенном и другим процессам рудообразования. Была установлена конвергентность характерных признаков большой группы месторождений, формирование которых связано с различным сочетанием сингенетических и эпигенетических процессов. В отличие от органического мира, где каждый новый объект всегда имеет конкретных родителей, в неорганическом мире один и тот же продукт может быть получен из разных исходных веществ и по разным технологиям.

Измерения возрастов пород и руд методами изотопной хронологии все чаще указывали на существенные возрастные отличия интрузивных массивов и скоплений рудного вещества. Все это привело к появлению новой идеи о полигенности (многообразия генетических процессов) рудных месторождений, а процесс рудообразования не одноактное явление, а многоэтапный комплекс явлений, включающий серию геохимических событий определяющих возможность появления аномально высоких концентраций отдельных компонентов. Поэтому целесообразно выделить особую группу рудоподготовительных процессов, определить их роль в последующем рудоотложении. Из многочисленных новых данных, заставляющих критически оценить существовавшие представления о генезисе рудных скоплений, приведем только результаты анализа температур и давлений формирования гранитов и гидротермальных жил на месторождениях олова, вольфрама и молибдена (рис.9.1).

Между областью кристаллизации гранита и появления рудоносных жил располагается зона дорудных жил, занимающая интервал 300÷400⁰С. Температура не может изменяться мгновенно, и, следовательно к моменту рудоотложения гранитный расплав был уже полностью консолидирован.

Возможность образования повышенных концентраций рудных элементов определяется рядом факторов, которые в самом общем виде можно объединить в четыре основные группы.

1. Образование потенциальных региональных запасов рудообразующих элементов.

2. Переход в пределах данной территории существенной доли этих элементов в подвижные состояния.

3. Формирование потенциальных условий для рудоотложениия.

4. Активизация геохимических процессов, приводящая к миграции рудных элементов и концентрации их на геохимических барьерах.

Понятие геохимический барьер, разработанное А.И. Перельманом для теории формирования рудных скоплений в эпигенетических («эпи» - после, т.е. образующихся после образования вмещающих пород) месторождений урана, оказалось применимы к самым разным месторождениям. Более того, оно оказалось полезным при анализе широкого круга процессов концентрации отдельных элементов, в том числе и для экологических процессов.

Геохимический барьер – это граничная зона между областями высокой и низкой подвижностью отдельных элементов. Чем выше эта разность, тем больше высота, или контрастность (Δ) барьера (рис. 9.3).

Но не меньшее значение имеет и градиент барьера – то расстояние, на котором происходит перепад концентраций (G= Δ / l). На рисунке 9.3 при одной и той же контрастности градиент будет больше на верхнем рисунке «а», чем на нижнем рисунке «б». Чем выше контрастность и градиент барьера, тем лучше для формирования рудных тел.

А.И. Перельман разделил геохимические барьеры на три большие группы: 1) механические, 2) физико-химические и 3) биогеохимические.

Механическая сортировка материала происходит в процессе разрушения волнами и прибоем берегов водоемов (абразия), при изменении скорости движения водных или воздушных масс, при таянии ледников и т.д.

Таким путем образуются самые различные морские и речные отложения, в том числе россыпи, ледниковые морены, лессовые образования, залежи нефти и газа и т.п.

Выделяющиеся из материнских пород капельки нефти и пузырьки газа перемещаясь в верхние слои литосферы постепенно накапливаются в антиклинальных структурах под слоями слабо проницаемых пород (рис.9.4).

По мере движения речных и морских вод происходит постепенная сортировка переносимых ими твердых частиц, зависящая от их массы, размера и геометрии. Таким образом, происходит пространственное разделение галечных, песчаных и глинистых материалов. Таким же путем формируются россыпные месторождения золота, платины, алмазов.

Поскольку речные воды имеют направленный вектор движения, а морские характеризуются периодическими колебательными движениями, закономерности формирования морских и речных россыпей не идентичны.

Испарительные барьеры связаны с испарением поверхностных вод. Образование солончаков и такыров связано с испарением подтягивающихся по капиллярам грунтовых вод или атмосферных осадков. Соли, подтягивающиеся вместе с водами из подстилающих горных пород, образуют белесые налеты и даже сплошные корки.

С испарительными барьерами связано такое неприятное явление как заслонение почв.

Химические барьеры возникают в результате химического взаимодействия между двумя химически различающимися средами (подвижной и неподвижной).

Среди химических барьеров различают:

Осадительные, когда растворенные в водах компоненты, осаждаются при взаимодействии с минералами вмещающих пород

2F^- + CaCO₃ = CaF₂ + CO₃^2-

Обменные, когда два соединения обмениваются катионами

PbSO₄ + CaCO₃ = PbCO₃ + CaSO₄

Окислительно-восстановительные, при которых происходит окисление

2Fe²⁺ + O + 5H₂O = 2Fe(OH)₃ + 4H⁺,

или восстановление мигрирующих элементов

2Fe³⁺ + 6HS^- = 2FeS + 6H⁺.

Кислотно-основные в которых ведущими являются процессы гидролиза

Fe³⁺ = 3OH^- = Fe(OH)₃ = FeOOH + Н₂О

Характерным примером химических барьеров могут служить рудные тела, подчиняющиеся литологическому контролю (рис. 9.5 и 9.6).

В первом случае отчетливо проявляется окислительно-восстановительный геохимический барьер. Шестивалентный уран, мигрирующий в гидротермальном растворе в виде карбонатных комплексных ионов уранила (UO₂²⁺) восстанавливается на границе с углистыми сланцами до четырехвалентного состояния и откладывается в виде настурана(UO_2+n):

2 UO₂²⁺+C+2H₂O=UO₂+CO₂+4H⁺

Во втором случае тот же уран осаждается на осадительном барьере. В процессе карбонатизации минералов, содержащих Ca, Mg, Fe концентрация карбонатных ионов, содержавшихся в растворе, уменьшается, что приводит к разрушению комплексных ионов уранила, который и отлагается в виде урановых минералов.

В этих реакциях участвуют еще и слюдистые минералы, стабилизирующие кислотность раствора, которая должна была бы возрастать при карбонатизации пород,

CaSiO₃ + CO₃^2- + H₂O = CaCO₃ + SiO₂ + 2OH^-,

увеличивать гидролиз угольной кислоты

Н₂СО₃ + 2ОН^- = СО^3- + Н₂О

и таким образом тормозить убывание концентрации карбонатных ионов в растворе. Строго говоря, это уже взаимодействие двух типов барьера: осадительного и гидролизного.

Окислительно-восстановительные барьеры возникают в условиях резкой смены окислительных условий. На выходеподземных источников часто можно наблюдать бурые отложения окислов железа. Аналогичные пленки окислов железа наблюдаются на поверхности болотных лужиц, подпитывающихся подземными водами. Все эти образования связаны с окислением двухвалентного железа подземных вод, лишенных кислорода, атмосферным воздухом.

Обратная картина наблюдается при просачивании поверхностных вод богатых кислородом в подземные горизонты, несущие различного вида восстановители.

Характерным примером такого типа барьеров могут служить детально изученные барьеры зон пластового окисления, которыеразвиваются в водоносных горизонтах осадочного чехла на окислительно-восстановительном барьере (рис.9.7).

Барьер возникает на контакте поверхностных окислительных вод, попадающих в пласты песчанистых пород с низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала (Eh) за счет захороненного органического вещества, минералов закисного железа и других восстановителей. Окислительно-восстановительные и кислотно-основные процессы, происходящие на границе окисленных и восстановленных пород, приводят к накоплению многих элементов переменной валентности. Здесь концентрируются U, Se, V, Re, Mo и др.

Сорбционные барьеры возникают при просачивании растворов через породы с большой поверхностью (поверхность 1 г бентонитовых глин колеблется от 40 до 96 м², каолиновых 17-60 м²).

Виды сорбции:

• адсорбция – поглощение растворенных веществ поверхностью твердой фазы,

• абсорбция – поглощение всем объемом сорбента,

• хемосорбция – развивается за счет химических реакций в поверхностном слое,

• ионный обмен – замена ионов в молекулах поверхности сорбента ионами из раствора.

Сорбционные барьеры широко распространены в поверхностных системах, они возникают в морских и озерных илах, почвах, в лессовых отложениях, на контактах глин и песков.

Очень часто сорбционные и химические барьеры взаимодействуют: первые дают локальные повышения концентрации отдельных элементов, создавая условия для химического взаимодействие, в результате которого образуются новые твердые фазы, освобождая поверхность сорбента для дальнейшей сорбции.

Сорбционные барьеры имеют большое экологическое значение. С одной стороны, они участвуют в образовании локальных скоплений токсичных элементов, часто весьма устойчивых во времени, с другой - могут быть использованы для локализации техногенных заражений и в процессах очистки загрязненных территорий.

Радиоактивные аномалии, возникшие в процессе производства радия на Ухтинском радиевом заводе в 30-40-х годах, до сих пор прочно удерживаются гумусовым веществом почв.

Физико-химические барьеры -это такие природные обстановки, когда изменения физических параметров приводят к локальному изменению химических параметров. Они представляют наиболее многочисленную группу барьеров, формирующихся в недрах земной коры. К ним приурочена большая часть эндогенных месторождений полезных ископаемых. Именно здесь возможны максимальные перепады температур и давлений, а следовательно и максимальные высота и градиент термобарических барьеров.

Константы диссоциации растворенных в водных растворах соединений (кислот, оснований, комплексных соединений) зависят от температуры и давления содержащего их раствора.

K = f (T,P),

в результате чего в термобарическом поле кислотность растворов не будет величиной постоянной. При изменении Т и Р не остаются постоянными и соотношения окисленных и восстановленных ионов, а, следовательно и Еh растворов.

Так, относительная активность сульфидной серы с повышением температуры сначала растет, а потом убывает.

Изменение любого физико-химического параметра может изменить миграционную способность отдельных элементов. Чем контрастнее происходит изменение физических параметров, тем резче меняется и миграционная способность отдельных компонентов.

Наиболее контрастные изменения физических параметров происходят в верхних горизонтах земной коры. Если на диаграмму фаций метаморфизма (рис.9.1) наложить область формирования гидротермальных руд, то мы получим картину, изображенную на рисунке рис.9.8.

В более крупном масштабе область рудообразования представлена на рисунке 9.9. Из этих двух рисунков видно, что вся область гидротермального рудообразования всегда тяготела к верхним горизонтам земной коры до давлений 3 кбар (соответствует литостатическому давлению на глубине до 6 км). Пока известен только один случай выхода за эти пределы на самых нижних горизонтах месторождения Колар. Область всей гидротермальной деятельности опускается до давлений 6 кбар (15 км). Здесь максимально проявляются разрывные нарушения, а следовательно - наибольшие контрасты термодинамических потенциалов. В более глубоких зонах начинают преобладать пластические деформации.

В этой же области диапазон термобарических градиентов имеет максимальный разброс и значительно выше, чем в среднем для земной коры (наклонные прямые на рис.9.9). Это вновь отражает повышенную тектоническую активность, создающую и термическую, и барическую анизотропию.

Биогеохимические барьеры - зоны резко повышенных по сравнению со средним содержанием в данном ландшафте концентраций тех или иных химических элементов в результате снижения интенсивности биогенной миграции элементов. Этими зонами могут быть залежи торфа, почвы, лесная подстилка, тела организмов и т.д. – любые участки активной деятельности живого вещества.Онивозникают на путях миграции элементов или на границах их перехода от косного вещества к живому, и наоборот.

Современные исследования показывают, что механизмы действия почв, как биогеохимического барьера весьма сложны и включают взаимодействие различных биогеоценозов. Но данного типа барьеры образуются не только на почвах, но и других областях активной жизнедеятельности флоры. Так в мелководных бассейнах хорошая прогреваемость воды в сочетании с благоприятным световым режимом и обилием каменистого субстрата приводит к бурному развитию нитчатых водорослей, активному накоплению биомасс, поглощенных микроэлементов и выделению кислорода.

Периодические шторма приводят к отрыванию значительных масс водорослей от субстрата и выбрасывают накопившиеся массы на берег. Но биомасса нитчатых водорослей на каменистом субстрате в прибрежье быстро восстанавливается. Процесс повторяется периодически, захватывая и водные массы, и прибрежные зоны.

В отличие от косных геохимических барьеров, действующих монотонно в течение определенного времени, активность биогеохимических барьеров периодически меняется в течении времени года и даже времени суток (рис.9.10). Зависит она и от климатического пояса, в котором расположена.

Биогеохимическим барьером (своеобразным фильтром) на пути переноса техногенных загрязнений являются леса. Прежде всего, они задерживают пылевые частицы и аэрозоли. Наиболее активны в этом отношении хвойные леса, смолистая хвоя которых, как показали исследования последствий аварии Чернобыльской АЭС, более интенсивно захватывает твердые частицы. В ближайшей 30-км зоне от ЧАЭС лесными кронами было перехвачено до 80% радионуклидов. Захваченные частицы переходят в листовой слой, а затем постепенно в более глубокие почвенные горизонты (рис. 9.11).

Лесные массивы вокруг промышленных зон и мегаполисов служат активными биогеохимическими барьерами.

Своеобразные биогеохимические барьеры используются при биологической очистке бытовых и промышленных сточных вод, заключающейся в биохимическом разрушении (минерализации) микроорганизмами органических веществ (загрязнений органического происхождения), растворенных в сточных водах. Микроорганизмы (бактерии) используют эти вещества как источник питания и энергии для своей жизнедеятельности. В процессе дыхания микроорганизмов органические вещества окисляются, и освобождается энергия, необходимая для их жизненных функций. Биологическая очистка вод осуществляется на полях орошения, в биологических прудах, и в искусственно создаваемой среде в условиях, близких к естественным.

Действие биогеохимических барьеров носит избирательный характер. Каждый биологический вид имеет свой набор характерных для него макро- и микроэлементов.

Из макроэлементов биогеохимические барьеры имеют наибольшее значение для:

• углерода; практически все скопления каустобиолитов (почвы, торфа, угли, нефти, газ) формируются на биогеохимических барьерах.

• кислорода; именно живое вещество разделяет углерод и кислород углекислоты, отправляя О₂ в атмосферу. В настоящее время суммарная годовая продукция зеленого вещества О₂ = 3,2.10¹¹ т/год, учитывая, что общее современное количество кислорода в атмосфере составляет ~1,18.10¹⁵т. его удвоение могло бы произойти всего за 3 700 лет.

• кальция; накопление известняков, мергелей, доломитов связано с накоплением Ca в скелетах и раковинах организмов.

• Фосфора; особенно четко проявляются при формировании залежей фосфоритов.

Все эти и аналогичные им барьеры работают как на макро-, так и на микроуровнях и приводят к накоплению не только крупных масс, но и отдельных простоев, прожилков и тому подобных природных образований.

Для микроэлементов биогеохимический барьер наиболее специфичен для:

· йода; самостоятельных минералов не образует, наиболее высокая концентрация йода присутствует в морепродуктах; особенно богаты йодом морские водоросли, наиболее известная из них - морская капуста (ламинария).

· германия, встречающегося в некоторых угольных месторождениях.

· селена, часто концентрирующегося в угленосных пластах и в нефтяных водах.

Маргинальные барьеры. Своеобразные геохимические барьеры – места впадения рек в моря и океаны. Пресные воды реки несут обломочный, взвешенный и растворенный материал. При попадании в море изменяются механические, физико-химические и микробиологические условия транспорта, приводящие к осаждению переносимых веществ. Здесь можно выделить три основные барьерные зоны (рис.12.12).

В месте впадения, за счет изменения скорости течения, возникает гравитационный барьер. Происходит осаждение переносимого механического материала. Осаждается гравийный, а затем песчано-алевритовый материал. По мере увеличения солености воды происходит коагуляция тончайшей взвеси, образование флоккул (лат. floccus - клочок) органического веществ и гидратов железа – мощных сорбентов, происходят процессы сорбции многих растворенных элементов. В третьей зоне основная активность принадлежит уже планктону, питающемуся за счет растворенных элементов путем диализа пропускаемых через себя масс воды.

На маргинальных барьерах океанов задерживается 90-95% взвешенных и 30-40% растворенных веществ и загрязнений речного стока.

Маргинальные барьеры являются типичным примером комплексного взаимодействия различных видов геохимических барьеров. Строго говоря, во всех природных барьерах взаимодействуют разные их типы. Даже в эндогенных барьерах зон пластового окисления наряду с химическим взаимодействием участвуют сорбционные, а порой и микробиологические процессы.

Техногенные барьеры. Техническая изобретательность человечества не только усилила многие естественные природные геохимические барьеры, но и создало многочисленные новые обстановки резкой смены устоявшейся миграции отдельных элементов. Эти новые условия подчас оказываются опасными для жизнедеятельности не только отдельных видов живых организмов (в том числе и человека), но и целых экосистем. Подробнее на этом мы остановимся в следующих главах.