научная статья по теме АНАЛИЗ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ РУДООБРАЗУЮЩЕГО ФЛЮИДА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕДИСТЫХ ПЕСЧАНИКОВ (СЛАНЦЕВ) Геология

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ РУДООБРАЗУЮЩЕГО ФЛЮИДА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕДИСТЫХ ПЕСЧАНИКОВ (СЛАНЦЕВ)»

ГЕОХИМИЯ, 2014, № 8, с. 749-755

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

АНАЛИЗ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ РУДООБРАЗУЮЩЕГО ФЛЮИДА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕДИСТЫХ ПЕСЧАНИКОВ (СЛАНЦЕВ)

© 2014 г. Б. Н. Рыженко, Е. В. Черкасова

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19

E-mail: ryzhenko@geokhi.ru Поступила в редакцию 17.09.2012 г. Принята к печати 28.01.2013 г.

Ключевые слова: рудообразующие флюиды, моделирование, красноцветные песчаники, Джезказган. DOI: 10.7868/S0016752514060077

В настоящее время, после десятилетий исследований и дискуссий о генезисе месторождений медистых песчаников и сланцев, наблюдается увеличение числа публикаций и обобщений, относящих месторождения меди в красноцветных осадочных породах к гидрогенным образованиям, т.е. сформированным крупными системами артезианских (хлоридных) вод [1]. Используя результаты геолого-геохимичского изучения таких месторождений [1—4] и алгоритмы компьютерного моделирования геохимических процессов в системах вода—порода [5], мы попытались мерой и числом (по А.П. Виноградову) проанализировать установленные факты и собрать их в геохимическую генетическую модель.

В геохимической литературе [6] утвердилась триада вопросов, которые необходимо выяснить для понимания генезиса рудных минералов: источник рудных элементов, формы и пути их миграции, условия отложения. Достоверность ответов на указанные выше вопросы определяется их непротиворечивостью фундаментальным геохимическим закономерностям и их способностью объяснить особенности рудоконцентрирования, установленного геолого-геохимическим изучением природных объектов. Для медьсодержащих осадочных пород это [2—4]: а) постоянная пространственная связь медного оруденения с красноцветными формациями, образовавшимися в сухом аридном климате, б) локализация руд в сероцветных осадочных породах (восстановительный барьер) в непосредственной близости от красноцветов (контроль ору-денения проницаемостью последних), в) устойчивый состав главных рудных минералов и зональное расположение сульфидов меди в рудных телах: от красноцветных отложений к сероцветным халь-козиновые руды сменяются борнитовыми, а за-

тем халькопиритовыми, наложенность медного оруденения на Ре82 (пирит).

Первичным источником всех компонентов красноцветных осадочных пород являются изверженные породы земной коры. Среднее содержание Си в изверженных породах составляет, (10-4 мас. %): кислых — 20, основных — 100, ультраосновных — 20 [7]. Минералами-носителями меди являются темноцветные минералы, (10-4 мас. %); пироксен 77 ± 30, амфибол 24 ± 15, темные слюды 120 ± 80, а также плагиоклазы 33 ± 10, К,№-полевые шпаты 10 ± 2, кварц 8 ± 2. Также установлено, что часто источником высокого содержания меди в силикатах, окислах и других минералах являются микровключения сульфидов меди, которые составляют около половины указанного выше общего содержания в изучавшихся минералах [8].

Главными Си-минералами месторождений медистых песчаников являются: сульфиды Си^ (халькозин), Си5Бе84 (борнит), СиБе82 (халькопирит), Си8 (ковелин); самородная Си, окислы СиО (тено-рит), Си2О (куприт); карбонаты Си3(СО3)2(ОН)2 (азурит), Си2СО3(ОН)2 (малахит), СиС12 • 3Си(ОН)2 (атакамит). Отличительная особенность медных минералов месторождений медистых осадочных пород в их нестехиометричности, обусловленной дефицитом меди в кристаллической решетке: Си1968 (джарлеит) ^ Си18Ре0.^ (дигенит) + Си5Бе84 (борнит) ^ Си5 _ хБе84 (Х-борнит) ^ СиБе82 (халькопирит ) ^ Ре82 (пирит). Включение в модель указанных твердых растворов осложнено отсутствием необходимой термодинамической информации. По этой же причине из минералов, сопутствующих медному оруденению, в рассмотрение были включены лишь основные: РЬ8 (галенит), РЬСО3 (церуссит), ZnS (сфалерит), ZnCO3 (смитсо-

Таблица 1. Химический состав океанической воды различных степеней сгущения (г/кг)

Стадии сгущения CaCO3 CaSO4 MgSO4 MgCl2 NaCl KCl Сумма

Океаническая вода (SW) 0.134 1.286 2.305 3.385 27.667 0.363 35.62

Начало садки гипса (SW1) 0.34 4.90 9.50 14.90 99.10 2.40 131.39

Начало садки галита (SW2) 0.52 0.46 21.0 33.40 214.1 5.20 275.27

Начало садки эпсомита (SW3) 2.24 следы 89.2 158.2 50.5 22.9 325.76

Начало садки сильвина (SW4) - следы 75.5 160.1 33.8 49.2 327.60

Начало садки карналлита (SW5) 3.01 следы 64.4 213.4 24.2 31.6 340.51

Садка бишофита (эвтиника, SW6) 4.57 следы 39.9 308.6 10.0 1.9 371.56

нит), СаС03 (кальцит), СаМ§(С03)2 (доломит), БеСОз (сидерит), СаБе(С03)2 (анкерит), Бе82 (пирит), БеООИ (гематит), Са804 • 2Н20 (гипс), 8Ю2 (кварц) и алюмосиликаты из Банка UNITИERM. [9]. Термодинамические свойства указанных минералов представлены в нашей публикации [10]. Дополнительно в список твердых фаз был включен Си4С12(0Н)6 (атакамит) со свободной энергией Гиббса при 25°С, равной —1339500 Дж/моль, и Си(тв).

Красноцветные формации образуются при выветривании изверженных пород в условиях аридного климата [11, 12]. Исторически рассматривались три потенциальных источника меди: а) привнос меди гипотетическими гидротермальными (магматогенными) флюидами, б) растворение сульфидов меди захороненных месторождений, в) растворение минералов-носителей, окисление меди и переход в водную фазу Си(11) при дезинтеграции изверженных пород и сносе. Первая точка зрения не получила геологического обоснования, так как для районов распространения медистых осадочных пород нехарактерно развитие магматизма. Концепция о захоронении сульфидных месторождений не подтверждается оценками баланса меди: чтобы накопить медь в красноцветном осадке необходимы месторождения с нереально высокими запасами [2]. Точка зрения о сносе и захоронении меди в форме карбонатных соединений [11] не получила признания геологов. За основу нашей работы [10] была взята концепция о сносе меди в красноцветные песчаники в составе минералов изверженных пород при их выветривании [2—4].

Оценку оптимальных условий формирования красноцветных формаций и меденосного флюида мы начали с моделирования взаимодействий маломинерализованная вода—изверженные породы (кислые, основные, ультраосновные) при 25 и 50°С, парциальных давлениях 02 в поле устойчивости воды и парциальных давлениях С02 10-4—10-2 бар [10]. Было установлено, что при 50°С, парциальном давлении С02

0.001 бар и парциальном давлении O2, которое создает Eh от +300 до —100 мВ, в водном растворе выщелачивания формируются различные концентрации Cu(aq). В первой порции воды и только при высоких отношениях масс породы и воды (R/L W = 10) концентрация Cu(aq) составляет n х 10 мг/кг H2O (гранит, базальт) и n мг/кг H2O (дунит), что было обусловлено участием хлора породы в выщелачивании меди. В последующих порциях маломинерализованной дождевой (речной) воды, даже при благоприятном Eh (от +300 до —100 мВ), водный раствор содержит концентрацию Cu(aq) порядка n х 10-3 мг/кг H2O, т.е. выщелачивание меди маломинерализованной водной фазой не может привести к формированию рудообразующего флюида. Указанная концентрация меди соответствует растворимости окислов CuO (тенорит) и Cu2O (куприт) в маломинерализованной воде. Многократное (длительное) воздействие воды (R/LW < 0.001) приводит к полному растворению окислов меди и химическому выветриванию породы до каолинита. В целом, моделирование систем "метеорная вода—порода" показало, что: 1) продукты поверхностного разрушения изверженных пород и их снос дождевой (речной) водой формируют красноцветную формацию, 2) для образования водных флюидов с высокими концентрациями меди благоприятны повышенная хлоридность водных растворов, захоронение от атмосферы (Eh +200 ± 300 мВ) и уплотнение (R/W ~ 10) продуктов сноса.

Джезказганский прогиб, расположенный в северной части Чу-Сарысуйской депрессии, представляет собой артезианский бассейн [1], в верхней зоне которого (Джезказганская свита) скопились воды, которые, в принципе, могли поступать как из вышележащих (пермских), так и ниже лежащих морских отложений C1 и D3. Согласно результатам моделирования при взаимодействии морской воды разных стадий сгущения (табл. 1) c глинистыми породами при 25°C (R/W = 100) получаются рассолы минерализации M363—567 г/кг и состава (экв. %): Cl 89-97, SO4 4-10, Mg 3-96, (Na + K) 4-10, Ca 1-4, pH 5.8-6.0. При высоких степенях сгущения морской воды рассолы отли-

Ca/Mg 12

10 8 6 4

2

0 50 100 150 200 250

T, °C

Рис. 1. Отношение Ca/Mg в водной фазе системы "морская вода разных стадий сгущения + кальцит + + доломит" при 25—200°C.

Ca/Mg 10

8

0 50 100 150 200 250

T, °C

Рис. 2. Отношение Ca/Mg в водной фазе системы "морская вода разных стадий сгущения + кальцит + + доломит + гипс(ангидрит)" при 25—200°C.

6

4

2

чаются повышенной долей Mg. При тех же условия с карбонатной породой образуются рассолы минерализации 210—450 г/кг и состава (экв. %) Cl 95-100, SO4 1-4, Ca 7-29, Mg 7-50, (Na + K) 87-20, т.е. с более высокой долей Ca и Na за счет снижения доли Mg [13]. Отметим, что при моделировании систем "вода-порода" с более высокой температурой получаются седиментогенные рассолы с более высокой кальциевостью.

О температуре рудоносного флюида свидетельствуют газово-жидкие включения. Измерены температуры гомогенизации включений в минералах Джезказгана до 140-160°C [14, 15], хотя фиксируются также первично-вторичные включения с температурой гомогенизации около 100°C и ниже, образование которых можно объяснить охлаждением рудоносного флюида по мнению [1] за счет смешения с холодными водами. О рудообразова-нии при 75°C свидетельствует исследование фазовых превращений в сульфидах [3]. Температуры порядка 100-150°C при формировании осадочного бассейна возможны и в соответствии с минимальным термоградиентом 10°/км.

Согласно результатам моделирования, при взаимодействии морской воды разных стадий сгущения с минеральной ассоциацией кальцит + + доломит (R/W = 100), в водной фазе величина Ca/Mg отношения заметно возрастает с увеличением температуры (рис. 1). Однако при равновесии морской воды с минеральной ассоциацией кальцит + доломит + гипс (ангидрит) отношение Ca/Mg и его зависимость от температуры имеют иной харак

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком