ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2014, том 56, № 3, с. 229-236
УДК 550.42
МОДЕЛЬ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДЖЕЗКАЗГАН
© 2014 г. Б. Н. Рыженко, Е. В. Черкасова
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 19 Поступила в редакцию 24.12.2013 г.
Выполнено физико-химическое компьютерное моделирование систем "вода—порода" при температурах 25—150°С, давлениях до 600 бар для количественного описания условий формирования рудной минерализации на месторождениях типа медистых песчаников и сланцев. При выполнении моделирования опирались на геолого-геохимическую информацию о месторождении Джезказган. В модели рассматриваются: (1) источник рудного вещества, (2) состав флюида, транспортирующего рудное вещество в зону рудообразования, (3) факторы рудоконцентрирования.
Показано, что экстракция меди из минералов горных пород и накопление в водном растворе оптимальны при высоких отношениях масс реагирующих породы и воды (R/W > 10), Eh от +200 до —100 мВ и обязательном содержании хлорид-ионов в водной фазе. Рудоносный флюид усредненного состава (экв. %) Cl95S044//Ca50(Na + K)30Mg19, рН « 4, минерализации до 400 г/л образуется при взаимодействии красноцветных песчаников с седиментогенным рассолом, продуктом метаморфизации морской воды в обогащенных органикой карбонатных породах. Рудоконцентрирование происходит при снижении температуры от 150 до 50°С при фильтрации рудоносного флюида через красноцветный песчаник в системе "порода—вода", термодинамически открытой относительно компонента-восстановителя.
DOI: 10.7868/S0016777014030034
ВВЕДЕНИЕ
Генетические представления о формировании месторождений медистых песчаников и сланцев опирались на взаимоисключающие концепции (Германов, 1962; Страхов, 1963; Габлина, 1983; Лурье, 1988; Габлина, 1997; Кисляков, Щеточкин, 2000; Холодов, 2006; Богашова, 2007): снос металлов в бассейн седиментации поверхностными водами; выпаривание морской воды и выпадение солей меди на осадках дна; осаждение сульфидов меди из морской воды в анаэробной зоне, зараженной сероводородом; привнос металлов из подстилающих отложений подземными водами и осаждение в зонах, обогащенных органикой. Наиболее полно, хотя и по-разному, геологические наблюдения описывает гидрогенная концепция (Лурье, 1988; Кисляков, Щеточкин, 2000), согласно которой медь, накопленная в красноцветных формациях, извлекалась подземными водами и осаждалась на ЕЙ- или И28-барьерах. Следуя гидрогенной концепции (Лурье, 1988), было выполнено моделирование трех процессов, являющихся этапами формирования месторождений медистых песчаников.
Адрес для переписки: ryzhenko@geokhi.ru
Б.Н. Рыженко. E-mail:
ФОРМИРОВАНИЕ Си-СОДЕРЖАЩИХ КРАСНОЦВЕТНЫХ ПЕСЧАНИКОВ
Первичным источником всех компонентов красноцветных осадочных пород являются изверженные породы земной коры (Холодов, 2006). Кларк Си в изверженных породах равен (10-4 мас. %): кислые — 20, основные — 100, ультраосновные — 20. Минералами-носителями меди являются темноцветные минералы (10-4 мас. %): пироксен 77 ± 30, амфибол 24 ± 15, темные слюды 120 ± 80, а также плагиоклазы 33 ± 10, K-Na-полевые шпаты 10 ± 2, кварц 8 ± 2. Также установлено, что часто источником высокого содержания Cu в силикатах, окислах и других минералах являются микровключения сульфидов меди, которые составляют порядка половины указанного выше общего содержания в изучавшихся минералах (Иванов, 1995; Ярошев-ский, 2006).
По программе HCh (Шваров, 2008) было выполнено моделирование взаимодействия изверженных пород с речной (дождевой) водой в системах "гранит—вода", "базальт—вода" и "дунит—вода", открытых по углекислоте (PC^ = 10-4, 10-3, 10-2 бар)
и кислороду (= 10-81-10-1 бар), при 25 и 50°С
и отношениях масс реагирующих породы и воды R/W < 10 (Щербина, 1972). Равновесным моделированием было установлено (Черкасова, Рыженко,
2014), что различия в минеральном составе продуктов выветривания изверженных пород несущественны; образуются песчано-глинистые породы с пропорцией между основными группами минералов, которая отражает состав исходной изверженной породы: по гранитам — кварц ~ ~ алюмосиликаты ~ карбонаты, по базитам — карбонаты > алюмосиликаты > кварц и по ультрабазитам — алюмосиликаты > карбонаты. Для песчано-глинистых пород по ультрабазитам характерно содержание гидроокиси железа вдвое более высокое, чем по кислым или основным породам. Моделированием указанных систем с учетом скоростей растворения минералов по программе (Мироненко и др., 2000; Мироненко, Зо-лотов, 2012) оценено время химического выветривания пород, составляющее несколько сотен тысяч лет. При этом по времени достижения равновесного состояния системы расположились в ряд: вода—дунит < вода—гранит < вода—базальт.
Было установлено, что при выщелачивании меди из минералов изверженных пород речной (дождевой) водой происходит переотложение Cu в тенорит или куприт в зависимости от Eh-условий, складывающихся в системе порода—вода. Экстракция меди из минералов горных пород, образование собственных минеральных фаз, накопление в водном растворе (фиг.1) оптимальны при высоких отношениях масс реагирующих породы и воды (R/W > 10), Eh от +200до —100мВ и обязательном содержании хлорид-ионов в водной фазе.
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ РУДОНОСНОГО ФЛЮИДА
Модель была построена с учетом известной геолого-геохимической информации о месторождении Джезказган (Германов, 1962; Страхов, 1963; Банникова и др., 1982; Габлина, 1983; Лурье, 1988; Габлина, 1997; Кисляков, Щеточкин, 2000; Холодов, 2006; Салихов, 2008; Трубачев, 2009). Джезказганская серия средне-верхнекаменноугольного возраста представлена ритмично чередующимися сероцветными и красноцветными песчаниками и алевролитами с подчиненными прослоями конгломератов и крайне бедна органическим веществом (0—0.04, редко до 0.2% Сорг). Ниже залегают терригенные и карбонатные отложения: красноцветные песчаники и конгломераты среднего девона, окремненные известняки, песчаники и мергели нижнего карбона, богатые органическим веществом (до 6%) и содержащие в заметных количествах битумы (до 0.4%). В течение перми Джезказганская серия перекрывается малиново-красными песчаниками, аргиллитами, известняками и мергелями, и соленосной толщей. В конце палеозоя сформировались кенгир-ская и другие складки, возникла большая часть разрывных деформаций, а в гидрогеологической
структуре начался эллиозный режим, который обеспечил интенсивную миграцию водных растворов в верхние горизонты.
Логично представить две возможности формирования рудоносного флюида при взаимодействии с хлоридными растворами: с пермскими рассолами выщелачивания (хлоридно-натриевого состава) и с седиментогенными хлоридно-кальциево-натриевыми рассолами карбонатных пород нижнего карбона. О температуре рудоносного флюида (до 140—160°С) свидетельствуют измеренные температуры гомогенизации включений в минералах Джезказгана (Кашинцева, Шмариович, 1990; Кисляков, Щеточкин, 2000), хотя фиксируются также первично-вторичные включения с температурой гомогенизации около 100°С и ниже. Температуры порядка 100—150°С при формировании осадочного бассейна возможны и в соответствии с минимальным термоградиентом 10°/км.
Первоначально были рассчитаны составы флюида, которые могли сформироваться в породах перми (Р) и нижнего карбона (С1). Моделирование взаимодействия морской воды галитовой стадии сгущения с алевропесчаной породой пермского возраста при 25°С = 100) показывает формирование рассолов выщелачивания состава М330 С1938046/(Ш + К)84М§14Са2, рН = 6.11. Модельный же раствор, образующийся при взаимодействии известняков С1 (обогащенных органическим веществом) с морской водой карнал-лит-бишофитовой стадии сгущения при 150°С, характеризуется составами, зависящими от соотношения масс реагирующих породы и воды: С1928043НС035/Са50М§33(Ш + К)17, рН = 4 ^ ^ С13580436НС0328/Са61(№ + К)23М§16, рН = = 4.2 и минерализацией 300—400 г, где в седимен-тогенном рассоле доля С1 снижается, а Са/М§-от-ношение, доля Са, 804 и НС03 возрастают с ростом R/W от 1 до 100. Присутствие органического вещества в породах приводит к образованию значительной концентрации углекислоты (до п молей/кг Н20), появлению углеводородов метанового ряда (до п х 10-6 молей СН4 на 1 кг Н20), снижению БИ до —100 мВ и даже ниже при дегазации углекислоты.
При взаимодействии продукта выветривания основной породы с рассолом выщелачивания при 100°С образующийся флюид имеет состав (с учетом восстановления сульфатной серы до сульфидной) С14580454//(Ш + К)74М§26Са1, рН = 6.74. При взаимодействии же продукта выветривания основной породы и хлоридно-кальциевого седимен-тогенного рассола при 100°С был получен модельный состав флюида С1938046/Са70(№ + К)28М§1, рН = 6.4. Из сравнения указанных модельных составов флюида с аналитически установленным макросоставом вакуоль-включений (Кисляков,
1.Е + 02
1.Е + 00
О
К 1.Е-02
1-С
м
(а)
1.Е - 04
1.Е - 06
1.Е - 08 1.Е + 03
1.Е + 01
9° 1.Е - 01 Я
^ 1.Е - 03
1-1 %
5 1.Е - 05
1.Е - 07
1.Е - 09 1.Е + 01
1.Е - 01
К 1.Е-03
1-4
3
О
1.Е - 05
1.Е - 07
1.Е - 09
1.0
(в)
0.5
0
ЕЬ, V
0.5
1.0
1Б R/ГW
1
0
1
Фиг. 1. Экстракция меди в водную фазу системы "порода-дождевая (речная) вода" в зависимости от редокси-усло-вий (ЕЬ) при Рсо = 0.001 бар, Т = 50°С для различных отношений масс реагировавших породы и воды
а) гранит, б) базальт, в) дунит.
Щеточкин, 2000) (пересчитанным нами на формулу Курлова С1938046//Са53(Ш + К)40М§5) видно, что макросостав флюида, который мы рассматриваем как рудоносный, формировался преимущественно из седиментогенного рассола, с примесью рассола выщелачивания.
Опираясь на геологическое описание месторождения Джезказган, можно принять, что рудо-формирующая часть месторождения выступала как система, открытая (в терминах Д.С. Коржин-ского) к окислительно-восстановительному потенциалу пород нижнего карбона. Потенциал-за-
1.Е + 04 1.Е + 03 1.Е + 02 1.Е + 01
% О
1.Е + 00 1.Е - 01 1.Е - 02 1.Е - 03 1.Е - 04
0.1 0 ЕЬ, V
0.3 -0.4
Фиг. 2. Накопление меди в рудоносном флюиде, продукте взаимодействия мин
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.