Геохимическая обстановка на месторождениях. Геохимическая зональность и геохимические барьеры

Введение

 

В месторождениях рудных полезных ископаемых сосредоточена ничтожная часть общего запаса элементов, большая часть элементов рассеяна в земной коре. Следовательно, для образования месторождений требуется протекание геохимических процессов концентрации рассеянных компонентов. Повышенное содержание рудных элементов в горных породах в ряде случаев служит региональным геохимическим поисковым критерием.

Сформировавшееся месторождение может быть на длительное время «законсервированным» в земной коре или разрушаться в результате окислительной эрозии. Поэтому историческая геохимия месторождения включает и историю его разрушения, образование вторичных ореолов рассеяния. Первичное месторождение образуется в земной коре застыванием магмы, затем вещества, входящие в состав магмы, приобретают подвижность, например, путем выветривания и может происходить вторичное концентрирование элементов с образованием вторичных месторождений.

Изучение геохимических закономерностей перераспределения вещества в земной коре и формирования вторичных месторождений позволит техногенными методами формировать вторичные месторождения полезных ископаемых, в частности меди и цинка, в удобных для человека местах.

Литературная часть.

 

Формирование рудных месторождений – это история концентрации и рассеяния химических элементов в пространстве его рудного поля. Для понимания этих процессов, требуется рассмотреть следующие вопросы:

1. Геохимические барьеры.

2. Типы вторичных месторождений.

3. Формирование техногенных месторождений.

Геохимическая обстановка на месторождениях. Геохимическая зональность и геохимические барьеры.

 

В пределах месторождений условия миграции элементов, как правило, неодинаковы: меняются Eh, рН и другие параметры среды. Это позволяет расчленять месторождения на отдельные подсистемы, однородные по геохимическим условиям. Для многих месторождений основными геохимическими параметрами подсистем (обстановок) служат окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия [1].

При изучение современных геохимических обстановок огромное значение приобретают гидрогеохимические исследования, которые должны проводится сопряжено с минералого-геохимическими. Только такой единый комплекс исследований позволяет понять, как образуются и разрушаются рудные минералы [2].

Многие рудные месторождения содержат органические вещества (хотя бы рассеянные) сульфиды и другие соединения – источник энергии для микроорганизмов. Воды рудных месторождений часто являются ареной их деятельности. Многие «чисто химические» реакции в действительности являются биогеохимическими, их механизм связан с деятельностью бактерий [8]. Это в значительной степени относится к процессам окисления сульфидов, образованию серных руд, осаждению сульфидов на восстановительном барьере и т. д. [1]. В связи с этим изучение современной геохимической обстановки месторождений должно включать анализ органического вещества и микробиологические исследования. На большинстве месторождений образование руд в настоящее время не происходит. Однако, изучая минеральные ассоциации в породах и рудах, газово-жидкие включения в минералах, химический состав пород и руд, можно восстановить былые геохимические обстановки.

Геохимические обстановки в пределах месторождений образуют закономерный ряд в породах – геохимическую зональность. Она может быть охарактеризована не только по типам измененных пород, но и по смене парагенных ассоциаций элементов. Особенно детально изучена геохимическая зональность эндогенных месторождений [14].

При геохимическом изучении месторождений необходимо анализировать как устойчивые геохимические обстановки, так и геохимические барьеры – контакты между ними [1].

Геохимическими барьерами называют такие участки зоны гипергенеза, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрации химических элементов [2]. Уменьшение скорости миграции вызывается резкими изменениями параметров окружающей среды – Eh, pH, влажности, минерального состава. В зависимости от изменяющегося параметра такие барьеры называются: окислительно-восстановительными, щелочными (кислотными), испарительными и т. д.

При картировании геохимические барьеры чаще всего представляют собой линии, по которым соприкасаются поля развития эпигенетических процессов. Это означает, что геохимические барьеры возникают на границе эпигенетических процессов различных типов; они занимают определенное место в эпигенетической зональности [17]. Однако эпигенетическая зональность может и не включать геохимические барьеры. В этом случае различные эпигенетические процессы постепенно сменяют друг друга через ряд переходных зон. Геохимические барьеры наблюдаются в почвах, коре выветривания и водоносных горизонтах [2]. Геохимические барьеры так же возникают в магме, гидротермальных растворах, реках, морях и других системах. Их размеры весьма различны. Геологические условия формирования барьеров очень разнообразны, но их геохимическая сущность в самых различных частях земной коры одинакова [1].

К геохимическим барьерам в водоносных горизонтах приурочены рудные тела месторождений ряда полезных ископаемых. Для рудоносной толщи подобных месторождений характерно чередование пластов разной водопроницаемости. Рудные тела образуются в водопроницаемых породах или в породах, которые были водопроницаемы в прошлом (конгломераты, гравийники, пески и песчаники, трещиноватые известняки) [10]. Разделяющие их водоупорные породы (глины, массивные глинистые известняки) обычно безрудны. Высокое содержание металлов в рудах в значительной степени объясняется тем, что они осаждаются из растворов на небольшом расстоянии, в результате резкого изменения физико-химических и других условий среды.

Рассмотрим несколько физико-химических барьеров.

Окислительные геохимические барьеры. Развиваются на участках резкой смены восстановительных условий окислительными или же в общей форме в местах перехода от менее окислительных условий к более восстановительным (или от более восстановительных к менее окислительным). Наиболее изучены такие барьеры в местах смены восстановительной обстановки окислительной, причем главным агентом окисления служит свободный кислород. В связи с этим данную разновидность окислительного барьера можно назвать кислородным барьером [14].

Восстановительные геохимические барьеры. Эти барьеры возникают в тех участках зоны гипергенеза, где окислительные условия сменяются восстановительными или, в более общей форме, где менее восстановительные резко переходят в более восстановительные. В соответствии с двумя основными классами восстановительной среды – сульфидным (сероводородным) и глеевым – устанавливаются и два класса восстановительных геохимических барьера: сульфидный (сероводородный) и глеевый. Оба класса барьеров распространены как в почвах, так и в водоносных горизонтах [2].

Сульфидный барьер. Современные термальные сероводородные барьеры формируются на дне впадин Красного моря, в других морских и океанических районах, в районах вулканизма, в зонах разлома и т. д.[1]. Сульфидный (сероводородный) барьер так же возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда дренирующие воды встречают на пути своего движения сероводород (сероводородные воды; выделение газов, содержащих H2S; гниющее органическое вещество). При этом происходит выпадение металлов в форме нерастворимых сульфидов.

Сероводород осаждает медь из природных вод в форме различных сульфидов. Поэтому на участках встречи меденосных вод с сероводородными возникает восстановительный барьер, на котором осаждается медь и ее спутники свинец и цинк [8].

Данный механизм имел большое значение для образования сульфидных медных, свинцово-цинковых и некоторых других руд. Признаком былого проявления H2S в водоносных горизонтах служат эпигенетические сульфиды в породах, в первую очередь пирит [11]. Во впадинах Красного моря горячие металлоносные растворы разгружаются на сероводородном барьере с образованием сульфидных осадков. Последние образуют пласт черного цвета, в котором преобладает сфалерит (есть пирит и халькопирит) [1].

С восстановительным барьером связано формирование некоторых месторождений меди (тип «медистых песчаников»). Медь обладает сравнительно высокой миграционной способностью в окислительных и слабовосстановительных водах, не содержащих H2S. Поэтому сернокислый, кислый и содовый эпигенетические процессы благоприятны для миграции меди [17].

Для месторождений медистых песчаников характерно два типа концентрации меди. Первый тип связан с осаждением меди из подземных вод на участках с локальной восстановительной среды (гниющее органическое вещество). В результате создавалось множество мелких «центров восстановления», где осаждалась медь [10].

Сероводород возникает и за счет десульфуризации сульфатных вод в газонефтеносных областях. Мигрируя с подземными водами, он может обусловливать осаждение меди и других металлов в зоне контакта сероводородных вод с водами, не содержащими этого соединения и несущими повышенное количество металлов. Подобный механизм имел место при образовании некоторых сульфидных месторождений в осадочных породах [9]. Это второй тип концентрации меди в месторождениях типа медистых песчаников [10].

Согласно современным представлениям, рудовмещающие породы здесь формировались в условиях окислительной среды, но образование устойчивого, длительно существующего наложенного восстановительного барьера определило крупные размеры рудных тел, их промышленный характер [2].

В первом типе источник восстановительной среды был сингенетический (красноцветы), а во втором эпигенетический (нефть, газ, битуминозные породы). Оруденение в обоих случаях эпигенетическое [17].

В эпоху, предшествующую рудообразованию, суша характеризовалась широким распространением пород, обогащенных медью, а местами так же медных месторождений и рудопроявлений, вокруг которых формировались вторичные ореолы рассеяния. Размыв этих ореолов и переотложение соответствующего материала привело к накоплению сорбированной меди в осадках красноцветной свиты [2].

Осаждение металлов на восстановительном сероводородном барьере. Рассмотрим проявление сероводородного барьера при избытке и дефиците сероводорода.

Если содержание сероводорода в среде равно тому количеству, которое необходимо для осаждения всех металлов, присутствующих в водах (или превышает его), то в подобных условиях образуются труднорастворимые сульфиды всех металлов, т. е. Fe, Cu, Zn, Pb, Ag и т. д. Поэтому породы и руды будут полиметаллическими в широком смысле этого слова. Отсюда можно сделать два вывода:

2) если руды содержат сульфиды многих металлов, то в среде имелся избыток сероводорода;

1) если руды монометальны или содержат небольшое число металлов, то это может говорить или о дефиците сероводорода на восстановительном барьере или же о монометальном характере поступающих растворов [9].

Теперь представим себе, что кислородные подземные воды, содержащие медь, никель, кобальт, цинк, свинец и другие металлы, двигаются по водоносному горизонту, в нижней части которого имеется восстановительный сероводородный барьер [16]. Однако количество ионов S²- и HS-, необходимых для осаждения металлов, в каждый данный момент меньше, чем количество протекающих металлов (имеются в виду активные концентрации).

В этом случае будут осаждаться сульфиды не всех металлов; осуществится только часть возможных реакций в соответствии с принципом торможения. Примем, что содержание сульфидного иона (S²-) составляет 10-10 моль/л (3,2·10-9 г/л) и реакция осаждения имеет следующий характер:

Cu²+ + S²- →CuS,

Pb²+ +S²- →PbS

Содержание металлов в водах, поступающих к барьеру, примем близким к фоновым, т.е. 1·10-6 - n·10-8 моль/л (n·10-5 - n·10-6 г/л).

Для металлов мало различающихся по реакции осаждения сульфидов (Pb, Zn, Ni, и Co) и величине изобарного потенциала, последовательность осаждения может зависеть от исходных концентраций металлов в водах. Следовательно, в зависимости от концентрации этих металлов в водах, при дефиците сероводорода, сначала может осаждаться или свинец или цинк [11].

Карбонатный барьер. Возникает в местах встречи карбонатных вод с водами другого типа, содержащими значительное количество Cu, Zn, Са, Sr, Ba. Примером может служить барьер на стыке глубинных хлоридных рассолов с гидрокарбонатно-натриевыми водами [13]. Это явление может происходить в опущенном крыле артезианского бассейна, где близко от поверхности залегают глубинные воды. При этом происходят обменные реакции, в ходе которых из вод осаждаются карбонаты щелочноземельных металлов.

Sr²+│ SrCO3

хлоридный рассол± CO²+3 – инфильтрующихся вод→

Ca²+│ CaCO3

В результате этого процесса возникают эпигенетическая кальцитизация; образуются эпигенетические бариты, целестины, стронцианиты. Смещение глубинных хлор-кальциевых вод с приповерхностными может быть обусловлено также тектоническими поднятиями [2]. На карбонатном геохимическом барьере сформировались малахитовые месторождения окисленных медных руд на Среднем Урале (малахит – (Cu2CO3(OH)2) и окисленные месторождения цинка в Канаде и США (Теннеси, Миссури) (смитсонит – ZnCO3, гидроцинкит – Zn5(CO3)2(OH)6).

Щелочной барьер. Этот барьер возникает на участках резкого повышения рН, в частном случае в местах смены кислых вод нейтральными или щелочными (но также и в кислой области при смене сильнокислых вод слабокислыми). Характерным примером щелочного барьера служат многие контакты изверженных и осадочных бескарбонатных пород с известняками. Такой же барьер возникает при формировании зоны окисления сульфидных месторождений. Щелочной барьер имеет особенно большое значение для концентрации большинства металлов, так как интенсивность их миграции в кислой области значительно выше, чем в щелочной [1].

Кислые воды, дренирующие сульфидные месторождения, ультраосновные и другие силикатные породы, содержат значительные количества металлов. При попадании этих вод в известняки рН резко повышается, и металлы выпадают из раствора в виде вторичных минералов, выполняющие карстовые полости или замещающих известняки [9].

Таким путем образовались никелевые месторождения так называемого Уфалейского типа на Среднем Урале. Кислые воды, дренировавшие в районе Уфалея массивы серпентинитов, содержали значительные количества никеля. На контакте с известняками эти воды резко изменяли свой состав, рН их повышался, и никель выпадал из раствора, образуя рудные тела в зоне контакта или в карстовых полостях.

Аналогично кислые воды, несущие железо, попадая в известняки, отдают свое железо, соединения которого выполняют карстовые полости или же замещают кальцит. К такому типу относятся некоторые железорудные месторождения Урала. Щелочной барьер очень характерен для почв, коры выветривания и ореолов рассеяния сульфидных месторождений [16].

В верхних горизонтах большинства лесостепных степных почв создается слабокислая среда за счет разложения растительных остатков (гумусовые кислоты, CO2). Двигаясь вниз, эти воды встречают на некоторой глубине (0,5-1 м) карбонатный горизонт. На контакте с этим горизонтом создается щелочной барьер; возникают условия для осаждения многих металлов [7].

Кислые и слабокислые воды, дренирующие окисляющиеся сульфидные руды, удаляясь от руд во вмещающие породы, также нередко встречают на своем пути щелочной барьер. Этот барьер особенно резко выражен в сухом климате, где почвы и континентальные отложения всегда карбонаты, а также во влажном климате для руд, залегающих в известняках и других карбонатных породах [2].