Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Борисов, Михаил Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования
ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования"

На правах рукописи

БОРИСОВ Михаил Васильевич

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЖИЛЬНОГО ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РУДООБРАЗОВАНИЯ

04.00.02 - геохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

На правах рукописи

БОРИСОВ Михаил Васильевич

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЖИЛЬНОГО ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РУДООБРАЗОВАНИЯ

04.00.02 - геохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Работа выполнена на Геологическом факультете Московского Государственного Университета имени М.ВЛомоносова

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Э.М.Спиридонов доктор геолого-минералогических наук, профессор Г.П.Зарайский доктор химических наук, профессор Н.Н Акинфиев

Ведушдя организация:

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Зашита состоится "28" о^^^ул. ] 998 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 002.59.02 при Институте геохимии и аналитической химии имени В.И.Вернадского РАН по адресу. 117975, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Косыгина , д. 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геохимии и аналитической химии имени В.И.Вернадского РАН.

Автореферат разослан "25" _1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

А.П.Жадикова

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Реконструкция условий и механизмов гидротермального рудообразования, физико-химических процессов, происходивших при формировании гидротермальных месторождений, является важнейшей фундаментальной и прикладной проблемой геохимии. Успехи, достигнутые в области термодинамического моделирования показывают, что его применение позволяет добиться значительного эффекта при исследовании процессов становления и развития палеогидрогермальных рудообразуюших систем.

В рудообразующем гидротермальном процессе обязательно участвуют два главных исходных реагента: гидротермальный флюид и породы, окружающие формирующееся месторождение. Чаще всего взаимодействие "вода-порода" рассматривается, как процесс сопровождающий рудообразование, а не как процесс, приводящий к рудообразованию и регулирующий его. Термодинамическое моделирование условий образования месторождений и исследование роли взаимодействия "вода-порода" в формировании гидротермальных рудных тел, определяет важность и актуальность темы диссертации.

Цель и задачи работы. Реконструкция механизмов и процессов образования и эволюции рудных тел и сопутствующих ореолов металлов на низко- и средне-температурных гидротермальных жильных месторождениях на основе развития методов геохимических исследований и термодинамического моделирования.

Основные задачи исследования:

1. Разработка методов оценки составов гидротермальных растворов.

2. Исследование рудогенерирующей роли пород, вмещающих месторождение.

3. Разработка методов равновесно-динамического моделирования гидротермальных рудообразуюших систем жильных месторождений, учитывающих элементы динамики и эволюцию процессов массопереноса и массообмена.

4. Построение обобщенных моделей формирования жильных урановых и полиметаллических месторождений с анализом процессов и механизмов, происходящих в гидротермальной системе от областей мобилизации растворами рудных компонентов до областей рудо- и ореолообразования.

Научная новизна.

1. Проведенные исследования явились одними из первых, в которых были заложены основы и получило развитие новое направление геохимии - физико-химическое моделирование процессов гидротермального рудообразования на ЭВМ. В наших работах описаны первые равновесно-динамические модели низко- и средиетемпературных гидротермальных систем.

2. Разработан комплекс методов и методических приемов оценки составов гидротермальных растворов, основанных на применении численных методов физико-химического моделирования. Новыми являются данные о направленном изменении состава гидротермального раствора во времени, полученные при исследовании рудогенерирующей роли пород, вмешэюших месторождения.

3. Впервые на уровне физико-химического моделирования доказана геохимическая роль гидродинамических барьеров. Такими барьерами являются локальные участки трешинно-жильных систем, на которых структура потока гидротерм обеспечивает максимальную интенсивность реакций "раствор-раствор", ведущих к минерало-и руцоотложению.

4. Впервые применен метод изучения тонкой структуры ореолов распределения рудных элементов в околожильном пространстве гидротермальных месторождений жильной полиметаллической формации и показана возможность использования этих данных в качестве основы генетических моделей рудо- и ореолообразования.

5. Впервые по результатам моделирования проведен анализ эволюции гидротермальной рудообразующей системы жильных полиметаллических месторождений.

6. Впервые построены обобщенные термодинамические модели рудообра-зующих гидротермальных систем жильных полиметаллических и урановых месторождений, включающие область мобилизации рудных компонентов и область рудо- и ореолообразования, и показано соответствие результатов моделирования природным аналогам.

Практическое значение.

Построение и анализ количественных равновесно-динамических моделей рудообразуюших гидротермальных систем позволит развить физико-химическую теорию гидротермального процесса, выявить причины, условия и механизмы формирования концентрированного и вкрапленного оруденения, что в свою очередь позволит создать новые критерии поиска и оценки рудных месторождений.

Объекты исследования и фактический материал.

Исследования на РЬ-2п жильных месторождениях (Сев.Осетия - Холст, В.Згид, Архон) автор проводил в 1991-1995, 1997 г. В настоящее время имеются данные для 27 детальных разрезов вмещающих пород для восьми рудных тел трех месторождений. Обший объем первичных данных: более 1400 проб (вмещающие породы и жилы), 300 образцов, 700 шлифов и ашиифов.

Месторождения 1)-Мо формации непосредственным объектом полевых исследований автора не являлись, но тесное многолетнее творческое сотрудничество с ВшсгЛ.Барсуковым позволило максимально полно использовать при термодинамическом моделировании колоссальный объем первичной геологической и геохимический информации, полученной на этих объектах.

Структура работы и методы исследования.

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения, списка литературы (246 ссылок). Обший объем: 344 страницы, включая 113 рисунков и 43 таблицы.

Главы 1-2 имеют общий для всей работы характер - вопросы методологии, термодинамическая основа моделей, методы оценки составов растворов и др.

Далее диссертация делится на две части. В I части - модели рудообразования в изотермических или близких к ним условиях (месторождения урана). Во II части - модели рудообразования в терм о- и баро градиентных условиях характерных для средиетемпературных месторождений (Ро-2п месторождения).

Модели рудообразования рассматриваются по мере последовательного усложнения физико-химических условий в изучаемых рудоооразуюшцх системах.

модель образования урановых месторождений в фильтрационно- неоднородной, но химически одинаковой вмещающей среде при постоянных Т и Р (месторождение Чаули и др.);

модель образования урановых месторождений в областях, где сочетаются породы контрастно-различного химического состава, но при неизменных Т и Р (месторождения типа "несогласия");

модель образования жильных полиметаллических месторождений в термо- и бароградиентных условиях (Садонский рудный район).

Для решения поставленных задач использованы два основных подхода: геохимический и термодинамический.

Геохимические исследования - описание детальных структур первичных ореолов металлов вокруг жил и на этой основе изучение закономерностей распределения элементов в околожильном пространстве. Геохимические данные используются для построения геологической модели процесса, частично в качестве параметров термодинамических моделей, а главным образом для верификации результатов термодинамического моделирования.

Термодинамическое моделирование на ЭВМ - построение равновесно-динамических моделей формирования рудных тел и околожильных первичных ореолов металлов. Новизной методического подхода является анализ моделей формирования и развития гидротермальной системы от областей мобилизации

рудных компонентов до областей рудо- и ореолообразования, как взаимосвязанной и саморегулирующейся цепи событий.

При работе над диссертацией выполнены сотни тысяч индивидуальных расчетов.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались в более чем 40 сообщениях на отечественных и международных совещаниях и конференциях: Всесоюзное совещание по геохимии гидротермального рудообразования (Москва, 1979); Всесоюзное совещание по физико-химическому моделированию в геохимии и петрологии (Иркутск, 1980); Всесоюзное совещание по генетическим моделям эндогенных рудных формаций (Новосибирск, 1981; 1985); XXVII Международный геологический конгресс (Москва, 1984); Всесоюзные симпозиумы по термодинамике в геологии (1985, 1988, 1992); V Всесоюзный симпозиум по кинетике и динамике геохимических процессов (Черноголовка, 1989); III Международный симпозиум по гидротермальным реакциям (Фрунзе, 1989); VII и VIII Международный симпозиум по взаимодействию вода-порода (Парк Сити, 1992; Владивосток, 1995); II международный симпозиум по термодинамике природных процессов (Новосибирск, 1992); Совещание по количественным моделям рудных месторождений для целей прогноза, поисков и разведки (Москва, 1993); III и IV Объединенный международный симпозиум по проблемам прикладной геохимии (Прага, 1990; Иркутск, 1994); XIII Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995); Международная конференция по закономерностям эволюции Земной коры (Санкт-Петербург, 1996); Международный симпозиум по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997); лекция на семинаре по изотопной геологии и минеральным ресурсам в Швейцарском Федеральном Технологическом институте (Цюрих, 1997), Ломоносовские чтения - 1998.

По материалам диссертации опубликовано более 70 научных работ, из них 33 статьи в журналах "Геохимия", "Доклады Академии наук", "Геология рудных месторождений", в 8 различных сборниках, одна монография и учебник.

Работа выполнялась на кафедре геохимии геологического факультета МГУ. Автор считает своим долгом выразить особую благодарность своим учителям: Б.Н.Рыженко, ВикгЛ. Барсукову, ВА.Жарикову, И.П.Иванову, ИЛ. Ходаков-скому за поддержку, внимание и сотрудничество при выполнении работы на различных её стадиях. Автор глубоко признателен своим друзьям-коллегам Д.В.Гричуку, Ю.В. Шварову, Ю.В Алехину, А.Ю.Бычкову, ВА.Покровскому, С А.Воробьеву за многолетнее плодотворное научное сотрудничество и полезное обсуждение проблем геохимии процессов гидротермального рудообразования. Отдельно хочется поблагодарить студентов и аспирантов кафедры геохимии, без участия которых в полевых работах данное исследование было бы невозможно, -Ю.С.Гореву, В.ЮЛипатова, А.ВАплеталина, Г.В. Тихомирова, А.В.Евсгагне-ева, Е.ЮЛиванскую, К.Ю.Кудрявцева, ДЛЛакшганова.

В последние годы работа поддерживалась грантами Международного научного фонда (NC8000, NC8300), проекта "Геомодель" программы "Университеты России", Российского фонда фундаментальных исследований (94-05-17301а, 96-05-64887, 96-05-64376, 96-15-98338), грантом Федеральной Целевой Программы "Интеграция" (контракт 5.1-199/4), в которых автор являлся руководителем, ответственным исполнителем или исполнителем. 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ.

К настоящему времени накоплен громадный объем физико-химической информации о различных сторонах гидротермального рудообразования. Теперь проблема состоит не столько в получении новых данных, хотя безусловно нужны и они, а в том, как соединить все или большинство этих составляющих воедино. Только учитывая всю совокупность этих данных, можно составить современную научно обоснованную картину рудообразуюших процессов на реаль-

ных типах месторождений или на одном реальном объекте. Задача эта была явно непосильна до тех пор, пока в геологии не появился новый метод исследований - компьютерное физико-химических моделирование в сложных многокомпонентных гетерогенных системах.

В главе раскрывается круг геохимических проблем, на разработку которых направлена работа - источники рудного вещества, геохимические барьеры, эволюция рудообразуюших систем. Обсуждаются методология моделирования гидротермальных процессов (понятия геологической, физико-химической, математической моделей и их взаимосвязей) и элементы гидродинамических моделей гидротермальных рудообразуюших систем.

В настоящей работе все термодинамические расчеты выполнены по программам GIBBS (Шваров, 19/6,1982), на ранних этапах исследований, и GBFLOW (одна из модификаций программы GIBBS), в основе алгоритма которой лежит принцип минимизации свободной энергии системы и метод многоволновых ступенчатых проточных реакторов (авторы Шваров Ю.В., Ко-ротаев М.Ю., Гричук Д.В.). Часть расчетов проведена с использованием программного комплекса Hch (Шваров, 1995).

Списки твердых фаз и частиц водного раствора, а также источники исходной информации и способ расчета энергии, приведены в отдельных таблицах. Термодинамические данные рассчитаны при использовании базы данных UNITHERM (кафедра геохимии МГУ - шваров Ю.В., Борисов М.В., Гричук Д.В.) по состоянию на март 1996 года для температур 100 - 440°С и давлений -от давления насыщенного пара воды до 1 кбар. Кратко излагается основа способов расчета термодинамических свойств веществ в базе данных UNITHERM. 2. ОЦЕНКА СОСТАВОВ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ Проблема оценки составов растворов, участвовавших в формировании гидротермальных месторождений решается при использовании комплекса данных

Йнализ парагенезисов, результаты исследования включений, эксперимент), ами дня этой оценки разработаны методы на основе термодинамического моделирования, которые могут существенно дополнить традиционные. Оценка составов растворов, вызывающих различные метасоматические преобразования пород (метод граничных реакций). Метод количественной оценки состава исходного раствора рассматривается на примере моделирования метасо-матический зональности в простейших колонках кислотного выщелачивания пород. За основу взята детально изученная природная метасоматическая колонка формации кварц-серицитовых метасоматитов, связанная с изменением гранитов, в которой на фронтах замещения происходит инконгруэнтное растворение минералов алюмосиликатного состава:

Кв-> Кв+Сер -> Кв+Сер+Кпш-> Кв+Сер+Кпш+Аб -> Кв+Сер+Ктп+Аб+Хл Расчеты проводились при 300°С и 0.1 - 1 кбар. Выделим в каждой зоне колонки участок массой в 1 кг. Теперь последовательно будем проводить испытуемый раствор через колонку. Проведя подобные реакционные взаимодействия с растворами, содержащими различные компоненты в нескольких концентрациях, определяем граничные варианты растворов, при которых зональность не меняется Так были оценены пределы составов исходных растворов, которые привели к зональности данного типа. Например, при воздействии раствора Н20+КС1 с концентрациями от пЛО до п.10 m можно выделить три типа локальных равновесий. При шка=п.Ю" - п.10" полностью воспроизводится эталонная колонка. Но при mKC1>n.lO в зоне Кв+Сер+Кпш +А6 происходит растворение альбита по реакции Аб-»Кпш, т.е. идет вынос альбита из колонки и замещение его калиевым полевым шпатом. Увеличение концентрации КС1 до 5Л0" ш приводит к замещению зоны Кв+Сер. Вместо нее становится стабильной зона Кв+Кпш. Поэтому оптимальным для эталонной колонки является исходный раствор, имеющий концентрацию тКС1=пЛ0" - пЛО" т.

Были изучены следующие исходные растворы: Н20; Н20 +НС1; Н20 +КС1; HjO +KCl+NaCl; Н20 +КНС03.

Метод отдельных реакторов - два типа околорудных аргиллизитов.

Иной подход к оценке составов исходных растворов применен в наших исследованиях двух типов аргиллизитов, которые удобно называть соответственно Si - талом и AI - типом. Проблема развития аргиллизитов с мономинеральными кварцевыми или каолинитовыми и диаспоровыми тыловыми зонами представляет значительный геохимический интерес.

Модели колонок аргиллизации пород под действием на них растворов разного состава построены по результатам расчетов на ЭВМ локальных равновесий в системе H,0,K,Na,CaJVIg,Fe,Al,Si,C,Cl,(S), описанной 31 твердой фазой и 50 частицами раствора (150 С). В качестве исходной породы взят липарит.

Для детализации зависимости парагенезисов тыловых зон аргиллизитов от изменения концентраций Н2С03 и HCl в растворах, реагировавших с липаритом, выполнено несколько серий специальных расчетов - "разрезов" с постоянными массами породы. В одних сериях рассчитаны результаты взаимодействия липарита с растворами, содержащими неизменные концентоадии Н2С03 (Im), NaCl (0.1 m), KCl (0.01 m) и уменьшающиеся or 10 до 10 m концентрации HCl. В других сериях каждая из постоянных масс липарита реагировала с растворами, имевшими одинаковые концентрации NaCl (0.1 m) и KCl (0.01 m) и переменные, от 3.0 до 10 ш, концентрации Н2С03.

Основные реакции, которые определяют минеральные превращения в тыловых зонах аргиллизитов - это реакция инконгруэнтного растворения каолинита с образованием кварца

Al4Si4Ö18HsW+ 8Н+(Р.Р)=4 Si02W+4 A10H2Vp,+ <> H,Ow,

которая зависит от кислотности исходного раствора, действующего на каолинит и при насыщении системы по кварцу может обеспечить образование за счет каолинита мономинерально-кварцевого агрегата.

И реакция инконгруэнтного растворения каолинита с образованием диаспора

A]4Si40„H,w+ 6 Н20(ж)= 4А1О(ОН)(10+ 4 Н^Ю^.р,, которая не зависит от pH. Однако реальна она выше какого-то значения pH раствора, определяющего поле устойчивости диаспора, и при недосыщении системы по кварцу.

При высокой кислотности растворов (тНС1 или mH2scM ^ 0.005), вне зависимости от природы сильной кислоты, в гранитоидах формируются аргилли-зиты Si-типа. Концентрация С02 при этом не играет роли. При меньшей кислотности гидротерм (Шна или mjuso+S 0.005) образуются аргиллизиты AI-типа с тыловой каолинитовой (диккитовой)> а иногда даже диаспоровой (бемитовой) зоной. Разновидностью таких колонок являются и метасоматиты с тыловой мусковитовой бескварцевой зоной.

Моделирование общих закономерностей формирования химического состава термальных вод в алюмосиликатных породах проведено для систем с чистой водой и с введением летучих компонентов (гетерогенная система H,0,Si,Al,Fe, Ca,Mg,Na,К, описанная 40 минералами и 27 частицами водного раствора). Расчеты выполнены при 100, 200 и 300°С и давления насыщпара воды. Выбранные для рассмотрения горные породы реагировали чистой водой при одинаковых отношения порода/вода в закрытой системе.

Установлено, что растворы, взаимодействовавшие с кислыми породами, имеют наименьшее значение pH, менее концентрированы и характеризуются слабовосстановительными свойствами. Состав раствора стабилизируется при низких отношениях порода/вода. Для равновесной ассоциации фаз характерны кварц, мусковит, Кгап, гидрослюды, кальциевые алюмосиликаты, хлориты, альбит.

Растворы, взаимодействовавшие с основными породами, имеют более высокое значение рН, концентрированнее и являются сильными восстановителями. Состав раствора стабилизируется при белее высоких значениях порода/вода. Поэтому, при прочих равных условиях, достижение эвтонической точки для растворов, взаимодействующих с основными породами, более длительный процесс, чем для растворов, взаимодействующих с кислыми породами. Равновесные ассоциации минеральных фаз включают альбит, хлорит, эпидот, гидрослюды, мусковит, кальциевые алюмосиликаты. Расчеты показывают, что высокие парциальные давления водорода могут быть результатом высокотемпературных взаимодействий воды с основными породами.

Сопоставление расчетных концентраций элементов с их реальными содержаниями в азотных термальные водах показывает, что расчетные концентрации N3 при высокотемпературных взаимодействиях составляют п*10 - п*100 мг/л (максимально до 340-370 мг/л). Расчетные концентрации К в растворах обычно составляют первые мг/л при максимальных концентрациях порядка 25 мг/л. Эти значения принципиально соответствуют концентрациям Ыа и К в реальных термальных водах. Близость расчетных и реальных концентраций № и К в азотных термальных водах отражается в том, что наблюдаемые отношения Ыа/К ограничиваются сверху их расчетными значениями. При высоких температурах природные и расчетные данные совпадают или близки.

Роль летучих в системе "алюмосиликатная порода-вода " оценена в расчетах взаимодействия водного раствора, содержащего С02 и хлориды с породой гранитного состава. В системе открытой по С02 и Н28 формируются существенно натриевые результирующие растворы. При этом общий ход изменения химического состава результирующих растворов при увеличении значений порода/вода и температуры выглядит следующим образом: НС03- Са- Мя-> НС03-№-Са-> НС03-т-> НС03-804-№-» 504-№. Формирование катаон-ного состава растворов этого ряда связано с увеличением концентраций Иа при росте величины отношения порода/вода и уменьшением концентраций Са при увеличении температуры. Увеличение концентраций С1 приводит к интенсификации перехода № и Са из пород в водную фазу. Возрастание концентраций породообразующих элементов тем существеннее, чем выше концентрация С1 и чем прочнее хлоридные комплексы элементов (Са>№Ж). С ростом температуры этот процесс усиливается. Действие температуры, отношения порода/вода и хлорида оста в формировании химического состава растворов во многом однона-правленно. При большей хлоридности исходных растворов аналогичная проработка пород и вынос из них Каи Са достигаются при меньших величинах отношения порода/вода и температурах. Эти выводы согласуются с известными геохимическими закономерностями формирования холодных и термальных вод в гранитоидных породах и общими особенностями состава этих вод Оценку рудоносности гидротермальных растворов покажем на примере взаимодействия гранита и углекисло- хлоридного раствора. Система описана 15 независимыми компонентами: Н,0,К,Ш,Са,1^,А1,81,Ре,С,С1,8,2п,РЬ,Си. Расчеты выполнены для Т=370°С и Р=1 кбар. Фоновые содержания рудных элементов в граните составляют (мас.%): Хп 0.003, РЬ 0.004, Си 0.002. За первичный гидротермальный флюид был принят раствор - Н2СОз 0.5, №С11.0, НС10.1 т.

Первая серия расчетов - однократное взаимодействие в системе "гранит-первичный раствор" при различных массах породы в реакторе (0.01-10 кг) и постоянной массе раствора (рис. 1). Такой методический прием часто используется при термодинамическом моделировании, но, как будет показано, он дает лишь нижнюю границу возможных концентраций рудных компонентов. Вторая серия расчетов (рис. 2) - многократное взаимодействие нескольких порций первичного раствора с породой.

отнотние порода/вода

Рис. 1. Изменение концентраций рудных элементов и сульфидной серы в растворе в зависимости от изменения отношения порода/вода. Суммарная концентрация компонента и отношение порода/вода приведены в логарифмическом масштабе).

Установлено, что при увеличении отношения порода/вода (рис. 1) происходит рост содержаний металлов в равновесном растворе (за счет выщелачивания без образования рудных минералов в измененной породе), а затем резкое понижение, отвечающее концентрациям элементов в равновесии с галенитом, сфалеритом, халькопиритом или борнитом и минералами __измененных гранитов. С увеличением реагирующих масс породы возрастает концентрация соты в растворе,. Максимальная концентрация 2г\ не превышает 5.4-10 , РЬ - 4.510" , Си - 8.5-10" т.

Вторая серия расчетов (рис. 2) развивает первую. Через реактор, масса гранита в котором равна 10 кг, последовательно "пропускаем" 30 порций первичного раствора. В системе происходят изменения, сопровождающиеся резким возрастанием концентраций металлов: для Ъл от 1.9-10" до 2.3-10" ш; для РЬ от 1.7-10 до 2.9-10" т; для Си от 1.3-10" до 3.5-10" ш. Кислотность раствора (рН=5.3), ионная сила и макросостав остаются практически постоянными. Резкий рост концентраций обусловлен уменьшением общего количества сульфидной серы в системе (за счет ее выноса) и падением её содержания в равновесном

растворе (подробнее в главе 6). Обрыв кривых роста концентраций металлов происходит при исчерпании растворяющихся минералов в резервуаре (определяется значениями фоновых содержаний рудных элементов в граните).

Рис. 2. Изменение концентраций рудных элементов и сульфидной серы в равновесном растворе при многократном взаимодействии гранита с первичным флюидом. Суммарная концентрация компонента (масштаб логарифмический), № -

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 НОМер ВОЛНЫ (ПОрЦИИ) ВЗаИМОДеЙСТВИЯ.

волна, №

Общие выводы из материалов главы.

1. Разработаны новые методы оценки составов гидротермальных растворов по результатам моделирования метасоматических преобразований пород за счет реакций "порода - вода".

2. Установлено, что даже исследование простых моделей взаимодействия в системе "порода - вода" позволяет прогнозировать геохимические явления, имеющие место в реальных системах "порода - подземные термальные воды".

3. Показано, что взаимодействие первичных, безруцных растворов и гранитов приводит к образованию рудоносных растворов, которые потенциально могут являться исходными для исследуемой гидротермальной системы. Металло-носностъ таких растворов значительно изменяется по мере протекания процессов мобилизации.

А. Концентрация сульфидной серы в растворах выщелачивания составляет п.10 - п.10 т, что отвечает известным оценкам среднего содержания 8(11) в рудоносных гидротермах.

1.ЮЕ-Ю0

| 1.С0Е-О2

еч.оое-оз 3 1.00е-04

1.00Е-05

ЧАСТЬ I. РУДООБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ БЛИЗКИХ К ИЗОТЕРМИЧЕСКИМ

Модели рудообразования рассматриваются по мере последовательного усложнения физико-химических условий в изучаемых рудоооразующих системах.

модель образования урановых месторождений в фильтрационно-неоднородной, но химически одинаковой вмещающей среде при постоянных Т и Р (прообразом является месторождение Чаули и ему подобные);

3. РУДООБРАЗОВАНИЕ В ФИЛЬТРАЦИОННО- .. НЕОДНОРОДНОЙ, НО ХИМИЧЕСКИ ОДИНАКОВОЙ ВМЕШДЮЩЕИ СРВДЕ

Месторождение Чаули Ц-Мо рудной формации - детально изученное и описанное - было принято нами в качестве представительного объекта для термодинамического моделирования. К объектам такого типа относятся многие крупные гидротермальные месторождения, формировавшиеся в континентальных вулкано-тектонических депрессиях. О-мо оруденение развито только в пределах средней липаритовой свиты, в разрезе которой выделяются три толщи. Интересные особенности - три ритма вертикальной зональности, в каждом из которых разобщены по вертикали уровни аргиллизации липарита и уровни формирования богатых жильных руд. Фактические данные свидетельствуют о связи рудообразования с фильтрационными свойствами среды. Реконструкция пространственной структуры строения палеогидротермального потока методом электродинамической аналогии (БарсуковД1аверов, Пэк,1977) показала, что в нижней части разреза течение гидротерм разветвлялось: одна часть растворов продолжала восходящее движение по секущей трещине, другая уходила от нее в стороны, в норовое пространство окружающих пород. На верхних горизонтах месторождения наблюдалась обратная картина. Эффекты растекания и стягивания растворов проявляются на уровне каждой из трех рудовмепщющих толщ, отражая контрастный характер изменения проницаемости пород по разрезу. Это явление, названное автосмешеннем, - расщепление потока на отдельные струи с последующим их объединением, но уже при изменившихся составах растворов, послужило основой термодинамического моделирования.

Структура модели и граничных условий моделирования Из явлений автосмешения гидротерм логически вытекает ряд геохимических следствий, общих для гидротермального процесса в целом. Моделируя физико-химические следствия автосмешения гидротерм, мы имели в виду не только Чауяи, но и месторождения других рудных формаций, имеющих много обшего в геологическом строении и условиях образования. Важной чертой разреза рудо-вмещающих эффузивов каждого из месторождений является чередование в нем хорошо и плохо проницаемых горизонтов пород. По температуре образования все эти месторождения относятся к средне- и низкотемпературным классам с небольшими глубинами образования.

Каждое из месторождений имеет те или иные индивидуальные особенности. Чтобы эти частные особенности не заслонили собой принципиальные закономерности моделируемого рудообразования, мы исследуем его на условном схематизированном разрезе, сохраняюшгм узнаваемые черты реальных месторождений низко- и среднетемпературных рудных формаций.

Геологическое строение условного месторождения показано на рис. 3 разрезом вкрест простирания руцовмешзющей вертикальной трещинной зоны.

Рис. 3. Разрез условного месторождения и гидродинамические особенности формирующего его восходящего потока гидротерм, а - структура потока, типы вызываемых им реакций, изменения (А-в) состава растворов (Ь - липарит); 1 - малопроницаемые лавы липарита; 2 - высокопроницаемые туфы липарита; 3 - трещинная зона; 4 -линии тока растворов; 5 - разрастающиеся ореолы кислотного выщелачивания пород; 6 - границы между ритмами автосмешения, б - эпюра удельного перетока растворов из трещинной зоны в поро-вое пространство пород (~ч) и из него в трещинную зону (+(}); по условию на уровнях 2, 4 и 6 в трещинной зоне движется вдвое меньшая масса растворов, чем на уровнях 1, 3, 5 и 7 (другая половина этой массы просачивается на уровнях 2, 4 и 6 через поры пород); для нижнего ритма вертикальной штриховкой изображена полоса, по которой фильтруется в породе 50% массы растекающихся растворов.

Гидродинамические условия рудообразования предопределены структурой месторождения, которая вызывает самоорганизацию в восходящем потоке гидротерм также трех, как на Чаули, но здесь одинаковых по масштабу, ритмов автосмешения.

Состав вмещающих пород взят одинаковым для всех горизонтов разреза: туф кварцевого порфира месторождения Чаули (мас.%): БЮ2 70.15; А1203 13.65; РеА 3.1; БеО 1.07; МёО 0.42; СаО 0.58; К20 7.63; №20 2.1; Н20 0.16. Кларко-вые для него содержания урана (5*10" %) и свинца (2*10" %).

Температура и давление - 150°С (определена по гомогенизации газово-жидких включений) и давление насыщенного пара воды.

Жильные тела и околожильные метасоматиты модели не могут отразить всего разнообразия их на месторождениях средне- и низкотемпературных формаций. Мы ограничиваем здесь свою задачу расчетами условий образования в жилах преимущественно трехминерального - кальцит+галенит+настуран - парагенезиса. Чтобы исследовать большее число ситуаций, при которых формируются руды, первичный раствор подобран таким, чтобы в первом ритме автосмешения он вызвал аргиллизацию липарита, а выше - серицитазацию.

Состав исходного раствора, поступающего снизу в пределы месторождения, задан исходя из существующих представлений о химическом составе низко- и средиетемпературных гидротерм. Валовые концентрации (моль/кг Н20 или т) заданных его компонентов: Н2С03 - 1.0; №С1 - 0.1; СаС12 - 0.1; КС1 - 0.01; Н25 -0.01 т. Представляется маловероятным, чтобы в изучаемую систему мог посту-

пать раствор, не реагировавший до этого с липаритом хотя бы по стенкам трещин. Этот раствор (при реакции с 1 г породы), уже равновесный с кварц-каоли-нитовым парагенезисом - мы именуем его далее раствором А (рис. 3 и табл. 1) -с несколько изменившимися концентрациями почти всех заданных компонентов, принят исходным для модели. Раствор А безруден, имеет кислую реакцию - рН 3.38 и Е11= -0.168 В.

Методика моделирования. В модели прослеживается "работа", производимая раствором А при его движении вверх по разрезу, и эволюция самого этого раствора. На гипсометрических уровнях, где в соответствии с гидродинамической структурой потока он разделяется на трещинную и поровую составляющие, моделируется - образование раствором А инфильтрационных ореолов кислотного выщелачивания липарита и изменение состава самой этой составляющей вплоть до выхода ее в гидротермально неизмененную породу. Трещинная составляющая гидротерм, уже равновесная с тыловой зоной метасоматитов каждого из ритмов автосмешения, движется на уровнях растекания потока, не реагируя с породой и не изменяя свой состав. На гипсометрических уровнях, где по гидродинамическим причинам объединяются в сосредоточенный поток равновеликие или иные массы трещинной и поровой составляющих гидротерм, моделируются взаимодействия двух растворов уже разного состава - образование минерального осадка в трещинных полостях, формирование растворов смешения, перемещающихся после этого вверх, в пределы следующего ритма. Таким образом, в модели последовательно, от одного уровня разреза к другому рассматриваются события, происходящие при стационарном поступлении снизу сосредоточенного потока исходного раствора А и вызываемые его восходящим движением.

Инфильтрационный метасоматоз на уровнях растекания потока гидротерм моделируется методом "проточных ступенчатых реакторов" (7-10 реакторов с увеличивающгйся массой породы). Гетерофазная 14-компонентная система (Н,0,К,Иа, Са,М£,РеЛ1,51,С,С1,и,РЬ,Б) описана 69 частицами раствора (в том числе 17 рудных - РЬ , РЬОН , РЬСГ, РЬС12.РЬС13", РЬОЛ РЬСОи РЬ(С03)22" , иО:2+, ир2(ОН)\ и02(0Н),, (и02)2(0Н)?+, и02504, 1Ю2(804)2 , 1)о2со3, и02(С03)22", и02(С0з)з ) и 36 твердыми фазами.

Модели формирования и-РЬ рудных жил за счет металлов вмещающих пород.

Нам представлялось целесообразным проверить, в какой мере автосмешение гидротерм могло послужить причиной и "сбора" рудных элементов в породах, и перемещения металлов, и осаждения их в рудных телах локальных размеров.

Трехритмовая базовая модель условного месторождения. Базовая термодинамическая модель. По условию, над кровлей нижнего малопроницаемого горизонта одна часть гидротермального потока продолжает фильтроваться по трещинной зоне и не изменяет свой исходный состав А (табл. 1). Другая часть потока растекается в стороны от трешинной зоны, реагирует с липаритом. Метасоматическая зональность ореолов, полученная при моделировании, показана на рис. 4. Изменяя липарит, растекающаяся часть раствора последовательно меняется от одной зоны метасоматической колонки к другой до тех пор, пока, выйдя за внешний фронт ореола аргиллизации, не приобретает новый состав В (табл. 1), равновесный с неизмененным липаритом. Раствор В, остающийся непременной частью общего потока гидротерм - фильтрующийся по криволинейным трассам от внешнего фронта ореолов аргиллизации и возвращающийся в трещинную зону у верхней границы ритма автосмешения - имеет щелочную реакцию и содержит иные количества всех компонентов (табл. 1).

По сравнению с исходным раствором А концентрация РЬ в даровом растворе В возросла на 4 порядка, а концентрация и - на 7 порядков до значений 7.3*10" и 7.6*10 ш соответственно. Таким образом, поровая составляющая общего потока гидротерм становится в нижнем ритме автосмешения рудоносной

благодаря выщелачиванию кларковых количеств металлов при изменении вмещающей среды.

Таблица 1.

Валовые концентрации компонентов (моль/кг Н20) в растворах базовой модели

Компо -цент А В С О Е Р С

К 1.162е-2 5.718е-2 3.455е-2 5.685е-2 4.570е-2 5.626е-2 5.098е-2

Ыа 1.007е-1 3.532е-1 2.269е-1 3.500е-1 2.885е-1 3.475е-1 3.180е-1

Са 1.001е-1 3.351е-5 3.337е-2 3.385е-5 5.042е-3 3.445е-5 9.336е-4

Мй 1.000е-4 1.120е-5 5.560е-5 1.133е-5 3.347&-5 1.160е-5 2.253е-5

А1 2.190е-6 9.447е-7 4.665е-7 9.055е-7 2.835е-7 8.644е-7 2.614е-7

& 2.292е-3 2.322е-3 2.271е-3 2.251е-3 2.227е-3 2.180е-3 2.172е-3

Ие 5.013е-8 6.669е-8 4.611е-10 6.486е-8 2.317е-10 6.265е-8 1.453е-10

С02 1.000 0.1123 0.5394 0.1085 0.3123 0.1043 0.2067

С1 0.31 0.31 0.31 0.31 0.31 0.31 0.31

Бобщ. 8.940е-3 3.751е-4 4.621е-3 2.298е-4 2.390е-3 5.763е-4 1.449е-3

«II) 8.940е-3 п*е-32 4.520е-3 п-е-32 2.290е-3 п*е-32 1.140е-3

РЬ 5.490е-9 7.290е-5 8.807е-11 7.059е-5 2.254е-11 6.818е-5 1.373е-11

и 7.653е-13 7.603е-6 1.057е-12 7.189е-6 5.082е-13 6.698е-6 5.359е-13

рн 3.378 7.217 4.882 7.212 5.437 7.204 5.952

ЕЬ -0.168 -0.173 -0.241 -0.172 -0.294 -0.172 -0.342

Возвращение поровой составляющей (В) потока гидротерм в трещинную зону и смешение ее в пропорции 1/1 с раствором А формирует в верхней части ритма

автосмешения сосредоточенный поток нового раствора С (табл. 1) и вызывает в трещинной зоне осаждение кальцит-галенит-настуранового парагенезиса, содержанию небольшие количества кварца, мусковита и пирита, т.е. образуется калыщт-пастуран-галенитовая жила выполнения.

Рис. 4. Зональность ореолов кислотного выщелачивания липарита в 1-Ш ритмах автосмешения гидротерм. Поле правее вертикальной линии аа' - относительно неизмененный липарит.

В табл. 2 показаны соотношения между осаждающимися в жиле минералами. В отдельных трещинах этой зоны могут создаваться и иные пропорции реагирующих растворов; в табл. 2 на примере I ритма автосмешения показана зависимость состава жильных парагенезисов от пропорций смешивающихся растворов А и В. Обращает на себя внимание полнота осаждения урана и свинца (табл. 1).

Таблица 2.

Твердые фазы в жилах выполнения при разных пропорциях смешения трещинных и поровых составляющих гидротермального потока в I- III ритмах _автосмешения._

Минерал I ритм II ритм III ритм

Л/В =8/2 А/В=6/4 А/В=1/1 А/В =416 А/В=2/8 СЯ>=1/1 E/F=l/1

Кальцит 98.60* 99.24 99.29 99.29 98.93 99.02 93.62

(344.11) (1259.44) (1671.50) (1997.25) (1769.32) (1116.90) (160.59)

Галенит 1.00 0.55 0.52 0.52 0.78 0.72 4.75

(3.49) (6.98) (8.72) (10.46) (13.95) (8.44) (8.15)

Настуран 0.12 0.06 0.06 0.06 0.09 0.08 0.53

(0.41) (0.82) (1.03) (1.23) (1.64) (0.97) (0.90)

Кварц 0.12 0.13 0.12 0.12 0.19 0.17 1.07

(0.80) (1.65) (2.06) (2.41) (3.39) (2.00) (1.83)

Каолини 0.05 . - - - .

т (0.17)

Муско- 0.01 0.01 0.01 0.01 сл. сл.

вит (0.12) (0.17) (0.20) (0.18) (0.08) (0.04)

Пирит сл. сл. сл. сл. сл. сл. сл.

100 100 100 100 100 100 100

(348.98) 0269.0)) (1683.48) (2001.55) (¡778.48) (117 8.3) (171.5)

рН 4.602 4.767 4.882 5.041 5.651 5.437 5.952

* Содержание минерала, мас.%. В скобках - удельный выход минерала в мг/кг НгО р-ра А.

Растекание в стороны от трещинной зоны части потока растворов С вызывает в нижней половине IIритма образование и разрастание со временем ореолов серицитизации липарита, зональность которых видна на рис. 4 и изменение состава растекающейся части растворов от С до О (табл. 1), равновесного с вмещающей средой.

Взаимодействие друг с другом С- и О-составляющих гидротермального потока продуцирует в трещинной зоне у верхней границы II ритма новый безрудный раствор Е (табл. 1) и ведет к заполнению нового отрезка трещинной зоны кальцит-галенит-настурановым парагенезисом (табл. 2). В III ритме фактически повторились все события предыдущего.

Анализ результатов расчетов по базовой модели. В модели три миграционных цикла рудных элементов (рис. 5). Каждый из циклов начинается с извлечения из липарита и и РЬ растворами. Затем рудные концентрации урана (~ 7*10" ш) и свинца (-7*10 ш) перемешаются поровыми составляющими гидротермального потока к участкам, где траектории движения поровых растворов возвращают их в трещинную зону. Заканчивается каждый цикл осаждением металлов в жилах выполнения за счет реакций друг с другом поровых и трещинных составляющих единого потока гидротерм.

Сколько бы времени ни продолжалось движение через разрез восходящего потока исходно безрудных растворов неизменного состава А. столько же времени идет и разрастание (увеличение мощности и объема) ореолов кислотного выщелачивания пород, насыщение поровых составляющих этого потока и и РЬ, перенос металлов в ограниченные отрезки трешинных зон и осаждение в них вместе с кальцитом. Таким образом, в модели воспроизведен "в чистом виде" процесс формирования гидротермальных жильных рудных тел за счет металлов вмещающих пород.

Все поровые составляющие имеют щелочную реакцию (рН 7.20-7.22) и отличаются от трешинных растворов меньшими концентрациями С02, Б, Са, Ми, Бе и А1, но более высокими концентрациями К и N3. Из-за непрерывного расходования С02 при сохранности исходных количеств С1, отношения С1/С02, в трешинных составляющих потока увеличиваются от 0.31 в растворе А до 1.5 в конечном растворе в.

Рис. 5. Схема поведения и, РЬ, Б и С02 в процессах изменения пород и образования рудных жил (при смешении распюров А+В, ОЮ, Е+Р). Содержания галенита и настурана в жилах даны в мг/кг Н20 раствора А. Минералы: Кц - кальцит, Кв - кварц, Мс - мусковит, Пр - пирит, Глн - галенит и Нет -настуран.

Области моделируемого месторождения, где происходит выщелачивание металлов пород, явно смещены вниз (навстречу движению потока гидротерм) по сравнению с областями рудоконцентрирова-ния (рис. 6). Так, извлечение РЬ и и из липарита начинается в модели прямо от кровли самого нижнего из малопроницаемых эффузивных горизонтов. А нижняя граница оруденения тяготеет к подошве следующего по разрезу малопроницаемого горизонта пород. Соответственно смещены по вертикали и верхние границы обобщенного контура ореолов выщелачивания О и РЬ и насту-ран-галенитовых руд.

Как показано в модели, автосмешение гидротерм обеспечивает "сбор" рассеянных количеств металлов из изменяющихся пород. Оно "фокусирует" перемещение вьии/елоченных металлов вместе с несущими их поровыми составляющими гидротермальных потоков в ограниченные объемы раствороконтролируюших трещин или трешинных зон. Автосмешенае вызывает и осаждение, концентрирование металлов в локальных контурах рудных тел, формирующихся на гидродинамических барьерах. Иные механизмы, способные выполнить три этих условия, необходимых для образования месторождений из рассеянных металлов вмещающей среды трудно найти.

Несмотря на практически полное качественное соответствие результатов моделирования природному прототипу, "модель автосмешения все-таки не может служить исчерпывающим объяснением масштаба рудообразования ни на Чаули, ни на других структурно-подобных Чаули месторождениях в слоистых толшах" (Лаверов,Барсуков, Мальковский,Пэк,1995). В рамках модели автосмешения не рассматривался потенциально более значимый для рудообразования процесс смешения генетически разных растворов. В работе Н.ПЛаверова и др. построены численные гидродинамические модели взаимодействия разломного и послойного потоков растворов. На этой основе показаны, что наиболее благопрят-ной для проявления реакций типа "раствор-раствор" является гидродинамическая ситуация, при которой имеется замкнутый ритм автосмешения.

Жилы Трещинные растворы

Поровые растворы

III ритм

Кц+К»+Мс+Пр

Глн=8.15 мг Нст—0.90 мг

С02НП1 8(П)-1.1е-3

Fb-Me.ll U-S.4e.13 рН—5.95

ТСМЕШЕНИЕ

II ритм

со1-о;зг

8{1!)-2.4е-3

5(У1>=1.1е-4

РЬ=2.3е-11

и=5.1е-13

рН=5.44

С02-0.1 $(Цгв*е-32 8(У1)»5.7е-4 РЬ—6.8е-5 и-6.7е-6 рН—7.20

СМЕШЕНИЕ

1ритм

Кц+Хв+Мс+Пр

Гля-8.75 мг Нст=1.03 мг^"

5(И)=4.5е-3 8(У1)=1.0е-4 РЬ=8.8«-П I)—1.1)е-12 рН=4.58

ГСМЕШЕНИЕ

С02=0.1 |1>1

8(И)-в*е-32

8(У1)-2.3е-4

РЬ—7.1е-5

и—7.2е-6

рН—7.21

ЛИПАРИТ

C02-0.ll |В1|

5(П)-п*е-32

5(У1)-3.7е-4

РЬ-7.3е-5

и-7.6е-6

рН—7.22

С02-1 5<Н)-8.9е-3 5(У1)-5.5е-8 РЬ-5.5е-9 и—7.6е-13 рН-3.38

ЛИПАРИТ

который фокусирует над собой смешение восходящих по разлому растворов с растворами латерального потока поровых растворов липарита, дренируемого тектоническим разрывом. Если масштабы рудоотложения прямо зависят от массы притекающих в разлом пластовых растворов (типа растворов В наших моделей), то максимальная концентрация жильных руд будет приурочена к участку трещинной зоны в верхах каждого ритма (под подошвой малопроницаемых горизонтов); менее богатые руды - ниже на участке, где в разлом возвращаются растворы автосмешения. В нижней половине пласта около разлома могут образовывать бедные вкрапленные руды (механизмы описаны в наших моделях).

Рис. 6. Закономерное смещение по вертикали областей выщелачивания РЬ и и из пород и областей осаждения галенита и настурана в жилах в масштабе всего месторождения (а) и в масштабах каждого ритма автосмешения (о). 1 - низкопроницаемые горизонты липарита, 2 -высокопроницаемые горизонты липарита, 3 - трещинная зона, 4 - область выщелачивания РЬ и и, 5 - область осаждения жильных галенита и настурана, 6 - границы ритмов автосмешения.

Для такой новой гидродинамической схемы строить физико-химические модели нет необходимости, т.к. большинство геохимических следствий можно прогнозировать на основе анализа модели автосмешения. Это уточнение позволяет снять ограничения в массе осаждаемого и, которая в изолированном потоке автосмешения не могла быть большей, чем извлечено при аргиллизации липарита.

растворов на рудообразование. Построенная модель рудообразования на Чаули важна не только тем, что она адекватно отражает главные черты месторождения. Эту модель можно использовать для анализа влияния различных изменений в системе на рудообразование.

Изменение исходной концентрации С02. В серии из четырех моделей меняются концентрации С02: 3.0 (модель 4); 1.0 (базовая модель 1); 0.1 (модель 2) и 0.01 т (модель 3). Исходные растворы А4 - АЗ различаются не только концентрацией С02. Разница в концентрациях А1, Ре, и и РЬ у крайних членов ряда достигает нескольких порядков. С падением концентрации С02, растет рН исходных растворов от 3.36 до 5.44 и уменьшается ЕЬ от -0.122 до -0.343.

Снижение концентрации С02 приводит к падению концентраций и в растворах, равновесных с липаритом, от 8.26*10" в В4 до 1.9*10 в ВЗ (в которых концентрация С02 составляет 0.12 и 0.0006 ш). Интереснее картина со свинцом. По мере снижения исходной концентрации С02 количество РЬ, переходящего в поровый раствор, остается сначала примерно одинаковым, но в модели 3 происходит резкое увеличение выщелачивания РЬ из пород (из-за недостатка С02 для образования церуссита).

Наименее "карбонатная" модель 3 существенно отличается от трех других (обший выход осадка в жилах этой модели на порядок ниже, а в составе его резко преобладает галенит). По существу, в модели 3, в верхах I ритма автосмешения, образовались практически мономинеральные галенитовые жилы при очень высоких значениях удельного выхода галенита - 127 мг на каждый кг Н20.

В целом, уменьшение исходной "карбонатносги" растворов, поступающих в пределы анализируемого разреза, вызывает: 1) рост рН этих растворов А и последующих производных от них - растворов В, С и тд., а также изменения валовых концентраций многих компонентов; 2) смену аргиллизитов ореолами серици-

"„"«."«в

- 1 N I -2-- ' 4 ' ХЖ * ' 1 ' '*/|\* 1 ч [ - ^ " 1

---}---гЬгЧгфгЧт"!^

/ V \ / \ _ V Г.\. х 1 ' Ш ,

1 ч-; -\ 1 ™ \ 1 сМ Г~г-

" •" •" '' 1'«"

Е3> ЕЗ' Ш' в®' Ш' ЕЗ' Влияние составов исходных

тизации липарита уже в I ритме автосмешения гидротерм при снижении С02 до 0.01 и менее; 3) понижение концентрации и в поровых составляющих гидротерм и падение удельного выхода настурана при реакциях этих составляющих с трещинными безрудными; 4) резкий, более чем в 15 раз, рост выщелачивания РЬ из пород и удельного выхода жильного РЬБ при снижении С02 до 0.01 и менее.

Изменение исходной концентрации Са исследовалось в серии из трех моделей, где при постоянстве исходных концентраций С02, №01, КС1 и Н28 в поступающем растворе А, менялись концентрации СаС12 от 0.1 до 0.001 т.

Уменьшение концентрации СаС(2 вызывает закономерный ряд следствий: а) повышает рН растворов; б) снижает расход С02 на карбонатизацию ореолов кислотного выщелачивания пород и на образование жильного кальцита; в) усиливает выщелачивание и и РЬ из ореолов изменения липарита; г) увеличивает удельный выход галенита и настурана в осадок твердых фаз.

Изменение исходной концентрации Н^З изучено в серии из 7 моделей (при постоянстве С02, КаС1, СаС12, КС1), где последовательно уменьшались концентрации НгБ: от 0.1 до 0.00001 т.

С падением валовой концентрации серы уменьшается интенсивность ореолов пиритизации аргиллизитов. В аргиллизитах, сформированных растворами А с ~ 10" -10 ш Б, преобладающим минералом Ре в тыловых зонах является Ре-хлорит. В аргиллизитах, образованных растворами с наименьшим содержанием Б среди твердых фаз устойчивы Ре-хлорит и гематит. Растворы В всех моделей удивительно однообразны.

Поведение Бе, РЬ и и при образовании жильных парагенезисов определяется составом трешцнных растворов А. Растворы А с Н2Б> 10" ш, реагируя с трещинными растворами В, образуют осадок с удельным выходом в него 8.7 мг галенита, 1 мг настурана и до 1.7 мг пирита.

Растворы А с 10" -10" ш Н2Б дают в жилах осадок без пирита. Сульфидной серы здесь достаточно для осаждения настурана, но уже не хватает на образование пирита и на полное осаждение РЬ (полнота осаждения РЬ составляет 54.3%).

Растворы А с Н2Б <10" ш образуют при смешении минеральный осадок без пирита и галенита. Происходит смена восстановителя, обеспечивающего осаждение урана - двухвалентное железо, концентрация которого в смешивающихся растворах в 4 раза выше концентрации урана. Полнота осаждения урана здесь уменьшаться (97% при исходной 5=3.10' ш и 94% при исходной 8=10" т).

Вверх по разрезу имеем те же закономерности, что и в I ритме (рис. 7).

Рис. 7. Смена минералов железа в жильных телах трех ритмов автосмешения (а) и одного нижнего ритма (о), обусловленная разницей задаваемой концентрации Н28 в исходных растворах и потерями сероводорода при фильтрации гидротермального потока от нижней границы разреза к верхней. Минералы: Кц - кальцит, Дф - Ре-хлорит (дафнит), Мс -мусковит, Пр - пирит, Кв - кварц, Глн - галенит, Нет -настуран.

Таким образом, уменьшение концентрации Н28 в исходных растворах вызывает, а) смену минералов Ре - пирита дафнитом и затем гематитом - в тыловых зонах ореолов кислотного выщелачивания липарита; б) смену галенит-настуранового с пиритом парагенезиса рудных минералов карбонатных жил на настуран- гемати-

товый; в) смену одного восстановителя урана (Н2Б) другим Ре(И) и связанное с этим разделение судеб извлекаемых из пород О и РЬ - продолжение почти полного осаждения в жилах первого из них и полный вынос за пределы месторождения второго.

В представленных сериях моделей задавались широкие колебания исходных концентраций ряда важнейших компонентов гидротермального раствора. Во всех моделях неизменным оставался принципиальный механизм формирования рудных жил - обогащение РЬ и II поровых составляющих гидротермального потока, реагирующих с липаритом, и осаждение заимствованного из породы рудного груза в жильных полостях.

Лоровые растворы большинства моделей близки друг другу по составу. Поэтому близки в разных моделях и концентрации и и РЬ в растворах, равновесных с липаритом,- чаще всего это ~8*10" ш и и (7-8)*10 ш РЬ. Но есть модели с резко повышенными и резко пониженными концентрациями того или другого металла, т.е. моделирование позволяет увидеть условия, когда судьбы рассеянных в породе и и РЬ начинают складываться по разному ещё на уровне их выщелачивания. Еще резче могут разделяться судьбы и и РЬ при осаждении минерального груза в рудных телах. Причины здесь разные. Так, высочайший удельный выход галенита в модели 3, на 6 порядков превышающий выход на-стурана, просто отражает столь же высокие различия в концентрации этих металлов в поровом растворе ВЗ. Но интереснее другая причина разделения и и РЬ, вскрытая моделями с низким Н25,- и и, и РЬ есть в растворах В в обычных количествах, а в осадок вдет один настуран; весь РЬ уходит с растворами за пределы каждого из ритмов и за пределы всего разреза. Происходит это из-за недостатка сероводорода в смешивающихся растворах.

Таким образом, в наших моделях выявляются два принципиально разных фактора разделения рассеянных в породе рудных элементов в гидротермальном процессе: или "неизвлечение" одних при выщелачивании других, или "неосаждение" одних (при наличии их в растворе), но выход в осадок других.

Формирование первичных околожильных ореолов распределения металлов и их структура моделировались методом ступенчатых проточных реакторов (число "реакторов" увеличено здесь до 20). Это позволило выявить ряд особенностей поведения и и РЬ породы при реакциях ее с движущимся через породу раствором. В околожильном пространстве (базовая модель) отчетливо выделяются четыре последовательные области разного распределения урана и свинца исследуемой системы.

В первой - у стенок трещинного канала образуется кварц-каолинит-пиритовый агрегат! Вся масса и и РЬ остается в твердой фазе в виде настурана и галенита.

Во вторую область поступает раствор, в котором 96.25% исходного Н28 уже израсходованы на образование пирита, остальная часть окислена до сульфата окисным железом липарита. Кислая реакция раствора постепенно сменяется на щелочную. Образование карбонатов приводит к падению концентрации углекислоты. Сумма этих факторов создает резкую недосыщенность растворов по 1Ю2, по РЬБ и РЬСОз и полное растворение и и РЬ липарита. По мере выщелачивания металлов из все новых порций липарита концентрация их в растворе постепенно растет и достигает максимумов: 6.25*10 т и и 1*10" шРЬна внешних границах второй области.

В третьей области - образуются надфоновые концентрации и и РЬ в твердой фазе. Здесь содержание урана достигает 6.5 кларков концентрации или 0.0035 мас.% и02. Практически это бедные вкрапленные руды.

В четвертой области - липарит и состав равновесного с ним раствора перестают испытывать существенные изменения. Содержание и в твердой фазе остается равным кларку, а концентрация ¡его в растворе устанавливается на уровне -8*10" т. Принципиально так же Происходит и перераспределение РЬ.

Такова обшая картина перераспределения U и РЬ в базовой модели на участках, где образуются аргиллизиты и формируется состав рудоносной поро-вой составляющей гидротермального потока. Максимум осаждения надфоновых количеств U и РЬ приходится на границу внешней зоны аргиллизитов и неизмененного липарита.

Как отражается на перераспределении U и РЬ изменения состава исходного раствора? Такое же строение ореолов, что и в модели 1 - назовем их ореолами I типа (верхний график на рис. 8), - получено для моделей, в которых постепенно

уменьшалась до 10 m исходная концентрация H2S. Первый тип перераспределения U и РЬ характерен и для моделей с уменьшаемой концентрацией СаС12 в исходных растворах и для модели с утроенной, против базовой, концентрацией С02.

Рис. 8. Типы перераспределения урана и свинца, рассмотренные в моделях (I-VIII - тип ореола; 0 - 4 - зоны инфильтрационной метасоматической колонки, f -фоновое содержание U и РЬ в липарите.

Увеличение на порядок (до 0.1 т) концентрации H2S приводит к формированию И типа ореолов. Призальбандовая область фоновых содержаний U и РЬ в форме U02 и PdS расширилась до границы между кварц-мусковитовой и кварц-мусковит-микроклиновой зонами ореола аргиллизации. Сузилась область полного растворения U и РЬ липарита и уменьшился выход металлов в раствор, и соответственно масштаб их осаждения в третьей области.

Уменьшение исходной концентрации С02 до 0.1 m дает III тип ореолов. Понижаются и разобщаются в пространстве максимумы осаждения U и РЬ.

Уменьшение концентрации С02 до 0.01 m смешает за внешний фронт аргиллизитов слабый максимум осаждения РЬ и формирует за ним область фоновых содержаний РЬ на уровне -0.6 кларка - это ореол IV типа. Углекислоты здесь недостаточно, чтобы связать весь свинец липарита в форме церуссита и образовать в растворе карбонатные комплексы РЬ. Уран в этой модели устойчив в твердой фазе во всех реакторах. Концентрация растворенного урана в пределах метасома-тита составляет 10" - 10" т, а в неизменном липарите повышается до 2*10 гп. Будем считать такое "нулевое" перераспределение металлов ореолом V типа (рис. 8). Теоретически возможен и антипод этого V типа, например, полное растворение урана на всем моделируемом пути растворов через липарит, если единственной возможной фазой его в липарите и метасоматите окажется U03. Это будет "отрицательный" ореол VI типа.

Анализ моделей позволил выявить сложный характер перераспределения металлов и ряд других геохимических следствий. Здесь мы привлекаем внимание не только к растворению части U и РЬ липаритов фильтрующимся через породы

кк

V V© у v

IrttTfT

.Ж

1 1 1 1 1

■ ч i

1 1 1 1

! _ 1\ 1

к й

/ ,—1- —-!—

о I-

-I—4—А---1-------

| I I_3 ' ,

ж f

ж f 4.---4----4-----1---1-

ш f

У~Г

4—4-—х—-U-I I —г-

раствором, но и к переотложению этих металлов, обычно на фронте кислотного выщелачивания пород, с образованием областей повышенного надфонового содержания урана и свинца или даже областей вкрапленных руд.

Можно сказать, что на гидротермальных месторождениях разных рудных формаций установлены практически все типы перераспределения металлов, какие получены и в наших моделях. Причины, видоизменявшие перераспределение металлов в представленных здесь моделях, могут быть ответственны за проявление того или иного типа перераспределения рудных элементов и в природных процессах инфильтрационного преобразования пород.

При прочих равных условиях масштабы переотложения металлов, в частности урана, в инфильтрационных метасоматитах и положение максимума этого переотложения зависят от фонового содержания металлов в гидротермально неизмененной породе. В случае очень низкого (0.1 кларка и менее) фонового содержания урана в породе насыщение фильтрующггося раствора по и02 может произойти за внешним фронтом аргиллизации (тип УП, рис. 8).

Если условно представить себе аномальный липарит, где 50 или 80% фонового содержания урана падают на долю некоего акцессорного минерала, то даже в таком случае принципиальная картина перераспределения урана останется существенно той же, только вместо области полного растворения урана будем иметь в моделях область с его остаточным 50- или 80%-ным содержанием в ар-гиллизите (тип У1Н).

Самой важной чертой перераспределения металлов, исследованного в моделях, является смена, по направлению фильтрации растворов, области полного извлечения металлов из изменяемой породы сначала областью осаждения их в надфоновых количествах, а затем - областью ненарушенных фоновых содержаний в гидротермально неизмененной породе. "Рудные " концентрации металлов в отработанных, пришедших в равновесие с породой растворах, фильтрующихся через ее поровое пространство, не зависят от типа перераспределения этих металлов и определяются только характеристиками самих растворов.

Сопоставление результатов моделирования с природными данными.

1. В моделях получен целый ряд жильных парагенезисов, реально встречающихся в природе. Резкое преобладание кальцита в жильном материале большинства моделей обусловлено высокими, концентрациями С02 и Са в исходных растворах. Для образования жил с сопоставимыми по массе содержаниями кальцита и рудных минералов нужны исходные растворы с концентрацией 10"т> С02 > 10* и (или) 10"1 > Са > 10"тт.

Парагенезисы, не содержащие жильных минералов, широко развиты в мета-соматических гидротермальных жилах. Как следует из моделей, не исключено образование подобных мономинеральных галенитовых или настуран-галенито-вых жил и путем заполнения свободного пространства - таковы жилы модели 3 (98.03% галенита; 1.92% кварца и следы мусковита, пирита и настурана) и модели 7, где концентрация Са была 10 т (62.88% галенита, 16.85% настурана, 19.43% кварца).

2. В представленных моделях виден целый ряд путей смены парагенезисов во времени. Смена существенно настуранового (с кальцитом, хлоритом, кварцем и оксидами железа) парагенезиса существенно галенитовым, как это наблюдалось в жилах рудной стадии месторождения Чаули, совсем не означает, что со временем в растворе прибавилось РЬ и убавилось II. Для этой смены вполне достаточно повышения концентрации Н2§ до величин >10" т. Еше эффективнее эта смена произойдет, если одновременно с этим в растворе понизится концентрация углекислоты до 0.01 т или Са до 10" т. Концентрации и и РЬ в растворе рудной стадии могут и не меняться, хотя в твердых фазах в осадке мы фиксируем смену уранового минерала свинцовым.

3. Осаждение надфоновых количеств и и РЬ растворами служит заметным вкладом в общую продуктивность моделируемого процесса образования гидро-

термальных руд. Так, в первом ритме автосмешения модели 1, каждый литр исходного раствора отлагает в жилах выполнения по 1.03 мг настурана и по 8.7 мг галенита. А на фронте кислотного выщелачивания липарита отлагается еще 7.3 мг настурана и 9.2 мг церуссита. С учетом этого общий удельный выход настурана становится в первом ритме базовой модели в 8 раз, а свинца в 2 раза выше, чем это было определено только по жильным парагенезисам.

Геохимические явления, связанные с саморегуляцией структуры потоков гидротерм. Фильтрационная проводимость трещинного канала контролирующего гидротермальный поток принималась в наших моделях одинаковой и неизменяемой во времени от нижней границы модели до верхней; проницаемость переслаивающихся горизонтов липарита бралась разной для лав и туфов, но неизменной во времени. В реальности эти значения не могут оставаться постоянными даже в рамках одной стадии гидротермального процесса. Основные тенденции изменения процессов минералообразования в жилах и метасоматитах, вызванные внугристадийными перестройками структуры потока гидротермальных растворов, были нами рассмотрены на дополнительных численных моделях и приведены в диссертации.

Геохимические следствия модели.

1. Впервые на уровне физико-химического моделирования доказана геохимическая роль гидродинамических барьеров. Такими барьерами являются локальные участки трешинно-жильных систем, на которых структура потока гидротерм обеспечивает максимальную интенсивность минерало- и рудоотложения. Установлено, что на этих барьерах достигается максимальная интенсивность химического взаимодействия смешивающихся трешинных и поровых растворов, здесь происходят резкие перепады рН и ЕЙ, основные скачки концентраций компонентов в растворе и соответственно максимумы минералоотложения в трещинных полостях. Поскольку формирование гидродинамических барьеров связано со свойственной всем природным объектам фильтрационной неоднородностью геологической среды, их роль в гидротермальных процессах также практически универсальна.

2. Моделирование гидротермальных процессов на основе механизма автосмешения показало, что этот механизм способен обеспечить три непременных условия, необходимых для образования месторождений из рассеянных металлов вмещающей среды - извлечение рудных элементов из больших объемов пород (часто в подрудных зонах), направление фактически в "точку" миграции собранных растворами металлов и концентрированное осаждение металлов именно в этой "точке". Этот процесс может эффективно происходить в практически изотермических условиях и без изменения состава безрудного раствора, поступающего в гидротермальную систему.

3. Пространственная неравномерность развития сингенетичных жильных парагенезисов и околожильных метасаматитов является естественным результатом автосмешения гидротермальных потоков, контролируемых тектоническими нарушениями. Слабое развитие околотрещинных изменений пород или чаще даже полное их отсутствие не может служить показателем отсутствия активного массообмена между вмещающей средой и внутритрещинным раствором.

4. В околожильных ореолах формируется несколько областей разного поведения металлов: полного выщелачивания, переотложения в твердую фазу (области надфоновых концентраций или вкрапленных руд), ненарушенных фоновых содержаний в неизмененной вмещающей породе. Проанализирована зависимость перераспределения и и РЬ липаритов от состава действующих на породу растворов, уровня фоновых содержаний металлов в породе и др. Установлено, что рудонос-ность поровых растворах не зависит от типа перераспределения рудных элементов в околожильном ореоле и определяются только характеристиками самих растворов.

5. Саморазвитие процессов гидротермального околожильного изменения пород и особенно процессов заполнения трещин жильным материалом предопределяет неизбежность локальных перестроек структуры потоков гидротерм даже в рамках одной и той же стадии минерализации. Моделирование показало, что зги чисто гидродинамические явления обусловливают более равномерное заполнение трещин жильным материалом и разрастание объемов околожильно измененных пород.

6. В гидротермальных потоках, контролируемых разрывными нарушениями, массообмен трещинных растворов с вмещающей средой осуществляется механизмами трех типов: а) реакциями трещинного раствора с твердыми фазами пород на участках растекания потока, б) реакциями, вызванными диффузией компонентов, на участках с угнетенным фильтрационным обменом трещинных и по-ровых растворов (в средних частях ритмов), в) реакциями, обусловленными смешением трещинных и поровых растворов на участках стягивания потока. В природных условиях эти механизмы массообмена многократно сменяют друг друга по пути движения потока гидротерм.

4. рудообразование при смешении термальных растворов, фильтровавшихся по породам

контрастно-Различного химического состава.

Модели данной группы продолжают анализ процессов уранового рудообра-зования, в том числе поиск источника восстановителя урана. Последние два десятилетия Ознаменовались открытием крупных и крупнейших урановых месторождений на архейских щитах Австралии и Канады. Эти месторождения отнесены по своему геологическому положению к так называемой "формации несогласия". Несогласие между ранне- и среднепротерозойскими породами фундамента и верхнепротерозойскими осадочными породами. Для месторождений данного типа характерной чертой является переслаивание контрастно различающихся по составу пород -кислых и основных гнейсов и сланцев, графит и пирит- содержащих сланцев и т.д.

Если создавались условия для фильтрации растворов через метаморфические толши, она реализовывалась в форме несмешиваюшихся потоков, движущихся в одних и тсх же или близких Р-Т условиях по разным горизонтам метаморфических пород, поскольку проницаемость метаморфитов по сланцеватости на несколько порядков выше, чем по нормали к ней. Только крупные, поперечные по отношению к вектору движения потоков, структурные элементы (поверхности стратиграфического несогласия, зоны разломов) могли нарушить сложившуюся "независимость" течения растворов по разным породам и создавали условия для их взаимодействия.

Геохимические следствия этого послужили объектом моделирования принципиальных возможностей массообмена и рудоотложения в гидротермальных системах, характерной составной частью которых являются независимые потоки фильтрации растворов по контрастно-различным геохимическим средам.

Описание структуры моделей и граничные условия.

Принципиальная структура модели. Принимается, Что один и тот же исходный раствор фильтруется изолированно по двум горизонтам метаморфических пород и взаимодействует с ними. Один из горизонтов представлен черными уг-леродсодержащими сланцами, другой - лейкократовыми безуглеродистыми ме-таморфитами (рис. 9). Прореагировав каждый со "своей" породой и достигнув равновесия с ними, оба потока растворов смешиваются в зоне секущих нарушений и осаждают за счет реакции друг с другом свой минеральный груз.

Температура и давление - 150°С и давление насыщенного пара воды.

Рис. 9. Принципиальная схема моделируемого рудообразования (верхняя схема - прообраз жильного месторождения типа Шлемы- Альбероды (Рудаые горы); нижняя схема - прообраз месторождения несогласия). 1 - лейкократовые метаморфические породы гранитоидного состава; 2 - метаморфические черные сланцы, часто сопровождающиеся послойными (межформационными) нарушениями; 3 -граниты; 4 - перекрывающие породы, отделенные от нижележащих пород поверхностью стратиграфического несогласия; 5 - региональное секущее (дренируещее) нарушение и системы оперяющих его трещинных зон; 6 - рудные тела, образующиеся в зоне смешения растворов; 7 - направление фильтрации растворов; 8 - области модели, различающиеся по типу массообмена (последовательные ступени моделируемого процесса):

I - область реакций исходного раствора с породами;

II - область фильтрации;

III - область смешения растворов.

Состав пород. Метаморфические черные сланцы разных регионов отличаются широкими вариациями химического и минерального состава и содержанием углерода. Чтобы иметь некий спектр составов, для моделей выбраны пять разностей пород из двух регионов - Оугокумпу (Финляндия) и Рудные горы (Германия). Лейкократовые породы, вменяющие горизонты черных сланцев, имеют на месторождениях состав близкий к гранитоидам (в моделях использован состав липарита). Для черных сланцев и лейкократовых пород приняты одинаковые фоновые содержания U - 5*10" и РЬ - 2*10" мас.%.

Состав растворов. В природных среднетемпературкых гидротермах среди анионов преобладают С02 и CI. В качестве исходных для модели выбраны существенно-карбонатные растворы W2-W10 (1 ш Н2С03, О.п ш сумма хлоридов), и существенно-хлоридный раствор W13 (0.1 тН2С03,1.1 ш сумма хлоридов).

Методика расчетов модели. В каждом из вариантов модели анализируются процессы, протекающие в двух областях единой гидротермальной системы, представленной на рис. 9. Реакции "раствор+порода" описывают явления, происходящие при фильтрации исходного раствора отдельно по углеродсодержащгй и по лейкократовой породе. Реакции "раствор+раствор" воспроизводят взаимодействие растворов, поступающих в секущие разрывы из черных сланцев и из лейкократовой породы. Реакции обоих типов имитируются сериями локальных равновесий в гетсрофазной 14-компонентной системе аналогичной, описанной в главе 3. Всего построено более 30 вариаций модели с разными комбинациями состава пород и исходных растворов.

Составы поровых растворов в черных сланцах.

Поступая в черные сланцы и фильтруясь по ним, исходно-углекислые растворы формируют колонки кислотного выщелачивания, состав которых определяется спецификой пород. Метасоматические изменения, образуемые в черных сланцах хлоридным раствором, отличаются только резким сокращением поля каолинита. Во всех колонках по черным сланцам пирит неустойчив в тыловых

зонах. Бе-хлорит и графит трансзональны, хотя в тыловой диаспор-дафнитовой зоне уже может начинаться частичное разрушение и графита.

В результате такого взаимодействия с черными сланцами меняется раствор -эти изменения продолжаются до установления относительного равновесия между раствором и неизменной породой. Составы равновесных с черными сланцами растворов, производных от исходно-углекислого (ХУЮ) и исходно-хлоридного 0У13) являются в целом калий-натриевые хлоридные (или карбо-натно-хлоридные), Н28- и СН4- содержащие растворы с щелочной реакцией (рН 6.6 - 7.6), низким ЕЬ (от -0.45 до -0.48 В)? Равновесные концентрации СН4 достигают в них -4*10 , а Н2 - (6-11)*10* моль/кг Н20. Практически вся сера находится в растворах в виде 8(11).

Фильтрация растворов по черным сланцам может идти не только через поры пород в порододоминирующем режиме, но и вдоль интенсивно промываемых послойных нарушений в флюидодоминирующем режиме. В этом случае раствор относительно изолируется от неизменных пород продуктами их частичного преобразования и не достигает равновесия с черными сланцами в целом. Такие растворы, фильтрующиеся по послойным разрывам в равновесии с кварц-муско-витовой зоной изменения сланцев, обозначены W10*cs.1 и У/13*С51 (рис.10). Они кислее, содержат больше Са, М& Ре и С02 и довольно много Н2§ (до 10 ) и СНи (до 10 ш).

и и РЬ, присутствующие в фоновых количествах в составе черных сланцев, не извлекаются из этих пород никакими растворами из тех, что использованы при моделировании.

Составы поровых растворов в лейкократовых безуглеродистых породах.

Просачиваясь по лейкократовым породам, растворы образуют в них инфиль-трационные колонки кислотного выщелачивания с разными тыловыми зонами. Растворы, достигшие в модели равновесия с лейкократовой породой,- \V10l, \V13l, по концентрациям многих компонентов очень мало отличаются от поровых растворов черных сланцев. Разница есть в концентрациях и формах нахождения элементов переменной валентности. Концентрация Ре в поровых растворах здесь на 3 порядка выше, чем в растворах из черных сланцев, и все железо находится в окисной форме. Концентрация Б несколько ниже, но вся она присутствует в виде сульфата. Концентрация С02 такая же, как в поровых растворах черных сланцев, но метана нет. Значения рН и ионной силы примерно такие же, что и у растворов из черных сланцев, но ЕЬ - выше. Но главное заключается В том, что фильтруясь по лейкократовым породам и выцелачивая из них часть кларковых количеств и и РЬ, растворы обогащаются ими и, достигая равновесия с породами, содержат до 2*10" т и и 8*10 т РЬ (в растворе >^100 или до 10"6 ш и и 9*10"5 пт РЬ (в растворе W13L).

Образование рудных тел при смешении потоков норовых растворов в секущих нарушениях. При смешении друг с другом потоков поровых растворов, поступающих в полости секущих трешин из черных сланцев и лейкократовых пород, возникает осадок твердых фаз, образующихся за счет реакций только между этими растворами. Поскольку растворы из черных сланцев и из лейкократовых пород равновесны с примерно одним и тем же набором породообразующих минералов, в растворах смешения также не возникает сколь-нибудь значительное пересыщение по ним.

Иначе обстоит дело с и и РЬ. Раствор из лейкократовых пород является рудоносным. Раствор из черных сланцев безруден, но содержит сульфидную серу-компонент, являющийся "осадителем" того и другого металла. Реакции между такими растворами ведут к отложению и и РЬ в форме насгурана и галенита. Именно эти два минерала и составляют главную массу осадка, формирующегося при смешении двух поровых растворов, например таких, как \У10ь+\У10Сз-1, или #13^13«;.! (рис. 10 а, б).

Если концентрация сероводорода превышает сумму валовых концентраций урана и свинца, то оба минерала выделяются одновременно. Однако при концентрации сульфидной серы, меньшей или равной ши/4, она расходуется только

:ение только одного настурана.

Рис. 10. Парагенезисы твердых фаз, образующихся при смешении поро-вых растворов из лейкократовой породы (Ь) и черного сланца (С8-1), в зависимости от пропорций смешивающихся растворов. По оси абсцисс -процент в смеси порового раствора, поступающего из лейкократовой породы, по оси ординат - удельный выход твердых фаз (мг/кг Н20); Цс -церуссит (10 в).

Отложение галенита при смешении поровых растворов двух пород начинается только после того, как концентрация сероводорода в смеси станет больше, чем требуется для перевода в осадок всего растворенного и(У1). Этим объясняется тот факт, что при смешении порового раствора лейкократовых пород с минимальными количествами порового раствора из черных сланцев (например, растворов \v10l и \V10cs-i в пропорциях 99/1) осаждается практически один насгуран (99.6% и 0.4% хлорита), хотя свинца в растворе остается

Максимальный удельный выход настурана при взаимодействии раствора, равновесного с лейкократовой породой, и с раствором, равновесным с черным сланцем, достигает 5.4 мг/кг Н20, галенита - 19.2 мг. Это говорит о высокой потенциальной продуктивности данных гидротермальных систем.

В трешинном пространстве дренирующих нарушений могут смешиваться и реагировать друг с другом растворы меняющихся во времени режимов фильтрации. Так, если из черных сланцев поступали в дренирующий разрыв растворы, равновесные с кварц- мусковитовой зоной изменения сланцев (Ш10*с5-1 или \V13Vi на рис. 10), то смешение их с растворами, равновесными с лейкократовой породой, дает прежний выход настурана и галенита, но приводит и к осаждению преобладающих масс карбонатов (до 1 г/кг Н20) и к резкому, в 4 - 8 раз, падению содержания рудных минералов среди новообразованных твердых фаз (рис. 10 в, г), т.е. к разубоживанию руд.

Геохимические следствия модели.

Моделирование показало возможность формирования гидротермальных II-РЬ руд потоками поровых растворов, фильтровавшимися независимо друг другу по породам контрастно-различного химического состава.

1. Гидротермальные системы такого типа могут осаждать в рудовме-игающих структурах только рудные минералы (или преимущественно рудные) и формировать богатые руды, не разубоженные одновременным соосаждением жильных минералов. Как показано в моделях, растворы, участвующие в руцо-образовании, относительно равновесны со средой практически по всем этим жильным минералам, почти по всем петрогенным элементам. Хорошо известные "монометальные" урановые, без жильных минералов, руды местороже-ний типа несогласия могли, вероятно, формироваться в условиях подобного от-

на восстановление урана и вызывает отлож

100 50 0 100 50 О

УЛО.+УЛО^., У/О^УШс*.,

Цс-0

Кц+дл

100 50 0 100 50

Кц+Дл

Гл

Кц+Дл

Гл

100 и 50 0 100 и 50 0

\¥10*,.+\У10*а, \У13*, ^13*0..

больше, чем было урана (рис. 10 а, б).

носительного равновесия. Естественно, что за счет смешения таких растворов могут образовываться и жильные рудные тела.

В моделях сопутствующим и рудным элементом взят РЬ. На месторождениях несогласия такими сопутствующими металлами часто бывает № (№+Со, выщелачиваемый растворами из пород основного состава. Можно полагать, что их поведение будет аналогично или близко к поведению РЬ в наших моделях.

2. В моделях и, вероятно, при образовании многих месторождений типа несогласия действует подвижный барьер - восстановитель урана и роль его, как следует из результатов моделирования, выполняет Н28 и (или) СН 4 поровых растворов черных сланцев. Смешение их с металлоносными растворами может происходить на том или ином удалении от главных структур, пересекающих трассы движения поровых потоков, что действительно и наблюдается в природе.

3. Смена парагенезисов в рудах, образуемых исследуемыми гидротермальными системами, регулируется (при неизменных Т, Р и составе исходного раствора) гидродинамическими причинами - изменениями пропорций смешения поровых растворов и режима фильтрации их по тому или иному из контрастно отличающихся по составу горизонтов пород. Так, например, некоторое усиление притока поровых растворов, равновесных с черными сланцами, приводит в моделях к смене отложения существенно настурановых руд существенно галенито-выми.

4. В гидротермальных системах, аналогичных данным моделям, общее время рудообразования не лимитировано продолжительностью тех или иных быстротекущих геологических процессов и может растягиваться на значительные интервалы геологического времени, если существуют возобновляемые ресурсы флюидов и долгоживушая региональная тепловая аномалия. Перерывы в минерало-образовании и возобновление работы системы после тектонического обновления трасс движения растворов приводят к телескопир ованию рудных залежей, к отложению новых количеств принципиально того-же рудного вещества.

ЧАСТЬ II. РУДООБРАЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ (ДАВЛЕНИЯ)

В качестве объектов исследования были выбраны жильные РЬ-2п месторождения, типичные для Садонского полиметаллического рудного района: Холст, Верхний Зщд, Архон. Работы по количественному физико-химическому моделированию образования этих месторождений до сих пор не проводились.

Большинство кругопадающих жил этих месторождений локализованы в пределах гранитов среднего-верхнего палеозоя. Особое значение принадлежит Са-доно-Унальскому сбросу, ограничивающему с юга выходы гранитов. Рудные тела выполняют трещины скалывания и отрыва СВ и СЗ простирания, оперяющие лежачий бок сброса. Возраст месторождений определяется как предкелло-вейский. Мощность жил - от 0.1 до 5.0 м. Горными выработками жилы вскрыты по падению более на 1100 м (В.Згид), по простиранию - более 4000 м (Садон). Руды сложены галенитом, сфалеритом, пиритом, халькопиритом, пирротином. Из жильных минералов развиты кварц, хлорит, карбонаты. Условия формирования руд на различных месторождениях района были достаточно однотипными с близкими чертами физико-химического режима - общий диапазон вариации температуры 415-65°С, давления 230-11 МПа.

Опыт исследования моделей перераспределения рудных элементов при урановом рудообразовании позволил предположить, что возможно решить обратную задачу - по детальным структурам ореолов восстановить условия рудообразования. Для этого требовалось разработать новую систему методов изучения ореолов, которая вскрывала детали распределения металлов в околожильном пространстве.

5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В БЛИЖНЕМ ОКОЛОЖИЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ Pb-Zn ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ.

Методика полевых исследований и обработка первичных геохимических

данных.

Использовалась следующая методика исследования детальных структур первичных ореолов: отбор сплошной полосы ориентированных монолитов вмещающих гранитов с последующим разделением их на отдельные пробы при помощи алмазной пилы - длина разреза 2-3 м, шаг опробования 2-5 см. Подготовленные пробы проанализированы методом эмиссионного спектрального анализа в Бронницкой геолого-геохимической экспедиции ИМГРЭ и частично в лаборатории кафедры геохимии МГУ. Данные о валовых составах жильного материала, в точках взятия разрезов, получены методом ренгено- спектрального анализа сборных проб жил.

В настоящее время мы располагаем (без данных 1997 г.) результатами исследования 24 разрезов на нескольких гипсометрических уровнях восьми полиметаллических рудных тел. Обший объем первичных данных составляет - более 1200 анализов на рудные и сопутствующие элементы (вмещающие породы и жилы), 580 шлифов и аншлифов, 130 образцов. В первый круг обработки включены данные по трем элементам - Pb, Zn, Си, составляющим 72 выборки. Отдельно отбирались пробы для определения фоновых содержаний рудных элементов во вмещающих гранитах. На рис. 11 приведена схема расположения разрезов для исследованных рудных тел.

Все анализы разных лет (1989, 1991-1995 г.) приведены к единой выборке

введением множителей, корректирующих систематические погрешности. Анализы внесены в базу; данных (Excel 5.Ö для Windows) и обрабатывались по комплексу программ.

Рис. 11. Схема расположения исследованных разрезов на месторождениях Са-донского рудного района.

Условные обозначения: 1 - горизонт месторождения, указан номер и высота над уровнем моря; 2 - жильное тело (схематическое положе-.ние, но с соблюдением положений висячего и лежачего боков); 3 -разрез длиной 2-3 метра (сплошное опробование) и его номер; 4 - детальный разрез дополнен опробованием методом пунктирной борозды до 10-20 метров; 5 - места работы в полевом сезоне 1997 г.

Результаты исследования закономерностей распределения элементов.

Анализ распределений Zn, РЬ и Си в околожильном пространстве крутопа-даюших Pb-Zn рудных тел (72 моноэлементные выборки) и сопоставление соотношений между содержаниями металлов в жилах и сопряженных ореолах позволил выявить ряд не известных ранее особенностей их строения: 1. Все исследованные ореолы Zn, РЬ и Си можно разделить на два типа: А - ореолы с характером распределения, близким к экспоненциальному, Б - ореолы с распределением иного типа (максимумы содержаний металлов сдвинуты в стороны от зальбандов жил на различное расстояние). На изученных объектах, как в сумме по трем месторождениям, так и по каждому в отдельности, преобладают ореолы Б-тшш (80% выборок, рис. 12 а, б).

Рис. 12. Частоты встречаемости двух типов ореолов (определены по 72 моноэлементным выборкам): (а) - общее соотношение двух типов ореолов; (б) - месторождениям; (в) - разделение по уровню содержания металлов в главных максимумах; (г) - разделение ореолов Zn, РЬ и Си по типам.

2. Отсутствуют ареолы, в которых для всех трех металлов был бы только А-тин распределения.

Обычно в ореолах имеется несколько интервалов надфоновых содержаний металлов. Большую

группу представляют ореолы (А- и Б-типов) со средними содержаниями на уровне фоновых или ниже (15% выборок, рис. 12 в).

3. Наибольшую распространенность имеют ореолы с преобладанием Zn над РЬ и Си, а из них - группа, в которой соотношение между тремя металлами соответствует Zn>Pb>Cu. Доля ореолов с преобладанием Zn составляет 70%. В сопряженных с ореолами интервалах жил число случаев с преобладанием Zn и РЬ одинаково. Только для 25% сечений "жила-ореол" установлен однотипный характер соотношений элементов и в жиле, и в ореоле.

4. Преобладание Zn в ореолах отмечено на всех опробованных горизонтах Холста, на средних горизонтах Эгида (горизонты VI и X) и Архона (горизонты III и V). Для месторождения В.Згид большую распространенность имеют ореолы с преобладанием РЬ. Нижние горизонты В.Згида характеризуются преобладанием РЬ в ореолах на фоне общего снижения содержаний металлов (до отрицательных аномалий по Zn и частично по Си). Для всех трех разрезов у жилы Восточной на XIV горизонте В.Згида зафиксированы слабые ореолы с распределениями вблизи или ниже фона (в жиле содержания Zn составляют 0.4 - 3.2%; РЬ 0.5 - 2.4%; Си

0.01-0.02%). Только первые пробы околожильных пород в разрезах 18 и 20 имеют содержания превышающие фоновые.

Обсуждение результатов и постановка задач моделирования.

1. Факт существования рудных жил и ореолов с А-типом распределения, примыкающих к ним, заставляет считать, что образование рудных минералов в жилах происходило из флюидов, несущих достаточно высокие концентрации металлов. При взаимодействии с породами они создали в околожильном пространстве за счет диффузионного или инфильтрационного масеообмена ореолы

отложения. Можно полагать, что ореолы отложения (А-типа) формируются на начальных этапах рудообразования.

2. Преобладание распределений Б-тшш в ореолах позволяет предположить, что при рудообразоваюш происходила смена рудоносных растворов на безрудные (хотя бы по одному из металлов, или полностью). Как могут возникать распределения Б-типа? Реальным, с нашей точки зрения, является предположение о последовательном перерождении ореолов А-типа в Б-Тип. Допустим, что рудоносный раствор, создавший ореол A-типа, становится безрудным. Взаимодействие этого раствора с ранним ореолом отложения неизбежно приведет к его изменению до Б-типа. При инфильтрации такого раствора в стороны от жилы происходит растворение сульфидов во внутренних зонах ореолов А-типа и образование ореолов переотложения (со сдвигом максимумов содержаний от жилы).

Чем больше время такого взаимодействия, тем дальше от жилы будет перемещен максимум содержаний рудного компонента. При диффузионном массо-обмене возникают ореолы разрушения (общее содержание металлов в породе уменьшается, а остаточные максимумы могут сохраняться на некотором расстоянии от жилы, как бы "отступать' от неё).

3. Движение нагретого до 350-400°С потока гидротермального раствора по трещинному каналу приводит к прогреву вмещающих пород за счет кондуктивного обмена теплом.

При диффузионном массообмене - структура ореола разрушения не будет принципиально отличаться от рассмотренного выше. При фильтрации растворов во вмещающие породы к кондуктивному теплообмену добавляется конвективная составляющая. Чем выше скорость фильтрации, тем быстрее в околожильном пространстве образуется высокотемпературное плато, за пределами которого происходит понижение температуры породы и растворов. В призальбандовой области, как и раньше, может образовываться ореол отложения за счет реакции "вода-порода", но на краю высокотемпературного плато создается фронт пересыщения растворов за счет падения Т и обусловленное им образование второго максимума рудных компонентов. Ореолы с такой структурой достаточно часто встречаются среди изученных нами. Вероятно это может служить свидетельством того, что многие из ореолов формируются как инфшътрационные в термоградиентном поле околожильных пород.

4. Смена рудоносных растворов безрудными" по тому или другому металлу происходит несколько раз в течение продуктивного этапа развития гидротермальной системы. Этим может быть обусловлено обычное присутствие в ореолах нескольких интервалов надфоновых содержаний, разделенных областями околофоновых концентраций металлов.

5. Другое обстоятельство, о котором свидетельствуют изученные ореолы - снижение концентрагщй или "безрудностъ" гидротермального флюида по Zn, Pb, Си происходит не синхронно (не одновременно) для всех металлов. Имеются

многочисленные примеры ореолов, где, например, РЬ накапливается в призальбандовой зоне, а ореол Zn уже начинает переотлагаться, и наоборот. Кроме того, отсутствуют ореолы, в которых для всех трех металлов был бы установлен только А-тип распределения (рис. 13).

Рис. 13. Распределение Zn и РЬ в ближнем околожильном пространстве (жила Луарская-5, Холст, лежачий бок, горизонт VII, разрез 8).

г S S S 8 3 8 с о о о о о о J Я -»-РЬ -л-Zn

0 50 100 150 200 Расстояние от жилы (см)

6. Не все ореолы, отнесенные к Б-типу, видимо, формируются по механизмам описанным выше. Достаточно большую группу (до 15% моноэлементных выборок) составляют ореолы с содержаниями металлов либо ниже фоновых, либо не более, чем в 1 - 3 раза превышающими его. Отрицательные ореолы характерны в первую очередь для Zn и Си, реже для РЬ. К ним относятся прежде всего ореолы трех разрезов нижнего горизонта В.Згида и ореолы III горизонта Холста (2,10).

Обычно это инфильтрационные ореолы выщелачивания. Это подтверждает низкая степень метасоматического изменения пород, т.к. стягивающийся поток поровой фильтрации относительно уравновешен по всем компонентам порода. Такой модели не противоречит и факт наличия рудных жил, примыкающих к ореолам выщелачивания. Ореолы выщелачивания могут формироваться в различных начальных обсгановках: преобразуя неизмененные вмещающие породы или ранее сформированные ореолы.

Имеются независимые факты. Зоны отрицательных аномалий во вмещающих породах для нижних частей жильных тел большого числа месторождений Са-донской группы, границы которых относят на значительные расстояния от жил, были установлены по распределениям К, Rb, Ni, Mo, Ва и др. (Рехвиашвили и ДР., 1990).

7. Обнаружение ореолов выщелачивания на нижних горизонтах В.Згида и средних горизонтах Холста поставило перед нами ряд вопросов. Почему нет ореолов выщелачивания в изученных разрезах нижнего горизонта Холста или на средних горизонтах В.Згида? Это случайность или закономерность?

Имеющиеся у нас данные прямо не могут решить такую задачу. Мржно, однако, сделать ряд гипотетических предположений. Общепризнанными являются представления о рудоподводяшем значении регионального Садоно-Унальского сброса. В зоне самого сброса никаких месторождений нет. Все рудные тела размещены в оперяюших трещинах скола или отрыва с общим простиранием на север (СЗ или СВ), приуроченных в лежачему боку сброса. Исходя из этого можно предположить, что именно зона сочленения сброса и трешцн субмеридионального простирания является ключевой для образования месторождений, т.е. именно в ней создаются какие-то особые условия. Наиболее вероятным нам представляется следующий сюжет развития событий. В пределах Садоно-Унальского разлома и в дорудное время должна была происходить циркуляция вод какого бы генезиса они не были. Внедрение в средней юре штоков и даек авдезито- дацитовой формации и крупные тектонические подвижки, приводящие к образованию трешин скола и отрыва, создают необходимые предпосылки для инициирования гидротермального процесса: интрузии андезито-дацитовой формации образуют необходимый источник тепла, тектонические подвижки -зону разуплотнения пород. Под зоной разуплотнения мы понимаем все проявления сильных механических деформаций пород (трешиноватость, дробление, перетертосгь и др.). Нагретые и практически безрудные растворы Садоно-Унальского сброса фильтруются через зону разуплотнения гранитов в трешины скола и отрыва, захватывая флангами потока и менее разрушенные породы, вмещающие рудоконтролируюцще тектонические структуры. Формируется область мобилизации различных компонентов, в там числе металлов и сульфидной серы, приуроченная к этой зоне сочленения. Эту область мобилизации можно назвать корневой, но она вытянута по восстанию Садоно-Унальского сброса.

Опираясь на предлагаемую гипотезу можно ожидать, что ореолы выщелачивания, в принципе, могут быть обнаружены на разных горизонтах место-

Гждения поблизости от Садоно-Унальского сброса.

Низкая коррелируемость распределении металлов в жилах и ореолах, преобладание в ореолах Zn (до 70 % разрезов) говорит о том, что концентрация Zn в рудоносном растворе была выше концентраций РЬ и Си. По этой причине цинк мог в больших количествах накапливаться в ореолах. Кроме того, возможно, что количественные соотношения содержаний металлов в ореолах определяются их

соотношением в источнике (в гранитах соотношение металлов - 2п>РЬ>Си). Наше предположение об источнике рудных компонентов подтверждается данными исследований изотопного состава свинца (АМов и др., 1988), из которых следует, что свинец месторождений Садонского рудного района мобилизован из вмещающих гранитов.

В жилах, эволюционирующие растворы могут частично или полностью растворять и выносить рудное вещество, а в ореолах же будет происходить только накопление (пер еотложе/ше) металлов.

9. Совокупность геохимических данных позволяет определить элементы генетической модели рудо- и ореоиюобразования (рис. 14).

В "корневых" частях месторождений (вероятно в зоне сочленения Садоно-Унальского сброса и трещин скола и отрыва, оперяюших его лежачий бок) происходит мобилизация рудных компонентов при реакции первичных, безрудных растворов с гранитами, и формируются рудоносные растворы, исходные для исследуемой гидротермальной системы. Эти процессы могут проявляются также в виде образования ореолов выщелачивания (Б-тип распределения), которые возможно обнаружить на различных уровнях месторождений. По трещинному каналу, где формируется жильное рудное тело преобладает восходящее движение потока средиетемпературных рудообразуюздих растворов. Локальное растекание части растворов в стороны от трещинных каналов возможно на различных уровнях месторождений, там где преобладают ореолы отложения и переотложения (А и Б типы). Точно также, частичное стягивание растворов из порового пространства гранитов в трещинный канал можно предполагать там, где имеются подтоки из регионального сброса или локальные перетоки растворов между сближенными трещинными структурами.

±, ОБЛАСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ОРЕОЛОВ

Рис. 14. Элементы генетической модели и схема термодинамического моделирования в областях формирования исходного гидротермального раствора, ореолов и жил.

формирования

Область мобилизации рудных компонентов из гранитов и формирования исходного раствора для данной гидротермальной системы, а также ореолов выщелачивания.

Область формирования жил

при восходящем движении рудоносных растворов из зоны мобилизации.

Область формирования ореолов во вмещающих гранитах: ореолов отложения-переотложения в верхних частях разреза (стрелки - направление движения растворов от трещинного канала)

или

выщелачивания

ОБЛАСТЬ МОБИЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СУЛЬФИДНОЙ СЕРЫ

(стрелки - направление растворов к трещинному каналу). Квадратики с обозначением Т и Р - ступенчатые реакторы равновесно-динамической модели.

налу). Квадратики

6. равновесно-динамические модели процессов мобилизации рудных компонентов, рудо- и ореолообразования жильных полиметаллических месторождений.

Рассмотрим равновесно-динамические модели основных областей рудообра-зующгй гидротермальной системы: области мобилизации, области переноса компонентов и жилообразования. области ореолообразования.

МОДЕЛЬ МОБИЛИЗАЦИИ РУДНЫХ КОМПОНЕНТОВ.

Возможным источником рудных компонентов являются граниты Садон-ского типа. Задачей первого этапа моделирования стала проверка этой возможности и определение главных факторов, регулирующих мобилизацию металлов из реального гранита.

Постановка задачи н методика моделирования.

Основные параметры исследуемой гидротермальной системы, главным образом литературные, опираясь на которые мы задаем условия моделирования.

1. Температура - обшцй диапазон 415-65°С. Температура гранитов, вмешзюших рудные жилы, могла быть 100-150°С. В моделях исследуются процессы мобилизации при различных температурах. Для базовой модели выщелачивания - 370°С (на 25°С выше максимальной для продуктивной стадии).

2. Давление - изменяется от 2.3 до 0.1 кбар. Большинство расчетов выполнено при Р= 1 кбар (близкое к литосгатическому).

3. Многочисленные определения составов газово-жидких включений (Ляхов, Поздеев и да., 1978,1994) указывают на их существенно хлоридно-карбонатный состав (доля хлоридов более 50%). В моделях исследованы различные соотношения макрокомпонентов в первичном гидротермальном растворе.

Средние составы неизмененных гранитов месторождений Холст и В.Згид взяты по данным Гогмана ЯД. и Малаховой В.М. (ВИМС, 1966). Фоновые содержания рудных элементов в гранитах (мас.%): 2п 0,004; РЬ 0,003; Си 0,002.

Термодинамические расчеты выполнены по программе ОВРШ\¥. Система "гранит - флюид" описана 15 независимыми компонентами: Н,0,К,№,Са,

,А1,81,Ре,С,С1,8,2п,РЬ,Си. В систему включены 54 минерала. Модель водного флюида включает 79 частиц, в том числе 26 для рудных элементов (Си+, СиОН , СиЩБХ Си(Н8)2Н28", СиОНСГ, СиС1°, СиС12", СиС13", Си++, 7пОН+, 2п(ОН)2\ гпНСОД 7п(Н5)Л Ъл<1\ 2пС\2\ 2пС\{, ЪпСЪ", ХпЬО?, РЬ++, РЬОН+, РЬ(Ш)2, РЬСГ, РЬС1/, РЬС13", РЬСЦ").

Зона мобилизации рудных компонентов представлена в расчетах в виде реактора, включающего в себя фиксированное количество неизмененного гранита (чаще всего 10 кг), через который многократно проходит первичный безрудный раствор. Происходит реакция между гранитом и первичным раствором. Порода изменяется и образуется равновесный с ней раствор, который мы считаем исходным для изучаемой гидротермальной системы. Количество порций, или волн первичного раствора можно рассматривать как относительную шкалу времени.

Результаты термодинамического моделирования. 1. Базовая модель выщелачивания (1$-2). Условия и параметры моделирования: Т=370°С; Р=1 кбар; масса гранита в реакторе равна 10 кг; количество воды в единичной порции первичного раствора равно 1 кг; состав этого раствора: Н2С03 0.5 т, тС1 1.0 т, НС10.1 т; через реактор последовательно проходит 30 порций первичного раствора (обозначаемые на графиках - N10.

На рис. 15 приведены результаты расчетов для двух продуктов реакции: раствора выщелачивания (рис. 15 а, б, в) и изменяющейся породы (рис 15 г, д, е).

Уже на первой волне взаимодействия формируются основные черты раствора выщелачивания. В растворе появляются К (0.2 т), Са (0.0098 т), Р^ (1.9.10 т), А1 (4.2.10 т), (0.0223 т), Ре (0.0045 т). Устанавливается близнейтраль-ное значение рН (5.32), уменьшается концентрация № до 0.88 т.

По мере вступления в реакцию всё новых порций первичного раствора в системе происходят изменения, которые сопровождаются последовательным возрастанием концентраций рудных элементов в растворе выщелачивания: для гп 'в 11 рад, от 1.8.10"* ш в первой волне до 2.10 т в девятой; для РЬ в 12 раз, от 1.7.10" гп в первой волне до 2.10" ш в 13-19 волнах; для Си в 22 раза, от 1.3.10" т в первой волне до 2.9.10" т в 13-19 волнах (рис. 15 а). Происходит уменьшение равновесной концентрации сульфидной серы от 2.2.10" в первой волне до 3.4.10" т в 19-ой, т.е. в 65 раз. Выщелачивание компонентов происходит неравномерно по волнам (рис. 15).

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

1 Э 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

ИР

. Прг ■ №

дгпз 1X1 оБрв • ХПр

(Г)

{-□□□□□оаоопарсапоапааоооиаооо

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

5 7 9 11 13 1 5 17 19 21 23 25 27 29

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

ИР

Рис. 15. Базовая модель мобилизации 18-2<*) (по абсциссе - номера последовательных порций или волн первичного раствора, №) .

а. Изменение концентрации (логарифм моляльности) рудных элементов и сульфидной серы в растворе выщелачивания в зависимости от порции (волны) первичного раствора.

б. Процент выхода в раствор компонента из гранита на каждом шаге выщелачивания.

в. Накопленный (суммарный по волнам) процент мобилизованного компонента.

г. Равновесные с раствором рудные и малые (менее 4%) минералы измененной породы.

д. Равновесные содержания рудных минералов в измененной породе.

е. Главные минералы измененной породы.

(>>На рис. 15 , далее в тексте и в таблицах приняты условные обозначения: Прг -пирротин (Ре8), РЬБ -галенит, гпБ - сфалерит, Хз - халькозин (Си28), Брн - борнит (Си5Ре54), ХПр - халькопирит (СиРеБз), Эп - эпидот (Са2РеА125!з013Н), ЭпбО - эпидот СагРео.бАЬ^зОиН, Эп75 - эпидот СагРсо^А^^зОпН, Акт - актинолит СагРеЩ^С^Н^ Хл75 - хлорит Г^^бРезА^ зЗ^О^Н^ Хл50 - хлорит Mg2.5Fe2Al3Si2.jO! Кв - кварц (5Ю2), Мс - мусковит или серицит (КА^зО^Нг), Аб -альбит (КаА151308), Мк - микроклин (КА151308).

Кислотность раствора выщелачивания (рН=5.3), ионная сила (0.7) и макросостав (К 0.2; Иа 0.88; Са 0.005-0.007; 0.02; Ре 0.004; С1 1.1; С 0.5 т) остаются практически постоянными на всех ОТ.

Главная причина изменения концентраций металлов в растворе выщелачивания - постепенный вынос сульфидной серы из породы. Следствием выноса серы является изменение равновесной ассоциации рудных минералов в изменяющгмся граните (рис. 15 г, д). При выщелачивании первым из сульфидов исчезает пирротин - после прохождения через реактор 6 порций раствора. Пока он есть - не происходит рост растворимости рудных сульфидов. Это выражается платообразными участками на кривых изменения концентраций 2п, РЬ, Си (рис. 15а). Уменьшение количества сульфидной серы в системе отчетливо отражается в последовательной смене устойчивых сульфидов меди (рис. 15 г, д).

Изменение макрососгава породы после реакции с 30 порциями исследуемого первичного раствора показано на рис. 15 е. Главные из происходящих перемен очевидны. Поскольку первичный раствор данной модели содержит 1 т ЫаС1 и 0.1 т НС1, то при его взаимодействии с калиевым полевым шпатом происходит образование альбита, мусковита и кварца.

2. Зависимость характера мобилизации рудных компонентов от массы породы в реакторе изучена в серии расчетов для 5, 10, 20 и 50 кг породы. Происходит пропорциональное изменение характеристик растворов выщелачивания. При прохождении 30 порций первичного раствора через реактор с 50 кг гранита ассоциация минералов с пирротином устойчива и не достигается суммарный состав системы, способствующий резкому возрастанию концентраций металлов в равновесном растворе (полное выщелачивание металлов происходит на 96 волне).

3. Зависимость характера мобилизации рудных компонентов от состава породы в реакторе. При условиях базовой модели расчеты сделаны для гранита Холста и В.Згида. Сравнение результатов показывает, что характер мобилизации рудных компонентов из этих пород при одинаковых условиях различен. При взаимодействии первичного раствора с гранитами В.Згида не происходит быстрый рост концентраций Ъп, РЬ и Си. Вынос Тп опережает вынос Б, концентрация сульфидной серы снижается только в 4 раза после прохождения 30 порций раствора, а суммарный вынос РЬ и Си составляет только 23 и 5% от исходных содержаний в породе, соответственно. Данные расчетов свидетельствуют, что макросостав измененных пород практически одинаков. Но имеются важные отличия по малым минералам. Наличие пирита указывает, что гранит В.Згида имеет избыточное количество сульфидной серы по сравнению с гранитом Холста. Действительно отношение Ре3/(Ре5+РеО) в граните В.Згида составляет 12.44 мол.%, а в граните Холста - 2.51 мол.%. Данные (Готман,Малахова, 1966) показывают, что осреднение анализов для гранитов В.Згида проводилось по результатам опробования вблизи и вдали от жильных тел. Вдали же от жил содержания сульфидной серы приближаются к данным по гранитам Холста, т.е. ~ 0.05-0.07 мас.%. Влияние "избыточности" серы на выщелачивание мы проверили, выполнив расчеты, в которых изменили соотношение Рез/(Ре3+РеО) в граните. Эти данные показали, что уменьшение сульфидной серы изменяет характер мобилизации рудных компонентов из гранита В.Згида и приводит его к виду, практически полностью аналогичному выщелачиванию из гранитов Холста.

4. Влияние температуры на характер мобилизации рудных компонентов. Все параметры, кроме температуры, аналогичны модели 18-2. Расчеты проведены при температурах от 250 до 420°С. Главным следствием падения температуры является уменьшение растворимости сульфидов рудных элементов присутствовавших в граните, поэтому картина выщелачивания изменяется. Так, для первой порции .раствора для температур 420 и 250°С имеем соответственно щяТп 2.15.10 и 1.26.10 т (различие в 1700 раз), для РЬ 4.82.10"* и 7.68.10"7 ш (различие в 60 разУ, для Си 3.03.10 и 9.45.10 т (различие в 320 раз), для Б 4.35.10 и 2.65.10 т (различие в 15 раз).

Имеются определенные различия в равновесных минеральных ассоциациях. При температурах 360- 420°Сравновесная ассоциация соответствует базовой модели (отличия только по N1^. При температурах 340-350°С появляется пирит (при № от 2 до 8-10). При температурах 250-330°С к равновесной ассоциации минералов добавляется кальцит (в количестве 0.1 - 1.6 мас.%). 5. Влияние давления на характер мобилизации рудных компонентов. Расчеты проведены при температурах 370, 400, 420°С и давлениях 400, 600, 800, 1000 бар для первичного раствора и породы, соответствующих базовой модели. Сравнение результатов расчетов представлено на рис. 16 (графики процента выхода компонента при данном Иг от суммарного количества элемента в исходной породе).

При каждой температуре понижение давления приводит к следующим эффектам: 1. росту концентраций металлов в растворе; 2. уменьшению ОТ, при которых металл полностью выщелачивается; 3. разделению по волнам максимумов перехода в раствор рудных элементов.

Рост концентраций при уменьшении давления от 1000 до 600 бар меньше, чем при увеличении температуры от 370 до 420°С. Уменьшение давления способствует разделению максимумов выщелачивания металлов, и ряд относительной подвижности принимает вид 2п>РЬ>Си. Наряду со смещением максимумов происходит и рост процента выхода металла в раствор. При 600 бар и 370°С при полном выщелачивании РЬ в породе остается до 22% Си, при 400°С -до 42%, при 420°С - до 45%.

Рис. 16. Влияние давления на мобилизацию рудных компонентов (отсутствие 2п 420°С, 600 бар - 100% вынос металла при №=1).

6. Влияние состава первичного раствора на характер мобилизации рудных компонентов. Расчеты проведены при 370°С и 1 кбар для 17 различных составов первичного раствора: менялись - Н2С03 от 0 до 0.5 т, ИаНТО3 от 0 до 0.7 ш, ИаС1 от 0.4 до 1.0 ш; СаС12 от

0 до 0.3 ш. Результаты значительно различаются, поскольку заметно меняются составы систем, но обшие тенденции сохраняются. Подробное рассмотрение данных расчетов можно было сделать только в самой диссертации.

Обсуждение результатов моделирования мобилизации рудных компонентов.

1. Моделирование показало, что взаимодействие первичных безрудных растворов и гранитов при 310-420°С и 0.4 - 1.0 кбар приводит к образованию рудоносных растворов, которые потенциально могут являться исходными для исследуемой гидротермальной системы. Наши результаты хорошо совпадают экспериментальным данным (Нет1еу,Су£ап е1 а1., 1992). Так, при 370°С и 1 кбар получили Ъл 1.8.10" (на 1 волне) и 2.10" т (в конце выщелачивания, но раствор мог еще потенциально растворять металл). В экспериментах: при 350°С и 1

кбар - средняя цифра составляет 1.4.10"3 ш, при 400°С - 5.1-8.2.10"3 т. Это свидетельствует о достоверности наших расчетов.

2. Важнейшим результатом моделей мобилизации является установленный значительный рост концентраций рудных элементов во времени. по мере протекания выщелачивания, без какого-либо изменения внешних условий. При этом концентрации металлов достигают значений, более чем на порядок превышающих,содержания при однократном взаимодействии в системе "вода-порода" (до п. 10 - n.lO m).

3. Результативность этого процесса не одинакова для систем с различными температурами и составами первичного раствора. При высоких Т мобилизация проходит достаточно быстро (при NF<30). При Т меньше 310-320°С вы-щглачивание происходит медленнее (при 250°С полное извлечение металлов -только при NF>100), а концентрации рудных элементов в равновесных растворах имеют очень низкие значения (п.10" - п. 10" ш). Для наших месторождений можно предполагать достаточно высокие температуры в зоне мобилизации, поскольку максимальные температуры, определенные по включениям в жильном кварце рудной стадии, редко бывают ниже 330-340°С (Ляхов и др., 1994).

4. Состав первичного раствора может сильно повлиять на изменение характера растворимости сульфидов гранита. Так в редких случаях в расчете получен не только постоянный рост, а и снижение концентраций металлов по волнам.

По данным анализов водных вытяжек и криометрии известно, что гидротермальный раствор имел С1-НС03 Na-Ca состав с суммарной концентрацией растворенных солей до 20-24% условного NaCl. Исследованные нами растворы имеют концентрации от 7.6 до 11.3%. Но есть факты, которые, вероятно, должны частично ограничить выбор составов первичного раствора. Например, это количество альбита, который образуется при взаимодействии первичного раствора с гранитом. В ряде наших моделей получено более 50 мас.% альбита при прохождении порядка 30 волн первичного раствора. Вблизи возможных зон мобилизации (XIV горизонт В.Згида), а также в околожильных метасоматитах не отмечается заметного роста содержаний альбита. Видимо, такие наблюдения должны ограничить концентрацию iNa в первичном растворе до уровня < 1.0 т.

5. Металлоносность растворов выщелачивания существенно изменяется по мере протекания процессов мобилизации. Это соответствует результатам наших геохимических исследований. В большинстве изученных моделей последовательность выщелачивания металлов постоянна: на первых стадиях в растворе преобладает Zn, затем РЬ и Си, т.е. Zii»Pb>Cu, на завершающих этапах раствор полностью безруден. В этом результате заключается простой вывод - рудный процесс прекращается, если в источнике кончилось рудное вещество. При этом могут не меняться ни Т, ни Р, ни состав раствора. Гидротермальный процесс продолжается и далее, но уже безрудный.

6. Установленная последовательность выщелачивания представляет особый интерес, т.к. на месторождениях медная минерализация носит второстепенный характер. Хотелось бы в моделях увидеть условия подавления выщелачивания меди, либо его торможения. На примере базовой модели установлено, что содержание сульфидной серы в исходном граните на уровне 0.1-0.15 мас.% (например гранит В.Згвда) может на протяжении всего процесса выщелачивания поддерживать условия для последовательности Zri»Pb>Cu.

Понижение давления дает сильный эффект разделения свинца и меди (цинк во всех моделях выщелачивается первым). Так, понижение давления от 1 кбар до 0.6 кбар приводит к тому, что при полном выщелачивании свинца ещё до 40-45% меди остается в породе. Барометрические определения, относящиеся к глубоким уровням оруденения дают 0.9-1.2 кбар на начальных этапах продуктивной стадии и снижение до 0.8-0.7 кбар в конце её развития. Зафиксированные градиенты давления для жильных тел составляют 100-250 бар на 100 м восстания

(Ляхов и др., 1994). Таким образом, видим, что выбранные нами условия моделирования соответствуют наблюдениям.

7. Расчеты показывают, что концентрация сульфидной серы в растворах выщелачивания составляет п»Ш - п.Ш т и является обычной для гидротермальных растворов. Высокие концентрации серы в растворе создаются при реакции первичного раствора с гранитом, имеющего в своем составе небольшие содержания серы (меньше 0.1 мас.%). Таким образом нет необходимости привлекать иной источник сульфидной серы для создания реальных концентраций ее в гидротермальном растворе.

МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ЖИЛЬНЫХ РУДНЫХ ТЕЛ

Температурные градиенты на наших месторождениях могут достигать 20-40°С на 100 м по восстанию и, как мы полагаем, падение температуры является одним из доминирующих факторов рудоотложения.

Рис. 17. Схема моделирования и структура моделей в области формирования жил выполнения (УУ - волны раствора из области мобилизации).

Методика моделирования.

Модель жилы в расчетах представлена 21-26 последовательными проточными реакторами (рис. 17). Первый реактор ("вход в жилу снизу), в который поступает раствор из зоны мобилизации металлов, имеет Т на 20°С ниже, чем температура в зоне мобилизации (350°С в большинстве рассмотренных моделей). В каждом следующем реакторе температура понижается на 10°С. Давление во всех реакторах принято неизменным и равным 1 кбар в большинстве рассмотренных моделей. Последний реактор (или верхний "обрез" жилы) имеет Т=100-150°С. Волны раствора выщелачивания из зоны мобилизации последовательно проходят через все реакторы. В реакторах достигается термодинамическое равновесие (при этом образующиеся минералы остаются в каждом из реакторов, а равновесный раствор перемещается в следующий по восстанию реактор). Расчеты проведены для 20-30 волн раствора, поступающего из зоны мобилизации.

Мы приняли для анализа два крайних механизма формирования жил выполнения (рис. 17). Первая модель - назовем ее "слоевой и будем обозначать УЬ -каждая порция гидротермального раствора из зоны мобилизации проходит через ступенчатые реакторы отдельно. Минералы, образованные при прохождении через реакторы предшествующей волны раствора, не вступают в реакцию с последующей порцией нового гидротермального раствора из зоны мобилизации. Таким образом, каждая порция гидротермального раствора образует свою равновесную ассоциацию минералов или "слой".

Вторая модель - назовем ее "реакционной" и будем обозначать УК - каждая следующая порция (волна) раствора из зоны мобилизации вступает в реакцию с минералами, образованными ранее. Происходит полное реакционное преобразование минералов жилы.

330-120 340°С 350°С

УУ1 -УУ20 т^С^уЫт

Область мобилизации (реакция грашгг+раствор)

« Первичный раствор любой природы

Результаты термодинамического моделирования. 1. Опорные модели минералообразования УЬ1 и УЯ1 - построены на основе первичного безрудного раствора модели В-2.

Условия и параметры моделирования: в зоне мобилизации- Т=370°С, Р=1 кбар и тд., как в модели 18-2 (рис. 15); в области жилы выполнения - Т=350-100°С (шаг по реакторам 10°С), Р=1 кбар; минералообразование происходит из гомогенных растворов за счет падения температуры в моделях УЬ, и за счет падения температуры и реакции с жильными минералами в модели VII; через реакторы проходит 20 порций рудоносного раствора из области мобилизации металлов.

наиболее высокотемпературной части жилы преобладают минералы меди (до 2 мас.% на двадцатой волне). Максимальные содержания галенита и сфалерита (до 5-6 % каждого) приурочены к температурам ниже 250°С. Специфической является и внутренняя структура жилы: сфалерит накапливается преимущественно в 7-10 слоях, где его содержание иногда достигает 20-30 %, а галенит распределен более равномерно по 11-20 слоям с содержаниями до 10-15 %. В моделях удалось воспроизвести формирования кварцевых жил с сульфидами 7м, РЬ и Си, эважщио минерального состава по восстанию и во времени.

В реакционной модели - VIII (рис. 19) распределение рудного вещества по восстанию жилы неравномерное. Возникают несколько интервалов обогащения

Какая из рассмотренных моделей ближе к реальности? Основной параметр для сравнения - отношение Pb/Zn. На наших месторождениях этот показатель изменяется от значений менее 1 в нижних частях жил до 1-2 на верхних горизонтах. Этому критерию удоволетворяют результаты полученные по слоевой модели. В реакционной модели это отношение резко возрастает к нижним частям жил, что явно противоречит фактическим данным.

Достаточно хорошо слоевая модель отражает и стадийность минералообразо-вания, описанную на месторождениях Садонского рудного района. Наиболее ранней стадией рудного процесса является кварц- пирит- пирротиновая. В слоевой модели ей отвечают первые этапы формирования жилы (волны 1-3), где из рудоносного раствора осаждаются в основном кварц, пирит и пирротин, а остальные минералы присутствуют в резко подчиненном количестве. Следующей стадией является кварц- пирит- сфалерит- пирротиновая с различным соотношением сульфидов и присутствием халькопирита. С этой стадией в "слоевой" модели неплохо сопоставляются этапы формирования жилы на 5-8 волнах. Основное количество промышленных руд месторождений связано с продуктивной кварц-галенит-сфалеритовой ассоциацией. Эта стадия характеризуется повышением рати галенита вплоть до его преобладания над сфалеритом, уменьшением количества пирита. В модели подобные соотношения характерны д ля поздних этапов (10-20 волны) развития жилы по слоевому механизму.

Хорошо соответствует фактическим данным и зафиксированные в расчетах по слоевой модели температуры, при которых происходит отложение основного количества галенита и сфалерита (250- 150°С, см. рис. 18).

Далее мы ограничились только слоевым механизмом при моделировании. 2. Влияние давления на минералообразование в жилах

Условия и параметры моделирования: в зоне мобилизации - Т=3709С, состав первичного раствора Н2С03=6.3 m, NaCl=0.8 т, СаС12=0.1 т, NaHC03=0.2 т (IS-10); давление разное: VL2 и VL2p - 1кбар,У1Л0 - 600 бар; в области формирования жилы - Т=350- 150°С (шаг 10°С); давление постоянное в моделях VL2 - 1 кбар и VL10 - 600 бар, и переменное в модели VL2p - изменение от 1000 бар до 1 (шаг 50 бар по реакторам).

В отличие от модели VL1, в этих и последующих моделях, мы изменили состав первичного раствора (переход к модели выщелачивания IS-10, рис. 20) - этот раствор более соответствует данным по включениям. Отложение рудных минералов в моделях при 1000 бар (VL2, рис. 21) и с градиентом давления (VL2p) происходит практически одинаково.

Рис.^21). Исходные рудоносные растворы моделей рудообразования~УЬ2, \HL2p,

В модели рудообразования при 600 бар за счет роста растворимости минералов в зоне мобилизации происходит более быстрый вынос рудных элементов. Так, Та выносится за 6 волн (щ?и 1000 бар за 10), РЬ - за 14 (при 1000 бар - за 21), Си - за 17 (при 1000 бар - 22). Происходит повышение подвижности РЬ по

сравнению с Си - последние порции раствора (15-17 волны) содержат Си, но не содержат РЬ. Поэтому при 600 бар руды получаются более богатыми сфалеритом, но максимум его отложения смешается в область более низких температур (содержание 2пБ поднимается здесь до 12-13% на 1-5 волнах против 3% в модели при 1000 бар), соответственно уменьшается относительная доля галенита и сульфидов меди; существенно больше отлагается сульфидов железа (до 50-60% на первых этапах рудоотложения против 20- 30 % в модели при 1000 бар).

300 250 200 150

Температура ступенчатых реакторов

100 250 3»

Температура ступенчатых реакторов

Рис. 21. Модель рудообразования \\Л - слоевая~(Н=согк1= 1 кбар). Строение жилы выполнения на 20 волне. Условные обозначения на рис. 18 и 19.

3. Влияние температуры на минералообразование в жилах.

Условия и параметры моделирования: в зоне мобилизации - Р=1 кбар, состав первичного раствора соответствует В-10; температура разная: УЬ2 - 370РС, УЬЗ - 440°С, \Ь5 - 320°С; в области формирования жилы - давление - 1 кбар; шаг по температуре КРС:УЬ2 от 350до 150°С, УЬЗ от420до 150°С, УЬ5 от 300до 150°С.

В модели с исходной температурой 420°С: Хп полностью выщелачивается за 2 волны взаимодействия, РЬ - за о волн, Си - за 7 волн. Соответственно этому происходит и отложение сульфидов в жиле. При прохождении первых двух-трех волн отлагается основная часть пирита, пирротина и сфалерита, а их содержание в жиле составляет до 75, 65 и 35 мас.% соответственно. Такого большого содержания сульфидов не было получено более ни в одной из исследованных моделей (рис. 22). К недостаткам модели следует отнести неравномерное распределение сфалерита и несоответствие ее нормальной вертикальной зональности месторождений, т.е. росту РЬ/2п. Модель с начальной температурой поступающего в жилу раствора 300°С отличается очень "медленным" выносом элементов. Как следствие, в жиле содержания рудных сульфидов на превышает 0.2- 0.4%.

40.00 35.00

зо.со

2500 ^ 20 .00 |.5.00 10.00 5.Ю

1 WVLЗ(l-20)

-■-РЬЯ

-к-Хз -*-ХПр -о—Брн

О.ооа-а-в-в-а-а-а-й-й^&^ч^-в-в'С-о-й-в-с-о-е'в-а-а-а-а-та' I

«0 350 т 250 Я)

Температура ступенчатых реакторов

Рис. 2Т. Модельпри 420аС—УО - слоевая ."Строение жилы выполнения на волне На графиках правой части рисунка не показан кварц, содержание которого составляет разницу.

В этих моделях выявляется важная закономерность: чем выше температура в зоне мобилизации, тем при более низкой температуре начинается отложение рудных сульфидов в жиле. Так сфалерит начинает отлагаться с 240° С в самой "горячей модели (УЪЗ), с 270-280°С в опорной модели (УЬ2), с 290-300°С в самой "холодной" модели (УЬ5).

4. Влияние содержания серы в породах области мобилизации на строение жилы.

Построена модель VIА, которая по всем параметрам аналогична модели У1Л, за исключением большего содержания серы в граните. Это приводит к "замедлению" выщелачивания рудных элементов и практическому отсутствию выноса меди (по крайней мере в течение 30 волн). Особенности рудоотложения: в данной модели из сульфидов железа образуется только пирит, (в модели УН -на первых волнах отлагается до 40% пирротина), осаждение сфалерита начинается при самых низких из всех рассмотренных моделей температурах -220°С, практически полное отсутствие минералов меди. Отношение гЬ/Ъа. меньше 1 на всем интервале рудоотложения.

5. Влияние среды рудоотложения на состав жилы - модели УЬ6 и УЬ7.

Для изучения влияния кластического материала на процесс минералообразо-вания в реакторы, описывающие жилу, было введено вещество гранитного состава: в модели УЬ6 - 0.1 г; в модели УЪ7 - 1 г.

В сравнении с моделью УЬ2, реакции с пластическим материалом при жило-образовании приводят к следующему. 1. уменьшается общге содержание рудных минералов в формирующемся жильном веществе (например, максимальное содержание сфалерита не превышает 2%); 2. рудные сульфиды начинают отлагаться при высоких температурах (начиная с 350°С); 3. в жильном теле образуются мусковит и каолинит, содержание которых достигает 25-35%. Характерной особенностью модели УЪ7 является развитие хлоритов: на ранних этапах формирования жилы преобладает Ре-хлорит (1-5 волны), где его содержание может достигать 10-12%, на более поздних этапах - Бе- хлорит (15-20 волны) с содержаниями до 5-7%.

В моделях показано, что даже небольшие вариации в количестве пластического материала могут изменить процесс минералообразования. Кроме реакций с класгаческим материалом сколовых трещин, представляют интерес реакции внугрижильного метасоматоза. Проведенные нами расчеты показали, что при наложении рудоносных растворов на пирит или пирротин в моделях происходит полное отложение сфалерита, галенита и халькопирита за счет реакции с сульфидами железа.

6. Влияние изменения состава первичного раствора на рудоотложение в жиле можно проследить по трем моделям - две модели (У1Л, УС2) уже были рассмотрены ранее, \Ъ9 является дополнительной моделью (первичный ¡¿створ -Н2СОз=0.1, №01=0.8, КС1=0.2, НаНС03=0.2 т). Все прочие параметры моделей аналогичны. Сравнение моделей с различными составами первичных безрудных растворов показывает, что жилы получаются близкими по составу и распределению вещества.

Сопоставление результатов моделирования с фактическими данными.

1. Принятыми за основу структурой модели и методикой моделирования: сочетанием зоны мобилизации и области формирования жил, действительно можно описать образование рудных тел, аналогичных кварц-полиметаллическим жилам Садонского рудного региона. До построения моделей жил, растворы выщелачивания из зоны мобилизации рудных компонентов были потенциально рудоносными. Модели показали, что эти растворы могут формировать рудные жилы выполнения.

2. Формирование рудных жил без переотложения является основным механизмом рудогенеза на изучаемых месторождениях при подчиненной количественно, но весьма распространенной, роли процессов внутрирудного метасоматоза. Это принимается большинством исследователей месторождений по

минералогическим данным. Но только в представленных здесь моделях можно увидеть как эволюционирует вещество жилы, как отражается на жильном мине-ралообразовании изменение условий (Т, Р, состава гранита). Результаты, полученные по "слоевой" модели рудообразования, согласуются с природными данными по росту отношения Pb/Zn от нижних к верхним частям жил, по "стадийности" минерал ©образования, по главным закономерностям распределения элементов, по температурам начала отложения рудных минералов.

3. Рассмотрим подробнее количественные соотношения минералов в жилах Згида, Холста и других месторождений Садонского рудного района.

Галенит и сфалерит распределяются в реальных жилах неравномерно - от следов до 19-20% (и редко вплоть до 40%), но средние цифры для РЬ и Zn в групповых пробах руц составляют 4-5%. Именно такие содержания сфалерита и галенита получены в моделях на завершающих стадиях формирования жилы в области отложения основного количества РЬ и Zn (4-6% на 15-20 волнах в моделях VL1 и др., рис. 18).

По данным других моделей можно предсказать и условия появления более высоких содержаний. Так, при падении давления (до 600 бар) или росте температуры (до 440°С, рис. 22) в области мобилизации, в жиле происходит образование очень богатых сфалерит- пиритовых руц с содержаниями ZnS от 12 до 35% (и пирита до 50-70%). И падение давления и рост температуры вполне вероятны в природе и фиксируются при формировании месторождений по флюидным включениям. Однако для галенита такого возрастания содержаний наши модели не отмечают. Но за счет внутрижильного метасоматоза может происходит практически 100% отложение галенита и сфалерита при реакции с сульфидами железа (примеры на рис. 19).

Во всех рассмотренных моделях отложение сфалерита предшествует массовой кристаллизации галенита. Этот факт типичен для всех месторождений Садонского рудного поля (Черницын, 1985; и др).

Пирит и пирротин относятся к наиболее распространенным (наряду с кварцем) жильным минералам реальных жил. Их содержания изменяются п% до 70% и редко выше. Средними можно считать содержания на уровне до 10- 30%.

Содержания до 30% пирита и пирротина фиксируются практически во всех наших моделях. Резкое увеличение содержания пирита или пирротина может происходить на первых стадиях формирования модельных жил (волны 1-5) и в моделях с высокотемпературной зоной выщелачивания (до 70% в модели VL3). Вероятно, что к такого типу образований относятся многочисленные пирроти-новые (кварц - пирротиновые) жилы Садонского месторождения, которые предваряют на нем основную продуктивную стадию полиметаллического рудообразования.

Из сульфидов жди наиболее распространен в жилах месторождений халькопирит. Обычно его содержание составляет от 0.4 до 2.6%. Борнит и халькозин развиваются по халькопириту и их содержания очень низки. По общему содержанию сульфидов меди наши модели принципиально соответствуют фактическим данным. На ранних стадиях формирования модельных жил (1-5 волны) всегда образуется халькопирит в количествах 0.2-0.5%. Позже в модельных жилах отлагается борнит (до 1-1.2%, например в модели VL1), а на завершающих стадиях - часто образуется халькозин (до 0.6%, например в модели VL2, рис. 21). В моделях борнит и халькозин осаждаются самостоятельно. Однако в области низких температур вместе с галенитом и сфалеритом образуется халькопирит (20 волна модели VL1) или борнит (VL2).

Возможны несколько вариантов решения проблемы дефицита серы для образования только халькопирита, как в реальных рудных телах. Наиболее вероятно его отложение при реакции с ранними пирротином или пиритом. Именно такого типа реакции хороню выражены в результатах расчетов по "реакционному" механизму - отложение сфалерита (до 9%), галенита (до 8%) и

халькопирита (до 1.6%) на границе реакционного преобразования пирита (15-20 волны модели УШ, рис. 19).

Хлориты - распространенные жильные минералы месторождений. Обычно их содержание не превышает 5-15%. Ни в одной из построенных нами моделей, при осаждении минералов из гидротермального раствора, хлорит в количестве более 0.5% не образуется (из-за концентрации А1 и в модельных растворах). Проблему хлоритов мы решали опираясь на представление о метасоматическом образовании этих минералов при взаимодействии рудоносных растворов с раздробленным и перетертым веществом боковых пород трещин скола. Расчеты показывают, что образование хлоритов по этому механизму действительно происходит. В модели \Ь7 на ранних этапах формирования жилы образуется до 12-13% Ре-хлорита (дафнита) при практическом отсутствии Ре-хлорита. На более поздних стадиях развития жилы соотношение между хлоритами в моделях меняется: Ре-Ме-хлорита становится 5-7% (в основном в области высоких температур - 350-240°С), Ре-хлорита - не более 3-5%. Именно такое соотношение между жильными хлоритами описано для месторождения В.Згид: ранний хлорит первой генерации определен как афросидерит, более поздний хлорит имеет железо-магнезиальный состав и относится к хлоритам типа рипидолита (Златогурская,1960). Вероятно, подобные процессы формирования хлоритов имеют локальное значение и не оказывают существенного влияния на рудообра-зование.

4. В ряде моделей расчеты были проведены при изменении температуры и давления в области мобилизации. Температуры около 400-420°С фиксируются по флюидным включениям для предрудного этапа развитая гидротермальной системы. Термобарогеохимические исследования месторождений Садонской группы показывают, что па/котепловые поля оруденения имели отчетливо тер-мобарограднентный характер с вариациями вертикальных градиентов в пределах 12- 22°С, в некоторых случаях до 35°С, и 11.4- 24.5 МПа на 100 м (Ляхов,Поздеев и др.,1994). Так, стандартный интервал температур от 350 до 150°С, который мы рассматриваем в моделях, можно соотнести с 800 м интервалом жилы (при градиенте 20-25°С). А выбранный шаг по температуре 10°С соответствует -40 м.

В трех моделях мы рассмотрели влияние изменения температуры в области мобилизации на характер минералообразования в жиле (440°С - УЬЗ, 370°С -

2, 320°С - УЬ5). Эти данные можно использовать также для анализа латеральной зональности модельного жильного тела, если результаты по этим трем моделям расположить по вектору падения температуры, т.е., если представить себе, как- бы три линии тока растворов в плоскости трешинной структуры.

На рис. 23 построен схематический разрез, на котором изображены изокон-центраты содержаний сфалерита и галенита, полученные в наших расчетах. Эта схема имеет обобщенный и идеализированный характер и не учитывает многие осложняющие элементы. Однако полученная зональность распределения повышенных и аномальных содержаний РЪ и 2п принщишальт соответствует данным по жильным полиметаллическим месторождениям - смещению по вертикали областей концентрированного отложения галенита относительно сфалерита, а также смена, по мере удаления от регионального сброса, кварц- галенит- сфале-риговой ассоциации на кварц-сфалерит- галениговую.

Теперь о моделях с изменением давления. В модели УЬ2р, где, кроме температурного градиента, был заложен и градиент по давлению (~250 бар на 100 м), не были получены какие-либо существенные отличия от результатов по однотипной модели УЬ2 при постоянном давлении. С другой стороны по результатам модели УЫО (давление 600 бар) видно, что понижение давления в области мобилизации может дать значительные эффекты. Резко возрастает содержание сфалерита в рудах на первых этапах формирования жилы (до 12-13% против 3% в однотипной модели УЬ2), также существенно возрастает содержание пирротина и пирита (до 50- 60% против 20- 30%).

/ .

* М / Д' / (//Л ^200

У15 7 / / / * Г / ' - ■ ..........- Ж у' ¿Г ** ------- 250 ... 300

Шр 350

/.у - - -...................- - ...........- - - 400°С

•и 350 |

Рис. 23. Схематический разрез в плоскости модельного жильного тела (по результатам расчетов по моделям УЬЗ, УЬ2, УЬ5 для 20 волны).

Условные обозначения: 1 -точки расчетов, линия и стрелка показывает траекторию и направление движения флюидного потока в трещинном канале; 2 -номер модели и положение области мобилизации на сочленении регионального сброса и оперяющей трещинной структуры, 3 - региональный сброс, в лежачем боку которого формируется жильное тело; 4 -температура и условное положение изотерм в плоскости жильного тела при рудообразовании; 5 - изоконцентраты Хл (в мас.% ZnS); 6 - изоконцентраты РЪ (в мас.% РЬБ)

5. По нашим данным "стадийность" минералообразования вполне удается объяснить с позиций раззюпия единого источника вещества, где процессы взаимодействия в системе "порода-вода" играют определяющую роль. Интенсивная внутрирудная тектоника, приводившая к периодическому дроблению уже сформировавшихся минеральных агрегатов жилы и к обновлению (расширению или уменьшению) областей мобилизации, могла вызывать частичное повторение предшествующих этапов минералообразования с "наложением" на старые ассоциации при реализации реакционного" механизма или продолжение прерванных процессов опять по слоевому механизму, но уже с иных стартовых условий.

Оценка объемов гранитов, необходимых для формирования месторождения с запасами Ъя. и РЬ порядка 100 тысяч тонн, при полном извлечении этих металлов из гранита, дает цифру около 0.6 км3. Это вполне реально, учитывая, что рассмотренные месторождения обычно представлены десятками жильных рудных тел, на плошзди в десятки км и протягивающимися по восстанию более, чем на километр.

МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ОРЕОЛОВ.

Ореолы отложения-переотложения являются в моделях завершающим элементом в цепочке "зона мобилизации жила -> ореол", а ореолы выщелачивания - первым.

Методика и условия моделирования. Методики моделирования для ореолов отложения-переотложения и ореолов выщелачивания различаются.

Ореолы отложения-переотложения. Общая схема моделирования достаточна проста (рис. 24). Раствор из зоны мобилизации поступает в трещинный канал, где он отлагает жильные минералы. Одновременно с этим часть равновесного с жильной массой раствора может проникать (фильтроваться) во вмешаюшие граниты.

Рис. 24. Схема моделирования и структура моделей в области формирования ореолов отложения- переотложения.

Во вмещающих породах этот раствор вступает в реакцию с ними в первом реакторе. Уравновешенный с породой раствор из первого реактора перетекает во второй и тл до из выделенных нами последнего реактора.

Мы жестко привязываем модели ореолов данного типа (по Т, Р, составу растворов) к моделям формирования жильных тел и просчитываем паяную цепочку взаимодействий в системе "раствор -порода" от зоны мобилизации через жилу до ореола. Общее количество реакторов в расчетах различно. Если проводится расчет формирования ореола с начальной температурой 350°С, то цепочка расчетов состоит из 15 последовательных проточных реактора. Если начальная температура 250°С - то 23 реактора. Через цепочку реакторов проходит 20- 30 последовательных порций или волн растворов из зоны мобилизации.

В модели принято, что начальная температура в области развития ореола равна температуре, какую имеет рудная жила на том же "гипсометрическом уровне". В опорных моделях рассмотрены три уровня формирования ореолов -от 350РС, от 300°С, от 250°С. Эти три температуры и задают, как бы, три "гипсометрических уровня" положения областей формирования ореола. Предполагается, что за счет кондуктивного и конвективного теплообмена во вмещающих породах вокруг трещинного канала возникает градиентное тепловое поле. Шаг изменения температуры в градиентном тепловом поле околожильных пород принят равномерным на ближнем к жиле интервале. Давление принято постоянным и равным 1 кбар.

Более сложным является вопрос о массе породы, которую необходимо вводить в реакторы, описывающие область формирования ореола. В диссертации этот вопрос обсуждается специально с учетом пористости и температуры пород. В моделях массы породы в реакторах приняты постоянными.

Ореолы выщелачивания. По существу, это вариант модели мобилизации металлов из гранитов. Первичный раствор при 370°С поступает в систему проточных реакторов и взаимодействует с гранитом, содержащем фоновые концентрации металлов. Околожильное пространство здесь описано 8 последовательными ступенчатыми реакторами с массой породы, уменьшающейся по мере приближения к жиле, т.к. предполагаем, что может происходить уплотнение флюидного потока. Через реакторы пропускается 20 последовательных волн первичного раствора (система изотермическая).

Результаты термодинамического моделирования. 1. Опорные модели ореолов отложения-переотложения ¿ЬШ и - построены на основе первичного безрудного раствора модели 1Б-2. Ореолы развиваются около жилы, формирующейся по слоевому (г1Ж) или реакционному (гЛХУ) механизму.

Формирование

жильного

вещества

ВМЕЩАЮЩИЕ ГРАНИТЫ

11 РЕАКТОР 1501С

340-х: |333

д. и................. . .....

З50°с Г 1-И З80°е И яо°с 1—»| зза°с —>| 1бо°с }-»•

|УУ1 • то!

1 РЕАКТОР 2 РЕАКТОР > РЕАКТОР

13 РЕАКТОР

Область мобилизации (|жя*ш гршгг+|асгкф) 370°С, 1000 Ьаг

■ч--- ■л Первичный раствор

Условия и параметры моделирования: в зоне мобилизации - модель выщелачивания IS-2 (рис. 15); в области формирования жилы - Т=350-250°С (шаг 10°С), Р=1 кбар; минералообразование происходит в моделях ZLW ("слоевая" модель VL1) или в моделях ZRW ("реакционная" модель VR1); в области формирования ореолов - рассмотрены три температурных уровня: 350-150°С (модели ZLW1-1 и ZRW1-1), 300-150°С (модели ZLW1-2 и ZRW1-2] и 250-150°С (модели ZLW1-3 и ZRW1-3); масса гранита во всех реакторах - 100 г; Р=1 кбар.

Рассмотрим сначала результаты расчетов по моделям ZLW1, где жила образуется по слоевому механизму.

Модель ZLW1-1 -развитие ореола на "нижних" уровнях жилы (при начальной Т=350°С). На рис. 25 (а) данные о растворах равновесных с минеральной ассоциацией жилы. Именно эти растворы из трещинного канала на каждой волне поступают во вмешаюшую породу и формируют ореол. Закономерности изменения концентраций здесь похожи на область мобилизации, но сами значения ниже (за счет выпадения рудных минералов в жиле). Содержания рудных элементов в жильной массе показаны на рис. 25 (б). Максимум отложения сфалерита приходится на 7-9 волны раствора выщелачивания.

На рис. 25 (в) показаны модельные ореолы рудных элементов на три последовательные "момента времени": на 10, 15 и 20 волнах развития процесса образования ореола. По мере смены рудной специализации раствора (Zn>Pb,Cu), происходит опережающее развитие ореолов отложения Zn (10 волна), которые затем, при резком падении концентраций Zn в поступающем растворе, преобразуются в ореолы переотложения (15-20 волны). Для РЬ и Си за эти 20 волн происходит только образование ореолов отложения. Результат вполне предсказуем по рис. 25 (а), где видно, что концентрации РЬ и Си имеют еще высокие значения в растворе на 20 волне.

Причины выпадения рудных минералов в ореоле: понижение температуры и повышении прочности раствора при реакции с породой. Макросостав породы изменяется сильно. Так, на завершающем этапе (на 20 волне) в первых 4 реакторах образуется более 50% Кпш, 35% кварца, до 5% Fe-Mg-хлорита и немного серицита, а в реакторах с низкими температурами (от 7 до 13) количество Кпш резко понижается при росте серицита (до 40%) и кварца (до 50%).

В модели ZLW1-2 ("средние" уровни жилы при начальной Т=300°С) и модели ZLW1-3 ("верхние" уровни жилы при начальной Т=250°С) развитие ореолов происходит сходных образом. Отличия связаны с уменьшением концентраций рудных элементов в жильном растворе (за счет рудообразования) и падением растворимости сульфидов при понижении температуры в околожильном пространстве. Поэтому за 20 волн в данных моделях отчетливо фиксируется развитие ореолов отложения и только намечается тенденция переотложения Zn на 20 волне. При низких температурах закономерно изменяется минеральный состав измененной породы: кварц составляет почти 60%, серицит - 30-35%, хлориты - 5-10%.

Теперь рассмотрим результаты расчетов по моделям ZRW1 (жила образуется по реакционному механизму). Эта модели интересны с двух точек зрения: 1. формирование жилы по реакционному механизму хотя и реже, но все же может реализоваться на наших объектах; 2. в такой модели намного проще проводить расчеты, и поэтому мы могли получить результаты до 30 и более волн растворов.

5 4000

(б) (мшералы ЖИЛЫХ

350 С

-»-РЬ -*-Си

7 10 13 волны,

Рис. 25. Модель 21^1 -1 ^темпе^ат^ра в жиле 350°С, в ореоле -

Жила: (а) - концентрации по волнам Ъа, РЬ, Си в растворе, формирующем ореол;

(о) - содержания по волнам Ъх, РЬ, Си в твердых фазах жилы. Ореол: (в) - развитие ореола на 10, 15, 20 волне (по оси ординат - мас.% элемента в твердой фазе).

200

100

20\У 11и1-1

1 3 5 1 9 11 13 Реакторы

Модель -развитие ореола на "нижних" (при начальной Т=350°С)

уровнях жилы. Отличия (от гШ1-1) два: реакционный механизм формирования жилы, процессы прослежены до 30 волны растворов. Поскольку после 23 волны растворы в жиле становятся полностью безрудными, то происходит преобразование не только ореолов 2л, но и РЬ, и Си. Здесь же для всех металлов

начинают формироваться ореолы переотложения (рис. 26).

Рис. 26. Модель 211\У1-1 ^(темпе^а^ра в жиле 350°С, в ореоле -

Развитие ореола на 30 волне (температуры реакторов:1 - 350, 2-340 и тд с шагом 10°Сдо Т1 - 250°С?, 12-200? С, 13-150°С). По оси ординат - мас.% элемента в твердой фазе.

В моделях 2И\У1-2 и 2ИЛУ1-3 развитее ореолов происходит сходных образом. Некоторые различия, за счет разных механизмов жилообразования, отчетливо проявились только в модели 21Ш1-3 (происходит значительное разделение рудных элементов в ряду 2п-РЬ-Си в растворе, равновесном с минералами жилы).

Остальные модели процессов формирования ореолов отложения-переоложе-ния рассматриваются нами, как дополнительные. Поэтому мы ограничились только одной температурой - 350°С, и взяли за основу реакционный механизм образования жил.

2. Модель ореага отложения-переотложения 2ЯП2-1 - все условия и параметры моделирования аналогичны принятым в модели 21Ш1 -1. Отличие одно - масса гранита во ¡всех реакторах составляет 10 г. Уменьшение массы породы в реакторах позволит судить о влиянии отношения порода/вода на характеристики ореолов. Полученные ореолы (рис. 27) отличаются от ореолов модели 211\У1-1: 1. процесс ореолообразования проходит более интенсивно - начиная с 10-15 волны все металлы энергично переоткладываются; 2. каждый металл образует несколько максимумов переотложения в ореоле. Измененная порода приобретает совершенно другой вид. В ней отсутствует калишпатизация, а развиваются

. Растворы модели 2Я\У2-1 имеют

Рис. 27. Модель ZRW2-1 (температура в жиле 350°С; в ореоле - 35СИ50°С). Развитие ореола на 25 волне. По оси ординат - мас.% элемента в твердой фазе.

3. Модель ореола отложения-переотложения ZRW3-1 - все условия и параметры аналогичны модели 2RW1-1. Отличие одно - в гранитах, где формируется ореол, отсутствует сульфидная сера (сера поступает только с рудоносным раствором). Цель расчетов - влияние серы породы на образование ореолов. Получены ореолы полностью идентичные ореолам модели 2RW1 -1.

4. Изотермическая модем оресма отложения-переотложения ZRW4-1 - ореолы формируются при 350°С. Полученные ореолы очень сильно отличаются от ореолов модели ZRW1-1. Причина такого поведения элементов в высоких "скоростях" развития и преобразования ореолов (определяется высокой растворимостью всех минералов во всей области ореолообразования), Рудные элементы "проносятся" сквозь 13 реакторов и выходят из области наблюдения.

5. Модель формирования ореолов выщелачивания FMI

Условия и параметры моделирования: 370°С, 1 кбар, 8 проточных реакторов; распределение породы по реакторам - 1 - 10 кг, 2 -5 кг, 3 - 1 кг, 4 - 0.5 кг, 5 - 0.2 кг, 6 - 0.1 кг, 7 - 0.05 кг, 8 - 0.01 кг; в первый реактор поступает раствор постоянного состава (аналогичен модели IS-2); через реакторы проходит 20 волн первичного расшора.

Рассмотрим, в качестве примера, поведение цинка. На первых этапах процесса Zn выщелачивается из 1 реактора и переоткладывается во второй. В остальных реакторах распределение Zn отвечает фоновому. На 8-ой волне, в первых двух реакторах содержания Zn ниже фоновых, в третьем реакторе - более чем двукратное превышение фона, в 4-8 реакторах содержание Zn в 1.5 раза превышает фон. На 10-ой волне Zn полностью выщелачвается из всех восьми реакторов. Свинец и медь практически полностью повторяют судьбу цинка, но со

кварц-серицитовые с хлоритом более низкие значения рН _

1200

Реактор

смешением "по времени" (волнам). К 20-ой волне, РЬ имеет содержания превышающие фоновые только в 6-8 реакторах, а Си - в 3-8 реакторах. По направлению от жилы (от восьмого реактора к первому), в модельном ореоле выщелачивания, образуется следующий ряд подвижности элементов: Та - РЬ - Си. Порода изменяется незначительно при реакции с раствором. Этой моделью мы демонстрируем динамику развития структуры таких ореолов во времени. Обсуждение результатов и сопоставление с фактическими данными по ореолам.

1. Наши модели показывают, что в породах, вмещающих полиметаллические жилы, может происходить формирование и развитие ореолов отложения и переотложения.

2. В моделях установлено, что закономерные изменения состава гидротермального раствора до "безрудного уровня" приводит к эволюции структуры ореола. Так в большинстве моделей, на первых этапах развития образуются ореолы отложения 2п, РЬ и Си, причем содержания элементов распределяются в такой же последовательности, поскольку концентрация 2п больше РЬ, а РЬ больше Си. Раствор становится безрудным по ¿п и в ореоле туг же начинается преобразование раннего ореола отложения в ореол переотложения. В это самое время РЬ и Си продолжают накапливаться в ореолах отложения и т.д.

3. Моделирование показало, что градиент температуры и химическое взаимодействие в системе "раствор-порода" являются основными факторами, регулирующими отложение рудного вещества в ореоле. Градиент температуры определяет общую структуру будущего ореола, расположение и форму отдельных максимумов содержаний в нем каждого из металлов. Естественно это происходит при поступлении в систему эволюционирующего гидротермального раствора. Если раствор будет рудоносным по всем компонентам, то образуются только ореолы отложения (так происходит в наших моделях на первых этапах). Если раствор станет безрудным сразу по всем компонентам, то начнут развиваться ореолы переотложения всех компонентов сразу. Одинаковое положение (расстояние от жилы) максимумов 2п, РЬ и Си в реальных ореолах встречается очень редко. Эволюция состава рудоносного раствора приводит к разновременному началу образования ореолов переотложения для рудных элементов и разделению максимумов их отложения в околожильном пространстве.

Роль вмешаюших пород, как осадителя рудного вещества, наиболее наглядно проявляется во всех моделях в первых реакторах области ореолообразования, где всегда происходит отложение рудного вещества. Причиной этому является резкая неравновесность жилообразующгго раствора и вмещающих пород. В системе "раствор-порода" происходит изменение многих характеристик раствора, в том числе и кислотности, которое обычно и ответственно за осаждение рудного вещества.

4. В изотермических условиях могут образовываться интенсивные и узко-локализованные в призальбандовой области ореолы отложения. Однако, с началом поступления безрудных растворов, эти ореолы энергично переоткладываются, а их вещество как бы рассеивается, не образуя интенсивных максимумов, и затем выносится в интервалы, удаленные от трешинного канала. Изотермические ореолы распределения рудных элементов похожи на ореолы выщелачивания, но в первых - в околожильном пространстве порода сильно изменяется, а во втором случае - практически не изменяется.

5. Наши геохимические исследования показали, что в ореолах обычно преобладает 2п. В моделях можно увидеть возможности реализации такой ситуаций. Например, в модели г1Ш1-3: в жиле преобладает РЬ (соотношение РЬ>Си»2п), а в ореоле - Ъа. (соотношение гп>РЬ»Си)..

6. В большинстве моделей получены реалистичные соотношения минералов в измененных околожильных породах. Например, в моделях ЖШ-З и ¿1^1-3 получено развитие кварц-серицитовых с хлоритом новообразований, которые очень распространены на наших месторождениях и имеют такие же соотноше-

ния основных минералов (до 60% кварца и до 30% серицита). Однако, околожильная калишпагизация, полученная в ряде моделей при высоких температурах, не характерна для наших месторождений. Это показывает, что более реалистичны те модели, где в реакторах берется не 100 г породы, а 10 г. В этом случае околожильные изменения дают нормальный кварц-мусковит-хлоритовый состав. Вероятно, этот результат является независимым указанием на то, что в ближних к жиле реакторах должны быть меньшие значения отношений порода/вода, чем в реакторах, удаленных от жилы.

7. Результаты модели FMI хорошо согласуются с геохимическим данным по нашим объектам: вблизи рудных жильных тел вмещающие породы претерпевают минимальные изменения, около жилы могут создаваться слабые положительные (до 2- 3 кларков) и отрицательные аномалии рудных элементов.

Обобщения и геохимические выводы.

1. Разработана единая структура модели и методика равновесно-динамического моделирования процессов жильного полиметаллического рудообразования от зон мобилизации металлов до областей формирования рудных тел и околожильных ореолов рудных элементов. На этой основе построена обобщенная количественная модель рудообразующей гидротермальной системы для месторождений жильной полиметаллической формации.

2. Установлено, что при взаимодействие безрудных растворов и гранитов происходит образование рудоносных растворов. Концентрации рудных элементов в них значительно возрастают во времени без какого-либо изменения внешних условий и падают после полного выноса того или иного компонента из "материнского" транша в области мобилизации металлов. Металлоносносгь растворов выщелачивания изменяется по мере протекания процессов мобилизации.

3. Результаты моделирования доказывают, что образование рудных жил без переотложения является основным механизмом рудогенеза при подчиненной, но весьма распространенной, роли процессов внутрирудного метасоматоза. Стадийность минералообразования можно объяснить с позиций развития единого источника вещества, которым в наших моделях является зона разуплотнения пород на сочленении регионального разлома и оперяющих трешин скола и отрыва.

4. В моделях получены главные типы ореолов характерных для исследуемых месторождениях - ореолы отложения, ореолы переотложения и ореолы выплачивания. Моделирование позволило оценить главные тенденции развития ореолов и основные параметры, которые определяют их специфику.

5. Полученная модель описывает эволюцию гидротермальной системы в пространстве и времени, главные черты строения и основные закономерности распределения элементов в жильных телах и ореолах, с высокой точностью воспроизводит количественные и качественные характеристики природных минеральных ассоциаций.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Разработаны новые методы оценки состава гидротермальных растворов по результатам моделирования метасоматических преобразований пород за счет реакций "порода - вода". Исследование моделей взаимодействия в системе "порода - вода" позволяет прогнозировать геохимические явления, имеющие место в реальных системах "порода - подземные термальные воды". Взаимодействие безрудных растворов и гранитоидов приводит к образованию рудоносных растворов, которые могут являться исходными для исследуемых гидротермальных систем. Металлоносносгь таких растворов значительно возрастает и изменяется по мере протекания процессов мобилизации за счет прогрессирующего выщелачивания сульфидной серы из пород без какого-либо изменения внешних условий.

2. Механизм автосмешения способен обеспечить условия, необходимых для образования руд из рассеянных металлов вмещающей среды - извлечение рудных элементов из больших объемов пород, миграцию собранных растворами металлов в локальные объемы трещинных каналов и концентрированное (в ряде случаев и селективное) осаждение металлов на гидродинамических геохимических барьерах. Этот процесс может происходить при постоянных Т, Р и без изменения состава безрудного раствора, поступающего в гидротермальную систему, и являться естественной причиной пространственной разобщенности сингенетичных метасоматитов и руд.

3. Взаимодействие растворов с графит- и пиритсодержащими породами приводит к образованию потоков безрудных восстановительных растворов, несущих растворенные сероводородород и метан. При смешгнии этих растворов с рудоносными, равновесными с породами гранитоидного состава, в секущих разрывах или в зонах регионального несогласия образуются жильные рудные тела или месторождения типа "несогласия". Изменение режимов фильтрации и пропорций смешения растворов (при постоянстве других условий) является действенной причиной последовательной смены во времени парагенезисов рудных тел. Гидротермальные системы такого типа могут формировать богатые руды практически без жильных минералов.

4. Впервые получены данные по детальным структурам распределений рудных элементов в околожильном пространстве гидротермальных месторождений жильной полиметаллической формации. Показана возможность использования детальных структур ореолов в качестве основы генетических моделей рудо- и ореолообразования. Проведена классификация типов ореолов и предложены механизмы формирования инфильтрационных ореолов отложения, переотложения и выщелачивания.

5. Разработана структура модели, методика термодинамического моделирования и построена модель рудообразующгй гидротермальной системы для месторождений жильной полиметаллической формации. Взаимодействие "вода-порода" является важнейшим фактором рудообразования, действие которого проявляется на всех этапах развития гидротермальной системы: в зоне мобилизации - это главный процесс формирования рудоносных растворов, в области рудообразования - это процессы внугрирудного метасоматоза, в околожильном пространстве - это основная причина ореолообразования. Стадийность рудообразования определяется развитием единого источника рудных компонентов, которым являются вмещающие породы. Модель описывает эволюцию гидротермальной системы в пространстве и времени, закономерности распределения элементов в жильных телах и ореолах, с высокой точностью воспроизводит количественные и качественные характеристики природных минеральных ассоциаций.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Иванов И.П., Борисов М.В., Редышн А.Ф. ,1979. Термодинамическое и эксперимен-

тальное моделирование локальных равновесий в метасоматических колонках кислотного выщелачивания. В кн."Проблемы физико-химической петрологии", т.2, М:Наука, 145-176.

2. Иванов И.П., Борисов М.В. , 1980. Оценка состава исходного раствора при метасо-

матическом замещении пород. Геохимия, № 12,1797-1806.

3. Иванов И.П., Покровский В.А., Борисов М.В., 1981. Исследование фазовых диаграмм

растворимости на ЭВМ. ДАН СССР, т.256, № 6, 1481-1483.

4. Барсуков ВиктЛ., Борисов М.В., 1982а. Моделирование геохимических следствий ав-

тосмешения гидротермальных растворов. I. Массообмен на участках растекания потока гидротерм. Геохимия, № 8, 1108-1123.

5. Барсуков ВиктЛ., Борисов М.В., 19826. Моделирование геохимических следствий ав-

тосмешения гидротермальных растворов. II. Массообмен на участках стягивания потока гидротерм. Геохимия, № 9, 1244-1256.

6. Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., 1982в. Моделирование геохимических следствий ав-

тосмешения гидротермальных растворов. III. Массообмен в системе из нескольких последовательных ритмов автосмешения. Геохимия, № 11, 1562-1580.

7. Гричук Д.В., Борисов М.В., 1983. Термодинамическая модель гидротермальной си-

стемы в океанической коре. ДАН СССР, т.270, № 2, 424-427.

8. Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., Пэк A.A., 1984. Роль автосмешения гидротермальных

растворов в формировании рудных жил и ореолов околожильного изменения пород. Докл. 27 Мевд. геол. конгр. Геохим. и космохимия, сек. 11, т.11, М:Наука, 209-215.

9. Борисов М.В, Рыженко Б.Н., Крайнов С.Р., 1984. Влияние кислотно-основных свойств горных пород на состав равновесного водного раствора. Геохимия, № 5, 705713.

Ю.Борисов М.В, Барсуков Викт.Л., 1985. Моделирование на ЭВМ процессов образования рудных жил и околорудных метасоматитов на средне-низкотемпературных гидротермальных месторождениях. Тез. 1 Всес. симп. по термодинам, в геологии, т.1, 35-40.

П.Шикина Н.Д., Борисов М.В., Ходаковский ИЛ., 1985. О возможности применения методов термодинамического анализа при изучении природных процессов растворения и кристаллизации киновари. Геохимия, № 5, 726-731.

12.Гричук Д.В., Борисов М.В., Мельникова Г.Л., 1985. Термодинамическая модель гидротермальной системы в океанической коре: опенка эволюции раствора. Геология рудн. месторожд., № 4, 3-23.

13.Борисов М.В, Барсуков ВиктЛ., 1985. Математические модели процессов формирования гидротермальных жильных месторождений и их принципиальная структура. Тезисы 2 Всес. совещ. "Генетич.модели эндог. рудных формаций", Новосибирск, 11-12.

14.Борисов М.В, Рыженко Б.Н., Крайнов С.Р., 1985. Термодинамическое моделирование состава подземных вод. В сб."Модел.гидрогеохим.процессов и науч.основы прогнозов", М:Наука, 3-7.

15.Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., 1987. Моделирование геохимических явлений, связанных с саморегуляцией структуры потока гидротерм. Геохимия, № 1, 87-101.

16.Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., 1987. Два типа околорудных аргиллизитов. Геохимия, № 9, 1296-1311.

17.Барсуков ВиктЛ., Борисов М.В., 1987. Формирование "отрицательных ореолов" и рудных тел при автосмешении гидротерм. В сб."Совр.пробл.теор. и прикл. геохимии", Новосиб., Наука, 72-79.

18.Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В....Борисов М.В. и др., 1988. Монография "Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии". М:Недра, 254 с.

19.Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., 1988. Поведение рудных элементов при автосмешении гидротермальных растворов. I. ЭВМ-модель формирования уран-свинцовых рудных жил за счет металлов вмещающих пород. Геохимия, № 10, 1429-1445.

20.Барсуков ВиктЛ., Борисов М.В., 1989а. Поведение рудных элементов при автосмешении гидротермальных растворов. II. Влияние разных факторов на формирование уран-свинцовых рудных жил за счет металлов вмещающих пород. Геохимия, № 1, 6886

21.Борисов М.В., Ходаковский И.Л., 1989. К вопросу о выявлении ошибок при физико-химическом моделировании. Геохимия, № 6, 907-908.

22.Борисов М.В, Барсуков ВиктЛ., 1989. Исследование динамики геохимических процессов последовательными расчетами локальных равновесий. Тез. V Всесоюз. сим-поз. по кинетике и динамике геохим. процессов,Черноголовка, 32-33.

23.Borisov M.V., Barsukov Vict.L., 1989. Production of hydrothermal ore bodies at expense of metals of the county rocks. Third Inter.Symp. on hydrotherm. reaction. Abstracts, M:Nauka, 68

24.Барсуков ВиктЛ., Борисов M.B., 19896. Инверсия кислотности растворов при самоперестройках структуры гидротермальных потоков. В сб. "Физ.-хим. анализ процессов минералообразования (к 90-ю акад. Д.С. Коржинского)", М:Наука, 168-174.

24.Барсуков ВиктЛ., Борисов М.В., 1990. Поведение рудных элементов при автосмешении гидротермальных растворов. III. Перераспределение U и РЬ пород поровой составляющей гидротерм. Геохимия, № 4, 545-557.

25.Borisov M.V., Barsukov Vict.L., 1992. Computer modeis of formation of hydrothermal ore bodies at the expense of metals of the country rocks. Water-Rock Interact. (WRI-7), Balkema, Rotterdam, 1575-1578.

26.Барсуков Викт.Л., Борисов М.В., 1992. Рудообразование при смешении термальных растворов, фильтровавшихся по породам контрастно-различного состава. Геохимия, № 11, 1382-1397.

27.Борисов М.В., Шваров Ю.В., 1992. Термодинамика геохимических процессов. М:МГУ, 254 с.

28.Борисов М.В., Горева Ю.С., 1994. Модели формирования ореолов рудных элементов в ближнем околожильном пространстве свинцово-цинковых месторождений. Руды и металлы, Mal, 30-37.

29.Borisov M.V., Goreva Yu.S., Shvarov Yu.V., 1995. Reconstruction of conditions and mechanisms of ore body and related primary aureole formation for Pb-Zn vein hydrothermal deposits: Thermodynamic and geochemical models. Water-Rock Interac. (WRJ-8), Balkexna, Rotterdam, 717-720.

30.Борисов M.B., Горева Ю.С., 1995. Методика моделирования процессов образования ореолов рудных элементов в ближнем околожильном пространстве Pb-Zn гидротермальных месторождений. Тез. XIII Рос. совещ. по экспер. минералогии, Черноголовка, 133.

31.Борисов М.В., Шваров Ю.В., 1996. Источник рудных компонентов Pb-Zn жильных гидротермальных месторождений. Доклады АН России, т.347, № 5, 667-669.

32.Borisov M.V., Kudryavtsev K.Yu., 1996. Ore elements in Pb-Zn veins and country granites (geochemical data and thermodynamic interpretation). Experiment in Geosciences, v.5, 1,56-57.

33. Борисов M.В., Кудрявцев К.Ю., 19%. Геохимические и термодинамические модели формирования Pb-Zn жильных гидротермальных тел. Тезисы Межд.конф. "Закономерности эволюции Земной коры", Санкт-Петербург, т.2, 46.

34.Shmonov V.M., Lakshtanov D.L., Borisov M.V., 1996. Permeability of wallrocks of the hydrothermal vein Pb-Zn ore mineralization. Experiment in Geosciences, v.5, № 2, 18-20.

35.Борисов M.В., 1997. Закономерности распределения элементов в ближнем околожильном пространстве Pb-Zn гидротермальных месторождений. Геохимия, № 11, 11151127.

36.Борисов М.В., Кудрявцев К.Ю., Лишанская Е.Ю., 1997. Закономерности распределения элементов в околожильном пространстве Pb-Zn гидротермальных месторождений и генетические следствия. Тез.Межд.симпоз. по приклад.геохим.стран СНГ,Москва, 276-277.

37.Борисов М.В., Шваров Ю.В., 1998. Термодинамическая модель мобилизации рудных компонентов при образовании Pb-Zn жильных гидротермальных месторождений. Геохимия, М> 2, 166-183.

38.Борисов М.В., Кудрявцев К.Ю., 1998. Термодинамические модели формирования рудных тел свинцово-цинковых жильных месторождений. ДАН (в печати).

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Борисов, Михаил Васильевич, Москва

л РУко,

ПИСЦ

04.

°0.02

Д*Ссерта,гг

Президиум ВАК России

(ргшзг-ше от " " ^ Г„

присудил ученую степень ДОКТОРА

На^шр^ик управления ВАК России

°СКВа

1998

Оглавление. 2

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Оглавление 2

Введение 4

Глава 1. Введение в проблему 9

Глава 2. Оценка составов гидротермальных растворов 30

2.1. Метод граничных реакций - оценка составов растворов, вызывающих различные метасоматические преобразования пород 32

2.2. Метод отдельных реакторов - два типа околорудных аргиллизитов 39

2.3. Моделирование общих закономерностей формирования химического состава термальных вод в алюмосиликатных породах 56

2.4. Оценка рудоносности гидротермальных растворов 72

2.5. Выводы 77 Часть I. Рудообразование в условиях близких к изотермическим. 79 Глава 3. Рудообразование в фильтрационно-неоднородной, но химически

одинаковой вмещающей среде. 79

3.1. Краткая характеристика месторождения Чаули 79

3.2. Структура модели и граничные условия моделирования 87

3.3. Модели формирования U-Pb рудных жил за счет металлов вмещающих пород 95

3.3.1. Трехритмовая базовая модель условного месторождения 96

3.3.2. Влияние составов исходных растворов на рудообразование 111

3.4. Формирование первичных околожильных ореолов распределения металлов и их структура 131

3.5. Дополнительные следствия моделей самоперестройки потоков гидротермальных растворов (явления общего характера) 146

3.6. Обобщения и выводы 177 Глава 4. Рудообразование при смешении термальных растворов, фильтровавшихся

по породам контрастно-различного химического состава 180

4.1. Описание структуры моделей и граничные условия 183

4.2. Формирование растворов, обладающих различными свойствами 187

4.3. Образование рудных тел при смешении потоков поровых

растворов в секущих нарушениях 193

4.4. Геохимические следствия модели 197

Оглавление. 4.5. выводы

Часть II. Рудообразование в условиях градиента температуры (давления).

203

Глава 5. Закономерности распределения элементов в ближнем околожильном

пространстве Pb-Zn месторождений 207

5.1. Методика полевых исследований и обработка

первичных геохимических данных 207

5.2. Результаты исследования закономерностей распределения элементов 211

5.3. Обсуждение результатов и постановка задач моделирования 220

5.4. Выводы 231 Глава 6. Равновесно-динамическое модели процессов мобилизации рудных компонентов, рудо- и ореолообразования жильных полиметаллических месторождений 233

6.1. Модель мобилизации рудных компонентов 233

6.1.1. Постановка задачи и методика моделирования 233

6.1.2. Результаты термодинамического моделирования 236

6.1.3. Обсуждение результатов 256

6.1.4. Выводы 262

6.2. Модели формирования жильных рудных тел 263

6.2.1. Методика моделирования 263

6.2.2. Результаты термодинамического моделирования 265

6.2.3. Сопоставление результатов моделирования с фактическими данными и их обсуждение 287

6.2.4. Выводы 296

6.3. Модели формирования ореолов 297

6.3.1. Методика и условия моделирования 297

6.3.2. Результаты термодинамического моделирования 303

6.3.3. Обсуждение результатов и сопоставление с фактическими данными 322

6.3.4. Выводы 326

6.4. Общие выводы по главе 6 327 Заключение и защищаемые положения 329 Литература. 334

Введение. 4

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Реконструкция условий и механизмов гидротермального рудооб-разования, физико-химических процессов, происходивших при формировании гидротермальных месторождений, является важнейшей фундаметальной и прикладной проблемой геохимии. Успехи, достигнутые в области термодинамического или, в настоящее время, равновесно-динамического моделирования показывают, что его применение позволяет добиться значительного эффекта при исследовании процессов становления и развития палеогидротермальных рудообразующих систем на всех их интервалах - от областей образования рудоносных растворов до областей рудо- и ореолообразования.

Рудообразующий гидротермальный процесс происходит при обязательном участии двух главных исходных реагентов: гидротермального флюида и пород, окружающих формирующееся месторождение. Результат взаимодействия между ними фиксируется на любом гидротермальном объекте. Чаще всего взаимодействие "вода-порода" рассматривается, как процесс сопровождающий рудообразование, а не как процесс, приводящий к рудообразованию и регулирующий его. Реконструкция условий образования месторождений и исследование роли взаимодействия "вода-порода" в формировании гидротермальных рудных тел, определяет важность и актуальность темы диссертации.

Цель и задачи исследования. Реконструкция механизмов и процессов образования и эволюции рудных тел и сопутствующих ореолов металлов на низко- и среднетемпера-турных гидротермальных жильных месторождениях на основе развития методов геохимических исследований и термодинамического моделирования.

Основные задачи исследования:

1. Разработка методов оценки составов гидротермальных растворов.

2. Исследование рудогенерирующей роли пород, вмещающих месторождение.

3. Разработка методов равновесно-динамического моделирования гидротермальных рудообразующих систем жильных месторождений, учитывающих элементы динамики и эволюцию процессов массопереноса и массообмена.

Введение. 5

Научная новизна.

1. Проведенные исследования явились одними из первых, в которых были заложены основы и получило развитие новое направление геохимии - физико-химическое моделирование процессов гидротермального рудообразования на ЭВМ. В наших работах описаны первые равновесно-динамические модели низко- и среднетемпературных гидротермальных систем.

2. Разработан комплекс методов и методических приемов оценки составов гидротермальных растворов, основанных на применении численных методов физико-химического моделирования. Новыми являются данные о направленном изменении состава гидротермального раствора во времени, полученные при исследовании рудоге-нерирующей роли пород, вмещающих месторождения.

3. Впервые на уровне физико-химического моделирования доказана геохимическая роль гидродинамических барьеров. Такими барьерами являются локальные участки тре-щинно-жильных систем, на которых структура потока гидротерм обеспечивает максимальную интенсивность реакций "раствор-раствор", ведущих к минерало- и рудоот-ложению.

6. Впервые построены обобщенные термодинамические модели рудообразующих гидротермальных систем жильных полиметаллических и урановых месторождений, включающие область мобилизации рудных компонентов и область рудо- и ореолообразования, и показано соответствие результатов моделирования природным аналогам.

Практическое значение.

Построение и анализ количественных равновесно-динамических моделей рудообразующих гидротермальных систем позволит развить физико-химическую теорию гидротермального процесса, выявить причины, условия и механизмы формирования концентрированного и вкрапленного оруденения, что в свою очередь позволит создать новые критерии поиска и оценки рудных месторождений.

Введение. 6

Объекты исследования и фактический материал.

Основными объектами, дом которых построено большинство рассматриваемых в диссертации моделей, являются свинцово-цинковые жильные полиметаллические месторождения и месторождения урана.

Исследования на свинцово-цинковых месторождениях полиметаллической жильной рудной формации (Сев.Осетия - Холст, В.Згид, Архон) автор проводил в течение шести полевых сезонов (1991-1995, 1997 г.), руководя отрядом студентов и аспирантов кафедры геохимии МГУ. В настоящее время имеются данные для 27 детальных разрезов вмещающих пород на нескольких гипсометрических уровнях для восьми рудных тел трех месторождений. Общий объем первичных данных: более 1400 проб (вмещающие породы и жилы), 300 образцов, около 700 шлифов и аншлифов. Вся первичная информация занесена в базу данных (электронные таблицы - Excel).

Месторождения уран-молибденовой рудной формации (Чаули и ему подобные) непосредственным объектом полевых исследований автора не являлись, но тесное многолетнее творческое сотрудничество с Викт.Л.Барсуковым позволило максимально полно использовать при термодинамическом моделировании колоссальный объем первичной геологической и геохимический информации, собранной на этом месторождении.

Структура работы и методы исследования.

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения, списка литературы (246 ссылок). Общий объем диссертации составляет 344 страницы, включая 113 рисунков и 43 таблицы.

Главы 1 и 2 имеют общий для всей диссертации характер - вопросы методологии, термодинамическая основа моделей, методы оценки составов растворов и др.

Далее диссертация делится на две части. В I части - модели формирования месторождений в изотермических условиях или близких к ним (месторождения урана). Во II части - модели рудообразования в термо- и бароградиентных условиях характерных для среднетемпературных месторождений (Pb-Zn месторождения).

Модели рудообразования рассматриваются по мере последовательного усложнения физико-химических условий в изучаемыхрудообразующих системах.

модель образования урановых месторождений в фильтрационно-неоднородной, но химически одинаковой вмещающей среде при постоянных Т и Р (месторождение Чаули и др.);

Введение. 7

Для решения поставленных задач использованы два основных подхода: геохимический и термодинамический.

При работе над диссертацией выполнены сотни тысяч индивидуальных расчетов.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались в более чем 40 сообщениях на отечественных и международных совещаниях и конференциях: Всесоюзное совещание по геохимии гидротермального рудообразования (Москва, 1979); XIV Тихоокеанский научный конгресс (Хабаровск, 1979); Всесоюзное совещание по физико-химическому моделированию в геохимии и петрологии (Иркутск, 1980); Всесоюзное совещание по генетическим моделям эндогенных рудных формаций (Новосибирск, 1981; 1985); XXVII Международный геологический конгресс (Москва, 1984); Всесоюзные симпозиумы по термодинамике в геологии (Суздаль, 1985; Миасс,1988; Новосибирск, 1992); VI Всесоюзное совещание по вулканизму и связанными с ним процессами (Петропавловск-Камчатский, 1985); Всесоюзное совещание по моделированию гидрогеохимических процессов и научным основам гидрогеохимических процессов (Москва, 1985); V Всесоюзный симпозиум по кинетике и динамике геохимических процессов (Черноголовка, 1989); III Международный симпозиум по гидро-

Введение. 8

термальным реакциям (Фрунзе, 1989); VII и VIII Международный симпозиум по взаимодействию вода-порода (Парк Сити, США, 1992; Владивосток, 1995); II Международный симпозиум по термодинамике природных процессов (Новосибирск, 1992); Совещание по количественным моделям рудных месторождений для целей прогноза, поисков и разведки (Москва, 1993); III и IV Объединенный международный симпозиум по проблемам прикладной геохимии (Прага, 1990; Иркутск, 1994); XIII Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995); Международная конференция по закономерностям эволюции Земной коры (Санкт-Петербург, 1996); Международный симпозиум по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997); лекция на семинаре по изотопной геологии и минеральным ресурсам в Швейцарском Федеральном Технологическом институте (Цюрих, Швейцария, 1997).

По материалам диссертации опубликовано более 70 научных работ, из них 36 статей в журналах "Геохимия", "Доклады Академии наук", "Геология рудных месторождений", в 8 различных сборниках, одна монография и учебник.

Работа выполнялась на кафедре геохимии геологического факультета МГУ. Автор считает своим долгом выразить особую благодарность своим учителям: Б.Н.Рыженко, Викг.Л. Барсукову, В.А.Жарикову, И.П.Иванову, И.Л. Ходаковскому за поддержку, внимание и сотрудничество при выполнении настоящей работы на различных её стадиях. Автор глубоко признателен своим друзьям-коллегам Д.В.Гричуку, Ю.В. Шварову, Ю.В.Алехину, А.Ю.Бычкову, В.А.Покровскому, С.А.Воробьеву за многолетнее плодотворное научное сотрудничество и полезное обсуждение проблем геохимии процессов гидротермального рудообразования. Отдельно хочется поблагодарить студентов и аспирантов кафедры геохимии, без участия которых в полевых работах данное исследование было бы невозможно, - Ю.С.Гореву, В.Ю.Липатова, А.В.Аплеталина, Г.В. Тихомирова, А.В.Евстигнеева, Е.Ю.Лишанскую, К.Ю.Кудрявцева, Д.Л.Лакштанова.

В последние годы работа поддерживалась грантами Международного научного фонда (NC8000, NC8300), проекта "Геомодель" программы "Университеты России", Российского фонда фундаментальных исследований (94-05-17301а, 96-05-64887, 96-0564376, 96-15-98338), грантом Федеральной Целевой Программы "Интеграция" (контракт 5.1-199/4), в которых автор являлся руководителем, ответственным исполнителем или исполнителем.

Глава 1. 9

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ.

К настоящему времени накоплен громадный, с каждым годом все более разрастающийся объем физико-химической информации о различных сторонах гидротермального рудообразования - о возможных источниках воды и рудного вещества, о составах растворов при разных температурах и разной их металлогенической специализации, о форме переноса рудных и нерудных компонентов в растворе, о возможных химических реакциях в зонах рудоотложения, о минеральном составе рудных тел и его эволюции во времени и пространстве, о составе вмещающей среды и ее преобразованиях в течение рудного процесса, о физических свойствах этой среды (проницаемости, теплопроводности и т.д.), о температурах и давлениях при рудообразовании и градиентах этих параметров по вертикали и латерали, и о многом другом. Каждая из этих составляющих общего знания о рудообразующих процессах добывается профессионалами узкого профиля, поскольку получение таких данных требует высочайшей квалификации исследователя, длительной специальной подготовки, прецизионной аппаратуры, овладеть которой может далеко не каждый. В настоящее время проблема состоит не столько в получении новых данных, хотя безусловно нужны и они, а в том, как соединить все или большинство этих составляющих воедино. Ясно, что только учитывая всю совокупность этих данных, можно составить современную научно обоснованную картину рудообразующих процессов на реальных типах месторождений или на одном реальном объекте. Задача эта была явно непосильна до тех пор, пока в геологии не появился новый метод исследований - компьютерное моделирование физико-химических равновесий в сложных многокомпонентных гетерогенных системах. Одним из первых опытов (учитывая начало наших работ в 19781979 годах) применения этого метода исследования к познанию генезиса месторождений разных классов и является настоящая работы.

Круг геохимических проблем, на разработку которых направлена настоящая работа.

Основной целью работы является реконструкция механизмов и процессов образования и эволюции рудных тел и сопутствующих ореолов жильных гидротермальных месторождений на основе разв�

Информация о работе

Борисов, Михаил Васильевич
доктора геолого-минералогических наук
Москва, 1998
ВАК 04.00.02

Диссертация

Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы