ГЛАВА 15. МЕСТОРОЖДЕНИЯ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Экзогенные месторождения, разделяющиеся на месторождения выветривания и осадочные, формируются на поверхности Земли или вблизи нее за счет внешней энергии. Источником энергии для их образования служит Солнце, под действием которого на Земле происходят изменение минеральных масс, круговорот воды, движение атмосферы и различные биохимические процессы. Важную роль в происхождении экзогенных месторождений играют также коллоидные растворы.

Процессы выветривания протекают в самой верхней части литосферы (первые сотни метров) при атмосферном давлении и небольших колебаниях температур (от +50 до -50 ºC). В зоне гипергенеза ограничены вариации окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных показателей. В этих условиях породообразующие, а также рудные и акцессорные минералы ведут себя по-разному. По степени устойчивости к разложению выделяют четыре минеральные группы (табл. 15.1).

Минералы первой и второй групп могут образовывать концентрации, в том числе рудные, в элювиальных образованиях. В таких случаях формируются элювиальные россыпи. Для разложения минералов третьей и четвертой групп необходимо глубокое химическое выветривание. В процессе природных реакций, протекающих в коре выветривания, на месте горных пород, не содержащих промышленно ценной минерализации или слабоминерализованных, при определенных физико-химических и геологических условиях могут возникнуть залежи полезных ископаемых. Накопление полезного минерального вещества может происходить двумя путями. Во-первых, вследствие растворения и выноса приповерхностными водами не имеющей ценной минеральной массы горных пород и накопления в остатке вещества полезного ископаемого. Такие месторождения называются остаточными. Во-вторых, определенные ценные составляющие горных пород могут растворяться этими водами и переотлагаться в нижней части разреза коры выветривания. Такие месторождения называются инфильтрационными. Таким образом, группа месторождений выветривания разделяется на два класса: остаточный и инфильтрационный.

По условиям образования и форме А. И. Гинзбург (1947) выделил три разновидности кор выветривания: 1) площадная; 2) линейная; 3) приконтактовая.

Месторождения выветривания могут быть неизмененными, а также переотложенными и преобразованными.

Формирование месторождений выветривания обусловлено перегруппировкой минеральной массы глубинных горных пород, химически неустойчивых в термодинамических условиях в приповерхностных частях земной коры. Нижнюю границу коры выветривания, по мнению В. И. Вернадского, образует кислородная поверхность, которая близка к уровню грунтовых вод и обычно располагается на глубине 60–100 м, реже до 200 м и более.

Основными агентами преобразования горных пород в коре выветривания являются: вода, кислород, углекислота, различные кислоты, организмы, колебания температуры.

Вода представляется наиболее действенным агентом выветривания. Действие ее определяют: 1) растворение, перенос и отложение природных химических соединений в коре выветривания; 2) растворение твердых, жидких и газовых агрессоров (кислород, углекислота, кислоты и др.); 3) разложение породообразующих минералов материнской породы при гидратации и гидролизе; 4) регулирование физико-химической обстановки процессов преобразования горных пород, обусловленных вариациями ее кислотности – щелочности (pH), окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и химического состава растворенных в ней веществ.

По данным А. И. Гинзбурга все процессы химического выветривания пород сводятся к четырем основным: 1) окислению; 2) гидратации; 3) выносу катионов (Na˙, K˙, Mg˙˙ и др.); 3) накоплению в осадке SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO.

В остаточных продуктах химического выветривания в зависимости от климатических условий могут присутствовать либо водные силикаты глинозема из группы каолинита состава Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, либо глинозем в свободном состоянии в виде гидратов оксида: моногидрата Al₂O₃·H₂O – бёмита и диаспора; тригидрата Al₂O₃·3H₂O – гиббсита или гидраргиллита. В зависимости от того, в какой форме накапливается Al₂O₃ – в виде гидросиликата или в форме гидроксидов, различают глинистое выветривание в первом случае и латеритное во втором случае.

Глинистое выветривание происходит в условиях умеренного климата и обуславливает формирование месторождений остаточных глин, состоящих из смеси гелей и кристаллических водных алюмосиликатов (каолинит, монтмориллонит, бейделит, аллофан и др.) с примесью трудно разлагающихся минералов (кварц, рутил, циркон и др.).

В условиях тропического климата происходит латеритное и коалиновое выветривание.

В обстановке пологого (слабо расчлененного) рельефа, при распаде силикатов образуются свободные Al₂O₃, Fe₂O₃ и SiO₂ в виде золей. Возникающие при распаде силикатов соединения щелочей и щелочных земель не уносятся водами с арены выветривания. Они создают щелочную реакцию раствора, препятствующую коагуляции золя SiO₂. В результате золи Al₂O₃·mH₂O и Fe₂O₃·pH₂O сразу же коагулируют и остаются на месте, а золь кремнекислоты большей частью уносится щелочными растворами вниз разреза и отлагается в более глубоких горизонтах. Таким образом, на поверхности происходит накопление оксидов алюминия и железа и образование латерита.

В условиях латеритного выветривания формируется определенный латеритный профиль (рис. 15.2). В области тропических лесов различают пять зон (сверху вниз): 1) зона охр; каолиновая зона; 3) гидрослюдистая зона; 4) зона дресвы; 5) свежая порода.

На кислых, богатых глиноземом породах формируются преимущественно глиноземистые латериты. На ультраосновных породах, богатых железом и бедных алюминием, возникают железистые латериты.

В условиях расчлененного рельефа выветривание в тропическом климате протекает несколько иначе и называется каолиновым выветриванием. Щелочные земли уносятся в растворе проточными водами. Вместо Al₂O₃ происходит накопление SiO₂. Так как поверхностные воды содержат в растворе много гуматов, то под их защитным действием золи железа не коагулируют, а выносятся с арены выветривания. В результате остается смесь гелей двух оксидов – Al₂O₃ и SiO₂, что ведет к образованию каолинита – Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O и формированию залежи каолина.

По запасам высококачественных бокситов первое место в мире занимает Гвинея. Наиболее крупным является месторождение Боке. Оно расположено в 130 км от побережья Атлантического океана. Бокситовые залежи месторождения приурочены к холмистым возвышенностям (бовалям), окаймленным долинами рек, их которых наиболее крупной является река Когон. Бокситовые латериты образовались в результате выветривания силурийских граптолитовых сланцев в палеоген-неогене в условиях слабо расчлененной пенепленезированной равнины. Мощность латеритной коры выветривания составляет 5–15 м. Залежи бокситов выходят на земную поверхность (рис. 15.3). Основными рудообразующими минералами бокситовых залежей являются гиббсит и гематит с примесью в верхней части разреза бёмита (до 10 %), каолинита (2–3 %) и титановых минералов. В целом в рудах содержание Al₂O₃ колеблется от 3,5,7 до 62,9 % (чаще от 45 до 50 %), содержание Fe₂O₃·от 8 до 38 % (в среднем 16–22 %), SiO₂ от 0,7 до 3–4 % (в среднем 2 %), TiO₂ от 0,7 до 3,7 %. В небольших количествах присутствуют Mn, Ni, Co, V, Cr, Mo, Cu, Pb, Sn, Be.

Месторождения каолинов. В СНГ крупнейшие остаточные месторождения каолинов находятся в Украине и приурочены к коре выветривания допалеозойских кристаллических пород. Главная масса их связана с продуктами разложения кислых и отчасти щелочных пород: гранитов, сиенитов, гранито-гнейсов и пегматитов. Наиболее крупными являются Глуховецкое и Просяновское. В Беларуси с каолиновой корой выветривания в пределах Микашевичско-Житковичского выступа кристаллического фундамента связаны месторождения первичных каолинов Ситница, Дедовка, Березина и Люденевичи. Каолины светло-серые, белые, жирные, слабо хлоритизированные, слюдистые с примесью зерен кварца и полевых шпатов. Состоят из каолинита с примесью гидрослюд и монтмориллонита.
15.3. Инфильтрационные месторождения

К ним относятся такие месторождения выветривания, ценное вещество которых выщелочено из одних пород, перенесено грунтовыми водами и отложено в других породах, расположенных по соседству. Таким путем образуются инфильтрационные месторождения железа, марганца, ванадия, урана, фосфатов, гипса, боратов, магнезита и др. В образовании этих месторождений определяющее значение имеют геохимические барьеры, представляющие собой участки резкой смены условий миграции. Среди геохимических барьеров различают механические и физико-химические, обусловленные резким изменением химической обстановки, особенно щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий.

Месторождения россыпей формируются вследствие концентрации ценных минералов среди обломочных отложений, возникающих в процессе разрушения и переотложения вещества горных пород и месторождений полезных ископаемых. Образование их связано с физическим и химическим выветриванием как коренных пород, так и полезных ископаемых.

Экономическое значение россыпных месторождений весьма значительное, что обусловлено рядом причин: малыми затратами при отработке поверхностных рыхлых образований с применением высокоэффективных способов добычи и обогащения (драги, сепараторы и пр.); присутствием весьма ценных полезных компонентов (алмазы, платина, золото и др.); часто встречающимся комплексом полезных компонентов (циркон-рутил-ильменитовые, алмазоносные, золотые и др.); наличием месторождений с возобновляемыми запасами сырья (косовые аллювиальные и некоторые прибрежно-морские россыпи); быстрой оборачиваемостью вложенных в разработку месторождений средств. Освоение россыпей дает примерно половину мировой добычи алмазов, ильменита, вольфрамита, шеелита, касситерита; около 20 – 30 % золота, платины и значительный процент ряда других полезных компонентов.

Месторождения россыпей обычно встречаются группами, объединяемыми в россыпные поля и районы. В последних встречаются коренные источники россыпей – рудопроявления и месторождения первичных руд. В таких случаях выделяют рудно-россыпные районы. В этой связи россыпи имеют важное прогнозно-поисковое значение.
16.2. Типы россыпей

В настоящее время существует несколько классификаций россыпных месторождений (В. И. Старостин, П. А. Игнатов, 2004). В генетическом отношении наиболее приемлема та классификация, которая основывается на определении генетических типов отложений, с которыми связаны россыпи.

В. И. Смирнов (1969, 1989) в группе россыпных месторождений выделял следующие классы: 1) элювиальный; 2) делювиальный; 3) пролювиальный; 4) аллювиальный, разделяющийся на подклассы – косовой, русловой, долинный, дельтовый, террасовый; 5) латеральный, разделяющийся на прибрежно-озерный, прибрежно-морской и прибрежно-океанический; 6) гляциальный, разделяющийся на моренный и флювиогляциальный подклассы; 7) эоловый или дюнный.

Элювиальные россыпи возникают на месте разрушения коренных источников. При смещении выветрелого или дезинтегрированного материала по склону формируются делювиальные россыпи. Накопление обломочного материала у подножия склонов может привести к образованию пролювиальных россыпей. Они встречаются в предгорных аридных областях и приурочены к отложениям конусов выноса и блуждающих русел временных водных потоков. Среди данных образований выделяют собственно пролювиальные и аллювиально-пролювиальные, сформированные при воздействии более длительных водотоков, нежели первые. В верховьях долин часто встречаются ложковые россыпи, которые образованы слабо переработанным водными потоками солифлюкционным и делювиальным материалом.

Среди всех известных классов важное экономическое значение имеют прибрежно-морские и аллювиальные россыпи.

Среди прибрежно-морских россыпей выделяются следующие разновидности: пляжевые, баровые, косовые, береговых валов, лагун, дельт и подводного склона. По отношению к урезу воды различают россыпи, находчщиеся над уровнем моря и подводные.

Данный тип россыпей связан чаще всего с реками, дренирующими гредне- и низкогорный рельеф. Высокогорные и равнинные области не содержат промышленных россыпей. Данное обстоятельство объяснимо с точки зрения того, что этим областям присущи водные потоки с равномерными скоростями, не способствующими выпадению зёрен минералов из водных масс. В высокогорье большая скорость воды препятствует аккумуляции, а на равнинных территориях источники сноса удалены и перекрыты наносами, а также – рассеяны, измельчены и переотложены, глубоко захоронены в аллювиальных толщах.

Среди аллювиальных россыпей выделяются россыпи насыщения и рассеяния. Первые – россыпи долин низких и средних порядков, приближенные к коренным источникам. Для них характерны каньоновидные и корытообразные сечения долин, малая примесь илисто-глинистых фракций, высокие содержания крупного золота, выдержанность оруденения. Россыпи рассеяния образованы в условиях преобладания выноса компонента над его привносом связаны с расширяющимися долинами. Размещение россыпных месторождений имеет закономерный характер (рис. 16.1).

В разрезах россыпей выделяют снизу вверх такие элементы:

1) плотик, – коренные породы, подстилающие промышленные пески;

2) пласт или пески, являющиеся собственно металлоносными;

3) торфа, представленные пустыми песчаными отложениями;

4) почвенный слой (рис. 16.2).

В случае наличия в составе аллювиального разреза двух и более металлоносных пластов, осадки, подстилающие верхний пласт именуют ложным плотиком. Важным показателем продуктивности русловых россыпей является строение плотика. Чем сложнее оно, тем контрастнее будет распределение полезных компонентов.

Минералы россыпей приурочиваются к нижним частям аллювиальных отложений, к стержневым осадкам русел. Аллювиальные россыпи формируют лентовидные и линзообразные тела, вытянутые вдоль речной долины.

По времени образования различают россыпи древние, сформировавшиеся в прошлые геологические эпохи и современные (голоценовые). По условиям залегания они могут быть погребенными и открытыми. По форме залежей среди россыпных месторождений выделяются плащеобразные, пластовые, линзовидные, лентообразные, шнурковые, гнездовые.

Важнейшими характеристиками россыпей являются их размеры, минеральный состав, содержание полезных компонентов, крупность обломочного материала и количество илистых частиц, которые определяют их промывистость. Последнее характеризует способность отделять минеральные зерна от глины в водном потоке. Если количество примеси глинисто-алевритового материала более 10 %, то значительное количество полезных компонентов уходит в отвалы за счет формирования агрегатов, устойчивых к воздействию водных потоков.
16.3 Геологические условия образования россыпей

Большой вклад в изучение россыпей и условий их образования внесли советские ученые Ю. А. Билибин, М. А. Великанов, А. А. Кухаренко, А. П. Лисицин, Е. В. Шанцер, Н. А. Шило, Е. А. Величко и др., а среди зарубежных – Х. Г. Рединг, М. Р. Лидер, Дж. Д. Коллинсон, Ф. А. Ален и др.

Механизм формирования россыпей сводится к сортировке обломочного материала по крупности, плотности, форме частиц, и химической устойчивости в процессе транспортировки. Все россыпные месторождения образуются под влиянием силы тяжести в связи с деятельностью поверхностных вод. Как отмечают В. И. Старостин и П. А. Игнатов (2004) механизм концентрирования россыпеобразующих минералов в воздушных, речных и бассейновых (озерных, морских, океанических) потоках вплоть до настоящего времени во многом неясен. Единой модели для всех гидро- и аэродинамических условий не существует. Тем не менее, практически все исследователи, изучавшие россыпи, едины во мнении, что для их образования необходимо сочетание ряда факторов:

1. 
   присутствие в области питания россыпеобразующих минералов;
   
2. 
   предварительная концентрация этих минералов;
   
3. 
   интенсивное разрушение источников и глубокий эрозионный срез в областях денудации;
   
4. 
   тектонически устойчивые разнонаправленные движения крупных блоков земной коры;
   
5. 
   присутствие долгоживущих динамических ловушек полезных минералов.
   

Россыпеобразующие минералы это, как правило, абразивно и химически стойкие высокоплотные минералы. Они концентрируются в тяжелой фракции отложений терригенного происхождения. По плотности ценные минералы образуют следующий ряд: золото – 15–19, платина – 14–19, касситерит – 6,8–7,1, гранаты – 3,5–4,2, алмаз – 3,5 (г/см³).

Возможности формирования россыпей тех или иных минералов зависят от их физических свойств – твердости, способности к истиранию, спайности, хрупкости, смачиваемости, гидродинамических характеристик. Так, киноварь и вольфрамит обладая совершенной спайностью подвержены истиранию и разрушению. Вязкость янтаря и его низкий удельный вес, обусловливающий способность к всплыванию приводят к его высокой подвижности и сохранности в потоках рассеяния. Мягкость и большой удельный вес пластинчатого золота не препятствует его переносу на большие расстояния. Гидравлические и физические параметры россыпеобразующих минералов определяют дальность их переноса. Так, в водной среде, предельные расстояния переноса для танталита – 5 км, для пирохлора – 1,5, касситерита 3–6, золота–8 – 10, платины – 4–8, нефрита – до 200 км, алмаза – десятки – первые сотни километров, сотни километров для рутила, ильменита, монацита и циркона. Хорошая транспортабельная способность в потоках рассеяния проявляется у алмаза, который, обладая высокой твердостью и химической стойкостью, а также – гидрофобностью способен к длительному переносу. Так, известны случаи его переноса от кимберлитовой трубки Мир в Республике Саха-Якутия на расстояние до 700 км. В состоянии взвеси переносятся алмазы до 0,5 мм диаметром, в донных наносах – до 12 мм.

Источниками россыпей служат: магматические породы, обогащенные акцессорными минералами,например редкометальные граниты; эндогенные рудопроявления и месторождения (коренные); древние осадочные породы, обогащенные полезными компонентами; древние россыпи (промежуточные коллекторы).

Интенсивное разрушение коренных источников россыпей взаимосвязано с предшествующими эпохами выветривания и перерывов в осадконакоплении. Разрушение коры выветривания создает предпосылки для первичного обогащения россыпей полезными компонентами.

Прибрежно-морские россыпи формируются при наличии следующих предпосылок:

1. 
   наличие продуктивных источников обломочного материала в виде дельт или ледниковых отложений;
   
2. 
   присутствие в береговой зоне магматических и метаморфических пород, обогащенных россыпеобразующими минералами;
   
3. 
   формирование интенсивных вдольбереговых потоков в прибрежной зоне шельфа;
   
4. 
   предшествующие современным интенсивные эпохи формирования россыпей и вторичных коллекторов;
   
5. 
   оптимальный ход конседиментационных движений, который обусловливает длительный активный лито- и гидродинамический режим прибрежно-морской полосы.
   

В процессе формирования прибрежно-морских россыпей исключительное значение принадлежит грануло-минералогической сепарации, то есть механической дифференциации частиц водным потоком по гранулометрическому составу, плотности и минеральному составу. Следует отметить, что в исходных породах береговой зоны первичное содержание рудных минералов обычно составляет доли процента (это акцессории), а в сформировавшихся россыпях концентрации тяжелых минералов достигают до 80 % от общего объема промышленных песков. Следовательно, для образования россыпей должно быть переработано соответственно по отношению к объему в десятки и даже сотни раз большее количество наносов.

Процессы формирования прибрежно-морских россыпей наиболее интенсивно проявились вдоль побережья Австралийского континента. В настоящее время Австралия является абсолютным лидером в мире по освоению прибрежных морских россыпей.

В Беларуси титано-циркониевые россыпи формировались в палеогене на площадях, сопряженных с Микашевичско-Житковичским выступом кристаллического фундамента и на северном склоне Украинского щита (Д. Г. Чуйко, 2002).