Лекция 11 Месторождения выветривания

Экзогенные месторождения, разделяющиеся на месторождения выветривания и осадочные, образуются 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 формировании экзогенных месторождений играют коллоидные растворы.

Коллоиды представляют собой растворы с относительно крупными частицами размером от 1 до 100 М(а, (10^-6—10^-4 мм), тогда как размеры частиц истинных, или молекулярно-ионных, растворов менее 1 мл. В коллоидах различают дисперсионную среду (растворитель) и дисперсную фазу (растворенное вещество). Агрегатное состояние дисперсионной среды и дисперсной фазы может быть различным: твердым, жидким и газообразным. Среди коллоидных образований различают золи и гели.

Золи (иначе называемые коллоидные растворы) характеризуются резким преобладанием дисперсионной среды над дисперсной фазой (например, желто-бурые железистые воды). Гели имеют вид студнеобразных и клееподобных масс; дисперсионная среда в них содержится в незначительном количестве, дисперсная же фаза резко преобладает.

В зависимости от природы дисперсионной среды различают гидрозоли и гидрогели (дисперсионная среда — вода), аэрозоли и аэрогели (дисперсионная среда — воздух), пирозоли и кристал-логели (дисперсионная среда — кристаллическое вещество).

Коллоидные частицы имеют определенный электрический заряд. Все частицы одного коллоида имеют одинаковый заряд, вследствие чего они отталкиваются друг от друга и находятся поэтому во взвешенном состоянии в дисперсионной среде.

Если к коллоиду, имеющему положительный заряд, прилить коллоид с отрицательным зарядом, или наоборот, то произойдет осаждение, или коагуляция, коллоида. Коагуляция наиболее полно происходит лишь в том случае, когда суммы положительных и отрицательных зарядов частичек равны.

Осаждение коллоидов из растворов может происходить не только от смешения коллоидов различных зарядов, но и от других причин, например от добавления к коллоидному раствору электролита или молекулярного раствора, повышения температуры вследствие повышения концентрации раствора при испарении растворителя и в результате действия радиоактивных веществ.

В коллоидах проявляются процессы, связанные с поверхностным состоянием вещества. Действию поверхностных сил следует приписать прежде всего явление адсорбции, т. е. поглощение коллоидным веществом из раствора тех веществ, которые уменьшают поверхностную энергию данного коллоида. Кроме того, различают абсорбцию — поглощение вещества всей массой коллоида. Часто оба эти явления обозначают одним объединенным термином — сорбция. Сорбируются ионы противоположного электрического знака. Очень сильно сорбционные явления выражены в марганцевых рудах и глинах.

Гели, выпадающие из коллоидных растворов, с течением времени подвергаются старению, изменяются их состав и строение. Прежде всего они теряют воду (дегидратация). Так, например, из студенистых масс кремнезема возникают стекловатые и микропористые опалы. Последние в результате перекристаллизации переходят в скрытокристаллические агрегаты халцедона или кварца.

Гели, перешедшие в кристаллически-зернистые агрегаты, называются метаколлоидами. Факторы, способствующие перекристаллизации гелей, различны: повышение температуры и давления, сухость климата, время. В виде метаколлоидов наблюдаются многочисленные рудные минералы: гидроокислы и окислы железа, марганца, алюминия; сульфиды — пирит, марказит, сфалерит, халькопирит и др.

В месторождениях выветривания при разложении полевошпатовых пород коллоиды играют существенную роль.

Важнейшими окислами полевошпатовых пород являются: щелочи Na₂0 и К₂О; щелочные земли СаО, Мо;0; полуторные окислы А1₂0₃, Fе₂0₃, Мn₂0₃; кремнезем SiO₂. К наиболее легкорастворимым составным частям породы относятся щелочи (Мg₂0, К₂0) и щелочные земли. Они реагируют с анионом ОН (гидроксил),

получающимся при диссоциации воды, и образуют так называемые свободные основания. Последние представляют собой сильно диссоциированные соединения, которые содержатся в истинных растворах и могут перемещаться на значительные расстояния от места первоначального изменения породы. Реагируя с углекислотой, почти всегда находящейся в поверхностных водах, они образуют карбонаты.

Кремнезем, хотя и относится к труднорастворимым соединениям, однако обладает способностью переходить в коллоидный раствор. При процессах выветривания, происходящих в условиях умеренного климата в средних широтах, кремнезем отлагается на месте разложения породы. При процессах латеритного выветривания, наблюдающихся в условиях жаркого и влажного климата, кремнезем частично выносится, чему способствует щелочной характер растворов (за счет Nа₂0, К₂О, СаО и Мg0).

Наименее подвижны и трудно разлагаются полуторные окислы А1₂0₃, Fе₂0₃ и Мп₂0₃. Они трудно растворимы в воде и почти всегда дают коллоидные растворы. Эти окислы могут оставаться на месте изменяющейся породы и образовывать так называемые остаточные месторождения, которые подразделяются на месторождения коры выветривания и элювиально-делювиальные.

Окислы тяжелых металлов в благоприятных условиях могут уноситься поверхностными водами в подземную циркуляцию; при отложении этих окислов возникают инфильтрацион-ные месторождения.

Месторождения коры выветривания

Кора выветривания — это континентальная геологическая формация, образующаяся в результате физико-химических процессов в определенных геологических условиях. Она представляет собой продукты разложения и выщелачивания коренных горных пород, образующиеся в результате воздействия на них воздуха, поверхностных и подземных вод, а также вследствие деятельности организмов.

Кора выветривания может быть образована как в настоящее время, так и в прошлые геологические эпохи. Формируется она в средних и особенно в тропических широтах при условии жаркого и влажного климата. Кора в районе тропиков носит название л а-теритной. Наибольшее практическое значение (источник разнообразных месторождений полезных ископаемых) имеет древняя кора выветривания .

Кора выветривания может образовываться за счет различных горных пород: изверженных (интрузивных и эффузивных), осадочных и метаморфических. Образованию мощной и значительной по площади распространения коры выветривания способствуют следующие основные условия: 1) наличие обширной ровной поверхности суши, характерной для платформенных областей; 2) теплый и влажный климат в течение достаточно длительного времени. В умеренно холодном, влажном климате гидролиз силикатов затруднен, поэтому при разложении полевых шпатов здесь образуются гидрослюды. В теплом и влажном климате в условиях кислой или нейтральной среды полевые шпаты разлагаются легко и за счет них образуются каолины.

Каолинит остается на месте, а силикат калия переходит в раствор и выносится. Повышенная температура местности способствует активизации процесса выветривания, обусловливая более быстрое разложение минеральных веществ. Высокая влажность местности вызывает также усиленную циркуляцию почвенных вод. Разложение органических остатков в этом климате идет быстро и до конца. Промежуточные продукты распада, дающие гумусовые вещества, здесь не накапливаются вследствие поглощения их почвой под влиянием циркулирующих в ней вод.

Гумусовые кислоты оказывают защитное действие на коллоиды Fе, Мn, А1, поддерживая эти вещества в растворенном состоянии. Наоборот, при отсутствии или недостатке гумусовых кислот эти окислы будут выпадать на месте в виде гелей, обусловливая формирование месторождений коры выветривания.

В коре выветривания образуются следующие устойчивые минералы: группа каолинита, кварц и другие модификации кремнезема, окислы и гидроокислы железа, окислы марганца, гидросиликаты железа, алюминия, магния, глиноземистые гидросиликаты (монтмориллонит, бейделлит, галлуазит) и их железистые аналоги, магниевые гидросиликаты (сепиолит, керолит) и др.

Процессы минералообразования в коре выветривания подробно рассмотрены Н. М. Страховым (1962). Кора выветривания практически образуется только в гумидных зонах земного шара: северной умеренной, южной умеренной и тропической. Эти зоны характеризуются повышенной среднегодовой температурой (от 2—10 и до 25—26°С), обилием выпадающих осадков (600—3000 мм в год и более) и усиленным отпадом растительных веществ (8—10 и до 100—200 т/га).

Энергичнее всего процессы выветривания протекают в условиях жаркого тропического климата. Большую роль играет количество выпадающих осадков, так как чем больше влаги пропитывает кору, тем интенсивнее идет гидролиз силикатов и алюмосиликатов и быстрее выщелачиваются минеральные вещества. Процессы выветривания протекают тем быстрее, чем больше растворено в водах органического вещества, генерирующего углекислоту. Поэтому в тропиках процессы химического выветривания протекают в 20— 40 раз быстрее, чем в областях с умеренным климатом. В тундрах, где среднегодовая температура ниже 0°С, химическое вывет ривание вытесняется физическим и вместо химической коры выветривания образуются каменные россыпи и пучности грунтов.

Древняя кора выветривания могла формироваться в течение длительного геологического времени при различных климатических условиях. Поэтому она имеет неоднородное строение и различный минеральный состав, что указывает на наличие нескольких стадий выветривания.

Рис. 1. Схема образования коры выветривания в умеренном и тропическом поясах Земли. По Н. М. Страхову.

В начальных стадиях процесса вследствие обилия оснований преобладает щелочное выветривание, которое в конечных стадиях сменяется в верхних горизонтах кислым. Стадийность выветривания вызывает зональное строение коры или ее профиль. Профиль коры выветривания вырабатывается постепенно и зависит от состава и строения разрушающихся пород, степени кислотности и состава грунтовых вод, а также продолжительности выветривания и последующих климатических и геологических изменений. Распределение минералов в профиле определяет его зональность.

В области тропических лесов мощность коры выветривания измеряется десятками метров и может достигать 100—120 м; при этом кора имеет зональное строение. Различают пять зон (сверху вниз): зона охр, каолиновая зона, гидрослюдистая зона, зона дресвы, свежая порода (см. рис. 1).

В прошлые геологические эпохи химическое выветривание благодаря повышенному содержанию в атмосфере углекислого газа (В. И. Смирнов). Однако ряд исследователей (К. И. Сатпаев, А. Г. Бетехтин, Ф. И. Вольфсон, В. В. Архангельская и др.) по-прежнему считают эти месторождения гидротермальными.

Важные идеи в области образования эндогенных месторождений были высказаны Г. Л. Поспеловым (1963 г.). Он проанализировал особенности формирования тепловых флюидопроводников и ввел понятие «зона стволового растекания фильтрующейся термоколонны», являющейся наиболее благоприятной для рудообра-зования.

Крупные достижения имеются в теории рудообразоваиия как эндогенных месторождений (Я. Н. Белевцев, М. Н. Годлевский, В. А. Жариков, Д. С. Коржинский, В. Н. Котляр, А. А. Мараку-шев, В. И. Смирнов), так и экзогенных месторождений (Г. И. Бу-шинский, М. Г. Валяшко, Б. М. Гиммельфарб, Г. С. Дзоценидзе, Д. Г. Сапожников, Н. М. Страхов). Особо следует отметить труд коллектива авторов под редакцией акад. В. И. Смирнова «Генезис эндогенных рудных месторождений» (1968) и капитальную работу акад. Н. М. Страхова «Основы теории литогенеза» (1962—1963). Из трудов иностранных ученых следует отметить работы В. Линдгрена (1928), А. М. Бэтмана (1949), Г. Шнейдерхена (1955), Р. Рутье (1963), Р. Л. Бейтса (1965), Ч. Ф. Парка и Р. А. Мак-Дормида (1966), монографию «Рудные месторождения США» (1968) и др.

.

Лекция 12 Вторичная зональность месторождений

В наиболее характерном случае гипергенных преобразований колчеданных залежей зона окисленияразделяется на ряд вертикальных подзон (сверху вниз): бурых железняков; бариовой сыпучки; пиритовой сыпучки. В зависимости от климатических условий в подзоне бурых железняков могут появляться сульфаты, включая ярозит, а в подзоне баритовой сыпучки ─ галогениды. Такое строение соответствует закономерной смене более окисленных и гидратизированных соединений железа (гетита, бурого железняка (лимонита) на сульфатные и ниже сульфидные.

Окисление происходит последовательно с образованием промежуточных форм и продуцированием серной кислоты: сначала разложение сульфида железа до его сульфата:
2FeS₂+7O₂+2H₂O=2Fe₂SO₄+2H₂SO₄,

затем ─ окисление железа:

12FeSO₄ +3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ + 4Fе₂(SО₄)₃,

затем гидролиз сульфата Fe:

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄

и последующая его дегидратация:

4Fe(OH)₃ =2Fe₂O₃-3H₂O + 3H₂O

Гораздо быстрее разлагаются и окисляется моносульфид железа ─ пирротин по сравнению с дисульфидами пиритом и марказитом. Это указывает на меньшую стойкость в зоне гипергенеза сульфида с более рыхлым строением.

При окислении руд, содержащих сульфиды, отмечается более сложная зональность, котораясоответствует закономерной смене сверху вниз окислительных условий на восстановительные и росту рН. Образование закономерно сменяющихся подзон выщелачивания, вторичных, богатых окисных и вторичных богатых сульфидных руд соответствует изменениям окислительно-восстановительных условий и формам нахождения соединений. Сульфиды меди и её закисные соединения, включая самородную медь, также дают труднорастворимые формы в восстановительной среде. В зонах выщелачивания образуются сернокислые растворы. Тут медь выщелачивается, ниже, попадая под нейтрализующее действие грунтовых вод она выпадает в твёрдую фазу в виде вторичных окислов. С глубиной происходит уменьшение содержания кислорода, педение Еh, образовываются вторичные сульфиды и самородная медь. Подобный механизм имеет место и в отношении урана, серебра, золота, свинца, цинка, ваннадия и др. элементов.
Рудные тела подвергаются окисляющему и растворяющему воздействию со стороны агентов выветривания и претерпевают сильные изменения, а в результате образуется зона гипергенеза. Точно такая же как зона гипергенеза, которая образуеся при окислении сульфидных руд на поверхности. Можно еще сказать, что зона гипергенеза включает в себя: зону окисления, зону вторичного сульфидного обогащения плюс все гипергенные изменения, происходящие в кристаллохимических породах. Зона окисления - это верхняя, близкая к поверхности часть сульфидных месторождений или рудных тел, расположенная выше уровня грунтовых вод, т.е. в зоне просачивания. Зона вторичного сульфидного обогащения ─ верхняя часть сульфидных месторождений, расположенная под зоной окисления ниже уровня грунтовых вод.   

Проблема происхождения и образования минералов в зоне гипергенеза рудных месторождений неоднозначна. Первые представления о гипергенных процессах, происходящих на месторождениях рудных полезных ископаемых, принадлежат классической гидрохимической модели формирования окисленных руд. Разрушение первичного и жильного материала руд обычно сопровождается формированием водного раствора, из которого посредством высаждения (кристаллизации), а также в результате ряда химических превращений (гидролиз, окисление и др.) происходит гипергенное минералообразование. Химизм процессов отражался уравнениями разрушения первичных минералов, в которых был соблюден лишь баланс вещества. Согласно этим представлениям, начало развития зоны гипергенеза определяется процессами окисления и растворения (выщелачивания) первичных минералов кислородсодержащими водами. Большое значение имеют факторы, формирующие зону гипергенеза (климат, рельеф, минеральный состав руд и их текстурная характеристика, тектоника района и др.)  В дальнейшем одни авторы стали рассматривать процессы, происходящие в зоне гипергенеза рудных месторождений с точки зрения электрохимической модели, когда на первое место были выдвинуты электрохимические взаимодействия между сульфидами - полупроводниками и растворами ─ электролитами. Механизм формирования минералов зоны гипергенеза в этом случае рассматривается как процесс, протекающий в обстановке “руды под током”, который возникает в рудном теле месторождения в результате работы ─ природных микрогальванических элементов. В этом случае одни первичные минералы играют роль катода, а другие занимают анодное положение. Гипергенные минералы, согласно этим представлениям, рассматриваются как продукт анодных и катодных процессов, концентрирующихся в соответствующих участках разреза и площади рудного тела. Образование каждого минерала описывается свойственными ему электрохимическими характеристиками (плотностью протекающего тока, временем его протекания и др.)

Отработка месторождений полезных ископаемых, ведение на них горнотехнических и технологических работ приводят к активным физико-химическим процессам, в результате которых образуются разнообразные техногенные минералы. Техногенез определяется совокупностью геоморфологических и минералого-геохимических процессов, вызванных производственной деятельностью человека. Наиболее активно техногенные процессы протекают в окисленных рудах зоны гипергенеза. По существу они переоформляют сформированную прежде зону гипергенеза, расширяя ее границы, значительно (в 20 и более раз) углубляя процессы окисления и осуществляя вынос за пределы месторождений техногенных продуктов окисления руд. Техногенные образования на месторождениях представлены мощными (иногда до 50см.) корками, натеками, сталактит-сталагмитовымми образованиями, развитыми на поверхности руд, вмещающих пород, крепи и кровле и стенах горных выработок. Макроскопически среди них выделяются образования белого, желтого, зеленого, голубого и коричневого цветов разных оттенков. Техногенные образования могут быть представлены мономинеральными образцами, но чаще - это полиминеральные соединения. В большинстве своем техногенные минералы рентгеноаморфны, т.к. плохо раскристаллизованы. Среди техногенных минералов на месторождениях данного типа особо отмечаются минералы железа, меди и алюминия.

Минералы железа: питтицит, глоккерит, гизингерит, скородит, фиброферрит, роценит.
Минералы меди: халькантит, познякит, роуволфит, ктенасит, серпиерит, вудвардит, целулеит.
Минералы алюминия: эвансит, аллофаноид, гидраргиллит.

  Техногенные растворы и образования представляют собой “жидкие руды” - попутное поликомпонентное сырье, в котором минералы находятся в технологически оптимальной форме. В последние годы их такой “жидкой руды” на Фестивальном месторождении (Комсомольский рудный район) признано рентабельным промышленное извлечение меди, что, вероятно, возможно и в Приморье.

Некоторые гипергенные минералы могут встречаться в значительных количествах и образовывать месторождения. Как в древности, так и в настоящее время разрабатывают самородную медь и “галмейные руды”, состоящие из минералов смитсонита и каламина. Известно, что в древности, когда химических красок еще не было, художники при написании картин, пользовались природными красками, в том числе и техногенными минералами - белого, желтого, зеленого, голубого, синего и коричневого цветов разных оттенков, о которых говорилось выше. Кроме того, природные минеральные красители использовались в быту и в имеющемся тогда ремесленном поизводстве.
При отработке месторождений, те руды, процентное содержание в которых добываемых элементов ниже, чем необходимо по технологии, складируются в так называемых хвостохранилищах. Здесь складируются порой огромные количества (до сотен тысяч тонн) такой руды, занимающие иногда площади до десятков квадратных метров. Все те процессы, которые происходят с рудами в зоне гипергенеза не прекращаются, а усиливаются в хвостохранилищах благодаря возрастающему механическому воздействию и доступу кислорода и воды.