Метасоматические процессы, их значение

Метасоматические процессы, их значение

Термин «метасоматоз» происходит от греческих слов «мета» - «после» и «сома» - «тело». То есть при метасоматозе формируются тела новых пород другого химического состава, образованных после замещения исходных пород.

Дальнейшее уточнение представления о метасоматозе связано с работами В. Линдгрена, который в 1933 г. определил метасоматоз как «процесс практически одновременного капиллярного растворения и отложения, с помощью которого новый минерал, имеющий частично или полностью иной химический состав, может расти в теле исходного минерала или минерального агрегата».

В. Линдгреном еще в 1912 г. и с уточнением в 1925 г. было сформулировано «правило Линдгрена», заключающееся в том, что «объем замещающего минерала при метасоматизме существенно равен объему замещаемого».

Сделанное уточнение касалось учета возникающего при метасоматозе обычного увеличения пористости породы, которая не нарушает общего объема замещаемой породы.

Современное представление о метасоматозе неразрывно связано с трудами крупнейшего специалиста в этой области академика Д.С. Коржинского и его учеников. В ранних работах (1936 – 1951 гг.) Д.С. Коржинского под метасоматозом предлагал понимать «всякое замещение горной породы с изменением химического состава, происходящее как в экзогенных, так и в эндогенных условиях, при котором растворение старых минералов и отложения новых минералов происходит почти одновременно, так что в течение процесса замещаемые горные породы все время сохраняют твердое состояние». Однако позже Д.С. Коржинский изменил представление об отнесении к метасоматическим процессам явлений, связанных с экзогенными преобразованиями пород, происходящими в совершенно иных физико-химических условиях. Ныне к метасоматическим принято относить только процессы, происходящие в твердых породах в эндогенных условиях.

Нужно также привести уточняющее вышеприведенное представление Д.С. Коржинского дополнение Н.И. Наковника, одновременно проводившего изучение метасоматических процессов. Н.И. Наковник еще в 1949 г. писал, что «при метасоматозе процесс замещения совершается не только через капилляры и реакционные пленочные растворы, но и сквозь кристаллическую решетку, легко проницаемую для многих ионов».

Поскольку метасоматические явления связаны с кардинальным изменением химического состава пород, происходящим вследствие интенсивного перемещения слагающих их химических элементов, встает вопрос о возможных способах такого перемещения вещества в твердых породах, находящихся в недрах Земли.

В природе существует общее закономерное явление, называемое диффузией, заключающееся в перемещении вещества в процессе выравнивания содержаний присутствующих в нем различных химических компонентов. Диффузия в основном связана с тепловым движением молекул.

Однако если диффузия в газах протекает весьма быстро, в жидкостях – тоже достаточно быстро, то в твердых телах скорость диффузионного перемещения компонентов происходит очень медленно.

Так Г.Б. Наумов [15], опираясь на экспериментальные данные, указывает, что для диффузионного перемещения вещества в твердых телах на расстояние всего в 1 м требуется порядка 10⁷ лет.

По другим материалам со ссылкой на Ягича приводятся данные, что при температуре +500 ˚С за 10⁸ лет перемещение вещества произойдет всего на 1,8 см.

При этом к природным диффузионным метасоматическим процессам также следует относить процесс, при котором перенос компонентов осуществляется диффузией, происходящей в неподвижных поровых растворах, которые находятся в горных породах в разрозненных не связанных между собой порах.

Эти данные все равно практически исключают возможность диффузионного переноса значимых количеств веществ в твердых породах на значительные расстояния даже в геологическом масштабе времени.

Поэтому для объяснения огромных масштабов распространения наблюдаемых в природе продуктов метасоматических в том числе и рудообразующих процессов Д.С. Коржинским был детально разработан механизм инфильтрационного перемещения вещества при метасоматозе.

Это не значит, что явление диффузии не принимает участие в метасоматических процессах. Наоборот, диффузия проявляется всегда, но в общем масштабе переноса вещества при метасоматозе играет резко подчиненную роль.

Лишь при рассмотрении особого вида метасоматического процесса, который интенсивно проявляется на контактах пород, резко различающихся по химическому составу, чаще это породы карбонатного и силикатного составов, Д.С. Коржинский выделил комплексную форму инфильтрационного и диффузионного перемещения вещества, названного им «биметасоматозом».

О большом значении метасоматических процессов в формировании твердых пород недр Земли свидетельствует та особо важная роль, которую они играют в двух определяющих направлениях минералого-геохимической части геологической науки в целом, в ее теоретических основах и в практическом использовании.

Как указал наш великий ученый Д.И. Менделеев, у любой «настоящей» науки есть две неразрывные конечные цели, которые определяют ее успешное развитие и значение.

Этими целями являются «познание и польза». Под «познанием» Д.И. Менделеев имел в виду развитие теоретических основ науки, которое бывает успешным только при своей направленности на достижение второй цели науки – «пользы», т.е. на получение практических результатов, основывающихся на открытых новых теоретических научных выводах.

Второй – практической целью – «пользой» всей геологической науки, в связи с которой она и возникла на заре человеческой истории в бронзовый век, является выявление и использование полезных ископаемых, на которых базируется само существование современного человеческого общества.

В связи с рассматриваемым нами предметом, изучающим эндогенные метасоматические процессы, протекающие в твердых породах земной коры, мы не будем касаться эндогенных собственно-магматических процессов, обусловленных внедрением жидких магматических расплавов, их кристаллизацией, приводящей к образованию непосредственно связанных с ними месторождений.

Сказанное нуждается в одном дополнении. Д.С. Коржинский и его последователи относили образование некоторых метасоматитов, связанных непосредственно с внедрением интрузий и залегающих в их контактах, к «магматической (прогрессивной) стадии» (фениты, магнезиальные скарны).

На самом деле при этом имеются в виду процессы, связанные с флюидами, выделяющимися не из магматического очага, а из еще жидкой кристаллизующейся магмы на фронте магматического замещения ею вмещающих пород.

Образование промышленных концентраций отдельных химических элементов и минералов, обеспечивающих экономическую выгодность их получения из недр, т.е. представляющих собой месторождения полезных ископаемых, возможно двумя способами.

Первый способ связан с формированием промышленно ценных минеральных агрегатов путем выполнения пространства образующихся в твердых породах разномасштабных тектонических трещин и залегающих в них в виде систем рудных жил и прожилков. Такие жильно-прожилковые выполнения трещин характеризуются присутствием сравнительно крупнокристаллических выделений минералов, в том числе промышленно ценных минералов, образующих богатые руды.

Однако мощности и протяженность таких богатых трещинно-жильных рудных образований, которые присутствуют далеко не во всех типах послемагматических эндогенных гидротермальных месторождений, обычно не велики, и, соответственно, доля связанных с ними запасов ценных компонентов часто не является на таких месторождениях основной.

Размеры месторождений с такими богатыми жильными рудами обычно небольшие, кроме того, они характеризуются четкими благоприятными для отработки границами рудных тел, и поэтому многие из таких месторождений уже полностью выработаны.

Второй более широко распространенный способ образования в твердых горных породах земных недр достаточно высоких концентраций ценных компонентов – формирования в них промышленных рудных тел на большинстве крупных послемагматических месторождений связан с метасоматическими процессами, рассматриваемыми в данном курсе.

Метасоматические процессы и часто образуемые ими относительно бедные вкрапленные руды обычно сопровождают вышеописанные жильно-прожилковые богатые руды, залегая в их боковых частях, или они образуют самостоятельные чаще весьма крупные метасоматические рудные тела, которые приобретают все более важное промышленное значение.

Появившиеся технические возможности проведения массовой крупнообъемной отработки и эффективной переработки таких бедных метасоматических руд делают эти руды высокорентабельными. Крупные масштабы метасоматических месторождений и большие объемы их отработки сейчас определяют как основную сырьевую базу, так и главные объемы добычи ряда важнейших видов сырья. Сами названия типов таких месторождений, используемые в современных генетических классификациях, показывают значение соответствующих метасоматитов, с которыми связаны эти месторождения: скарновые, во вторичных кварцитах, грейзеновые, в березитах-лиственитах, в альбититах, в гидротермальных аргиллизитах и др.

К сожалению, глубокого однозначного теоретического понимания механизма проявления важных, но очень сложных метасоматических процессов, определяющих формирование большой группы весьма разных существенных преобразований химического состава пород и образования метасоматитов и метасоматических руд, пока не достигнуто.

Недостаточной остается оценка возрастающей роли и практического значения метасоматических процессов для образования подавляющей части рудных тел многих современных отрабатываемых месторождений и, в еще большей степени, перспективных для будущей отработки крупных метасоматических месторождений полезных ископаемых.

В связи с совершенствованием аналитических методов также возрастает роль изучения аномальных ореолов, представленных определенными метасоматическими породами, которые сопровождают оруденение соответствующих типов, и имеющих важное поисковое значение. Значение метасоматитов возрастает в связи с тем, что в настоящее время возникла необходимость отработки крупных месторождений с относительно бедными рудами, которые имеют существенно метасоматическое происхождение. Именно с такими крупными метасоматическими месторождениями связаны существующие основные запасы меди, молибдена, золота и большинства других видов металлических и неметаллических полезных ископаемых.

Таким образом, в соответствии с имеющимися современными представлениями об образовании метасоматитов, сформированными в основном трудами Д.С. Коржинского и его последователей, можно четко выделить метасоматические процессы и определить понятия «метасоматоз» и «метасоматиты», но также и перечислить те процессы, которые не относятся к метасоматическим. Такими, не относящимися к метасоматическим, являются:

Процессы, приводящие к расплавлению пород, связанные с внедрением и кристаллизацией образованной магмы.

1. 
   Процессы выполнения образованных в породах трещин с последующей кристаллизацией в них новых минералов.
   
2. 
   Процессы, приводящие к растворению минералов твердых пород с образованием пустот и их последующего заполнения новыми минералами.
   
3. 
   Процессы замещения одних минералов твердых пород другими, сопровождающиеся изменением содержаний только двух наиболее подвижных компонентов – Н₂О и СО₂. Такое преобразование пород относится к метаморфизму.
   

Часто наблюдаются находки ископаемых ранее бывшими живыми организмами или чаще остатками растительности, полностью замещенными кремнистым, реже пирит-марказитовым или другим веществом. То, что это полное замещение происходило при постоянном нахождении, в частности, например, древесины, в твердом виде при ее очевидном попадании в водную среду, насыщенную в данных случаях кремнеземом или сульфидной серой, свидетельствует сохранность при метасоматическом замещении внутренних годичных колец древесины, следов ранее присутствовавших сучков и других форм строения исходного вещества.

Приведем интересный, хотя и драматический исторический факт, связанный с метасоматическим преобразованием человеческого тела, описанный в книге немецкого горняка Карла Бакса «Богатство земных недр. История горного дела», 1986 г. В этой книге со ссылкой на изданное в 1811 г. директором гимназии в городе Карлеруэ Иоханном Петером Хабелем повествовании о трудностях горняцкого труда приводится следующая реальная история. Приведем ее почти полностью. «Добрых 50 лет назад или более того в известном местечке Фалун (это известное до сих пор медноколчеданное месторождение) молодой рудокоп поцеловал свою юную красавицу-невесту и сказал ей: «В день Святой Лючии пастор благословит нашу любовь, и мы станем мужем и женой». И хотя на другое утро, проходя мимо невестиного дома в черной горняцкой одежде, рудокоп стукнул еще раз в ее окошко и пожелал доброго утра, доброго вечера ему так и не довелось сказать. Юноша не вернулся из рудника, и напрасно тем утром обшивала она для суженого черный галстук красным кантом, готовя его к свадьбе. И так как он не возвратился вообще, она стала оплакивать его и никогда его не забывала. Когда же в 1809 г. (через 50 лет) фалунские рудокопы прорывали проход между двумя шахтами, то на глубине в добрых триста локтей они извлекли из-под обломков породы тело юноши, полностью пропитанное железным купоросом, но не тронутое ни тлением, ни временем. Черты его лица и возраст можно было распознать, словно он умер всего час назад или же слегка вздремнул за работой. И не нашлось уже никого, кто бы знал спящего юношу, либо слыхал о случившемся несчастье. Когда тело подняли наверх, пришли люди и бывшая невеста того рудокопа, который однажды ушел на смену да так и не вернулся. Седая и скрюченная она приблизилась, опираясь на клюку, и узнала своего жениха. Больше в радостном восторге, нежели скорбя, склонилась она к мертвому возлюбленному и, лишь оправившись от сильного душевного волнения, произнесла: «То жених мой, о ком я горевала более 50 лет и с которым бог дозволил мне еще раз свидеться перед моей смертью». Печаль и горе охватили сердца присутствующих. Они смотрели на бывшую невесту, чей облик являл собой увяданье и бессильную старость, и на жениха в его сохранившейся юношеской красоте, и на то, как спустя столько лет в ее груди вновь пробудилось пламя молодой любви… Затем она, единственная, кто остался из его близких, велела рудокопам отнести его в свою комнату, пока на кладбище готовили могилу. Когда могилу вырыли и рудокопы пришли за ее суженым, она повязала ему на шею черного шелка галстук с красным свадебным кантом и проводила его, облачившись в воскресное свое платье, словно это был день их свадьбы, а вовсе не день его погребения.

Весть о засыпанном фалунском рудокопе, тело которого благодаря купоросной воде пролежало нетленным более 50 лет, взбудоражила тогда весь мир».

Так было написано в 1811 году. Понятно, что тело рудокопа сохранилось «нетленным» благодаря тому, что, попав в агрессивную среду рудничных сернистых вод колчеданного месторождения («купоросных вод», купорос – FeSO₄), оно не изменило своих форм благодаря тому, что было полностью метасоматически замещено серным колчеданом – пиритом с сохранением узнаваемых черт лица, и поэтому могло быть по-человечески захоронено.