Определение метасоматоза. Общие сведения о метасоматических процессах

Определение метасоматоза. Общие сведения о метасоматических процессах

Далее в самом общем виде нами будут изложены основывающиеся на теории Д.С. Коржинского современные представления о развитии метасоматических процессов.

Горные породы и руды представляют собой агрегаты минералов, которые имеют, как правило, кристаллическое строение. Кристаллическое вещество минералов характеризуется определенным составом входящих в них химических элементов (их ионов) и соответствующим строением своей кристаллической решетки.

Само понятие «решетка», например, решетка из железных прутьев, отличается от сплошного вещества, например, листа железа, обязательным наличием в решетке отверстий.

Также и кристаллические решетки минералов состоят из конкретных валентно-связанных между собой ионов и промежутков между ними, определяющих соответствующие известные параметры кристаллических решеток этих минералов.

Расчет параметров кристаллических решеток минералов проводится в основном по данным рентгено-структурного анализа.

Хотя в идеальных кристаллических решетках расстояния между ионами являются постоянными, но в реальных решетках минералов обычно присутствуют образующиеся при кристаллизации нарушения этих расстояний, создающие дефекты решеток кристаллов. Эти дефекты заключаются в том, что между отдельными ионами находятся более крупные промежутки в виде присутствующих «дырок» - пор. Кроме этого очень важным для метасоматического перемещения вещества является тот факт, что в твердых породах земных недр, в слагаемых их минеральных агрегатах, подверженных деформациям, всегда присутствуют разные по размерам трещины, которые определяют постоянную тектоническую нарушенность этих пород. В том числе постоянно присутствуют микротрещины, которые особенно характерны для контактов зерен отдельных минералов, отличающихся по своим физическим свойствам, т.е. для межзерновых пространств таких минералов.

Разумеется, присутствующие в твердых породах между- и внутри зерен слагающих их минералов различные «свободные» пространства – разные, в том числе тонкие трещины и поры не являются пустыми, а заполнены жидкими солевыми растворами.

Если, как говорилось выше, в твердом веществе диффузионное перемещение компонентов происходит очень медленно, то в жидкой среде поровых и трещинных растворов такое перемещение происходит значительно быстрее.

Происходящее через поровые растворы диффузионное перемещение компонентов резко ускоряется в случае движения-течения самих поровых и, особенно, трещинных растворов.

Но здесь мы уже имеем дело с проявлением второй и важнейшей формы перемещения вещества при метасоматозе, которую Д.С. Коржинский назвал «инфильтрацией», определяющей соответственно развитие основного – инфильтрационного метасоматоза.

Как всякие жидкости, эти растворы, присутствующие в трещинах и связанных между собой порах, находящихся в твердых породах, стремятся двигаться в сторону меньшего давления. В общем случае – это движение осуществляется в направлении к поверхности Земли. Это движение особенно характерно для растворов, находящихся в системах трещин и пор, которые связаны между собой микротрещинами и капиллярами.

В ходе этих двух процессов перемещения вещества происходит замещение агрегата минералов исходной породы под воздействием компонентов, находящихся в ее микротрещинных и капиллярно-поровых растворах, и образование нового минерального агрегата другого минерального состава – метасоматита.

Вопрос о роли микротрещин, в общем случае имеющих тектоническое происхождение, в развитии метасоматических процессов изучен пока не достаточно. Но их роль в крупномасштабном проявлении метасоматоза и переносе при этом огромных количеств вещества, в том числе и образования крупнейших рудных тел, - несомненна.

Роль микротрещин при метасоматозе четко доказывается наблюдаемым контролем развития тел метасоматитов тектоническими зонами. Но процесс минерального выполнения трещин по приведенному выше определению метасоматоза не относится к метасоматическому, т.к. проявляется не внутри твердых пород, а в образованных в них открытых трещинных полостях.

Мы считаем, что различие в этих процессах заключается в мощности этих трещин и, соответственно, роли и времени проявления их жильно-прожилкового выполнения и метасоматоза.

По нашему мнению, если мощности микротрещин настолько малы, что соизмеримы с размерами нескольких ионов движущихся по ним компонентов, определяющих интенсивность развития обусловленного их перемещением метасоматоза, то процессы, связанные с такими микротрещинами, являются метасоматическими, а образуемые ими породы – метасоматитами. О мощности таких микротрещин, которые преимущественно определяют развитие основного – инфильтрационного перемещения вещества и развития соответствующего метасоматоза, можно судить, например, по размеру иона трехвалентного золота, равному около 10^-7 мм или 0,1 нанометра.

Получается, что мощности микротрещин, контролирующих развитие метасоматитов, составляют около 10^-6 мм или величине близкой к одному «мистическому» размеру – нанометру. Мистичность этому размеру придают те особые свойства частиц, соответствующих этому размеры, которые стали известны в последние годы и дали новое направление развитию многих наук.

Обычным является то, что после образования серий микротрещин и интенсивного развития в их боках связанной с ними метасоматической породы происходит новое унаследованное тектоническое подновление этих трещин, их расширение с образованием в них полостей, последующее жильно-прожилковое выполнение которых уже не является метасоматическим.

По отношению к вмещающей метасоматической породе (метасоматиту) такие унаследованные прожилки являются секущими, наложенными на метасоматиты.

Таким образом, собственно метасоматические процессы развиваются по следующей схеме:

• 
  исходная твердая порода определенного химического состава
  

• 
  воздействующий раствор другого химического состава
  
• 
  процесс частичного или полного метасоматического замещения компонентов исходной породы компонентами раствора
  

• 
  образование метасоматита – породы нового химического состава.
  

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в равновесии и в переходе от одного равновесного состояния к другому.

Как указывает Г.Б. Наумов [15], термодинамика открывает возможность прослеживать закономерности количественного изменения состава химических веществ и содержащих их минералов, в том числе, как казалось, аналогичных их превращениям, происходящим в природных процессах.

Считалось, что термодинамика может позволить связать точные экспериментальные данные, накопленные за многие годы химиками, с наблюдаемыми в природе ассоциациями минералов и их химических элементов. Казалось, что этим путем будет возможно проверять выводы, полученные геологическими наблюдениями, и определять пределы их соответствия.

Предполагалось, что термодинамический анализ природных явлений, как указывает Г.Б. Наумов, может позволить количественно проверять наблюдаемые превращения минералов и пород, а также направлять ход дальнейших исследований.

При рассмотрении применения законов термодинамики к природным процессам Д.С. Коржинский дал определение термодинамической системы как совокупности тел, взаимодействующих между собой по признакам, которые однозначно выделяют эту систему из окружающей среды.

К геологии рассматриваются только простые системы, состояние которых определяется механическими, тепловыми и химическими процессами (без учета магнитных, гравитационных, электрических сил).

Выделяются:

• 
  изолированные системы – полностью отделенные от окружающей среды жесткой оболочкой, не изменяющей объем, не проницаемой для потоков вещества, тепла (энергии);
  
• 
  закрытые системы не могут обмениваться только веществом, но могут изменять объем, энергическое состояние;
  
• 
  открытые системы кроме тепла могут также обмениваться и веществом, но при определенных условиях.
  

Термодинамика как наука возникла с целью объяснения действия паровых машин (термо-динамо: температура – движение – сила) и разрабатывалась на опытах в колбах и экспериментах на лабораторных столах. При опытах в колбах быстро проходят химические реакции, происходит полное завершение процессов и достигается равновесие однородных химических веществ. В природе такого не бывает. Поэтому термодинамика не учитывает главные отличия – огромное время протекания природных процессов и их протяженность в пространстве.

В связи с этим, как установил наш крупнейший специалист в этой области Д.С. Коржинский, законы классической термодинамики применимы только к идеализированным природным моделям. Эта идеализация, которую впервые предложил Д.С. Коржинский в середине прошлого века, позволила ему по-новому представить закономерности протекания метасоматических процессов, выявить и объяснить ряд их важнейших особенностей.

Теория метасоматических процессов, разработанная Д.С. Коржинским, его сотрудниками и последователями, явившаяся крупнейшим шагом в их понимании, однако в своем практическом применении, возможности которого она, казалось, открывает, как выясняется, встречает большие трудности.

Физико-химическая теория преимущественно инфильтрационного метасоматоза разработана Д.С. Коржинским при следующих основных допущениях.

1. 
   Система пор и микротрещин в замещаемой породе является густой и равномерной, поэтому каждое элементарное зерно этой породы как бы омывается раствором со всех сторон. Разумеется, в природе такого не бывает.
   

Пористость, температура и давление при метасоматозе не изменяются. Этого в природных процессах тоже не бывает.

Объем породы при замещении не изменяется. Это явление при метасоматических процессах в целом действительно наблюдается.

В каждом элементарном участке породы эта порода находится в химическом равновесии с находящемся в ней поровым раствором.

Последнее допущение, являющееся важнейшим, конечно, в природных процессах не проявляется. Оно тесно связано с рядом предыдущих положений и заслуживает особого пояснения.

В общем, равновесные системы - это системы, в которых произошли все возможные для нее естественные процессы и в дальнейшем все самопроизвольные процессы в ней не возможны.

Показательным примером состояния химического равновесия является взаимодействие концентрированного раствора соли в воде с уже не растворяемым ее твердым осадком, находящимся в равновесии со своим раствором.

Для возможности применения важнейшего для метасоматических процессов физико-химического положения о соотношении числа присутствующих в равновесной системе химических компонентов раствора и числа присутствующих в равновесии с этим раствором твердых фаз-минералов – так называемого «правила фаз Гиббса». Д.С. Коржинский ввел следующий ряд входящих в него понятий.

1. 
   Химические компоненты системы делятся на две группы. Инертные компоненты (Ки) – это компоненты, входящие в состав самой исходной породы. Масса этих компонентов, как и исходной породы, - очень большая, и она является фактором равновесия этой породы и ее порового раствора. Подвижные компоненты (Кп), или по Коржинскому «вполне подвижные», - это компоненты втекающего порового раствора. Факторами равновесия с породой для них являются их концентрации в поровом растворе. Их концентрации определяются внешними для этой системы причинами и являются для нее независимыми параметрами. Общее число компонентов системы (К) будет равно сумме числа инертных и числа подвижных компонентов:
   



Число сосуществующих фаз системы. В общем, фазами термодинамической системы называются ее однородные части, между которыми существуют поверхности раздела, то есть такие тела, которые принципиально могут быть отделены друг от друга. Это отдельные зерна минералов, поровый раствор, газ, магма.

В рассматриваемых процессах «число сосуществующих фаз» системы (Ф) – это число ее минералов, размер выделений которых позволяет отделить их механическим путем. Например, после измельчения породы в тонкий порошок зерна отдельных минеральных фаз должны иметь размеры, позволяющие разделить их под бинокулярным микроскопом при помощи иглы или другим путем. Другой случай – субмикроскопические выделения самородного золота, присутствующие в пирите, но не видимые в аншлифах даже при максимальном увеличении микроскопа, эти выделения золота фазами не являются.

«Число степеней свободы системы» - «n». Это число взаимонезависимых параметров системы. Так для подвижных компонентов число степеней свободы равно концентрациям каждого из них в растворе (Кп) плюс еще два независимых параметра – температура и давление:



После введения этих понятий Д.С. Коржинский взял термодинамическое «Правило фаз Гиббса» n = К + 2 – Ф, преобразовал его в Ф = К + 2 – n и подставил значения К и n в соответствии с (1) и (2). Получилось, что Ф = Кп + Ки + 2 – Кп – 2. После сокращения получим формулу числа фаз-минералов:



то есть число фаз-минералов в метасоматической системе определяется только числом инертных компонентов. Эту весьма важную формулу (3) было бы целесообразным назвать «формулой Коржинского». Из этой формулы следует, что наличие и количество подвижных компонентов в системе, в противоположность инертным компонентам, не влияет на число присутствующих в системе равновесно сосуществующих фаз (минералов). Как отмечает Г.Б. Наумов, это положение вошло в науку под названием «Минералогического правила фаз Коржинского». Физико-химическая теория метасоматоза имеет большое значение, так как позволяет сделать следующие весьма важные для понимания природных метасоматических процессов выводы.

1. 
   Так как присутствие в метасоматитах минералов зависит только от числа инертных компонентов, то при переходе компонента из инертного в подвижное состояние его минерал сразу должен растворяться – исчезать. Это явление подтверждается наличием при полном развитии метасоматоза четких метасоматических зон, на контактах которых число минералов в них убывает на единицу. Процессы замещения осуществляются только на границах метасоматических зон и выражаются в замещении минералов минералами другого состава.
   

По мере просачивания раствора происходит разрастание метасоматических зон данной метасоматической колонны.

В передней по течению раствора и развитию метасоматоза зоне состав раствора «приспосабливается» к составу вмещающей исходной породы.

В последней зоне состав породы полностью изменяется, и образуется новая порода – метасоматит, состав которой является близким к составу раствора, все компоненты которого были подвижными.

В средних зонах часть компонентов являются инертными, а часть подвижными, причем число подвижных компонентов к тыльным частям зон – растет и число инертных на границе зон убывает на единицу.

По мере просачивания растворов происходит лишь пропорциональное разрастание зон метасоматической колонки без изменения их состава и строения.

Развитие всех метасоматических зон данной метасоматической колонны и формирование их минерального состава происходит практически одновременно в одну стадию соответствующего гидротермально-метасоматического процесса. В этом проявляется выявленное Д.С. Коржинским существенное различие метасоматической зональности от многостадийного развития крустификационно-полосчатого кристаллического выполнения гидротермальных жил

Подводя итог нашего несколько упрощенного рассмотрения разработанной Д.С. Коржинским и его последователями вышеописанной теории развития метасоматических процессов, нужно сказать, что, к сожалению, в реальных природных условиях описанные ею закономерности развития метасоматоза, образования метасоматических зон обычно проявляются не четко. Причиной этого являются вышеуказанные отличия идеальных условий развития метасоматоза от реальных природных условий.