Источники метасоматических растворов

Источники метасоматических растворов

Данный вопрос является наиболее сложным и, в целом, еще не выясненным.

Для формирования интересующих нас метасоматитов, с которыми в той или иной степени связаны рудообразующие процессы, по мнению большинства геологов, основными являются так называемые «послемагматические растворы».

Этот термин отражает как наличие связи таких растворов с магматическими очагами, так и их образование в послемагматическую стадию, когда от кристаллизующейся магмы разного состава отделяются и устремляются вверх постепенно остывающие газово-жидкие, в основном водные растворы тоже различного состава, с которыми, по этой точке зрения, непосредственно связывается проявление метасоматических процессов.

Еще более распространенным является другое понятие – «гидротермальные растворы» («горячеводные растворы»), которые давно, но все более неоднозначно рассматриваются в качестве источников широкого проявления метасоматических и прежде всего - рудообразующих процессов

Во все времена и, особенно, в последние годы в число источников вещества, поступающего в гидротермальные растворы, включаются воды совершенно разного происхождения. Этому способствуют новые методы выявления разных источников вод, поступающих в гидротермы. Это, прежде всего воды, отделяющиеся от глубинных магматических очагов – послемагматические воды; просачивающиеся на большие глубины воды поверхностного происхождения («вадозные воды»); воды, захороненные в осадочных породах, в том числе высокоминерализованные воды морских осадков; воды, высвобождающиеся при метаморфизме пород и др.

Среди методов, позволяющих выяснить долю вод различного происхождения, поступающих в гидротермы, являются прежде всего анализы различных соотношений в них изотопов таких элементов, как H, C, O, S и др.

В основном с гидротермальными растворами связывал широкое проявление важнейшего инфильтрационного метасоматоза Д.С. Коржинский. Для этих растворов и образуемых ими метасоматитов характерной является обычно четко подтверждаемая практическими наблюдениями пространственно-генетическая (парагенетическая) связь с очагами, выходящих на поверхность или глубинных интрузий, состав которых отражается в составе этих растворов. Для рудоносных метасоматитов эта связь подтверждается длительным опытом изучения соответствующих месторождений.

Таким образом, факты, накопленные в процессе длительных наблюдений, доказывают наличие достаточно четкой связи между петрохимическим составом интрузий и составом связанных с ними метасоматитов, а в случаях присутствия оруденения – и с типами этого оруденения.

Указанные связи отражаются во все более широко используемых понятиях: «флюидно-магматические системы» и «рудно-магматические системы».

Вместе с этим Д.С. Коржинский ввел новое глубоко инновационное понятие «сквозьмагматические растворы». Этим термином он затронул сложнейший вопрос о происхождении самих магматических расплавов и происхождении связанных с их развитием послемагматических растворов.

Новые данные нашего изучения крупнейших золото-урановых (браннеритовых) месторождений Центрального Алдана (Эльконского горста) показывают четкую связь образовавших их региональных гидротермально-метасоматических систем с более глубокими, чем присутствующие там верхние магматические очаги, мантийными источниками растворов.

В последние годы появляется все больше данных, свидетельствующих в пользу влияния систем, которые непосредственно связаны с мантийными источниками флюидов и рудообразующих растворов. Речь идет о флюидно-магматических системах, связанных с карбонатитами, траппами и др.

Описанные выше представления о развитии метасоматических процессов и формирования метасоматитов в связи с растворами, просачивающимися по порам, межзерновым промежуткам и микротрещинным системам, подтверждают наблюдаемую в природе тесную связь метасоматитов с зонами тектонических разломов.

Именно поэтому положение тектонических разрывов, которые обычно характеризуются длительным многостадийным развитием и с которыми связаны непосредственно контролирующие развитие метасоматоза микротрещинные зоны, объясняют пространственное положение, форму и размеры образуемых тел метасоматитов, а в случаях связи с ними оруденения – также и его форму и масштабы.

Другим вопросом, частично проясняемым изложенными выше представлениями об образовании метасоматитов, является вопрос о связи метасоматических процессов, и в том числе рудоносных метасоматитов, которые имеют важное поисковое значение, с магматизмом.

По представлениям большинства геологов, растворы, через которые осуществляется развитие метасоматоза и в ходе его вынос и привнос компонентов, образование основных практически важных типов метасоматитов имеют послемагматическое, а точнее - гидротермальное происхождение.

Как известно, существуют два основных представления об отделении газово-жидких (флюидных) растворов от магмы.

Рассматривая вопрос об отделении подвижного вещества от магмы, следует сказать об этом широко используемым в геологии понятии «флюиды», которое, как указывает Г.Б. Наумов, не имеет четкого определения.

При этом Г.Б. Наумов ссылается на определение, данное А.И. Перельманом [15], которое относится к надкритическому состоянию вещества. «При высоких давлениях сильно сжатый водяной пар ведет себя во многом аналогично жидкой воде, молекулы H₂O в нем ассоциированы. Такие газово-жидкие растворы именуют «флюидами»».

Первыми были представления, сформулированные У.Х. Эммонсом и другими учеными в начале прошлого века о непрерывном отделении флюидов от остывающих магматических очагов. С этими представлениями связывается наблюдаемое различное проявление так называемой «зональности оруденения» то есть закономерного изменения типов оруденения во времени и на удалении от интрузивов – более низкотемпературное оруденение образуется позже и присутствует на большем удалении («эволюционная точка зрения»).

Второе представление связано с именем С.С. Смирнова, который в начале 50^ых годов прошлого века предложил теорию прерывистого пульсационного отделения флюидов от остывающих магматических очагов. В ее основе лежат наблюдения о различных взаимных пересечениях разнотемпературных разностадийных минеральных агрегатов. Эти факты теория объясняет прерывистым отделением флюидов: после закупоривания путей движения растворов кристаллизующимися из них минеральными агрегатами наступает перерыв в движении растворов. Для его возобновления требуется новый тектонический импульс, взламывающий старые закристаллизованные трещины и образующий новые трещины, вскрывающие разные глубины очага, и по которым поступают следующие порции растворов с разных глубин кристаллизующегося очага и, соответственно, характеризующегося разными составом и температурами («пульсационная теория», или «революционная»).

Важнейшим вопросом основной для всей геологии проблемы о происхождении эндогенных полезных ископаемых является вопрос о взаимоотношении магматических, метасоматических и рудообразующих процессов.

В последние годы этот вопрос был глубоко рассмотрен А.А. Маракушевым, В.Л. Русиновым и др. [8]. Ниже он излагается по материалам этих авторов. Тесная пространственная связь продуктов магматизма, метасоматизма и оруденения послужила основой ставшей традиционной концепциb так называемого гидротермального рудообразования, тесно связанного с магматизмом. Согласно этой концепции консолидация интрузивов, сопровождаемая концентрацией в остаточных расплавах металлов, приводит к отделению от них богатых этими металлами рудоносных растворов, которые, проникая в трещинные зоны консолидированных частей интрузивов и во вмещающие их породы, формируют в них рудные жилы и метасоматические рудные залежи, окруженные ореолом околорудно измененных вмещающих пород. В поддержку этой концепции привлекались данные о повсеместном гидротермальном изменении (околорудном метасоматизме) горных пород, вмещающих рудные жилы, и о зональном расположении рудных объектов относительно рудоносных интрузивов, отраженноq в широко известной схеме рудной зональности Эммонса.

Однако, сомнения в правильности этой изложенной выше простой схемы существовали всегда. Они основывались на данных о низкой растворимости металлов в гидротермальных растворах еще в начале ХХ века известный исследователь золоторудных месторождений В. Линдгрен писал, что для образования очень крупной по запасам золота Материнской Жилы в США необходим невообразимо большой объем раствора, приблизительно равный объему Средиземного моря.

Чтобы снять это противоречие, были выдвинуты несколько гипотез. Предполагалось, что растворы коллоидного типа могут содержать большие концентрации рудных компонентов и массировано отлагать их при раскристаллизации. Однако оставалось не ясным, откуда и как коллоидные растворы экстрагировали металлы и как они перемещались на большие расстояния, являясь малоустойчивыми.

Другая возможность получения высокой концентрации металлов в растворах заключается в образовании их комплексных соединений. Такие комплексы синтезированы в лабораториях и обнаружены в природных объектах.

Наконец, все более популярной в последнее время является модель рециклинга, то есть многократной конвекции раствора. Согласно этой модели гидротермальные рудные месторождения образуются в зоне действия устойчивой циркуляции подземных вод по типу конвективных «ячеек». Такие ячейки образуются над кровлей магматической камеры вследствие вертикального градиента температуры. Подогретые подземные воды становятся агрессивными и растворяют компоненты пород, в том числе и металлы. Из-за различия в плотности с холодной водой, они поднимаются вверх и остывают, осаждая рудные компоненты, а холодные струи опускаются вниз. Многократный оборот воды в ячейке постепенно накапливает в зоне охлаждения рудную минерализацию, не требуя сверхъестественного объема растворов. Слабым местом этой гипотезы является то, что при данном механизме источником металлов являются исключительно породы, непосредственно вмещающие месторождение. Такому допущению противоречит присутствие в рудах и околорудных метасоматитах элементов, явно привнесенных из глубинного магматического источника и практически отсутствующих во вмещающих породах. Например, в некоторых типах эпитермальных руд месторождений золота характерны теллур, селен, ванадий и хром, отсутствующие во вмещающих кислых и средних породах. Обычным является повышенное содержание ртути в сульфидах колчеданных и жильных сульфидных месторождений. Анализ парагенезисов метасоматических минералов и состава флюидных включений указывает на повышенную роль углекислоты в зоне рудоотложения, которая не может быть объяснена составом подземных вод. Наконец, изотопный состав кислорода и водорода рудообразующего и метасоматизирующего флюидов в эпитермальных месторождениях свидетельствует о значительной доле магматогенной воды во флюиде глубоких горизонтов. Эти факты, не отрицая участия конвективных явлений в общем процессе образования рудных месторождений, свидетельствуют о привносе металлов в зону рудоотложения магматогенным флюидом. Поэтому проблема выяснения условий отделения металлов от магмы и их переноса послемагматическими флюидами осталась актуальной.

В последнее время в связи с развитием экспериментальных исследований распределения металлов в системах типа силикатный расплав – гидротермальный раствор появилась возможность существования альтернативной гипотезы образования рудоконтролирующего флюида, снимающая многие противоречия. Экспериментальные данные показывают, что для получения эффективной рудной экстракции из силикатных расплавов требуется введение в магматическую систему солевых компонентов (хлоридных, фторидных, карбонатных и других) в количестве, достаточном для обособления их в самостоятельные флюидно-расплавные плотные фазы. Эти плотные фазы и являются, в противоположность собственно гидротермальным истинным растворам, концентраторами металлов, эффективно экстрагируя их из магматических расплавов. Из экспериментальных данных следует, что солевая плотная фаза в этой системе служит единственным эффективным концентратором металлов и что с ее отделением от расплава можно связывать процесс образования рудных концентраций.

Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что отделяющиеся от остаточных расплавов флюиды только в случае развития в них процесса расслоения на солевую фазу и гидротермальный раствор, способны к эффективной рудной экстракции.

В этом случае гетерогенность флюида определяет две самостоятельные линии эволюции при формировании рудных месторождений: линию предрудного метасоматоза и линию формирования собственно оруденения, накладывающегося на метасоматически преобразованные породы. Обычное отставание рудоотложения от метасоматоза объясняется более высокой подвижностью гидротермальных растворов по сравнению с более вязкими плотными фазами, богатыми металлами и формирующими в конечном счете большое разнообразие рудных тел. Таким образом, магматизм, метасоматизм и рудоотложение обычно являются пространственно тесно связанными явлениями. По отношению к магматизму Д.С. Коржинский, В.Л. Русинов и их последователи выделяют метасоматизм магматической (прогрессивной) стадии, сопровождающий внедрение магмы и магматическое замещение ею вмещающих пород; метасоматизм послемагматической стадии и метасоматизм, связь которого с магматизмом не очевидна или даже отсутствует. Наибольший интерес с точки зрения рудоносности представляют собой продукты послемагматического метасоматизма.

Метасоматиты магматической стадии, с которой в общем случае связи оруденения не обнаруживается, нами будут рассмотрены на представляющем исключение примере образования ранних магнезиальных скарнов, часть которых может быть образована в магматическую стадию.

Группа метасоматитов, с которыми явной связи с магматизмом иногда не наблюдается, представлена низкотемпературными аргиллизитами и джаспероидами.

Степень связи метасоматитов и оруденения наиболее четко отражается в их возрастных соотношениях.

С соответствующими растворами связаны образуемые ими различные типы метасоматитов и оруденения.

Приведем современные представления о динамике развития метасоматических процессов, изложенные недавно в капитальной работе по метасоматозу, составленной под редакцией В.А. Жарикова и В.Л. Русинова [8]. В этой работе указывается, что конкретная метасоматическая зональность вызывается дифференциальной подвижностью компонентов данной метасоматической колонны, поэтому на границах зон по мере возрастания интенсивности процесса происходит последовательный переход определенных компонентов из инертного в подвижное состояние. Последовательность этого перехода отдельных компонентов носит название «ряда дифференциальной подвижности компонентов».

Подвижность компонентов определяется концентрацией компонентов в растворе и содержанием их в замещаемых породах: чем больше изменение концентрации компонента в растворе при меньшем изменении содержания компонента в породе на фронте замещения (границе зон), тем более подвижным является данный компонент. Последовательный переход компонентов из инертного состояния во вполне подвижное вызывает уменьшение числа минералов в метасоматических зонах (в пределе по одному минералу на каждой границе зон) вплоть до образования мономинеральных тыловых зон.

Уменьшение числа минералов по мере увеличения интенсивности метасоматоза и, соответственно, интенсивности химического преобразования пород составляет характерную отличительную особенность метасоматитов. Конкретная зональность метасоматической колонки вызывается дифференциальной подвижностью соответствующих компонентов, которые присутствуют в данном воздействующем растворе и вмещающей породе, определяя образование метасоматита соответствующего типа.

С учетом данных по множеству типов метасоматических процессов и соответствующим им ряда дифференциальной подвижности компонентов Д.С. Коржинский на основании анализа этих многочисленных рядов составил следующий обобщенный ряд подвижности компонентов (табл. 1), характерный для наиболее распространенных метасоматических процессов.

Таблица 1 Ряд подвижности компонентов
1 группа	2 группа	3 группа	4 группа
H2O, CO2	S, SO3, Cl, K2O, Na2O	O2, Ca, Mg, Fe, SiO2	P2O5, Al2O3, TiO2
МЕТАМОРФИЗМ	МЕТАСОМАТОЗ

Два первых компонента в этом ряду – вода и углекислота (1 группа компонентов) всегда являются весьма подвижными. Процессы изменения только их содержания в общем случае не приводят к существенному изменению химического состава пород и, поэтому, не являются метасоматическими. Такие процессы относятся к метаморфическим. Остальные компоненты этого ряда по частоте встречаемости процессов, в которых они являются подвижными, разделяются на 3 группы. К элементам последней 4^ой группы, соединения которых наиболее редко становятся подвижными, Д.С. Коржинский относит фосфор, алюминий и наименее подвижный титан. Процессы с их значительным перемещением проявляются редко.

Тем не менее, приведем яркий пример крупномасштабного перемещения титана среднетемпературными гидротермальными щелочно-карбонатными растворами, происходившего в процессе формирования упомянутых выше уникальных золото-урановых (браннеритовых) месторождений Эльконского горста. Эти месторождения присутствуют в Центрально-Алданском районе интенсивного проявления мезозойской тектоно-магматической активизации Алданского щита и залегают в многочисленных, в том числе крупнейших тектонических зонах протерозойского заложения, омоложенных и минерализованных в мезозое. Основной из более 50 в разной степени разведанных рудных зон этого района является зона Южная. Она имеет 20-километровую непрерывную протяженность комплексного золото-уранового оруденения, прослеженного бурением на глубину более 2 км и продолжающегося ниже. Оруденение залегает в мощных непрерывных зонах золотоносных пирит-карбонат-калишпатовых метасоматитов новой метасоматической формации, названной нами эльконитами, которые будут описаны ниже.

Урановое оруденение залегает внутри этих мощных золотоносных метасоматитов, накладываясь на них по выдержанным кулисообразным сериям титанат-урановых (браннеритовых) швов. Золотоносность зон и комплексного оруденения связана с присутствием в основном тонкодисперсного золота, находящегося в мелком скрытокристаллическом пирите – мельниковите, который входит в состав метасоматитов – эльконитов. О масштабе переноса титана, считающегося наиболее трудноподвижным компонентом, в ходе мощнейшего гидротермального щелочно-карбонатного метасоматоза, сформировавшего крупнейшие зоны пирит-карбонат-калишпатовых метасоматитов можно судить по следующим данным

Разведанные запасы урана только в одной крупнейшей зоне Южной составляют около 300 тыс. т, золота – более 250 т. Если исходить из соотношения количеств урана и титана, присутствующих в рудах в форме браннерита, то количество титана, привнесенного в эту зону вместе с ураном и золотом гидротермальными растворами, было весьма большим и составляет до 2 млн. т. В данном процессе титан являлся в гидротермальном растворе подвижным компонентом.

Анализируя результаты многочисленных исследований об эволюции во времени поднимающихся минералообразующих растворов одного тектоно-магматического цикла при снижении их температуры Д.С. Коржинским было установлено закономерное изменение кислотности этих растворов. Для ранних высокотемпературных растворов характерно проявление ранней щелочной стадии, которая затем сменяется важнейшей для рудообразования кислотной стадией, за которой следует поздняя щелочная наиболее низкотемпературная стадия.

Именно этой закономерной внутренней эволюцией растворов, по мнению Д.С. Коржинского, в основном обусловлены возрастные и пространственные соотношения различных метасоматитов и этих метасоматитов с рудами.

С этим явлением связан главный механизм эволюции послемагматических растворов, образуемых ими метасоматитов и руд. Эта теория кислотно-основной эволюции магматогенных растворов так называемой «волны кислотности», развиваемая затем последователями Д.С. Коржинского, пользуется в настоящее время широким признанием и усиленно разрабатывается с физико-химических позиций.

При этом уже давно много внимания уделяется построению и анализу физико-химических диаграмм.

На этих диаграммах, опираясь на термодинамические свойства минералов и минералообразующих веществ, растворов и газов наглядно изображаются условия их существования, а также делаются попытки получения дополнительных данных.

Как справедливо указывает Г.Б. Наумов, в настоящее время количество и типы таких диаграмм являются весьма разнообразными и многочисленными в зависимости от тех задач, для решения которых они используются. Однако, для задач, стоящих перед данным курсом, рассмотрение этих диаграмм, которые, к сожалению, в основном являются достаточно сложными и оторванными от решения практических вопросов, представляется излишним и не целесообразным. С ними можно ознакомиться в обширных публикациях и, прежде всего, в последних книгах Г.Б. Наумова [15] и В.А. Жарикова, В.Л. Русинова и др. [8].