Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

На первом этапе исследований были рассмотрены только наиболее простые ситуации взаимодействий чистой воды с первичными интрузивными и эффузивными породами. Природные аналоги таких простых систем редки, но существуют. В частности, к ним относятся азотные термальные воды, формирующиеся в интрузивных и эффузивных породах зон альпийского и эпиплатформенного орогенеза. Эти маломинерализованные термальные воды формируются при непосредственных межфазовых взаимодействиях "интрузивные (эффузивные) породы - вода" в условиях повышенных температур и практически вне геохимического влияния хлоридов и углекислоты. В газовом составе этих термальных вод резко, на 90-99%, преобладает азот. Азотные термальные воды могут иметь температуру до 100^oС и более. Они характеризуются следующими геохимическими особенностями: их общая минерализация, как правило, не превышает 1 г/л; химический состав обычно изменяется от H₃SiO₄-Na и HCO₃-Na до SO₄-Na, а рН от 7 до 9.5; в газовом составе помимо азота могут присутствовать O₂, CH₄, редкие газы.

В связи с такими геохимическими свойствами азотные термальные воды являются наиболее удобным объектом для сравнения с результатами расчетов. Предварительно отметим два важных положения, определяющих возможности и интерпретационные принципы такого анализа.

При расчетах не были учтены карбонатные, сульфидно-сульфатные и прочие равновесия, влияющие на распределение кальция и магния в реальных подземных водах. Поэтому в отношении этих элементов принятые модели не могут быть адекватными природной реальности. Это лишает нас возможности сопоставить расчетные и реальные концентрации кальция и магния. Такое сопоставление возможно только в отношении натрия и калия, концентрации которых в меньшей степени зависят от карбонатных и прочих не принятых в рассмотрение равновесий, но определяются в данном случае непосредственными взаимодействиями воды с алюмосиликатными минералами.

При сопоставлении расчетных и реальных концентраций натрия и калия речь может идти только о порядке величин концентрации элементов, тенденциях в их распределениях и ограничивающих пределах, так как благодаря различным скоростям и времени движения термальных подземных вод в породах отдельные частные термодинамические системы "вода-порода" могут оказаться в различной степени неравновесными или же достигшими различных отношений порода/вода при своем взаимодействии.

Расчетные концентрации натрия при высокотемпературных взаимодействиях "вода - различные типы интрузивных и эффузивных пород" составляют n^.10-n^.100 мг/л при максимальных концентрациях порядка 340-370 мг/л (см. табл.2.7). Эти значения принципиально соответствуют наиболее распространенным концентрациям натрия, которые наблюдаются в азотных термальных водах (рис.2.6).

Рис. 2.6. Сопоставление отношений Na/K, полученных при моделировании взаимодействий "вода-порода" ...

Равновесные расчетные концентрации калия в результирующих растворах, взаимодействовавших с алюмосиликатными породами, обычно составляют первые мг/л при максимальных концентрациях порядка 25 мг/л (см. табл.2.7). Эти значения также принципиально соответствуют тем концентрациям калия, которые обнаруживают в реальных термальных водах. В то же время обычные концентрации натрия и калия, которые присутствуют в реальных термальных водах, как правило, ниже рассчитанных нами концентраций этих элементов. Это закономерно и понятно, так как расчеты, основанные на методах равновесной термодинамики, дают возможность устанавливать только предельные концентрации, которые формируются в системе вода - алюмосиликатные породы, если она успевает релаксировать к химически равновесному состоянию.

Близость расчетных и реальных концентраций натрия и калия в азотных термальных водах соответственно отражается в том, что наблюдаемые отношения Na/K также ограничиваются сверху их расчетными равновесными значениями (см. рис.2.6). Также можно отметить, что при высоких температурах природные и расчетные данные совпадают или близки, что, вероятно, объясняется большими скоростями протекания гетерогенных реакций. При этом в реальных термальных водах соблюдаются те общие тенденции температурных зависимостей Na/K, которые были установлены путем физико-химического моделирования. Более того, последующий геохимический анализ распределений отношений Na/K в различных типах (не только в азотных) термальных вод показал, что расчетные значения являются своего рода лимитом Na/K отношения в большинстве геохимических типов термальных вод, формирующихся в алюмосиликатных породах. Объясняется это тем, что при взаимодействиях с алюмосиликатными породами на соотношения между натрием и калием в термальных водах относительно мало влияют карбонатные и другие равновесия. В результате даже в углекислых термальных водах, имеющих высокие концентрации углекислоты, хлора, натрия и калия, отношения Na/K оказываются близки к расчетным. Как видно из рисунка 2.6, поля отношений Na/K в азотных и углекислых термальных водах ограничиваются в своем распространении расчетными равновесными линиями для растворов, взаимодействующих с разными типами алюмосиликатных пород.

Проведенное сравнение иллюстрирует возможности метода физико-химического моделирования, который даже с помощью простых моделей позволяет устанавливать и прогнозировать геохимические явления, имеющие место в реальных системах порода - подземные воды. Необходимо подчеркнуть, что в результате проведенного моделирования установлено, что химический тип породы (например, кислые и основные), а не просто изменение содержаний в них того или иного химического элемента, определяет состав равновесного водного флюида, его кислотно-основную и окислительно-восстановительную характеристику.