Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Данные, представленные в разделах 2.1-2.3, касались только главных компонентов природных растворов и основных породообразующих элементов. Пока мы не рассматривали методов оценки концентраций малых, в том числе и рудных, элементов в гидротермальных растворах. Этот вопрос тесно связан с проблемой источника рудных компонентов, в связи с которой мы рассмотрим один из возможных вариантов решения [Borisov et al., 1995; Борисов, Шваров, 1995, 1996, 1998].

При моделировании процессов формирования жильных Pb-Zn месторождений в качестве рабочей гипотезы нами было принято, что в корневых частях изучаемых месторождений происходит образование исходного рудообразующего раствора за счет мобилизации рудных компонентов при реакции первичного гидротермального раствора и вмещающих гранитов (подробно об этом в главах 5 и 6). Система "гранит-флюид" описана 15 независимыми компонентами: H, O, K, Na, Ca, Mg, Al, Si, Fe, C, Cl, S, Zn, Pb, Cu. Модель водного раствора включает 82 частицы, в том числе 26 частиц для рудных элементов (Cu⁺, CuOH^о, Cu(HS)^2-, Cu(HS)₂H₂S^-, CuOHCl^-, CuCl^o, CuCl₂^-, CuCl₃^{- -}, Cu⁺⁺, Zn⁺⁺, ZnOH⁺, Zn(OH)₂^o, ZnHCO₃⁺, Zn(HS)₂^o, ZnCl⁺, ZnCl₂^o, ZnCl₃^-, ZnCl₄^{- -}, ZnSO₄^o, Pb⁺⁺, PbOH⁺, Pb(HS)₂^o, PbCl⁺, PbCl₂^o, PbCl₃^-, PbCl₂^{- -}). В число возможных твердых фаз включены 54 минерала (главные породообразующие, метасоматические и рудные).

Рис. 2.9. Изменение концентраций рудных элементов и сульфидной серы в зависимости от изменения отношения порода/вода в системе "гранит - первичный раствор" (370oС, 1 кбар)

Расчеты выполнены для температуры 370^oC и давления 1 кбар. Исходным субстратом явились неизмененные граниты Холстинского массива (SiO₂ 71.75, Al₂O₃ 13.98, Fe₂O₃ 0.105, FeO 2.333, FeS 0.0525, TiO₂ 0.37, P₂O₅ 0.19, MgO 0.66, MnO 0.06, CaO 0.96, Na₂O 3.00, K₂O 4.965, S 0.06, п.п.п. 1.612 мас.%). Фоновые содержания рудных элементов в гранитах определены нами и составляют (мас.%): Zn 0.004, Pb 0.003, Cu 0.002 (пересчет в моли на 1 кг породы - Zn 0.0005, Pb 0.0002, Cu 0.0003). За первичный гидротермальный флюид принят раствор, содержащий H₂CO₃ 0.5, NaCl 1.0, HCl 0.1 моль/1000 г H₂O (m).

Результаты моделирования состава исходного рудоносного раствора для двух серий расчетов приведены на рисунках 2.9 и 2.10. Первая серия (см. рис.2.9) - расчеты однократного взаимодействия в системе "гранит - первичный раствор" при различных массах породы в реакторе (0.01-10 кг) и постоянной массе раствора (1000 г H₂O). Такой методический прием наиболее часто используется при термодинамическом моделировании, однако, как будет показано, он дает лишь нижнюю границу возможных концентраций рудных компонентов. Вторая серия расчетов (см. рис.2.10) - многократное взаимодействие нескольких порций (волн) первичного раствора с породой, изменяющейся при этом взаимодействии.

Установлено, что при увеличении массы породы в реакторе (увеличение отношения порода/вода или R/W на рис. 2.9) происходит рост содержаний металлов в равновесном растворе (за счет выщелачивания без образования рудных минералов в измененной породе), а затем резкое понижение, отвечающее концентрациям элементов в равновесии с галенитом, сфалеритом, халькопиритом или борнитом и минералами измененных гранитов. С увеличением реагирующих масс породы (R/W) возрастает концентрация сульфидной серы в растворе.

При этом происходят изменения и в равновесной минеральной ассоциации: уменьшается содержание кварца, мусковита и альбита, увеличивается - микроклин, постепенно появляются сульфиды (сначала галенит, затем борнит, который сменяется халькопиритом, потом сфалерит и при более высоких отношениях порода/вода - пирротин).

Из рис. 2.9 видно, что система "гранит-раствор" при 370^oC и 1 кбар может являться источником рудных компонентов и сульфидной серы для исходного флюида. Однако в этих расчетах максимальная концентрация Zn не превышает 5.4^.10^-4, Pb - 4.5^.10^-5, Cu - 8.5^.10^-5 m. Зависимость концентраций рудных элементов от соотношений масс реагирующих породы и раствора может характеризовать эволюцию составов растворов, исходных для рудообразования. Так, постепенное вовлечение все больших масс породы в реакцию выщелачивания с течением времени (рост R/W) будет приводить к прохождению через максимум концентраций рудных элементов (типичные значения R/W для подобных систем изменяются от 0.2-0.5 до 10).

Рис. 2.10. Изменение концентраций рудных элементов и сульфидной серы в равновесном растворе при многократном взаимодействии гранита с первичным флюидом (370oС, 1 кбар)

Вторая серия расчетов (рис. 2.10) дополняет и развивает первую. Через реактор, масса гранита в котором равна 10 кг (соответствует R/W=10 на рис. 2.9), последовательно "пропускаем" 30 порций или волн первичного раствора. В системе происходят изменения, сопровождающиеся резким возрастанием концентраций металлов: для Zn в 12 раз, от 1.9^.10^-4 до 2.3^.10^-3 m; для Pb в 17 раз, от 1.7^.10^-5 до 2.9^.10^-4 m; для Cu в 27 раз, от 1.3^.10^-5 до 3.5^.10^-4 m. Кислотность раствора (pH=5.3), ионная сила и макросостав остаются практически постоянными. Этот резкий рост концентраций обусловлен уменьшением общего количества сульфидной серы в системе (за счет ее выноса) и падением её содержаний в порциях равновесных растворов.

Обрыв кривых роста концентраций металлов происходит при исчерпании растворяющихся минералов в резервуаре (определяются значениями кларковых содержаний рудных элементов в граните). Так сфалерит, имеющий наиболее высокую растворимость, полностью исчезает из равновесной ассоциации при прохождении 10 порций раствора; галенит и минералы меди - 20. При выщелачивании первым из сульфидов исчезает пирротин. Его присутствие в равновесной ассоциации минералов на 1-6 этапах взаимодействия ограничивает рост растворимости рудных сульфидов. Это выражается платообразными участками на кривых для Zn, Pb и Cu (аналогично и на рис. 2.9 при R/W около 10). Увеличение или уменьшение исходной массы породы в реакторе приводит соответственно к удлинению или укорачиванию плато при сохранении тенденции роста концентраций. Минимум на кривой выщелачивания Pb связан со сменой гидросульфидных комплексов на хлоридные. Резкое уменьшение концентрации Cu (2 и 3 волны) обусловлено изменением в равновесной ассоциации фаз (появление менее железистого эпидота). Макросостав гранита после реакции с 15 порциями первичного раствора изменяется не очень сильно: кварц увеличивается на 2.5 мас.%, мусковит - на 3%, альбит - на 5%, содержание микроклина уменьшается на 9%). Результаты расчетов показывают: 1. концентрации металлов в растворах выщелачивания могут достигать значений, более чем на порядок превышающих содержания при однократном взаимодействии (до n^.10^-3 m для Zn, n^.10^-4 m для Pb и Cu); 2. металлоносность растворов существенно изменяется по мере протекания процессов выщелачивания (на первых стадиях - преобладает Zn, затем Pb и Cu, на завершающих этапах раствор полностью безруден); 3. концентрация сульфидной серы в этих растворах составляет n^.10^-2 - n^.10^-3 m и является достаточной для образования сульфидов при изменении условий.

Эти исследования показывают, что эволюция рудоносных растворов может происходить в корневых частях жильных месторождений даже без изменения внешних условий (T, P, состава первичного раствора). Состав рудоносных растворов зависит от продолжительности (в наших моделях - числа волн) реакций в зоне сочленения раствороподводящих и рудоконтролирующих тектонических структур (например, крупные региональные разломы и оперяющие их трещины скола и разрыва, в которых и формируются жильные тела). Естественно, что каждый акт тектонической активизации приводит к изменениям в зоне сочленения: обновлению (расширению) путей фильтрации первичных растворов. Выщелачивание металлов, очевидно, происходит и в пределах раствороподводящих структур (главных путях миграции первичных растворов), но степень взаимодействия растворов с вмещающими породами низка (низкие отношения R/W, см. рис.2.9) и, соответственно, низки концентрации металлов и серы. Подобные растворы могут образовывать в лучшем случае зоны минерализации, а не промышленные скопления руд, чем чаще всего и характеризуются главные "рудоподводящие" структуры рудных полей.

Дополнительные материалы и сопоставления интенсивности выщелачивания металлов (урана и свинца) из различных пород представлены в главах 3 и 4 при описании конкретных моделей рудообразования. В данном разделе мы хотели обратить внимание на достаточно сложный, но весьма продуктивный характер мобилизации рудных компонентов из пород.