Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Pис. 3.1. Принципиальная схема гидродинамических условий рудообразования на месторождении Чаули (I) [Барсуков и др.,1977] и изменение ряда показателей по вертикали (II)

Месторождение Чаули представлено серией рудных зон, образованных системами сближенных крутопадающих рудовмещающих трещин, заложившихся над участком локального блокового проседання фундамента депрессии. Уран-молибденовое оруденение развито только в пределах средней Карабашской вулкано-тектонической липаритовой свиты (равашской, P₂), в разрезе которой выделяются три толщи. Каждая из этих толщ представлена частым чередованием лавового и пирокластического материала разной проницаемости. Во время рудообразования рудные зоны составляли единый крутопадающий рудный столб, рассекавший все толщи средней липаритовой свиты - от ее подошвы до кровли (рис.3.1(I)). В составе трещинных рудных жил и приуроченных к ним вкрапленных руд преобладают настуран, кальцит и сульфиды (пирит, галенит, сфалерит, молибденит и др.); менее распространены коффинит, хлорит, серицит и окислы железа (гетит, гематит). Около рудных жил развиты ореолы гидротермального изменения вмещающих пород, главной и наиболее четкой зоной которых является зона аргиллизации (с развитием монтмориллонита и каолинита).

Для месторождения установлено изменение по вертикали ряда характеристик:

1. с глубиной резко возрастает удельная и общая трещиноватость рудного поля, возрастает количество трещин в рудных зонах при одновременном уменьшении размеров каждой трещины;

2. от верхних горизонтов к нижним резко возрастает мощность околорудной аргиллизации вмещающих пород;

3. с глубиной руды жильного типа, характерные для верхней трети месторождения, сменяются сначала вкрапленно-прожилковыми, а затем прожилково-вкрапленными.

Материалы исследования месторождения свидетельствуют [Барсуков и др., 1977], что соотношение жильных и вкрапленных руд как и мощность ореолов околотрещинного изменения в контактирующих друг с другом горизонтах кислых эффузивов, зависят от фильтрационных свойств вмещающих пород: чем выше пористость и проницаемость последних, тем при прочих равных условиях шире ореол околотрещинной аргиллизации, больше относительная доля локализованных в пределах ореола вкрапленных руд.

Общее ослабление снизу вверх интенсивности рудоотложения и околожильной аргиллизации связано с удалением восходящих рудоносных растворов от контакта нижней (акчинской, С₂) андезитовой свиты и средней липаритовой свиты, служившего геохимическим барьером, -начиная с которого восходящие растворы вступали в интенсивные обменные реакции с новой по составу вмещающей средой. Однако детали изменения по вертикали таких показателей, как мощность ореолов околотрещинной аргиллизации Mа и отношение количеств урана в околожильных породах (вкрапленные руды) и в жилах - Uп/Uж (рис. 3.1(II)), говорят о том, что этот фактор не является основным, поскольку соответствующие показатели изменяются с глубиной не монотонно, а образуют три четко видимых ритма, отвечающих трем толщам рудовмещающей липаритовой свиты.

Характер каждого ритма согласуется с общим планом изменения мощности ореолов аргиллизации и соотношения жильных и вкрапленных руд для всего месторождения. У кровли каждой из трех рудовмещающих толщ (в верхах каждого "ритма") фиксируются относительные минимумы Mа и отношения Uп /Uж. С глубиной по направлению к подошве толщ эти показатели возрастают даже в пределах одних и тех же пород.

Установленные факты, так или иначе связанные с фильтрационными свойствами пород заставили авторов обратить внимание на особенности фильтрации растворов по крутопадающей трещинной зоне, в которой формировались главные руды тела месторождения. Для решения этого вопроса выполнена реконструкция пространственной структуры строения палеогидротермального потока методом электродинамической аналогии.

Pиc. 3.2. Структура восходящего потока рудоносных растворов в поровом пространстве пород, вмещающих вертикальную трещину [Барсуков и др., 1977]

Из электропроводной бумаги была изготовлена с cоблюдением геометрического подобия многослойная модель разреза депрессии с коэффициентами электропроводности слоев, пропорциональными коэффициентам проницаемости пород соответствующих горизонтов месторождения (рис.3.2). Трещинная зона была представлена шиной, задающей линейное падение потенциала (приведенного напора h). Контур питания в соответствии с изложенной выше общей схемой развития гидротермального процесса на месторождении был представлен ограничивающей разрез снизу придонной послойной питающей структурой - шиной 100% h, контур дренирования - шиной 0% h, отвечающей палеоповерхности депрессии. Гидродинамическая сетка движения растворов была рассчитана по стандартной процедуре. На основе полученного решения была отстроена вспомогательная эпюра, представляющая в условных единицах интенсивность фильтрационного обмена между рудоконтролирующей трещинной зоной и боковыми породами (рис.3.2б).

Как видно, восходящий поток рудоносных растворов обладал сложной внутренней структурой. В нижней части разреза течение гидротерм разветвлялось: одна часть растворов продолжала восходящее движение по секущей трещине, другая уходила от нее в стороны, в поровое пространство окружающих пород. На верхних горизонтах месторождения наблюдалась обратная картина: те же самые растворы теперь возвращаются в трещинный поток, объединяясь по мере приближения к палеоповерхности в концентрированную восходящую струю. Эта общая для всего месторождения схема движения повторяется и в более локальном масштабе - эффекты растекания и обратного стягивания растворов проявляются на уровне каждой из трех рудовмещающих толщ, отражая контрастный характер изменения проницаемости пород по разрезу депрессии.

Действительно, как было показано ранее [Пэк и др., 1972], характер движения растворов в системе трещина - боковые породы тесно связан с изменениями проницаемости образующих систему элементов. В общем случае пересечение трещиной контакта различно проницаемых пород вызывает внутрисистемный переток растворов - фильтрационный обмен между трещинным каналом и средой. Переход из менее проницаемых пород в более проницаемые сопровождается местным растеканием потока; пересечение контакта с обратным соотношением проницаемостей вызывает обратный эффект - местную концентрацию, стягивание потока (рис.3.3). Так как рaзpeз каждой рудовмещающей толщи начинается горизонтом плотных малопроницаемых пород, то над каждым из них во время рудообразования происходило местное растекание растворов. Эти три ритма хорошо подчеркнуты эпюрой боковых расходов на рисунке 3.2.

Pис. 3.3. Общие закономерности фильтрационного обмена в системе трещина - боковые породы [Барсуков и др., 1977] при пересечении трещинным каналом контакта двух сред разной проницаемости (1 и 2 относятся как 1:20)

"В геологии давно и прочно утвердилось представление о важной роли в процессах гидротермального рудообраэования эффектов смешения различных по химическому составу растворов. При этом предполагается, что смешивающиеся растворы имеют различную генетическую природу. Проведенное исследование показало, что возможен и, по-видимому, даже более обычен другой вариант этого явления: автосмешение - расщепление потока на отдельные струи с последующим их объединением, но уже при изменившемся вследствие движения по различным трассам химическом составе." [Барсуков и др., 1977].

Суть этого механизма можно видеть на примере изученного месторождения. Восходящее движение гидротерм в моделируемой структуре разгрузки (за исключением, быть может, только самой верхней части разреза) было существенно нелинейным. Расщепление течения над малопроницаемыми горизонтами сопровождалось оттоком части растворов из трещин в поровое пространство боковых пород. Под действием боковой инфильтрации (а на уровнях, где не происходило растекания растворов из трещин, - под действием диффузионного массообмена) вокруг трещин возникали симметричные ореолы аргиллизации. Эти чехлы гидротермального изменения создавали для основного трещинного потока условия относительной изолированности от внешнего окружения, в свою очередь способствовавшие относительной стабилизации исходного (неравновесного с липаритами) химического состава кислых рудоносных растворов, фильтрующихся по трещинным полостям.

В то же время порции растворов, растекавшиеся в стороны от трещин, энергично реагируют с липаритами, постепенно нейтрализуются за счет преобразования породообразующих полевых шпатов в монтмориллонит и каолинит и, минуя внешний фронт ореолов аргиллизации, приобретают состав, относительно равновесный с рудовмещающими породами. На путях своего дальнейшего движения по поровому пространству пород вне ореолов аргиллизации, эти порции растворов, практически уже почти не реагируя с полевошпатовой составляющей липаритов, продолжали отлагать в них лишь небольшие количества окислов железа, урана и других металлов. Широкие, не имеющие четких границ ореолы покраснения липаритов и повышенного по сравнению с геохимическим фоном эффузивов, содержания металлов, окружающие крутопадающие трещинные зоны [Барсуков и др., 1972], являются объективным свидетельством движения растворов в околотрещинном пространстве, намного превышающем объемы аргиллизированных пород. В том случае, если на более высоком гипсометрическом уровне потоки, следовавшие по трещинам, и потоки, фильтровавшиеся по поровому пространству пород встречались снова, они неизбежно вступали в реакционное химическое взаимодействие.

Поскольку фильтрационный механизм переноса реагентов в зону реакции (в одном случае - компонентов рудоносного раствора во вмещающие породы, в другом - компонентов породы в восходящий по трещинным каналам раствор) несравненно эффективнее единственного альтернативного здесь диффузионного механизма, явление автосмешения растворов может рассматриваться как ведущий динамический фактор гидротермального рудообразования в вулканических депрессиях или как общая черта всех гидротермальных систем, отвечающих модели "рудовмещающие трещины - фильтрационно-неоднородные боковые породы" [Барсуков и др., 1977].

Гипотеза автосмешения гидротермальных растворов, разные порции которых фильтровались по разным трассам, позволяет объяснить схему рудной зональности месторождения как следствие изменения (по восстанию рудоконтролирующей трещинной зоны) общей интенсивности и пространственной локализации реакционно-обменных взаимодействий.

На уровнях растекания потока наиболее благоприятные условия для осаждения руд создавались на фронте нейтрализации растворов по внешним границам ореолов околотрещинной аргиллизации пород. Преимущественное развитие получали вкрапленные руды с максимальным (в вертикальном интервале динамического ритма) отношением Uп/Uж (см. рис.3.1).

На уровнях стягивания потока в секущую трещинную зону основные реакционные взаимодействия проходили непосредственно в ограниченном объеме трещинных проводников. Как следствие, преимущественное развитие получали руды трещинно-жильного типа с относительно минимальным в пределах ритма отношением Uп/Uж. Вероятно, именно автосмешение растворов, прошедших разные пути и ставших из-за этого разными по составу, обусловливает такое xopoшo известное явление, как обогащение жильных рудных тел под экранами малопроницаемых пород.

Поскольку каждый локальный акт автосмешения приводил к частичной нейтрализации исходного раствора, то общая интенсивность рудоотложения по мере продвижения потока к палеоповерхности депрессии постепенно снижалась.

Проведенный анализ палеогидродинамических условий рудообразования на изученном месторождении позволил сделать ряд выводов [Барсуков и др., 1977].

При пересечении рудоконтролирующими трещинами (трещинной зоной) фильтрационно неоднородных пород в системе трещинный канал - боковые породы развивается гидродинамическая структура фильтрационного обмена растворами. Если такая структура имеет периодический характер, то гидротермальная система функционирует в режиме автосмешения растворов.

Механизм конвективного автосмешения гидротермальных растворов способствует более интенсивному (сравнительно с возможностями диффузионного переноса) развитию в гидротермальной системе реакционно-обменных взаимодействий и тем самым значительно повышает потенциальную продуктивность такой системы.

В случае развития в гидротермальной системе режима автосмешения растворов палеогидродинамические условия рудообразования вносят решающий вклад в формирование зональности месторождения (закономерные изменения соотношений между жильными и вкрапленными рудами, местоположение богатых рудных столбов, изменения масштаба, морфологии и внутреннего строения околотрещинных метасоматитов и др).