Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В разделе 3.1 показано, что из явлений автосмешения гидротерм логически вытекает ряд геохимических следствий, общих для гидротермального процесса в целом. Созданные алгоритмы и программы расчета на ЭВМ [Каpпов и др., 1976; Карпов, 1981; Шваров, 1976, 1982, 1995, 1999; Shvarov, 1992] гетерофазных многокомпонентных равновесий позволяют достаточно строго и всесторонне рассмотреть и проанализировать эти следствия на количественной основе, путем построения численных моделей массообмена, вызываемого автосмешением.

Моделируя физико-химические следствия автосмешения гидротерм, мы имели в виду не только Чаули. В континентальных вулканических покровах известно большое количество гидротермальных месторождений U-Мо-, Pb-Zn-, Hg-Sb- и других рудных формаций, имеющих много общего в геологическом строении и условиях образования [Смирнов, 1976; Барсуков и др., 1977; Сафонов и др., 1982]. Большинство из них тоже представлено крутопадающими жилами или совокупностями сближенных субпараллельных жил (трещинно-жильными зонами), секущими слоистые толщи эффузивов как одного и того же липаритового состава, так и варьирующего от базальтов до ультракислых пород. Важной чертой разреза рудовмещающих эффузивов каждого из месторождений является чередование в нем хорошо и плохо проницаемых горизонтов пород. Состав и соотношения рудных минералов в них различны, но среди жильных минералов в месторождениях обычно присутствуют карбонаты (на многих месторождениях они преобладают над другими жильными), кварц. Во вмещающих породах около жил и трещинно-жильных зон широко развиты ореолы кислотного выщелачивания эффузивов - аргиллизация их на одних месторождениях, серицитизация на других и т. д. По температуре образования все эти месторождения относятся к средне- и низкотемпературным классам. Обычно они характеризуются небольшой глубиной образования и условиями близкими к изотермическим.

Разумеется, каждое из месторождений названных формаций имеет, кроме общих для всех черт, те или иные индивидуальные особенности - разное число жил и пересекаемых ими горизонтов пород, разные мощности их и т. п. Чтобы эти индивидуальные, частные особенности не заслонили собой безотносительные к регионам и объектам принципиальные закономерности моделируемого рудообразования, мы исследуем его на условном схематизированном разрезе, сохраняющем узнаваемые черты реальных месторождений низко- и среднетемпературных рудных формаций. Исходя из реалий выбираются и граничные условия модели.

Геологическое строение условного месторождения показано на рисунке 3.4 разрезом вкрест простирания рудовмещающей (во время рудообразования - раствороконтролирующей) вертикальной трещинной зоны. Она задана прямолинейной, сохраняющей при моделировании одинаковую фильтрационную проводимость на всем интервале глубин, показанном на разрезе; будем считать, что этот интервал измеряется, как на реальных объектах, сотнями метров. В разрезе чередуются горизонты хорошо (и равно-) проницаемых пород одинаковой мощности и горизонты меньшей, но тоже равной друг другу мощности и проницаемости.

Рис. 3.4. Разрез условного месторождения и гидродинамические особенности формирующего его восходящего потока гидротерм

Гидродинамические условия рудообразования предопределены структурой месторождения. При неизменности фильтрационной проводимости трещинной зоны пересечение ею контактов разнопроницаемых пород вызывает в восходящем потоке гидротерм, контролируемом данной зоной, то ритмичные перетоки части растворов из трещинных каналов во вмещающую среду, то возврат растворов из пород снова в ту же трещинную зону (как показано в разделе 3.1). Структура месторождения вызывает самоорганизацию в восходящем потоке рудообразующих гидротерм также трех, как на Чаули, но здесь одинаковых по масштабу, ритмов автосмешения (см. рис.3.4). Принимаем, что в нижней половине каждого ритма поток гидротерм разделяется на равновеликие составляющие (такие соотношения реальны в природе [Барсуков, Пэк, 1980]) - трещинную и поровую, которые в верхней части каждого ритма вновь объединяются (в пропорции 1/1) в сосредоточенный трещинный поток. Моделирование при изменении этих соотношений будет отдельно оговариваться.

Состав вмещающих пород взят одинаковым для всех горизонтов разреза. Для его характеристики использован анализ туфа кварцевых порфиров месторождения Чаули (мас.%): SiO₂ 70.15; Al₂O₃ 13.65; Fe₂O₃ 3.1; FeO 1.07; MgO 0.42; СаО 0.58; К₂О 7.63; Na₂O 2.1; Н₂О 0.16. В состав туфа введены кларковые для него содержания урана (5^.10^-4%) и свинца (2^.10^-3%). Средний минеральный состав данного туфа (мас.%): кварц - 27.5, микроклин - 45.2, альбит- 19 (N7-10), мусковит (серицит) - 1.5, Mg-хлорит - 0.7, гематит - 3.1, эпидот, сфен, апатит, доломит - около 1.4%.

Температура и давление, при которых формируется месторождение, взяты равными 150^oС (моделируется изотермичный массообмен) и давлению насыщенного пара воды.

Жильные тела и околожильные метасоматиты модели не могут отразить всего разнообразия их на месторождениях средне- и низкотемпературных формаций. Мы ограничиваем здесь свою задачу расчетами условий образования в жилах преимущественно трехминерального - кальцит+галенит+настуран - парагенезиса; второстепенные минералы парагенезиса - кварц, мусковит (серицит), хлорит, пирит, гематит - тоже реальны для жил многих объектов. Чтобы исследовать большее число ситуаций, при которых формируются руды, раствор, начинающий движение вдоль трещинной модели, подобран предварительными расчетами таким, чтобы в первом ритме автосмешения гидротерм он вызвал аргиллизацию липарита (как описано в главе 2), а выше - мусковитизацию (серицитизацию) его. В этом - тоже сознательно заложенный элемент условности модели: на реальных месторождениях смена по вертикали типов кислотного выщелачивания пород вовсе не обязательна и даже не столь уж часта, но зато на одной модели мы сразу получаем сведения как бы о двух разных месторождениях.

Состав исходного раствора, поступающего снизу в пределы месторождения (вернее, его основной "солевой фон"), задан исходя из существующих представлений о химическом составе низко- и среднетемпературных гидротерм в целом. Валовые концентрации (здесь и далее - в моль/кг Н₂О или m) заданных его компонентов: Н₂СО₃ - 1.0; NaC1 - 0.1; СаС1₂ - 0.1; КС1 - 0.01; H₂S - 0.01. Этот раствор можно назвать базовым, поскольку с ним нами выполнено максимальное количество расчетов. Иные составы первичных растворов, исследованные в моделях массообмена, будут оговариваться дополнительно. Представляется, однако, маловероятным, чтобы в изучаемую систему мог поступать раствор, не реагировавший до этого с липаритом или с нижележащим андезитом хотя бы по стенкам трещин и не переработавший породы стенок в тот агрегат кварца и каолинита, которым сложена тыловая зона ореолов аргиллизации нижнего ритма автосмешения. Такой агрегат получен в расчетах при "взаимодействии" 1 кг базового раствора с 1 г липарита. И только раствор, уже равновесный с кварц-каолинитовым парагенезисом - мы именуем его далее раствором А (см. рис.3.4) - с несколько изменившимися концентрациями почти всех компонентов и содержащий теперь, кроме них, Si (насыщенный по кварцу), Al, Mg, Fe(II), Fe(III) и S(VI), принят исходным для модели, он и прослеживается расчетами вверх по разрезу. Раствор А безруден - указанные в нем следы U и Pb примерно на 5 порядков ниже концентраций этих элементов, считающихся обычными для рудоносных гидротерм, и появились они лишь при растворении части кларковых содержаний этих металлов при уравновешивании 1 кг базового раствора с кварц-каолинитовым парагенезисом, т.е. с массой породы в 1 г липарита. Раствор А имеет кислую реакцию - pH 3.38 (при 150^oС рН чистой воды составляет 5.8) и Eh= -0.168 В.

Рис. 3.5. Гидродинамические сетки фронтального восходящего потока растворов при изменении фильтрационных характеристик контролирующего вертикапьного разлома и вмещающих пород

Методика моделирования. В результатах расчетов по данной модели прослеживаются изменения, производимые раствором А при его движении вверх по разрезу, и эволюция состава самого движущегося раствора за счет процессов переуравновешивания, направленность которых ритмично меняется по ходу движения потока гидротерм.

На гипсометрических уровнях, где в соответствии с гидродинамической структурой потока он разделяется на трещинную и поровую составляющие, моделируется "работа" только последней - образование раствором А инфильтрационных ореолов кислотного выщелачивания липарита и изменение состава самой этой составляющей вплоть до выхода ее в гидротермально неизмененную породу и достижения равновесия с нею. Трещинная составляющая гидротерм, уже равновесная с тыловой зоной метасоматитов каждого из ритмов автосмешения, движется вверх от уровней растекания потока, уже не реагируя с породой и не изменяя исходный (для каждого ритма свой) состав.

На гипсометрических уровнях, где по гидродинамическим причинам смешиваются (объединяются в сосредоточенный поток) равновеликие или иные массы трещинной и поровой составляющих гидротерм, моделируются взаимодействия двух растворов уже разного состава, и образование минерального осадка в трещинных полостях, формирование растворов смешения, перемещающихся после этого вверх, в пределы следующего ритма.

Инфильтрационный метасоматоз на уровнях растекания потока гидротерм моделируется методом "проточных ступенчатых реакторов" (обычно 7-10 реакторов с увеличивающейся массой породы). Гетерофазная 14-компонентная система (Н, O, К, Na, Са, Mg, Fe, Al, Si, С, Cl, U, Pb, S) описана 69 частицами раствора (в том числе 17 рудных - Pb²⁺, PbOH⁺, PbCl^-, PbCl₂, PbCl₃^-, PbCl₄^2-, PbCO₃, Pb(CO₃)₂^2-, UO₂²⁺, UO₂(OH)⁺, UO₂(OH)₂, (UO₂)₂(OH)₂²⁺, UO₂SO₄, UO₂(SO₄)₂2-, UO₂CO₃, UO₂(CO₃)₂^2-, UO₂(CO₃)34-) и 36 твердыми фазами, список которых, принятые для них значения свободной энергии Гиббса и источники термодинамической информации сведены в таблицу 3.1 (работа выполнена до создания базы термодинамических данных UNITHERM).

Гидродинамические условия рудообразования предопределены структурой нашего условного месторождения (рис.3.4). Однако следует иметь в виду, что гидродинамические эффекты растекания и стягивания течения могут развиваются и за счет изменения по пути движения потока проницаемости контролирующего нарушения. Типовые гидродинамические сетки, полученные аналоговым моделированием автосмешения гидротермального потока при периодическом изменении проницаемости контролирующего нарушения или вмещающих пород, приведены на рисунке 3.5 [Сафонов и др., 1982; Барсуков и др., 1984].