Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В модели последовательно, от одного уровня разреза к другому рассматриваются события, происходящие при стационарном поступлении снизу, по трещинной зоне, сосредоточенного потока исходного раствора А и вызываемые его восходящим движением.

Рис. 3.6. Зональность ореолов кислотного выщелачивания липарита в I-III ритмах автосмешения гидротерм

По условию, над кровлей нижнего малопроницаемого горизонта одна половина гидротермального потока продолжает фильтроваться по трещинной зоне и не изменяет свой исходный состав А (табл.3.2). Другая половина потока растекается здесь в стороны от трещинной зоны, реагирует с липаритом, и должна образовать в нем ореолы инфильтрационной аргиллизации и постепенно увеличивает затем мощность этих аргиллизитов. Метасоматическая зональность ореолов, полученная при моделировании, показана на рисунке 3.6. Тыловая зона колонки аргиллизации представлена кварц-каолинитовым агрегатом (49.4 и 42.6 мас.% соответственно) с довольно высоким (7.8%) содержанием пирита, следами графита - продукта восстановления здесь небольшой доли углекислоты - и исчезающе малыми количествами галенита (<0.002%) и настурана (<0.0005%). В следующей зоне колонки каолинит сменяется мусковитом (33-35%), возрастает до ~56% содержание кварца, исчезает пирит, но появляются гематит и Fe-хлорит; на эту зону приходится и максимум карбонатизации измененных пород. Далее, в новой метасоматической зоне, становится устойчивым микроклин и резко падают содержания кварца, мусковита и карбонатов, а в самой внешней зоне колонки возрастает до нормального для липарита содержание альбита и появляются небольшие количества вторичных эпидота и талька ("химического аналога" Мg-хлорита).

Изменяя липарит, растекающаяся часть исходного раствора сама последовательно меняется от одной зоны метасоматической колонки к другой до тех пор, пока, выйдя за внешний фронт ореола аргиллизации, не приобретает новый состав В (см. табл.3.2), равновесный с неизмененным липаритом. Раствор В, остающийся непременной составной частью общего потока гидротерм и подчиняющийся гидродинамической структуре всего этого потока - фильтрующийся по криволинейным трассам от внешнего фронта ореолов аргиллизации и возвращающийся в трещинную зону у верхней границы ритма автосмешения - имеет уже щелочную реакцию (pH 7.2) и содержит иные количества всех компонентов, кроме Cl и Si. Причины этих изменений понятны. В частности, связывание в карбонатах и пирите СО₂ и S привело к уменьшению концентрации этих компонентов в растворе В по сравнению с исходным почти на порядок. С границей пирит - гематит в колонке аргиллизитов совпадает практически полное окисление S(II) до S(VI) в растворах, формирующих эту колонку и локально равновесных с последовательными ее зонами (парагенезисами)⁶. Сдвиги концентрации других растворенных компонентов отражены в таблице 3.2, а некоторые причины их (расход Са, Mg, Fe и т.д.) видны из сравнения этой таблицы с рисунком 3.6.

Среди твердых фаз внешней зоны аргиллизита и в неизмененном липарите расчетом фиксируются UO2(к) и PbCO3(к), растворимостью которых регулируются концентрации U и Pb в растворах, фильтрующихся через внешний фронт аргиллизитов и приходящих в равновесие с неизмененной породой. По сравнению с исходным раствором А концентрация Pb в растворе B возросла на 4 порядка, а концентрация U - на 7 порядков до значений 7.3^.10^-5 и 7.6^.10^-6 m, соответственно. Таким образом, поровая составляющая общего потока гидротерм становится в нижнем ритме автосмешения рудоносной благодаря выщелачиванию кларковых количеств металлов при метасоматическом изменении вмещающей среды.

Возвращение поровой составляющей (В) потока гидротерм в трещинную зону и смешение ее в пропорции 1/1 с раствором А, фильтровавшимся по этой зоне и сохранившим свой исходный состав, формирует в верхней части ритма автосмешения сосредоточенный поток нового слабокислого раствора С (см. табл.3.2) и вызывает в трещинной зоне осаждение кальцит-галенит-настуранового⁷  парагенезиса, содержащего также небольшие количества кварца, мусковита и следы пирита. Другими словами, это автоматическое смешение двух составляющих восходящего потока ведет к образованию кальцит-настуран-галенитовой жилы выполнения. В таблице 3.3 показаны процентные соотношения между осаждающимися в жиле минералами и удельный выход этих минералов в расчете на 1 кг Н₂О исходного раствора⁸ . Поскольку в реальных случаях трещинная зона часто построена множеством сближенных трещин, то при среднем для нее смешении равновеликих масс трещинной и поровой составляющих потока гидротерм в отдельных трещинах этой зоны могут складываться и иные пропорции реагирующих растворов; в таблице 3.3 на примере I ритма автосмешения показана зависимость состава жильных парагенезисов от пропорций смешивающихся растворов А и В.

Обращает на себя внимание полнота осаждения урана и свинца: по сравнению с рудоносным поровым раствором В концентрация этих металлов в итоговом для I ритма растворе С упала на 6 порядков и можно говорить поэтому, что в пределы следующего II ритма автосмешения поступает снизу сосредоточенный поток снова безрудного раствора.

Растекание в стороны от трещинной зоны половины потока растворов С вызывает в нижней половине II ритма образование и разрастание со временем ореолов мусковитизации (серицитизации) липарита, зональность которых видна на рисунке 3.6, а также постепенное изменение состава растекающейся части растворов от С до D (см. табл.3.2), опять равновесного с вмещающей средой. Раствор D приобретает практически столь же высокие концентрации урана и свинца за счет изменения липарита, что и поровый раствор I ритма. Видим, что поведение рудных элементов и при аргиллизации, и при серицитизации липарита оказывается в модели принципиально одинаковым - в том и другом случае безрудные слабокислые растворы, иницирующие формирование ореолов кислотного выщелачивания пород, выходя за пределы этих ореолов обогащаются ураном и свинцом и становятся рудоносными составляющими общего потока гидротерм.

Взаимодействие друг с другом С- и D-составляющих гидротермального потока (см. рис.3.4) продуцирует в трещинной зоне у верхней границы II ритма новый безрудный раствор Е (см. табл.3.2) и ведет к заполнению нового отрезка трещинной зоны кальцит-галенит-настурановым парагенезисом (см. табл.3.3).

В III ритме фактически повторились все события предыдущего. Растекание из трещинной зоны части безрудного раствора Е стало причиной образования и далее - разрастания ореолов серицитизации липарита (см. рис.3.6) над кровлей третьего снизу горизонта слабопроницаемых пород. За счет реакций с липаритом эта часть растворов изменяется до равновесного с породой состава F (см. табл.3.2) и, как в первых двух ритмах, выщелачивает U и Pb липарита, снова становясь рудоносной составляющей потока гидротермальных растворов.

Смешение равновеликих масс трещинной Е и поровой F составляющих гидротерм в верхней половине III ритма генерирует стационарный сосредоточенный поток конечного для модели снова безрудного раствора G (см. табл.3.2) и осаждение вместе с кальцитом практически всего количества урана и свинца, "подававшегося" в трещинные полости раствором F из вмещающих пород (см. табл.3.3).

Таковы структура и суть рассчитанной модели. В ней все геохимические события рассматриваются последовательно, от "ввода" безрудного исходного раствора А через нижний обрез разреза (месторождения), ступень за ступенью вверх, вплоть до "вывода" через верхнюю границу разреза (месторождения) тоже безрудного конечного раствора G. Все события, о которых шла речь, в действительности являются синхронными друг другу, непрерывно и одновременно протекающими сразу на всех уровнях рассматриваемого разреза пока длится рудная стадия минералообразования (или, точнее, пока в этой стадии сохраняется гидродинамическая структура потока растворов, изображенная на рисунке 3.4). Фактически мы "ведем" расчетами вверх по разрезу единичный объем раствора А, условно как бы вычлененный из всего гидротермального потока в какой-то момент времени. И когда последовательным решением задач массообмена мы "доводим" этот единичный объем (единичную массу) раствора до верхней границы разреза и находим конечный продукт реакций в модели - раствор G, через нижнюю границу разреза успевает поступить неизмеримо большее количество аналогичных порций раствора А, отстающих от рассмотренной нами на разное время и на разное расстояние. Другими словами, когда пределы разреза покидает вычлененная из стационарного потока гидротерм порция раствора, достигшая состава G, подобные же по объему или массе порции раствора движутся на всех уровнях разреза (какая-то часть их, имея уже составы Е, приближается к верхнему обрезу месторождения, какая-то только начинает изменять свой состав от А до В у нижней границы месторождения), везде повторяя "работу" и судьбу единичного объема (единичной массы) раствора, прослеженную в модели.

⁶ За счет реакции по схеме: S(II)р-р +Fe(III)липарит S(VI) р-р +Fe(II)Fe-хлорит метасоматитов
⁷ Как видно из таблицы 3.1, в данной работе учитывается (в липарите и жилах) только одна урановая твердая фаза - UO₂(к).
⁸ При формировании метасоматитов растворы теряют часть Н2О на гидролиз породообразующих минералов липарита - из-за этого в растворе С, например, остается 97.86% воды, введенной в модель с раствором А. Поэтому для сравнимости значений удельного выхода осадка они везде (во всех ритмах и при всех соотношениях смешивающихся растворов) даются в расчете на 1 кг Н₂О исходного раствора А.