Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Рис. 3.7. Схема поведения урана, свинца, серы и углекислоты в процессах изменения пород и образования рудных жил

В модели можно видеть три, по числу ритмов автосмешения, миграционных цикла рудных элементов (рис.3.7). Каждый из циклов начинается с извлечения из липарита U и Pb растворами, образующими ореолы кислотного выщелачивания - аргиллизации или серицитизации - и достигающими равновесия с неизмененной породой. Затем "рудные" концентрации урана (~7^.10^-6 m) и свинца (~7^.10^-5 m) перемещаются поровыми составляющими гидротермального потока к участкам, где траектории движения поровых растворов возвращают их в трещинную зону. Заканчивается каждый цикл осаждением металлов (в модели - практически полным) в жилах выполнения за счет реакций друг с другом поровых и трещинных составляющих единого потока гидротерм.

Образование жильных руд обусловлено в модели только внутрисистемным, ограниченном рамками разреза, перераспределением металлов. Сколько бы времени ни продолжалось движение через разрез восходящего потока исходно безрудных растворов неизменного состава А, столько же времени идет и разрастание (увеличение мощности и объема) ореолов кислотного выщелачивания пород, насыщение поровых составляющих этого потока U и Pb, перенос металлов в ограниченные отрезки трещинных зон и осаждение в них вместе с кальцитом, все новых и новых количеств галенита и настурана. Идет непрерывное перераспределение U и Pb из пород, где они рассеяны в кларковых количествах, в локальные объемы рудных тел, где содержания металлов возрастают по сравнению с кларками на 2-3 порядка. Таким образом, в модели воспроизведен "в чистом виде" процесс формирования гидротермальных жильных месторождения за счет рудных элементов вмещающих пород без привноса извне даже части металлов.

Автосмешение гидротерм, таким образом, может служить эффективным механизмом, обеспечивающим и сбор рассеянных в породе металлов, и "фокусировку" их миграции к гидродинамическим барьерам - локальным участкам наиболее интенсивного смешения трещинных и поровых составляющих гидротерм, и концентрирование металлов в рудных телах ограниченного объема.

"Рудоносные" поровые составляющие гидротермального потока термодинамически равновесны с неизмененным липаритом. Это значит, что концентрации всех компонентов в них, указанные в таблице 3.2, являются оптимумом, к которому стремятся составы растворов В, D и F в условиях, когда неизменны характерные для липарита соотношения главных и второстепенных минералов, когда ни те, ни другие не взаимодействуют с поровыми составляющими гидротерм.

Все поровые составляющие имеют щелочную реакцию (pH 7.20-7.22) и отличаются от исходного раствора А (и от всех производных от него трещинных растворов) значительно меньшими концентрациями CO₂, S, Са, Мg, Fe и Al, но более высокими концентрациями калия и натрия.

При неизменной (0.31 m), консервативной для модели концентрации Cl - нерасходуемого и неизвлекаемого компонента системы - в каждом ритме наблюдаются резкие сдвиги соотношений между Cl и CO₂. Если в растворе А отношение Cl/CO₂, составляет 0.31 и раствор этот является существенно углекислым, то в поровом растворе В это отношение возрастает до 2.76 и поровая составляющая потока приобретает существенно хлоридный состав. Такие же сдвиги отношения Cl/CO₂, можно видеть и из сравнения пар растворов С и D, Е и F (см. табл.3.2). Аналогичная тенденция прослеживается и в масштабе всей модели в целом снизу вверх по направлению генерального движения гидротермального потока. Из-за непрерывного расходования СО₂ при сохранности исходных количеств Cl, отношения Cl/CO₂, в трещинных составляющих потока увеличиваются от 0.31 в растворе А до 1.5 в конечном растворе G, а в поровых - от 2.7 в растворе В до 3.0 в растворе F.

Однако, несмотря на явное преобладание хлоридов в поровых составляющих гидротермального потока, высокая щелочность их предопределила нахождение главных масс урана и свинца в растворах В, D и F в форме карбонатных комплексов этих металлов.

При рассмотрении поровых составляющих гидротерм обращают на себя внимание высокие концентрации в них урана и свинца, а возможно, и других рудных элементов. Отношения мольных количеств U и Pb к мольным количествам почти всех породообразующих компонентов резко, на 1-6 порядков, сдвинуто в растворе В в пользу рудных элементов по сравнению с такими же отношениями в неизмененном липарите (табл.3.4). Такая особенность поведения рассеянных в породах металлов - легкая выщелачиваемость их растворами, открытая и доказанная Л.В.Таусоном [1961], к сожалению, еще не учитывается в должной мере в генетических построениях, и моделированием ее на ЭВМ нам хотелось бы вновь привлечь к ней внимание.

Поведение других компонентов гидротермальной системы также имеет ряд интересных особенностей. Так, извлечение К и Na поровыми составляющими гидротерм ослабевает от I ритма автосмешения к III (сравните концентрации К и Na в растворах В, D и Е; см. табл.3.2). Но потери К на образование следов мусковита в жилах трех ритмов все же намного меньше выщелачиваемой из породы массы его, а "вывода" Na из поровых растворов вообще нет. Поэтому общие концентрации К и Na к верхней границе модели возрастают по сравнению с исходными в растворе А в 4.4 и в 3.2 раза соответственно.

Концентрации других породообразующих компонентов наоборот уменьшаются от "ввода" их в рассматриваемую систему с раствором А и до "вывода" из нее с растворов G. Это относится к Са, Mg, Fe, Al, S и СО₂ (см. табл.3.2). Представляет интерес оценка масштабов расхода СО₂, Са и S в ореолах изменения пород и при отложении жильного материала на разных уровнях моделируемого месторождения. Такой расчет доли последовательных потерь трех важнейших компонентов, отнесенной к 1 кг Н₂О исходного раствора А, дан в таблице 3.5.

Рис. 3.8. Закономерное смещение по вертикали областей выщелачивания Pb и U из пород и областей осаждения галенита и настурана в жилах в масштабе всего месторождения (а) и в масштабах каждого ритма автосмешения (б)

Главная доля расходов СО₂, Са и S приходится на I ритм автосмешения (см. табл.3.5), т.е. на область взаимодействия с липаритом наиболее неравновесных с ним растворов, и к III ритму относительная убыль этих компонентов в растворах постепенно снижается. При этом в ореолах кислотного выщелачивания пород по модели в целом связывается углекислоты, кальция и серы больше, чем в жилах: СО₂,- в 25.6, Са - в 2.3, S - в 24.5 раза. Превышение это неодинаково во всех ритмах для каждого из компонентов и по-разному меняется для каждого из них по вертикали. Максимум отношения масс компонентов, связывающихся в метасоматитах, к их массам, осаждающимся в жилах, приходится у СО₂, на III ритм, у Са - на I, а у S - на средний.

Области (уровни, контуры или объемы) моделируемого месторождения, где происходит выщелачивание металлов из изменяющейся породы, явно смещены вниз (а в общем случае - навстречу движению потока гидротерм) по сравнению с областями рудоконцентрирования (рис.3.8). Так, извлечение Pb и U из липарита начинается в модели прямо от кровли самого нижнего из малопроницаемых эффузивных горизонтов, фактически - от нижней границы I ритма автосмешения. А нижняя граница оруденения тяготеет к подошве следующего по разрезу малопроницаемого горизонта пород, к верхам I ритма автосмешения. Соответственно, смещены относительно друг друга по вертикали и верхние границы обобщенного контура ореолов выщелачивания урана и свинца и настуран-галенитовых руд.

Такое же смещение наблюдается и в структурных элементах второго порядка, если вести речь о гидродинамической структуре рудообразующих потоков,- в каждом ритме автосмешения гидротерм (см. рис.3.8). Другими словами, и в масштабе модели в целом, и в масштабе ее частей воспроизводится обогащение гидротермальных растворов металлами в "подрудных зонах" месторождений и рудных тел. Такой случай был детально описан Вал.Л.Барсуковым [1974] на калбинских месторождениях кварц-касситеритовой формации. Аналогичным образом, "навстречу" генеральному направлению перемещения гидротерм сдвинуты в пространстве области выщелачивания из пород Со, Ni, Bi и ряда других рудных элементов по сравнению с областями осаждения их из растворов на "пятиметальных" месторождениях Рудных гор [Барсуков и др., 1967], а также области извлечения и отложения металлов на ряде других месторождений, перечисленных ранее.

По всей вероятности, надо допускать, что масштабы такого смещения, интервалы между областями выщелачивания металлов из породы и областями концентрирования их в рудных телах могут существенно варьировать - "сжиматься" до взаимопереходов одних областей в другие или "растягиваться" в пространстве вплоть до "отрыва" одних от других, когда поиск "областей питания" и установление генетических взаимосвязей между ними и областями рудоконцентрирования составит трудную задачу.

Следует остановиться еще на одном вопросе. В модели именно нижний ритм автосмешения отличается наивысшей продуктивностью. Это связано с принятыми нами условиями об одинаковом масштабе всех ритмов автосмешения и о сбалансированности растворообмена в каждом из них. В таком случае нижний ритм оказывается в самых "благоприятных" для массообмена условиях - именно в нем мы имеем растворы, наиболее далекие от равновесия с липаритом, в нем - самые интенсивные реакции растворов с породой и растворов с растворами. В природе может быть иначе. Так, реконструкция структуры гидротермального потока, формировавшего месторождение Чаули (см. раздел 3.1), показала, что наибольшей интенсивностью смешения трещинных и поровых составляющих потока гидротерм отличался самый верхний из трех ритмов автосмешения; именно этот верхний ритм характеризуется там и наибольшими значениями удельного выхода богатых жильных руд.

Рис. 3.9. Примеры характерных конфигураций линий тока при Р=1 (безразмерное давление) [Лаверов и др., 1995] Поток автосмешения оттесняет латеральный поток от подошвы пласта

Моделирование массообмена в системе "движущийся, исходно безрудный, гидротермальный раствор+порода, содержащая кларки U и Pb", обусловленного автосмешением гидротерм, показало, что такая система потенциально способна продуцировать рудные настуран- и галенитсодержащие жилы и сложенные ими месторождения. Как показано в модели, автосмешение гидротерм обеспечивает интенсивный "сбор" рассеянных (кларковых) количеств металлов из изменяющихся пород. Оно "фокусирует" перемещение выщелоченных металлов вместе с несущими их поровыми составляющими гидротермальных потоков в ограниченные объемы (интервалы) раствороконтролирующих трещин или трещинных зон. Автосмешение вызывает и осаждение, концентрирование металлов в локальных контурах рудных тел (или будущих рудных тел), формирующихся на гидродинамических барьерах. Иные, кроме автосмешения, механизмы, способные выполнить сразу три непременных условия, необходимых для образования месторождений из рассеянных металлов вмещающей среды - "извлечение" этих металлов из больших объемов пород (часто в "подрудных зонах"), направление фактически в "точку" миграции собранных растворами металлов и концентрированное осаждение металлов именно в этой "точке" трудно найти.

Еще одно обстоятельство требует комментариев. Несмотря на практически полное качественное соответствие результатов моделирования природному прототипу, "модель автосмешения все-таки не может служить исчерпывающим объяснением масштаба рудообразования ни на Чаули, ни на других структурно-подобных Чаули месторождениях в слоистых толщах" [Лаверов и др., 1995]. Главной причиной является неполнота модели автосмешения, принятой нами в свое время. В ней восходящий поток гидротерм искусственно вычленен из общей картины движения растворов в рудообразующей системе. Рассматривалось поступление растворов только по трещинным каналам снизу через подошву рудовмещающей липаритовой толщи. И предполагалось, что пластовые (поровые) растворы рудовмещающей липаритовой толщи на удалении от трещинной зоны остаются неподвижными. Поэтому в рамках модели только автосмешения нами не рассматривался потенциально более значимый (из-за значительного увеличения объема областей мобилизации рудных компонентов) для рудообразования процесс смешения генетически разных растворов.

В работе Н.П.Лаверова с соавторами [1995] построены численные гидродинамические модели взаимодействия разломного и послойного потоков растворов. На этой основе показаны несколько принципиально различных ситуаций во взаимодействиях этих потоков. Так возможны условия, когда поток фильтрации по одной из сопрягающихся структур (по разлому или пласту) подавляет поток растворов, продвигающихся по другой структуре. Но существует широкий диапазон условий, при которых в узлах сопряжения структур одновременно работают два гидродинамических механизма - автосмешения и смешения пластовых растворов с растворами восходящего потока (рис.3.9).

Наиболее благоприятной для проявления реакций типа "раствор-раствор" является гидродинамическая ситуация, при которой имеется замкнутый ритм автосмешения, но одновременно (выше него) происходит смешение восходящих по разлому растворов с растворами латерального потока поровых растворов липарита, дренируемого тектоническим разрывом [Лаверов и др., 1995]. При этом доля пластовых растворов в суммарном потоке, поступающем в трещины под малопроницаемыми горизонтами пород, может быть преобладающей. Если масштабы рудоотложения прямо зависят от массы притекающих в разлом пластовых растворов (эти растворы могут иметь состав поровых растворов В наших моделей), то максимальной концентрацией жильных руд будет отличаться участок разлома у кровли пласта; менее богатые жильные руды возникнут ниже на участке, где в разлом возвращаются растворы автосмешения. В нижней половине пласта около разлома могут образовывать бедные вкрапленные руды (механизмы описаны в наших моделях).

Для этой уточненной гидродинамической схемы нет необходимости строить дополнительные физико-химические модели, поскольку большинство геохимических следствий можно прогнозировать опираясь на расчеты, уже проведенных нами при исследовании модели автосмешения. Просто уточнение гидродинамической структуры потоков растворов в области рудоотложения позволяет снять ограничения в массе осаждаемого урана, которая в изолированном потоке автосмешения не могла быть большей, чем извлечено из ореолов аргиллизации липарита.