Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В серии из 7 моделей задавались постоянными "фоновые" концентрации СО₂ (1.0), NaCl (0.1), CaCl₂ (0.1), KCl (0.01) и последовательно уменьшались концентрации H₂S: 0.1 (модель 8); 0.01 (базовая модель 1); 0.001 (модель 9); 0.0003 (модель 10); 0.0001 (модель 11); 0.00003 (модель 12); 0.00001 m (модель 13).

На примере базовой модели было показано, что при формировании ореолов кислотного выщелачивания происходит окисление S(II) фильтрующегося через измененную породу раствора и параллельно с этим смена пирита гематитом в парагенезисах твердых фаз, локально равновесных с раствором на его пути от питающей трещинной зоны до неизмененного липарита. Так же обстоит дело и во всех других рассмотренных выше моделях с неизменявшейся (0.01) исходной концентрацией H₂S в растворах А.

В данной серии моделей при уменьшении количества вводимого в систему сероводорода частичное или полное окисление его до сульфата происходит уже на стадии уравновешивания "фоновых растворов" с внутренней зоной аргиллизитов, т.е. при стандартной процедуре расчета взаимодействия "фоновых растворов" с 1 г липарита.

Имея ввиду это окисление, можно разделить на 3 группы растворы А семи новых моделей, равно как и парагенезисы внутренних зон аргиллизитов I ритма автосмешения. К первой из них относятся растворы А8, А1 и А9 с высокими исходными концентрациями S(II), по сути дела близкими к валовым концентрациям суммарной серы, и относительно низкими (в растворах А8 и А1) концентрациями Fe. В равновесии с этой группой растворов сосуществуют парагенезисы внутренних зон аргиллизитов, в составе которых 4 минерала: кварц, каолинит, пирит и следы графита; содержание пирита yбывaeт от 7.8 мас.% в модели 8 до 4.7% в модели 9. Ко второй группе можно отнести растворы А10 и A11 с валовыми концентрациями S, равными (3-1)^.10^-4 m, соизмеримыми количествами сульфидной и сульфатной серы и относительно высокими концентрациями Fe (находящегося в растворе в форме хлоридных комплексов). В равновесных с ними парагенезисах твердых фаз продолжает уменьшаться и затем (при S=10^-4 m) исчезает совсем пирит, но образуется (начиная с S=10^-3 m, еще совместно с пиритом) Fe-хлорит. К третьей группе следует отнести растворы А12 и А13 с минимальными концентрациями S. Сера, введенная в систему в виде сероводорода, практически полностью окислена в этих растворах до сульфата; концентрация Fe - выше 10^-5 m. В равновесии с растворами А12 и А13 в кварц-каолинитовых парагенезисах тыловых зон аргиллизитов уменьшается содержание Fe-хлорита, но растет содержание гематита, появившегося в этом парагенезисе.

Таким образом, в данной серии моделей в пределы разреза поступают снизу три отличающиеся друг от друга группы исходных безрудных растворов А, что не может не отразиться на составе образуемых ими метасоматитов и жильных тел.

В низах I ритма автосмешения растворами А всех семи моделей формируются аргиллизиты той же, в целом, зональности, что и в базовой модели (см. раздел 3.3.1). Различия, связанные с существованием выделенных групп растворов А, касаются только содержания и ширины ореолов выделения в аргиллизитах разных минералов железа. С падением валовой концентрации серы в растворах А (и вместе с тем исходной концентрации H₂S) уменьшается интенсивность и ширина ореолов пиритизации аргиллизитов: в модели 8 пиритизация охватывает кварц-каолинитовую и кварц-мусковитовую зону, а в модели 9 - лишь самую внутреннюю часть кварц-каолинитовой тыловой зоны.

Рис. 3.12. Схема поведения U, Рb, Fe, S и CO2 в процессах кислотного выщелачивания липарита и образования рудных жил двух ритмов автосмешения модели 11

В аргиллизитах, сформированных растворами А второй группы (~10^-3-10^-4 m S), преобладающим минералом железа в тыловых метасоматических зонах является Fe-хлорит (дафнит), а в аргиллизитах, образованных растворами с наименьшим содержанием S, начиная с тыловой зоны и до неизмененного липарита, среди твердых фаз устойчивы Fe-хлорит и гематит.

Сера аргиллизирующих растворов расходуется только на образование пирита, и этот расход уменьшается со снижением исходных валовых концентраций серы (и концентраций H₂S соответственно). В модели 8 (Sисх= 10^-1 m) к внешнему фронту аргиллизитов в растворе остается только 0.3% исходного количества серы, в модели 1 (Sисх= 10^-2 m) остается ~4% cepы. В моделях с Sисх 3^.10^-4 m потерь серы не происходит.

Растворы В всех моделей отличаются удивительным однообразием. Даже валовые концентрации S (здесь представленные только сульфатной серой), несмотря на значительно большие различия исходных количеств этого компонента в растворах А, измеряются величинами, лежащими в интервале между 3^.10^-4 и 10^-5 m. В отличие от растворов А концентрации Fe(III) в поровых растворах превышают концентрации Fe(II). Не отразилась разница в исходном составе растворов и на рудоносности растворов В: все они содержат по 7^.10^-5 m Pb и по 8^.10^-6 m U.

При смешении трещинных и поровых составляющих гидротерм в верхах I ритма формируется раствор состава С и происходит заполнение трещинных полостей жильным материалом (рис.3.12). Преобладающим минералом жильных тел является кальцит, на долю которого приходится, как и в базовой модели, до 99% их массы. Поведение Fe, Рb и U при образовании жильных парагенезисов определяется составом трещинных растворов А - концентрацией в них сульфидной серы, идущей на осаждение пирита и галенита и на восстановление (а тем самым и на осаждение тоже) шестивалентного урана рудоносных поровых растворов (табл.3.8). Растворы А первой группы, реагируя с трещинными растворами В, образуют осадок с удельным (на 1 кг Н₂О исходных растворов) выходом в него 8.7 мг галенита, 1 мг настурана и до 1.7 мг пирита. Сульфидной серы растворов А хватает в данном случае на осаждение галенита и пирита, на восстановление U(VI) и выделение настурана. Полнота осаждения Рb и U здесь практически равна 100%. Много сульфидной серы остается и в равновесном с осадком растворе С - почти 100% в модели 8; 97.4 % в модели 1 (базовой); 42.4% в модели 9 от общего количества S(II), поступавшего в область смешения.

Рис. 3.13. Смена минералов железа в жильных телах трех ритмов автосмешения

Растворы А второй группы дают в жилах осадок без пирита с постепенно уменьшающимся удельным выходом галенита (до 4.75 мг в модели 11), сохраняющимся неизменным удельным выходом настурана (1 мг) и небольшим выходом Fe-хлорита.

Сульфидной серы растворов А здесь достаточно для осаждения настурана, но уже не хватает на образование пирита и на полное осаждение свинца. В растворах С моделей 10 и 11 преобладает сульфатная сера - так, например, в растворе C11 (S=10^-4 m) концентрация S(VI) равна 8^.10^-5, а S(II) только 2.4^.10^-8 (см. рис.3.12). С раствором C11 данной модели уходит за пределы I ритма 45.7% Pb, поступающего в область реакций трещинной и поровой составляющих гидротерм (полнота осаждения Рb составляет 54.3%); уран осаждается практически полностью.

Растворы А третьей группы образуют при смешении минеральный осадок без пирита и галенита - отсутствие S(II) в этих растворах не только сделало невозможным образование сульфидов, но и привело к смене восстановителя, обеспечивающего осаждение урана. В моделях 12 и 13 таким восстановится вместо сероводорода является двухвалентное железо, концентрация которого в смешивающихся растворах в 4 раза выше концентрации урана. Осаждение настурана сопровождается в этих моделях снижением концентрации Fe(II) смешивающихся растворов - от 1.5^.10^-5 до 7^.10^-6 m в модели 12 и до 5^.10^-6 m в модели 13 и выделением эквивалентных масс гематита в парагенезисе с настураном (мольное количество гематита или равно количеству UO_2(к), или несколько превышает его). Полнота осаждения урана начинает в этих моделях постепенно уменьшаться - так в растворе С12 остается 3%, а в растворе C13 около 6% урана, привнесенного в область смешения растворами В12 и В13.

Вверх по разрезу, во II и III ритмах моделей, проявляются те же закономерности, которые только что описаны для I ритма, поскольку в каждой модели от ее нижней границы к верхней всегда уменьшается валовая концентрация серы в растворах и особенно концентрация сероводорода. Уменьшение концентрации S(II) в восходящих растворах ведет к смене пирита Fe-хлоритом и, затем, гематитом во внутренних зонах ореолов кислотного выщелачивания пород и к смене ассоциации галенит+настуран+пирит сначала ассоциацией галенит+настуран+Fe-хлорит, в которой начинает снижаться содержание галенита и, наконец, ассоциацией настуран+Fe-хлорит+гематит в жильном выполнении. Разница между моделями заключается только в том, на каком из гипсометрических уровней проходят в них границы указанных ассоциаций. При высоких концентрациях растворенного H₂S в моделях 8 и 1 пирит-содержащие парагенезисы (своего рода "пиритовая зона" вертикальной зональносты месторождения) растягиваются на все 3 ритма автосмешения. В модели 9 пиритовая ассоциация развита только в пределах нижнего I ритма, а выше сменяется дафнит-содержащими парагенезисами; в III ритме этой модели уже в 3 раза падает (по сравнению с базовой моделью или с I ритмом этой же модели 9) удельный выход галенита и полнота осаждения Pb снижается до 30%. При еще меньших исходных концентрациях серы (и H₂S) граница выделения галенита опускается до верхов I ритма - скажем, в модели 11 с Sисх= 10^_-4 m галенит уже не выделяется в жилах II ритма, но в них идет еще 100%-ное осаждение урана и осаждение в парагенезисе с настураном гематита. При минимальных количествах серы в растворе и практическом отсутствии в них сероводорода последняя ассоциация (настуран+гематит+дафнит) образуется в моделях 12 и 13 уже в пределах самого нижнего ритма автосмешения (рис.3.13).

В целом и "по горизонтали" (в пределах одного нижнего ритма автосмешения), и "по вертикали" (от нижней границы месторождения к верхней) уменьшение концентрации H₂S в исходных растворах, при прочих равных условиях, вызывает: а) последовательную смену минералов железа - пирита дафнитом и затем гематитом - в тыловых зонах ореолов кислотного выщелачивания липарита; б) смену галенит-настуранового с пиритом парагенезиса рудных минералов карбонатных жил выполнения на настуран-гематитовый; в) смену одного восстановителя урана (H₂S) другим Fe(II) и связанное с этим разделение извлекаемых из пород урана и свинца - продолжение почти полного осаждения в жилах первого из них и полный вынос за пределы месторождения (или ритма автосмешения) второго.