Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В процессе работы над основной моделью рудообразования в фильтрационно-неоднородной, но химически одинаковой вмещающей среде (прототип - месторождение Чаули, разделы 3.1-3.4) были получены модели, которые не имели напосредственного отношения к моделируемому объекту, но представляют несомненный интерес для понимания явлений (иногда локального характера), часто встречающихся на различных гидротермальных месторождениях.

Рассмотрев главные результаты расчетов базовой модели, мы проанализировали только часть вопросов, связанных с геологически реальными вариантами условий формирования жильных парагенезисов. Геологически вероятны разные случаи смешении растворов на участке стягивания потока гидротерм в трещинные проводники. Частым и наиболее простым случаем является "чистое" смешение и взаимодействие друг с другом химически различных порций единого потока гидротерм - растворов A''¹⁰ и В в свободном пространстве трещинного канала, практически без непосредственного участия в реакциях твердых фаз породы, слагающей здесь стенки трещинного канала (рис.3.19а). Такое смешение - единственно возможный вариант массообмена в условиях, когда фильтрация возвращающегося в трещину "отработанного" раствора В полностью подавляет встречную диффузию компонентов раствора А'', т.е. в условиях, когда нормальная по отношению к стенке трещины составляющая вектора фильтрации раствора В (Vф (В) на рис.3.19а) заведомо больше встречной составляющей вектора диффузии любых компонентов раствора А'' (Vд (А'') на рис.3.19). Ток раствора В, равновесного с липаритами, продолжается в этом случае вплоть до втекания этого раствора в полость трещинного канала и не вызывает поэтому образования здесь каких бы то ни было гидротермальных изменений вмещающих пород. Все твердые продукты реакций между растворами А'' и В отлагаются при таком смешении только в полости трещинного канала и постепенно заполняют ее, формируя жилу выполнения в относительно неизмененном липарите.

Рис. 3.19. Геологически реальные случаи массообмена у верхней границы ритма автосмешения

Когда стенки трещинного канала интенсивно раздроблены (разрыхлены) предрудными тектоническими подвижками, смешение растворов А'' и В может начинаться в микротрещинах или в порах призальбандовой полосы липарита, сообщающихся с основным трещинным каналом, в присутствии и при участии в реакциях твердых фаз раздробленной породы (рис.3.19б). При таком смешении часть новообразованных минералов имеет возможность осадиться в трещиноватой призальбандовой полосе и образовать вдоль основного трещинного канала ореолы видимого гидротермального изменения липарита.

Мощность этих ореолов, а также полнота переработки липарита в них, видимо, не могут быть значительными, поскольку определяющей гидродинамической предпосылкой массообмена и в этом случае остается направленный к трещинному каналу ток растворов В, равновесных с вмещающей средой. На смешение в дробленой околотрещинной полосе пород расходуется несущественная часть растворов А'' и В; само собой разумеется, что, если на участке стягивания потока гидротерм объединяются более или менее равновеликие массы этих растворов, главным полем обменных реакций между ними остается свободное трещинное пространство и что именно в нем накапливаются основные количества твердых продуктов массообмена, принципиально не отличающихся от образующихся при "чистом" смешении.

Следует иметь в виду еще один случай смешения. Нередко трещинный канал, организующий и направляющий восходящий поток гидротерм, представляет собой сколовое нарушение и бывает заполнен при своем образовании продуктами механического измельчения вмещающих пород. В таком случае раствор А'' неизбежно реагирует с рыхлым алюмосиликатным материалом и образует в самом сколе такую же колонку кислотного выщелачивания липарита, как и вокруг трещинного канала на участке растекания из него гидротерм. Но эта колонка в сколовом нарушении намного более растянута по направлению движения растворов, снизу вверх, из-за несравненно большей скорости фильтрации их в рыхлом внутрисколовом материале. От скорости движения растворов вверх по сколовому нарушению зависят и общая длина по восстанию развивающейся в сколе колонки кислотного выщелачивания, и длина (мощность) по вертикали каждой из метасоматических зон этой колонки. От скорости движения растворов по сколу зависит и число метасоматических зон в этом нарушении, "умещающихся" в пределах одного ритма автосмешения при неизменном масштабе самого ритма. Поэтому в рассматриваемом нами ритме автосмешения раствор В, возвращаясь в сколовое нарушение у верхней границы ритма, в принципе может "накладываться" на любую из зон растянутой вверх по сколу колонки кислотного выщелачивания и реагировать здесь с твердыми фазами данной зоны и с движущимся по сколу раствором, равновесным с минеральной ассоциацией именно этой зоны и имеющим состав, уже отличный от исходного для ритма раствора А''. На рисунке 3.19в показаны три возможных варианта такого смешения: наложение раствора В на кварц-каолинитовую зону внутрисколовой колонки и равновесный с нею раствор А'' (1), наложение раствора В на кварц-серицитовую зону внутрисколовой колонки и равновесный с нею раствор (2) и наложение раствора В на кварц-серицит-микроклиновую зону внутрисколовой колонки и равновесный с нею раствор (3).

"Чистое" смешение. Результаты "чистого" смешения зависят от соотношения масс растворов А'' и В, взаимодействующих друг с другом в свободном пространстве трещинного канала. Данные расчетов по чистому смешению мы уже приводили в разделе 3.3.1 (см. табл.3.3, рис.3.7 и др.), где была показана возможность формирования кальцит-настуран-галенитовых жил с максимальной продуктивностью при росте доли раствора B в реакционной смеси, т.е. при отношениях A/B от 1/1 до 2/8. При этом предполагалось, что смешение растворов с заданным соотношением масс происходит как бы "в одной точке" или на одном локальном интервале трещинного канала. Такой подход позволяет определить средний состав жильного материала (табл.3.12). Если учесть неравномерность удельного притока в трещинный канал раствора B (как показано на эпюре перетока растворов, рис.3.4б), то можно оценить динамику изменения состава осадка по восстанию на всем интервале смешения растворов А и В. Такой вариант расчетов, для равновеликих масс растворов смешения, был нами выполненен. Область стягивания поровых растворов в трещину была разделена на четыре ленты тока, различающихся по массе раствора В (10% раствора В в нижней четверти и выше до 40%). Интервал смешения был представлен четырьмя проточными ступенчатыми реакторами, где происходило последовательное отложение жильных минералов и изменение состава равновесного раствора. Из данных таблицы 3.12 видно, что наиболее богатые руды могут образоваться в нижней части интервала смешения. Валовые же составы минерального осадка модели с одним или четырьмя реакторами в зоне смешения практически идентичны. Одинаковый состав имеют и результирующие растворы С.

Смешение в околотрещинных полосах дробления липарита. Смешение растворов разного состава в призальбандовых полосах механически раздробленного или интенсивно трещиноватого липарита еще до выхода главной массы раствора В в основную трещинную полость приводит в нашей модели к окварцеванию и мусковитизации (серицитизации) этих полос дробления пород.

Как следует из таблицы 3.13, интенсивность окварцевания и мусковитизации околотрещинных пород зависит от степени промывания их смешивающимися растворами, а последняя в свою очередь прямо связана, очевидно, со степенью разрыхления призальбандовых полос липарита¹¹.

При слабом разрыхлении (и промывании) липарита (последние три колонки табл.3.13) в измененных породах сохраняются заметные количества микроклина и альбита и по составу они близки к составу самой внешней зоны колонки кислотного выщелачивания липарита или даже относительно неизмененного липарита. При интенсивном дроблении и промывании призальбандовых полос липарита (первые три колонки табл.3.13) они приобретают состав, аналогичный кварц-серицитовой зоне колонки кислотного выщелачивания. При любом разрыхлении призальбандовых полос липарита соотношения между смешивающимися растворами будет по мере приближения к стенке основного трещинного канала несколько меняться в пользу раствора А''. Обычно и интенсивность разрыхления, а значит, и промывания призальбандовой полосы пород также резко возрастает с приближением к стенке главного нарушения. Сложение этих двух эффектов может привести к появлению зональности в образующихся полосах околотрещинного изменения липарита и при таком типе смешения растворов А'' и В: внешняя зона ореолов может быть сложена, например, ассоциацией задачи 10, средняя - ассоциацией задачи 7 (или ассоциацией, промежуточной между данными задач 7 и 8), а внутренняя - ассоциациями задач 5 или 6.

Однако главные массы растворов А'' и В и в этом случае должны смешиваться и реагировать друг с другом в свободном трещинном пространстве и так же, как и при "чистом" смешении, заполнять трещину твердыми продуктами массообмена, прежде всего карбонатами.

Смешение растворов в сколовом нарушении. При моделировании массообмена, обусловленного возвратом растворов В в сколовое нарушение, мы рассчитывали равновесия только для случаев смешения их с растворами каждой из зон внутрисколовой колонки в пропорции 1/1 и в присутствии и при участии в реакциях твердых фаз этих зон. Результаты расчетов представлены в таблице 3.14.

Как следует из таблицы 3.14, существенные изменения состава минеральных агрегатов, заполнявших сколовое нарушение, произошли только в одном случае - при наложении растворов В на кварц-каолинитовую зону внутрисколовой колонки (см. В(1) на рис.3.19). Вместо агрегата минералов, свойственного данной зоне, на участке смешения растворов образовался агрегат кварца и мусковита (серицита), отвечающий следующей зоне колонки кислотного выщелачивания липарита.

Изменение соотношения между раствором В и раствором, движущимся по сколовому нарушению, в пользу последнего приведет к тому, что возврат в трещинный канал раствора В еще меньше отразится на составе существующих в сколе минеральных ассоциаций, чем это показано в таблице 3.14, поскольку в каждой из зон внутрисколовой колонки будет при этом преобладать раствор, равновесный с твердыми фазами данной зоны. Наоборот, сдвиг соотношений между смешивающими растворами в пользу раствора В несколько усилит преобразование минерального состава материала, заполняющего сколовое нарушение, увеличит в этом материале содержание минералов, характерных для внешних зон колонки кислотного выщелачивания липарита.

Что касается раствора С, образующегося за счет реакций в сколовом нарушении у верхней границы ритма автосмешения гидротерм, то он заметно отличается по составу от растворов, возникавших при "чистом" смешении растворов А'' и В.

Моделирование возможных случаев взаимодействия растворов, прошедших в пределах ритма автосмешения разные пути и из-за этого ставших химически отличающимися друг от друга, позволило нам определить состав трех продуктов массообмена, обусловленного этим взаимодействием, у верхней границы рассматриваемого ритма автосмешения. Два продукта из трех статичны, остаются на месте своего формирования: это, во-первых, минеральные ассоциации, образующиеся в пределах трещинного канала, и, во-вторых, маломощные околотрещинные ореолы гидротермального изменения липарита, если они вообще возникают на данном участке ритма. Третий продукт динамичен - это раствор С, получающийся здесь же в процессе массообмена и непрерывно выводящийся из рассматриваемого участка уже за пределы ритма автосмешения.

Состав трещинного выполнения у верхней границы ритма автосмешения гидротермальных растворов в основном зависит от природы самого трещинного канала, контролирующего поток гидротерм в пределах исследуемого ритма, от того, является ли он свободной трещиной отрыва или же представлен сколовой трещиной, в той или иной степени заполненной кластическим алюмосиликатным материалом.

Главным итогом смешения растворов А'' и В в открытых трещинных полостях является последовательное (очевидно, крустификационное) заполнение этих полостей карбонатами, в парагенезисе с которыми осаждаются резко подчиненные количества кварца, мусковита (серицита) и железистого хлорита. На долю этих второстепенных минералов при соотношении смешивающихся растворов А''/B = l приходится в сумме всего 0.7% общей массы отлагающегося в трещине материала. Обращает на себя внимание весьма высокий удельный "выход" карбонатного осадка - при смешении равновеликих масс растворов А'' и В для отложения 1 кг карбонатов достаточно всего 2178 кг Н₂О раствора С. В то же время полнота осаждения кальция за счет такого смешения не так уж велика - в трещинном канале отлагается около 60% Са, привносимого к участку стягивания потока гидротерм растворами А'' и В. Около 40% привносимого кальция остается в составе возникающего здесь результирующего раствора С и уносится данным раствором вверх, за пределы исследуемого ритма автосмешения гидротерм.

Только при очень малых добавках раствора В в движущийся по открытой трещине раствор А'' (при соотношениях масс А''/В, равных 9/1 или 9.5/0.5) среди твердых продуктов смешения не образуются карбонаты, а общая масса минерального осадка уменьшается примерно на три порядка. Чтобы отложился 1 кг кварц-хлоритового (или при наличии серы в изучаемой системе, кварц-пирит-хлоритового) агрегата, при таком смешении требуются уже тысячи тонн смешивающихся растворов - 1260-1720 т Н₂О (для разных задач). Практически это означает, что за время, необходимое для полного заполнения трещинной полости карбонатами при "чистом" смешении равновеликих масс растворов А'' и В, та же общая масса смешивающихся растворов, если в ней резко преобладает раствор А'', способна отложить лишь тончайшие налеты кварца и хлорита (и, может быть, пирита) на стенках этой же самой открытой трещины.

В сколовых нарушениях, изначально заполненных кластическим алюмосиликатным материалом, взаимодействие растворов, фильтрующихся непосредственно по таким нарушениям, с растворами В ведет к совершенно иным результатам. Здесь доминантой образующихся при смешении парагенезисов всегда является внутрисколовый алюмосиликатный материал. Смешивающиеся растворы конечно добавляют в него какую-то часть одних компонентов и извлекают из него какую-то часть других. Но главная масса компонентов внутрисколовых минеральных ассоциаций, образующихся при смешении химически различных растворов у верхней границы ритма автосмешения, все же заимствована здесь же из материала, заполнявшего это нарушение до начала смешения. Так, если пренебречь изменениями объемной массы минеральных агрегатов, наложение раствора В на кварц-каолинитовую зону внутрисколовой метасоматической колонки и смешение его здесь в пропорции 1/1 с раствором А'', равновесным с данной зоной, приводит к выносу из каждого килограмма кварц-каолинитовой ассоциации примерно 111 г вещества (106 г SiO₂+2 г Fe₂O₃+3 г FeO) и к отложению примерно 114 г другого вещества (92 г К₂О+22 г А1₂O₃). Таким образом, около 90% вещества образованной за счет этого массообмена кварц-мусковитовой минеральной ассоциации составляют компоненты, уже находившиеся в сколовом нарушении. Наложение раствора В на более внешние зоны внутрисколовой колонки характеризуется еще большей инерционностью состава алюмосиликатного материала, заполняющего сколовое нарушение.

Что касается околотрещинных гидротермальных изменений липарита у верхней границы ритма автосмешения гидротерм, то наиболее обычным случаем надо считать, конечно, полное отсутствие здесь таких изменений. Какие бы массы раствора В (в какой бы то ни было пропорции к массе раствора, движущегося по трещинному каналу) ни стягивались здесь в разрыв любого генетического типа, потоки этих растворов, относительно равновесных с липаритом, обеспечивают надежную гидравлическую изоляцию вмещающих пород от внутритрещинного раствора, который мог бы реагировать с ними.

В сравнительно редких случаях, когда основной трещинный канал окружен полосами интенсивного механического разрыхления вмещающих пород, смешение разных по составу растворов А'' и В может начаться и в пределах таких разрыхленных полос. Возникающие за счет подобного взаимодействия минеральные новообразования, в нашей модели главным образом кварц и мусковит, естественно локализуются вдоль микротрещин этой дробленой полосы, в которых и происходит встреча смешивающихся растворов. Поэтому если в дробленой полосе и образуются маломощные видимые ореолы околотрещинного изменения липарита, они отличаются обычно микропрожилково-сетчатой текстурой и в целом невысокой общей интенсивностью гидротермальной переработки вмещающей среды. Те значения соотношений между новообразованными кварцем и мусковитом, которые приведены в таблице 3.14, характерны именно для микротрещин в дробленой полосе липарита или для узких реакционных каемок вдоль них, а отнюдь не для всей дробленой полосы в целом. Между такими кварц-мусковитовыми или иными микропрожилками в этой полосе остается относительно неизмененный липарит, масса которого чаще всего намного превышает массу всех микропрожилковых новообразований.

Следует особо подчеркнуть, что чрезвычайно слабое развитие околотрещинных изменений пород или чаще даже полное отсутствие их ничуть не может служить поводом для отрицания активного массообмена между вмещающей средой и внутритрещинным раствором. Только этот массообмен иногда непривычен и не учитывается геологами как раз потому, что не оставляет вокруг трещин видимых следов - ореолов гидротермального изменения пород, которые обычно считаются единственными признаками обменных реакций между вмещающей средой и трещинным раствором. Нет этого признака - значит, и взаимодействия со средой не было, значит трещинный раствор "сам", по каким-то "внутренним" причинам отлагал переносимый им полезный груз - такова
несложная логика подобных утверждений.

Между тем, вмещающая среда - это всегда не только твердофазный каркас породы, но и равновесные с ним поровые растворы, фильтрующиеся через такой каркас. И мы видели выше, что, если бы у верхней границы ритма автосмешения вмещающая среда не взаимодействовала бы с трещинными растворами особым образом, выдавая в трещинный канал порции равновесных с нею поровых растворов В, в этом канале не было бы и отложения того минерального груза, который показан в нашей модели.

¹⁰ A''- часть раствора A, двигающаяся по трещинному каналу, в отличие от A' - часть раствора A, уходящая в поровое пространство вмещающих пород.
¹¹ Расчет равновесий проведен в 11-компонентной системе: Н, O, К, Na, Са, Mg, Al, Si, Fe, С, Сl, описываемой 43 частицами в растворе и 43 твердыми фазами. Из системы исключены U, Pb, S. Только за счет этого возникают ряд отличий от базовой модели.