Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В предыдущих разделах рассматривались геохимические следствия автосмешения в стационарном восходящем потоке гидротерм с неизменявшейся во времени структурой течения растворов. Фильтрационная проводимость трещинного канала (Кт), контролирующего гидротермальный поток принималась одинаковой и неизменяемой во времени от нижней границы модели до верхней; проницаемость переслаивающихся горизонтов липарита (Кп) бралась разной для лав и туфов, но неизменной во времени.

В реальности значения Кт и Кп не могут оставаться постоянными даже в рамках одной стадии гидротермального процесса. Неравномерное отложение в трещине жильных и рудных минералов этой стадии ведет к неодинаковому сужению свободного сечения ("просвета") на разных отрезках трещины и может вызвать полную закупорку каких-то участков. Внутристадийные тектонические подвижки способны и расширить, и сузить "просвет" трещины или даже совсем перекрыть ее в том или ином месте. Точно так же непрерывно меняются и локальные значения проницаемости пород - на участках кислотного выщелачивания обычно отмечается увеличение, а на участках отложения новообразованных минералов в порах пород нередко фиксируется уменьшение Кп.

Поток гидротермальных растворов немедленно реагирует на любые локальные изменения Кт и Кп самоорганизуя (перестраивая) структуру течения в соответствии с распределением в пространстве новых значений фильтрационных характеристик трещины и вмещающей среды [Барсуков, Борисов, 1987б; Летников, 1992]. Перестройки структуры потока гидротерм в свою очередь отражаются на процессах минералообразования в жиле и в околожильных породах в той мере, в какой эти процессы зависят от гидродинамического режима на конкретных интервалах трещин, в конкретных участках вмещающей среды.

Основные тенденции изменения процессов минералообразования в жилах и метасоматитах, провоцируемые внутристадийными перестройками структуры потока гидротермальных растворов, можно рассмотреть на численных моделях.

В системе "трещина+вмещающая среда" наибольшей нестабильностью фильтрационных свойств отличается трещинный канал. Изменения Кт и происходят быстрее (а то и мгновенно, если они вызываются тектоническими причинами), и имеют несравненно большие по сравнению с Кп амплитуды, практически от нуля до бесконечности. Поэтому изменения Кт, чаще и резче отражаются на структуре течения гидротермальных растворов. Локальные изменения Кт и положены в основу рассматриваемых новых моделей.

За исходную структуру потока гидротерм взяты два ритма автосмешения уже анализировавшегося ранее разреза (раздел 3.3 и рис.3.20). 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. Исходный раствор имеет состав: H₂CO₃ 1.0, NaCl 0.1, KCl 0.01, CaCl₂ 0.01, HCl 0.1 m. За счет этого могут возникать некоторые отличия от базовой модели, но они не носят принципиального характера.

В нижней половине I ритма раствор А (половина общей массы его, поступающей через нижнюю границу разреза) образует в липарите ореолы околожильной аргиллизации и приобретают после этого состав В, равновесный с породой. Смешение растворов А и В в верхах I ритма явилось причиной осаждения в трещине карбонатов и появления нового раствора С; соотношение А/В = 1/1, при котором определяем состав результирующего раствора С и минерального осадка в трещинной жиле, достигается лишь на границе двух ритмов; в данной модели принимается, что весь интервал 3-4 отличается наивысшей интенсивностью минералообразования в полости трещины.

Во II ритме растекающиеся в стороны от трещины порции раствора С формируют ореолы серицитизации (кварц-мусковитого изменения) липарита и снова приобретают равновесный с породой состав D; смешение растворов С и D вызывает отложение в трещине жильных карбонатов (на интервале глубин 6-7) и возникновение трещинного раствора Е. Составы всех растворов исходной и новых моделей приведены в таблице 3.15. Состав жильного материала и "удельный выход" его (на 1 кг Н₂О растворов смешения) показан в таблице 3.16.

Как следует из таблицы 3.15, концентрация Са, Mg и СО₂ в поровых растворах В и D исчезающе мала по сравнению с концентрацией этих компонентов в трещинных растворах А и С. Поэтому, когда на границе двух ритмов идет отложение жильных карбонатов, обусловленное смешением равных масс растворов А и В, поровый раствор доставляет в полость трещины только 0.17% всего оказавшегося здесь растворенного Са, 0.19% Мg и 12.7% СО₂. Примерно так же обстоит дело и при смешении равных объемов растворов С и D. Так что "поставщиками" материала для осаждавшихся в жиле карбонатов в модели являлись трещинные растворы А и С. Но осаждение жильных карбонатов из них невозможно без участия поровых растворов В и D - смешение с ними скачкообразно повышало щелочность растворов смешения и сдвигало карбонатные равновесия в пользу твердых фаз. Не будь этого "фактора осаждения", трещинные растворы продолжали бы без помех транспортировать растворенный в них минеральный груз выше, за пределы изучаемого разреза. Следовательно, любые нарушения поступления трещинного или порового раствора в полость, где они взаимодействовали, отлагая жильный материал, немедленно сказались бы на процессах массообмена минералообразования. Точно так же любое, нарушение фильтрации растворов через породы и обусловленное этим изменение состава растворов тоже немедленно отразится на процессах формирования околожильных метасоматитов.

Рис. 3.20. Исходная структура восходящего потока гидротермальных растворов (исх.) и самоперестройки ее при локальных изменениях Кт (I-IV)

Именно такие гидродинамические явления - изменения в дебите растворов в участки отложения жильного материала и околожильного изменения пород и их геохимические следствия - служат предметом моделирования, результаты которого анализируется в данном разделе.

Мы рассматриваем здесь только внутристадийные гидродинамические и геохимические события, и поэтому во всех новых моделях, как бы ни отличалась от исходной структура течения гидротерм в них, извне (с глубины) в пределы разреза продолжает поступать раствор одного и того же неизменного состава А.

Гидродинамические условия. Продолжим проведенное ранее моделирование гидротермального процесса, характеризовавшегося гидродинамическими условиями, показанными на рисунке 3.20-исх., с того момента, когда отложение жильных карбонатов уменьшило Кт на интервале глубин 3-4 (в среднем лавовом горизонте) ровно настолько, насколько проницаемость самих лав меньше проницаемости ниже- и вышележащих туфов. Это новое условие приведет к плоскопараллельному течению гидротерм между уровнями 3 и 4, над и под ними (рис.3.5г, раздел 3.2) и изменит исходную структуру потока до вида, показанного на рисунке 3.20 (I).

Геохимические следствия. События, вызванные в жиле и в околожильных метасоматитах перестройкой структуры потока гидротерм, есть смысл рассматривать последовательно снизу вверх, по генеральному направлению движения этого потока.

На уровнях 1-2 продолжается растекание из трещины части раствора А и идет дальнейшее разрастание (увеличение мощности и объема) уже существовавшего здесь ореола аргиллизации липарита без каких-либо изменений его обычной зональности: 0 - липарит; 1 - Кв+Мс+Мк+Аб; 2 - Кв+Мс+Мк; 3 - Кв+Мс; 4 - Кв+Кл.

На интервале 2-4 прекратился приток в трещину порового раствора В и тем самым остановилось отложение в трещине новых количеств жильных карбонатов. Уже существующий здесь жильный материал оказывается под воздействием одного кислого трещинного раствора А и начинает реагировать с ним. Реакции раствора А с жильным выполнением моделировались нами по тому же принципу, по которому строились ранее колонки инфильтрационного замещения липарита. Зональность колонки метасоматического преобразования жильного парагенезиса получена расчетами равновесий между разными массами его и раствора А - увеличение доли раствора А в этих расчетах отвечает усилению степени переработки исходного карбонатного материала.

Как показано в таблице 3.17, наложение трещинного раствора А на жильный доломит-кальцитовый парагенезис ведет к внутристадийному замещению его сначала практически одним доломитом (с примесью кварца и Fe-хлорита) и, далее, кварц-хлоритовым агрегатом. Пока не израсходовался весь исходный жильный материал (или пока реликты его надежно не изолировались продуктами внутрижильного метасоматоза от поступающего снизу трещинного раствора), реакции с ним изменяют состав раствора А до состава R1, равновесного с тыловой кварц-хлоритовой зоной внутрижильной метасоматической колонки (с парагенезисом задачи 510 в табл.3.17). Этот раствор R1 (см. табл.3.15), а не раствор С, теперь движется по трещине вверх от интервала 3-4.

Рис.3.21. Некоторые механизмы появления в исходных аргиллизитах (верхняя колонка) "аномальных" наложенных метасоматических зон и консервации парагенезисов, равновесных с кислыми растворами, между парагенезисами (зонами), равновесными с щелочными (аOH->аH+) растворами

Между уровнями 4 и 5 плоскопараллельный поток порового раствора В "накладывается" на прекративший свой рост ореол серицитизации липарита. Поскольку микротрещиноватость и проницаемость пород практически всегда резко возрастают у стенок крупных трещин (или падают по мере удаления от них), интенсивность потока В неодинакова - у трещины обводненность им измененных пород, внутренних зон ореола, максимальна, у внешнего фронта ореола - минимальна. Эта особенность потока поровых растворов позволяет моделировать "наложение" его на уже существующий ореол измененных пород, постепенно увеличивая в расчетах равновесий (поровый раствор+измененная порода) долю раствора В, как это показано схематично ниже (на рис.3.21а).

Реакции раствора В с парагенезисами внешних зон ореола серицитизации не вызывает в них заметных изменений. Но призальбандовая, наиболее "промываемая" поровым раствором часть тыловой кварц-мусковитовой зоны ореола (парагенезис задачи 308 в табл.3.18) замещается ассоциацией минералов, равновесной со значительно более щелочным раствором, и общая зональность прежнего ореола серицитизации усложняется появлением новой наложенной "щелочной" призальбандовой зоны.

Если вместо ореола серицитизации на этом интервале существовал изначально ореол аргиллизации липарита, то наложение раствора В на него вызовет еще более контрастные изменения самой призальбандовой части кварц-каолинитовой зоны и парагенезис Кв+Кл сохранится в ореоле между двумя зонами кварц-серицитового состава (табл.3.19).

Выше уровня 5 начинается возврат в трещину поровых растворов (сначала D, а затем - вытеснивших их растворов В), достигающий максимума на интервале глубин 6-7, и смешение их с трещинным раствором R1. В результате реакций растворов R1+D и R1+B возрастет интенсивность заполнения карбонатами верхней части трещинного канала (см. табл.3.16). Конечный раствор, уходящий через верхнюю границу разреза, приобретет состав Q1 (см. табл.3.15).

Гидродинамические условия. Заполнение трещины жильным материалом на интервалах 3-4 и 6-7 может уменьшить ее фильтрационную проводимость настолько, что часть потока гидротермальных растворов будет вынуждена обтекать создавшуюся минеральную пробку (рис. 3.5 б, раздел 3.2). В этом случае (по сути дела, при развитии тенденций, уже рассмотренных в модели 1) структура потока гидротерм может приобрести вид, изображенный на рисунке 3.20 (II).

Геохимические следствия. Резкое снижение интенсивности растекания кислого раствора А на интервале 1-2 существенно замедляет или останавливает разрастание здесь ореола аргиллизации. Но начинается образование аргиллизитов на интервале 2-3, где теперь трещинный канал стал "выдавать" в поровое пространство пород главную массу растекающегося раствора А. В результате смыкания прежнего и новообразованного ореолов, ничем не отличающихся друг от друга, общие контуры (объем) аргиллизированных пород значительно увеличиваются.

На интервале 3-4 раствор А продолжает реагировать с исходным карбонатным материалом жил и, метасоматически преобразуя его (см. табл.3.17), превращается в раствор R1.

На интервале 4-5 при этой структуре потока происходит смешение основных количеств растворов R1+В и, следовательно, на этом отрезке трещины теперь концентрируются процессы наиболее интенсивного заполнения ее жильными карбонатами (см. табл.3.16) и формирования раствора нового состава - Q1. Стягивание в трещинный канал поровых растворов В еще больше усиливает те изменения призальбандовых полос ореолов кислотного выщелачивания (серицитизации или аргиллизации) липарита, о которых сказано выше (см. табл.3.18 и 3.19).

Растекание в стороны от трещины части раствора Q1 на интервале 5-6, под следующей "минеральной пробкой" ведет к образованию здесь ореолов серицитизации липарита, аналогичных тем, какие формировал в исходной модели раствор С,- из таблицы 3.15 видно, сколь близки друг к другу составы этих двух растворов (С и Q1).

На последнем отрезке (6-7) раствор Q1 аналогичный С и потому относительно равновесный с жильными карбонатами, не реагирует с существующим здесь парагенезисом и не отлагает новых количеств жильного материала.

Гидродинамические условия. В данной модели продолжаются события, начавшиеся в предыдущих. Интенсивное отложение жильного вещества на глубинах 4-5 за счет реакций растворов R1+В, о котором говорилось выше, быстро приводит к тому, что именно этот отрезок трещины (а не интервал 3-4), равно как и отрезок 6-7, станет наименее проводимой ее частью и будет обтекаться потоком (см. рис. 3.20, III).

Геохимические следствия. На интервалах глубин 1-4 слабое растекание от трещины раствора А поддерживает медленное разрастание ореола аргиллизации пород. В пределах лавового горизонта, на отрезке 3-4, раствор А по-прежнему вызывает уже показанные в таблице 3.17 метасоматические изменения исходного жильного материала и превращается в раствор R1.

Обтекая малопроницаемый участок жилы (4-5), часть раствора R1 фильтруется через ореол измененных пород, а потом через неизмененный липарит и приобретает равновесный с ним состав В. Возврат этого раствора в трещинный канал и смешение его (в нижней половине интервала 5-6) с фильтрующейся по трещине частью раствора R1 переместит еще выше по разрезу (по сравнению с исходной моделью и моделью 2) участок интенсивного заполнения трещины жильными карбонатами. На интервале 6-7 события повторяют модель 2.

Самыми интересными геохимическими событиями, какие удается показать и рассчитать при данной структуре потока гидротерм, безусловно, являются результаты наложения на ореолы околожильного изменения пород раствора R1 - наложения "с тыла", от стенок питающего трещинного канала. Во всех случаях, каким бы парагенезисом ни была представлена до этого внутренняя часть ореолов изменения пород, наложение раствора R1 вызывает в ней появление и разрастание метасоматической тыловой зоны нового состава. Если бы метасоматические ореолы не претерпели здесь преобразований (отраженных в табл.3.18 и 3.19) и были бы представлены серицитизированными или аргиллизированными липаритами с нормальной зональностью метасоматической колонки, то наложение на них "с тыла" раствора R1 привело бы к результатам, указанным в таблице 3.20 и 3.21.

Но если в ореолах кислотного выщелачивания липарита уже существовала, как в моделях 1 и 2, новообразованная тыловая зона, равновесная с относительно щелочными растворами, "наступление" на нее от контактов жилы еще одной метасоматической зоны вызовет дальнейшее усложнение этих ореолов. В таблице 3.22 показан результат наложения раствора R1 на "щелочную" тыловую зону аргиллизитов; тот же принципиальный результат наблюдался бы и при наложении "с тыла" раствора R1 на внутреннюю щелочную зону усложненных ореолов серицитизации.

Гидродинамические условия. Данная модель не является логическим продолжением трех предыдущих. Здесь исходная структура потока гидротерм нарушается тектонической подвижкой, разобщившей части трещинного канала и вызывавшей заполнение его выше сдвига поровым раствором В, как это показано на рисунке 3.20 (IV).

Геохимические следствия. Наложение раствора В на уже существующий в жиле карбонатный материал не вызывает в нем принципиальных изменений (табл. 3.23) - более чем в 6 раз увеличивается содержание кварца, но он все равно остается второстепенным минералом жильного выполнения. Важнее то, что прекращение подтока раствора А к участку 3-4 должно почти на 3 порядка снизить интенсивность минералоотложения здесь - мы подчеркивали выше сколь малые количества компонентов несет в себе раствор В. Образующийся при реакциях с карбонатами новый раствор R₂ по сути дела не отличается от раствора В (см. табл. 3.15).

На глубинах 4-5 этот раствор R₂ (или В), растекаясь в стороны от трещины, вызывает появление в ореолах кислотного выщелачивания (серицитизации или аргиллизации) "щелочной" призальбандовой зоны, наступающей "с тыла" на зону, равновесную с более кислыми растворами. Этот случай уже показан в таблицах 3.18 и 3.19. В верхней части разреза смешение практически одинаковых растворов, порового и трещинного, дает конечный для данной модели раствор Q₂ малоотличимый от В (табл.3.15), и не вызывает в жиле изменения существующих или отложения новых твердых фаз.