Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

1. Моделирование показало, что взаимодействие первичных безрудных растворов и гранитов при 310-420^oС и 0.4-1.0 кбар приводит к образованию высокотемпературных рудоносных растворов, которые потенциально могут являться исходными для исследуемой гидротермальной системы. Наши результаты хорошо совпадают с экспериментальными данными [Hemley et al., 1992], хотя эксперименты были проведены в другой системе - синтетический кварц-мусковит-каливошпатовый буфер в присутствии пирита-пирротина-магнетита-сфалерита-галенита-халькопирита в системе без обмена раствором. Так, в нашей базовой модели (370^oС, 1 кбар) мы получили Zn 1.8^.10^-4 (в начале выщелачивания) и 2^.10^-3 m (в конце выщелачивания, но раствор мог еще потенциально растворять металл). В экпериментах: при 350^oС, 1 кбар - средняя цифра составляет 1.4^.10^-3 m, при 400^oС - 5.1-8.2^.10^-3 m. Для Pb: расчет дает несколько заниженную цифру - 2^.10^-4 m, против 6^.10^-4 m в эксперименте при 350^oС. Для Cu: расчет - 2.9^.10^-4 m и эксперимент - 3.4^.10^-4 m, практически совпадают. Подобное соответствие может свидетельствовать о высокой достоверности наших расчетов.

2. Одним из важнейших результатов исследования моделей мобилизации является установленный значительный рост концентраций рудных элементов во времени, по мере протекания выщелачивания, без какого-либо изменения внешних условий. При этом концентрации металлов могут достигать значений, более чем на порядок (до n^.10^-3 - n^.10^-4 m) превышающих содержания при однократном взаимодействии в системе "вода-порода". Для базовой модели этот эффект уже описывался в главе 2 (см. раздел 2.4). Этот результат интересен по нескольким причинам: во-первых, во времени происходит как бы нарастание или усиление рудообразующего потенциала раствора; и, во-вторых, по рудным компонентам можно, в принципе, проследить внутристадийную эволюцию состава гидротермального раствора, в то время как концентрации остальных элементов практически не изменяются;

3. Результативность процесса не одинакова для систем с различными температурами и составами первичного раствора. При высоких температурах мобилизация проходит достаточно быстро (при NF<30). При температурах меньше 310-320^oC выщелачивание происходит медленнее (например, при 250^oC полное извлечение металлов - только при NF>100), а концентрации рудных элементов в равновесных растворах имеют очень низкие значения (до n^.10^-6 - n^.10^-7 m) при накопленных отношениях порода/вода от 10 до 0.1. Для наших месторождений можно предполагать достаточно высокие температуры в зоне мобилизации, поскольку по данным Ляхова Ю.В. с соавторами [1978, 1994] максимальные температуры, определенные по включениям в жильном кварце рудной стадии, редко бывают ниже 330-340^oC. Исходя из этого, логично допустить, что в зоне мобилизации температура должна быть выше на n^.10^oC. Однако такая экстраполяция температуры на зону мобилизации предполагает, что эта область локализована в пределах относительно постоянной температуры. Если, как мы считаем, она вытянута по восстанию Садоно-Унальского разлома или крупных оперяющих его трещинных структур, то зона мобилизации будет сама иметь определенный температурный градиент, и выщелачивание в ней будет происходить по-разному в зависимости от положения участка выщелачивания в пространстве. Более глубокие участки будут иметь высокие начальные температуры, менее глубокие - соответственно меньшие. Это может привести к формированию определенной латеральной зональности в рудных жилах за счет различий в растворимости и др.. Имеются данные, которые косвенно подтверждают это предположение: градиенты температуры по латерали жил до 6^oC на 100 м простирания отмечены в [Ляхов и др., 1978]; максимальный градиент (зональность в плоскости жил) содержаний рудных элементов наблюдается в направлении от нижних горизонтов ЮЗ фланга, примыкающего к Садоно-Унальскому разлому, к верхним горизонтам СВ флангам Садонского месторождения [Григорян, 1992]. В работах [Ляхов и др., 1994; Лазько и др., 1981] отмечается также, что во временном интервале рудной стадии происходит постепенное снижение температуры гидротермального флюида, т.е. можно допустить, что и в зоне мобилизации будет осуществляться также ее понижение в течение процесса выщелачивания. Два варианта моделей при постепенном снижении температуры в реакторе представлены на рисунке 6.12 (исходной является базовая модель).

Рис. 6.12. Модели мобилизации рудных компонентов при уменьшении температуры в реакторе (состав и давление соответствуют модели IS-2)s

Видно, что в зависимости от скорости снижения температуры характер мобилизации может существенно измениться (на рис.6.12а, б: суммарное T=50^oC, каждые пять порций или волн первичного раствора имеют последовательно следующие температуры - 370, 360, 350, 340, 330, 320^oС; на рисунке 6.12в, г: суммарное T=120^oC, каждые последовательные пять волн раствора имеют температуры - 370, 350, 330, 310, 280, 250^oС). Таким образом, кроме возможного температурного градиента по восстанию зоны мобилизации, вполне вероятно постепенное снижение температуры на каждом гипсометрическом уровне развития процессов выщелачивания.

4. Состав первичного раствора может сильно повлиять на изменение характера растворимости сульфидов гранита, так что в ряде случаев получаем не рост, а снижение концентраций металлов по волнам(см. пункт 6 результатов), хотя в исследованных моделях это встречается относительно редко. Примерами таких моделей являются IS-19 (группа 2) и IS-9 (группа 3), которые характеризуются содержанием Na>1.2 m и высокой общей концентрацией растворов. Однако даже в этих моделях снижение концентраций металлов сильно выражено только для Pb и обычно имеет локальный характер по NF. По данным анализов водных вытяжек и криометрии, главным образом для включений в жильном кварце, известно [Ляхов и др., 1994], что гидротермальный раствор имел хлоридно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав с суммарной концентрацией растворенных солей не более 20-24% условного NaCl, но преимущественно в пределах до n^.1%. Исследованные нами растворы имеют суммарные концентрации от 7.6 до 11.3%. Раствор модели IS-24 (разбавленный в два раза раствор базовой модели) имеет валовую концентрацию, равную 4.4%. Таким образом, концентрации изученных растворов вполне соответствуют данным для месторождений. Но есть факты, которые, по всей вероятности, должны ограничить выбор составов первичного раствора. Это, во-первых, количество альбита, который образуется при взаимодействии первичного раствора с гранитом. В ряде наших моделей получено более 50 мас.% альбита (IS-8, IS-9, IS-18, IS-19, IS-20) при прохождении около 30 волн первичного раствора. Вблизи возможных зон мобилизации (XIV горизонт В. Згида в соответствии с данными главы 5 [Борисов, 1997]), а также в околожильных метасоматитах не отмечается заметного роста содержаний альбита. Видимо, такие наблюдения должны ограничить концентрацию Na в первичном растворе до уровня W1.0 m. И, во-вторых, кислотность рудоносного гидротермального флюида. По данным [Лазько и др., 1981] для разностадийных генераций кварца диапазон вариаций значений pH составляет 6.25-7.95, при комнатной температуре. В уже упомянутых моделях pH при 370^oС и 1 кбар соответствует 6.8-7.8, и, очевидно, при понижении температуры даст существенно более щелочную реакцию.

5. Металлоносность растворов выщелачивания существенно изменяется по мере протекания процессов мобилизации. Это принципиально соответствует результатам наших геохимических исследований (см. гл. 5). В большинстве изученных моделей последовательность выщелачивания металлов постоянна: на первых стадиях в растворе преобладает Zn, затем Pb и Cu, т.е. Zn>>PbCu,¹⁹ на завершающих этапах раствор полностью безруден. В этом результате заключается довольно-таки прозрачный вывод - рудный процесс прекращается, если в источнике кончилось рудное вещество. При этом могут не меняться ни температура, ни давление, ни состав раствора. Гидротермальный процесс продолжается и далее, но уже безрудный: нарастает кварцевое ядро жилы, проходит карбонатизация с переотложением ранних рудных минералов, происходит перекристаллизация и, видимо, частичный вынос веществ. Возобновление рудного процесса сможет произойти только при перестройке зоны мобилизации рудных элементов, а это обычно происходит при новом акте тектонической активизации, которые характерны как для изученных жильных месторождений, так и для любых других.

6. Установленная последовательность выщелачивания представляет, кроме того, особый интерес, поскольку на месторождениях медная минерализация носит второстепенный (подчиненный) характер. Обычны проявления халькопирита, а борнит, халькозин и другие минералы редки. Поэтому анализ предложенных моделей должен показать условия подавления выщелачивания меди, либо, по крайней мере, его торможения.

На примере базовой модели установлено, что содержание сульфидной серы в исходном граните 0.1-0.15 мас.% (например, гранит В. Згида) может на протяжении всего процесса выщелачивания (или достаточно долго) поддерживать условия для последовательности Zn>>Pb>Cu. При меньших содержаниях серы имеем Zn>>Pb=Cu.

Изменение температуры или суммарной исходной массы породы в зоне реакции "порода-вода" не приводит к заметным изменениям последовательности выщелачивания.

Понижение давления дает сильный эффект разделения свинца и меди (цинк во всех моделях выщелачивается первым). Так, понижение давления от 1 до 0.6 кбар приводит к тому, что при полном выщелачивании свинца ещё до 40-45% меди остается в породе. Барометрические определения, относящиеся к глубоким уровням оруденения [Лазько и др., 1981] дают 0.9-1.2 кбар на начальных этапах продуктивной стадии и снижение до 0.8-0.7 кбар в конце её развития. Зафиксированные в [Ляхов и др., 1994] градиенты давления для жильных тел составляют 100-250 бар на 100 м восстания. Таким образом, видим, что давления при рудообразовании могут существенно меняться, а выбранные нами условия моделирования соответствуют наблюдениям. Вероятно, падение давления происходит не только в трещинных жилообразующих структурах, но и в корневых зонах мобилизации. На схемах стадийности минералообразования на месторождениях Садонского рудного района обычно отмечают как внутристадийные, так и межстадийные тектонический подвижки (например, [Ляхов и др., 1994]). Можно предположить, что каждый акт тектонической активизации приводит к прерыванию процесса мобилизации и расширению путей фильтрации первичных растворов, т.е. обновлению или увеличению области мобилизации необходимой для продолжения прерванного рудообразующего процесса. Между тектоническими подвижками в зоне мобилизации происходит постепенное понижение температуры и давления. Если выщелачивание прерывается раньше полного извлечения рудных элементов, то для систем при давлениях 0.6-0.8 кбар или с содержанием сульфидной серы в породе около 0.1-0.15 мас.% получим необходимый ряд относительной подвижности при мобилизации: Zn>>Pb>Cu.

Состав первичного раствора также может оказать влияние на металлоносность растворов выщелачивания. Частично это уже обсуждалось в начале раздела. Установлено, что рост концентрации NaHCO₃ приводит к изменению последовательности мобилизации свинца и меди: Zn>Cu>Pb. Видимо, растворы, вызывающие такой эффект, являются маловероятными для исследуемых месторождений (они же дают сильно щелочные среды и крайне высокие количества альбита при реакции с гранитами).

7. Наши расчеты показывают, что концентрация сульфидной серы в растворах выщелачивания составляет n^.10^-2 - n^.10^-3 m и является достаточно обычной для гидротермальных растворов. Высокие концентрации серы в растворе создаются при реакции первичного раствора с гранитом, имеющим в своем составе даже относительно небольшие содержания серы (меньше 0.1 мас.%). Эти данные показывают, что нет необходимости привлекать иной источник сульфидной серы для создания обычных концентраций ее в растворе.

¹⁹ Знаками >, или = здесь и далее мы обозначаем порядок последовательности выщелачивания рудных элементов при реакции безрудного раствора и гранита (от начала выщелачивания до полного извлечения). Если появляется знак >>, то это значит, что данный элемент намного опережает (по NF) выщелачивание остальных.