Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Результатом наших расчетов стало построение целого ряда моделей, которые отличаются друг от друга как по исходным, так и по выходным параметрам. Какая из этих моделей наиболее близка к реальности? Ответ на этот вопрос можно получить, сопоставив результаты моделирования с фактическими данными по минералогии и геохимии реальных объектов. Но заранее очевидно, что смысл построения множества моделей находится не только в поиске наиболее адекватной прототипу, но и в анализе влияния разных факторов на развитие событий в процессах рудообразования, на получение "конечного продукта" - рудного тела.

1. Главный итог моделирования заключается в том, что принятыми за основу структурой модели и методикой моделирования, т.е. сочетанием зоны мобилизации и области формирования жил (см. рис.6.13), действительно, можно описать образование рудных тел, аналогичных кварц-полиметаллическим жилам Садонского рудного региона. До построения моделей жил, растворы выщелачивания из зоны мобилизации рудных компонентов мы называли потенциально рудоносными. Модели показали, что эти растворы могут переносить рудные элементы и сульфидную серу в концентрациях, достаточных для образования рудных минералов жил, а также, в реальных соотношениях с ними - кремнезем, железо и другие компоненты жильных минералов.

2. Формирование рудных жил без переотложения ("слоевая" модель) является основным механизмом рудогенеза на изучаемых месторождениях при подчиненной количественно, но весьма распространенной (особенно для сфалерита), роли процессов внутрирудного метасоматоза ("реакционная" модель). Это принимается большинством исследователей месторождений по минералогическим данным. Но только в представленных здесь моделях можно увидеть, как эволюционирует вещество жилы, как отражается на жильном минералообразовании изменение условий (температуры, давления и состава "материнского" гранита). Результаты, полученные при использовании "слоевой" модели рудообразования, согласуются с природными данными по росту отношения Pb/Zn от нижних к верхним частям жил, по "стадийности" минералообразования, по главным закономерностям распределения элементов, по температурам начала отложения рудных минералов. Обо всем этом уже было сказано при выборе именно "слоевой" модели, как главного механизма образования жилы (пункт 1 результатов).

3. Рассмотрим подробнее количественные соотношения минералов в жилах Згида, Холста и других месторождений Садонского рудного района..

Галенит и сфалерит распределяются в реальных жилах месторождений неравномерно и их содержание изменяется в очень широких пределах - от следов до 19-20% (и редко больше, вплоть до 40%), но средние цифры для Pb и Zn в групповых пробах руд обычно составляют 4-5% [Хетагуров и др., 1992]. Именно такие содержания сфалерита и галенита получены в наших моделях на завершающих стадиях формирования жилы в области отложения основного количества свинца и цинка (4-6% на 15-20 волнах в моделях VL1, VL2, VL2p и др., см. рис. 6.14, 6.17, 6.18).

По данным других моделей можно предсказать и условия появления более высоких содержаний. Так, при падении давления (до 600 бар в модели VL10, см. рис.6.19) или росте температуры (до 440^oС модель VL3, см. рис.6.22) в области мобилизации, в жиле происходит образование очень богатых сфалерит-пиритовых руд с содержаниями ZnS от 12 до 35% (и пирита до 50-70%). И падение давления (в моделях до 600 бар), и рост температуры (в моделях до 440^oС) вполне вероятны в природе и фиксируются при формировании месторождений по флюидным включениям [Ляхов и др., 1994]. Для галенита такого возрастания содержаний наши модели не отмечают. Но весьма вероятна другая возможная причина образования "лавинных" скоплений сфалерита и галенита в реальных жилах: внутрижильный метасоматоз, который неизбежно должен развиваться после тектонической активизации и периодического дробления минеральных агрегатов жил. Корродирование пирита сфалеритом и галенитом или сфалерита галенитом отмечается многими исследователями этих месторождений. При таких реакциях происходит практически полное отложение рудных элементов и может происходить накопление галенита и сфалерита до весьма значительных содержаний. В наших расчетах подобные события постоянно проявляются в "реакционной" модели (см. рис.6.15).

Во всех рассмотренных моделях отложение сфалерита предшествует массовой кристаллизации галенита. Этот факт типичен для всех месторождений Садонского рудного поля [Черницын, 1962, 1985]. Об этом свидетельствуют признаки переотложения сульфидов (пирита, сфалерита, пирротина) при образовании галенита.

Пирит и пирротин относятся к наиболее распространенным (наряду с кварцем) жильным минералам реальных жил исследуемых месторождений. Их содержания в жилах месторождений изменяются от первых процентов до 70% и редко выше. Средними можно считать содержания до 10-30%.

Именно такие количества пирита и пирротина фиксируются практически во всех наших моделях. Резкое увеличение содержания пирита или пирротина может происходить на первых стадиях формирования модельных жил (волны 1-5) и в моделях с высокотемпературной зоной выщелачивания (до 70% в модели VL3 на первых волнах процесса жилообразования). Вполне вероятно, что к такого типа образованиям относятся многочисленные пирротиновые (кварц-пирротиновые) жилы Садонского месторождения, которые предваряют на нем основную продуктивную стадию полиметаллического рудообразования.

Как следует из наших моделей, на ранних этапах развития гидротермальной системы вполне могут образоваться жилы преимущественно кварц-пирротинового или кварц-пиритового состава без полиметаллов или с низким их содержанием в трещинах, которые оперяют главные рудовмещающие структуры и которые могли быть отсечены от последующих процессов рудообразования предрудными тектоническими подвижками и потому сохранились незамещенными в более позднее время.

Из сульфидов меди наибольшее распространение в жилах месторождений имеет халькопирит. Обычно его содержание составляет от 0.4 до 2.6% жильной массы [Хетагуров и др., 1992]. Борнит и халькозин тоже встречаются в реальных жилах , но обычно развиваются по халькопириту, и их содержания очень низки. По общему содержанию сульфидов меди наши модели принципиально соответствуют фактическим данным (обычно оно не превышает в модельных жилах 0.5-1.2% и редко поднимается до 1.6%). На ранних стадиях формирования модельных жил (1-5 волны) всегда образуется халькопирит в количествах 0.2-0.5%. Позже из рудоносных растворов в модельных жилах отлагается борнит (до 1-1.2%, например в модели VL1, см. рис.6.14), а на завершающих стадиях часто образуется халькозин (до 0.6%, например, в модели VL2, см. рис.6.17). Следует подчеркнуть, что в моделях борнит и халькозин не развиваются по халькопириту, а осаждаются самостоятельно (поскольку мы имеем дело со слоевой моделью, в которой слои минералов не сообщаются между собой). Причем, даже в этих случаях в области низких температур вместе с галенитом и сфалеритом образуется халькопирит (например, 20 волна модели VL1) или, в крайнем случае, борнит (например, 20 волна модели VL2).

Образование борнита (халькозина), а не халькопирита происходит из-за недостатка сульфидной серы в растворе. Это хорошо заметно в модельных жилах по появлению пирротина вместо пирита.

Возможны несколько вариантов решения проблемы дефицита серы для образования только халькопирита, как в реальных рудных телах: некоторое количество сульфидной серы поcтупает в систему с первичным раствором (модель выщелачивания IS-3 с H₂S=0.001 m, см. рис.6.10); некоторое увеличение содержания сульфидной серы в исходной породе (модель VL4, см. рис.6.25); отложение халькопирита при реакции с ранними пирротином или пиритом. Из этих вариантов наиболее предпочтителен последний, так как не требует некоторых натяжек в модели и подтверждается фактическими данными. Именно такого типа реакции хорошо выражены в результатах расчетов по "реакционному" механизму образования жильных парагенезисов - скачкообразное отложение сфалерита (до 9%), галенита (до 8%) и халькопирита (до 1.6%) на границе реакционного преобразования пирита (15-20 волны модели VR1, рис. 6.15).

Хлориты относится к распространенным жильным минералам Садонских месторождений. Обычно их содержание не превышает 5-15% [Хетагуров и др., 1992], но в ряде жильных тел мы обнаруживали кварц-хлоритовые агрегаты, где содержания хлорита достигают 15-20% и возможно больше (например, в жиле Восточной Верхнего Згида на VI горизонте). Ни в одной из построенных нами моделей, при осаждении минералов из гидротермального раствора, хлорит в количестве более 0.5% не образуется. И это вполне объяснимо, поскольку концентрации Al и Mg в модельных растворах очень низки (n^.10^-5 m при 350^oС), хотя кремния и железа в растворе вполне достаточно (~n^.10^-2 и ~n^.10^-3 m соответственно). Проблему хлоритов мы попробовали решить, опираясь на представление о метасоматическом образовании этих минералов при взаимодействии рудоносных растворов с раздробленным и перетертым веществом боковых пород трещин скола, содержащих на месте, in situ, некоторое количество глинозема. Факты обнаружения в жилах обломков сильно измененных вмещающих пород на этих месторождениях многочисленны.

Результаты наших расчетов показывают, что образование хлоритов по предлагаемому механизму, действительно, может происходить. В модели VL7 (см. рис.6.27) на ранних этапах формирования жилы образуется до 12-13% Fe-хлорита (дафнита) при практическом отсутствии Fe-Mg-хлорита. На более поздних стадиях развития жилы соотношение между железистым и магнезиальным хлоритами в моделях меняется: Fe-Mg-хлорита становится 5-7% (в основном в области высоких температур - 350-240^oС), Fe-хлорита - не более 3-5%. Именно такое соотношение между жильными хлоритами описано в работе И.П.Златогурской для месторождения Верхний Згид: ранний хлорит первой генерации определен как афросидерит, более поздний хлорит имеет железо-магнезиальный состав и относится к хлоритам типа рипидолита [Златогурская, 1960]. Таким образом, данные наших расчетов соответствуют природным наблюдениям не только по количеству, но и по составам образующихся хлоритов. Однако, вероятно, подобные процессы формирования хлоритов имеют локальное значение и не оказывают существенного влияния на рудообразование. Причин здесь несколько: неравномерная степень заполнения трещин кластическим материалом, благодаря чему где-то такие процессы происходят, а в других местах нет; при присутствии малого количества тонкой фракции кластического материала хлориты вообще не образуются (это видно из данных модели VL6 и наблюдается в жилах, где имеются крупные обломки измененной боковой породы); характер рудоотложения в присутствии хлоритов значительно отличается от установленных общих тенденций в реальных жилах (это и температура образования, и отношение Pb/Zn). Кроме того, в моделях наряду с хлоритами образуется до 20-35% серицита, который не является характерным и распространенным жильным минералом в рудных телах месторождений Садонского рудного района.

Еще одной проблемой, пока не решенной на уровне представленных моделей, является образование карбонатов. Карбонаты (кальцит, манганосидерит) всегда проявляются в реальных жилах изучаемого типа на поздних этапах развития во всех выделяемых "стадиях" минералообразования. В наших моделях карбонаты не были получены. Возможны несколько причин, объясняющих их отсутствие. Первая, растворы наших моделей более кислые, чем это необходимо для образования карбонатов (можно видеть по образованию серицита или каолинита при реакции с кластическим материалом в модели VL6). Вторая, расчеты в моделях проводились до 20 волн (порций) раствора и не доводились, в большинстве случаев, до полного выщелачивания полиметаллов из гранита, т.е. до тех пор, пока из области мобилизации металлов не начинали восходящее движение по жильным трещинам полностью безрудные растворы (связано с трудоемкостью проведения вычислений по слоевой модели: каждая волна - это отдельный цикл расчетов). Поэтому не исключено, что на более поздних этапах развития жильных парагенезисов кальцит будет образовываться и в моделях.

4. В ряде моделей расчеты были проведены при изменении температуры и давления в области мобилизации. Эти модели были построены не случайно. Температуры около 400-420^oС фиксируются по флюидным включениям для предрудного этапа развития гидротермальной системы, как максимальные для них. Кроме того, на схемах стадийности и температурного режима формирования руд, построенных на основе термобарогеохимических данных, обычно выделяется несколько интервалов, где температура скачкообразно повышается и затем монотонно понижается к концу стадии [Ляхов и др., 1994]. Обычно такие скачки коррелируются с границами между стадиями минералообразования и с наиболее значительными межстадийными и внутристадийными тектоническими подвижками.

Термобарогеохимические исследования месторождений Садонской группы показывают, что палеотепловые поля оруденения имели отчетливо термобароградиентный характер с вариациями вертикальных градиентов в пределах 12-22^oС, в некоторых случаях до 35^oС, и 11.4-24.5 МПа на 100 м [Ляхов и др., 1978, 1994; Лазько и др., 1981]. Эти цифры мы уже приводили выше, и именно они определили и температурные диапазоны, в которых нужно оперировать при построении моделей, и возможные вариации давлений в системе, и по ним можно судить о линейных масштабах модельных построений. Так, стандартный интервал температур от 350 до 150^oС, который мы рассматриваем в моделях, можно соотнести с 800-метровым интервалом жилы (при градиенте 20-25^oС). А выбранный шаг по температуре 10^oС соответствует ~20 метрам.

В трех моделях мы рассмотрели влияние изменения температуры в области мобилизации на характер минералообразования в жиле (440^oС - VL3, 370^oС - VL2, 320^oС - VL5). Частично результаты моделирования уже обсуждались при анализе количественных соотношений минералов. Однако эти данные можно использовать также для анализа латеральной зональности модельного жильного тела, если эти три модели расположить по вектору падения температуры, т.е., если представить себе три линии тока растворов в плоскости трещинной структуры.

Рис. 6.30. Схематический разрез в плоскости модельного жильного тела (построено по результатам расчетов по моделям VL3, VL2, VL5 для 20 волны)

На рисунке 6.30 построен схематический разрез для такого случая, на котором изображены изоконцентраты содержаний сфалерита и галенита, полученные в наших расчетах. Следует иметь в виду, что области мобилизации занимают, вероятно, намного большие объемы, чем это показано на схеме (они захватывают как саму зону сочленения, так и боковые породы оперяющей трещинной структуры).

Конечно, эта схема имеет обобщенный и идеализированный характер и не учитывает многие осложняющие элементы, которые могут повлиять на флуктуации в распределении рудного вещества (это и возможность смещения вверх и вниз областей мобилизации с данной температурой при межстадийных тектонических подвижках и внедрениях новых дайковых тел, и вертикальные градиенты давлений, и латеральные градиенты температуры, и возможность смешения растворов выщелачивания, различающихся по концентрациям ряда элементов). Однако полученная зональность распределения повышенных и аномальных содержаний Pb и Zn принципиально соответствует данным по жильным полиметаллическим месторождениям - смещению по вертикали областей концентрированного отложения галенита относительно сфалерита, а также смена, по мере удаления от регионального сброса, кварц-галенит-сфалеритовой ассоциации на кварц-сфалерит-галенитовую.

Эти же три модели можно проанализировать с позиций относительного времени - этапов ("стадий") гидротермального процесса (сначала происходит процесс мобилизации и рудообразования от 440^oС, затем на этом же месте и уже по созданной жиле развиваются процессы от более низкой температуры, например, 370^oС, после этой стадии рудообразования температура может снова повыситься или понизиться). В таком варианте результаты расчетов нужно рассматривать как бы вложенные или сменяющие друг друга. Такие построения достаточно сложны и абстрактны для создания обобщенной модели рудогенеза, но, видимо, вполне реальны для конкретного рудного тела.

Теперь о моделях с изменением давления. В модели VL2p (см. рис.6.18), где, кроме температурного градиента, был заложен и градиент по давлению (~250 бар на 100 м), не были получены какие-либо существенные отличия от результатов по однотипной модели VL2 при постоянном давлении. Поэтому при дальнейших исследованиях мы не усложняли систему и проводили расчеты при постоянном давлении. Можно сделать заключение, что градиент давления не играет значительной роли в процессах рудообразования.

С другой стороны по результатам модели VL10 (давление в области мобилизации 600 бар, см. рис.6.19) видно, что понижение давления в области мобилизации, при прочих равных условиях, может дать значительные эффекты. Например, резко возрастает содержание сфалерита в рудах на первых этапах формирования жилы (до 12-13% против 3% в однотипной модели VL2 при 1000 бар), также существенно возрастает содержание пирротина и пирита (до 50-60% против 20-30%). Вероятно, подобные всплески могут иметь место на различных временных интервалах развития гидротермальной системы.

5. На основании наших данных "стадийность" минералообразования вполне удается объяснить с позиций развития единого источника вещества, где процессы взаимодействия в системе "порода-вода" играют определяющую роль. Интенсивная внутрирудная тектоника, приводившая к периодическому дроблению уже сформировавшихся минеральных агрегатов жилы и к обновлению (расширению или уменьшению) областей мобилизации, в свою очередь могла вызывать (в зависимости от новых условий по температуре и давлению) частичное повторение предшествующих этапов минералообразования с "наложением" на старые ассоциации с их преобразованием (при реализации "реакционного" механизма) или продолжение прерванных процессов опять по слоевому механизму, но уже с иных стартовых условий.

Оценка объемов гранитов, необходимых для формирования месторождения с запасами Zn и Pb порядка 100 тысяч тонн, при полном извлечении этих металлов из гранита, дает цифру около 0.6 км³. Это вполне реально, учитывая, что рассмотренные месторождения обычно представлены десятками жильных рудных тел, на площади в десятки квадратных километров и протягивающимися по восстанию более, чем на километр.