Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Модели формирования полиметаллических кварцевых жил были бы неполными, если бы не были согласованы с процессами образования и околожильных ореолов распределения и перераспределения металлов. Геохимическая часть наших исследований показала, что вблизи жильных тел на месторождениях существуют инфильтрационные ореолы рудных элементов трех типов: ореолы отложения, переотложения и выщелачивания (см. гл.5). Нами проведен термодинамический анализ процессов образования этих ореолов. Причем, ореолы отложения-переотложения являются в наших моделях завершающим элементом в цепочке "зона мобилизации жила ореол", а ореолы выщелачивания, о которых уже шла речь выше, - первым, с которого мы начинаем свой анализ всех последующих физико-химических событий.

Методики моделирования для ореолов отложения-переотложения и ореолов выщелачивания различаются, поэтому опишем их раздельно.

Ореолы отложения-переотложения. Модель ореола в расчетах представлена 11-13 последовательными проточными реакторами (рис.6.31).

Количество реакторов и распределение температуры по ним определяются начальной температурой, шагом изменения температуры и принятой конечной температурой.

Рис. 6.31. Схема моделирования и структура моделей в области формирования ореолов отложения-переотложения

Общая схема моделирования достаточна проста (см. рис.6.31). Раствор из зоны мобилизации поступает в трещинный канал, где он отлагает (или не отлагает) жильные минералы. Одновременно с этим (или после этого) часть равновесного с жильной массой раствора может проникать (фильтроваться) во вмещающие граниты. Во вмещающих породах этот раствор вступает в реакцию с ними в первом реакторе. Уравновешенный с породой раствор из первого реактора перетекает во второй и так далее до последнего реактора из выделенных нами. Судьба раствора из последнего реактора обычно дальше не прослеживается.

Таким образом, мы жестко привязываем модели ореолов данного типа (по Т, Р, составу растворов) к моделям формирования жильных тел и фактически просчитываем полную цепочку взаимодействий в системе "раствор-порода" от зоны мобилизации через жилу до ореола. Общее количество реакторов в расчетах различно. Так, если проводится расчет формирования ореола с начальной температурой 350^oС, то цепочка расчетов такова: зона мобилизации - 370^oС - один реактор, область формирования жилы - 350^oС - один реактор, область развития ореола - 350-150^oС - 13 реакторов, т.е. всего 15 последовательных проточных реактора. Если проводится расчет ореола с начальной температурой 250^oС, то цепочка расчетов другая: зона мобилизации - 370^oС - один реактор, область формирования жилы - 350-250^oС - 11 реакторов, область развития ореола - 250-150^oС - 11 реакторов, т.е. всего 23 последовательных проточных реактора (показано на рис. 6.31). Через цепочку реакторов проходит 20-30 последовательных порций или волн растворов из зоны мобилизации.

Рис. 6.32. Схема изменения R/W при постоянном уровне эффективной пористости среды (p) и изменении температуры вмещающих пород

В модели принято, что начальная температура в области развития ореола (в первом реакторе) равна той температуре, какую имеет рудная жила на том же "гипсометрическом уровне". В опорных (основных или базовых) моделях рассмотрены три уровня формирования ореолов - от 350^oС, от 300^oС, от 250^oС. Эти три температуры и задают три "гипсометрических уровня" положения областей формирования ореола (чем ниже температура, тем выше по восстанию жилы располагается ореол). Предполагается, что за счет кондуктивного и конвективного теплообмена во вмещающих породах вокруг трещинного канала возникает градиентное тепловое поле, а температура пород изменяется от максимальной на данном уровне до нормальной температуры гранитов на данной глубине. Постоянная температура гранитов на уровнях жило- и ореолообразования принята нами в расчетах равной 150^oС (как это обсуждалось в главе 5, а также в разделах 6.1 и 6.2). На данном этапе исследований шаг изменения температуры в градиентном тепловом поле околожильных пород принят нами равномерным на ближнем к жиле интервале. Для трех уровней он составляет:

- высокотемпературный - 350-250 (шаг 10^oС), 250-150 (шаг 50^oС), т.е. 11 и 2 реактора;

- среднетемпературный - 300-200 (шаг 10^oС), 200-150 (шаг 50^oС), т.е. 11 и 1 реактор;

- низкотемпературный - 250-150 (шаг 10^oС), т.е. 11 реакторов.

Так описывается изменение температур в последовательных реакторах и соответственно можно предполагать, что уменьшение температуры является основным фактором формирования ореолов. Давление принято постоянным и равным 1 кбар во всех расчетах. Вмещающие породы - гранит месторождения Холст (см. табл.6.1).

Рис. 6.33. Схема изменения R/W при переменных значениях эффективной пористости среды (p) и изменении температуры вмещающих пород Пояснения в тексте

Более сложным является вопрос о массе породы, которую необходимо вводить в реакторы, описывающие область формирования ореола. На рисунках 6.32 и 6.33 рассмотрены варианты, показывающие возможный характер изменения соотношений масс породы (R - вся порода или Rs - порода доступная для реакции) и раствора (W) при различных вариациях эффективной пористости гранита (p - включает в себя совокупный объем пор, микро- и макротрещин доступных для заполнения раствором) и температуры (t) на интервале (l) околожильных пород от трещинного канала до выхода на уровень постоянной температуры.

Разделим мысленно околожильные породы на пластины, масса породы в которых такова, чтобы в каждой пластине, при заданной величине р, могла разместиться единичная масса раствора (для простоты 1 кг воды). Если t=const и р=const на всем интервале l, и в реакцию с раствором вступает вся порода (R), то получаем вариант изображенный на рисунке 6.32а, где R/W=const=f по всей длине l. Однако более реален случай, когда не вся порода, а только ее часть (Rs) вступает в реакцию с раствором, тогда получим Rs/W=const=fs (см. рис.6.32а), правая часть), при fs<f.

Если в околожильном пространстве имеется градиент температуры, то при р=const реакционная способность системы будет меняться - при высоких температурах в реакцию с раствором может вступить большее количество породы, чем при низких. На рисунке 6.32б показаны два варианта изменения температуры: с высокотемпературным плато (может появляться при больших скоростях фильтрации раствора) и без него. Отношение Rs/W меняется от больших значений (около трещинного канала) к меньшим (fs). Вид кривой этого изменения зависит от принятого изменения температуры.

Рис. 6.34. Зависимость средних (для интервала длины) значений проницаемости (k, микродарси мкД) околожильных гранитов от удаления от жилы (в пределах двух метров)

Однако для околотрещинного пространства более характерно уменьшение р с удалением от жилы за счет падения количества микро- и макротрещин в этом направлении. Обычно их плотность максимальна вблизи от основного трещинного канала. В этом случае исходная схема трансформируется до схемы, представленной на рисунке 6.33. Если t=const на всем интервале l, и в реакцию с раствором вступает вся порода (R) или только ее часть (Rs), то получаем вариант изображенный на верхней части рисунка 6.33, где R/W или Rs/W постепенно повышаются по направлению от трещинного канала (показана только тенденция, хотя эти отношения имеют разные значения, так, R/W стремится к f, а Rs/W к fs). Если в околожильном пространстве имеется градиент температуры, то ситуация осложняется. На нижней части рисунка 6.33 показаны два варианта изменения отношения Rs/W при различных температурах. Оба случая дают одинаковую тенденцию изменения Rs/W - меньшие значения вблизи трещинного канала и постепенное повышение до fs по мере удаления от контакта моделируемой жилы. Очевидно, что отношения Rs/W будут изменяться в меньшем диапазоне значений, чем в случае с t=const, хотя и это определяется самими значениями температур (на рис. они выглядят практически одинаковыми).

В большинстве моделей, о которых пойдет речь далее, приняты постоянные значения массы породы, находящейся в реакторе - 100 г породы. Сделано это специально, так как нам хотелось рассмотреть эффект взаимодействия "раствор-порода" с минимальным количеством изменяющихся параметров. Другие количества породы в реакторах будут особо оговариваться при описании результатов по конкретным моделям.

Рис. 6.35. Зависимость проницаемости образцов околожильных гранитов от удаления от жилы

Увеличение общей проницаемости пород вблизи трещинного канала, о котором мы говорили выше, известно для различных обстановок. Имеются такие данные и для изучаемых объектов. Исследования проницаемости околожильных пород месторождений мы начали проводить несколько лет назад совместно с В.М.Шмоновым по методикам и на аппаратуре ИЭМ РАН [Витовтова, Шмонов, 1982; Шмонов и др., 1986; Shmonov et al., 1994]. К настоящему времени мы располагаем данными о проницаемости 40 образцов (газовая проницаемость при нормальной температуре) для месторождений Холст и Верхний Згид [Shmonov et al., 1996, 1997]. Большинство этих образцов расположены на интервале до 2 метров от трещинного канала (рис.6.34 и 6.35). Имеющихся данных пока еще не достаточно для строгих обобщений, но все же по ним уже видно, что в околожильном пространстве значения проницаемости гранита имеют тенденцию к уменьшению по мере удаления от контактов жил (см. рис.6.34) и сильно варьируют (от n^.10^-18 до n^.10^-15 м₂, см. рис.6.35) вблизи от этих контактов.

Расчеты по моделям ореолов отложения-переотложения проведены для нескольких вариантов условий: политермический или изотермический варианты, 100 или 10 г вещества гранита в реакторах, порода с сульфидной серой или без нее, изменение состава первичного раствора.

Ореолы выщелачивания. Схема моделирования ореолов данного типа представлена на рисунке 6.36.

Рис. 6.36. Структура модели образования ореолов выщелачивания

По существу, это некоторое видоизменение моделей мобилизации металлов из гранитов, подробно исследованных выше (см. раздел 6.1). Первичный раствор при 370^oС поступает в систему проточных реакторов и взаимодействует с гранитом, содержащем фоновые концентрации металлов. Околожильное пространство здесь мы описываем 8 последовательными ступенчатыми реакторами с массой породы, уменьшающейся по мере приближения к жиле, поскольку предполагаем, что может происходить уплотнение сквозьпородного (порового) флюидного потока (от первого ректора к восьмому). Через реакторы пропускается 20 последовательных порций (волн) первичного раствора. Расчеты проводились в изотермической системе.