Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

Результаты моделирования разделим на несколько групп.

1. Опорные модели ореолов отложения-переотложения ZLW1 и ZRW1 - построены на основе первичного безрудного раствора базовой модели IS-2 (см. раздел 6.1). Ореолы развиваются около жилы, которая формируется по слоевому (ZLW) или реакционному (ZRW) механизму.

Условия и параметры моделирования:

- в зоне мобилизации - T=370^oС, P=1 кбар, масса гранита в реакторе равна 10 кг (гранит Холста), состав первичного раствора H₂CO₃=0.5 m, NaCl=1.0 m, HCl=0.1 m;

- в области формирования жилы выполнения - T=350-250^oС (шаг 10^oС), P=1 кбар; минералообразование происходит из гомогенных растворов за счет падения температуры в моделях ZLW (аналогично модели "слоевой" VL, см. раздел 6.2), и за счет падения температуры и реакции с жильными минералами в модели ZRW (аналогично модели "реакционной" VR);

- в области формирования ореолов - рассмотрены три температурных уровня: 350-150^oС (модели ZLW1-1 и ZRW1-1), 300-150^oС (модели ZLW1-2 и ZRW1-2) и 250-150^oС (модели ZLW1-3 и ZRW1-3); масса гранита во всех реакторах равна и составляет 100 г; P=1 кбар.

Рассмотрим сначала результаты расчетов по моделям ZLW1, где жила образуется по слоевому механизму.

Модель ZLW1-1 - развитие ореола на "нижних" (при начальной Т=350^oС) уровнях жилы.

Рис. 6.37. Модель ZLW1-1 (температура в жиле 350oС, в ореоле - 350-150oС)

Что происходит в жиле и ореоле? На рисунке 6.37а приведены концентрации растворов равновесных с минеральной ассоциацией жилы. Именно эти растворы из трещинного канала на каждой волне поступают во вмещающую породу и формируют ореол. Закономерности изменения концентраций элементов по волнам (порциям) на данном интервале жилы аналогичны тем, что отмечены для области мобилизации (см. рис.6.2), но сами значения концентраций несколько ниже за счет уже произошедшего выпадения рудных минералов в жиле. Содержания этих рудных элементов в жильной массе (характеризующие осаждение сфалерита, галенита и минералов меди) показаны на рисунке 6.37б. Максимум отложения сфалерита приходится на 7-9 порции раствора выщелачивания (7-9 слои), в которых концентрация Zn была максимальной.

При взаимодействии растворов с породами происходит отложение сульфидов рудных элементов и изменение макросостава вмещающей породы.

На рисунке 6.37г показан вид ореолов рудных элементов на три последовательные "момента времени": на 10-ой, 15-ой и 20-ой волне развития процесса образования ореола (на более ранних этапах - образуются очень слабые ореолы отложения). Хорошо видно, что по мере смены рудной специализации раствора (Zn>Pb, Cu) происходит опережающее развитие ореолов отложения Zn (10 волна), которые затем, при резком падении концентраций Zn в поступающем растворе, преобразуются в ореолы переотложения (15-20 волны). Для Pb и Cu за эти же 20 волн происходит только образование ореолов отложения. Этот результат вполне предсказуем по графикам рисунка 6.37а, где видно, что концентрации Pb и Cu имеют достаточно высокие значения в растворе из жилы на 20 волне. К сожалению, слоевую модель мы считали только до 20 волны, и поэтому дальнейшее преобразование ореолов можем только предвидеть. Очевидно, что при исчерпании свинца и меди в источнике (это происходит после 20 волны, см. рис.6.2) и на интервале развития ореола появятся растворы, резко обедненные этими металлами, после чего ореолы Pb и Cu будут изменяться так, как это было показано на примере Zn.

Рис. 6.38. Изменение pH равновесных растворов на 1 и 20 волне модели ZLW1-1 при реакции с породой (температура в жиле 350oС, в ореоле - 350-150oС)

В чем причины выпадения рудных минералов при реакции с породой. Это не только результат понижения температуры, поскольку отложение сульфидов происходит и в самом первом реакторе, где температура равна температуре в жиле. При реакции с породой происходит повышение щелочности раствора, что сдвигает реакцию растворения сульфидов в пользу твердых фаз. Различия в кислотности показаны на рисунке 6.38.

Кроме того, при реакции раствора с породой образуется пирротин (0.6-2.8% на разных волнах) за счет преобразования части железа и сульфидной серы породы. Присутствие пирротина поддерживает в равновесном растворе высокие концентрации сульфидной серы (подобно процессам, происходящим в зоне мобилизации, см. рис.6.2), которые вызывают отложение сульфидов рудных элементов.

Макросостав породы изменяется сильно (см. рис.6.37в). Так, на завершающем этапе (на 20 волне) в первых 4 реакторах образуется более 50% калиевого полевого шпата, 35% кварца, до 5% Fe-Mg-хлорита и немного серицита, а в реакторах с низкими температурами (от 7 до 13) количество калиевого полевого шпата резко понижается при возрастании содержания серицита (до 40%) и кварца (до 50%).

Модель ZLW1-2 - развитие ореола на "средних" (при начальной Т=300^oС) уровнях жилы.

Рис. 6.39. Модель ZLW1-2 (температура в жиле 300oС, в ореоле - 300-150oС)

На рисунке 6.39а приведены концентрации растворов равновесных с минеральной ассоциацией жилы. Общие тенденции очень похожи на данные для предыдущей модели (см. рис.6.37а), но есть и небольшие отличия - концентрация Pb практически на всех волнах превышает концентрации Cu. Содержания рудных элементов в жиле показаны на рисунке 6.39б. Максимум отложения сфалерита приходится также на 8-9 порции раствора выщелачивания (8-9 слои жилы).

На рисунке 6.39в показаны образующиеся ореолы рудных элементов. Как и в модели при 350^oС происходит опережающее развитие ореолов отложения Zn, однако ореолы переотложения не образуются, а только намечается тенденция его образования на 20 волне (происходит частичное переотложение Zn из первого во второй и третий реакторы). Свинец и медь образуют только ореолы отложения. Причина такого развития ореолов в уменьшении растворимости сульфидов при понижении температуры (рис.6.40).

Рис. 6.40. Концентрации компонентов в растворах на 1 (а) и 9 (б) волнах моделей VL1 и ZLW1

Модель ZLW1-3 - развитие ореола на "верхних" (при начальной Т=250^oС) уровнях жилы.

Уменьшение температуры приводит к закономерным отличиям от результатов в двух предшествующих моделях. На рисунке 6.41а приведены концентрации растворов равновесных с минеральной ассоциацией жилы. Отмеченное в ZLW1-2 слабое превышение концентраций Pb над Cu в данной модели становится более значительным - концентрации рудных элементов составляют ряд: Zn>Pb>Cu. Однако основные тенденции изменения концентраций рудных элементов в растворах, равновесных с минералами жилы, очень похожи для всех трех моделей. Содержания рудных элементов в жиле показаны на рисунке 6.41б. При этой температуре отложение сфалерита достигает максимального - до 8% Zn в 8-9 слоях жилы.

Рис. 6.41. Модель ZLW1-3 (температура в жиле 250oС, в ореоле - 250-150oС)

Главные минералы измененной породы (на 20 волне) показаны на рисунке 6.41в: кварц составляет почти 60%, серицит - 30-35%, хлориты - 5-10%. Содержания этих минералов практически не меняются по реакторам.

На рисунке 6.41г показаны образующиеся ореолы рудных элементов. Как и в модели ZLW1-2, в данной модели отчетливо фиксируется развитие только ореолов отложения, и только намечается тенденция переотложения Zn на 20 волне.

Теперь рассмотрим результаты расчетов по моделям ZRW1 (жила образуется по реакционному механизму). Эти модели интересны с двух точек зрения. Во-первых, формирования жилы по реакционному механизму хотя и реже, но все же может реализоваться на наших объектах (это обсуждалось в разделе 6.2). Во-вторых, в такой модели намного проще проводить термодинамические расчеты (расчеты по всем волнам от зоны мобилизации через реакторы жилы и затем через реакторы ореола проходят в автоматическом режиме, т.е. получаем единый блок расчетов для 26 реакторов, через которые прошло 30 волн раствора - 780 индивидуальных расчетов, а при моделировании по слоевому механизму - расчеты по каждой волне представляют отдельный цикл и требуют определенной предварительной подготовки при начале расчетов по следующей волне), и поэтому мы могли получить результаты до 30 и более волн растворов, т.е. увидеть то, что осталось за "кадром" в моделях ZLW1.

Модель ZRW1-1 - развитие ореола на "нижних" (при начальной Т=350^oС) уровнях жилы.

Рис. 6.42. Модель ZRW1-1 (температура в жиле 350oС, в ореоле - 350-150oС)

Все условия моделирования аналогичны модели ZLW1-1. Отличия два: реакционный механизм формирования жилы, процессы прослежены до 30 волны растворов из зоны мобилизации. Результаты моделирования представлены на рисунке 6.42. Приведены концентрации растворов равновесных с минеральной ассоциацией жилы. Картина практически тождественна полученной в модели ZLW1-1 (см. рис.6.37а). Только здесь после 23 волны растворы становятся полностью безрудными. При дальнейшем анализе результатов следует помнить, что при реакционном механизме мы получаем новый минеральный состав жилы на каждой волне. Соответственно, и раствор каждой волны равновесен только со своей ассоциацией минералов жилы. Так, например, на 30 волне в жиле вообще уже отсутствуют рудные минералы (см. рис.6.42б): все, что отложилось на 7-20 волнах, растворилось и перенесено на более низкотемпературные уровни жилы последующими (21-30) порциями раствора из зоны мобилизации. При слоевом механизме рудные минералы сохраняются внутри ранних слоев.

Интереснее судьба ореолов. На 10 и 20 волнах (см. рис.6.42в) ореолы аналогичны ореолам модели ZLW1-1. Но позже, когда безрудные растворы (24-30 волны) начинают поступать в область формирования ореола, происходит преобразование не только ореолов Zn, но и Pb, и Cu. В модели ZLW1-1 мы этого не видели - не хватило числа волн. Здесь же для всех металлов начинают формироваться ореолы переотложения.

Минеральный состав измененных пород в данной модели полностью соответстует описанному в модели ZLW1-1 (на 20 волне).

Модель ZRW1-2 - развитие ореола на "средних" (при начальной Т=300^oС) уровнях жилы.

Рис. 6.43. Модель ZRW1-2 (температура в жиле 300oС, в ореоле - 300-150oС)

Все полученные результаты, за исключением минералообразования в жиле, практически полностью повторят модель ZLW1-2. На завершающих этапах процесса происходит формирование ореола переотложения Zn (30 волна, рис.6.43в), но переотложение Pb и Cu только начинается.

Модель ZRW1-3 - развитие ореола на "верхних" (при начальной Т=250^oС) уровнях жилы.

Рис. 6.44. Модель ZRW1-3 (температура в жиле 250oС, в ореоле - 250-150oС)

Различия, за счет разных механизмов жилообразования, отчетливо проявились в модели ZRW1-3 (рис.6.44). Так, на рисунке 6.44а видим, что в растворах, равновесных с минералами жилы, произошло значительное разделение рудных элементов (в ряду Zn-Pb-Cu концентрации различаются на порядок и более).

Такая разница в концентрациях растворов отразилась на ореолах (см. рис.6.44в). Например, в модели ZLW1-3, где концентрации свинца были более высокими, получены содержания Pb в ореоле до 0.4% (это выше содержаний Zn на 20 волне, см. рис.6.41), а в модели ZRW1-3 максимальные содержания Pb в ореоле составляют только 0.08%.

На завершающих этапах процесса происходит формирование ореола переотложения Zn (30 волна, см. рис.6.44в), но переотложение Pb только начинается (Cu присутствует в незначительных количествах).

Остальные модели процессов формирования ореолов отложения-переоложения, которые приведены ниже, рассматриваются нами как дополнительные. Поэтому мы ограничились только одной температурой - 350^oС, и взяли за основу реакционный механизм образования жил.

2. Модель ореола отложения-переотложения ZRW2-1 - все условия и параметры моделирования аналогичны принятым в модели ZRW1-1. Отличие одно - масса гранита во всех реакторах равна и составляет 10 г. Уменьшение массы породы в реакторах позволит судить о влиянии отношения порода/вода на характеристики формирующихся ореолов.

Рис. 6.45. Модель ZRW2-1 (температура в жиле 350oС, в ореоле - 350-150oС)

Полученные ореолы (рис.6.45) отличаются от ореолов опорной модели ZRW1-1 (см. рис.6.42). В чем эти отличия выражаются? Во-первых, процесс ореолообразования проходит более интенсивно - начиная с 10-15 волны все металлы энергично переоткладываются. Во-вторых, каждый металл образует несколько максимумов переотложения в ореоле. Кроме того, измененная порода приобретает совершенно другой вид. В ней отсутствует калишпатизация (см. рис.6.37в), а развиваются кварц-серицитовые с хлоритом метасоматиты (рис.6.46).

Рис. 6.46. Модель ZRW2-1- главные минералы преобразованной вмещающей породы на 20 волне

Причина образования второго пространственного максимума отложения металлов в ореолах модели ZRW2-1 (на уровне 12-13 реакторов) довольно-таки проста. Это большой скачок в понижении температуры: до 11 реактора шаг по температуре составляет 10^oС, переход к 12 реактору - задан понижением сразу на 50^oС. Так что это - артефакт. В модели ZRW1-1 развитие ореола не прослеживалось так далеко.

Рис. 6.47. Развитие ореола на 15 волне (модель ZRW2-1)

Однако, второй максимум может образоваться не только в последних реакторах. Примером является ореол, сформированный на 15 волне (рис.6.47).

Рис. 6.48. Сравнение концентрации серы растворов равновесных с минеральными ассоциациями реакторов в моделях ZRW1-1 и ZRW2-1 на 15 волне

Здесь причина в изменении содержания и поведения серы в системе (рис.6.48), что проявляется наиболее наглядно в смене минералов меди: 1-2 реакторы - халькозин, 3-6 реакторы - борнит, 7-13 реакторы - халькопирит ( с 8 до 13 реактора - пирит). Кроме того, растворы модели ZRW2-1 имеют более низкие значения pH, а различия в кислотности увеличиваются от начала процесса формирования модельного ореола к его окончанию (рис.6.49).

Рис. 6.49. Сравнение pH растворов равновесных с минеральными ассоциациями реакторов в моделях ZRW1-1 и ZRW2-1 на 10 и 20 волнах

3. Модель ореола отложения-переотложения ZRW3-1 - все условия и параметры моделирования аналогичны принятым в модели ZRW1-1. Отличие одно - в гранитах, где формируется ореол, отсутствует сульфидная сера (сера поступает только с раствором из зоны мобилизации). Цель расчетов - выявить влияние серы породы на образование ореолов.

Рис. 6.50. Модель ZRW3-1 - ореолы рудных элементов на 30 волне

На всех волнах получены ореолы полностью идентичные ореолам модели ZRW1-1 (для сравнения приводим данные для 30 волны, рис.6.50). Разумеется, имеются небольшие отличия по содержаниям ряда минералов, но они не имеют принципиального характера. Можно полагать поэтому, что собственная сера ореоловмещающей породы не играет значительной роли в отложении здесь сульфидов.

4. Модель ореола отложения-переотложения ZRW4-1 - все условия и параметры моделирования аналогичны принятым в модели ZRW1-1. Отличие одно - ореолы формируются в изотермических условиях (350^oС). Цель расчетов - выяснение влияния изотермических условий на образование ореолов.

Рис. 6.51. Модель ZRW4-1 (температура в жиле и в ореоле - 350oС)

Полученные ореолы (рис.6.51) очень сильно отличаются от ореолов опорной модели ZRW1-1 (см. рис.6.42). Высокая температура во всей области формирования ореолов, и как следствие высокая растворимость всех минералов, предопределяет характер образования и развития ореолов в данной модели. На первый взгляд данные рисунка 6.51 удивляют: на 10 волне видим ореол отложения Zn, а на 20 волне - Zn в ореоле отсутствует; на 20 волне - интенсивное отложение Pb в первом реакторе, а на 30 волне - Pb в ореоле очень мало. Причина такого поведения элементов - в очень высоких "скоростях" развития и преобразования ореолов (определяется высокой температурой). Рудные элементы буквально проносятся сквозь 13 реакторов и выходят из области нашего наблюдения. Для пояснения приводим отдельный рисунок, на котором более подробно показано поведение Zn на "временном интервале" от 10 до 15 волны (рис.6.52). Хорошо видно, что Zn проходит все этапы преобразования ореола: ореол отложения сменяется ореолом переотложения, который затем начинает перемещаться в направлении от трещинного канала, и на 16 волне выходит за пределы 13 реактора. Аналогична и судьба Pb и Cu (они только отстают от Zn).

Рис. 6.52. Детализация развития ореола Zn на 10-15 волнах (модель ZRW4-1)

Характерны различия в степени изменения пород в модели с падением температуры от 350 до 150^oС и в модели с постоянной температурой (рис.6.53).

Рис. 6.53. Главные минералы преобразованной вмещающей породы на 20 волне а - модель ZRW1-1; б - модель ZRW4-1

В политермической модели калишпатовое изменение в области высоких температур (реакторы 1-5) сменяется развитием кварц-серицитовых ассоциаций в области низких температур. В изотермической модели каливошпатовое изменение в околожильной области сменяется практически неизмененными породами на удалении от жилы (реакторы 5-13). Из моделей видно, что проявление калишпатизации характерно для высокотемпературных околожильных областей, и только в тех моделях, где масса породы в реакторах была 100 г, в отличие от модели с массой породы равной 10 г, где при аналогичной температуре развивается кварц-серицитовое с хлоритом изменение (см. рис.6.46)

5. Модель формирования ореолов выщелачивания FM1.

Условия и параметры моделирования (схема моделирования приведена на рисунке 6.36): 370^oС, 1 кбар, 8 ступенчатых проточных реакторов, гранит месторождения Холст; распределение породы по реакторам - 1 - 10 кг, 2 -5 кг, 3 - 1 кг, 4 - 0.5 кг, 5 - 0.2 кг, 6 - 0.1 кг, 7 - 0.05 кг, 8 - 0.01 кг; в первый реактор поступает раствор постоянного состава H₂CO₃=0.5 m, NaCl=1.0 m, HCl=0.1 m (аналогичен раствору в модели мобилизации IS-2); через реакторы пропускается 20 последовательных порций (волн) первичного раствора.

Рис. 6.54. Модель FM1. Структура ореолов выщелачивания

Распределение рудных элементов по восьми реакторам, полученное в результате моделирования, представлено на рисунке 6.54. Данные приведены не в привычных мас.%, а нормированы на фоновые содержания элементов в породе, т.е., представлены отношения содержаний каждой из точек к фону. Это оправдано, поскольку речь идет об ореолах выщелачивания, где содержания рудных элементов изменяются вблизи фоновых значений.

Рассмотрим в качестве примера поведение цинка. На первых этапах (волнах) процесса Zn выщелачивается из 1 реактора и переоткладывается во второй. Это хорошо видно на рисунке 6.54а, где показана ситуация на 4-ой волне. В остальных реакторах распределение Zn отвечает фоновому. На 8-ой волне, в первых двух реакторах содержания Zn ниже фоновых, в третьем реакторе - более чем двухкратное превышение фона, в 4-8 реакторах содержание Zn в 1.5 раза превышает фон. На 10-ой волне Zn полностью выщелачвается из всех восьми реакторов.

Свинец и медь практически полностью повторяют судьбу цинка, но со смещением "по времени" (волнам). К 20-ой волне, Pb имеет содержания, превышающие фоновые только в 6-8 реакторах, а Cu - в 3-8 реакторах. По направлению от жилы (от восьмого реактора к первому), в формирующемся ореоле выщелачивания, выстраивается следующий ряд подвижности элементов: Zn-Pb-Cu.

На рисунке 6.54б можно видеть, как происходит перераспределение элементов по волнам. Например, максимум Zn в 3 реакторе образуется на 7-8 волнах. Или, на 20 волне в 8 реакторе (перед жилой) - отсутствует Zn, значения отношения несколько больше единицы имеют Pb и Cu.

Рис. 6.55. Модель FM1. Главные минералы преобразованной вмещающей породы на 20 волне

Порода претерпевает незначительные изменения при реакции с раствором. Наиболее измененным участком околожильного пространства является порода первого реактора (рис.6.55).

Общий эффект выщелачивания детально проанализираван ранее (см. раздел 6.1). Этой моделью мы демонстрируем динамику развития структуры таких ореолов во времени.