|
Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003-2004 г.
Содержание
1. Масса химических элементов, вовлеченная в перераспределение в ходе гидротермально-метасоматических процессов, пренебрежимо мала по сравнению с их полной массой в составе верхней части континентальной коры.
2. Распределение концентраций химических элементов в гидротермально-метасоматических образованиях земной коры характеризуется очень высокой дисперсией, огромной степенью локального концентрирования, формированием большого разнообразия геохимических ассоциаций химических элементов; повторяемость этих ассоциаций не только в различных географических точках земной коры, но и в различной геодинамической обстановке свидетельствует о глубоких геохимических закономерностях, которым подчинено поведение химических элементов в гидротермально-метасоматических процессах.
3. Перераспределение химических элементов в гидротермально-метасоматических процессах сопровождаются наиболее контрастной, наиболее эффективной их дифференциацией, что значительно увеличивает возможности возникновения локального обогащения многими второстепенными, редкими и рассеянными элементами вплоть до появления их собственных минералов.
4. Геологическая позиция гидротермально-метасоматических образований часто, но далеко не всегда, свидетельствует о корреляции гидротермально-метасоматических и магматических процессов в геологическом пространстве-времени; однако геологические наблюдения не могут служить основанием для утверждения о прямой их генетической связи, т. е. о магматогенной (в узком смысле этого слова) природе гидротермально-метасоматических образований.
5. Физико-химическая сущность гидротермально-метасоматических процессов заключается в перераспределении химических элементов в земной коре в результате взаимодействия подвижной флюидной (жидкой или газообразной) фазы в ходе ее фильтрации сквозь пористый каркас твердых пород. При этом происходит комплекс физико-химических явлений: конгруентное или инконгруентное растворение минералов, отложение из раствора новых минералов, ионный обмен и взаимодействие сорбции-десорбции между твердыми фазами и раствором, гетерогенизация подвижного раствора с разделением на жидкую и газовую фазу (комплекс фазовых переходов) и движение подвижной фазы в ходе ее фильтрации, которое сопровождается разделением компонентов в пространстве геологической системы; это разделение является следствием взаимодействия подвижного раствора с породами и может быть квалифицировано как гидротермально-метасоматическая дифференциация.
6. Главным фактором, определяющим геохимическую направленность эволюции гидротермально-метасоматических систем, является состав поступающей в геологическую систему флюидной фазы. Изучение минеральных равновесий гидротермально-метасоматических пород, исследование флюидной фазы включений минералообразующей среды в минералах, прямое определение химического состава горячих источников позволяют дать общую оценку химического состава гидротермального флюида. Химические элементы гидротермальных растворов можно объединить в следующие группы.
Ведущими компонентами являются H2O и Cl, основным планетарным резервуаром которых в настоящее время является гидросфера. Согласно современным представлениям, эти <избыточные летучие> поступают на поверхность Земли в ходе дегазации глубинного вещества планеты и должны быть основными и в составе ювенильных летучих, сопутствующих мантийному магматизму; данная ситуация предопределяет двойственность возможной интерпретации генетической природы основной матрицы гидротермальных растворов: она может быть как магматогенной (в узком смысле этого слова), так и циклической, вадозной, вовлекаемой в геохимический круговорот в ходе тектоно-магматической активизации. Однако систематические различия изотопного состава О и Н ювенильных и вадозных вод позволяют подойти к конкретному решению этой дилеммы, которое оказалось в принципе тривиальным: в составе гидротермальных растворов присутствует как циклический, так и ювенильный компонент; обычно преобладает первый. Зато появилась возможность обосновывать подобные количественные оценки при решении проблемы источника вещества конкретных гидротермально-метасоматических систем в конкретной геологической обстановке. Аналогично Cl должен вести себя и его менее распространенной аналог Br, отношение которого к Cl в гидротермальных растворах (в тех редких случаях, когда Br определяется) колеблется незначительно и близко к отношению в составе морской воды.
Другие <избыточные летучие> - C, S и В, в отличие от Н2О и Cl, в значительных количествах входят в состав осадочных пород, которые могут быть значимым источником этих компонентов в гидротермальных растворах. Огромная дисперсия изотопного состава S в гидротермальных сульфидных месторождениях действительно свидетельствуют о том, что основным источником этого элемента является S осадочных пород с ее <биогеохимически обусловленным глубоким фракционированием изотопов между сульфидной и сульфатной формами. О вовлечении в гидротермально-метасоматические процессы С осадочных пород свидетельствуют особенности изотопного состава и этого элемента. Эти данные не исключают нахождения и ювенильной компоненты этих элементов, но определенно ее роль должна быть подчиненной.
Проблема источника и концентрации в составе гидротермального раствора металлов, в том числе рудных, не может быть решена корректно в общей форме: представляется очевидным, что и магматические системы, и вмещающие породы вполне могут обеспечить необходимые количества металлов, вопрос лишь в нахождении условий, способных обеспечить необходимые масштабы перераспределения, но для некоторых рудных металлов, прежде всего Pb и Sr, эта проблема, так же как и для S, может быть решена конкретно с использованием изотопных данных; и снова сегодняшнее решение аналогично информации, вытекающей из данных об изотопном составе О, Н, S, С; в доказанных случаях конкретным источником рудных металлов оказываются вмещающие гидротермальные образования породы.
7. Взаимодействие вода-порода является основным контролем концентрации в гидротермальных растворах всех малорастворимых компонентов, а также таких важней-ших термодинамических параметров гидротермальных систем, как рН (главным образом, за счет реакций гидролиза алюмосиликатов) и Eh (главным образом, за счет буферных равновесий форм С, Fe, S) растворов, активность в них СО3-ионов (реакции карбонатизации-декарбонатизации), растворенного SiO2 (пересыщенный кремнеземом средний состав вещества континентальной коры определяет максимально возможную кремнекислотность гидротермальных растворов, равновесную с кварцем, и как следствие широчайшее развитие процессов окварцевания и формирования жильного кварца). Лишь локально в условиях повышенной проницаемости пород и средоточения флюидного потока в пределах соответствующих структур может формироваться обстановка, в которой при высоких значениях отношения вода-порода независимой переменной может стать состав раствора, и гидротермально-метасоматические системы приобретают свойства систем с вполне подвижными компонентами (в смысле термина Д. С. Коржинского, обосновавшего возможность анализа условий равновесия в таких системах в рамках равновесной термодинамики с учетом дифференциальной подвижности компонентов и использовани-ем принципа локального равновесия).
8. Проблема транспорта химических элементов в гидротермально-метасоматических процессах нашла в настоящее время решение на основе идеи комплек-сообразования как основного типа реакций химического взаимодействия растворяющих-ся фаз с компонентами гидротермального раствора. Важнейшими комплексообразовате-лями в составе природных растворов являются H2O, CO2, H2S и продукты их диссоциации, а также Cl- и SO42-; иными словами, все основные анионы природных флюидных систем; меньшее значение из-за невысоких концентраций имеют F и В. Большой объем уже полученных экспериментальных данных (работа в этом направлении продолжается) и теоретические разработки в области термодинамики водных растворов при повышенных температурах и давлениях создали предпосылки для разработки компьютерных ме-тодов накопления и обработки информации и создания термодинамических моделей гидротермальных систем. Здесь было необходимо найти некоторые физико-химические и математические идеи, позволившие систематизировать экспериментальный материал и распространить его на широкий диапазон Т, Р и состава растворов и создать необходимые алгоритмы и комплексы ЭВМ-программ. Это было сделано несколькими коллективами ученых, в том числе в ГЕОХИ РАН и на кафедре геохимии МГУ (Б. Н. Рыженко, Ю. В. Шваров, М. В. Борисов, Д. В. Гричук). Решение проблем термодинамического описания состояния многокомпонентного гидротермального раствора одновременно явилось и решением проблемы взаимодействия раствора с минералами горных пород и стало базой разработки полной термодинамической модели гидротермальных систем (формирование гидротермального раствора и концентрирования в нем, в том числе рудных элементов: рстворение - перенос - отложение); осталось лишь перевести на язык физико-химического моделирования динамику процесса.
9. Путь решения проблемы локального отложения продуктов гидротермально-метасоматических процессов заключается в разработке на языке физико-химического моделирования концепции геохимических барьеров, т. е. поиска и описания обстановок контрастного изменения параметров гидротермальных растворов. Из общих соображений их можно назвать достаточно много: температурный барьер; изменение параметров, вызванное смешением растворов разного состава, в том числе так называемого (Викт. Л. Барсуков и М. В. Борисов) <автосмешения> (барьер смешения); барьеры, связанные с фильтрацией растворов через породы разного химического состава; резкое изменение физико-химических свойств раствора в связи с его гетерогенизацией (кипением). Эти явления, как правило, сопровождаются изменением рН, Eh растворов, изменением концентраций ионов, которые оказываются <осадителями> компонентов раствора, и другими физико-химическими превращениями. Эти общие слова понятны и не составляют проблему; важно, что в настоящее время на основе подобных предположений есть возможность строить численные модели явлений и пытаться ответить на языке количественных параметров на вопрос, насколько они позволяют воспроизвести эмпирические закономерности, а именно пространственную геохимическую структуру гидротермально-метасоматических объектов. Для решения таких задач в настоящее время разработана методология создания и исследования резервуарных моделей; проблемы метасоматиче-ской зональности получили принципиальное решение в рамках теории метасоматической зональности Д. С. Коржинского, подкрепляемой специальными экспериментами. Распространение этих подходов и методов решения на все типы гидротермально-метасоматических процессов представляется сегодня, скорее, технической задачей, а не принципиальной проблемой. Но пока имеющиеся возможности и численного, и физического эксперимента не позволяют строить прямые физико-химические модели формирования пространственного строения конкретных геологических объектов и, в частности, воспроизвести (т. е. понять!) такую их важнейшую особенность, как первичную геохимическую зональность.
1. Разработка методологии получения и обработки геохимических данных, которая позволили бы создать количественную геохимическую систематику гидротермально-метасоматических образований на основе выделения типоморфных ассоциаций химических элементов и исследовать проблему корреляции этих ассоциаций с геологической (геодинамической) позицией этих объектов.
2. Дальнейшие систематические исследования всего разнообразия гидротермально-метасоматических образований, прежде всего, с привлечением изотопных данных для создания достаточно полной картины вариаций состава гидротермальных растворов и характера источников их компонентов, в том числе рудных, и исследование корреляции составов растворов и типов источников с геохимическими типами этих объектов и их геологической (геодинамической) позицией.
3. Дальнейшее накопление экспериментальных данных, необходимых для расширения базы термодинамических параметров, определяющихся состояния многокомпонентных систем при составах и условиях, отвечающих природным, и на этой основе создание серии компьютерных моделей термодинамики гидротермально-метасоматических систем.
4. Расширение экспериментальных и теоретических исследований кинетики химических реакций в гидротермальных системах для обоснования корректной оценки ограничений, накладываемых конкретной кинетикой на механизмы перераспределения и достижения равновесия в гидротермально-метасоматических процессах.
5. Создание моделей физико-химической динамики перераспределения химических элементов в гидротермально-метасоматических процессах (в системе источник - перенос - отложение) и на этой основе разработка методологии и методов прямого моделирования пространственной геохимической структуры гидротермально-метасоматических объектов как отражения законов гидротермально-метасоматической дифференциации.
6. Специальной проблемой являются понимание наблюдаемого геохимического разнообразия гидротермально-метасоматических объектов и масштабов локального концентрирования в них химических элементов; ее решение возможно только на основе разработки количественной геохимической систематики гидротермально-метасоматических образований (п. 1), расшифровки природы источников гидротермальных растворов и их компонентов (п. 2) и создания моделей физико-химической динамики процессов (п. 5); в настоящее время по этому поводу нет даже никакой идеи.
<<Назад Содержание Вперед>>
|
