Геохимическая обстановка на месторождениях. Геохимическая зональность и геохимические барьеры.

Введение

 

В месторождениях рудных полезных ископаемых сосредоточена ничтожная часть общего запаса элементов, большая часть элементов рассеяна в земной коре. Следовательно, для образования месторождений требуется протекание геохимических процессов концентрации рассеянных компонентов. Повышенное содержание рудных элементов в горных породах в ряде случаев служит региональным геохимическим поисковым критерием.

Сформировавшееся месторождение может быть на длительное время «законсервированным» в земной коре или разрушаться в результате окислительной эрозии. Поэтому историческая геохимия месторождения включает и историю его разрушения, образование вторичных ореолов рассеяния. Первичное месторождение образуется в земной коре застыванием магмы, затем вещества, входящие в состав магмы, приобретают подвижность, например, путем выветривания и может происходить вторичное концентрирование элементов с образованием вторичных месторождений.

Изучение геохимических закономерностей перераспределения вещества в земной коре и формирования вторичных месторождений позволит техногенными методами формировать вторичные месторождения полезных ископаемых, в частности меди и цинка, в удобных для человека местах.

Литературная часть.

 

Формирование рудных месторождений – это история концентрации и рассеяния химических элементов в пространстве его рудного поля. Для понимания этих процессов, требуется рассмотреть следующие вопросы:

1. Геохимические барьеры.

2. Типы вторичных месторождений.

3. Формирование техногенных месторождений.

Геохимические типы вторичных месторождений.

 

По термодинамическим параметрам все месторождения делятся на две большие группы: 1) эндогенные месторождения, образовавшиеся в условиях высоких температур и, как правило, при высоких давлениях, и 2) экзогенные месторождения, образовавшиеся при температурах и давлениях, близких к условиям земной поверхности [1].

 

Заключение

 

В настоящей работе проанализированы геологические позиции формирования вторичных рудных месторождений меди и цинка. На этой базе определены главные природные условия образования вторичных месторождений. В работе предполагается, что первичное месторождение элементов обнаруживается в земной коре, где оно находится геологически длительное время. Приобретая подвижность, путем выветривания или вымывания водами, элементы выбираются из земной коры, где осаждаются на геохимических техногенных барьерах. Там и происходит их вторичное концентрирование.

При этом требуется обязательное наличие местных источников металлов, структур, способных концентрировать потоки рудоносных растворов, где бы могли образовываться рудолокализующие геохимические барьеры. Эти обязательные условия являются «законами» экзогенного рудообразования. По ним определяются основные поисковые критерии, а также отличительные признаки экзогенных объектов.

Концентрация рудных веществ происходит в результате биогенных процессов, вызываемых живыми бактериями, подобно брожению и пр. Вторичные месторождения могут встречаться в любых стратиграфических подразделениях, при том условии, что будут в наличии все необходимые фациальные предпосылки. Не время, а условия определяют и место, и время образования месторождений.

С учетом биогенных процессов находят убедительное объяснения все особенности состава руд и все околорудные изменения без привлечения гипотез. Тем самым устраняется главная причина частых ошибок в определении генезиса месторождений.

Теория рудообразования помогает также по иному понимать природу и законы локализации эндогенных месторождений. Не может вызвать сомнений, что при попадании в зоны ультраметаморфизма и расплавления первично биогенные руды преобразуются в жильные, метасоматические или магматические, т.е. в «эндогенные» месторождения. Биогенный источник рудного вещества для «эндогенных» объектов был наиболее распространенным. Отпадает необходимость в гипотезах о «мантийных» источниках, «глубинных разломах» и прочих недосягаемых для наблюдения геологических явлений, якобы влияющих на образование «эндогенных» месторождений.

Рассмотренный механизм рудонакопления на окислительно-восстановительном барьере является важнейшим, поскольку с ним связано образование преобладающего количества рудных месторождений, но, безусловно, не единственным из биогенной природы.

Список литературы:

 

Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1979. – 422 с.

Перельман А.И. Геохимия эпигенотических процессов // М.: Недра, 1965. – 272 с.

Дергачев А.Л., Еремин Н.И., Позднякова Н.В., Сергеева Н.Е. Эволюция вулкано–генного колчеданного рудообразования в истории Земли // Электрон. науч. – информ. Журнал Весгник ОГГ ГГН РАН >> № 3 (13) 22000, М.: ОИФЗ РАН, 2000.

URL: http:// www. scgis. ru / russian / cp 12 54 / n dgggms / 3 – 2000 / dergarcher. htm # begin

Палков В.И. Экзамен на Homo sapiens. От экологии и макроэкологии… к МИРУ. – Соранск. изд. МГУ. 2004. – 496 с.

Поляков В.И. Ядерная энергия без РАО. – РАН: «Энергия» №7, 2001. – С. 8.

Поляков В.И., Буквич Б.А, Экологическое решение проблемы с жидкими радиоактивными отходами. – «Радиационная безопасность: обращение с РАО». Vll межд. конф. С. – Пет. 2004. – С. 364.

Страхов Н.М. Стадии образования осадочных пород и задачи их изучения // Методы изучения осад. Пород. М.: Госгеолтехиздат, 1957. Т. 1. С. 7-28.

Лисицин А.К. Гидрогеохимия рудообразования. М.: Недра, 1975. 247 с.

Кондратьева И.А., Зеленова О.И., Оношко И.С. и др. Месторождения, образованные пластовыми водами // Гидрогенные месторождения урана. М.: Атомиздат, 1980. С.152-230.

Холодов В.Н. Формирование газоводных растворов в песчано-глинистых толщах элизионных бассейнов // Осадочные бассейны и их нефтегазоносность. М.: Наука, 1983. С.28-45.

Холодов В.Н. Роль регионального катагенеза в формировании термальных газоводных растворов (к теории стратиформного рудообразования) // Генезис редкометальных и свинцово-цинковых стратиформных месторождений. М.: Наука, 1986. С.6-28.

Холодов В.Н. Проблемы гидрогеологии в связи со стратиформным оруденением // Рудоносность осадочных комплексов. Л.: Наука, 1989. С.60-67.

Холодов В.Н. К проблеме генезиса полезных ископаемых элизионных впадин. П. Челекен-Боядагская гидротермальная система // Литология и полезн. Ископаемые. 1991. № 2.

Шмариович Е.М. Концентрации редких элементов, связанных с кислородной пластовой зональностью водоносных горизонтов // Состояние и задачи советской литологии. М.: Наука, 1970. Т.2. С.180-190.

Басков Е.А. Основы палеогидрогеологии рудных месторождений. Л.: Недра, 1983. 263 с.

Вернадский В. И. История минералов земной коры. Т.2. История природных вод. Ч.1. Вып.1. Л.: Научн. хим.-техн. изд.-во, 1933. 202 с.

Холодов В.Н., Лисицин А.К., Комарова Г.В., Кондратьева.И.А. Об эпигенетической зональности уранового оруденения в нефтеносных карбонатных породах // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1961. № 11. С. 50-62.

Холодов В.Н., Кикнаде З.Р. Колчеданные месторождения Большого Кавказа. М.: Наука, 1989. С. 189.

Холодов В.Н. Рудогенерирующие процессы элизионных и инфильтрационных систем // Геология рудных месторождений. 1992. № 1. С. 3-32.

Пустовалов Л.В. Вторичные изменения осадочных горных пород и их геологическое значение // О вторичных изменениях осадочных пород. М.: Изд-во АН СССР. 1956 С. 3-53.

Введение

 

В месторождениях рудных полезных ископаемых сосредоточена ничтожная часть общего запаса элементов, большая часть элементов рассеяна в земной коре. Следовательно, для образования месторождений требуется протекание геохимических процессов концентрации рассеянных компонентов. Повышенное содержание рудных элементов в горных породах в ряде случаев служит региональным геохимическим поисковым критерием.

Сформировавшееся месторождение может быть на длительное время «законсервированным» в земной коре или разрушаться в результате окислительной эрозии. Поэтому историческая геохимия месторождения включает и историю его разрушения, образование вторичных ореолов рассеяния. Первичное месторождение образуется в земной коре застыванием магмы, затем вещества, входящие в состав магмы, приобретают подвижность, например, путем выветривания и может происходить вторичное концентрирование элементов с образованием вторичных месторождений.

Изучение геохимических закономерностей перераспределения вещества в земной коре и формирования вторичных месторождений позволит техногенными методами формировать вторичные месторождения полезных ископаемых, в частности меди и цинка, в удобных для человека местах.

Литературная часть.

 

Формирование рудных месторождений – это история концентрации и рассеяния химических элементов в пространстве его рудного поля. Для понимания этих процессов, требуется рассмотреть следующие вопросы:

1. Геохимические барьеры.

2. Типы вторичных месторождений.

3. Формирование техногенных месторождений.

Геохимическая обстановка на месторождениях. Геохимическая зональность и геохимические барьеры.

 

В пределах месторождений условия миграции элементов, как правило, неодинаковы: меняются Eh, рН и другие параметры среды. Это позволяет расчленять месторождения на отдельные подсистемы, однородные по геохимическим условиям. Для многих месторождений основными геохимическими параметрами подсистем (обстановок) служат окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия [1].

При изучение современных геохимических обстановок огромное значение приобретают гидрогеохимические исследования, которые должны проводится сопряжено с минералого-геохимическими. Только такой единый комплекс исследований позволяет понять, как образуются и разрушаются рудные минералы [2].

Многие рудные месторождения содержат органические вещества (хотя бы рассеянные) сульфиды и другие соединения – источник энергии для микроорганизмов. Воды рудных месторождений часто являются ареной их деятельности. Многие «чисто химические» реакции в действительности являются биогеохимическими, их механизм связан с деятельностью бактерий [8]. Это в значительной степени относится к процессам окисления сульфидов, образованию серных руд, осаждению сульфидов на восстановительном барьере и т. д. [1]. В связи с этим изучение современной геохимической обстановки месторождений должно включать анализ органического вещества и микробиологические исследования. На большинстве месторождений образование руд в настоящее время не происходит. Однако, изучая минеральные ассоциации в породах и рудах, газово-жидкие включения в минералах, химический состав пород и руд, можно восстановить былые геохимические обстановки.

Геохимические обстановки в пределах месторождений образуют закономерный ряд в породах – геохимическую зональность. Она может быть охарактеризована не только по типам измененных пород, но и по смене парагенных ассоциаций элементов. Особенно детально изучена геохимическая зональность эндогенных месторождений [14].

При геохимическом изучении месторождений необходимо анализировать как устойчивые геохимические обстановки, так и геохимические барьеры – контакты между ними [1].

Геохимическими барьерами называют такие участки зоны гипергенеза, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции, что приводит к концентрации химических элементов [2]. Уменьшение скорости миграции вызывается резкими изменениями параметров окружающей среды – Eh, pH, влажности, минерального состава. В зависимости от изменяющегося параметра такие барьеры называются: окислительно-восстановительными, щелочными (кислотными), испарительными и т. д.

При картировании геохимические барьеры чаще всего представляют собой линии, по которым соприкасаются поля развития эпигенетических процессов. Это означает, что геохимические барьеры возникают на границе эпигенетических процессов различных типов; они занимают определенное место в эпигенетической зональности [17]. Однако эпигенетическая зональность может и не включать геохимические барьеры. В этом случае различные эпигенетические процессы постепенно сменяют друг друга через ряд переходных зон. Геохимические барьеры наблюдаются в почвах, коре выветривания и водоносных горизонтах [2]. Геохимические барьеры так же возникают в магме, гидротермальных растворах, реках, морях и других системах. Их размеры весьма различны. Геологические условия формирования барьеров очень разнообразны, но их геохимическая сущность в самых различных частях земной коры одинакова [1].

К геохимическим барьерам в водоносных горизонтах приурочены рудные тела месторождений ряда полезных ископаемых. Для рудоносной толщи подобных месторождений характерно чередование пластов разной водопроницаемости. Рудные тела образуются в водопроницаемых породах или в породах, которые были водопроницаемы в прошлом (конгломераты, гравийники, пески и песчаники, трещиноватые известняки) [10]. Разделяющие их водоупорные породы (глины, массивные глинистые известняки) обычно безрудны. Высокое содержание металлов в рудах в значительной степени объясняется тем, что они осаждаются из растворов на небольшом расстоянии, в результате резкого изменения физико-химических и других условий среды.

Рассмотрим несколько физико-химических барьеров.

Окислительные геохимические барьеры. Развиваются на участках резкой смены восстановительных условий окислительными или же в общей форме в местах перехода от менее окислительных условий к более восстановительным (или от более восстановительных к менее окислительным). Наиболее изучены такие барьеры в местах смены восстановительной обстановки окислительной, причем главным агентом окисления служит свободный кислород. В связи с этим данную разновидность окислительного барьера можно назвать кислородным барьером [14].

Восстановительные геохимические барьеры. Эти барьеры возникают в тех участках зоны гипергенеза, где окислительные условия сменяются восстановительными или, в более общей форме, где менее восстановительные резко переходят в более восстановительные. В соответствии с двумя основными классами восстановительной среды – сульфидным (сероводородным) и глеевым – устанавливаются и два класса восстановительных геохимических барьера: сульфидный (сероводородный) и глеевый. Оба класса барьеров распространены как в почвах, так и в водоносных горизонтах [2].

Сульфидный барьер. Современные термальные сероводородные барьеры формируются на дне впадин Красного моря, в других морских и океанических районах, в районах вулканизма, в зонах разлома и т. д.[1]. Сульфидный (сероводородный) барьер так же возникает в почвах и водоносных горизонтах, когда дренирующие воды встречают на пути своего движения сероводород (сероводородные воды; выделение газов, содержащих H2S; гниющее органическое вещество). При этом происходит выпадение металлов в форме нерастворимых сульфидов.

Сероводород осаждает медь из природных вод в форме различных сульфидов. Поэтому на участках встречи меденосных вод с сероводородными возникает восстановительный барьер, на котором осаждается медь и ее спутники свинец и цинк [8].

Данный механизм имел большое значение для образования сульфидных медных, свинцово-цинковых и некоторых других руд. Признаком былого проявления H2S в водоносных горизонтах служат эпигенетические сульфиды в породах, в первую очередь пирит [11]. Во впадинах Красного моря горячие металлоносные растворы разгружаются на сероводородном барьере с образованием сульфидных осадков. Последние образуют пласт черного цвета, в котором преобладает сфалерит (есть пирит и халькопирит) [1].

С восстановительным барьером связано формирование некоторых месторождений меди (тип «медистых песчаников»). Медь обладает сравнительно высокой миграционной способностью в окислительных и слабовосстановительных водах, не содержащих H2S. Поэтому сернокислый, кислый и содовый эпигенетические процессы благоприятны для миграции меди [17].

Для месторождений медистых песчаников характерно два типа концентрации меди. Первый тип связан с осаждением меди из подземных вод на участках с локальной восстановительной среды (гниющее органическое вещество). В результате создавалось множество мелких «центров восстановления», где осаждалась медь [10].

Сероводород возникает и за счет десульфуризации сульфатных вод в газонефтеносных областях. Мигрируя с подземными водами, он может обусловливать осаждение меди и других металлов в зоне контакта сероводородных вод с водами, не содержащими этого соединения и несущими повышенное количество металлов. Подобный механизм имел место при образовании некоторых сульфидных месторождений в осадочных породах [9]. Это второй тип концентрации меди в месторождениях типа медистых песчаников [10].

Согласно современным представлениям, рудовмещающие породы здесь формировались в условиях окислительной среды, но образование устойчивого, длительно существующего наложенного восстановительного барьера определило крупные размеры рудных тел, их промышленный характер [2].

В первом типе источник восстановительной среды был сингенетический (красноцветы), а во втором эпигенетический (нефть, газ, битуминозные породы). Оруденение в обоих случаях эпигенетическое [17].

В эпоху, предшествующую рудообразованию, суша характеризовалась широким распространением пород, обогащенных медью, а местами так же медных месторождений и рудопроявлений, вокруг которых формировались вторичные ореолы рассеяния. Размыв этих ореолов и переотложение соответствующего материала привело к накоплению сорбированной меди в осадках красноцветной свиты [2].

Осаждение металлов на восстановительном сероводородном барьере. Рассмотрим проявление сероводородного барьера при избытке и дефиците сероводорода.

Если содержание сероводорода в среде равно тому количеству, которое необходимо для осаждения всех металлов, присутствующих в водах (или превышает его), то в подобных условиях образуются труднорастворимые сульфиды всех металлов, т. е. Fe, Cu, Zn, Pb, Ag и т. д. Поэтому породы и руды будут полиметаллическими в широком смысле этого слова. Отсюда можно сделать два вывода:

2) если руды содержат сульфиды многих металлов, то в среде имелся избыток сероводорода;

1) если руды монометальны или содержат небольшое число металлов, то это может говорить или о дефиците сероводорода на восстановительном барьере или же о монометальном характере поступающих растворов [9].

Теперь представим себе, что кислородные подземные воды, содержащие медь, никель, кобальт, цинк, свинец и другие металлы, двигаются по водоносному горизонту, в нижней части которого имеется восстановительный сероводородный барьер [16]. Однако количество ионов S²- и HS-, необходимых для осаждения металлов, в каждый данный момент меньше, чем количество протекающих металлов (имеются в виду активные концентрации).

В этом случае будут осаждаться сульфиды не всех металлов; осуществится только часть возможных реакций в соответствии с принципом торможения. Примем, что содержание сульфидного иона (S²-) составляет 10-10 моль/л (3,2·10-9 г/л) и реакция осаждения имеет следующий характер:

Cu²+ + S²- →CuS,

Pb²+ +S²- →PbS

Содержание металлов в водах, поступающих к барьеру, примем близким к фоновым, т.е. 1·10-6 - n·10-8 моль/л (n·10-5 - n·10-6 г/л).

Для металлов мало различающихся по реакции осаждения сульфидов (Pb, Zn, Ni, и Co) и величине изобарного потенциала, последовательность осаждения может зависеть от исходных концентраций металлов в водах. Следовательно, в зависимости от концентрации этих металлов в водах, при дефиците сероводорода, сначала может осаждаться или свинец или цинк [11].

Карбонатный барьер. Возникает в местах встречи карбонатных вод с водами другого типа, содержащими значительное количество Cu, Zn, Са, Sr, Ba. Примером может служить барьер на стыке глубинных хлоридных рассолов с гидрокарбонатно-натриевыми водами [13]. Это явление может происходить в опущенном крыле артезианского бассейна, где близко от поверхности залегают глубинные воды. При этом происходят обменные реакции, в ходе которых из вод осаждаются карбонаты щелочноземельных металлов.

Sr²+│ SrCO3

хлоридный рассол± CO²+3 – инфильтрующихся вод→

Ca²+│ CaCO3

В результате этого процесса возникают эпигенетическая кальцитизация; образуются эпигенетические бариты, целестины, стронцианиты. Смещение глубинных хлор-кальциевых вод с приповерхностными может быть обусловлено также тектоническими поднятиями [2]. На карбонатном геохимическом барьере сформировались малахитовые месторождения окисленных медных руд на Среднем Урале (малахит – (Cu2CO3(OH)2) и окисленные месторождения цинка в Канаде и США (Теннеси, Миссури) (смитсонит – ZnCO3, гидроцинкит – Zn5(CO3)2(OH)6).

Щелочной барьер. Этот барьер возникает на участках резкого повышения рН, в частном случае в местах смены кислых вод нейтральными или щелочными (но также и в кислой области при смене сильнокислых вод слабокислыми). Характерным примером щелочного барьера служат многие контакты изверженных и осадочных бескарбонатных пород с известняками. Такой же барьер возникает при формировании зоны окисления сульфидных месторождений. Щелочной барьер имеет особенно большое значение для концентрации большинства металлов, так как интенсивность их миграции в кислой области значительно выше, чем в щелочной [1].

Кислые воды, дренирующие сульфидные месторождения, ультраосновные и другие силикатные породы, содержат значительные количества металлов. При попадании этих вод в известняки рН резко повышается, и металлы выпадают из раствора в виде вторичных минералов, выполняющие карстовые полости или замещающих известняки [9].

Таким путем образовались никелевые месторождения так называемого Уфалейского типа на Среднем Урале. Кислые воды, дренировавшие в районе Уфалея массивы серпентинитов, содержали значительные количества никеля. На контакте с известняками эти воды резко изменяли свой состав, рН их повышался, и никель выпадал из раствора, образуя рудные тела в зоне контакта или в карстовых полостях.

Аналогично кислые воды, несущие железо, попадая в известняки, отдают свое железо, соединения которого выполняют карстовые полости или же замещают кальцит. К такому типу относятся некоторые железорудные месторождения Урала. Щелочной барьер очень характерен для почв, коры выветривания и ореолов рассеяния сульфидных месторождений [16].

В верхних горизонтах большинства лесостепных степных почв создается слабокислая среда за счет разложения растительных остатков (гумусовые кислоты, CO2). Двигаясь вниз, эти воды встречают на некоторой глубине (0,5-1 м) карбонатный горизонт. На контакте с этим горизонтом создается щелочной барьер; возникают условия для осаждения многих металлов [7].

Кислые и слабокислые воды, дренирующие окисляющиеся сульфидные руды, удаляясь от руд во вмещающие породы, также нередко встречают на своем пути щелочной барьер. Этот барьер особенно резко выражен в сухом климате, где почвы и континентальные отложения всегда карбонаты, а также во влажном климате для руд, залегающих в известняках и других карбонатных породах [2].