Диссертация: Перенос и концентрирование элементов в гетерофазных гидротермальных системах

Актуальность проблемы. Гидротермальные месторождения являются
одним из основных источников минерального сырья. Многообразие типов
руд, высокие содержания полезных компонентов делают актуальным
исследование переноса и концентрирования элементов в гидротермальных
системах.
В настоящее время стало очевидным, что многие особенности переноса
рудных компонентов и отложения руд связаны с гетерогенностью флюидов.
Накоплено большое количество природных данных об участии газовой фазы
в гидротермальном процессе, однако существует небольшое число
экспериментальных исследований и практически отсутствуют численные
физико-химические модели переноса и концентрирования элементов для
конкретных объектов.
Существующие экспериментальные исследования, проведенные для
некоторых элементов, позволяют предположить, что значение газовой фазы
как среды переноса рудных компонентов, недостаточно учитывается при
анализе гидротермальных процессов. Явления кипения и гетерогенизации
флюида часто привлекаются для объяснения рудоотложения, но
количественные модели, учитывающие все процессы для конкретных
месторождений, не разработаны. В частности, отсутствуют количественные
модели формирования грейзеновых месторождений и рудообразования в
современных гидротермах, связанных с континентальным вулканизмом.
Всѐ это определяет актуальность исследования роли газовой фазы в
гидротермальном процессе на основе экспериментальных данных и
количественного физико-химического моделирования.
Цель работы:
Определить закономерности переноса и концентрирования элементов в
гетерофазных гидротермальных системах на основе развития методов
экспериментальных исследований и термодинамического моделирования.
Для этого решались следующие конкретные задачи:
1. Исследование растворимости минералов и форм переноса элементов в
газовой фазе в системах: As2O3-H2O, Sb2O3-H2O, B2O3-H2O, Cu-O-H2O, As2S3-
H2S, Ag2S-H2S, Cu-S-H2S, ZnS-H2S, PbS-H2S.
2. Разработка изотопно-геохимических критериев режима двухфазной
миграции флюидов на примере грейзеновых месторождений.
3. Построение количественной термодинамической модели современного
рудообразования в кальдере Узон (Камчатка).
4. Построение количественной термодинамической модели формирования
вольфрамитового месторождения Акчатау (Казахстан).
5. Определение закономерностей распределения компонентов между
спонтанными газами и растворами современных гидротермальных систем
Камчатки.
Фактический материал и методика исследований.
Работа основана на значительном объеме экспериментальных и
природных данных. Для исследования растворимости минералов в системах
As2O3-H2O, Sb2O3-H2O, B2O3-H2O, Cu-O-H2O, As2S3-H2S, Ag2S-H2S, Cu-S-H2S,
ZnS-H2S, PbS-H2S проведено более 1000 опытов, включая методические и
поисковые эксперименты. Материалы по геохимии современных
гидротермальных систем Камчатки собраны автором в ходе полевых работ
1987-1991 и 2000-2010 гг. За это время были изучены термальные источники
района Мутновского вулкана (Северо-Мутновские, Дачные, Медвежьи,
Донное поле), озера Карымское (источники Академии Наук), кальдеры Узон
и Долины Гейзеров. Наиболее детально проведено изучение рудообразования
в кальдере Узон: отобрано и описано более 1500 литохимических проб по
200 точкам наблюдений, 300 проб раствора по 110 точкам наблюдений. Всего
по термальным системам Камчатки исследовано 120 образцов конденсатов
спонтанных газов по 96 точкам наблюдений. Материалы по грейзеновым
месторождениям предоставлены С.С. Матвеевой и Т.М. Сущевской, по
минеральным источникам Кавказа – В.Ю. Лаврушиным.
Научная новизна. Экспериментально исследована растворимость
минералов в газовой фазе в системах As2O3-H2O, Sb2O3-H2O, B2O3-H2O, Cu-OH2O,
As2S3-H2S, Ag2S-H2S, Cu-S-H2S, ZnS-H2S, PbS-H2S. Показано
разнообразие форм переноса металлов в газовой фазе и возможности
переноса компонентов в этой среде при условиях низко- и
среднетемпературного гидротермального процесса.
Установлено, что в гетерогенных гидротермальных системах
происходит фракционирование изотопов углерода углекислоты флюида при
пространственном разделении фаз. Изотопный состав углекислоты
флюидных включений впервые предложен в качестве геохимического
критерия характера фильтрации двухфазных флюидов.
Построены количественные термодинамические модели
рудообразования для современного ртутно-сурьмяно-мышьякового
проявления кальдеры Узон (Камчатка) и молибден-вольфрамового жильно-
грейзенового месторождения Акчатау. Модели впервые позволили
установить факторы рудоотложения и выявить роль газовой фазы при
минералообразовании.
Впервые изучено распределение компонентов между газовой и жидкой
фазой современных гидротермальных источников Камчатки. Установлены
аномально высокие концентрации бора и других элементов в газовой фазе,
что не может быть объяснено равновесным фракционированием. Показано,
что состав газовой фазы отражает состояние флюидов в недрах
гидротермальной системы при высокой температуре.
Практическая значимость. Получены термодинамические
характеристики форм переноса металлов в газовой фазе. Определены
возможности транспорта рудных элементов в газообразном сероводороде,
что может быть использовано для выявления источника рудного вещества.
Полученные термодинамические величины имеют значение при расчете
технологических процессов, связанных с переработкой сульфидных руд.
Предложены индикаторы рудообразования, применимые для интерпретации
геохимической зональности рудных месторождений. Выявленные
закономерности распределения элементов в современных геотермальных
системах могут быть использованы при поиске и оценке месторождений
термальных вод.
Защищаемые положения.
1. Малоплотная газовая фаза в условиях гидротермального процесса
является важной средой переноса рудных компонентов, сопоставимой по
масштабам переноса с плотными водными растворами. Формы переноса
элементов в газовой фазе весьма разнообразны и представлены простыми
молекулами (As4O6, Sb4O6, H3BO3), продуктами взаимодействия с
растворителем (CuOH, AgHS, HAsS2) и сложными комплексными
соединениями (Ag2S(H2S)3). Перенос компонентов в газовой фазе приводит к
разделению элементов и может объяснить рудную специализацию
гидротермальных месторождений.
2. В гетерогенных гидротермальных системах происходит
фракционирование изотопов углерода углекислоты флюида при
пространственном разделении фаз. Изотопный состав углерода углекислоты
флюида является геохимическим индикатором режима гетерофазной
фильтрации и богатого оруденения для грейзеновых месторождений.
3. Для современной гидротермальной системы в кальдере Узон
конденсация и охлаждение гетерофазных флюидов объясняет формирование
полного рудного разреза как следствие саморазвития системы в условиях
охлаждения с поверхности. Кипение выступает как фактор, увеличивающий
транспортные возможности флюида.
4. Главный механизм отложения вольфрамита для жил кварцевой
группы грейзенового месторождения Акчатау – взаимодействие
высокоминерализованного раствора с гранитом. Кипение является фактором
предварительного концентрирования вольфрама и обеспечивает
возникновение богатого оруденения.
5. В газовой фазе современных гидротермальных систем Камчатки
переносится значительное количество труднолетучих компонентов, зачастую
сопоставимое с жидкой фазой. Содержание элементов в газовой фазе
отражает состав глубинного флюида и температуру отделения газовой фазы.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на 30
российских и международных конференциях: 15, 18 и 20 Международные
Гольдшмидтовские конференции (Москва, США, 2007; Давос, Швейцария,
2009; Прага, Чешская Республика, 2011); 4, 7 Международные симпозиумы
по гидротермальным реакциям (Нанси, Франция, 1993; Чанчунь, Китай,
2003); 8 Международный симпозиум "Взаимодействие вода-порода"
(Владивосток, 1995); Генеральные ассамблеи Европейского Союза наук о
Земле (Вена, Австрия, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); XVI, XVIII Симпозиум
по геохимии изотопов имени академика А.П.Виноградова (Москва, 2001,
2007); V, VI, IX Международные конференции "Новые идеи в науках о
Земле" (Москва, 2001, 2003, 2009); XIV, XV, XVI Российские совещания по
экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001; Сыктывкар, 2005;
Черноголовка, 2010); Ежегодные семинары по экспериментальной
минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2002, 2003, 2004, 2006, 2007,
2008, 2009, 2011); I Всероссийский палеовулканологический симпозиум
(Петрозаводск, 2001); Всероссийская научная конференция "Геология,
геофизика на рубеже XX и XXI веков” (2002)
Публикации. По вопросам, обсуждаемым в диссертации,
опубликованы 1 монография, 26 статей и 60 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
шести глав, заключения и приложения. Общий объем – 290 страниц, включая
31 таблицу (2 вынесены в приложение), 92 рисунков и список литературы из
476 наименований.