- Магматические процессы рудообразования

Магматические процессы рудообразования

Эти процессы происходят в магматических камерах в процессе и в результате дифференциации силикатных расплавов. Известен единственный пример магматического рудообразования, в результате которого возникают промышленные месторождения без магматической дифференциации – месторождения алмазов. Во всех остальных случаях должен пройти процесс разделения первоначально гомогенного расплава на силикатную жидкость и рудную жидкость (компоненты минералов без растворителя). В результате кристаллизации силикатной жидкости образуются горные породы, слагающие магматические массивы; в результате кристаллизации рудной жидкости – образуются руды. Т.к. называемые «материнские» породы и руды представляют собой составные части одного магматического процесса. Процессы дифференциации, ведущие к образованию месторождений, в природе реализуются очень редко.

Магматические месторождения образуются из силикатных расплавов определенного состава и существует зависимость вида полезного ископаемого от химического состава расплава: с расплавами кислого и среднего состава рудообразование не происходит (во всяком случае, месторождения не известны). Причина того, почему магматические месторождения связаны с расплавами ультраосновного, основного и щелочного состава заключается в разной вязкости кислых-средних расплавов с одной стороны и вышеназванных расплавов с другой. Повышенная вязкость препятствует магматической дифференциации (в силу повышенного содержания кремнезема) и свойственна кислым и средним расплавам.

Существует три вида (механизма) магматической дифференциации:

1. Ликвация – процесс разделения гомогенного расплава на несмешивающиеся жидкости, начинающийся в магматических камерах при температуре ниже 1500. Основные и ультраосновные расплавы имеют более высокую температуру, поэтому они находятся в изначально гомогенном состоянии. Но по мере снижения температуры начинается этот процесс дифференциации. В первоначально гомогенном расплаве возникают капельки оксидов или сульфидов. Для того, чтобы это происходило, необходимо повышенное против нормального содержание в расплаве серы (более 0,2%), кислорода и металлов (Fe, Ti, V, Cu, Ni, Pt, Na). Причины повышенного содержания перечисленных элементов могут быть разными. На этот счет существуют две гипотезы. Первая предполагает экстракцию серы, кислорода из пород на месте окончательного залегания массива или на путях движения расплавов из мантии в кору. Вторая предполагает обогащение этими элементами в местах генерации магматического расплава в мантии. Есть факты, которые не противоречат первой гипотезе, делают ее более обоснованной, а есть факты, которые склоняют специалистов к другому варианту. В мантии происходят те же процессы, что и в земной коре (метасоматизм проявляется широко). В мантии выделяют блоки примитивной мантии (не затронутой метасоматическими процессами), аномальной мантии (затронутые метасоматическими процессами).

На путях движения вниз капли в магматическом очаге объединяются в более крупные скопления. В итоге они достигают придонной области, вытесняя более легкую силикатную жидкость вверх. В нижних частях магматической камеры образуются донные залежи сплошных сульфидных руд. Какая-то часть сульфидных капель в остывающем магматическом расплаве не успевает достигнуть дна и зависает на разных уровнях, тем самым образуя висячие залежи вкрапленных сульфидных руд (более бедных): Кольский полуостров, Норильское, Седбери, Риф Меренского (Бушвельдский батолит), Камбалда (Австралия).

2. Кристаллизационная дифференциация магматических расплавов происходит в процессе их кристаллизации и в результате накопления остаточных рудных расплавов после кристаллизации силикатных расплавов, т.е. обособление рудной жидкости происходит не одномоментно, а в процессе того, как силикатная часть уходит в твердую фазу. В отличие от ликвационных месторождений рудные тела кристаллизационных магматических месторождений контролируются разломами. При этом рудные тела обычно называют пластовыми залежами. Остаточная рудная жидкость после того как в массиве появляются разломы, проникают в них, заполняют и кристаллизуются, образуя рудные тела (пластовые залежи). Накопление рудной жидкости к моменту завершения кристаллизации силикатной жидкости способствует возрастанию количества летучих компонентов в рудной жидкости по мере кристаллизации силикатной. Температура кристаллизации рудной жидкости, обогащенной летучей, значительно ниже чем силикатной. В силу этого все промышленные кристаллизационные месторождения называют позднемагматическими. Что касается раннемагматических месторождений, то здесь существуют трудности в реконструкции этого процесса. Промышленные минералы: магнетит, ильменит, рутил, хромит – FeCr₂O₄, апатит, халькопирит, петландит, нефелин, алмаз, графит, колумбит-танталит, циркон, бастнезит, лопарит – (Na,Ce,Ca)(Nb,Ti)O₃.

3. Гравитационная дифференциация.

Полезные ископаемые магматического происхождения

Рекомендуемые материалы

1. Медно-никелевые месторождения норильского никеля с попутно извлекаемыми металлами группы платины, золота, серебра – классические ликвационные месторождения.

2. Титано-магнетитовые или ильменит-магнетитовые месторождения с ванадием. В некоторых месторождениях присутствует апатит.

3. Месторождения хромита – единственны промышленный генетический тип. Различают:

4. Месторождения в расслоенных интрузивах типа бушвельдского.

5. месторождения

6. Апатит и нефелин – уникальное и единственное Хибинское месторождение, связанное с нефелиновыми сиенитами, с ураном, платиной, ванадием, серебром.

7. Алмаз – кимберлиты и лампроиты. ЮАР, Сибирская платформа (Западная Якутия), северная часть Восточно-Европейской платформы (хребет Ломоносова).

8. Единственное в своем род промышленное месторождение графита Ботоголькое месторождение (высокогорная часть Восточных Саян).

Пегматитовый процесс

Пегматиты – эндогенные горные породы, которые по своему минералого-химическому составу соответствую плутоническим горных породам, но отличаются крупными размерами. Наиболее распространены гранитные пегматиты. В земной коре гранитные пегматиты образуют либо поля, либо пояса. Например, пегматитовый пояс Кордильер достигает 4000 км с юга на север при ширине около 200 км. В объеме этой земной коры пегматиты занимают половину. По составу пегматиты отличаются от гранитов повышенным содержанием минералов, содержащих летучие вещества, редкие металлы и редкие земли: мусковит, турмалин, сподумен, берилл, танталит, уранинит, корунд.

Условия образования пегматитов

Гранитные пегматиты представляют собой продукт кристаллизации остаточного силикатного расплава, обогащенного летучими компонентами (по А.Е. Ферсману, 1930). Остаточный расплав формируется в процессе эволюции нормального гранитного расплава и постепенного перехода в гидротермальный раствор. Такой переход осуществляется по мере понижения температуры расплава и перехода расплавообразующих компонентов (кремнезема и глинозема) в твердое состояние. Обилие летучих понижают температуру кристаллизации расплава, а вместе с тем расширяют температурный диапазон кристаллизации минералов. Весь процесс осуществляется в закрытой системе. В основе концепции Ферсмана лежат результаты экспериментов Ниттле: летучие вещества обладают неограниченной растворимостью в расплавах.

Один из сильных аргументов в пользу этой теории – это количественные соотношения кварца и полевых шпатов, соответствующие гранитной эвтектике. Этим фактом подтверждается вывод о кристаллизации пегматитов в расплаве.

Жидкость действует на образованные пегматиты и определяет рудную нагрузку пегматита, в следствие чего, на завершающем этапе пегматиты образуются под действием остаточных металлоносных растворов.

Температура начала процесса – -. Пегматиты начинают формироваться при температуре от  до . На заключительном этапе образуется халцедон.

Однако, существуют аргументы против этой теории:

· расплав (по Ферсману) не может фильтроваться в силу вязкости;

· для перемещения расплаву требуются полости;

· пегматиты образуются на глубинах от 2 до 20 км;

· существование открытых полостей на глубинах более 2 км в таких объемах, которые занимают пегматиты, невозможно в силу высокого литостатического давления.

· Горонсон провел серю экспериментов и обнаружил, что Ниггле был не прав;

· если в растворе вода занимает более 10% объема, то она образует газовые пузыри.

Заварицкий А.Н. в 1952 предложил свою версию образованию пегматитов. Согласно его концепции процесс образования пегматитов происходит в два этапа под действием горячих растворов на ранее образованные граниты. На первом этапе в условиях химического равновесия происходит собирательная перекристаллизация минералов гранита: кварца и полевых шпатов (мелкие кристаллы объединяются в более крупные), и формируется характерная для пегматитов отличная от гранитов крупно- и гигантокристаллическая структура. Процесс происходит в условиях поступления горячих неминерализованных растворов. На втором этапе поступает порция минерализованных растворов, содержащая соединения металлов, происходит метасоматический процесс с растворением ранее образованных минералов (кварц, полевой шпат, роговая обманка, биотит и др.) и отложением новых, устойчивых в изменившихся в физико-химических условиях. Образуются, в том числе, минералы редких и радиоактивных элементов. Система открыта как в сторону привноса, так и выноса: компоненты, поступившие с раствором, фиксируются. Характерна альбитизация, окварцевание гранитных пегматитов. Участки с редкими элементами подвергаются более сильному метасоматозу.

Существуют факты, подтверждающие и опровергающие эту концепцию:

В теле гранитов наблюдаются постепенные переходы мелко-, среднезернистых гранитов в крупнозернистые пегматиты того же состава в результате собирательной перекристаллизации. Такие тела бывают линейными, изометричными, гнездовыми.

Однако, пегматитовые тела с нормативным составом гранита (более 64% кремнезема) залегают не только в гранитах, родственных им по составу, но и в других породах (в терригенных толщах, вулканитах, в ультраметаморфических порода), имеющих резко отличительный состав от гранитов. 

К концу XX века благодаря получению новых данных, в основном экспериментальных, когда оборудование позволяло моделировать условия высокого давления (40-45 кбар), позволяющие имитировать природный процесс, выяснилось, что при сверхвысоких давлениях (более 15-20-25 кбар), отвечающих образованию пегматитов, растворимость летучих в силикатных расплавах резко возрастает. Поэтому с концепции Ферсмана были сняты противоречия, следующие из ограниченности растворения летучих в магме. Ферсман выделял 13 этапов. На ранних этапах формируется , а на поздних – рудная минерализация.

Классификация пегматитов (по В.И. Смирнову):

1. Простые пегматиты – сырье для получения концентратов кварца (для стекольной промышленности) и полевых шпатов (для керамической промышленности), особенно щелочных. Иногда эти пегматиты носят название «керамических».

2. Перекристаллизованные пегматиты – источник листового мусковита размером не менее 4 см², иногда попутно извлекаются редкие земли. Мусковит образуется в результате гидролиза полевых шпатов (ортоклаза и альбита соответственно) диссоциированной водой:

3. Метасоматически замещенные пегматиты – источник редких металлов и редких земель: бериллия, лития, ниобия, тантала, цезия, рубидия. Пегматиты на всем земном шаре содержат одинаковые редкоземельные минералы.

4. Десилицированные пегматиты – промышленные концентрации корунда. В России корундовые плагиоклазиты (пегматиты) встречаются в Борзовской группе месторождений Урала (Свердловская область).

По Ферсману остаточный расплав внедряется по трещинам в ультраосновные породы, содержащие поровые растворы, которые вместе с пегматитообразующей жидкостью, образуют единую гидравлически связанную систему, гетерогенную по концентрации основных породообразующий компонентов (кремнезема, глинозема и др.). Происходит диффузия кремнезема из области высоких концентраций в область низких концентраций – из трещин в поровый раствор. Глинозем остается. В результате обеднения кремнеземом пегматитообразующей жидкости в ней нарушается баланс между кремнеземом и глиноземом. Остающегося в пегматитообразующей жидкости кремнезема недостаточно для того, чтобы связать весь имеющийся в ней глинозем в полевых шпатах. Некоторые излишки глинозема при этом кристаллизуются в форме корунда. Такие породы называются плагиоклазиты, которые, если содержат корунд, называются корундовыми плагиоклазитами.

Гидротермальный процесс

Растворы способны мигрировать практически везде: и по поровому пространству из-за градиента давлений, и по трещинам, также вода способна проникать в любые среды, поэтому в любых породах содержатся гидротермальные месторождения. Пустоты в земной коре бывают сингенетические и эпигенетические (образуются в результате механических деформаций). Тектонические пустоты играют главнейшую роль в перемещении гидротермальных растворов в земной коре, что подтверждается приуроченностью месторождений к разломам. Гидротермальные растворы функционируют от 750 вплоть до комнатной температуры при давлении до 3 кбар.

Источники гидротермальных растворов:

1. Коровые или мантийные магматические расплавы. В определенный момент из магматического расплава выделяются летучие компоненты и вода. Но почему? Все дело в том, что они начинают мигрировать в область пониженных давлений, т.е. вверх, а также из-за возрастания внутреннего их давления по мере кристаллизации расплава и сокращения объема очагов.

2. Фильтрационные внемагматические источники в очагах ультраметаморфизма. Происходит дегидратация водосодержащих минералов.

3. Метеорные воды глубоких уровней циркуляции. В бассейнах артезианского типа метеорные воды способны погружаться на значительные глубины (4-5 км) и нагреваться там в тех объемах земной коры, в которых находятся магматические очаги. От магматических очагов разогреваются вмещающие породы (их обрамление), и растворы приобретают температуры этих пород (несколько сотен градусов Цельсия). Эти растворы приобретают черты металлоносных растворов.

Выделяют фемофильные элементы, повышенное содержание которых в рудах, могут объясняться поступлением их из мантии из-за генерации растворов в мантии. Также есть литофильные (олово, вольфрам, молибден, бериллий, ниобий), которые тесно ассоциируют с гранитами, т.е. их источником служат гранитные расплавы.

Формы переноса рудного вещества гидротермальными растворами

В сульфидных месторождениях содержатся труднорастворимые минералы (сульфосоли). Растворимость сульфидов изменяется от 10^-8 до 10^-24. Американский геолог подсчитал, что для образования среднего по запасам полиметаллического месторождения (при том, что в растворах растворены сульфиды) потребовалось бы прокачать сквозь объем земной коры, занятой месторождением, объем, сопоставимый с объемом Средиземного моря. Поэтому считается, что сульфидная форма переноса – нереальна. А сульфиды только при отложении переходят в твердую фазу.

Металлы транспортируются в форме комплексных неорганический и органических соединений.

Металлы в составе комплексных неорганических соединений превосходят по растворимости во много раз растворимость металлов в сульфидном виде. Неорганическая форма комплексного соединения:

Органика в форме углеводородов, керогена присутствует в гидротермальных рудах постоянно (от андрадита и кокса до графита), а также восстановленные формы водорода, азота присутствуют в газово-жидких включениях в гидротермальных минералах.

Ртуть способна растворять некоторые металлы (серебро, золото, олово и др.). В гидротермальных рудах золоторудных месторождений в золоте постоянно фиксируют ртуть. Вот откуда она здесь? Содержание ртути в золоте иногда достигает 26% - ртутистое золото. Киноварь содержит примесь золота – золотистая ртуть (в ртутных месторождениях). В Калифорнии есть месторождения ртутно-золотые. Золото и ртуть транспортируются совместно в форме газовой амальгамы. При отложении золота какая-то часть золота им захватывается.

Коллоидная форма переноса. Реальность функционирования коллоидных растворов в природе доказывается колломорфной структурой минералов, особенно малоглубинных минералов. Соотношение минералов с кристаллической структурой к колломорфной в молодых месторождениях – 1 к 4; в древних месторождениях колломорфная структура почти не встречается.

Причины отложения рудного вещества

Обратите внимание на лекцию "7а. Техническое обеспечение систем управления с УВМ".

В гидротермальном растворе сосуществуют множество элементов, не пытаясь «осадить» друг друга. Причина того, что гидротермальные растворы кристаллизуются на глубинах 4-5 км – резкое изменение термодинамических и физико-химических условий. Однако, это граница колеблется в незначительных пределах. Причины осаждения:

1. Растворы встречаются с подземными водами верхних уровней циркуляции. Это доказывается газово-жидкими включениями в гидротермальных минералах, которые выполнены веществом, из которых кристаллизовались минералы, а в растворах в основном вода, состоящая минимум на 60% из метеорной воды (воде, формирующейся за счет поверхностных вод).
2. Изменяется проницаемость пород.
3. Начинают замещаться вмещающие породы.

В раствороподводящем канале руда почти никогда (месторождение Зун-Холба – вертикальные залежи залегают в разломе, выполнявшем функции раствороподводящего; для этого месторождения была разработана специальная технология разведки) не оседает, руда находится в оперяющих разлом структурах, не выходящих на дневную поверхность.

Режим отделения гидротермальных растворов от их источников

Существует две концепции: эволюционная и пульсационная.

Эволюционная концепция генерации и отделения металлоносных растворов из очагов (магмы или ультрметаморфизма) предполагает непрерывное отделение. В своем движении вверх металлоносные растворы испытывают изменение физико-химических режимов, прежде всего pH. Этот показатель изменяется неоднократно. В момент отделения от генерирующего источника pH>7, доказательством этого служит обильная калишпатизация пород в апикальной части интрузии и в прилегающих породах обрамления. Выше – они становятся кислотными, что обусловлено тем, что растворы теряют щелочные комопненты, которые переходят в твердую фазу, и кроме того, при охлаждении (что доказано химиками) кислотность раствора повышается и они становятся кислотными. Самый ранний интервал функционирования щелочных растворов (в момент отделения) назван раннещелочной стадией. Выше – стадия кислотного выщелачивания. При этом растворяются полевые шпаты, поэтому раствор опять становится щелочным. Называется позднещелочной стадией, происходит высаживание оснований в твердую фазу. В конечном итоге растворы становятся нейтральными. Предложена Д.С. Коржинским.

Пульсационная концепция предполагает порционное отделение растворов, пульсациями от очагов генерации. Доказательства: области современного вулканизма.