08.02.2018

Растворимость минералов и парагенезисы в типичных латеритных профилях


Парагенезисы, наблюдаемые в типичных латеритных профилях, можно объяснить, используя данные о равновесных растворимостях минералов. Растворимости некоторых главных минералов никеленосных латеритов показаны на рис. 11. Положение сольвусов на этом графике получено на основании растворимостей, измеренных экспериментально, например, для кремнезема, кварца, вычисленных по произведениям растворимости, а в случае большинства силикатов рассчитанных из величин свободных энергий. Использованные при этом значения свободных энергий приведены в приложении, табл. 1. Свободные энергии для непуита (никелевого серпентина) и керолита (никелевого талька) рассчитаны методом Фишера и Зена с использованием данных по устойчивости синтетических минералов в гидротермальных условиях, опубликованных в работе. Прочие данные заимствованы из обычных справочников.
На рис. 11 величина С — конгруэнтная растворимость минерала, выраженная в молях катионных компонентов на литр. Например, уравнение произведения растворимости для талька выглядит так:
Для конгруэнтного растворения:
Уравнение (2) определяет положение сольвуса талька на рис. 11. Трескасес графически представил сольвусы магниевых силикатов в виде зависимости Ig [H2SiO4] от Ig [Mg2+] + 2 pH.

Диаграмма растворимостей воспроизводит в общих чертах вертикальную минеральную зональность латеритного профиля. За наиболее растворимым минералом оливином следуют в порядке снижения растворимости пироксен, серпентин, хлорит, тальк, непуит, керолит, каолинит, гиббсит и гётит. Положение кварца в данной последовательности непостоянно, поскольку он менее, чем тальк, растворим в нейтральных и кислых растворах и лучше растворим в более щелочных.
Анализы современных вод из латеритных профилей или вод, дренирующих ультрабазиты Новой Каледонии, приведены на рис. 12, который представляет собой увеличенную деталь рис. 11. Ясно, что грунтовые воды редко бывают насыщены или пересыщены относительно серпентина, но их составы во многих случаях попадают в поле между сольвусами талька и серпентина. Сольвус нонтронита рассчитан на основании представления Трескасеса о том, что воды западных прибрежных предгорий (кружки на рис. 12) богаты компонентами нонтронита и находятся с ним в равновесии, тогда как в остальных случаях грунтовые воды неравновесны с этим глинистым минералом. Пологий наклон соответствующего сольвуса является результатом низкого отношения Mg/Si в нонтронитах, проанализированных Трескасесом. Значения отношений Mg/Si в смектитах латеритных профилей попадают в интервал между такими значениями для нонтронита и талька, а поэтому в этой части диаграммы растворимости может располагаться семейство сольвусов нонтронит — сапонит.

На основании анализов вод Новой Каледонии можно сделать три существенных вывода: 1) концентрация растворенных Mg2+ и H4SiO4 возрастает с увеличением pH — это согласуется с обычно устанавливаемыми в латеритных профилях изменениями замеренных pH, которые с глубиной увеличиваются от 5 до 8,5, а большинство замеров попадают в интервал 7—8; 2) концентрация Mg в водах превышает концентрацию Si в 1,5—2,5 раза; 3) среди анионов в этих водах резко преобладает бикарбонат-ион. Обычно его концентрация почти в два раза выше концентрации главного катиона — Mg2+. Это означает, что главными агентами, вызывающими латеритное выщелачивание, являются CO2 и (или) биогенные, органические соединения, окислаляющиеся в почве с образованием CO2. Концентрация хлорид- и сульфат-ионов несравненно ниже концентрации бикарбонат-иона. Это свидетельствует не в пользу гипотезы Веббера, согласно которой хлоридные комплексы и близость моря, обеспечивающего поступление хлора с водяной пылью, существенно влияют на латеритизацию. Низкий уровень содержания сульфата подобным же образом свидетельствует о том, что кислые дожди, вызываемые промышленными или природными (вулканизм) причинами, не могут в настоящее время существенно повлиять на скорость латеритизации.

Значения растворимостей, приведенные на рис. 11 и 12, относятся к разбавленным водным растворам; они отражают только конгруэнтное растворение, при котором катионы переходят в раствор в тех же пропорциях, в каких они находились в твердой фазе.

Если минерал очень неустойчив по сравнению с наименее растворимым минералом сходного химического состава, начинается замещение неустойчивого первичного минерала этим менее растворимым минералом. Например, энергичное растворение оливина описывается следующими реакциями:
Из рис. 11 и 12 можно видеть, что в условиях более щелочных, чем pH 7,5, такие талькоподобные минералы, как гарниерит и смектитовые глины, оказываются наименее растворимыми магниевыми силикатами. В более кислой обстановке может осаждаться кварц. Наличие смектитов или кварца как продуктов замещения может, таким образом, служить индикатором pH в латеритном профиле.

Другим видом реакций растворения является ионный обмен. Подобные реакции возможны для минералов переменного состава вроде серпентинов, смектитовых глин, гарниерита, хлорита, вермикулита и оксигидроокислов марганца («асболана» или «марганцевого вада»). Самая важная реакция ионного обмена при образовании никелевых латеритов — это обмен между никелем и магнием при взаимодействии почвенных вод с серпентином:
При равновесии по этой реакции Ni значительно более устойчив в серпентине, a Mg2+ — в почвенной воде. Отношения элементов, участвующих в реакции обмена, рассчитаны на основании термодинамических данных и суммированы в табл. 5.
Обменная реакция Mgтальк + Ni2+ —> Niтальк + Mg2+ протекает только вправо. Расчеты показывают, что равновесное отношение Ni/Mg в растворе составляет лишь 0,3—10в-2 от того же отношения в тальке. Как следует из табл. 6, наблюдаемые вариации отношений Ni/Mg в керолитовом гарниерите сопоставимы с отношениями этих элементов, которые следует ожидать в растворе, образующемся при разложении обычного оливина, содержащего 0,25-0,3% Ni и 40% MgO.

Все реакции, описывающие осаждение никеля или замещение им магния, требуют перехода никеленосного раствора из среды с низким pH в среду с высоким. Поэтому заметное гипергенное обогащение никелем ограничивается участками, на которых воды просачиваются вниз сквозь сапролит к очень низко расположенному зеркалу грунтовых вод. При плоском рельефе с высоким положением уровня грунтовых вод гипергенное обогащение никелем сапролитовой зоны не должно происходить.
В трех обширных классах сапролитовых руд (колонка 1 в табл. 2) сапролитовая зона непосредственно переходит в лимонитовую. Смектиты обычно проявляются только как продукт замещения оливина, а ячеистый кварц появляется над зонами повышенной трещиноватости в несерпентинизированных перидотитах, а в иных случаях встречается редко. В сапролите четвертого класса (колонка 2 в табл. 2) появляется промежуточная зона — нонтронит-смектитовая или зона ячеистого окремнения. Объяснение этого явления заложено в рис. 11 и 12. Если сольвусы талька и нонтронита на этих рисунках как-то характеризуют сольвус смектита, то большинство вод из латеритных профилей Новой Каледонии недосыщены относительно серпентина, а многие из них, по-видимому, недосыщены также и относительно смектитовых глин. Вообще известно, что в водных растворах кремнезема может достигаться примерно стократная степень пересыщения (когда Alg С = -2) без гомогенного коллоидального осаждения аморфного кремнезема. Сольвусы пироксена (энстатита) и серпентина находятся над сольвусом смектита (талька) на расстоянии не более чем интервал Ig C = -2, но сольвус оливина (форстерита) проходит выше этого предела. В соответствии с этим пироксен и серпентин во многих профилях не замещаются силикатами типа смектита, кварцем или железисто-кремниевым гелем, тогда как оливин, безусловно, ими замещается.

Замещение серпентина смектитом или кварцем может иметь место, если растворы настолько долго остаются в профиле изменяющихся пород, что достигается значительная степень пересыщения их относительно смектита или кварца. Это может происходить на уровне зеркала грунтовых вод или в течение сухого сезона, когда просачивание раствора вниз по профилю минимально. Эффект может усиливаться вследствие испарения раствора. С другой стороны, интенсивный дренаж в постоянно водонасыщенном профиле должен привести к тому, что растворы останутся существенно недосыщенными и тем самым предотвратится формирование смектита или кварца, кроме случаев замещения ими оливина.

Таким образом, согласно развиваемым представлениям, никеленосные латериты с нонтронитовой зоной или обширной зоной ячеистого окремнения могут формироваться в условиях тропического климата с чередованием влажных и сухих сезонов, либо в условиях замедленного дренажа. Географическое размещение профилей с промежуточной зоной в первом приближении соответствует данной гипотезе.

Нонтронитовые профили обычны для тропических климатов с продолжительными сухими сезонами; примеры: район Бьянкума, Берег Слоновой Кости в Африке; районы Гринвейл и Рокгемптон в Австралии; Никаро на Кубе; Барру-Альту и другие латеритные залежи в штате Гояс в Бразилии. Развитие ячеисто-кремнистых образований по серпентиниту также обычно для района Рокгемптон, Австралия, и для всего Бразильского щита.

Имеются лишь отрывочные данные относительно климатических условий, особенно количества выпадавших осадков, для периода времени в несколько миллионов лет, необходимого для формирования типичного латеритного месторождения. Действительно, широкое региональное развитие силькретов и латеритных почв привлекается иногда в качестве доказательства былого тропического климата с сухими и влажными сезонами. Представления о возникновении нонтронитовых зон и зон ячеистого окремнения по серпентину вследствие замедленного дренажа при сухом климате или при высоком положении уровня грунтовых вод будут оставаться рабочей гипотезой до тех пор, пока для подобных районов не будут выполнены более детальные палеоклиматические реконструкции и определения возраста латеритов.

Вероятность влияния pH на осаждение кварца и керолита-талька, о чем говорилось ранее, способствует пониманию обычного парагенезиса в сапролитовой зоне. В типичном случае, в отсутствие значительных концентраций анионов сильных кислот, вроде SO4в2- или Cl' главным катионом в почвенных водах, промывающих формирующийся профиль никелевых латеритов, будет Mg2+, заряд которого компенсируется в растворе зарядами анионов ОН', HCO3- и, возможно, органических кислот. В подобной ситуации pH растет пропорционально концентрации Mg2+, что наглядно демонстрируется данными Трескасеса по водам Новой Каледонии. Концентрация Mg2+ и pH при выщелачивании сапролитовой зоны будут возрастать по мере просачивания вод вниз вследствие растворения магниевых силикатов. В лимонитах pH практически всегда колеблется в пределах от 6 до 7; к основанию зоны сапролита pH увеличивается примерно до 8—9. Следует также ожидать, что величина pH н концентрация Mg2+ будут возрастать от трещин к центру меж-трещинных блоков, где происходит начальное изменение вмещающих пород.

Эволюция химизма процесса в какой-либо точке сапролитовой зоны будет заключаться в снижении концентрации Mg2+, уменьшении pH и увеличении отношения Ni/Mg в растворе. В проницаемых трещинах отдельности условия будут меняться от благоприятных для устойчивости талька через условия, способствующие возрастанию устойчивости керолита, до условий с низкими pH, при которых устойчивым становится кварц. Это в точности соответствует наблюдаемой последовательности замещений.

Ранее приводился пример с ядром частично серпентинизированного перидотита, когда внутри его оливин замещался смектитом. На более ранней стадии выщелачивания, когда зона начального изменения находилась ближе к быстро циркулировавшим подземным водам в межблоковых трещинах, оливин замещался кварцем. Этот парагенезис мог отражать условия возрастающей щелочности в направлении к ядру реликтовой неизмененной породы. В таком случае силицификации оливина будет благоприятствовать интенсивный дренаж, такой, как возникает в зонах трещиноватости, поскольку он обеспечивает поступление относительно кислых приповерхностных вод к основанию сапролитовой зоны. Действительно, в рудах на несерпентинизированных перидотитах Индонезии зоны силицификации мощностью несколько сантиметров обычно развиваются вдоль хорошо проницаемых трещинных зон.

Величина pH также контролирует замещение серпентина кварцем или нонтронитом. Например, при сотово-ячеистом типе окремнения силицификация обычно наиболее интенсивно проявляется вдоль крупных трещин. В частности, автор наблюдал подобное явление на некоторых латеритных месторождениях Бразилии, где вдоль линейных трещинных зон длиной в несколько километров и несколько метров шириной были развиты полосы ячеистого окремнения.

На месторождении Бролга, близ Рокгемптона, штат Квинсленд, центральная область плато характеризуется профилем с нонтронитовой зоной, а на краях плато, в условиях предположительно лучшего дренажа и, вероятно, более кислой обстановки, развивалось ячеистое окремнение. Однако из-за того, что зоны ячеистого окремнения залегают на материнских породах разного состава, реальные причина и следствие остаются невыясненными.





Яндекс.Метрика