Сульфидные месторождения меди, свинца и цинка в осадочных породах

Всюду, где в геологическом процессе участвует сера, мы находим и цветные металлы. Сера может переходить из восстановленной сульфидной в окисленную сульфатную форму и обратно, и такие превращения бесчисленное множество раз протекали в истории Земли в ходе эволюции магматизма, атмосферы и биосферы в океане и на суше. He удивительно поэтому, что между различными типами месторождений сульфидных руд существуют постепенные переходы, и их классификации оказываются несколько произвольными.

По своим морфологическим признакам невулканогенные свинцово-цинковые месторождения очень близки к вулканогенным колчеданным, но отличаются плитообразной формой рудных тел и осадочным составом вмещающих их пород. Интересное наблюдение принадлежит Густафсону и Уильямсу, которые обратили внимание на то, что крупные залежи высококачественных руд этого типа встречаются лишь на свинцово-цинковых месторождениях, например Брокен-Хилл и Салливан. Напротив, на медных месторождениях руды обычно отличаются низкими содержаниями металлов и представлены рассеянной сульфидной вкрапленностью в осадочных породах, а небольшие линзы и пласты богатых руд появляются лишь как результат процессов переотложения. Сказанное иллюстируют месторождения африканского Медного пояса, медистых сланцев в Европе и Уайт-Пайн в штате Мичиган, а также многие другие. На пермских месторождениях медистых сланцев мансфельдского типа в Европе плитообразное тело медносеребряных руд мощностью до 1 м прослежено на площади более 500 000 км2. Подобные скопления металлов, очевидно, контролировались региональными условиями осадконакопления и диагенеза, и медистые сланцы представляют собой конечный член ряда таких месторождений.

Некоторые механизмы наполнения бассейнов осадконакопления вызывали циркуляцию очень разбавленных растворов, из которых могли отлагаться руды. Цитируя Густафсона и Уильямса, можно сказать, что в бассейнах осадконакопления возникала «такая ситуация, при которой подземные воды могли просачиваться на мелководье, где и происходило выпадение сульфидов из растворов». Источником энергии, необходимой для такой циркуляции, могли быть земные недра, как на месторождении Салливан, солнце, как на эвапоритовых месторождениях, или гравитационные процессы, такие, как разделение вод на слои различной плотности, и приливные явления.

Степень деформированности и метаморфизма рудовмещающих пород на описываемых месторождениях может быть очень различной, от совсем низкой до чрезвычайно высокой, когда породы смяты в сильно сжатые складки и превращены в амфиболиты или даже гранулиты. Такую картину мы наблюдаем, в частности, на месторождении Брокен-Хилл в Австралии, некоторых палеозойских месторождениях Рудных гор, а возможно, и на севере Капской провинции в ЮАР, где рудные залежи накапливались в пределах узких рифтовых зон, превратившихся затем в подвижные пояса.

Медные месторождения в осадочных породах отличаются от родственных им свинцово-цинковых месторождений меньшими содержаниями сульфатов и пирита, но с ними могут быть связаны толщи железистых карбонатных пород, как это имеет место в слоях Катанга в провинции Шаба (Заир). Большая часть осадочных месторождений сульфидных руд, особенно медных, залегает в толщах, включающих красноцветные образования, хотя породы, непосредственно контактирующие с рудой, теперь восстановлены. Имеются признаки близости явно выраженной или скрытой границы раздела между областями с окислительными и восстановительными условиями осадконакопления, а на активность живых организмов при накоплении руд указывают их многочисленные карбонатизированные остатки в пачках восстановленных пород.

Сказанное в большей степени относится к медным, чем к свинцово-цинковым рудам, и это привело Густафсона и Уильямса к выводу, что «стратиформные медные месторождения, возможно, отлагались из холодных, насыщенных сульфатами рассолов, образовавшихся на ранних стадиях эволюции бассейнов и мигрировавших на мелководье, где в восстановительных условиях протекало рудоотложение. Свинцово-цинковое оруденение образовывалось в более глубоководных частях бассейнов из аналогичных же, но более высокотемпературных рассолов». Вполне возможно, что сплошные галенитовые руды месторождений Салливан и Брокен-Хилл имеют преимущественно хемогенную природу и накапливались на фоне обычного осадочного процесса, тогда как образование медных месторождений, где рудные минералы выполняют интеретиции между нерудными обломками, было связано с бактериальным восстановлением сульфатов при диагенезе. В этой связи становится понятным, почему свинцовые месторождения в осадочных породах, такие, как Брокен-Хилл, возникали в начале позднего протерозоя, тогда как большинство медных залежей образовывалось позднее. Дело в том, что условия, которые благоприятствовали накоплению красноцветных пород, установились около 1200 млн. лет назад. Такой избирательный характер формирования месторождений достаточно хорошо выдерживается и в фанерозойское время.

Состав, размер обломков и прочие характеристики рудовмещающих пород не оказывали существенного влияния на ход рудообразующих процессов, единственным исключением, пожалуй, являлась проницаемость пород. Рудоносные толщи и на медных, и на свинцовых месторождениях представлены широким спектром обломочных осадочных пород от базальных конгломератов до черных сланцев. Для создания восстановительной среды обычно требовалась активная деятельность живых организмов, которая и обусловила латеральную зональность распределения металлов.

В большинстве случаев процессы рудообразования протекали в эпиконтинентальных бассейнах осадконакопления, лишь в краевых своих частях осложненных разломами. Эти бассейны выполнены необычно мощными толщами мелкозернистых мелководных обломочных пород, отложение которых продолжалось с частыми перерывами в течение сотен миллионов лет. Так, процесс отложения надгруппы Белт в северо-западных районах США, сложенной мелкозернистыми осадочными и в меньшей степени карбонатными породами общей мощностью до 20 км, по мнению Харрисона, протекал в бассейне площадью 130 000 км2. В разрезе этой мощной осадочной толщи отмечаются трещины усыхания, линзы солей и строматолитовые горизонты; для нее характерна тонкая слоистость, выдержанная на больших пространствах. Заполнение бассейна осадками продолжалось 600 млн. лет, в течение которых отмечена лишь одна вспышка вулканизма, носившая к тому же ограниченный характер. Дно бассейна испытывало медленное прогибание, которое компенсировало поступление обломочного материала с суши, характеризовавшейся однообразным равнинным рельефом. Породы самой древней свиты (Причард) вмещают слои сульфидов с низкими содержаниями меди. Все толщи, лежащие выше по разрезу, имеют в своем составе красноцветные слои или карбонатные пачки и кое-где содержат аномальные количества меди, которая тяготеет к восстановленным прослоям. Наиболее высококачественные руды локализованы в крупнозернистых песчаниках формации Реветт. Так, на месторождении Спар-Лейк рудная залежь мощностью 15 м содержит 58 млн. т руды с содержанием меди 0,8% и серебра до 48 млн-1.

Гигантский африканский Медный пояс, протягивающийся через территорию Заира и Замбии, представляет собой одну из крупнейших на Земле рудных провинций. В этом районе рудоносные породы системы Катанга залегают в основании толщи прорванных гранитами сланцев, возраст которых изменяется от 1600 до 2200 млн. лет. Первоначально многие геологи считали, что оруденение генетически связано с гранитными массивами, выше которых залегает система Катанга. Однако позднее Гарлик обнаружил в базальных конгломератах системы гальку тех же самых гранитов. Вверх по разрезу конгломераты сменяются кварцитами, за которыми следуют доломитизированные аргиллиты и многочисленные горизонты граувакковых и аркозовых песчаников, составляющих в Замбии главную рудную зону. В Заире нижняя часть системы Катанга не обнажена, и разрез начинается красноцветными песчаниками с хлорит-доломитовым цементом. Кверху они сменяются доломитизированными глинистыми сланцами, и медные руды концентрируются в основании этой серии (серия Майне). Последняя имеет мощность от 1000 до 2000 м и перекрывается серией Кундулунгу с мощными горизонтами конгломератов (тиллитов?) в основании. На конгломератах залегают известняки, которые сменяются известково-глинистыми сланцами; последние имеют мощность до 6000 м. Все эти породы накапливались в условиях мелководья, и это еще раз указывает на медленное прогибание дна бассейна в течение по меньшей мере 400 млн. лет.

На месторождениях Замбии рудовмещающие породы слабо метаморфизованы (до биотитовых фаций) и смяты в складки с размахом крыльев до нескольких сотен метров, как, например, в районе антиклинали Кафуэ, в ядерной части которой обнажаются породы фундамента. Севернее, вблизи государственной границы, в средней части Медного пояса фундамент погружается под осадочный чехол, а доломитизированные породы серии Майне смяты в крутые антиклинальные складки. Ядра синклиналей между ними выполнены породами Кундулунгу. Еще далее на север складчастость становится исключительно интенсивной, а местами почти хаотической. Геологическое строение осложняется развитием тектонических покровов и надвигов, которые придают всей структуре чешуйчатый облик и приводят к нарушению нормальной стратиграфической последовательности. Поскольку система складок поворачивает на запад (по направлению к Колвези), то возникают крупные структуры отслаивания. При этом гигантские останцы, подобные Колвези, сложенные породами серии Майне и имеющие сложную складчато-надвиговую внутреннюю структуру, оказываются стратиграфически выше более молодых образований Кундулунгу. Породы фундамента не участвуют в складчатости, поэтому не вызывает сомнений предположение Франсуа относительно того, что и складки, и надвиги пород чехла являются результатом их гравитационного оползания. В северо-западной части пояса доломитизированные осадочные породы совершенно неметаморфизованы. В районе Колвези перемещение останцов, по-видимому, происходило в направлении, поперечном по отношению к оси прогиба, а оси складок и разломы протягиваются параллельно границам бассейна на восток и на юг, через Луфилианскую дугу, на 500 км в направлении синклинали Роан-Антилоп и других складчатых структур, параллельных антиклинали Кафуэ.

Во всех остальных местах, за исключением Замбии, горизонтальное сокращение коры вкрест оси складок было незначительным; деформации происходили в процессе откалывания и соскальзывания блоков горных пород в центральные части бассейна. В Заире прогибание его дна, вероятно, было достаточно быстрым для того, чтобы дестабилизировать массы еще не консолидированного материала, накопившегося на его бортах. Тем самым африканский Медный пояс представляет собой прекрасный пример тектонического развития медленно прогибавшегося удлиненного в плане бассейна, в истории формирования которого проявился целый ряд сложных процессов — от гравитационного оползания осадков до образования изоклинальных складок и метаморфизма горных пород до биотитовой фации. Оси складок гравитационного оползания неконсолидированных осадков на севере и изоклинальных складок пород, образовавшихся на этапе проникающей деформации, в южных частях пояса, по существу, параллельны оси бассейна. По-видимому, граниты, известные в Замбии и образовавшиеся до накопления системы Катанга, приняли участие в проникающих деформациях.

В Заире размещение рудных столбов на месторождениях Кипуши и Шинколобве контролировалось секущими телами брекчий и разломами, образовавшимися в конце периода осадконакопления. Источник урана и цветных металлов на этих месторождениях не установлен, но вполне возможно, что они являются результатом переотложения рудных компонентов первичных пластовых залежей.

Месторождения типа долины Миссисипи относятся скорее к числу стратифицированных, чем стратиформных, тем не менее нами они рассматриваются наряду с другими сульфидными месторождениями в невулканогенных осадочных толщах, поскольку они близки к последним по составу руд и пользуются столь же широким распространением в карбонатных толщах фанерозоя. Установлено, однако, что промышленные залежи сульфидных руд на этих месторождениях могли формироваться уже после накопления известняков. (Даже при современном режиме подземных вод, связанном с нынешней эрозионной поверхностью, в ходе карстовых процессов происходит перенос сульфидов.) Однако в большинстве районов рудные залежи располагаются в пределах строго определенных горизонтов и залегают в целом согласно с вмещающими породами, хотя в отличие от стратиформных месторождений Маунт-Айза или африканского Медного пояса на отдельных локальных участках можно наблюдать признаки несогласий.

Состав руд на месторождениях типа долины Миссисипи очень простой и чрезвычайно интересный. Подобные залежи относятся к числу крупнейших в мире скоплений галенита и сфалерита и содержат также барит и флюорит. Все эти минералы почти всегда присутствуют в рудах, хотя и в различных соотношениях. В рудную ассоциацию входят также пирит (марказит) и халькопирит, но медь никогда не образует промышленных концентраций. В качестве акцессорных в рудах встречаются даже минералы кобальта и никеля. Жидкие включения в минералах руд представлены концентрированными рассолами и нефтью. Эпохи накопления свинцово-цинковых залежей типа долины Миссисипи и нефтяных месторождений довольно точно совпадают, но эти объекты всегда пространственно разобщены. В 1968 г. Уайт первым выдвинул предположение, что вещество руд, возможно, переносилось рассолами, которые были связаны с нефтяными полями и мигрировали при уплотнении осадков. Однако при обсуждении условий формирования каждого конкретного месторождения этого типа, как и вообще при выяснении генезиса рудных месторождений, необходимо очень тщательно оценивать возможную роль различных процессов, в том числе и упоминавшейся циркуляции рассолов. Оле принадлежит интересное наблюдение, что многие рудные тела находятся в зонах переходов от «рифовых фаций к нерифовым, от шельфовых доломитовых к более глубоководным известняковым или от карбонатных к терригенным». Если говорить о деталях, то поражает приуроченность рудных тел к биогермам. Однако, по мнению Оле, такая тесная ассоциация может объясняться различными причинами, среди которых следует упомянуть физические (циркуляция растворов преимущественно в проницаемых породах) и химические факторы, а также деятельность живых организмов, создавших рифовые постройки, и одновременное отложение карбонатных пород различных фаций.

Хотя первичные руды на месторождениях типа долины Миссисипи образовались в процессе позднего диагенеза и рудные залежи на небольших участках могут занимать секущее положение по отношению к слоистости, тем не менее в приуроченности их к карбонатным породам фанерозоя, несомненно, заключен химический смысл. Когда же сильнее всего сказалось влияние вмещающих карбонатных пород: при осаждении рудных компонентов в процессе осадкообразования или при перераспределении их в ходе диагенеза?