07.02.2018

Изотопные данные стратиморфных месторождений меди, свинца и цинка в осадочных породах


При выяснении особенностей рудообразующих процессов большую помощь может оказать исследование изотопного состава серы, углерода, кислорода, водорода и свинца рудных месторождений; обзоры по изотопии перечисленных элементов выполнены соответственно Омото и Раем, Тейлором, До и Зартманом. На стратиформных месторождениях, залегающих в осадочных породах, чаще всего изучается изотопный состав серы и свинца, но заметно возрастает число исследований и других изотопов, особенно углерода и кислорода в карбонатах, ассоциирующихся с сульфидами.

Изотопы серы. Медные месторождения. На рис. 7а показано частотное распределение значений b34S сульфидов для тех медных месторождений, упоминаемых в табл. 1, для которых имеются эти данные. Характерен широкий разброс величин (обычно >30%), а форма частотных гистограмм либо уплощенная (например, для месторождений Удокан, Уайт-Пайн, Джезказган), либо резко асимметричная (например, для медистых сланцев Европы). Исключения в этом отношении составляют месторождения африканского Медного пояса: они характеризуются узким разбросом и «пиковой» формой распределения, что, возможно, обусловлено гомогенизацией ранее широко разбросанных значений при метаморфизме. Средние значения b34S в сульфидах медных месторождений меняются в пределах от больших положительных (Уайт-Пайн) через близкие к нулю (Муфулира) до больших отрицательных (медистые сланцы Европы).
Отрывочная информация имеется относительно характера изменения b34S сульфидов в пределах отдельных медных месторождений. На наиболее изученном месторождении Уайт-Пайн Берни и др. обнаружили сложное пространственное распределение b34S сульфидов в опробованных горизонтах, что, вероятно, связано с литофациальными изменениями от горизонта к горизонту, а потому в поперечных вертикальных разрезах b34S сульфидов колеблется очень широко и несистематично. Так, значения b34S сульфидов могут возрастать вверх по стратиграфическому разрезу (рудничный участок 30Е), уменьшаться в том же направлении (участок 36F) или вести себя незакономерно (участки 25F и 30Н). Хотя другие медные месторождения не столь хорошо изучены, изменчивость b34S сульфидов в нескольких вертикальных разрезах, установленная для Медного пояса и для медистых сланцев Европы на удалении от промышленных руд, позволяет предполагать, что широкие и сложные вариации значений b34S сульфидов вообще характерны для медных месторождений.

Свинцово-цинковые месторождения. Частотное распределение значений b34S сульфидов для тех свинцово-цинковых месторождений, упомянутых в табл. 1, для которых имелись определения, показано на рис. 76. В противоположность медным месторождениям изотопный состав серы сульфидов свинцово-цинковых месторождений укладывается в узкие пределы (обычно <30%) и дает отчетливый пик. Средние значения b34S сульфидов, как правило, располагаются либо около 0% (Салливан, Брокен-Хилл), либо в области больших положительных значений (Маунт-Айза, Раммельсберг, Мегген). Распределение изотопов серы для рудных тел месторождения Силвермайнс оказалось необычным. В рудном теле «Нижнее G», имеющем несогласное залегание и наиболее близко примыкающем к предполагаемой рудоподводящей системе разломов, отмечается пиковое распределение с центром около 0%, как и на других свинцово-цинковых месторождениях. Согласные рудные тела «В» и «Верхнее G», образовавшиеся, как полагают, вследствие отложения сульфидов на поверхности осадка или близ нее, характеризуются плоскими гистограммами распределения, занимающими широкий интервал отрицательных значений, подобно распределению b34S сульфидов многих медных месторождений.
Вариации b34S сульфидов в пределах отдельных свинцово-цинковых месторождений детально проанализированы только на Салливане и Раммельcберге. В отличие от медных месторождений значения b34S сульфидов в обоих этих случаях обнаруживают закономерности, неизменные в пределах всего месторождения. На месторождении Салливан, например, Кемпбелл и др. установили, что значения b34S галенита, сфалерита, пирита и пирротина, особенно для полосчатых руд восточного участка месторождения, с глубиной систематически возрастают. На Раммельсберге, напротив, Ангер и др. обнаружили, что значения b34S галенита, сфалерита, халькопирита и пирита в главных рудных телах с глубиной систематически уменьшаются. Эта закономерность более отчетлива для сульфидов цветных металлов, чем для пирита, в котором b34S отличается значительно большим разбросом.

Различное распределение изотопов серы в сульфидах цветных металлов и в пирите более четко проявлено на других, менее изученных свинцово-цинковых месторождениях. Так, в рудных телах H.Y.C. и Леди-Лоретта в отдельных профилях значения b34S в пирите систематически растут вверх по разрезу, а в галените и сфалерите не обнаруживают заметной зависимости от стратиграфического положения.

Механизмы осаждения сульфидов. Широкая дисперсия значений b34S сульфидов на медных месторождениях, часто доходящих до больших отрицательных величин, обычно рассматривается как свидетельство формирования сульфидов при бактериальном восстановлении сульфатной серы, поскольку такой изотопный состав серы характерен для сульфидов, образованных этим путем в современных осадках. На месторождениях Уайт-Пайн и в медистых сланцах Европы указанный механизм образования сульфидов дополнительно подтверждается наличием фрамбоидальных сульфидных агрегатов и положительной корреляцией сульфидной серы с органическим углеродом: аналогичные свойства современных осадков являются следствием бактериальной сульфат-редукции. Однако подобные заключения следует делать с осторожностью, так как приведенные доказательства биогенного образования сульфидов неоднозначны. Например, широкий разброс значений b34S сульфидов может в определенных условиях быть следствием неорганических реакций с участием серы; кроме того, образующиеся абиогенным путем сульфиды могут обладать и фрамбоидальной структурой. Независимые доказательства формирования сульфидов при температуре ниже 100° С и в самом начале раннего диагенеза служат веским донолнительным свидетельством в пользу биологического механизма.

Характер распределения значений b34S сульфидов свинцово-цинковых месторождений обычно интерпретируется как свидетельство неорганического, а не биогенного их формирования. Действительно, сульфидные месторождения многих типов, сформированные при температурах, слишком высоких для деятельности бактерий, характеризуются такими же распределениями b34S сульфидов, как и рассматриваемые свинцово-цинковые месторождения. Однако подобная интерпретация не может основываться только на изотопном составе серы, поскольку аналогичный характер распределения b34S при благоприятных условиях может быть результатом органических реакций образования сульфидов. Даже при наличии иных свидетельств в пользу неорганических процессов данные по изотопии серы сами по себе не могут быть использованы в качестве надежного критерия оценки механизма минералообразования и его относительного возраста. Здесь также требуются независимые данные о возрасте и температуре. Например, значения изотопного состава серы залежи H.Y.C. привлекаются к обоснованию представлений как об осадочно-эксгаляционном, так и об эпигенетическом метасоматическом происхождении сульфидных руд. Подобные взаимоисключающие суждения могут основываться на более обширной совокупности изотопных данных по сере таких месторождений, как Салливан и Раммельсберг.

Источники серы. Для точного определения источников серы рудных месторождений по изотопии серы необходимо рассчитать изотопный состав суммарной серы (b34STES) в минералообразующей системе. К сожалению, ни в одном из исследований изотопов серы, выполненном до настоящего времени на стратиформных месторождениях в осадочных породах, не получено достаточной информации для удовлетворительного определения b34SES, поэтому мы вынуждены использовать косвенные пути выяснения источников серы на основе имеющихся изотопных данных.

Особенно часто ссылаются на попытку такого рода, предпринятую Сангстером, который сопоставил средние значения b34S сульфидов фанерозойских стратифицированных сульфидных месторождений в вулканогенных и осадочных породах (т. е. включая стратиформные месторождения в осадочных породах — предмет рассмотрения настоящей статьи) с величинами b34S синхронных морских сульфатов. При таком сопоставлении выявилась существенная корреляция между обеими сериями значений, причем значения b34S сульфидов для месторождений в вулканогенных породах оказались в среднем на 17% ниже, чем b34S сульфатов, а значения b34S сульфидов из месторождений в осадочных породах были примерно на 14% ниже, чем b34S морских сульфатов. Существование подобной корреляции представляет серьезное доказательство в пользу представлений о том, что сульфидная сера таких месторождений заимствована из сульфатов, существовавших во время рудоотложения морей. Сангстер высказал предположение, что в месторождениях обоих типов сульфат-ион был восстановлен до сульфид-иона бактериями, однако Сасаки и Сасаки с Кадзиварой убедительно показали, что на месторождениях в вулканогенных породах восстановление серы скорее всего происходило благодаря неорганическим реакциям при высоких температурах.

Примененный Сангстером подход встречает затруднения, если его попытаться использовать для оценки источников сульфидной серы стратиформных месторождений в осадочных породах, рассматриваемых в данном обзоре. Во-первых, такой подход неприложим к большинству важнейших стратиформных месторождений в осадочных породах протерозойского возраста, так как кривая b34S морских сульфатов для протерозоя неизвестна. Во-вторых, даже для фанерозойских месторождений предпринятая попытка не дала однозначного доказательства того, что именно морские сульфаты были источником основной массы сульфидной серы. Для иллюстрации этого положения мы сопоставили на рис. 8 средние значения b34S сульфидов и сульфатов тех же фанерозойских месторождений, что изображены на рис. 7, с величинами b34S морских сульфатов соответствующего возраста (для месторождений средние величины рассчитывались с использованием метода исключения предположительно ошибочных значений, предложенного Сангстером). Между двумя сериями данных не обнаружилось той заметной корреляции, которая получалась по данным, использованным Сангстером. Средние значения b34S сульфидов для месторождений Джезказган, Крета и медистых сланцев Европы примерно на 30—43% меньше, чем у одновозрастных морских сульфатов, тогда как подобные значения для свинцово-цинковых месторождений Раммельсберг, Мегген и Лайсвалль всего только на 3—9% меньше, чем у одновозрастных морских сульфатов. Изотопный состав серы трех рудных тел месторождения Силвермайнс тоже обнаруживает две различные тенденции. Значения b34S сульфидов для рудного тела «Нижнее G», как и для вулканогенных месторождений, в среднем примерно на 20% меньше, чем у морских сульфатов, а для рудных тел «Верхнее G» и «В» такая разница гораздо больше (приблизительно 40%). Хотя подобные расхождения не позволяют окончательно исключить возможность того, что источником сульфидной серы были морские одновозрастные сульфаты, отсутствие корреляции между двумя сериями значений b34S противоречит представлению, согласно которому морские сульфаты были несомненным или хотя бы наиболее вероятным источником серы стратиформных месторождений в осадочных породах.

В отличие от b34S сульфидов устанавливается близкое соответствие между значениями b34S барита месторождений Силвермайнс, Раммельсберг и Мегген, а также пластового гипса месторождения Крета и одновозрастных морских сульфатов (см. рис. 8). Это позволяет считать, что сульфаты указанных месторождений образовались за счет одновозрастных сульфатов морской воды. Расхождение между изотопным составом серы сульфидов и сульфатов на рассматриваемых месторождениях заставляет предполагать отсутствие равновесия или (и) сложную историю минералообразования, в которой надо разобраться, прежде чем интерпретировать изотопные данные. Приведенные примеры указывают на рискованность интерпретации изотопного состава сульфидов при отсутствии соответствующих данных по сосуществующим сульфатам. На месторождении Лайсвалль и34S барита оказывается меньше, чем у каких-либо сульфидов или сульфатов раннекембрийского моря. Риккард и др. полагают, что барит образовался за счет иного источника, нежели сульфиды, и в другое время.
Изотопный состав серы как геотермометр. Оценка температуры минералообразования по изотопии серы основывается на том факте, что разница в значениях b34S для двух сульфидов, кристаллизовавшихся в равновесии друг с другом (и не испытавших позднейшего изотопного обмена), является функцией температуры.

К сожалению, этот геотермометр невозможно было использовать для изученных к настоящему времени медных месторождений из-за отсутствия надежных данных по сосуществующим парам сульфидов. Однако для некоторых месторождений изотопный состав серы позволяет косвенно определить примерную температуру образования сульфидов. Например, если по распределению значений b34S и другим особенностям считать, что на месторождениях Уайт-Пайн и медистых сланцев Европы сульфиды образовались при бактериальном восстановлении сульфатной серы, то для этого были необходимы температуры, не превышающие 100° С.

Серо-изотопный геотермометр оказалось возможным использовать для нескольких свинцово-цинковых месторождений, поскольку по ним имелись обширные данные для сосуществующих галенита и сфалерита — пары, очень удобной для целей геотермометрии. Температуры образования различных месторождений, рассчитанные с использованием этой пары сульфидов, приведены в табл. 6. Для более метаморфизованных месторождений (например, Брокен-Хилл и Салливан) температуры оказались очень высокими, отвечающими не столько первоначальным температурам отложения минералов, сколько температурам метаморфизма, при котором происходил обмен изотопами серы. Вместе с тем температуры для неметаморфизованных месторождений, таких, как Силвермайнс и Мак-Артур-Ривер, оказались гораздо более низкими, и они могут соответствовать температурам минералообразования. Подобные заключения следует делать с осторожностью, так как они исходят из допущения, что в процессе образования галенита и сфалерита достигалось изотопное равновесие. Данное утверждение трудно проверить. Лишь в редких случаях (если это удается вообще) мы можем быть уверены, что оба этих сульфида образовались одновременно, и если это так, то они находились в изотопном равновесии между собой. Более чем вероятно, что в близповерхностных условиях, в которых формировались такие месторождения, изотопное равновесие из-за замедленной кинетики никогда не достигалось. Кроме того, для большинства таких месторождений разделение тонкозернистых агрегатов сульфидов чрезвычайно затруднено, а неполное разделение приводит к завышению температур. Итак, хотя «изотопные» температуры образования рассматриваемых свинцово-цинковых месторождений оказались более высокими, нежели медных месторождений, в настоящее время убедительных подтверждений этому нет.

Изотопы углерода и кислорода. Изотопный состав углерода и кислорода карбонатов из стратиформных месторождений в осадочных породах изучался мало. Имеются данные о величинах b13С и b18O для медистых сланцев Европы, месторождений Мак-Артур-Ривер, Маунт-Айза и Лайсвалль, но только для месторождения Мак-Артур-Ривер и медистых сланцев Европы проведенные исследования можно считать в достаточной мере полными.

Рай и Уильямс установили, что на месторождении Мак-Артур-Ривер гидротермальные жильные доломиты из секущих рудных тел Кули и Ридж обнаруживают четкую линейную зависимость b13C от b18O. Соотношения этих величин для доломитов из вмещающих пород располагаются над указанной линией, что свидетельствует об отсутствии изотопного смешения между осадочным породообразующим доломитом (как одним конечным членом) и гидротермальным доломитом (как другим конечным членом). Более того, Рай и Уильямс показали, что указанная линия отражает кристаллизацию доломита из гидротермального флюида при меняющихся физикохимических условиях. Модельный анализ этой линии позволяет предположить, что около разлома Эму доломит осаждался при довольно высоких температурах (не более 350° С), а с удалением от этого разлома — при более низких температурах (не превышающих 175° С). Эти модельные температуры хорошо согласуются с температурами, установленными по изотопному фракционированию серы в паре галенит — сфалерит для тех же участков месторождения. Далее моделирование показывает, что гидротермальный флюид должен характеризоваться величиной b13CPDB, примерно равной —2,7%, и значением b18OSMOW около +12 , 5%. Другими словами, указанный флюид мог быть либо рассолом седиментационного бассейна, либо магматогенным флюидом, пришедшим в изотопное равновесие с огромной массой осадочного карбоната. Заведомо обломочные доломиты из стратиформных залежей H.Y.C. и Ридж-П характеризуются изотопным составом, попадающим на линию гидротермальных доломитов и продолжающим ее. Это означает, что данные доломиты пришли в равновесие с теми же самыми флюидами, за счет которых сформировались секущие рудные тела. Таким образом, подтверждается представление, согласно которому оба типа оруденения генетически связаны между собой, а осадки, вмещающие стратиформную минерализацию, в процессе рудоотложения подверглись гидротермальной переработке.

На месторождениях медистых сланцев Европы значения b13CPDB и b18OSMOW доломитов и кальцитов находятся в пределах от -5 до +5% и от 18 до 32% соответственно. Эти значения, типичные для морских и озерных карбонатов, в отличие от ситуации, имеющей место на месторождении Мак-Артур-Ривер, не обнаруживают заметной связи с изотопными данными для убогой рудной минерализации. Такое положение свидетельствует либо о сингенетичности сульфидов с вмещающими осадочными породами, либо о том, что минерализующие флюиды по своему изотопному составу были подобны морской воде, либо о том, что при низких температурах, свойственных минералообразованию, перекристаллизация и изменение изотопного состава минералов вмещающих пород оказались незначительными. В дальнейшем остается проверить применимость данных Маровского, полученных для удаленных от промышленной минерализации районов, к реальным рудным телам в медистых сланцах Европы.

Изотопы свинца. Отношения изотопов свинца определялись для многих стратиформных месторождений в осадочных породах, включая Брокен-Хилл, Маунт-Айзу, Мак-Артур-Ривер и Салливан, медистые сланцы Европы, Раммельсберг и Мегген, месторождения Ирландии и Насимьенто. Эти отношения обычно используются для определения возраста оруденения либо для установления источников свинца и косвенно источников других металлов. Обзоры, посвященные использованию свинцово-изотопных данных, были недавно опубликованы До и Стейси, До и Зартманом и Сангстером. Изотопный состав свинца таких месторождений, как Брокен-Хилл, Маунт-Айза, Мак-Артур-Ривер, Салливан и месторождений Ирландии, гомогенный, и соответствующие ему точки ложатся на расчетную кривую простой одностадийной модели эволюции изотопов земного свинца, иначе говоря, это обычный свинец. Точка на кривой одностадийной эволюции, отвечающая изотопному составу свинца какого-либо месторождения, дает его модельный возраст, и последний часто рассматривается как возраст оруденения. Однако по мере того, как накапливались данные о возрасте месторождений, полученные другими методами, все яснее становилось, что простая одностадийная модель свинцовых возрастов приводит зачастую к большим ошибкам. Из этого следует, что эволюция свинца рудных месторождений была гораздо более сложной, чем предполагается в одностадийной модели. Для объяснения наблюдаемых ошибок в определении возраста были разработаны более сложные модели, но все они зависят от допущений относительно характера исходного вещества, которые подчас трудно проверить.

Использование изотопов свинца для установления источников металлов также сопряжено с массой затруднений. На первых порах исследователи исходили из постулата о заимствовании рудного свинца обычного типа непосредственно из мантии. Однако после обнаружения упомянутых выше расхождений в определениях возраста и появления данных по отношениям изотопов свинца океанических эффузивных пород и ксенолитов в них стало очевидным, что мантийный источник маловероятен и что обычный свинец скорее всего заимствован из хорошо перемешанного вещества верхней части земной коры. В качестве источника свинца для залегающих в осадочных породах стратиформных месторождений, характеризующихся обычным свинцом, выдвигались все типы пород верхней части земной коры, на во всех случаях такие гипотезы не были подтверждены достаточным количеством необходимых измерений изотопных отношений свинца из предполагаемых материнских пород.





Яндекс.Метрика