07.02.2018

Генетические интерпретации стратиформных месторождений в осадочных породах


Между различными геологическими признаками стратиформных месторождений в осадочных породах, демонстрирующими в целом большое разнообразие, существуют постепенные переходы. Все это в совокупности позволяет предполагать, что в рудообразовании участвует сложный комплекс взаимодействующих процессов. В этом разделе вместо того, чтобы пытаться разрешить давнишние и обычно проводившиеся с полемическим задором споры о генезисе отдельных месторождений, мы попытаемся использовать более общий подход к рассмотрению генезиса, в котором мы обратим особое внимание на факторы, по-видимому играющие наиболее важную роль в рудообразовании. Мы осознаем опасность обобщений, не контролируемых реальными условиями, и подчеркиваем, что выводы из такого обобщения следует использовать для отдельных месторождений с большой осторожностью. На рис. 10 мы попытались показать взаимные связи рассматриваемых месторождений.
Природа минералообразующего флюида. Существует много различных свидетельств того, что сульфидные месторождения цветных металлов образуются из горячих соленых вод, имеющих разнообразное происхождение — от чисто магматического до чисто осадочного. Связь стратиформных месторождений в осадочных породах преимущественно с седиментогенными условиями и отсутствие прямых признаков зависимости от магматической деятельности дают серьезные основания считать, что эти месторождения сформировались из рассолов, берущих свое начало в бассейнах осадконакопления, к которым приурочены почти все месторождения, обсуждаемые в настоящей статье. Механизм зарождения рассолов в седи ментационных бассейнах обсуждался Уайтом, Андерсоном, Карпентером и Хэнором, главным образом в связи с вопросом о происхождении месторождений типа долины Миссисипи. Однако мимо внимания авторов этих обзоров, вероятно, прошли ранние новаторские работы Данема и Девидсона, подчеркивавших огромное значение рассолов седиментационных бассейнов, углеводородов и эвапоритов в образовании рудных месторождений, приуроченных к осадочным породам.

Исследование сложных литологических, химических и гидродинамических факторов, определявших эволюцию металлоносных рассолов бассейнов осадконакопления, находится в зачаточном состоянии; важнейшим средством познания природы этих процессов служит изучение стратиформных месторождений в осадочных породах.

Медные месторождения. Признаки, свойственные большинству приуроченных к осадочным породам стратиформных месторождений меди, включая тесную ассоциацию с восстановительными барьерами, красноцветами и сульфатными эвапоритами, переменный, но явно облегченный изотопный состав серы в них, а также структуры руд, свидетельствующие о замещении сульфидами органического вещества, привели большинство авторитетных исследователей к выводу о том, что восстановление сульфатов, растворенных в морских рассолах, было основной причиной рудоотложения. Ho существует еще расхождение во мнениях, касающееся относительного времени рудоотложения, температуры, а также механизма восстановления — было ли оно бактериальным или неорганическим. Разнообразные особенности месторождений указывают на то, что рассолы были богаты сульфатами, находились в равновесии с гематитом, кварцем, полевым шпатом, иллитом и карбонатами и что они мигрировали к участкам рудоотложения по обладающим высокой проницаемостью пластам красноцветных пород. В зоне рудоотложения растворы встречались с какими-либо формами органического вещества или образовавшимся раньше пиритом, присутствовавшими или в породах водоносных горизонтов, или в соседних с ними и, как правило, перекрывающих последние осадочных образованиях. Анализ хронологических признаков показывает, что восстановление на неопределенный интервал времени запаздывало относительно времени накопления рудовмещающих осадков. В связи с отсутствием независимых данных о температурах надежное выяснение относительного времени минералообразования на любом конкретном месторождении является особенно важным для решения вопроса о бактериальном или неорганическом механизме восстановления сульфатов.

Однако независимо от того, было ли восстановление бактериальным и происходило ниже поверхности раздела вода — осадок или неорганическим и совершалось позже и при более высоких температурах (и, вероятно, с меньшей скоростью), природа минералообразующих флюидов разных месторождений сходна и, вообще говоря, предсказуема. Так, Роз пришел к выводу, что в образовании таких медных месторождений в красноцветах, как Насимьенто и Крета, должны были принимать участие богатые сульфатами хлоридные рассолы, которые были слабощелочными и имели значения Eh, попадающие в поле устойчивости гематита (т. е. выше поля растворимости закисного железа). Он полагает, что с растворами подобного состава, вероятно, связано образование месторождений в медистых сланцах Европы и месторождений Замбии. Это предположение мы склонны распространить и на все медные месторождения, перечисленные в табл. 1 (т. е. месторождения № 1—15), за исключением месторождения Маунт-Айза, которое, как мы неоднократно указывали, весьма отличается от прочих.

Свинцово-цинковые месторождения. Связаны ли свинцово-цинковые стратиформные месторождения с рассолами того же самого типа, что и медные, остается неясным. Эвапориты и красноцветные отложения отмечались в районах многих свинцово-цинковых месторождений, но связь оруденения с ними не такая тесная, как на медных месторождениях. Эвапориты, являющиеся источником высококонцентрированных рассолов и содержащие большое количество серы, если они имелись, могли играть главную роль в образовании рассматриваемых месторождений. Сходные по составу рассолы обусловливали, по всей видимости, возникновение месторождений типа долины Миссисипи, но эти месторождения и металлоносные рассолы нефтеносных полей, рассматриваемые обычно в качестве минералообразующих флюидов, характеризуются низким содержанием серы. Более того, присутствие на многих свинцово-цинковых месторождениях больших количеств сульфидов железа и барита указывает, что минералообразующие флюиды в том случае, если их источник был таким же, как для медных месторождений, подверглись значительным изменениям. Для того чтобы перевести в растворенное состояние большие количества железа и бария, необходимо было повышение температуры и, вероятно, уменьшение окислительного потенциала и pH. Имеющиеся немногочисленные данные изучения изотопного состава и флюидных включений для свинцово-цинковых месторождений действительно указывают на более высокие температуры рудообразования (от — 150 до 250° С или более), что подтверждается также широким развитием процессов перекристаллизации и метасоматоза на многих рассматриваемых месторождениях. Более высокие температуры должны были способствовать восстановлению сульфатов в рассолах, мигрирующих из комплексов красноцветных и соленосных отложений, особенно при прохождении ими мощных толщ осадков, содержащих органическое вещество. В настоящее время еще трудно точно ответить на вопрос, как много серы в восстановленной форме (вероятно, в виде органических или иных комплексов) было перенесено к месту образования свинцово-цинковых месторождений. На этот вопрос не удается однозначно ответить даже для месторождений типа долины Миссисипи, которые в гораздо большей степени, чем стратиформные месторождения, поддаются изучению методами, основанными на флюидных включениях и стабильных изотопах.

Для некоторых месторождений, таких, как Раммельсберг, Мегген, Салливан, обращение к красноцветным или соленосным отложениям как к источнику минералообразующих флюидов лишено достаточных оснований, так как указанные породы отсутствуют в стратиграфическом разрезе. В этом случае очевидной альтернативой служит морская вода, преобразованная в процессе миграции через толщу придонных отложений. Такое объяснение аналогично популярной гипотезе зарождения минералообразующих флюидов, формировавших вулканогенные колчеданные месторождения. Ho, как отмечалось выше, средние значения b34S сульфидов для Меггена и Раммельсберга не обнаруживают такого закономерного смещения относительно величин b34S синхронных морских сульфатов, которое характерно для вулканогенных месторождений и, вероятно, связано с упомянутой циркуляцией. Это указывает на существование различий в источнике флюидов и/или механизме их преобразования — чтобы разобраться в этом, несомненно необходимы дальнейшие исследования. Значения b34S баритов Меггена и Раммельсберга, наоборот, идентичны таковым одновозрастных морских сульфатов; из этого следует, что переносившийся рудоносными флюидами барий осаждался в виде барита при смешении флюидов с морской водой в толще природных осадков или непосредственно на морском дне.

Согласно общепринятой теории происхождения стратиформных свинцово-цинковых месторождений, они формировались из плотных рассолов, изливавшихся по каналам в морском дне и стекавших в расположенные рядом или далеко от каналов понижения дна. Тернер и Густафсон предложили физическое объяснение этого процесса для случая, когда рассол не нагрет настолько сильно, чтобы обладать плотностью, меньшей, чем у морской воды. Значительно легче представить возникновение такого плотного рассола в седиментационном бассейне, нежели в результате просачивания нагретой морской воды через толщу вулканитов.

Цепь необходимых совпадений: источник — миграция — ловушка. Для стратиформных месторождений в осадочных породах, как практически и для всех рудных месторождений вообще, главными элементами генезиса являются источник, миграция и ловушка. Цепь необходимых совпадений, в которой все три элемента проявляются наиболее эффективно, приводит к образованию крупных и богатых месторождений. Ho на каждое крупное месторождение приходится обычно много меньших, для которых звенья цепи были недостаточно эффективными. В настоящем разделе мы рассмотрим, какие условия были наиболее благоприятными для образования различных стратиформных месторождений в осадочных породах.

Источник. Выявление источника минералообразующих флюидов представляет собой очень трудную задачу, как об этом писал уже Краускойф. Он, однако, понимал, что для значительного увеличения концентрации второстепенных элементов с помощью обычно малоэффективных геологических процессов требуется многократное повторение последних, тогда как при более эффективных процессах концентрирования даже рассеянных элементов вполне доступных объемов многих пород земной коры хватило бы для создания очень крупных рудных тел. В табл. 7 сведены данные по распространенности металлов в различных породах, которые могут рассматриваться как потенциальные источники рудообразующих элементов. Из приведенных данных следует, что для образования стратиформных медных месторождений в седиментационных бассейнах крайне желательно присутствие в этих бассейнах больших объемов мафических вулканитов, особенно толеитовых базальтов, содержание меди в которых в несколько раз выше кларкового для земной коры. Точно так же для формирования свинцовоцинковых месторождений желательно наличие большого количества аркозов, накопившихся в результате разрушения гранитов в аридных условиях, препятствующих диспергированию вследствие химического выветривания. Черные сланцы обогащены металлами и могли бы рассматриваться как потенциальный источник, но нам кажется, что они скорее должны быть сточным колодцем для металлов вследствие малоподвижности последних в восстановительных условиях. Аридный климат и окислительные условия тоже являются желательными, поскольку они благоприятны для накопления легкорастворимых хлоридов, а также серы в виде сульфатных эвапоритов. Поскольку рудообразующие металлы высвобождаются из указанных пород при их изменениях в процессе захоронения и диагенеза, очень важно, чтобы металлы не были постепенно рассеяны проточной грунтовой водой. Лучше, чтобы они были вымыты сразу и в то время, когда уже имеется подходящая ловушка. Вот почему аридные молассовые бассейны для расположенных выше месторождений медистых сланцев Европы и Замбии были, вероятно, столь хорошими источниками. Проще говоря, эти бассейны были затоплены в первый раз во время морской трансгрессии, которая насытила красноцветные континентальные отложения морской водой и создала массой воды давление, способствовавшее отжиманию минералообразующих флюидов к границам бассейнов.
Большинство стратиформных медных месторождений в осадочных породах характеризуются низкими концентрациями свинца и цинка или практически лишены их, в связи с чем возникает предположение, что минералообразующие флюиды не содержали этих металлов или никогда не достигали (насыщения относительно галенита и сфалерита, и поэтому свинец и цинк выносились из рудогенерирующей системы. Высвобождение меди из сульфидов или меди и цинка из железо-магнезиальных силикатов при диагенезе осадков должно было предшествовать выносу свинца из более устойчивых щелочных полевых шпатов. Так, Смит и Уокер установили, что при гидротермальных изменениях базальтов на Маунт-Айзе свинец, насколько это удавалось видеть, сохранял инертность, тогда как цинк подвергся частичному, а медь — практически полному выносу. В таком случае можно ожидать, что рассолы седиментационных бассейнов, в отложениях которых имеются измененные базальты, будут обогащены медью по сравнению со свинцом и цинком, но при условии относительно высоких содержаний в породах цинка и учитывая его высокую растворимость, растворы будут содержать также значительное количество цинка. Более того, основные эффузивы не обнаружены в ряде бассейнов, к которым приурочены крупные стратиформные медные месторождения, а в случае Джезказгана и особенно медистых сланцев Европы имеются убедительные данные в пользу заимствования из пород наряду с медью больших количеств свинца и цинка. Поэтому представляется вероятным, что во многих меднорудных районах свинец и цинк имелись в рудообразующих растворах, но не осаждались в породах доступной наблюдениям части стратиграфического разреза. В ряде случаев это могло быть связано со слишком ранним началом минералообразования, до отложения над участками накопления меди богатых восстановителями осадков, в которых могли бы накапливаться свинец и цинк. Такой же результат мог получиться, если рассолы разгружались на земную поверхность, рассеивая содержавшиеся в них свинец и цинк, или горизонтально просачивались сквозь зону с восстановительными условиями прежде, чем сера успевала приобрести необходимую способность к восстановлению и осадить металлы.

Северная Америка вполне может оказаться регионом, не благоприятным для образования стратиформных свинцово-цинковых месторождений в осадочных породах современными флюидами, так как температуры в седиментационных бассейнах, не считая самых глубоких, редко превышают 100°С. А активная миграция глубинных флюидов в большей части указанного региона, вероятно, не имеет места. Рассматриваемые в настоящем обзоре месторождения, по всей видимости, формировались в тектонически более активных бассейнах.

Еще одним потенциальным источником обогащенных свинцом и цинком рассолов, которому в североамериканской геологической литературе уделялось мало внимания, могли быть карбонатные осадки, накапливавшиеся в солеродных бассейнах. Металлы, которыми растворы обогащались в результате испарения, могли соосаждаться с магнезиальным кальцитом и/или арагонитом и при доломитизации переходить в поровые растворы — потенциальные минералообразующие флюиды. Относительное время появления таких флюидов в процессе захоронения осадков зависело бы в таком случае от доломитизации и поэтому, вероятно, было бы скорее ранним, нежели поздним.

Миграция. В наши намерения не входил детальный анализ механизма перемещения рудоносного флюида. Marapa и Хитчон опубликовали обзоры, касающиеся общих вопросов гидрологии бассейнов осадконакопления, а Уайт и Рёддер рассмотрели особые случаи ограничений, накладываемых гидрологическими условиями на рудообразование. К существенным элементам геологической обстановки, общим для районов развития стратиформных месторождений в осадочных породах, относятся, по-видимому, накопление осадков в бассейне и их уплотнение, взаимосвязь между водоносными горизонтами и системами крупных разрывных нарушений, а для некоторых месторождений, особенно свинцово-цинковых, — появление локального источника тепла в связи с магматической деятельностью, развивавшейся в регионе в период рудообразования. Одновременные с рудоотложением подвижки по разломам, служившим рудоподводящими каналами, типичны для многих свинцово-цинковых месторождений, поэтому возникает подозрение, что в ряде случаев большое влияние на перемещение растворов оказывала сейсмическая подкачка. Гидравлический разрыв пород, обусловленный кратковременными импульсами повышения давления флюидов до резко аномальных значений в пределах систем, испытывающих активные подвижки по разломам, является, вероятно, причиной возникновения некоторых типов брекчий, наблюдаемых на месторождениях. К главным факторам, от которых зависело восстановление сульфатов и разделение в процессе миграции меди, свинца и цинка, относятся термическая история и состав (особенно в отношении содержания органического углерода) тех пород, через которые мигрировали флюиды перед рудоотложением.

Ловушка. Проведенный выше анализ сведений о вмещающих породах стратиформных месторождений, приуроченных к осадочным толщам, позволяет считать, что осадочные образования в местах локализации оруденения (т. е. в ловушках для металлов и серы) весьма разнообразны и, вероятно, являются в цепи возможных совпадений наименее специфической чертой из всех. Для низкотемпературных медных месторождений наличие органического вещества, играющего роль восстановителя, представляется очень существенным, по крайней мере для образования раннего пирита, но оно отмечается в самых различных фациях осадочных пород. Важным условием является, по-видимому, присутствие органического вещества по соседству с проницаемыми для растворов красноцветными отложениями в тот период, когда через них просачивались металлоносные рассолы. Во многих случаях такие благоприятные условия создаются при морских трансгрессиях. Мелкие локальные скопления органогенного дебриса в толщах речных красноцветов обычно предоставляют ограниченные возможности для восстановления сульфатов, приводя к образованию лишь небольших месторождений. Однако обильная импрегнация таких песчаников гуматами или углеводородами, принесенными грунтовыми водами (подобно тому, как это происходило на урановом месторождении Джэкпайл — Пегьюэйт, описанном Адамсом и др.), может значительно увеличить восстановительную емкость пород и оказаться достаточной для образования значительно более крупного месторождения, подобного Насимьенто.

Ренфро указывал на то, что местом формирования многих рассматриваемых нами месторождений были обстановки типа себхи, поэтому следует остановиться и на них. Действительно, осадочные толщи, включая образованные в упомянутых условиях, все чаще устанавливаются в рудных районах, хотя не обязательно служат рудовмещающими. Мы согласны с тем, что себхи и приуроченные к ним лагунные или озерные фации, обычно Соседствующие со скоплениями проницаемых речных или морских песков, имеют большое значение как места накопления минералов эвапоритов, рассолов и осадков, обогащенных органическим веществом. Поэтому они благоприятны и для локализации стратиформного оруденения. Однако сомнительно, чтобы выступавшая там на поверхность почвенная вода, преимущественно неглубинного атмосферного происхождения, п не имевшая отношения к седиментационному бассейну, могла бы хоть в какой-то мере конкурировать в качестве носителя рудообразующих металлов с водой, поступающей из более обширных захороненных в бассейне масс пород. В еще большей степени применимость модели Ренфро ограничивается временными параметрами процесса.

Для некоторых более высокотемпературных свинцово-цинковых месторождений с массивными или полосчатыми рудами роль «ловушки» играют, по-видимому, обычные условия морского дна, на котором рудовмещающие осадки данного типа оказались случайно именно тогда, когда через имевшуюся систему каналов на морское дно изливались рудоносные флюиды. Для того чтобы сульфиды при этом сохранились, обстановка не должна быть окислительной или металлоносные осадки должны быть быстро захоронены. В противном случае, как это видно на примере выносящих сульфиды цветных металлов дымящих донных источников (black smokers), расположенных на Восточно-Тихоокеанском поднятии в районе 21° с. ш., даже на океанических глубинах сульфиды в кислородной обстановке быстро разлагаются при окислении.

Интересно, что Мегген, на котором не обнаружено никакой близкорасположенной рудоподводящей трещинной системы, может оказаться редким примером «дистальных» месторождений, т. е. месторождений, образованных на морском дне вдали от каналов, выводивших гидротермальные флюиды. Если предполагаемые каналы были связаны с синхронным оруденению вулканизмом, а не просто с подземными водами, нагретыми неглубоко расположенным интрузивом, то они, должно быть, располагались на расстоянии многих километров от месторождения. Как уже отмечалось выше, нагретые рассолы седиментационных бассейнов могут быть выведены на дно моря, если их плотность выше плотности морской воды; такие рассолы, согласно представлениям Уайта, играли основную роль в формировании «осадочно-эксгаляционных» месторождений.

Вполне понятно, что мы можем только строить различные предположения о характере источников рудного вещества, имея возможность на большинстве рудных месторождений наблюдать лишь часть флюидоподводящей системы. С другой стороны, ловушки (т. е. месторождения как таковые) хорошо доступны для изучения, но все еще в большинстве случаев плохо поняты. Существует настоятельная необходимость более детального документирования месторождений в масштабе от регионального до микроскопического. Наиболее существенная информация, очевидно, может быть получена на месторождениях, лучше всего вскрытых и наименее затронутых метаморфизмом.

Месторождения в осадочных породах — вариации на несколько тем. На рис. 10 мы схематически обобщили некоторые соотношения между различными месторождениями, отнесенными к обширному типу стратиформных месторождений в осадочных породах. В качестве минералообразующих флюидов предполагаются присущие седиментационным бассейнам сульфатно-хлоридные рассолы, которые по мере захоронения осадков становятся все более горячими и изначально сульфатная сера в них может подвергаться все большему восстановлению. C такими продвинувшимися в своей эволюции рассолами связаны, вероятно, свинцово-цинковые, но не медные месторождения. Главной причиной нагрева рассолов, по-видимому, является внедрение интрузий в тектонически сильно нарушенные седиментационные бассейны. Хотя соответствующие температуры создаются в некоторых глубоких бассейнах и без магматической деятельности (например, в бассейне Мексиканского залива), проведенный нами анализ показывает, что подобные условия рудообразования характерны для месторождений типа долины Миссисипи, а не для стратиформных месторождений в осадочных толщах. Рассолы из более глубоких частей бассейна по крупным разломам и по восстанию водопроницаемых пластов отжимаются к границам бассейна и ближе к поверхности. Мы не пытались выяснить, где больше всего осуществляется сепарация меди от свинца и цинка — в сфере зарождения растворов, в процессе их миграции или в месте рудоотложения. Вероятно, в зависимости от конкретных условий она может происходить на любой из этих ступеней под действием различных факторов. В случае свинцово-цинковых месторождений без видимой сопутствующей меди имеется потенциальная возможность обнаружения скрытых меднорудных тел в тыловых участках рудоподводящих систем, хотя, конечно, медь могла остаться в самом источнике растворов или рассеяться вдоль миграционных путей. Вполне возможно также, что свинец и цинк, более растворимые по сравнению с медью и не так сильно реагирующие на изменение окислительно-восстановительных условий, переносились во флюидах, формировавших медные месторождения, но были рассеяны у поверхности, а не отложены вдоль направления движения флюидов.

Месторождения типа долины Миссисипи, на наш взгляд, очень близки по происхождению к месторождениям, которые служат предметом нашего обзора. Главное различие, вероятно, заключается в том, что минералообразующие флюиды месторождений типа долины Миссисипи и, возможно, месторождений Лайсвалль и Ларжантьер имели более низкие начальные температуры и содержали меньше железа и бария, чем те, которые участвовали в образовании несогласных рудных залежей месторождений Мак-Артур-Ривер, Маунт-Айза (Pb-Zn) и месторождений Ирландии. Пока не известно, существуют ли принципиальные различия в степени восстановления серы и в характере связывающих металлы комплексов между месторождениями двух сравниваемых типов или каждого из этих типов. Что же касается вулканогенных колчеданных месторождений, то они представляют, по-видимому, совершенно самостоятельную группу. Их отличительные особенности отмечались выше, а на состав минералообразующих флюидов доминирующее влияние, вероятно, оказывала морская вода, служившая источником большей части серы для этих месторождений. Только то, что нагрев седиментогенных вод мог быть вызван интрузиями, с которыми связан синхронный оруденению и, вероятно, отдаленный пространственно вулканизм, объединяет большинство стратиформных месторождений в осадочных породах с вулканогенными колчеданными.

Вопросы о том, отлагались ли металлы и сера одновременно с рудовмещающим осадком и трансформировались в процессе диагенеза или были привнесены позже — сверху, через границу раздела осадок — вода, или сбоку и снизу, через толщу осадков, остаются пока без ответа. Если физическими границами системы считать внешний контур объема минерализованных пород, то, исходя из определений Туртло и Вайна, указанные альтернативы соответствуют сингенетическому, диагенетическому или эпигенетическому происхождению руд; возможны также сложные соотношения между ними. Представляется необходимым и важным многие месторождения исследовать значительно внимательнее, чем это делалось раньше, в отношении развития минералообразования в пространстве и времени, чтобы разобраться в том, какие процессы принимали участие в рудогенезе.

В связи с тем что пространственно-временные особенности минералообразования на обсуждаемых месторождениях несут на себе много сходных черт, возникает искушение рассматривать их как «вариации на одну тему» по аналогии с двойным рядом сопряженных вариаций в спектре меднопорфировых месторождений. Ho месторождения в осадочных породах изменчивы в значительно большей степени и, скорее всего, испытывали влияние более независимых вариаций условий в цепи необходимых совпадений, чем медно-порфировые месторождения, на формирование которых доминирующее влияние оказывают внедрение интрузива и в основном однонаправленные процессы, связанные с остыванием магм. Было бы правильнее всю серию стратиформных месторождений в осадочных породах рассматривать как вариацию на несколько тем, а именно: зарождение седиментационных рассолов, перенос их из недр бассейна осадконакопления к поверхности и химическая эволюция рассолов в направлении варьирующих градиентов давления, температуры и состава.





Яндекс.Метрика