Мобилизация рудных элементов из осадочных и метаморфических пород при метаморфизме и гранитизации


Геологические и экспериментальные исследования мобилизации рудных элементов водными растворами из осадочных и метаморфических пород проводятся нами в связи с изучением проблемы источников металлов при рудообразовании. Химически активные гидротермальные растворы различного происхождения — ювенильные (поднимающиеся из области мантии), метаморфические (высвобождающиеся из пород при метаморфизме), вадозные (глубинной циркуляции) или воды смешанного состава при прохождении через породы экстрагируют — мобилизуют рудные элементы.

Убедительные данные получены нами по большому числу анализов о подвижности рудных и нерудных компонентов осадочных и метаморфических пород при региональном динамотермальном метаморфизме и ультраметаморфизме в пределах Украины. Проведенные подсчеты количества рудных элементов в породах различных метаморфических фаций, а также продуктах ультраметаморфизма раскрыли тенденцию уменьшения содержания металлов с развитием метаморфизма (рис. 12).
Мобилизация рудных элементов из осадочных и метаморфических пород при метаморфизме и гранитизации

Для центральной части щита подвижность рудных элементов в породах регионального (динамотермального) метаморфизма и в породах ультраметаморфизма характеризуется двумя кривыми. По этим данным в породах различных метаморфических фаций наблюдается постепенное снижение суммы малых металлов от зеленосланцевой фации, через эпидот-амфиболитовую, амфиболитовую до гранулитовой. Если взять такие распространенные металлы, как Cr, V, Mn, Ni, Zn, Cu, Co, Pb, то среднее содержание их в породах зеленосланцевой фации достигает 0,16%, тогда как в гранулитовой оно снижается до 0,09%, т. е. почти на 50% от первоначального содержания. При этом снижение идет неравномерно. В породах амфиболитовой фации наблюдается некоторое повышение содержания этих металлов по сравнению с их содержанием в породах предыдущей эпидот-амфиболитовой фации. Эта закономерность для отдельных элементов была раньше замечена и описана по некоторым районам многими исследователями.

Такая общая закономерность выноса металлов при усилении метаморфизма усложняется тем, что некоторые металлы накапливаются в отдельных метаморфических фациях: V, Zn, Cu проявляют тенденцию накопления в гранулитовой и частично амфиболитовой фациях, Pb — в зеленосланцево-амфиболитовой, а Mn — в амфиболитовой фации (рис. 13, 14).

Еще большее усложнение этой закономерности можно увидеть при метаморфическом изменении различных пород — терригенных, вулканогенных и магматических, содержащих различные группы элементов (литофильные, халькофильные и сидерофильные). Литофильные элементы, склонные к образованию легкорастворимых комплексных соединений, обычно накапливаются в метаморфических породах средних и низких ступеней метаморфизма. В этих же условиях накапливаются халькофильные элементы, благодаря высокой активности серы и образованию сульфидов, хотя для некоторых районов известно накопление медно-никелево-платиновых руд в амфиболитовой и в верхней части гранулитовой формации. Сидерофильные элементы часто накапливаются среди пород высоких ступеней метаморфизма (Fe, Mn, Ti, Ni, Pt, V), однако многие из них весьма активно образуют кислородные соединения, силикаты и сульфиды, накапливающиеся в зонах относительно низких ступеней метаморфизма. Многие из элементов этой группы можно назвать космополитными, так как вследствие меняющихся условий метаморфической дифференциации они накапливаются в разных минеральных формах среди пород низких, средних и высоких ступеней метаморфизма.

Аналогичные данные об изменении содержания металлов в породах по мере усиления регионального метаморфизма осадочных пород и гранит-порфиров Витимо-Патомского района приводят В.А. Буряк, М.П. Лобанов, П.М. Хренов.

Область ультраметаморфизма (см. рис. 13) характеризуется еще более интенсивным выносом рудогенных элементов, о чем свидетельствует резкое снижение суммы металлов в мигматитах и палингенных гранитах по сравнению с метаморфическими породами, в которых все же достаточно отчетливо сохранились черты первичного распределения металлов. Частичное выплавление и полная перекристаллизация осадочных и вулканогенных пород, господствующие в зоне ультраметаморфизма, приводили к возникновению гранитоидных пород (мигматиты, анатектиты, граниты), которые принципиально отличаются от исходных потерей значительных количеств Fe, Mg, Ca и многих рассеянных металлов. Процесс превращения сланца, карбонатной или вулканогенной породы в гранитоидную, стремящуюся к эвтектическому составу, естественно сопровождался выносом больших масс излившихся компонентов за пределы зоны ультраметаморфизма. Как видно, ультраметаморфизм явился мощным процессом отделения многих малых элементов от исходных пород и перемещения их за пределы областей гранитизации.

Обращает на себя внимание повышение содержаний многих элементов в малых интрузиях и постгранитизационных гидротермальных метасоматитах. Покажем на примере миграции урана при метаморфизме и ультраметаморфизме общую закономерность мобилизации рудогенных элементов в осадочных и метаморфических породах.

Из аналитических данных отчетливо видно, что наименьшим содержанием урана обладают породы офиолитовой и диабаз-спилитовой формаций архея (1,0—1,08*10в-4) и продукты гранитизации этих пород (1,13*10в-4). Некоторое повышение заметно в терригенно-эффузивной формации (1,35*10в-4) и трахитоидных гранитах архея (1,49*10в-4), рассматриваемых нами как ультраметаморфические образования архея с наложенными диафторическими изменениями в протерозое. В целом можно указать на бедность ураном пород архея.

В породах нижнего протерозоя содержание урана значительно выше, чем в архейских и особенно в терригенных формациях. Наиболее низким содержанием урана обладают так же, как и в архее, породы диабаз-спилитовой и джеспилитовой формаций. Особенно значительные содержания урана систематически прослеживаются в терригенных породах нижнего протерозоя. Получившая очень широкое распространение в протерозое формация парагнейсов, равно как и формация плагиоклазовых гранитов, обладает относительно невысоким содержанием урана. При этом нельзя не обратить внимания на закономерность, состоящую в том, что гранитизация парагнейсов с превращением их в плагиоклазовые мигматиты и граниты не приводит к существенным изменениям содержания урана. Вместе с тем наблюдается некоторое накопление урана во многих реоморфических гранитах (7,4*10в-4). В породах среднего протерозоя, представленных интрузивными образованиями, наблюдаются относительно повышенные содержания урана, особенно в нефелиновых сиенитах и некоторых разностях гранитов. В основных породах среднепротерозойских плутонов — лабрадоритах — также очень низкие содержания урана, как в архее и нижнем протерозое. В кластогенных породах верхнего протерозоя фиксируются относительно низкие содержания урана.

Подвижность урана при региональном метаморфизме выражена в постепенном снижении его содержания в породах терригенной и вулканогенной формаций от зеленосланцевой до гранулитовой фации. Однако средние содержания не раскрывают сущности распределения и подвижности урана в породах, так как оно зависит от исходного содержания и форм нахождения его в различных породах. В породах основного и ультраосновного ряда наблюдаются низкие содержания урана независимо от условий метаморфизма. В терригенных породах содержание урана независимо от условий метаморфизма. В терригенных породах содержание урана значительно выше, чем в породах основного ряда, и оно меняется в значительных пределах в зависимости от условий метаморфизма пород (рис. 15).

Миграция урана в процессе регионального метаморфизма связана с дегидратацией пород и выносом урана метаморфическими растворами за пределы зоны метаморфизма. В осадочных породах, обычно гетерогенных по составу, рудогенные элементы находятся в обломках различных пород, акцессорных рудных и нерудных кластогенных минералах, они образуют самостоятельные аутигенные минералы, входят в состав молекулярно-пленочных растворов или, наконец, являются сорбцией нерудных минералов.

Воды поровых пространств, покидающие породы на низких ступенях метаморфизма, при относительно невысоких температурах (300—400°С) экстрагируют значительную часть урана, находящегося в легкорастворимых соединениях и обладающих низкой теплоемкостью. С повышением метаморфизма уран частично изоморфно входит в кристаллические решетки новообразованных минералов, таких, как хлорит, биотит, амфибол, пироксен и другие, или он образует самостоятельные минералы-окислы, титанаты и силикаты. Эти последние часто создают пленки, заполняют поровые пространства породообразующих минералов. Образованию таких поровых тонкодиоперсных агрегатов способствуют процессы бластеза — перекристаллизации породообразующих минералов, сопровождающиеся, как известно, самоочисткой минералов от посторонних примесей.

Выделение из пород гидроксильной воды при высоких температурах и давлениях вызывало разрушение кристаллических решеток новообразованных минералогидратов, что сопровождалось растворением и выносом урана, за исключением той его части, которая вошла в состав новых минералов, отвечающих новой фации метаморфизма (сфен, гранат, циркон, апатит). При таком преобразовании лишь небольшая часть урана сохраняется в виде изоморфных примесей в составе акцессорных минералов. Повышение содержания многих элементов в реоморфических гранитах, являющихся продуктами кристаллизации палингенной магмы, явилось следствием ассимиляции пород и обогащения рудогенными элементами в зонах ультраметаморфизма. По материалам кристаллических пород можно указать на концентрацию в этих гранитах и жильных образованиях не только U и Th, но и некоторых других элементов.

Обладая хорошей миграционной способностью, уран характеризуется четко выраженной закономерностью некоторой концентрации в конечных продуктах ультраметаморфизма и накоплением в постгранитизационных образованиях.

Из приведенного материала видно, что распределение урана в породах щита зависит прежде всего от его первичного содержания в исходных породах, форм нахождения и подвижности в процессе регионального метаморфизма, ультраметаморфизма и реоморфизма.

В лабораториях ИГФМ АН Украины проведены экспериментальные работы по мобилизации металлов из осадочных и метаморфических пород водными растворами. Экспериментальной обработке подвергнуты песчаники, аргиллиты, алевролиты Донбасса. Одна группа этих пород отвечает самой низкой фации метаморфизма — длиннопламенных и газовых углей с температурой образования 40—90°С, а вторая — стадии полуантрацитов и антрацитов, соответствующей пумпелитовой фации метаморфизма с температурой образования 170—240°С (по данным М.Л. Левенштейна). Третьей группой пород были гнейсы амфибол-биотитового состава из Криворожского бассейна, четвертую составили плагиоклазовые мигматиты Мариупольского района.

Опыты проводились при 300° С и 300 кгс/см2 давления в кислой, нейтральной и щелочной средах. Соотношение твердой и жидкой фаз составляло примерно 1:25. Опыты проводились до установления равновесия между твердой и жидкой фазами. Длительность опытов (100 часов) устанавливалась на основании специально проведенной серии опытов на равновесие. Наибольшая мобилизация рудогенных элементов получена в кислой среде — до 50—85% первоначального их количества из осадочных пород Донбасса, несколько ниже — из метаморфизованных в пумпелитовой фации пород Донбасса и еще ниже (15—22%) из гнейсов и мигматитов кристаллического щита (табл. 9).

Полученные экспериментальные данные о мобилизации металлов термальными растворами из осадочных и метаморфических пород подтверждают аналитические материалы о широкой подвижности рудогенных элементов при метаморфизме и ультраметаморфизме.

Приведенные геологические и экспериментальные данные позволяют сделать некоторые выводы о подвижности рудогенных элементов при процессах прогрессивного метаморфизма, ультраметаморфизма и диафтореза.

1. Динамотермальный региональный метаморфизм и ультраметаморфизм вызывают перемещение рудогенных элементов в породах, которое усиливается с нарастанием процессов метаморфизма. Вследствие селективного растворения, частичной и полной перекристаллизации, выплавления и магматической кристаллизации происходит перемещение рудогенных элементов из зон высоких ступеней метаморфизма в зоны низких метаморфических фаций.

2. Перемещение рудогенных элементов при метаморфизме во многих случаях достигает 70—75% от первоначального содержания элементов в породе. Наблюдается направленный процесс обеднения рудогенными элементами продуктов ультраметаморфизма, пород эклогитовой и гранулитовой фаций и обогащение некоторыми из них пород зеленосланцевой и амфиболитовой фаций. Отдельные элементы вследствие своих химических особенностей приобрели способность накапливаться в породах различных ступеней метаморфизма. Длительная по времени и неоднородная по интенсивности миграция различных элементов привела к сложному распределению металлов в породах, не отвечающему их первоначальному содержанию.

3. В породах рудогенные элементы находятся в легкоподвижной форме в виде самостоятельных аутигенных минералов или входят в состав гидроокисных гидратных минералов в сорбированном состоянии и обогащают внутрипоровые молекулярно-пленочные растворы, что обусловило их подвижность на этапе диагенеза и на первых стадиях метаморфизма в связи с процессом дегидратации пород. В малоподвижной форме они входят изоморфно в кристаллические решетки различных, преимущественно темноцветных минералов (биотит, роговые обманки, хлорит и др.) и в неподвижной форме — в составе акцессорных минералов.

При метаморфизме происходит перераспределение химических элементов в минералах и меняются формы их нахождения, места пространственного размещения, создающие геохимические особенности метаморфических пород.

4. Рудогенные элементы, перемещенные метаморфическими растворами, накапливались в породах в виде промышленных месторождений, либо создавали метаморфические микрорудные фации, потенциально благоприятные для дальнейшей концентрации элементов до промышленных размеров.

5. Описанная закономерность перемещения элементов является главной причиной образования зоны, обогащенной рудогенными элементами, которая является потенциально рудоносной и перспективной для нахождения рудных месторождений на кристаллических щитах. Эта зона располагается в верхней части земной коры среди пород низких и средних ступеней метаморфизма. Для нее характерны промышленные месторождения, образованные в период регионального метаморфизма, а также гидротермальные — метаморфические и ультраметаморфические месторождения, образовавшиеся вследствие концентрации металлов микрорудных метаморфических фаций.





Яндекс.Метрика