Источники серы в докембрийских породах и рудах

При обсуждении вариаций изотопных отношений серы в докембрийских образованиях рассмотрим три вопроса: а) время начала разделения изотопов в осадочном цикле, б) поведение изотопов серы при метаморфизме и в) изотопный состав серы сульфидных залежей докембрийского возраста в сравнении с постпротерозойскими месторождениями.

Как известно, наибольшее по величине и масштабам разделение изотопов серы происходит в процессе бактериальной редукции сульфатов. Разделение изотопов, происходящее при круговороте серы в осадочном цикле, отражается в изотопном составе серы в осадочном материале и при дальнейших его преобразованиях.

Наиболее древними образцами земной коры, для которых определен изотопный состав серы, являются осадочные бариты и сульфиды из конгломератов системы Свазиленд в Южной Африке, имеющей возраст 3 млрд. лет. Бариты и сульфиды здесь показали близкие соотношения изотопов серы: в первых значениях bS34 изменяются от +3,1 до +3,8 промилле, а в сульфидах — от -0,9 до до +1,6 промилле. Полагают, что во время отложения древних баритов и сульфидов в атмосфере не было высоких концентраций кислорода, поэтому сульфат поступал в водоемы в очень небольшом количестве. Лабораторные же опыты показывают, что при незначительной концентрации сульфата, порядка 6*10в-4 моль/л и меньше, бактериальная редукция сульфата практически не сопровождается разделением изотопов. Коэффициент фракционирования при этом процессе составляет от 1,003 до 0,997.

Таким образом, если в архее и происходила бактериальная редукция сульфатов, то она не сопровождалась ощутимым разделением изотопов серы в связи со специфическими условиями того периода. В среднем протерозое и в более позднее время, бактериальная редукция сульфатов привела к более значительному разделению изотопов серы (рис. 34). Можно определенно утверждать, что разделение изотопов серы в осадочном цикле уже происходило 2 млрд. лет назад, и с этого времени, а возможно, и раньше, породы и руды несут изотопную метку, показывающую их участие в осадочном цикле.

Очевидно, что данные по вариациям изотопных отношений серы в древних образованиях можно использовать для генетических выводов лишь при условии, если они не изменяются в последующей геологической истории. Эта проблема наиболее актуальна для докембрийских пород и руд, испытавших интенсивные метаморфические преобразования. Поэтому важно знать направленность и масштаб разделения изотопов серы при метаморфизме. К решению этого вопроса следует подходить с двух сторон: экспериментальное изучение разделения изотопов серы при реакциях, возможных в условиях метаморфизма, и сопоставление данных изотопного состава серы сульфидов в различной степени метаморфизованных породах и рудах.

Ранее нами были проведены эксперименты по разложению сульфидов парами воды при температурах 200—600° С. Они показали, что соединения серы, возникающие при частичном разложении сульфидов, во всех случаях обогащаются тяжелым изотопом S34 на 2—4%. Поэтому можно полагать, что если при метаморфизме пород и руд происходит заметный вынос серы, остаточные сульфиды должны иметь меньшее содержание изотопа S34 по сравнению с тем, которое в них было до метаморфизма, а частично вынесенная сера будет несколько обогащена этим изотопом по сравнению с последними.

Экспериментальные данные подтверждаются наблюдениями на природных объектах.

На примере отложений Северного Приладожья В.А. Гриненко, А.А. Мигдисовым и А.Б. Роновым было изучено распределение изотопов серы в породах, метаморфизованных в разной степени. Здесь наблюдается хорошо выраженная зональность с постепенным переходом от фации зеленых сланцев к гранулитовой фации и зоне ультраметаморфизма и гранитизации (рис. 35). Для сланцев и пород в целом с увеличением степени метаморфизма уменьшаются количества летучих, общей серы и содержания в последней изотопа S34. При взаимодействии пород с летучими, в основном с Н2О и СО2, из них, по-видимому, удалялась сера, несколько обогащенная изотопом S34, но при этом первичное соотношение ее изотопов в породах существенно не изменилось.

Сходные закономерности перераспределения изотопов серы наблюдались в некоторых сульфидных залежах докембрийского возраста. Так, в древних колчеданных месторождениях Карелии была выявлена определенная зональность в распределении изотопов серы по рудному телу, выражающаяся в обеднении изотопом S34 пиритов и пирротинов из краевых участков залежей по сравнению с центральными. В этом же направлении в рудном теле увеличивается и содержание пирротина. Выявленная изотопная зональность хорошо согласуется с представлением о частичном выносе серы, обогащенной изотопом S34, при воздействии на пиритовые руды флюидов на заключительной стадии регионального метаморфизма. Сульфиды из прожилков в удалении от рудных тел, как правило, имеют повышенное содержание изотопа S34 (рис. 36).

Таким образом, как экспериментальные данные, так и природные наблюдения по распределению изотопов серы в породах и рудах, подвергшихся метаморфизму с частичным выносом серы, свидетельствуют о незначительном изменении в этом процессе изотопного состава серы. Отсюда следует, что первичная неоднородность изотопного состава серы, обусловленная, например, ее биогенной природой, будет сохраняться и при метаморфизме.

Поэтому интересны результаты определения изотопного состава серы Мулдусельгского рудопроявления в Карелии. Здесь развито два типа сульфидной минерализации. Пирит-пирротиновые руды в кварц-серицитовых сланцах по изотопному составу серы близки к метеоритной. В оолитовых пиритовых рудах, залегающих здесь же в графитистых сланцах, отмечаются существенные вариации изотопных отношений серы при обогащении ее легким изотопом S32, что свойственно сере биогенной природы (рис. 37). В данном случае важно подчеркнуть тот факт, что изотопная неоднородность серы проявляется не только в соседних оолитах, но даже в пределах одного и того же оолита, хотя руды подверглись метаморфизму в условиях эпидот-амфиболитовой фации.

Сказанное выше о перераспределении изотопов серы при метаморфизме относится к случаям, если породы не подвергаются пере-плавлению. В противном случае изотопная неоднородность исходного серосодержащего материала может исчезнуть. Однако породы, возникшие за счет переплавления других, часто несут изотопную метку, свидетельствующую о том, что их исходный материал участвовал в осадочном цикле. Так, докембрийские граниты нередко содержат серу, существенно отличающуюся от метеоритного уровня аномально высоким содержанием легкого или тяжелого изотопа серы. Примером могут служить граниты рапакиви, имеющие значения bS34, равные —14 промилле, что указывает на образование их в результате переработки осадочных толщ, содержащих биогенные сульфиды. С другой стороны, граниты в районе Оутокумпу обогащены изотопом S34 до 28,7 промилле, что, скорее всего, свидетельствует об участии в их образовании серы осадочных сульфатов. К сожалению, изотопный состав серы древних гранитов изучен еще недостаточно, а знание его очень важно для понимания источников серы древних сульфидных залежей.

Более обширная изотопная информация в отношении серы имеется сейчас по сульфидным месторождениям докембрия. Среди докембрийских образований, как известно, встречаются разнообразные по составу сульфидные руды: медно-никелевые, колчеданные, полиметаллические, медные и др. Для докембрийских руд наряду с разнообразными гипотезами широко распространено мнение о метаморфогенном происхождении концентраций сульфидов.

Результаты по соотношению изотопов серы в рудах различных типов докембрийских месторождений интересно сравнить с данными для более молодых образований, что позволяет сделать некоторые выводы об источниках серы в рудах и роли метаморфизма в их формировании.

Как известно, большинство медно-никелевых месторождений, за исключением месторождений Южной Африки и Сибирской платформы, имеют докембрийский возраст. Как видно на рис. 38, изотопный состав серы докембрийских медно-никелевых месторождений из различных регионов мира довольно однороден и близок к составу серы базит-гипербазитовых пород и метеоритов. На основании этих данных был сделан вывод о преимущественно глубинном, верхнемантийном источнике серы месторождений подобного типа. Интересен тот факт, что метаморфизм докембрийских медно-никелевых руд не приводит к существенному изменению величин изотопных отношений серы, а вызывает лишь небольшое фракционирование изотопов в пределах 2—3 промилле.

Среди древних докембрийских толщ широко распространены также сульфидные залежи колчеданного типа. Как видно на рис. 39, месторождения, входящие в эту группу, различаются по изотопному составу серы. Большинство колчеданных залежей Карелии, а также такие месторождения как Оутокумпу в Финляндии, Квемонт в Канаде, Фалун и Болиден в Швеции имеют довольно однородный, близкий к метеоритному изотопный состав серы сульфидов. Небольшая группа сульфидных залежей показала существенные отличия изотопных отношений серы от метеоритной при широком диапазоне их вариаций. Это колчеданно-полиметаллическое месторождение Вихонти в Финляндии, Мулдусельгское рудопроявление в Карелии, пиритовые залежи Адирондак в Америке и Шахбад в Индии.

Трудно предположить, что большая группа колчеданных месторождений с близким к метеоритному изотопным составом серы имеет метаморфогенное происхождение, это означало бы, что при метаморфизме сера с подобным устойчивым соотношением изотопов извлекалась избирательно и впоследствии фиксировалась в рудах. В этой связи интересно сравнить изотопный состав серы руд Оутокумпу и сульфидов из вмещающих их графитистых сланцев (рис. 40). Как видно на рисунке, сульфиды руды здесь близки по соотношению изотопов к метеоритной сере, а сульфиды в сланцах обогащены изотопом S32 до 10% о, что типично для серы биогенного происхождения. Заслуживает внимания также тот факт, что граниты в районе Оутокумпу, как уже отмечалось, имеют очень высокое (до 28 промилле) содержание тяжелого изотопа S34. Все это указывает на генетическое различие источников серы руды и вмещающих графитистых сланцев.

Сульфидные залежи докембрийского возраста, изотопный состав серы которых существенно отличается от метеоритного, несомненно, имеют коровой источник серы. В некоторых из них, например, в месторождении Виханти, сульфиды руды значительно обогащены изотопом S34 (до 8—10 промилле), в то время как сульфиды из сланцев имеют высокое содержание легкого изотопа — до 7 промилле. Эти данные, с одной стороны, свидетельствуют о коровом происхождении серы руд, а с другой — о разных источниках ее в рудах и вмещающих породах. Несмотря на то, что сера в пиритовых залежах Адирондак и Шахбад хотя и имеет, несомненно, биогенное происхождение, нельзя определенно сказать, что она была мобилизована из пород, непосредственно вмещающих руды, это особенно справедливо в отношении месторождения Адирондак.

Таким образом, докембрийские залежи колчеданного типа различаются по источникам серы, а следовательно, и генезису. Среди них большая группа месторождений с близким к метеоритному и довольно однородным составом серы, вероятнее всего, имеет глубинный подкоровой источник серы. Меньшая группа колчеданных руд имеет в своем составе серу биогенного происхождения. Аналогичное распределение изотопов серы наблюдается и среди колчеданных залежей более молодого возраста.

На рис. 41 дается сравнение диапазонов вариаций и средних величин изотопного состава серы докембрийских колчеданных руд и некоторых более молодых месторождении этого типа. Как видно, между ними нет существенных различий. Для докембрийских колчеданов, с близким к метеоритному изотопным составом серы, как будто бы намечается тенденция к несколько повышенному, в среднем на 1—2 промилле содержанию изотопа S32 (если сравнивать их со всеми данными для пост-протерозойских колчеданных месторождений), что, возможно, связано с потерей части серы, обогащенной изотопом S34 при метаморфизме.

Что касается докембрийских месторождений медистых песчаников и пластовых свинцово-цинковых руд, то они не отличаются по изотопному составу серы от аналогичных месторождений более молодого возраста.

На рис. 42 приведены данные изотопного состава серы некоторых докембрийских месторождений меди. Широкий диапазон вариаций изотопного состава серы при обогащении ее легким изотопом в Удоканском месторождении медистых песчаников указывает на биогенный источник серы. По этим характеристикам это месторождение сходно с месторождением Джезказган палеозойского возраста.

На рис. 43 сопоставлены данные изотопного состава серы некоторых месторождений пластовых свинцово-цинковых руд докембрийского возраста (месторождения Маунт-Айза и Брокен-Хилл в Австралии) и более молодых палеозойских месторождений сходного типа (Картагена в Испании). Высокое содержание тяжелого изотопа S34 в сере сульфидов месторождения Маунт-Айза свидетельствует о биогенном, возможно, сульфатном источнике серы рудных минералов. В этом отношении месторождение близко к месторождению Мегген. Узкий диапазон вариаций и близкий к метеоритному изотопный состав серы в другом докембрийеком месторождении пластовых свинцово-цинковых руд — Брокен-Хилл, вероятнее всего, указывает на глубинный источник серы, что, по-видимому, свойственно и месторождению Картагена.

Таким образом, рассмотренные данные свидетельствуют о том, что изотопный состав серы докембрийских сульфидных руд не обнаруживает какой-то специфики по сравнению с составом серы месторождений постпротерозойского возраста, поэтому по изотопным соотношениям серы, известным в настоящее время для древних сульфидных руд, нельзя сделать определенного вывода о преобладающей роли метаморфогенных процессов в образовании сульфидных концентраций.