25.03.2021

Металлоносные черные сланцы и новые представления в теории рудообразования


Черные сланцы как аккумуляторы редких и благородных металлов привлекают в настоящее время внимание большого числа отечественных и зарубежных геологов. Исследование высокоуглеродистых осадков способствовало развитию фундаментальных знаний о металлогении сланцевых формаций и нашло отражение в трудах М.М. Адышева, М.Н. Альтгаузена, А.В. Сидоренко, Г. Шнейдерхена и др. Цель настоящей работы — анализ современных представлений об эволюции рудного вещества в породах и динамике стратиформного рудообразования. Такой анализ проведен главным образом на основании изучения черных сланцев.

Высокоуглеродистые металлоносные кремнистые, слюдистые и карбонатные сланцы представляют продукты катагенеза и метаморфизма морских осадков, сформировавшихся во вполне определенных литолого-фациальных условиях. Углеродистое вещество этих пород претерпело длительную эволюцию от биомопекул до биополимеров, хемофоссилий, геополимеров (керогенов, асфальтенов) и графитита, наблюдаемых в сланцах в основном в виде рассеянного органического вещества (РОВ). Последующее преобразование и перераспределение РОВ, в частности OB, обогащенного рудными микроэлементами, возможно на различных термодинамических уровнях эпигенеза; это предопределяет рассеяние рудной примеси или, наоборот, концентрирование ее с образованием рудных тел. Ниже на примере типичной для черных сланцев примеси урана мы рассмотрим главные тенденции перераспределения органического и рудного вещества как при эндогенных, так и экзогенных преобразованиях пород.

В процессах прогрессивного (регионального, локального динамотермального, контактового) метаморфзима уран мигрирует из зон с более напряженными Р-Т-параметрами в зоны с меньшими температурами и давлениями. При этом возникают стационарные потоки отторгаемых от пород воды, углекислоты и углеводородов, которые являются эффективными переносчиками освобождаемой радиоактивной примеси. Так, при метаморфизме песчано-сланцевых образований от уровня зеленосланцевой фации до эпидот-амфиболитовой ступени или до контактовых роговиков горные породы отторгают от 2 до 3,5 тыс. т урана от каждого кубического километра. Однако в случае высокоуглеродистых осадков прохождение пород через подобный термодинамический рубеж (в тех же градиентных P-Т-условиях) сопровождается освобождением до 9-11 тыс. т металла от каждого кубического километра горной массы.

Повышенный выход рудной примеси в геохимическую миграцию именно из углеродистых сланцев вполне закономерен и объясняется рядом причин. Во-первых, РОВ пород — носитель повышенных количеств урана, что определяется как литолого-фациальным фактором, так и последующей эволюцией осадков. Среднефоновые содержания урана в черных сланцах в 2—5 раз выше, чем во многих других осадочных породах. Во-вторых, метаморфизуемые битумоиды являются источником дополнительных количеств воды и углекислоты — транспортеров урана. Переносчиками рудной примеси могут оказаться также определенные фракции углеводородов (УВ). В-третьих, связь металла с породообразующими минералами в черных сланцах относительно слабая. Нетрудно видеть, что в процессах метаморфической перекристаллизации в этих породах закономерно возникают новые минеральные фазы со структурой, несходной со структурой примеси. Например, при метаморфизме водного фосфата железа, образовавшегося на уровне диагенеза и раннего катагенеза, до апатита или карбонатапатита, являющихся типичными минералами углеродистых осадков зеленосланцевой и амфиболитовок ступеней, изоструктурная с вивианитом примесь водного фосфата уранила оказывается вне решетки новой кристаллической постройки:
Металлоносные черные сланцы и новые представления в теории рудообразования

Близость параметров элементарной ячейки вивианита и уранилфосфатов определяет возможности широкого структурного изоморфизма этих соединений. Однако твердых растворов соединений уранила с апатитом образоваться не может. Такой уран локализуется на поверхности кристаллов, в интерстициях и может легко мобилизоваться фильтрующимися растворами.

Присутствие урана в структуре геополимеров в настоящее время не выяснено. Предполагаются и поверхностные электростатические связи рудной примеси с органическим веществом, и глубинные химические. Как и в предыдущем примере с водным фосфатом железа, в случае образования кристаллических УВ могут возникать твердые растворы OB с водной трехокисью урана. При полиморфизме кертизита, а также его метаморфизме до графитита или графита новые структурные постройки не могут вместить рудную примесь, обеспечивая этим возможность ее перераспределения:

Приведенные примеры иллюстрируют тезис о том, что в результате процессов прогрессивного метаморфизма, особенно в высокоуглеродистых породах, заключенные в осадках микроэлементы переводятся на поверхность кристаллов, предопределяя, таким образом, возможность последующей рудной миграции.

Отторгаемая рудная микропримесь при региональном метаморфизме черных сланцев вместе с УВ и углекислотой рассеивается в вышележащие оболочки земной коры. В условиях локальной метаморфической модели, например в экзоконтакте интрузий, возможно геометрически точно определить и объем пород, потерявших рудный компонент, и породы внешнего экзоконтакта, в которых эта отторгнутая при ороговиковании сланцев примесь была задержана. Возникает пригранитная зона, обедненная ураном, и зона ослабленного контактового метаморфизма, обогащенная радиоактивной примесью относительно региональных геохимических фонов. Характерная особенность такого перераспределения — изменение формы нахождения рудной примеси в породе.

Развитие метода осколковой радиографии позволило перейти к количественному анализу фазового распределения рудного микрокомпонента без разрушения минералов породы и без изменения их естественных взаимоотношений (в шлифе). Применение этого вида исследований к анализу локальной метаморфической модели позволило расшифровать динамику перераспределения рудного вещества в сланцах в условиях развития более поздней активизации района.

Диэпировые граниты верхнего карбона прорывают верхнерифейскую толщу углеродисто-кремнистых и углисто-кварц-серицитовых сланцев, чередующихся с битуминозными доломитами. Кремнистые сланцы в зоне внутреннего экзоконтакта интенсивно ороговикованы и потеряли значительную часть своего РОВ. Алюмосиликатные породы этой зоны представлены роговиками и сланцами с пятнисто-узловатой текстурой (ассоциация кварц—биотит—кордиерит—андалузит). Карбонатные породы скарнированы. Во внешнем экзоконтакте (0,5—1 2 км по нормали к кровле гранита) кремнистые сланцы метаморфических изменений не обнаруживают, алюмосиликатные породы несут рассеянную вкрапленность андалузита ("пятнистые" сланцы), а доломиты содержат новообразования тремолита и эпидота. Впрочем, последние наблюдаются только около межпластовых срывов на контакте карбонатных пород с кремнистыми сланцами.

Средние концентрации урана в углеродисто-кремнистых и чередующихся с ними слюдистых и карбонатных сланцах, метаморфизованных регионально, колеблются от 5 до 8*10в-4%. В зоне внутреннего экзоконтакта явления ороговикования на прогрессивной линии контактового метаморфизма сопровождаются интенсивным разрушением OB сланцев, часть которого в виде миграционноспособных битумоидов перераспределяется в дальний (внешний) экзоконтакт, а часть окисляется до CO2 и в виде водноуглекислых растворов перемещается в том же направлении. Среднефоновые концентрации урана во внутренней зоне метаморфизма снижаются при этом до (1—3)*10в-4 %, а во внешнем экзоконтакте возрастают до (10—15)*10в-4%. Таким образом, в ходе метаморфического перераспределения рудной примеси во внешнем экзоконтакте в черных сланцах возникают избыточные (надкларковые) концентрации урана.

Методом осколковой радиографии установлена значительная неравномерность распределения урана в таких породах. Как в углеродисто-кремнистых сланцах (табл. 1, А, строка 1), так и в чередующихся с ними битуминозных доломитах внешнего экзоконтакта (табл. 1, Б, строка 1) валовые концентрации урана представляют средние характеристики, учитывающие концентрации "фонового поля" (единичные, рассредоточенные в поле наблюдения треки осколков деления U235) и "звезды" (группы треков, образующие характерные лучистые фигуры травления). Разрозненные треки соответствуют рассеянным фоновым концентрациям 4—6*10в-4 *%, тогда как "звезды" фиксируют локальные участки надкларковых концентраций.

Рассмотрение соотношений между фоновой и локально концентрированной формами нахождения рудной примеси в кремнистых сланцах и доломитах зоны внешнего экзоконтакта позволяет видеть, что в "звездах" заключено от 60 до 70% всего урана породы. Последующее развитие в этих сланцах поздне- и постметаморфических процессов, продуктами которых являются выделения радиоактивных битумов, а также гидротермальные и экзогенные прожилки (кальцитовые с настураном, глинисто-гидрогематитовые с карнотитом), приводит к значительному уменьшению доли урана в "звездах" (табл. 1, А, строка 2, и табл. 1, Б, строки 2—5). Такое наблюдение позволяет сделать вывод, что для образования радиоактивных выделений различной природы расходуется главным образом уран локально концентрированной формы. При этом объем, занимаемый "звездами", в позднеметаморфическом и гидротермальном процессах сокращается вдвое, а в экзогенных процессах, наиболее полно мобилизующих рудную примесь породы, сокращается в 5—6 раз (табл. 1, Б, строка 5).

Анализ соотношения локально концентрированной и рассеянной форм рудной примеси в сланцах в зоне ближнего экзоконтакта интрузии (табл. 1, В) позволяет видеть, что как и около реликтовых участков слабо ороговикованных пород (реститов), так и в поле интенсивного ороговикования доля урана в "звездах" чрезвычайно мала. Об этом свидетельствует небольшое число локальных концентраций урана в роговиках и пониженные содержания в них исследуемой примеси. Контактовый метаморфизм сланцев способствовал отторжению и перераспределению во внешнюю зону урана как в рассеянной форме, так и в концентрированной ("звезды"). Наконец, в регионально-метаморфизованных сланцах (за пределами влияния интрузии) на "звезды" приходится около 6% объема породы и около 94% на поле рассредоточенных концентраций.

Размер фигур травления треков деления (диаметр "звезд") как в кремнисто-слюдистых сланцах, так и в доломитах варьирует от 20 до 50 мкм, а густота распределения локальных концентраций для участков пород, неизмененных эпигенетическими процессами (удаленных от всякого рода прожилков), составляет 120—150 выделений на 1 мм2 сечения вкрест сланцеватости образца. Если принять во внимание, что длина пробега а-частицы в лавсановой пленке не превышает 20 мкм, то реальный размер точечных радиоактивных выделений колеблется от единиц микрон до первых десятков микрон. Этот размер выделений и густота их распределения позволяют вычислить, что занимаемый ими объем составляет первые проценты от объема горной породы. Применительно к исследованным образцам суммарный минимальный объем локальных радиоактивных выделений составляет 0,6%, а максимальный — 24% от объема сланцев. Эти величины соответствуют справочным значениям эффективной пористости сланцев и доломитов.

Сказанное позволяет предположить, что локальные сгустки урановой минерализации в исследованных сланцах отражают распределение в них микропор. При этом возможно как заполнение микропор урановыми соединениями, так и адсорбция микроколичеств урана на стенках пор. Аналитическое разрешение метода осколковой радиографии не позволяет ответить на этот вопрос однозначно. Однако при любом варианте трактовки связи надкларковых концентраций рудной примеси с породой принципиально важным выводом исследования остается относительная легкость мобилизации такого урана в последующих (послеметаморфических) процессах.

Формирование надфоновых (промежуточных между кларковыми и рудными) концентраций примеси урана во вполне определенной зоне метаморфизма в форме, легко мобилизуемой в эпохи последующей активизации, определяет рудоподготовительную роль контактового метаморфизма.

Поведение урана при регрессивном метаморфизме черных сланцев может быть проиллюстрировано перераспределением радиоактивной микропримеси в системах продольных (межпластовых) нарушений в породах, хорошо изученных М.М. Адышевым. Тектонические срывы и зоны кливажа, возникающие на контактах пород, отличных по механическим свойствам (например, углеродисто-кремнистых и углистых или углеродистокремнистых и слюдистых сланцев нижнего кембрия), оказываются ареной интенсивного постметаморфического перераспределения вещества. Такое перераспределение объясняется снижением в тектонически ослабленных зонах внешних параметров метаморфизма. Так, если по характеру ассоциаций породообразующих минералов в удалении от таких зон (переходные условия равновесий цеолит + кварц/альбит + кварц, а также смешаннослоистые гидрослюды/серицит + хлорит, отражающие смену условий глубокого катагенеза зеленосланцевой ступенью регионального метаморфизма) температуры минералообразования могут быть оценены в 350—450° С, а давление в первые килобары, то по данным декрипитации газожидких включений из кварцев и кальцитов, отлагающихся в пустотах межпластовых нарушений, температура в этих зонах снижается до 120—200 С. При этом давление, по-видимому, было близко гидростатическому (кварц и кальцит крустификационно выполняют открытые полости), т.е. значительно ниже давления периода регионального метаморфизма. Следовательно, предположение о регрессивном метаморфизме углеродисто-кремнистых и чередующихся сними углистых и слюдистых сланцев в зонах межпластовых нарушений вполне обоснованно. Такие продольные структуры, являясь зонами пониженных температур и давлений, играли дренажную роль. По направлению к этим структурам происходило перемещение некоторых компонентов породы.

Рассеянное органическое вещество сланцев в зонах влияния межпластовых нарушений (в интервале 0-100 м в стороны от тектонических швов и открытых срывов) мобилизуется в сети тончайших прожилков, густота которых нарастает к осевым частям этих зон. Содержание Cорг возрастает от 0,3—3% в неизмененной породе до первых десятков процентов в призальбандовых участках сланцев, а валовое содержание урана увеличивается в 2—3 раза. При этом возрастает также неравномерность распределения радиоактивной примеси в породе. Так, за пределами влияния межпластовых нарушений среднее содержание урана в углеродисто-кремнистых сланцах составляет 4,7*10в-4%, а в 100-метровой зоне влияния межпластовых нарушений —8,6*10в-4%. Дисперсия содержаний возрастает соответственно с 3,99 до 17,81 (табл. 2).

Исследование распределения концентраций на уровне осколковой радиографии позволяет видеть, что при возникновении микропрожилков битумоидов происходит фракционирование рудной примеси между минеральной и органической составляющих породы в пользу второй. Концентрация урана в перераспределяемом OB по сравнению со средней величиной по породе возрастает на полпорядка, а в кремнистой и алюмосиликатной составляющих существенно снижается (до 0,5*10в-4% и менее). В призальбандовых участках сланцев около тектонических срывов, т.е. в участках, обогащенных битумами, концентрация примеси возрастает еще больше. 3 этих зонах возникают обогащенные металлами антраксолиты и кальциты.

Анализ стабильных изотопов углерода из органической массы зон межпластовых нарушений показал, что по мере приближения к этим зонам OB относительно обогащается изотопом С12. Причина такого явления, по мнению Галимова, — существование внутримолекулярной изотопной неоднородности, при которой изотопно-тяжелый углерод (С13) входит преимущественно в функциональные группы OB. Образующаяся при окислении OB сланцев углекислота наследует в первую очередь углерод карбоксильной группы, в силу чего обогащается тяжелым изотопом углерода, а остаточные битумоиды обедняются им, т.е. направленное уменьшение в OB показателя bC13 — признак развития в сланцах окислительных процессов. Такие представления не противоречат фактам нахождения в полостях межпластовых нарушений кальцитов с повышенными значениями + bC13, хотя количество выделяемой при окислении битумоидов углекислоты сколько-нибудь значительным быть не может. Основной ее источник для образования жильных кальцитов, несомненно, — рассеянное карбонатное вещество сланцев.

Сопоставление этапов перераспределения урана в сланцах позволяет выделить главные ступени эволюции рудной микропримеси при регрессивном метаморфизме пород: предварительное концентрирование в битумах —> перераспределение металлоносных битумоидов в направлении к тектоническим срывам зон межпластовых нарушений с обогащением рудной примесью призальбандовых пород этих зон и антраксолитов из самих нарушений частичное разрушение (окисление) металлоносного OB с последующей карбонатной миграцией и осаждением рудного компонента. Учитывая, что протяженность таких зон достигает многих километров и десятков километров, можно предположить, что масштабы такого ступенчатого перераспределения микропримеси огромны. В них вовлекаются многие кубические километры горных пород, что определяет потенциальную значимость регрессивного метаморфизма для рудообразования. Как и для предыдущего примера (перераспределения микропримеси при контактовом метаморфизме), в конкретном случае также возникают промежуточные формы концентраций примеси между кларковыми и рудными в форме, легко мобилизуемой. Однако в конкретном примере это концентрации не в порах породы, а в микропрожилковых обособлениях битумоидов. Следовательно, понятие "рудоподготовительный процесс" применимо также и для случая регрессивного метаморфизма.

Породы, вовлеченные в рудоподготовительные процессы, представляют в дальнейшем арену для развития процессов рудообразования. Исследование стратиформного редкометального оруденения, сформировавшегося в межпластовых срывах на контакте битуминозных доломитов и углеродисто-кремнистых сланцев, позволило установить, что обломочный и жильный материал этих зон по крайней мере трижды претерпевал воздействие растворов той или иной природы. Ранний (верхнепалеозойский) этап формирования рудных битумоидов в ассоциации с кварцем, апатитом и глинистым материалом (диккитом), отлагавшихся на фоне эпидота, тремолита и переотложенного доломита, протекал (по данным декрипитации газожидких включений) при температурах 370—400° С. По сути дела, это окончание метаморфогенного окологранитного перераспределения вещества, когда процессы прогрессивной линии контактового метаморфизма сменяются минералообразованием из горячих водных растворов.

В мезозое ассоциации раннего этапа претерпевают диафторез с замещением амфибола и карбонатов тальком, хлоритом (делесситом), глинистыми минералами. При этом концентрации радиоактивной микропримеси в битумоидах (по данным осколковой радиографии) с (50-200)*10в-4% снижаются до (10-12)*10в-4% и даже до 5,4*10в-4%. Тальк, развивающийся в контурах зерен тремолита, наследует его радиоактивность. Однако тальк, образующий самостоятельные выделения, характеризуется очень низкой ураноносностью (2*10в-4%). Содержание рудной примеси в хлоритах варьирует от 3,64*10в-4% (в удалении от контакта его новообразований с высокорадиоактивными минералами) до 25,36*10в-4% в ассоциации с окисляющимися битумоидами. Можно говорить о том, что в мезозое в целом происходило рассеяние рудных концентраций, первоначальное становление которых связано с позднеметаморфическим (гидротермальным) процессом верхнего палеозоя.

В неоген-четвертичное время, в эпоху новейшей тектонической активизации происходит подновление межпластовых нарушений с отложением кальцита, гидрослюд и гидроокислов железа, а позднее кварца. Палеотермические реконструкции по данным декрипитации включений позволяют считать температуру минералообразующего карбонатного раствора в начале этого этапа равной 125—140 С, а в конце (при отложении кварца) 70—80° С. Ураноносность гидрослюды и гидроокислов железа, отлагавшихся в тех же продольных зонах, что и метаморфогенные битумоиды, очень высокая — десятки и сотни граммов на 1 т. Однако к концу поздненеогенового процесса концентрация урана в новообразованиях снижается и в поздних кварцах составляет 0,94*10в-4%. Иными словами, как и на рубеже верхнего палеозоя и мезозоя, так и в поздненеогеновое — раннечетвертичное время в межпластовых зонах черных сланцев явление повышения концентрации рудной примеси сменяется ее понижением, рудное концентрирование — рассеянием.

В современную эпоху в исследованном районе сформировался резко расчлененный рельеф. Сланцевая формация глубоко дренируется каньонами. Формируется современная гидродинамическая система с подтоком грунтовых вод к поверхности обнажений, наиболее контрастно проявляющаяся в тех же зонах межпластовых срывов. Возникает ассоциация глинистых минералов с гидрогематитом, гидрогетитом и лепидокрокитом, несущая обильные выделения урановых слюдок и уранил-силикатов. Современные экзогенные процессы предопределяют, с одной стороны, извлечение урана "звезд" (табл. 1, Б, строка 5), а с другой — разубоживают руды более ранних этапов. Преобладание для того или иного участка процессов рассеяния или концентрирования урана определяется особенностями современного рельефа дневной поверхности и тектоническим строением конкретного геологического блока, что в конечном счете определяет направление и масштабы водного переноса рудного вещества.

Многократное проявление процессов рудной мобилизации в одних и теж же структурах согласуется с данными радиографического исследования вмещающих пород (табл. 1, А, Б). Подвижный уран "звезд" активно мобилизуется в каждую из стадий рудоконцентрирования. При этом битуминозные доломиты, менее устойчивые в экзогенных условиях по сравнению с углеродисто-кремнистыми сланцами, благоприятны для перехода рудной примеси в состояние миграции на всех термодинамических уровнях, тогда как плотные породы освобождают примесь только в высокотемпературных обстановках.

Многоэтапность формирования оруденения в сланцах с неоднократной сменой процессов концентрации рудного вещества процессами рассеивания — характерная черта стратиформного рудообразования. Именно эта особенность послужила причиной появления многочисленных концепций о генезисе рудных месторождений в черных сланцах. При этом каждый из генетических терминов имел определенные основания и был справедлив для какого-то изучавшегося тем или иным геологом типа минерализации.

Рассмотренные на примере урана явления направленной миграции и перераспределения рудной примеси типичны для ряда других элементов, обогащающих черные сланцы. Так, ванадий, имея в природе валентности III, IV и V, активно участвует в процессах рассеяния и концентрации вместе с ураном. Как и радиоактивная примесь, ванадий обогащает микропрожилки OB метаморфогенного этапа, отлагается в водном карбонатном процессе в составе гидрослюд (роскоэллит) и в виде монтрозеита ([V, Fe]О*ОН) совместно с гетитом. В экзогенных условиях образующиеся ванадат-ионы активно связывают уранил-ион в кислых, богатых кислородом водах: отлагаются карнотит и тюямунит.

Аналогично ведут себя халькофилы. На ранних этапах рудного процесса отлагаются карбонаты и битумоиды с халькопиритом. Возможно выделение скрытокристаллической разновидности молибденита — иордизита. Однако чаще молибден обогащает OB в качестве рудной примеси. В экзогенных преобразованиях первичные рудные минералы черных сланцев окисляются, давая гамму силикатов, сульфатов, карбонатов, гидроокислов. В ассоцации с урано-ванадатами кристаллизуются хризоколла, малахит, бирюза, а в условиях резко аридного выветривания можно наблюдать ильзиманит — молибденовую синь.

Хром, подобно урану и ванадию, находится в природе в различных валентных состояниях (II, III, VI) и, следовательно, может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях с участием OB. Кроме того, отмечаются общие его свойства с названными рудными элементами — способность легко гидролизоваться, а значит, и участвовать в процессах адсорбции, в частности, на дисперсном OB, а также способность образовывать комплексные соединения с органическими лигандами. И хотя хром в черных сланцах рудообразующим компонентом не является, все сказанное определяет его индикаторную роль, его общие с ураном и ванадием тенденции в перераспределении при тектонической активизации геосинклинальных областей.

Суммируя изложенное выше, возможно выделить два главных аспекта проблемы осадочно-метаморфогенного рудообразования.

1. Непременное развитие рудоподготовительных процессов, включающих: а) явления "вскрытия" породообразующих минералов в отношении рассеянной в них примеси, т.е. перевода последней из глубин кристаллической решетки на поверхность минерального зерна; б) явления направленного перераспределения рассеянного рудного вещества из зон с более напряженными Р-Т-условиями к зонам разгрузки или за пределы аномального теплового поля с формированием блоков пород, обогащенных рудной примесью; в) возникновение локальных рудных концентраций, промежуточных между кларковыми и рудными, в формах, легко мобилизуемых в периоды позднейшей активизации.

2. Многоэтапное проявление собственно рудного процесса, в котором явления концентрирования неоднократно сменяются явлениями рассеяния рудной примеси, что в конечном счете определяет глубокую эпигенетическую переработку сланцев и достаточно сложный минеральный состав руд. Эта особенность объясняет возникновение представлений о полигенности стратиформного рудообразования.

Обе стороны процесса (рудоподготовительные явления и рудоотложение) тесно связаны, и вторая не получает достаточно широкого развития, если не проявилась первая. Рассмотренные характерные черты рудообразования в сланцах относятся ко всем породам. Так, впервые идея рудоподготовки прозвучала в отношении вулканогенных пород на Всесоюзном радиогеохимическом совещании в Душанбе в 1975 г. и получила дальнейшее развитие применительно к гнейсам и сланцам в работах Новосибирского совещания по генетическим моделям рудообразования.

Однако наиболее контрастно и наглядно явления рудоподготовки и рудного перераспределения проявлены именно в черных сланцах, что обоснованно позволяет считать эти породы эталонным объектом для развития новых представлений в теории рудообразования.





Яндекс.Метрика