Подстилающие породы как источник рудных компонентов колчеданных месторождений

Металлы. В рамках существующей популярной генетической модели для колчеданных месторождений вулканической ассоциации большинством исследователей принимается, что по крайней мере металлы выщелачивались из пород, сквозь которые происходила циркуляция гидротермальных флюидов. Несмотря на широкое распространение этой точки зрения, она подтверждается весьма ограниченным объемом прямых доказательств. Большая часть доказательств являются косвенными; это изотопные данные по водным минералам измененных пород, ассоциирующихся с колчеданными залежами. Такие породы чаще всего рассматриваются как результат изменений под воздействием нагретой морской воды, а сама морская вода считается рудообразующим флюидом. Поскольку древняя морская вода не содержала достаточных количеств металлов для формирования рудного месторождения (10 млн-1 часто считают минимальной необходимой концентрацией), рудообразующий раствор должен был получать металлы при выщелачивании пород, через которые он проходил.

Было сделано несколько попыток определить источник металлов путем сравнения отношений Си, Zn и Pb в месторождениях с соответствующими отношениями в изверженных породах. На рис. 82 показано такое сопоставление с использованием данных Санделла и Голдича. Сходство в распределении отношений Cu, Zn и Pb между изверженными породами и рудами является очевидным. По мнению Уилсона и Андерсона, это сходство может предполагать, но не доказывать генетическую связь, поскольку во время процессов выщелачивания и последующего рудоотложения коэффициенты распределения между материнской породой и рудообразующим раствором, а также между рудообразующим раствором и осажденными рудными минералами могли быть различными для разных металлов. Таким образом, может не существовать прямой корреляции между отношениями металлов в источнике и отношениями металлов в рудном месторождении. Однако Стентон, кратко касаясь этой проблемы, пришел к выводу, что прямая корреляция между отношениями металлов в изверженных породах и в сульфидных месторождениях может быть учтена с помощью двух механизмов:

1) Более или менее полное выщелачивание металлов руд из содержащих их изверженных пород или их дериватов, подобно тому как выщелачивается отложенный в воде вулканический пепел поровыми водами.

2) Непосредственное истечение вулканических продуктов в море, т. е. выщелачивание или распределение металлов в газовой фазе во время сегрегации магмы и последующий прорыв этой газовой фазы к морскому дну.

Более полное сравнение содержаний металлов в породах возможного источника с содержаниями металлов в рудных месторождениях было выполнено Исихарой и Терасимой на месторождениях Куроко. Они расчленили породы фундамента района развития зеленых туфов на четыре пояса (рис. 83,а) и подсчитали средние содержания металлов в каждом поясе, основываясь на средних содержаниях металлов и относительной обогащенности всех основных литологических типов. Затем они сравнили средние содержания металлов в фундаменте с содержаниями и отношениями этих металлов в вышележащих залежах Куроко (рис. 83,6). Они установили, что подавляющая часть сульфидной минерализации Куроко приурочена к площадям, где фундамент сложен преимущественно осадочными породами, тогда как месторождения сульфатов кальция преобладают в тех районах, где фундамент образован главным образом гранитными породами. По данным этих авторов, содержания и отношения металлов в породах фундамента в целом коррелируются с соответствующими величинами в вышезалегающих месторождениях (рис. 83,б). Эти наблюдения привели Исихару и Терасиму к выводу о наличии связи между содержаниями металлов в породах фундамента и в рудах, однако они не уточнили характер данной связи. Рис. 83,б представляет собой диаграмму Cu—Zn—Pb, построенную, по существу, на тех же данных, что и использованные на рис. 83,6. Эти данные показывают, что, пожалуй, за исключением пояса Нортерн-Китаками (NK), корреляция между отношениями металлов на месторождениях Куроко и соответствующими отношениями в подстилающих их породах является не совсем прямой.

Связь между химическим составом рудных залежей и литологией подстилающих пород можно проследить и в других районах. Ряд авторов пришли к заключению (Лайдон и Ходжсон, в печати), что наблюдающиеся соотношения могут быть обусловлены взаимодействием между рудообразующими растворами и породообразующими минералами гидротермального резервуара. По их мнению, состав и зональность рудных залежей можно объяснить наилучшим образом, если предположить, что главнейшие рудные элементы достигали насыщения по отношению к рудным минералам в зоне резервуара. Это в свою очередь означало бы, что относительные количества главнейших металлов руд определялись температурой, соленостью, pH, PО2 и PS2 гидротермальных растворов в зоне их источника. Три последних химических параметра определяются равновесием между раствором и породообразующими минералами гидротермального резервуара. Следовательно, корреляция существует между химизмом рудной залежи и литологией пород резервуара. В качестве подтверждения такой корреляции ссылаются на тот факт, что медно-цинковые колчеданные залежи перекрывают мафические вулканические породы и их дериваты, тогда как цинково-свинцово-медные залежи располагаются преимущественно над кислыми вулканическими и/или осадочными породами.

Способность соленых водных растворов выщелачивать металлы из пород была подтверждена как лабораторными, так и полевыми наблюдениями. Эллис показал, что при температурах 400 °С и выше 2M- и 4М-натриевые хлоридные растворы выщелачивают более 80% меди и свинца из измельченных андезитов и глинистых сланцев; в то же время растворы становятся высококонцентрированными по отношению к железу и марганцу. Бишофф и Диксон пришли к заключению, что при 200 °C железо, марганец, медь и никель в ходе взаимодействия между базальтом и морской водой переходили в раствор. Хайяш установил, что в ходе эксперимента при взаимодействии морской воды с базальтом при отношении вода : порода, равном 1 : 1, и температуре 400 °C медь в растворе достигает концентрации до 0,3 млн-1. По данным Зейфрида и Бишоффа, в экспериментальных условиях при взаимодействии морской воды с базальтом при 280 °C и отношении вода : порода, равном 50 : 1, концентрация железа достигает 45 млн-1, марганца — 20, цинка — 1—2 и меди 0,38 млн-1. По этим результатам можно было бы предположить, что большая часть цинка и меди была мобилизована из базальтов. Мотл и Холланд, Моттл и др. провели эксперимент по реакции базальта с морской водой при отношениях вода : порода, колеблющихся от 1 : 1 до 3 : 1, и температурах от 200 до 500 °С. Они установили, что железо, марганец и барий выщелачиваются из базальта в существенных количествах (до 1600 млн-1 железа, 290 млн-1 марганца и 8 млн-1 бария в выщелачивающем растворе при 500 °C и отношении вода : порода 1:1; эти величины уменьшаются примерно на один порядок при снижении температуры на каждые 100 °С). По меди, цинку и свинцу их данные оказались менее точными, поскольку концентрации этих металлов в растворе были ниже соответствующих аналитических порогов чувствительности. Тем не менее вышеупомянутые авторы нашли, что в тех порциях измельченной породы, которые оказались непосредственно в зоне взаимодействия с раствором, медь в ходе эксперимента была выщелочена почти целиком.

Изучая природные изменения базальта, Корлисс пришел к выводу, что ядра отдельных «подушек» обеднены марганцем, медью и свинцом, а также другими элементами по сравнению с их стекловатыми периферийными зонами. Он приписывал это выщелачиванию более летучих компонентов начальной базальтовой магмы (эти компоненты концентрировались в остаточном расплаве и, следовательно, занимали межгранулярные промежутки или участки с ослабленными связями в полностью раскристаллизованных внутренних ядрах «подушек») морской водой, просачивавшейся по трещинам сжатия. Он полагал, что такие жидкие фазы, образовавшиеся в результате выщелачивания, являлись потенциально рудообразующими растворами. Кейс и Скотт установили, что кристаллические ядра подушечных базальтов по сравнению с их периферическими краевыми частями обеднены золотом, серебром и серой; по их мнению, эти центральные части выщелачивались в процессе низкотемпературных изменений базальтов под воздействием морской воды. Хамфрис и Томсон проанализировали серию образцов базальтов, в различной мере измененных морской водой, и установили, что содержания марганца, бария и меди (цинк и свинец не анализировались) обнаруживают значительные вариации в зависимости от характера измененных базальтов; это указывает, что при взаимодействии морская вода — базальт данные элементы были мобильными. Однако последующее осаждение или захват металлов вторичными силикатными минералами замаскировало начальную картину выщелачивания.

Вероятно, наиболее убедительным свидетельством способности природных гидротермальных систем выщелачивать большие количества рудообразующих металлов из пород, достаточные для создания высоких концентраций этих металлов в гидротермальном растворе, способном образовать рудные месторождения, являются данные по прямому определению состава некоторых природных гидротермальных растворов. Особенно хорошими примерами могут служить геотермальные рассолы Солтон-Си и рассолы нефтеносного поля центральной Миссисипи, поскольку концентрации металлов в этих рассолах достигают нескольких сотен миллионных долей, а отсутствие в обоих случаях признаков магматической активности, по-видимому, исключает какое-либо участие магматического источника металлов.

Граф использовал треки редкоземельных элементов для определения источника рудообразующих растворов и последовательности гидротермального процесса, приведших к образованию месторождения Батерст, Нью-Брансуик, Канада. Он показал, что распределение редкоземельных элементов как в сульфидных рудах, так и в железистых окисных рудах определялось их распределением в минералообразующих растворах (в противовес фракционированию различных редкоземельных элементов и их распределению но разным минералам-хозяевам в процессе рудоотложения). Более того, учитывая, что распределение редкоземельных элементов отличается от такового в морской воде, Граф сделал вывод, что химизм минералообразующих растворов был обусловлен взаимодействием вода — порода. Основываясь на этих допущениях и сравнив отношения Eu/Sm в рудах и ассоциирующихся с ними типах пород, он пришел к следующим выводам: химизм растворов изменялся во времени; богатая железом и медью часть залежей осаждалась из растворов, выщелачивающих преимущественно вулканическое стекло и железомагнезиальные минералы; богатые свинцом, цинком (и иногда барием) части месторождения осаждались из растворов, выщелачивавших полевые шпаты; железистые вулканиты отлагались из менее концентрированных рассолов, обменивавшихся редкоземельными элементами сo слабо измененными вулканическими породами.

Как это было отмечено, например, Гичардсом и ранее в настоящем обзоре, вариации изотопного состава свинца являются наилучшим средством для выявления возможных генетических соотношений между рудами и породами. Поскольку подходящее моделирование данных по изотопам свинца может явиться путеводной нитью как для более надежного определения первичного происхождения свинца, так и для его прямого источника, требуются данные по изотопным составам свинца возможных источников, скорректированные на возраст минерализации. Данные по изотопам свинца были использованы для того, чтобы показать, что в некоторых типах месторождений, включая меднопорфировый и долины Миссисипи, свинец поступал непосредственно из подстилающего фундамента или окружающих осадочных пород. Однако отсутствие данных по изотопному составу свинца из возможных материнских пород для колчеданных месторождений не позволяет сделать какие-либо выводы относительно непосредственного источника свинца.

Например, изучение изотопов свинца из ордовикских месторождений Батерст, Нью-Брансуик, показало, что первичными источниками рудного свинца были породы возрастом 1300 млн. лет. Хотя модель не позволяет установить, откуда поступал свинец: непосредственно из гренвиллского фундамента или из ордовикских осадков, образовавшихся за счет гренвиллского фундамента, — она указывает, что свинец поступил из верхней части земной коры, но не из мантии. Поскольку месторождения двух пространственно разобщенных вулканических центров района Батерст могут быть индивидуализированы по своим изотопам свинца, наиболее вероятная интерпретация состоит в том, что свинец поступал из локальных, несколько различающихся по составу источников, что могло бы быть возможным в подстилающей ордовикской вулканогенно-осадочной толще. О подобного рода недавно проведенных исследованиях архейских месторождений Канады уже упоминалось в части 1.

Используя данные предложенного ими плюмботектонического синтеза, До и Зартман пришли к выводу, что свинец месторождений Куроко мог поступать из континентального материала или представляет собой смесь свинца пелагических осадков с континентальным свинцом. Это противоречит заключению Тацумото и Сато (см. ниже) о тесной связи рудного свинца со свинцом изверженных пород и о его поступлении, хотя бы частичном, из мантии. Кроме того, в случае кипрских месторождений, которые располагаются только над изверженными породами в обстановке океанического хребта, данные До и Зартмана свидетельствуют о том, что свинец был прямо или косвенно заимствован из мантийного источника. Таким образом, как бы ни интерпретировать данные по изотопам свинца, можно сделать вывод, что свинец и, вероятно, другие металлы руд колчеданных месторождений скорее поступали из нижележащих пород, чем из мантии.

Возможно, самый прямой путь определения, являлась ли колонна подстилающих пород поставщиком рудообразующих металлов, заключается в идентификации зон гидротермального резервуара и подсчете дефицита рудообразующих металлов в породах источника. Было высказано предположение, что модель конвекционной системы требует извлечения из пород источника 10—20 млн-1 суммарной концентрации металлов. Мак-Гиен и Мак-Лин в ходе одного из немногих исследований, потребовавшего идентификации и опробования пород резервуара рудообразующей гидротермальной системы, охарактеризовали минералогические и химические изменения в породах, подстилающих месторождение Гарон-Лейк района Маттагами. Основываясь на подобранных наиболее соответствующих регрессионных кривых концентраций главных и примесных элементов с использованием SiO2 в качестве независимой переменной, Мак-Гиен сделал вывод о конгруэнтном выщелачивании железа, марганца и титана из базальтов под риолитами Гарон-Лейк. В течение ранней стадии процесса выщелачивания медь экстрагировалась предпочтительнее цинка, однако в целом цинка было выщелочено больше (2 млн-1 на 1 % добавки SiO2), чем меди (1 млн-1 на 1% добавки SiO2). Мак-Гиен и Мак-Лин подсчитали, что при средней величине добавочной SiO2, равной 5%, для обеспечения месторождения Гарон-Лейк требуемыми количествами цинка и меди (451 000 т руды с содержанием 3,59% цинка и 1,83% меди) должны быть выщелочены лишь 0,6 км3 базальтов лежачего бока. Предполагалось, что кремнезем выщелачивался из базальтов близ остывавших зон разгрузки геотермальной системы и осаждался в более горячих частях этой системы при подъеме температуры выше 350 °С; растворимость кварца уменьшалась, как только раствор достигал своей критической кривой. Харриган и Мак-Лин, Мак-Гиен и Мак-Лин рассматривали кварц-эпидотовые жилы и прожилки в базальтах как основные подводящие каналы для проходящего сквозь породу флюида. Интересно отметить, что кварц-эпидотовые жилы и прожилки ниже рудных залежей на Кипре дают температуру по изотопам кислорода от 320 до 400 °C; это может рассматриваться как подтверждение такой интерпретации изменений пород района Маттагами.

Обширная силицификация с выносом магния, титана и цинка была описана Гибсоном для верхней части формации риолитов Амулет, образующей лежачий бок месторождения Милленбах. Гибсон связывал эти изменения с уменьшением растворимости кремнезема в гидротермальных растворах, что предшествовало главному моменту рудоотложения, поскольку растворы охлаждались во время разрядки в широком районе. Он рассматривал наличие широко распространенных полупроницаемых пород лежачего бока, образовавшихся при осаждении кремнезема, как существенный элемент развития более высокотемпературной рудообразующей гидротермальной системы ниже полупроницаемой покрышки пород. При последующей разгрузке растворов вдоль локальных трещин в силицифицированных породах покрышки сформировались рудные тела.

Литогеохимическое исследование пояса Абитиби в региональном масштабе было проведено Солуком и др. Используя регрессионные кривые для главных и примесных элементов с SiO2 как независимой переменной и подсчитав разность путем вычитания стандартной величины, принятой для района Норанды, они выявили крупномасштабные литогеохимические аномалии, связанные с известными сульфидными месторождениями. По их мнению, литогеохимический характер пород с содержанием SiO2 > 64% может быть объяснен метасоматическими процессами, происходившими в подводном геотермальном поле, где породы вначале обогащались железом, цинком и марганцем (заимствованы из подстилающих мафических пород) и обеднялись натрием в течение стадии девитрификации. Позднее, в стадию, синхронную с рудоотложением, из этих пород выщелачивались натрий, кальций, цинк и марганец.

Данные, полученные при изучении измененных пород в поле Абитиби, равно как и в других районах, наводят на мысль, что по крайней мере под некоторыми колчеданными месторождениями имеются обширные поля развития гидротермально измененных пород. Однако существуют расхождения во мнениях относительно генетической связи таких протяженных по латерали и стратиграфически контролируемых зон измененных пород с описываемыми месторождениями.

В целом данные по стабильным и радиогенным изотопам, отношениям металлов в залежах, связи химизма месторождений с подстилающими типами пород, соотношениям широко распространенных литогеохимических аномалий лежачего бока, а также аналогия с современными гидротермальными системами и лабораторные исследования подтверждают гипотезу, согласно которой металлы колчеданных месторождений вулканической ассоциации были получены за счет выщелачивания участков колонны подстилающих пород. Однако нельзя считать, что сведения, которыми мы располагаем в настоящее время, можно считать безусловным подтверждением этой гипотезы.

Сера. Эндрюс показал, что в ходе взаимодействия морской воды с базальтом в условиях низких температур на современном океаническом дне из породы выщелачивается от 50 до 60% первичномагматических сульфидов. Следовательно, исходя из высокой мобильности серы в процессе-гидротермального выщелачивания, можно ожидать, что плодотворным направлением исследований было бы изучение корреляции между изотопами серы руд и вероятных материнских пород. Однако, как и в случае свинца, при наличии многочисленных данных по самим рудным телам было проведено очень мало исследований изотопов серы пород — возможного источника для образования месторождений.

Одно из наиболее полных исследований изотопов серы колчеданных месторождений и окружающих их пород проведено Таппером на месторождениях Батерст, Нью-Брансуик. Он определил изотопный состав серы и свинца из руд месторождений и из отдельных образцов вмещающих пород. По мнению этого автора, месторождения могут иметь либо осадочное сингенетично-пластовое, либо магматически-гидротермальное происхождение. Основываясь на своих наблюдениях, которые показали, что как для отдельных залежей, так и для их групп существует узкий диапазон колебаний изотопных отношений, Таппер пришел к выводу, что сера была заимствована из гомогенного источника. Хотя он отмечал, что воды глубокой циркуляции должны иметь такой же эффект гомогенизации, как и коровые магмы, поскольку модельные свинцовые возрасты месторождений (370 ± 10 млн. лет) очень близки к значениям, полученным калий-аргоновым методом для гранитов, прорывающих вмещающие месторождения породы (от 364 ± 15 млн. лет до 398 ± 12 млн. лет), Таппер пришел к выводу, что и граниты, и руда образовались в течение единой фазы орогенеза, и, следовательно, для месторождений наиболее вероятным является магматически-гидротермальное происхождение. Он отрицал сингенетическое происхождение месторождений, поскольку осадочный пирит, взятый примерно из того же самого стратиграфического горизонта, что и массивные сульфиды, показал значительно больший разброс отношений изотопов серы и оказался гораздо более обогащенным 32S, чем сульфиды из руд, которые, если допустить, что они также были осадочными, должны были бы обнаружить аналогичную картину распределения изотопов, наблюдаемую в осадочном пирите. Из-за этих различий в распределении изотопов серы Таппер прошел мимо идеи о том, что такие горизонты с осадочными сульфидами могли бы служить источником серы при образовании руд. К сожалению, он не опробовал вулканические и подстилающие осадочные породы. Вместе с тем Таппер не был полностью удовлетворен предложенным им вариантом, предусматривающим возможное магматически-гидротермальное происхождение руд, особенно потому, что месторождения обогащены 34S по сравнению с местными плутоническими изверженными породами (b34S колеблется от 0,45 до 4,98%) и что, по-видимому, существует пространственная зональность в распределении средних величин b34S на каждом месторождении. Он полагал, что вместо единого для всех месторождений точечного источника серы существовало несколько локальных источников (небольшие штоки или купола, связанные с главным гранитным батолитом) и что магматическая сера загрязнялась, захватывая тяжелую серу из другого источника, или постоянно фракционировалась в ходе процессов переноса или отложения.

Пересмотр данных Таппера в сочетании с материалами Ласка и Дечова показывает, что месторождения можно разделить на две группы (рис. 84), соответствующие двум вулканическим центрам, выявленным Хельмстедтом, и, как указывалось ранее, двум группам, выделенным по данным изучения изотопных составов свинца. Это предполагает, что представления о локализации и перемещении в пространстве источника серы согласуются с гипотезой о выносе серы из колонны нижележащих, пород.

Такой вывод приложим и к другим группам колчеданных месторождений. Лайдон (готовится к печати) утверждает, что физико-химические процессы, играющие важную контролирующую роль в разделении изотопов серы (температура, pH, PO2)) преимущественно определяют и дифференцированное осаждение сульфидов меди и цинка. На рис. 84 показана зависимость суммарной величины отношения Cu/Zn от среднего отношения изотопов серы в массивных рудах из различных колчеданных месторождений. Фигуративные точки месторождений из одного и того же рудного района или одного геологического пояса имеют тенденцию локализоваться вдоль линии тренда с положительным наклоном; это свидетельствует о том, что чем выше отношение Cu/Zn, тем тяжелее изотопный состав серы месторождения. На диаграмме месторождения отчетливо разделяются на две группы: медно-цинковую и цинково-свинцово-медную. Тренды фигуративных точек первых месторождений, встречающихся преимущественно в толщах, сложенных мафическими породами, близки к точке метеоритного стандарта. С другой стороны, месторождения цинково-свинцово-медного типа, имеющие тенденцию к залеганию над толщами, сложенными преимущественно осадочными породами и кислыми вулканитами, значительно больше обогащены 34S. Возраст месторождений и, следовательно, характерные для того времени факторы, такие, как изотопный состав серы морской воды, по-видимому, не оказывали заметного влияния на изотопный состав серы месторождений. Например, месторождения Батерст и месторождения Норвегии, хотя и имеют приблизительно одинаковый возраст, обнаруживают отчетливо различающиеся интервалы колебаний отношений изотопов серы (рис. 84). Однако фигуративные точки меловых месторождений Кипра, ордовикских каледонских месторождений Норвегии и месторождений архейского пояса Абитиби, несмотря на большие различия в возрасте этих месторождений, все локализуются вдоль одного и того же тренда. Это говорит о том, что преобладающее влияние на изотопный состав серы месторождений оказывали породы лежачего бока, являвшиеся, вероятно, главным источником серы при рудообразовании.

Рипли и Омото пришли к заключению, что по крайней мере частично сера рудника Раул, Перу, была заимствована из толщи подстилающих пород. Хотя изотопные составы серы в выделяемых ими пачках II, III и IV согласуются с популярными ныне представлениями о процессе неорганического восстановления сульфатов морской воды, Рипли и Омото объясняли наблюдавшиеся отношения изотопов серы в пачке V тем, что по крайней мере часть серы поступила из нижележащих пород.