Геохимия гидротермального процесса презентация

СОВРЕМЕННЫЕ ГИДРОТЕРМЫ
Матричная систематика современных гидротерм (в скобках – примеры вод)

“Черные курильщики". Так были названы на дне рифтов Тихого океана продукты разгрузки сероводородных гидротерм черного цвета. Это конусы диаметром в сотни и высотой в десятки метров, сложенные полиметаллическими сульфидными рудами. Последние образуются на геохимическом барьере – контакте горячих сульфидных терм (до 350оС) с холодной (около 2оС) морской водой.
Известные сульфидные месторождения о.Кипр (массив Тродоос, сложенный офиолитами - былой океанической корой позднемелового возраста) оказались полными аналогами черных курильщиков дна Тихого океана.
Формирование «Черных курильщиков» происходит по модели рециклинга: холодные океанические воды погружаются на глубину по порам и трещинам в океанической коре. Далее нагреваются и разгружаются в виде гидротерм, попутно выщелачивая рудные компоненты из боковых пород.

СТРОЕНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ.
Л.Н.Овчинников подразделил гидротермальную систему рудного месторождения на три области: мобилизации металлов и возникновения растворов (т.е. зону выщелачивания), движения растворов (транзита) и рудоотложения. Последняя расположена в верхней части литосферы и представляет собой геохимический барьер.
Представления о двух первых во многом носят гипотетический характер. В последние годы мощные зоны выщелачивания металлов выявлены на некоторых гидротермальных месторождениях.
Значительно лучше изучена область рудоотложения. Г.Л.Поспелов разделил ее на 3 зоны: 1) зону ввода растворов, 2) рабочую зону, т.е. геохимический барьер, и 3) дренажную зону (вывода).
Модель гидротермальной системы порфирового месторождения
Модель гидротермальной системы эпитермального месторождения

В каждой рудоносной гидротермальной системе следует различать рудное тело и первичный геохимический ореол, в котором концентрация элементов не достигает кондиций. По Л.Н.Овчинникову, запасы элементов-спутников в ореолах всегда больше, чем в рудных телах. Нередко и по запасам главных рудных элементов ореолы не уступают рудным телам.
Согласно Л.Н.Овчинникову и С.В.Григоряну, различные по составу, происхождению и геологическим условиям формирования сульфидные месторождения сопровождаются однотипными ореолами главных элементов-индикаторов.
Так, для медных, свинцово-цинковых, золоторудных, вольфрамовых, молибденовых, медно-висмутовых, урановых, оловянных, ртутных и других месторождений вертикальная зональность элементов в ореолах существенно одинакова. От надрудных сечений к подрудным обобщенный ряд зональности имеет следующий вид:
Sb - As - Ba - Ag - Pb - Zn - Cu - Bi - W - Mo - Sn - Co - Ni – Be
Практическое значение зональности: на ее основе при геохимических поисках определяют уровень эрозионного среза, отделяют надрудную часть месторождения от подрудной, т.е. оценивают перспективы геохимических аномалий.
Таким образом, рудную залежь можно разделить на следующие части:
рудные тела;
первичные ореолы (обычные и субфоновые);
необогащенные метасоматиты.

ОСНОВНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО РУДООБРАЗОВАНИЯ
Типичные элементы гидротермальных руд занимают определенное поле периодической системы Менделеева. Для них характерны ионы с 18-электронной оболочкой, преобладание четных элементов над четными (60 и 40 %). Многие элементы имеют сильное сродство к S (халькофилы), низкие кларки (обычно ниже 1*10-2 %), двухвалентны, ионы средних размеров.
Последовательность кристаллизации халькофилов выдерживается с замечательным постоянством и характеризуется уменьшением валентности, постепенной сменой четных элементов нечетными.
Изучение элементов-примесей имеет важное практическое значение. Например, более 95 % Сu в мире добывается из халькопирита (CuFeS2), в котором установлены повышенные содержания Re, In, Se, Te, Ge, Au, Ni, Co, Ag, Cd, Tl, As, Sb, Pt, Pd, Rh и других элементов. Стоимость элементов-спутников в некоторых рудах в два-три раза превышает стоимость самой Сu. Вместе с тем нередко из руд извлекается только Cu.

ЭЛЕМЕНТЫ-ПРИМЕСИ
Многие минералы гидротермальных руд богаты элементами-примесями, закономерности парагенных ассоциаций которых в значительной степени объясняются изоморфизмом.
Некоторые изоморфные пары:
1. В сульфидах
Cd2+-Zn2+ Pb2+-Tl+ Fe2+-Tl+
Cd2+-Pb2+ Pb2+-Tl3+ Ga3+-Zn2+
Cu2+-Fe2+ Pb4+-Tl+ Ge2+-Zn2+
Cu2+-Ni2+ Pb4+-Tl3+ Ge4+-Fe3+
Cu2+-Zn2+ Pb2+-Ag+ Ge4+-As5+
Cu+-Fe2+ Sb3+-Bi3+ Hg2+-Zn2+
Cu+-Ni2+ Sb3+-Bi5+ In3+-Ga3+
Cu+-Zn2+ Sb5+-Bi3+ In3+-In2+
Fe2+-Ni2+ Fe2+-Cd2+ In3+-Hg2+
Fe2+-Zn2+ In3+-Fe3+ Fe3+-Ge4+
Fe2+-Cu+ Mo4+-Re4+
Fe3+-In3+
Fe2+-Ga3+
2. В касситерите и других кислородных минералах, в самородных элементах
Ga3+-Sn4+ Mo6+-W6+ In3+-Sn2+
Ba2+-Sr2+ In3+-Sn4+ Pb2+-Ba2+
Th4+-U4+ Ag-Au

Средние содержания элементов-примесей в рудных минералах (минеральные кларки).
В числителе – массовые проценты (n⋅10-4), в знаменателе – кларк концентрации*

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Наиболее распространенной классификацией, прочно вошедшей в практику горнорудного дела уже более полувека и используемой многими геологами, в настоящее время является систематика В. Лингрена, разделяющая месторождения по температурам и глубине образования на три класса: 1) гипотермальный – большие глубины, высокие давления и температуры (500–300°С); 2) мезотермальный – средние параметры, температуры – 300–200°С и 3) эпитермальный – небольшие глубины и низкие температуры (200–50°С).
Во второй половине XX в. стала разрабатываться новая принятая в настоящее время большинством геологов современная классификация. Она учитывает четыре главных признака: 1) связь с магматическими формациями, 2) состав руд, 3) физико-химические условия образования и 4) геолого-геохимические параметры. В наиболее законченном виде эта систематика была изложена в трудах В.И.Смирнова, который разделил гидротермальные месторождения на три класса: плутоногенный, вулканогенный и амагматогенный.
В настоящее время группу гидротермальных месторождений предлагается разделить на три класса: 1) плутоногенный гранитоидный, 2) вулканогенный андезитоидный и 3) вулканогенный базальтоидный. В отдельный класс выделены колчеданные месторождения ассоциирующие с субмаринной базальт-риолитовой формацией.

Самородные металлы в гидротермальных рудах.
В этих рудах давно были известны самородные Au, Ag, Bi, Te, Sn, Sb, As и некоторые другие элементы, присутствие которых не противоречило физико-химическим параметрам гидротермальных систем.
Однако в последние годы в рудах и гидротермалитах установлены другие самородные металлы, явно неравновесные с условиями среды. Так, М.И.Новгородова обнаружила в золоторудных и некоторых других месторождениях такие "экзотические" самородные металлы, как Al, Zn, Cr, Cd, In, Co, а также карбиды и силициды металлов.

Газово-жидкие (флюидные) включения.
Их исследованием занимается самостоятельное научное направление -термобарогеохимия, которое использует разнообразные методы (термометрия, криометрия, декрепитация, водные вытяжки, различные микроаналитические методы – электронный микрозонд, микрогазовохроматографический анализ, лазеро-спектральный анализ, LA-ICP-MS и др.). Анализ включений поставляет информацию о температуре, давлении и составе гидротермальных растворов.
Концентрация растворов жидких включений колеблется очень сильно - от малоконцентрированных до хлоридных рассолов. Напомним, что для концентрации необходимо, чтобы главные элементы раствора (Na, Cl, K и т.д.) не осаждались на барьере, а рудные - осаждались.
В жидких включениях установлены Cu, Pb, Zn, Mo, Fe, Ni, Co и другие рудные элементы (до 10n-0,0n г/л); рН жидких включений обычно колеблется от 4 до 9 (слабокислая-щелочная область). Жидкие включения содержат и "минералы узники" - галит, сильвин, рутил и др. Газовая фаза включений в основном представлена СО2, но имеются также СO, H2, CH4, NH3, O2, N2 и другие газы.

Формы нахождения металлов в гидротермальных растворах
Этот вопрос привлекает большое внимание. Особое значение придается различным растворимым комплексам, состав которых устанавливается на основе термодинамических расчетов и экспериментов, изучения флюидных включений, анализа формул минералов.
Среди лигандов большое внимание уделяется Cl-, так как многие гидротермы имеют хлоридный состав. Хлор-ион образует растворимые комплексы типа MeCl+ с большинством металлов (Hg, Zn, Pb, Ba и т.д.). К другим лигандам, имеющим важное значение, относятся HS-, CO32-, F-, OH- .
Широко распространены и карбонатные комплексы металлов, устойчивые благодаря огромному содержанию СО2 в растворах.
Однако, следует иметь в виду, что формы миграции одного и того же элемента могут быть разнообразны. При высоких температурах устойчивы многие гидроксокомплексы типа Zn(OH)+, [BeOHF]0, [Be(OH)2F]-, Zn(OH)3-. Экспериментальные данные показывают, что хлоридная форма переноса является господствующей при температурах выше 200°С для Fe, Cu, Zn, Pb, Ag. При низких температурах (до 50–100°С) легко растворимы другие формы соединений, например, гидросульфидные комплексы.

Геохимические барьеры гидротермальных систем
Одним из наиболее сложных и практически важных вопросов геохимии гидротермальных систем служит причина осаждения рудных элементов из растворов, в том числе образование сульфидных руд.
В гидротермальных системах барьеры образуются в результате понижения температуры, давления, смешения глубинных восходящих растворов с водами верхних структурных этажей, влияния вмещающих пород и действия многих других факторов. Могут быть выделены следующие типы барьеров:
Окислительные барьеры А. Характеризуется проявлением окислительной обстановки из-за наличия большого количества свободного кислорода. Интенсивность всех окислительных процессов резко возрастает.
Сероводородные и сульфидные барьеры В. Характеризуются наличием большого количества сероводорода H2S и, как следствие, появлением в водах анионов гидросульфида HS- и сульфида S2. Происходят процессы образования и осаждения нерастворимых сульфидов металлов.
Глеевые барьеры С. Характеризуются сменой окислительной обстановки на восстановительную. Идут процессы восстановления элементов до низших степеней окисления.

Щелочные барьеры D. Формирование щелочных барьеров обусловлено повышением рН кислых растворов. Идут процессы образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов металлов. Один из типов - это рудоотложение при повышении рН кислых растворов, их нейтрализации.
В соответствии с общими законами миграции на них происходит накопление преимущественно катионогенных химических элементов, лучше мигрирующих в кислой среде: Fe, Mn, Ni, Co, Cu, в том числе такие высоко токсичные загрязнители природной среды, как Pb, Cd, Hg, As, U и др.
Кислые барьеры Е. Характеризуются изменением среды в сторону увеличения концентрации ионов водорода (снижение рН среды). Идут процессы образования малорастворимых кислот и солей. В противоположность щелочным барьерам, на них накапливаются не катионогенные, а анионогенные элементы, более активно мигрирующие в условиях щелочной среды. К ним принадлежат Si, Al, Mo, Be, Ga, Sc, Y, Zr, TR и др. Как правило, эти элементы мигрируют в форме растворимых солей щелочных металлов, подвижных в щелочной среде – Na2SiO3, Na2AlO2, Na2MoO4 и др.

Испарительные барьеры F. Характеризуется увеличением концентрации анионов и катионов в растворе вследствие процесса испарения воды. Происходит кристаллизация и осаждение солей из-за уменьшения их растворимости. На этих барьерах концентрируются наиболее растворимые химические элементы. Те, которые подвижны в водах любого химического состава (Na, K, Rb, Cl и др.).
Сорбционные барьеры G. Возникают в тех местах биосферы, где воды соприкасаются с сорбентами - веществами, способными поглощать из растворов газы, ионы и молекулы. Они формируются в результате резкого снижения миграционной способности химических элементов при фильтрации ионных водных растворов или газовых смесей через среды, обладающие повышенной сорбционной способностью. В качестве природных сорбентов обычно выступают почвы, глины, торф, илы и др.
Различаются два вида процессов сорбирования: адсорбция и абсорбция. В первом случае сорбируемое вещество поглощается только поверхностью тела, во втором – всем его объёмом.
Термодинамические барьеры Н. Характеризуются концентрированием химических элементов в результате резкого изменения температуры и давления. Гидротермальные процессы развиваются в широком интервале температур и давления, поэтому термодинамические барьеры играют здесь большую роль.

Источники воды, газов и рудных элементов в гидротермальных системах
В настоящее время, среди магматических различают мантийные источники, связанные с мантией и коровые, обязанные главным образом гранитной магме.
Второй источник - метаморфизм осадочных пород, при котором освобождается поровая, конституционная и кристаллизационная вода глинистых и других минералов.
Третий источник - вмещающие породы, из которых вадозовые термальные воды, выщелачивают рудные элементы. Эти положения в последние годы получают наибольшее признание.
При выяснении источников вод, рудных и сопутствующих элементов важную роль играет изучение изотопного состава Pb, S, C, O и других элементов.
Следует иметь в виду, что в гидротермальных месторождениях возможно сочетание магматического, инфильтрационного и прочих источников вещества.
Так, изучение изотопного состава Pb, S, C и F гидротермальных месторождений Забайкалья показало, что Pb заимствован из осадочных карбонатных пород и гранитов, S имеет ювенильное происхождение, F - эффузивный, С - возможно биогенный.