<<
>>

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РУДООБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ

  Разработка обобщающих геолого-генетических моделей типовых месторождений полезных ископаемых базируется на количественном физико-химическом моделировании отдельных рудообразующих процессов.
Это является новым этапом в познании закономерностей формирования месторождений полезных ископаемых и в совершенствовании теоретических основ прогнозирования и поисков промышленных руд. Успех физико-химического моделирования определяется применением современных достижений физической химии в области равновесий в водных растворах, расплавах, в понимании взаимодействий в многокомпонентных гетерофазных системах, в изучении фракционирования изотопов при таких процессах, термодинамического, физического и математического моделирования с численными расчетами на ЭВМ. Методически построение таких моделей находится ещё на стадии становления, на уровне разработки отдельных элементов генетических моделей, но в дальнейшем можно надеяться на создание типовых интегральных моделей рудных формаций, разнообразных месторождений и научно обоснованного прогноза.

Разработка физико-химических и динамических моделей процессов связана прежде всего с энергетическими характеристиками флюида, с источниками его генерации, с продолжительностью его существования, с начальным содержанием металлов во флюиде и его изменением во времени (В.Н. Анфилогов, В.С. Голубев,

О.С.Глюк, А.В.Зотов, Г.П.Зарайский, А.К. Карпов, Н.И. Сафронов, Г.Р.Колонин, В.Н.Шарапов, А.И. Черепанов, И.В. Вилор, В.А. Жариков, В.С. Урусов, И.Д. Рябчиков, Б.И. Пещевицкий, Ф.А. Летников и др.). Обсуждается термодинамика отделения флюидной фазы при затвердевании магм и формировании гидротермальной системы в эндо- и экзоконтактах интрузивов. Формированию рудных месторождений благоприятствуют гомодромный тип дифференциации магм, в котором по мере их кристаллизации снижается температура ликвидуса из-за накопления щелочей и летучих компонентов.

Насыщение расплава летучими компонентами связано с оттеснением в жидкость растущими кристаллами растворенных в магме газов, что увеличивает давление в системе. После начала кристаллизации локальное парциальное давление летучих компонентов в магме может превысить давление насыщения, благодаря чему начинает отделяться летучая фаза. Термодинамика ретроградного кипения магм в интрузивной камере описывается уравнением: Pg=P(zf-AP2+2o/rP) [Шарапов и др., 1987], где

Pg - суммарное парциальное давление летучих в магме; zf - координата фронта гетерогенной зоны в расплаве; о - поверхностное натяжение в магме;

rP - начальный радиус устойчивого газового пузырька в магме.

Критическое начальное содержание летучей фазы в расплаве при этом определяется по такому неравенству: С2о -fEK Ki(PgZp)1/j =0, где р - плотность магмы; g - ускорение силы тяжести;

С20 - начальное содержание летучего в расплаве;

Pg - коэффициент распределения летучего между расплавом и твердой фазой; fiE - сечение жидкой фазы в конце зоны затвердевания;

Zp - координата начала кипения;

j - показатель степени в уравнении растворимости летучего в расплаве;

Ki - коэффициент пропорциональности.

В работах В.Н.Шарапова можно найти аналитическое решение модели ретроградного кипения. Расчеты показали, что при становлении металлоносных магматических комплексов наблюдается определенная последовательность отделения летучих компонентов от охлаждающихся интрузивных тел: 1) начальный этап, когда отделение флюидов от магм ограничено или его нет; 2) отделение флюидов, обеспечивающих формирование метасоматитов и рудных тел с возникновением руднометасоматической зональности; 3) заключительный этап, когда затухает флюидоотделение. В таких термофлюидодинамических системах по мере их эволюции реализуется флюидная колонна с тремя зонами: 1) адиабатического градиента, где температура мало отличается от температуры флюида в зоне кипения; 2) резкого перепада температуры, когда градиент температуры в средне-верхней зоне больше, чем в нижней зоне; 3) линейного градиента, близкого к начальному во вмещающих интрузив породах.

Расчеты дают основание полагать об ограниченных размерах областей кипения в интрузиях и о непродолжительном времени существования этого источника. Например, для скарновых месторождений железа, золота, полиметаллов размеры высокотемпературной зоны (880-360°С) достигают вертикальной протяженности 5001500 м.

Н.С.Жатнуевым [1998] рассмотрена модель формирования паровых зон в гидротермальных системах и связи с ними процессов рудообразования. По Г. Л. Поспелову [1973] модель гидротермальной системы включает: 1- очаговую водо-газовую зону; 2 - корневую зону стягивания гидротерм; 3 - стволовую зону проточного режима; 4 - зону рассеянного восходящего флюида; 5 - зону рассеяния фильтрующейся термогидроколонны в системе вадозных вод, где характерен режим растекания и разгрузки. В 1971 году Д. Уайтом с коллегами [White e.a., 1971] была предложена модель пародинамических систем, а в 1979 году И.Н.Кигай развил представление о двухфазности гидротерм в рудообразующих системах. В 1998 году Н.С. Жатнуев усовершенствовал схему Г.Л.Поспелова.

В общем виде гидротермальная система может представлять ряд конвективных ячей, не обязательно с центральным восходящим потоком флюидов, осложненных фазовыми переходами флюида на различных уровнях глубинности. Фазовые переходы являются причиной кислотно-щелочной дифференциации флюида, которая перманентно возникает и исчезает вместе с паровыми зонами. С пульсациями паровых зон связано и пульсационное минералообразование на пути следования гидротермальных потоков. Начальные этапы минералообразования характеризуются прогрессивным наступлением температурного фронта, средние - прогрессивным в верхних частях системы и конечные - регрессивной эволюцией во всей системе. Все это связано с гравитационно-конвективным движением разогретого флюида. Наиболее интенсивное минералообразование связано с геохимическими барьерами, сопутствующими паровым зонам. При этом минеральные ассоциации прогрессивного этапа могут замещаться минералами регрессивного этапа. Тогда от минералов прогрессивного (продуктивного) минералообразования сохраняются лишь реликты.

В зависимости от температуры флюидонесущих магм, её объема, глубины локализации, от проницаемости вмещающих пород паровой резервуар магматогенной гидротермальной системы может появляться в магматическом очаге и в приповерхностных условиях. В зависимости от газового и солевого состава гидротермального флюида кривая кипения может занимать различное положение на Р-Т диаграмме.

Высокие концентрации солей способствуют её удалению в область высоких давлений. То есть геохимический барьер, возникающий на границе жидкость-пар, может функционировать не только в приповерхностных условиях, но и на глубинах при достаточно высоких температурах, вплоть до температур солидуса кислых расплавов. Кипение, возникающее на фазовой границе, способствует увеличению концентрации солей в гидротермах, снижению температур раствора за счет теплоты испарения, изменению положения фазовой границы в пространстве и даже схлопыванию паровых зон. Такой периодический, колебательный процесс обеспечивает пульсационный характер минералообразования. Движение флюида следует по проницаемым структурам в форме конвективных потоков. Нисходящие потоки холодных вод, попадая в очаги высокотемпературных гидротермальных систем нагреваются и снова поднимаются вверх. Как показали эксперименты по выщелачиванию вулканических стекол, золото и серебро в фоновом уровне мобилизуются гидротермами до 50% от их исходного содержания, особенно при высоком парциальном давлении кислорода в системе. Более интенсивно процесс ремобилизации металлов протекает в зоне жидкого флюида.

Следовательно, вулканические породы с фоновым содержанием благородных металлов могут являться источником рудного вещества. При взаимодействии с гидротермальным раствором возможен переход Au и Ag в раствор в количестве 50% от их исходного содержания в породе. На границе паровых резервуаров в условиях кипения гидротермального флюида (геохимический барьер) происходит осаждение кварца, выщелачивание и переотложение золота и серебра. Периодическое сжатие и расширение паровых резервуаров являются причинами периодической смены кислотного (в зоне конденсации парового флюида) и щелочного (в зоне кипения у основания паровой зоны) режимов флюида на нейтральный при пространственном сближении зон кипения и конденсации в процессе пульсаций.

Создаются физико-химические основы моделей гидротермального рудообразования (В.А. Алексеев, О.В. Брызгалин, Г.П. Зарайский, Г.Р. Колонин, Г.Б. Наумов, Р.П. Рафальский и др.). Модели включают оценку физико-химических условий формирования руд, околорудных метасоматитов и транспорт рудных компонентов водными растворами. Выполняется термодинамический анализ равновесий применительно к вмещающим породам и рудным минералам. Путем создания новых методов расчета на ЭВМ (например, «Селектор» И.К. Карпова) выполняется моделирование процессов гидротермального рудообразования путем термодинамического анализа равновесий в многокомпонентных и многофазных системах, приближающихся к природным.

В качестве примера приведем результаты расчета взаимодействия аляскитового гранита (при 250°С, состава - микроклин 58,5%, кварц 40,5% поры 1%) с водой, на- сыщеной относительно кварца (рис. 77) [Рафальский и др., 1987]. Скорость возрастания возникавших метасоматических зон пропорциональна пористости породы и скорости фильтрации раствора. При скорости фильтрации 10-6 м/с и пористости 1% она отвечает 0,05 V/год. Время образования метасоматической колонки мощностью 1 м составит 20 тыс. лет. Объем раствора, необходимый для переработки 1 м3 гранита в кварц-мусковитовую породу, составит 610 м . Аналогичная картина получена при воздействии на гранит растворов HCl, первоначально имеющих слабокислую реакцию рН=3. При фильтрации более кислых растворов кварц-мусковитовая зона заменяется кварц-каолинитовой. При этом важнейшей формой переноса большинства халькофильных элементов в высоко-среднетемпературных условиях были хлоридные

комплексы. Важнейшими параметрами, влияющими на растворимость сульфидов, являются температура и рН раствора [Барнс, 1982; Овчинников, Масалович, 1981; Рафальский и др., 1987]. Подобное моделирование осуществляется экспериментальным и расчетным методами.

Рис. 77. Диаграмма lg fO2 - рН,

отражающая условия отложения кварц-

турмалиновой (I) и кварц-касситеритовой

(II) ассоциаций для 350°С и ? S в растворе

103 м (по Т.М. Сущевской и др. ,1987):

1 - границы устойчивости минералов железа; 2 - изолинии отношения СО2/СН4 во флюиде при P = 1 кбар; 3 - изолинии ?SO4/ ?H2S

Для построения              физико

химической модели формирования касситерит-силикатного оруденения Т.М. Сущевская, Б.Н.Рыженко [1984, 1987] использовали такие методы. Химическое изучение флюидных включений в жильном кварце, касситерите. Определение изотопного состава углерода карбонатов и углекислоты включений в минералах. Исследование состава органического вещества, выделенного из основных минеральных ассоциаций. Определение изотопного состава кислорода кварца, касситерита, карбонатов.

Значения fo2, описывающие окислительно-восстановительные системы, расчи-

таны по данным концентраций СО2 и СН4 в растворах включений в минералх, величины 513С и 518О определяли с учетом температурных данных по гомогенизации газово-жидких включений в минералах. В результате была установлена смена более восстановительных условий предрудной стадии минералообразования более окислительными при отложении кварц-касситеритовой ассоциации и вновь более восстановительными при отложении основной массы сульфидов (см. рис. 77).

Результаты исследования изотопного состава углерода карбонатов и СО2 во включениях в минералах показали, что карбонатный углерод из разных минеральных ассоциаций обогащен «легким» изотопом: 513С 2,4...2,2 %о при отложении касситерита и 513С -7,8...-10,2 %о при отложении карбонатов с сульфидами. Изотопный анализ кислорода кварца, касситерита показал, что начало отложения касситерита связано с повышением парциального адвления кислорода lgfo2 при повышении общей карбо- натности рудообразующих растворов. Определяющую роль в изменении рН-Eh условий при отложении кварцево-касситеритовой ассоциации играло изменение соотношения окисленных и восстановленных форм углерода, в том числе при восстановлении сульфатной серы. При отложении сульфидов влияние рН-Eh растворов способствовало созданию более восстановительной обстановки.

Физико-химическое поведение платины и палладия в процессе кристаллизации железо-медно-никелевых сульфидсодержащих расплавов рассмотрено А.В.Перегоедовой [1999]. Эксперименты показали, что в температурном интервале

900-840°С в равновесии с высокотемпературными сульфидными растворами присутствует сульфидный расплав. Установлено, что исходное соотношение Cu/(Fe+Ni+Cu) в кристаллизующейся системе существенно влияет на коэффициенты распределения главных рудных металлов и платиновых элементов. В богатой железом части системы (при содержании Cu до 12 ат.%) никель остается в сульфидном расплаве. С увеличением содержания меди в исходном составе образцов никель начинает интенсивно накапливаться в моносульфидном твердом растворе. Медь при любых температурах и исходных составах всегда накапливается в расплаве.

Исходя из фазовых отношений в области ликвидуса системы Fe-Ni-Cu-S предполагается, что кристаллизация типовых природных медно-никелевых руд происходит по такой схеме: 1) ранняя кристаллизация железистого моносульфидного твердого раствора с закономерным обогащением остаточного сульфидного расплава медью и никелем; 2) образование более никелистого моносульфидного твердого раствора из обогатившегося никелем расплава (на фоне повышения фугитивности серы от -5 при 900°С до -2 и выше при 840°С, в lgfS2).

Изучение поведения платины и палладия на этом этапе рудообразующего процесса показало, что при 900°С в бедных медью образцах, кристаллизующихся в условиях низкой фугитивности серы, коэффициент распределения Pt и Pd между моносульфидным твердым раствором и расплавом очень мал. Для экспериментов при 870-840°С в богатой никелем и медью части сечения Me9S8 в условиях повышенной летучести серы отмечается повышение содержания Pt и Pd в моносульфидном твердом растворе. При кристаллизации максимально медистых расплавов Pt выделяется в виде сульфида Cu Pt2S4, а также совместно с Pd распределяется между моносульфидным твердым раствором и остаточным расплавом, с коэффициентом распределения 0,4.Эти данные в совокупности с вычисленными очень низкими коэффициентами распределения платиноидов между промежуточным и борнитовым твердыми растворами и расплавом (~ 0 для Pt и 0,1 для Pd) свидетельствуют о постепенном накоплении платины и палладия в остаточном расплаве в процессе его фракционной кристаллизации с одновременным выделением платины в виде самостоятельных фаз.

При температуре 760°С в сечении Me9S8 системы Fe-Ni-Cu-S устойчивы фазы: моносульфидный, хизлевудитовый, промежуточный, борнитовый твердые растворы, ваэсит и железо-никелевый сплав (см. рис. 16).

Итак, в центральной части системы Fe-Ni-Cu-S при температурах 900-806°С существует непрерывный ряд твердых растворов между железо-никелевым хизлеву- дитовым и железо-медным промежуточным твердыми растворами тройных систем Fe-Ni- S и Cu-Fe-S. Специфической особенностью физико-химического поведения платины в процессе сульфидного рудообразования является её раннее выделение в виде сплавов FePt и Pt3Fe при кристаллизации высокотемпературных (870°С и выше) обогащенных железом расплавов, либо в виде собственных сульфидов (PtS и CuPt2S4) при кристаллизации более низкотемпературных (870-840°С) обогащенных медью и никелем расплавов в условиях повышенной летучести серы.

В ходе эволюции рудно-магматической системы палладий, в отличие от платины, сначала накапливается в обогащенном медью и никелем остаточном расплаве, затем рассеивается в высокотемпературных сульфидных твердых растворах, а вследствие дальнейших субсолидусных превращений перераспределяется в пентландит или выделяется в виде собственных фаз типа палладиевого хонгшита Pd(Cu, Fe) или высоцкита (Pd, Ni)S.

Привлечение экспериментальных исследований по кристаллизации ЭПГ- содержащих сульфидных расплавов помогает в расшифровке условий формирования природных магматических медно-никелевых систем с платиновыми металлами и золотом. Например, для пентландитов Норильского медно-никелевого месторождения прослеживается положительная корреляция между содержаниями Ni и Pd в его составе, возрастающими при переходе от пирротиновых через пирротин- халькопиритовые к существенно медным халькопиритовым рудам. Аналогичная зависимость содержания Pd в пентландите от состава ассоциации сульфидов главных рудообразующих металлов наблюдалась и в платиноносных рудах расслоенного ба- зит-гипербазитового комплекса Австралии. Там предельно обогащенный палладием (4-5 ат.%) пентландит был установлен в богатых медью рудах в ассоциации с высоц- китом. Бедная же палладием разновидность пентландита присутствует в существенно железистых рудах в ассоциации со сперрилитом (PtAs2). Следовательно, эти экспериментальные данные о формах нахождения платиноидов в сульфидных ассоциациях, можно использовать для реконструкции условий платинового рудообразования на медно-никелевых сульфидных месторождениях магматогенного генезиса.

<< | >>
Источник: А.Ф.Коробейников. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫМОДЕЛИРОВАНИЯМЕСТОРОЖДЕНИЙПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ. 2009

Еще по теме ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РУДООБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ:

  1. Модели мантийных и внутрикоровых рудообразующих систем
  2. Типовые мантийно-коровые модели рудообразующих систем золоторудных полей и месторождений
  3. Физико-химические методы
  4. 5.1. Зональность физико-химических превращений
  5. ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕРЕБРЯНОГО НАНОБИОКОМПОЗИТА
  6. 3.3 Влияние температуры сбраживания на физико-химические свойства арбузного сока
  7. 3.1. Физико-химическое исследование реакции термического разложения ацетата серебра
  8. 1.6 Физико-химические изменения в мясопродуктах в зависимости от способа тепловой обработки
  9. § 3.2.3. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ О ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ Структура системы понятий о химической реакции
  10. ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ РУДНЫХ ПОЛЕЙ И МЕСТОРОЖДЕНИЙ
  11. ГЛАВА XVI ОБ УПОТРЕБЛЕНИИ СИСТЕМ В ФИЗИКЕ
  12. 12. Формирование и развитие систем важнейших химических понятий в курсе химии средней школы
  13. § 3.2.2. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ Значение понятия «химический элемент» в курсе химии средней школы
  14. Модель и документация системы качества
  15. Модель идеальной индустриальной экологической системы
  16. Глава 1. Субъекты права в системе адекватных моделей мира