Гидротермальные месторождения

Гидротермальными называются месторождения, образованные газово-жидкими рудоносными растворами, магматического или иного происхождение. Источниками рудоносных гидротермальных растворов, кроме магматических очагов, могут быть морские или подземные воды, которые попадают в магматические камеры или нагреваются вблизи них и обогащаются металлами и другими компонентами. Подобные растворы могут возникать также в глубинных зонах земной коры при метаморфизме.

Промышленную значимость месторождений этого генетического типа трудно переоценить. К нему относятся месторождений большинства металлов (Мо, W, Sn, Cu, U, Au, Ag, Pb, Zn, Hg, Sb, As и др.) и некоторых неметаллических полезных ископаемых (тальк, асбест, магнезит, флюорит), что будет показано ниже при рассмотрении подтипов гидротермальных месторождений.

Геологические особенности и условия образования.Рассматриваемые месторождения образуются во всех геотектонических областях, но наиболее часто в складчатых поясах, на щитах платформ. Геодинамические обстановки их формирования: зоны спрединга в срединноокеанических хребтах, зоны субдукции, внутриплитные зоны активизации.

Месторождения связаны с магмой разного состава, однако наибольшее их количество имеет парагенетическую связь с магматическими комплексами кислого, среднего и щелочного состава (граниты, диориты, гранодиориты, сиениты, риолиты, андезиты). Месторождения, образующиеся на платформах, связаны с габброидами, например, железорудные месторождения Сибирской платформы. Парагенетическая связь предусматривает единство магматического очага для рудных и магматических тел данного рудного поля. В большинстве случаев выражением такой связи является ассоциация оруденения с дайками, малыми интрузивами (штоки, лакколиты) или различными вулканическими постройками (жерловины, некки, диатремы, вулканические потоки). Рудные тела могут располагаться в пределах магматических пород, в непсредственной близости от них или на значительном удалении без видимой связи с интрузивами.

Следует отметить, что многие исследователи часто разделяют гидротермальные месторождения на плутоногенные, связанные с интрузивным магматизмом, и вулканогенные, образованные из вулканических очагов. Однако во многих случаях такое деление является весьма условным, т.к. рассматриваемые месторождения часто парагенетически связаны с вулкано-плутоническими и гипабиссальными комплексами, что затрудняет их разделение на две указанные группы.

Глубины образования гидротермальных месторождений колеблются от 0,2 до 5 км; выделяются глубинные, среднеглубинные и малоглубинные (приповерхносные) месторождения.

Для многих гидротермальных месторождений характерна зональность. Она проявляется в закономерном распределении минеральных ассоциаций относительно таких геологических элементов рудного поля, как разрывные нарушения, определенные разности горных пород, интрузивные тела. Кроме того, зональность может быть обусловлена стадийностью поступления рудоносных растворов, последовательно выделяющихся из очага. Как правило, более высокотемпературные ассоциации (кварц-турмалиновая) находятся вблизи интрузивных тел, а среднетемпературные (кварц-сульфидная галенит-сфалеритовая и др.) и низкотемпературные (кварц-антимонитовая и др.) отлагаются на удалении от таких интрузивов.

Тектонические процессы и образованные ими структурные формы являются важнейшими факторами формирования и строения гидротермальных месторождений. Смена процессов сжатия и растяжения определяет перемещение рудоносных растворов и отложение минералов. Формы рудных тел зависят от форм и строения вмещающих их складок, разломов и магматических тел. Кроме того, на морфологию рудных тел влияют состав и залегание вмещающих пород. Процесс рудоотложения происходит наиболее интенсивно в химически активных толщах, например в известняках, песчаниках с карбонатным цементом. Кроме того, осадителем для рудных минералов является органическое вещество, находящееся в породах, сера, железо и другие компоненты. Совокупность структурных элементов, определяющих залегание и строение рудных объектов, называется структурой рудного поля. Выделяются три группы структур рудных полей: пликативные (складчатые), дизъюнктивные (разрывные) и инъективные (обусловленные магматогенными структурами); они разделяются на ряд типов и подтипов [4].

Формы рудных тел, определяющиеся указанными причинами, характеризуются большим разнообразием. Широко распространены простые и сложные жилы и жильные зоны (рис. 42), штокверки, обусловленные разломами и трещинами.

В благоприятных по составу породах или на контактах толщ образуются крупные пластовые и пластообразные залежи (рис. 43, 44). Встречаются рудные линзы, гнезда, а также столбообразные тела, локализующиеся на пересечениях разломов или в различных вулканических постройках. Характерной особенностью гидротермальных рудных тел является часто встречающееся неравномерное распределение полезных компонентов. Обогащенные ими участки или участки рудных тел с увеличенной мощностью называются рудными столбами (рис. 45). Они могут образоваться на пересечениях разломами благоприятных пород или в разломных узлах (пересечениях, разветвлениях, изгибах разрывов).

Наличие рудных столбов, а также условия залегания тел полезных ископаемых, имеют особое значение при эксплуатации гидротермальных месторождений. По залеганию относительно горизонта различают горизонтальные, полого-, крутопадающие и вертикальные рудные тела. По характеру залегания во вмещающих толщах выделяются согласные, секущие и согласно-секущие тела. Последние контролируются благоприятными по составу толщами пород, которые пересекаются рудовмещающими разломами. В этом случае стволовые жилы, залегающие в разломе, сопровождаются отходящими от них горизонтальными или наклонными пластовыми телами.

Минеральный состав.В вещественном составе гидротермальных месторождений отчетливо выделяются рудная, жильная минерализация и околорудные изменения вмещающих пород. К рудной минерализации относятся минералы рудного тела, являющиеся полезными ископаемыми данного объекта, например, галенит и сфалерит полиметаллического месторождения. Жильная минерализация включает минералы «заполнения» рудного тела, например, кварц и кальцит полиметаллических жил. Околорудные изменения представлены, как правило, минералами, образованными в процессе формирования рудных тел в боковых породах, например зерна кварца, кальцита, слюд и рудных минералов (пирита и др.). Мощность зон околорудноизмененных пород составляет от нескольких сантиметров до десятков, а в отдельных случаях и сотен метров. Нередко вкрапленность рудных минералов бывает значительной (близкой к промышленным содержаниям), и тогда зоны околорудных изменений включаются в контур промышленных руд.

Рудные минералы образуют парагенезисы, т.е. ассоциации минералов, отлагающихся из растворов в определенных интервалах температур и давления. Еще В. Линдгрен в начале прошлого века выделил ряд парагенетических минеральных ассоциаций: 1-касситерит, вольфрамит, шеелит, молибденит; 2-пирротин, пентландит, халькопирит, висмутин; 3-сфалерит, галенит, халькозин, самородные серебро, висмут, золото; 4-антимонит, киноварь и др. Как правило, окислы кристаллизуются в первую очередь, затем сульфиды и арсениды Fe, Ni, Co, сульфиды Pb, Zn, Ag, сульфиды Sb, Hg.

Процесс формирования гидротермальных месторождений обычно многостадийный (3-10 стадий). Наиболее типичны стадии: ранняя безрудная, поздняя безрудная, от одной до пяти рудных, пострудная (см. табл. 8).

Например, для Pb - Zn месторождения Восточная Тинтика в США Т. Ловерингом выделены стадии: 1-ранняя безрудная - превращение известняков в доломиты, хлоритизация пород основного состава, имеющих широкое площадное распространение; 2-средняя безрудная – аргиллизация околорудного пространства; 3-поздняя безрудная - окварцевание с пиритом, халькопиритом, хлоритом, кальцитом; 4-ранняя рудная - кварц, пирит; 5-главная рудная - образование метасоматических тел в известняках, выделение сфалерита, галенита, блеклых руд, золота, халькопирита, барита, кальцита. Порядок отложения минералов можно определить по текстурам руд, рассмотренным выше.

Физико-химические условия и процессы образования месторождений.Гидротермальные растворы, которые переносят и отлагают рудные компоненты, содержат в своем составе H₂O, SiO₂, CO₂, SO₄, O₂, H₂, HCl, F, H₂S, CH₄, металлы и некоторые другие компоненты. Изучение газово-жидких включений в рудах показало, что растворы бывают углисто-карбонатными, сернистыми, хлоритными и др. Кислотность их изменяется в процессе рудообразования – обычно от кислых к щелочным. Умеренно-кислые растворы калиевой специализации производят березитизацию, серицитизацию, калишпатизацию пород, хлоридно-борнокислые растворы образуют кварц-турмалиновые метасоматиты.

Состав гидротермальных растворов определяет условия и возможности растворения и переноса различных металлов. Так, присутствие СО₂ повышает растворимость окиси олова в 25 раз, окиси железа в 4 раза, а растворимость кремнекислоты понижается на 20%.

Температура рудоносных растворов колеблется от 700 до 25 ⁰; наиболее продуктивный интервал 400-100⁰. Замеры температуры газовых струй на Аляске, Камчатке и в других районах дают значения 645-50⁰. Таким образом, процесс гидротермального рудообразования происходит в аномальном тепловом поле. Предполагается, что первоначально рудоносный раствор выделяется в виде газа, затем конденсируется в жидкость. Низкотемпературные (до 200⁰) растворы минерализованы слабо (до 10 % минерального вещества); среднетемпературные (200-350⁰) содержат до 25%, а высокотемпературные (более 350⁰) могут содержать до 50-70% минерального вещества. Для образования среднего месторождения надо 8¹⁰ КДж тепловой энергии.

Давление рудоносных растворов должно быть больше литостатического и зависит от глубин образования месторождений. Оно колеблется в пределах 10-500 МПа; наиболее продуктивный интервал 100-200 МПа. Так, молибденовое месторождение Шахтама (Забайкалье) образовалось при давлении около 110 МПа и при температуре 380-340⁰ .

Формы нахождения и способы переноса металлов изучены еще недостаточно. Предполагается, что это могут быть истинные (ионно-молекулярные) или коллоидные растворы. Последние способны насыщаться сульфидами наиболее интенсивно, хотя являются менее подвижными. Наиболее вероятно, что на больших глубинах эти растворы являются истинными, а ближе к поверхности – коллоидными. Они становятся коллоидными в процессе рудоотложения при пересыщении раствора минеральным веществом. Наиболее высокая растворимость металлов установлена в комплексных соединениях, например, тиосульфатах.

Путями движения растворов являются пустоты различного происхождения: разрывные нарушения (разломы, трещины), поры горных пород. Главными причинами этого движения являются давление парообразующей фазы и тектонические подвижки, отжимающие растворы в полости. Кроме того, как считали в прошлом веке В. Линдгрен, Г.Л. Поспелов и др. исследователи, в определенных условиях (большие давления, высокая химическая активность, переход из газообразного состояния в жидкое) растворы способны «сами прокладывать себе путь». Установлено, что они проникают на сотни метров от подводящих разломов. Важную роль при этом играют процессы инфильтрации и диффузии. В приповерхностной зоне может происходить смешение горячих растворов с подземными водами, понижение их температуры, уменьшение концентрации минеральных веществ и рудоотложение, часто в пластах пористых горных пород.

На отложение минералов из гидротермальных флюидов воздействуют следующие факторы: изменение температуры и давления; переход раствора из газовой фазы в жидкую, из истинного состояния в коллоидное; химические реакции в растворе и реакции растворов с вмещающими породами; прекращение или замедление движения растворов в пластах и разломах.

В зависимости от условий, существовавших в области рудообразования, отложение минералов из растворов осуществляется двумя способами: 1-выполнением открытых полостей, 2-метасоматическим замещением. В первом случае отложение и рост кристаллов происходят в зонах разломов; при этом рудные тела имеют, как правило, четкие границы. При метасоматозе материал вмещающих пород замещается вновь образованными минеральными агрегатами, и границы рудных тел являются постепенными, нечеткими.

Модель формирования и развития гидротермальной системы включает области источника (сбора), транспортировки (сброса) и разгрузки (отложения) гидротермальных растворов (рис. 46).

Температура образования влияет на минеральный состав и другие особенности гидротермальных руд, в связи с чем выделяются три подтипа месторождений: высоко-, средне-, и низкотемпературные.