Геохимическая эволюция процессов рудообразования.

Сопоставление рудных месторождений разного возраста приводит к выводу о неравномерности распределения рудных эндогенных залежей во времени и, более того, к преимущественным эпохам месторождений того или иного элемента.

Эти особенности рудообразования тесно связаны с общими законами эволюции процессов седиментации и вулканизма, поэтому рассмотрим отдельно основные металлы, создававшие свои концентрации в докембрии и фанерозое, часто различного типа в соответствии с меняющимися условиями их появления.

Золото образует наиболее древние залежи из всех известных месторождений полезных ископаемых. Самые крупные из них – Иеллоунайф в Канаде (2600 млн. лет), Колар в Индии (3100 млн. лет), Гранж-Майн в Бразилии. Эти месторождения, связанные с зеленокаменными толщами архея, являются результатом интенсивного изменения основных пород, отличавшихся повышенным содержанием золота. В более юные эпохи, когда появились массовые остаточные месторождения золота в виде россыпей, эндогенные рудопроявления все больше стали ассоциироваться с гранитами, поскольку возникавшие исключительно за счет расплавления земной коры магмы в некоторых случаях обогащались золотом и порождали связанные с ними полиминеральные месторождения.

Железо – элемент, тесно связанный с океаном, в котором оно долгое время играло роль солевого остатка в виде Fe(HCO₃)₂. После усиления роли кислорода в атмосфере и окисления железа до трехвалентного состояния оно выпало в осадок, создав колоссальные залежи в нижнем протерозое (Кривой Рог на Украине, Курская магнитная аномалия в России, Минас Жераис в Бразилии и др.). Одновременно с железом в этот период выпадало большое количество кремнезема, поскольку до того, как возникли радиолярии, губки и другие организмы, потреблявшие кремнезем, его количества в морской воде были значительно большими и садка кремнезема носила такой же хемогенный характер, как и железа.

В дальнейшем появление железорудных скарнов происходило при явном влиянии вмещающих пород, содержавших либо сидеритовые, либо шамозитовые пласты. Однако былого размера рудные залежи в последующие эпохи не достигали.

Месторождения урана можно разделить на две группы: осадочные и гидротермальные. Месторождения ураноносных конгломератов, представляющих собою осадки пролювиальных равнин, которые обогащены органическим веществом, отличались многократным переотложением материала в последующие периоды, поэтому содержат уран в составе сульфидного цемента в виде включений настурана.

В месторождениях Витватерсранда (Африка, 2700 млн. лет) урановое оруденение было ассоциировано с золотом и платиноидами, выступавшими в виде эпигенетической минерализации. Одним из непременных условий образования месторождений подобного типа было существование мощной коры аридного выветривания, предшествовавшей формированию залежей. Иначе говоря, осадочные месторождения урана в нижнем протерозое являются единственной формой его концентрации. Более или менее существенные гидротермальные урановые месторождения аналогичного возраста неизвестны. Более того, первые достаточно крупные урановые месторождения постмагматического типа появились лишь 1900 млн. лет назад. Начиная с этого времени наиболее значимые урановые месторождения оказываются приуроченными к тектоно-магматическим эпохам, отличающимся максимальной активностью в определенных континентах, там, где они проявились особенно интенсивно. Так, например, для Канады характерны месторождения, датированные 1800 млн. лет (Атабаска), для Австралии – 1700 млн. лет (Радиум-Хилл), для Северо-Американской платформы – 1100 млн. лет (Гренвилл), для Африки – 620 млн. лет (Катанга), для Европы – 280 млн. лет (группа герцинских месторождений, Иоахимсталь).

Кроме того, в более древних месторождениях осадочного типа всегда появляется минерализация, связанная с влиянием последующих процессов переотложения, порожденных более поздним магматизмом в этом же регионе. Так, в Витватерсранде это эпоха около 2000 млн. лет. Ряд явно гидротермально-метасоматических месторождений урана также несет на себе следы влияния более древних продуктивных формаций урана, за счет которых они, по-видимому, возникли. Эти продуктивные толщи подвергаются интенсивному воздействию растворов в момент формирования руд более юного возраста. Ярким примером таких залежей являются метасоматические тела месторождения Шинколобве (Центр. Африка) в магнезит-доломитовых породах, возникшие под тектоническими зонами, выполненными брекчиями, сравнительно плохо дренируемыми. Представленные урановой смолкой, молибденитом, сульфидами никеля и кобальта, эти тела размещались в верхнем структурном этаже над залегавшим ниже продуктивным медно-урановым поясом южного Роана.

Исследование всех известных свинцовых месторождений показало, что крупнейшие месторождения свинца начали возникать около 1700 млн. лет назад, при этом почти одновременно в разных частях земного шара. Так, например, месторождение Сулливан в Канаде возникло около 1600 млн. лет назад, месторождение Завар в Индии – около 1500 млн. лет, месторождение Брокен-Хилл в Австралии – около 1700 млн. лет назад. Свинец крупных месторождений накапливался одновременно с осадками. Образование месторождений в подобных продуктивных горизонтах могло происходить в любое более позднее время под влиянием интрузий.

Появление крупных месторождений подобного типа связано с общим моментом осадочной дифференциации земной коры и датируется началом рифея. В дальнейшей истории Земли наряду с теми же способами образования месторождений появляются залежи, обусловленные селективным выносом радиоактивного свинца из пород, приводившим к появлению месторождений многофазного сложного изотопного состава свинца.

Медь явилась также весьма характерным элементом рудных месторождений двух типов – осадочного и магматического, - развитых в различные эпохи. Примером первого типа являются Удоканское месторождение в Забайкалье (2500-1900 млн. лет), Медный пояс в Замбии (600 млн. лет) и Мосабони в Индии (1600 млн. лет). Подобные месторождения отличаются исключительной выдержанностью по простиранию и низкими содержаниями меди. Господствующая теория образования подобных тел указывает на восстановление сульфидов меди из сернокислых растворов в условиях восстановительного прибрежного бассейна, заполненного органическим материалом. В подобном бассейне медь явилась самым первым компонентом, осаждавшимся в виде сульфида.

Магматические рудопроявления меди связаны с интрузиями гипербазитов на северо-востоке Канады, в Чили, Бразилии, Индии, Казахстане. Подобных месторождений сравнительно немного.

Геохронологические данные определенно свидетельствуют о том, что образование металлогенических провинций начинается с накопления осадочной продуктивной толщи. Вероятно, этим объясняется возникновение металлогенических провинций с повышенной распространенностью каких-либо редких элементов (рениевые, германиевые). Причину их появления следует искать в особых климатических и геологических, а также геохимических условиях осадкообразования в период, предшествовавший эндогенному рудообразованию. В дальнейшем, если возникший продуктивный горизонт в процессе последующей магматической деятельности или метаморфизма станет зоной просачивания эндогенных растворов, он может оказаться причиной возникновения рудных тел.

Краткий обзор металлогении лишний раз показывает важность выявленных черт эволюции земной коры, ибо эта эволюция, в первую очередь процессов осадкообразования, глубоко затронула характер распределения в породах рудных элементов. Распределение рудных элементов, в свою очередь, подверглось сильному влиянию развития жизни на Земле. Биосфера вызвала в ряде случаев полную смену условий концентрации отдельных элементов: так, ванадий, ранее накапливавшийся в магматических телах в составе магнетитов и титаномагнетитов, приобрел новую форму концентрации в нефтях и углях; германий, обнаруживаемый в докембрии в составе железистых кварцитов, где он изоморфно замещал двухвалентное железо, стал в фанерозое сам образовывать крупные месторождения в каустобиолитах либо в колчеданных месторождениях явно биогенного генезиса.

Таким образом, рудообразование во многом явилось следствием биологической эволюции нашей планеты, в свою очередь во многом определявшейся растущей асимметрией в геохимическом распределении и накоплении элементов в земной коре со временем.

Чтобы понять ход геохимических явлений в прошлом, необходимо обратиться к изучению в историческом разрезе факторов миграции химических элементов. Как известно, факторы миграции делятся на внутренние, связанные со свойствами атомов и их соединений, и внешние, определяющие обстановку, в которой находятся эти атомы и их соединения.

Действительно, такие важнейшие свойства элементов, как заряды ядер их атомов, валентности и радиусы ионов и атомов, в ходе геологической истории нашей планеты остаются, очевидно, постоянными, что обусловливает и стабильность определяемых ими химических и физических свойств соединений этих элементов. С течением времени меняются, правда, атомные веса радиоактивных и радиогенных элементов, особенно урана, тория, калия, свинца, гелия и аргона, что связано с изменением их изотопного состава, однако эти изменения, как известно, очень слабо отражаются на химических свойствах элементов, в первую очередь, определяющих их способность к миграции.

Следовательно, внутренние факторы миграции химических элементов в ходе геологической истории Земли были в пределах устойчивости этих элементов такими же, какими мы наблюдаем их и сейчас, так как они являются отражением строения атомов, в первую очередь их внешних электронных оболочек, которое для каждого элемента, очевидно, постоянно.

В отличие от внутренних, внешние факторы миграции химических элементов в ходе геологической истории Земли существенно менялись и меняются до сих пор. При этом важно отметить, что некоторые из этих изменений не имеют в ходе геологической истории Земли определенной направленности, меняя как свою величину, так и знак: таковы, например, суточная температура земной поверхности или состав подземных вод, движущихся среди различных пород и обогащающихся то одними, то другими элементами. Однако наряду с подобными изменениями имеются и другие, которые имеют явно полярный, направленный в геологическом времени характер, в результате чего геохимические условия на Земле в различные периоды ее жизни становятся существенно иными.

Эволюция кларков элементов.В настоящее время не подлежит никакому сомнению тот факт, что как абсолютные, так и относительные количества слагающих Землю элементов в ходе ее истории существенно менялись. Эти изменения, с одной стороны, связаны с материальным обменом, существующим между Землей и космосом, с другой стороны, обусловлены процессами внутриядерных превращений, совершенно точно установленных для ряда химических элементов и предполагаемых для других.

Земля обменивается своими химическими элементами с космосом. Это в свое время убедительно обосновал Вернадский. Наша планета получает из космоса химические элементы вместе с метеоритами, метеорной пылью и космическими лучами. Масса вещества, выпадающего сейчас в форме метеоритов, составляет около 4000 т в год. Привнос метеорного вещества на Землю относительно невелик, состав земной коры за счет этого вещества существенно не меняется; но в далеком прошлом эти соотношения были, вероятно, другими, и состав верхних частей Земли должен был относительно быстро существенно меняться. Первичное излучение космических лучей состоит из заряженных частиц – атомных ядер различных химических элементов в основном с малыми порядковыми номерами, главным образом, водорода и гелия, меньше лития, бериллия, бора, углерода, азота и кислорода; еще меньше других более тяжелых элементов (Z>8).

Поток космических лучей за пределами атмосферы оценивается примерно в 10 частиц на 1 см²/мин. Относя всю их массу к протонам, можно подсчитать, что в течение года их масса составит всего лишь около 40 г, т.е. она ничтожно мала по сравнению с массой Земли. Таким образом, количество вещества, поступающего в настоящее время на Землю вместе с метеоритами и космическими лучами, в общем невелико.

Однако идут и прямо противоположные процессы – потеря Землей некоторых наиболее легких газов (водорода и гелия), которые, высвобождаясь при некоторых процессах, происходящих на Земле, поднимаются в высокие слои атмосферы и оттуда под давлением солнечных лучей могут рассеиваться в мировом пространстве. Для гелия этот процесс имеет очень большое значение: являясь инертным легким газом, он не фиксируется на Земле в форме тех или иных минералов и постепенно теряется в мировом пространстве. Этим объясняется ничтожное распространение гелия на нашей планете, несмотря на то, что он постоянно генерируется, являясь устойчивым продуктом многих внутриядерных реакций; подсчитано, что имеющееся на Земле в настоящее время количество гелия составляет примерно лишь около одной тысячной части от того его количества, которое образовалось за время существования Земли в результате одних лишь радиогенных процессов. Свободный водород, нередко являющийся одним из компонентов подземных газовых атмосфер, попадая в надземную атмосферу, быстро поднимается в верхние ее горизонты, откуда может мигрировать в космос.

Что касается других, более тяжелых газообразных элементов и их соединений, то в гравитационном поле Земли они удерживаются гораздо прочнее, чем водород и гелий, а потому уход их в космос маловероятен. Но в древнейшие времена, когда масса Земли была значительно меньше, а температура выше, чем сейчас, потеря ею газообразных компонентов могла проходить гораздо интенсивнее.

Другой путь изменения состава Земли связан с превращением элементов. Особенно ярко это проявляется в радиоактивности. Природные радиоактивные элементы можно разделить на две группы: в первую группу – сильнорадиоактивных элементов – входят ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th с продуктами их распада, а также ⁴⁰К. Ко второй гркппе – слаборадиоактивных элементов – относятся ⁴⁸Ca, ⁸⁷Rb, ⁹⁶Zr, ¹¹³In, ¹¹⁵In, ¹²⁴Sn, ¹³⁰Te, ¹³⁸La, ¹⁴⁷Sm, ¹⁷⁶Lu, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁷Re, ²⁰⁹Bi.

Периоды полураспада радиоактивных элементов первой группы лежат в пределах от 1.4´10¹⁰ лет для Th до 7.1´10⁸ лет для ²³⁵U, т.е за время существования Земли эти элементы успели существенно распасться и перейти в другие стабильные изотопы. За 3 млрд. лет количество ²³⁸U уменьшилось примерно на одну четвертую часть, а количество Th – на несколько процентов.

Что касается элементов второй группы, то периоды их полураспада очень велики (до 1.4´10²¹лет для Те, поэтому изменения количеств этих элементов за время существования Земли было, очевидно, совершенно незначительным.

Таким образом, как абсолютные, так и относительные количества химических элементов на Земле, их кларки в ходе геологической истории, безусловно, менялись. Но, что также очень важно, существенно менялось само распределение элементов в массе Земли – от первоначально равномерного, гомогенного до современного, весьма неравномерного как в вертикальном, так и в горизонтальном разрезе.

Эволюция энергетики Земли.Еще более значительными в ходе эволюции Земли были изменения в ее энергетическом балансе. Источники энергии всех земных процессов делятся на две группы: к первой относятся космические источники, главным образом Солнце, ко второй – тепло земных глубин.

Подавляющее количество энергии поступает на Землю от Солнца – 4.2´10¹⁶кал/сек. Это очень большая величина; для сравнения скажу, что величина теплового потока, идущего из глубин Земли к ее поверхности, составляет лишь около 9´10¹²кал/сек, т.е. равна примерно одной пятитысячной части энергии, поступающей от Солнца.

Что касается энергии Солнца, то есть основания думать, что за время существования Земли она заметным образом не изменилась. Солнечная энергия, как известно, играет существенную роль в гипергенных процессах. Также осуществляется передача ее в глубины Земли в разных формах: аккумулированной организмами, пошедшей на дезинтеграцию вещества горных пород и минералов и, вероятно, захваченной некоторыми кристаллическими решетками в процессе их гипергенной перестройки. Аккумулированная на поверхности Земли энергия Солнца впоследствии при соответствующих геологических процессах может поступить вместе со своим материальным носителем в глубины Земли и там частично освободиться.

В недрах Земли существуют и другие, значительно более мощные источники энергии. Наиболее важным из них оказывается энергия радиоактивного распада. Радиоактивные элементы выделяют 1.35´10¹³кал/сек. Эта цифра близка к величине теплового потока, составляющей 9´10¹²кал/сек, и, таким образом, практически все количество тепла, теряемое глубинами Земли, мы можем отнести за счет выделения тепла радиоактивными элементами.

Но тепло глубин может частично объясняться и другими причинами. Так, определенные количества тепла выделяются в результате дифференциации вещества Земли, следствием чего является погружение на глубину более тяжелых элементов и всплывание вверх более легких. В год при этом выделяется около 1.5´10²⁰кал, что составляет около 30% энергии радиоактивных процессов.

Другим источником энергии глубин является тепло приливного трения, генерируемое Землей при ее вращении в полях притяжения Луны и Солнца, в результате чего вещество Земли претерпевает приливы и отливы, несколько перемещаясь при вращении Земли. Считают, что за время существования Земли под действием этого фактора скорость вращения Земли уменьшилась примерно в 6 раз, что соответствовало выделению суммарного количества тепла в среднем около 4´10²⁰кал/год. Однако основная масса этой энергии связана с приливами и отливами в гидросфере и атмосфере и рассеялась в космическом пространстве, не оказав влияния на тепловой режим глубин Земли. Что касается перемещения твердых масс Земли, то они, по-видимому, тоже выделяли энергию в глубинах Земли, но ее количество, как считают, уступало величине радиогенного тепла.

В глубинах Земли можно предполагать также наличие ряда химических реакций, сопровождающихся выделением тепла, но наряду с ними, вероятно, более широко идут эндотермические реакции, при которых тепло поглощается; можно думать, что при этом приход и расход тепла примерно уравновешиваются. Таким образом, мы приходим к выводу, что важнейшим источником глубинного тепла Земли в настоящее время являются радиогенные процессы.

Этот вывод будет еще более справедлив по отношению к прошлым геологическим эпохам, когда количество радиоактивных элементов на Земле было больше, чем сейчас. Соответственно больше выделялось и энергии радиогенного происхождения.

Изменение климатических условий. Среди факторов, меняющихся в ходе геологической истории нашей планеты, важную роль играет климат. Исключительное влияние его на ход поверхностных геохимических процессов впервые было открыто Докучаевым в его теории почвенно-климатической зональности. Выяснено, что процессы выветривания горных пород и миграция химических элементов в значительной мере определяются количеством тепла, температурой воздуха и массой осадков, характерных для данной местности. Эти климатические факторы оказывают как непосредственное, прямое влияние на гипергенные процессы, ускоряя или замедляя миграцию элементов, так и косвенное – через организмы, которые очень тонко реагируют даже на небольшие изменения количества тепла и влаги.

Климат оказывает также существенное влияние на состав элювия, делювия и аллювия. Так, в степных и особенно в пустынных условиях при малом количестве влаги все эти образования богаты СаСО₃, характеризуются слабощелочной реакцией растворов, поэтому в них мала подвижность многих элементов, в том числе таких, как железо, цинк, медь, никель, кобальт и др. В понижениях рельефа континентальные отложения часто загипсованы, засолены.

Другая геохимическая обстановка наблюдается в районах с влажным климатом. Здесь континентальные отложения характеризуются, как правило, нейтральной или даже слабокислой реакцией, что способствует выносу многих элементов, таких как кальций, медь, цинк, уран, молибден, иногда также железо, марганец, кобальт. В понижениях рельефа в этих условиях происходит накопление органического вещества в форме торфа, и создаются благоприятные для миграции железа, марганца и некоторых других элементов восстановительные условия. Аккумулируются эти элементы в участках с окислительной обстановкой ; так образуются, например, озерные и болотные железные руды.

Весьма своеобразны геохимические условия в областях развития вечной мерзлоты, в тропиках и субтропиках, в аридных и гумидных зонах. Это своеобразие налагает свой отпечаток на миграцию химических элементов, усиливая или, наоборот, замедляя ее, перераспределяя элементы по профилю почв, рыхлых отложений и подстилающих их осадочных и магматогенных пород. Со всем этим приходится считаться, например, при проведении металлометрических и гидрогеохимических поисковых работ.

Учитывая значение климата как важной причины миграции химических элементов, следует при рассмотрении геохимических условий в историческом разрезе принимать во внимание, что климат на Земле в разные ее периоды жизни существенно менялся. Этому вопросу посвящена большая литература. Обобщение имеющихся данных сделано в известной книге М.Шварцбаха «Климаты прошлого».

Согласно имеющимся данным, климат на Земле неоднократно менялся как на отдельных территориях, так и на Земле в целом. Доказано, что теплые периоды были гораздо более частыми и продолжительными, чем холодные. Удалось установить три ледниковых эпохи: на границе альгонка и кембрия, карбона и перми и в четвертичный период. Особенно теплым на всей Земле был, по-видимому, меловой период; пермь и триас характеризовались особой аридностью, а верхний карбон и нижняя юра – повышенной влажностью. Шварцбах на основании изучения перемещения экваториального пояса рифов пришел к выводу, что экватор в прошлые времена был расположен в нашем полушарии значительно севернее, чем сейчас, и постепенно, начиная с кембрия, перемещался к югу, к своему современному положению. К аналогичным выводам пришел Н.М.Страхов, анализируя распространение на Земле в прошлые геологические эпохи аридных и гумидных зон. Согласно его данным, в карбоне экватор проходил несколько южнее линии Бельгия – Донбасс, где в то время была расположена жаркая гумидная зона и шло образование каменных углей Англии, Бельгии, Франции, Украины. С течением времени экватор переместился к югу. Такие изменения положения экватора Страхов связывает с перемещением полюсов, что произошло, по его мнению, в результате смещения земных масс.

Человечество как геохимический фактор.На позднейшем этапе длительной эволюции органического мира появился человек, и на сцену вышел новый мощный геохимический фактор, принципиально отличный от всех других природных факторов, - воздействие людей на природу путем разносторонней общественной производительной деятельности.

Вначале воздействие человека на природу было совершенно незначительным и разносторонним; с течением времени оно все более усложнялось и возрастало в соответствии с развитием производительных сил общества, и его характер и масштабы являлись функцией способов производства.

В результате разносторонней деятельности людей меняется органический мир, география растений и животных, а также распределение химических элементов на Земле, нарушаются естественные их ассоциации и создаются новые; меняется ход природных химических реакций, создаются новые химические соединения, не известные нам в природе, более того, получаются новые химические элементы и изотопы.

Вернадский в 1916 г. подсчитал, что до 18 века человек использовал 19 химических элементов, в 18 – 28, в 19 – 50 и в начале 20 – 59 элементов. В настоящее время, как мы знаем, этот список пополнился еще большим числом элементов, в том числе трансурановых.

До сих пор человечество покрывало свои потребности в различных химических элементах по преимуществу путем добычи и переработки соответствующих руд. Одни руды добываются уже тысячи лет (таковы руды золота, ртути, меди, олова и т.д.), другие – значительно меньший срок.

Запасы всех известных сейчас месторождений полезных ископаемых ограниченны и довольно быстро истощаются, поскольку добыча руд систематически, год от года все более возрастает, а запасы месторождений не возобновляются. Все это ставит перед практической геологией ряд проблем, сущность которых сводится к тому, чтобы обеспечить человечество необходимыми ему химическими элементами в достаточных количествах.

Труднооткрываемые месторождения, не выходящие на земную поверхность, не вскрытые эрозионным срезом, перекрытые молодыми рыхлыми отложениями, а также расположенные на дне морей, находить обычными визуальными геологическими методами практически невозможно. Здесь огромную роль приобретают геофизические и геохимические методы.

Комплексное использование добываемого минерального сырья – также чрезвычайно важный путь обеспечения многими химическими элементами. Хорошо известно, что почти все рудные и нерудные полезные ископаемые обычно представляют собой ассоциации многих химических элементов. При последующей технологической или металлургической переработке этого сырья, как правило, извлекаются одни-два химических элемента, остальные идут в хвосты, шлаки, отвалы и дымовые отходы, а следовательно, не используются. Так, например, из свинцово-цинковых руд нередко извлекают лишь свинец и цинк, а более редкие, весьма ценные примеси – кадмий, индий, галлий, серебро, таллий и др., как правило, полностью теряют.

Человечество – это особенно изменчивый внешний фактор геохимической миграции. Подчиняется он особым законам – законам развития общества. Этот фактор очень сильно воздействует на равновесие элементов в земной коре, и в ближайшем будущем благодаря быстрой изменяемости и приспособлению его роль в миграции химических элементов окажется одним из главных.