Урановые месторождения в эоловых песчаниках
Хотя в США урановые месторождения в эоловых песчаниках имеют небольшое промышленное значение, понимание того, как эти месторождения образовались и какие факторы контролируют их распределение, может увеличить вероятность открытия дополнительных, более значительных рудных концентраций в этих осадках.
Формация Энтрада (юрского возраста) представляет собой красноцветную толщу, большая часть которой сложена эоловыми песчаниками и которая широко развита на значительных площадях плато Колорадо. Урановые месторождения известны в пределах этой формации в трех основных районах: в районе Райфл-Крик округа Гарфилд (Колорадо), в районе Пласервилл округа Сан-Мигель (Колорадо) и в районе Грантс-Лагуна в северо-западной части штата Нью-Мексико. Вероятно, наиболее существенной для определения уранового и ванадиевого оруденения в этих породах является отчетливая приуроченность руд к обеленным участкам песчаников, которые в большинстве районов характеризуются красными окрасками.
В районе Райфл обеление (уничтожение красной окраски) распространяется на всю мощность песчаников Энтрада и проникает в подстилающие песчаники Навахо ( тоже эолового происхождения), а также в верхние горизонты обычно красноцветной формации Чинл (триас). В районах Пласервилл и Гранте обеление ограничено зоной мощностью 10 м в верхней части формации Эктрада, базальная же часть формации обычно остается темно-красной (фиг. 2).
Судя по более ранним публикациям, причины и значение этого обеления пород формации Энтрада еще хорошо не поняты. Келли и др. связывают его с выветриванием постэктрадской поверхности, а Раппопорт и др. полагают, что обеление пород формации Энтрада не первично, а возникло в результате изменений, обусловленных просачиванием подземных вод через осадки. Ни одно из этих объяснений не отвечает геологическим особенностям, связанным с явлением обесцвечивания.
Обеленная зона состоит из белых, бурых (лимонитизированных) и местами зеленоватых пластов и прилегающих к ним участков неправильной формы. Присутствие конкреций лимонита и покрытых коркой лимонита стяжений пирита, которые были найдены автором в обеленной зоне, позволяет предполагать существование здесь некогда H2S и считать, что обеленная зона представляет собой бывшие восстановительные фации. В обеленной зоне широко распространены волнистые прослойки желто-коричневой окраски, обусловленной лимонитом, что указывает ка наложенное окисление, вероятно, первично пиритовых восстановительных фаций. Магкетит и ильменит, присутствующие обычно в красноцветных фациях, в обеленных породах отсутствуют. Хотя в образцах пород, отобранных автором из обеленной зоны, магнитные минералы все же присутствовали; они всегда были более редкими, чем в образцах красноцветных пород.
По данным бурения, обеление наблюдается и в глубоких скважинах. Минч и Шли отмечали неровность границы между обеленными и красными породами и отклонение ее от границ пластов. Они считали, что возникновение этой границы предшествовало юрской складчатости; вероятно, оно состоялось вскоре после отложения осадков и могло быть связано с эпохой отложения перекрывающих известняков Toдилто. Однако эти авторы не объяснили природу обеления; по их мнению, ока до сих пор не ясна.
Несогласие границы обеленных пород с напластованием (фиг. 3) свидетельствует о том, что геохимическая природа обеления не связана с осадконакоплением. Сходные в некоторых отношениях изменения цвета наблюдаются на плато Колорадо в алевролитах, подстилающих обогащенные растительным детритом "карманы" в песчаниках Солт-Уош (формация Моррисон), содержащие урановые руды. Вблизи рудоносных песков нормальная красная окраска алевролитов Солт-Уош, как правило, изменяется до серой и зеленой. Эти цветовые изменения, которые обычно трансгрессивны по отношению к слоистости алевролитов, обусловлены восстановительным действием H2S, проникавшим из обогащенных органическим веществом "карманов" песчаников Солт-Уош, производя восстановление Fe3+ до Fe2+. Это явление замечено давно, и уже в течение некоторого времени око используется в качестве поискового признака для руд плато Колорадо, поскольку устанавливается отчетливая корреляция между размерами рудных тел и мощностью зеленых аргиллитов непосредственно ниже этих залежей.
По мнению автора, обеление пород формации Энтрада связано с существованием известняков Тодилто, более точно — с существованием моря Тодилто. Автор считает, что обеление непосредственно обусловлено восстановительными условиями, преобладавшими ка дне моря Tодилто. Наличие "вонючих" известняков в разрезе, а также детальное изучение их состава подтверждают это мнение. Исследования Андерсона и Керкленда показывают, что эти известняки должны были формироваться в водах, характеризовавшихся высоким содержанием органического вещества. Это, несомненно, способствовало развитию восстановительных условий и сохранению их в течение большей части эпохи Тодилто. Разрушение органического материала, содержащего фитопланктон и растительные волокна, вызывает продуцирование больших количеств сероводорода в донных водах и осадках. Условия, которые здесь существовали, были токсичными для немногочисленных бентонных организмов, что обусловило почти полное отсутствие в известняках ископаемых остатков.
Можно полагать, что обеление пород формации Энтрада произошло в результате диффузии содержащих H2S газов и вод из донных осадков моря Tодилто в погребенные воды, насыщавшие подстилающие песчаники формации Эктрада. Диффузия H2S должна была вызывать восстановление и обесцвечивание верхних красноцветных пластов. Цветовая Гранина между обеленными и красными породами, очевидно, маркирует нижний предел проникновения H2S (фиг. 4). При более позднем уплотнении H2S и нефть также выжимались из известняков Tодилто в подстилающие породы формации Энтрада, возможно усиливая обеление и восстановление.
Поскольку восстановление фасноцветных пород H2S могло приводить и действительно часто приводило к образованию пирита, найденные автором пиритовые желваки представляют собой следствие этого явления, а затем пиритовые восстановительные фации окислились с развитием отмеченного лимонитового пятнистого окрашивания песков. Если в верхних горизонтах формации Энтрада некогда существовали пиритовые восстановительные фации, то, обращаясь к модели вайомингских роллов (фиг. 1), легко представить себе, какой эффект могло произвести более позднее проникновение кислородсодержащих подземных вод, поступавших с окраин бассейна.
За небольшим исключением, в обнажениях пород формации, Эктрада в бассейне Сан-Хуан устанавливается мало пирита. По-видимому, все поверхностные выходы окислены. Однако в бассейне найдена нефть, и, очевидно, на глубине в пределах формации Энтрада могут еще сохраниться протяженные восстановительные фации. Опираясь на законы формирования рудных роллов, можно предположить наличие в бассейне окислительно-восстановительных границ, вдоль которых могли накапливаться уран и ванадий. Это предположение существенно подкрепляется тем обстоятельством, что промышленные или близкие к ним концентрации обоих металлов известны в обеленных фациях в пределах формации Энтрада в районах Райфл и Пласервилл, а также существованием рудных месторождений в районе Грантс-Лагуна вдоль южного фланга бассейна Сан-Хуан. В последнем рудные залежи переходят по горизонтали из известняков Тодилто в породы формации Энтрада. Руды формации Энтрада представлены здесь неокисленными пластообразными и роллоподобными залежами, содержащими урановую смолку, коффинит и ванадиекосные глины. Пирит присутствует как в руде, так и вокруг нее, иногда инкрустируя стяжения урановой смолки. Tакие взаимоотношения этих двух минералов согласуются с концепцией переотложения пирита в результате реакции диспропорционирования соединений серы.
Как известно, море Tодилто простиралось к северу до района Пласервилл (Колорадо), где "вонючие" битуминозные известняки Пони-Экспресс (аналог Тодилто) перекрывают обеленные песчаники формации Энтрада, в которых обнаружены многочисленные роллоподобные рудные залежи. Можно, таким образом, представить, что огромный район бассейна Сан-Хуан между рудными проявлениями в южной части вблизи Грантс-Лагуны, а в северной - у Пласервилла был областью развития восстановительных фаций в пределах формации Энтрада,где в результате роллообразующих процессов окисления-восстановления, вероятно, могли формироваться рудные концентрации. Наличие в пределах формации Энтрада нефти и солоноватых вод подтверждает такое оптимистическое предположение, поскольку их присутствие указывает на существование восстановительных условий в пределах бассейна.
В районе Райфл рудные залежи формаций Энтрада и Навахо состоят из трех ответвлений, которые в проекции образуют крупное уплощенное тело S-образной формы (см. фиг. 6, где дана схематическая форма рудного тела). Отдельные ответвления часто прерываются, образуя серии более мелких рудных тел, в которых устанавливаются черты, присущие роллам. В этих телах постоянно наблюдается характерная зональность ряда металлов, в частности ванадия, урана, свинца и хрома (надо отметить, что подобная зональность наблюдается и в Пласервилле). Хотя Фишеру и не удалось установить здесь факторы, контролирующие локализацию руд и определяющие их образование, он все же высказал предположение, что фракционирование элементов и соответственно формирование рудных пластов, вероятно, обусловлено реакциями нa поверхности раздела двух растворов.
Рудные залежи месторождения Райфл связаны с весьма протяженными восстановительными зонами, причина возникновения которых едва ли заключается только в диффузии H2S из донных осадков моррисонского моря в подстилающие, насыщенные водой краскоцветные отложения. При рассмотрении условий рудообразования ка месторождении Райфл автор основывается главным образом ка геологической информации Фишера. На основе этих данных можно сделать заключение, что протяженные ореолы обеления, окружающие руды, представляют собой результат восстановления под действием H2S, вероятно связанного с нефтью и газом, в значительных количествах проникавших в доморрисонские формации. Обе формации (Эктрада и Навахо), в которых установлены руды, являются типичными красноцветными песчаниками, постоянная красная окраска которых уничтожена на значительных площадях, где и локализуются руды месторождения Райфл. Обеление широко распространено и среди юрских (Навахо) слоев, а также ниже их, но ограничено в подстилающих сланцах и алевролитах формации Чинл (триас), которые менее проницаемы, что, очевидно, и сокращало миграцию газов и растворов. Трещины и сбросы, секущие формацию Чинл, окаймлены узкими полосами обеления, и в этих полосах породы формации Чинл пиритизированы. В трещинах и пустотах этих песчаников присутствует также асфальтит. Это позволяет предполагать, что некогда в песчаниках содержалась нефть, а наличие сульфидов, несомненно более поздних по отношению к брекчированным и переотложенным урано-вакадиевым рудам, указывает на достаточную длительность проникновения восстановительных растворов в эти участки, даже после возникновения оруденения.
С точки зрения возможности роллообразования небезынтересно сравнить строение S-образного ролла месторождения Райфл и особенности поверхности раздела между пресными и солоноватыми подземными водами. Взаимоотношения близповерхностных пресных вод и соленых вод иллюстрируется фиг. 5, заимствованной у Перлмуттера, Джирати и Апсона. Эта иллюстрация используется нами для изображения эффекта вытеснения пресных вод солоноватыми, однако нерастворимые компоненты или реакции их осаждения не рассматриваются. Модель полезна для изображения простых явлений, связанных с диффузией, которые могли иметь место при формировании первичных рудных роллов. Используя эту модель, на фиг. 6 автор схематично иллюстрирует условия, при которых мог формироваться ролл Райфл, и показывает компоненты, участвовавшие в химических процессах, сформировавших рудные зоны.
Дальнейшая попытка установить механизм образования рудного ролла Райфл была предпринята при экспериментальных исследованиях Темпла и Ле-Ру. В этой работе в качестве источника катионов были использованы ионы металлов, адсорбированные на глинах и гидроокислах железа. Автор же полагает, что водные растворы представляют собой в естественных условиях, вероятно, более мобильные и более легко восстанавливающиеся источники рудообразующих катионов. В исследованиях Темпла и Ле-Ру в качестве осадителя использовались растворимые сульфид-ионы, а "рудообразующие" катионы могли свободно диффундировать в промежуточной инертной среде (агаре). В результате эксперимента было установлено, что в агаре быстро (в течение нескольких недель) образовывались полосчатые осадки различных металлов (были использованы Cu, Zn, Fe и Pb). Кроме того, наблюдалась определенная последовательность десорбции катионов с глин и гидроокислов железа, на что указывало смещение катионов по отношению к питающему источнику. Был сделан вывод, что зоны активных сульфидов (H2S, образованный при редукции сульфидов) в естественных условиях будут формировать химические ловушки, где вмещающей средой для осаждения могут быть неконсолидированные осадки, например песчаники.
Контакты нефть - вода и газ - вода обычно локализованы вдоль крыльев антиклиналей и куполовидных поднятий. Месторождение Райфл лежит на склонах плато Уайт-Ривер, где известно множество антиклинальных перегибов, представляющих собой подходящие ловушки для флюидов. Движение подземных вод вдоль крыльев этого поднятия, не осложненного нарушениями, безусловно, могло создать статичную поверхность раздела, благоприятную для формирования ролла Райфл. Изменение давления, вызванное вторжением пресных вод, должно обусловить подъем вод ка крыльях и тесное соприкосновение их с содержащимися там газом, обогащенной газом нефтью и обогащенной газом водой. Пока идет формирование руд, не должно быть нарушения или переполнения этого резервуара. В этих условиях могут происходить химические реакции и перемещения, установленные в эксперименте Темпла и Лe-Py и способные создать статичные роллоподобные рудные тела.