Зональность измененных пород, ассоциирующихся с урановыми месторождениями роллового типа » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Зональность измененных пород, ассоциирующихся с урановыми месторождениями роллового типа

15.07.2021

В современной геологической литературе месторождения роллового типа уже получили достаточно четкое определение. Они характеризуются пространственной и генетической связью с неправильными, языкообразными зонами измененных (окисленных) вмещающих пород, которые обычно резко отличаются от неизмененных вмещающих отложений. Неизмененные вмещающие породы, как правило, представлены светло-серыми и светлыми коричневато-бурыми песчаниками, которые содержат на участках, не подвергавшихся воздействию рудообразуюших процессов, рассеянный пирит в количестве несколько десятых процента. Измененные породы, напротив, совсем не содержат пирита или содержат его лишь в незначительном количестве и характеризуются белыми, серовато-зелеными, желтовато-зелеными, тускло-желтыми, оранжевыми или красными окрасками. Контакт между измененными и неизмененными породами образует отчетливую, хорошо различимую поверхность, обычно называемую поверхностью раздела окисление — восстановление (фиг. 1). Ta часть поверхности раздела, которая сечет пласты вмещающих пород и ограничивает зону окисленных пород. носит название роллового фронта. Сравнительно маломощные пласты руды минерализованных пород, называемые крыльями ролла, обычно ограничивают верхнюю и нижнюю поверхности измененных пород. Основные промышленные рудные залежи располагаются в неокисленных породах по соседству с ролловым фронтом.
Зональность измененных пород, ассоциирующихся с урановыми месторождениями роллового типа

Большинство измененных пород, к которым приурочены урановые месторождения Нью-Мексико, Вайоминга и Техаса (фиг. 2), по-видимому, подразделяются на две отчетливые группы, различные как по цвету, так и по минеральному составу. Окисленные породы, слагающие гематитовое ядро, обычно хорошо отличаются от обрамляющих его пород, которые мы будем называть "измененной оболочкой". Измененная оболочка в свою очередь ограничивается так называемой окислительно- восстановительной поверхностью раздела, которая отчетливо маркирует резкий переход от измененных пород к пиритсодержащим, ураноносным породам. Эти зоны выделялись и описывались и прежде, но, по нашему мнению, происхождение их не было достаточно полно объяснено. Любое представление об измененных породах как о достаточно однородных телах с точки зрения геохимии является слишком упрощенным. Большинство роллов, безусловно, представляют зональные тела по меньшей мере с двумя подзонами, и это может дать чрезвычайно важный ключ к пониманию геохимических процессов, обусловивших происхождение рудных залежей этого типа.

Породы в ядерной части зоны (фиг. 1) в большинстве залежей окислены и характеризуются коричневато-красными и розовыми окрасками, что отражает присутствие тонко рассеянного гематита или пропитанных гематитом глин. В некоторых случаях эти зоны также содержат идиоморфные зерна аутигенного магнетита, частично превращенного в гематит.

Измененная оболочка, располагающаяся непосредственно позади роллового фронта, может достигать мощности в несколько сотен метров. По соседству с верхним и нижним крыльями поверхности окислительно-восстановительного раздела она становится заметно менее мощной и может даже совершенно исчезать. Породы этой оболочки характеризуются значительным разнообразием: они могут быть совершенно белесыми, белесыми с рассеянной вкрапленностью свежих кристаллов пирита, тускло-желтыми до светло-оранжевых, содержащих пятна гётита или местами гётитовые псевдоморфозы по пириту. Часто их окраска обусловлена присутствием окрашенных гётитом глин.

Неокисленные, существенно не измененные вмещающие породы за пределами измененных пород и рудной зоны постоянно содержат пирит. Что же касается обломочных магнетита и гематита в составе тяжелой фракции, то они либо присутствуют, либо нет. Глины, как правило, характеризуются почти белыми, чрезвычайно светлыми серыми и оливковыми окрасками.

Геологические наблюдения и предыдущие исследования


Ниже приведены примеры двухчленного строения окисленных зон. Следует напомнить, что визуальные характеристики этих зон различны в отдельных районах. В настоящей статье, однако, допускается предположение о сходстве их генезиса и мы делаем упор на генетическую связь этих месторождений скорее, чем на их существенные различия.

Район Амброзия-Лейк, Нью-Мексико. Большинство рудных залежей рудного района Амброзия—Лейк связано с определенным горизонтом, характеризуется пластообразной формой и грубосогласным залеганием, наличием импрегнаций гуминовых веществ, которые содержат промышленные скопления урана. В некоторых частях района на эти первичные руды налагается несколько переотложенных рудных тел, очень близких к классическим залежам роллового типа, развитым в других местах.

В районе Амброзия-Лейк измененное гематитовое ядро обычно имеет то слабую, то интенсивно-красную окраску и обрамляется измененной оболочкой тускло-желтых или светло-оранжевых лимонитовых пород, имеющих вблизи роллового фронта мощность около 100 м. Эта оболочка местами может исчезать, и тогда красные гематитовые породы непосредственно контактируют с восстановленными пиритсодержащими породами или с переотложенными рудами. В некоторых местах лимонитовая оболочка настолько тонка, что устанавливается только в прозрачных шлифах. В пределах нескольких миллиметров от контакта восстановленных пород обычно наблюдаются псевдоморфозы гётита по пириту, но дальше в измененной оболочке они отсутствуют. Зерна ферроселита также находят в пределах нескольких сантиметров от поверхности окислительно-восстановительного раздела в измененной оболочке, но он не известен в гематитовой ядерной зоне.

Гулд и др. кратко описывают разрез через неокисленные серые рудоносные песчаники, тускло-желтую оболочку и затем красное пустое ядро. На фиг. 3 они дают хорошую иллюстрацию этой последовательности на одном из участков рудника "Разрез-23". Мак—Рэй описывал подобную последовательность в районе Смит—Лейк, где рудное тело Блэк—Джек № 1 в основном приурочено к белесым и серым песчаникам, окруженным оранжевым, желтым и коричневым ореолами, переходящими постепенно в кирпично-красные породы.

Бассейн Паудер-Ривер, Вайоминг. Характер измененных пород, пространственно связанных с рудными зонами бассейна Паудер-Ривер, по-видимому, очень различен. В северной части бассейна Шарп и др., как правило, отмечают только две цветовые разности в близповерхностных вмещающих породах: 1) бурые песчаники, содержащие руду, и 2) гематитовые красные песчаники, соседствующие с ней. По некоторым их описаниям, однако, можно предполагать наличие и измененной оболочки. Например, они пишут, что урановая минерализация наблюдается там, где линзообразные красные песчаники проникают в тускло-желтые песчаники или где клин тускло-желтых песчаников перекрывает красноокрашенную зону.

Работающие в южной части бассейна Ланген и Кидуэлл отмечали, что гётит характерен для пород, находящихся непосредственно на контакте с рудными телами, а гематит встречается в измененных породах на удалении от рудного тела. Дэвис, суммируя свои наблюдения над измененными породами бассейна, пишет: "Наиболее широко распространенным и, несомненно, наиболее отчетливо различаемым изменением является розовато-красное гематитовое окрашивание. Красная зона расположена, однако, на достаточно большом расстоянии от минерализованной зоны. В непосредственной близости от оруденения развита узкая зона лимонитового окрашивания или интервал почти белых выщелоченных песчаников".

Грейнджер описал ферроселит из соседних к ролловому фронту белесых измененных пород рудника Мрак № 2 и высказал предположение, что эти белесые породы являются либо невыветрелыми аналогами широко распространенных гематитовых красных песчаников, либо выщелоченной зоной между красными и бурыми песчаниками.

Хотя приведенные данные разнородны и, по-видимому, лимонитовые и белесые оболочки более развиты в южной части бассейна, чем в северной, нет сомнений, что различные по характеру измененные оболочки обрамляют отдельные участки гематитовых ядер бассейна Паудер-Ривер.

Район Гэс-Хиле, Вайоминг. Как можно судить по описаниям, почти все измененные породы района Гэс—Хиле имеют бледно-серую или почти белую окраску. Она была описана Кингом и Остином как белесая, "мертвенно-серая". Основные исследования этих авторов были сосредоточены на ближайших к рудному телу 15 м измененной зоны, но они также осматривали и более отдаленные от рудного тела участки. Эти авторы выделяют переходную зону, расположенную между ядром и рудой, но описание этой зоны приведено очень кратко и лишено подробностей. Они отмечают заметное различие в размерах и форме пиритовых зерен, развитых в измененной и неизмененной зонах. Пирит в измененных породах немногочислен, очень тонкозернист, но всегда блестящий и хорошо ограненный. Лимонитовых пятен в измененной зоне не отмечается. В отличие от этого рудная зона (минерализованная порода) содержит еще более тонкозернистый пирит, но в скоплениях и агрегатах менее блестящий, чем в измененных породах и содержащий рассеянные пятна лимонита. Эти скопления пирита на воздухе быстро тускнеют. Кинг и Остин предполагали здесь наличие аморфных сульфидов железа.

Неокисленные породы вдали от рудной зоны содержат нетускнеющие более крупные кристаллы пирита, ассоциирующиеся иногда с магнетитом. В измененной зоне магнетит совершенно разрушен.

Шерли-Бейсин, Вайоминг. Измененные породы месторождения Шерли-Бейсин представлены в большинстве светлыми желтовато-зелеными зонами, цвет которых обусловлен присутствием нескольких процентов железистого монтмориллонита или нонтронита и небольшого количества гётита и гематита. Хорошо выделяющейся измененной оболочки не наблюдается. Неизмененные породы имеют очень светлую серую окраску и содержат то же количество глин, что и измененные разности, но здесь развиты в основном слабо железистые глинистые минералы. Харшмэн, изучая фракции тяжелых минералов, показал, что гётит и гематит практически отсутствуют в неизмененных породах и рудах, но количество этих минералов возрастает до 0,06% в измененных породах в двух метрах от рудного тела и затем снижается до 0,01% в остальной части ядра. Следует отметить, что тонкие частицы гематита и лимонита, тесно связанные с крупными, но более легкими минералами, могут не попадать в тяжелую фракцию, но тем не менее указанные количества можно считать достаточно представительными. Спорадические концентрации гематитизированного кальцита в рудной зоне легко обнаруживаются благодаря их контрастной окраске, но его количество обычно незначительно.

Средние содержания пирита изменяются от 0,6% в неминерализованных, неизмененных породах до 0,9% в урановой рудной зоне и до 0,15% в измененных породах в двух метрах от руды. В измененных породах за пределами этих двух метров содержания пирита становятся еще меньше, и он практически отсутствует. Мелин также отмечает, что в измененных породах крупнозернистый пирит отсутствует. Только в 30 см от руды сохраняются его небольшие остатки, характеризующиеся значительной коррозией в результате развития лимонита. Этот пирит совершенно не похож на идиоморфные разности, наблюдающиеся в руде и в неизмененных породах.

Черные непрозрачные минералы, включая небольшое количество магнетита, в большинстве случаев распределены одинаково (содержание их составляет 0,10%) как в неизмененных, так и в измененных породах. Количества роговой обманки и эпидота также почти одинаковы в этих разновидностях, и лишь вблизи руды они уменьшаются наполовину.

Данные Харщмэна также показывают, что окислы железа наиболее обильны в измененных породах в пределах двух метров от рудного тела, пирит здесь практически отсутствует, а роговая обманка и эпидот характеризуются наиболее низкими содержаниями.

Месторождение Беневидес, прибрежная равнина Мексиканского залива, Техас. В некотором отношении месторождение Беневидес является лучшим примером двухчленного строения измененных пород. Здесь также наблюдается специфическая минеральная ассоциация, которая сокращает возможные объяснения рудообразуюших и изменяющих геохимических процессов.

Неизмененные и практически не минерализованные породы в полукилометре от роллового фронта содержат следы магнетита, около 0,1% ильменита и около 1% пирита (письменное сообщение фирмы "Вестингауз электрик"). Сразу позади роллового фронта измененные породы имеют бледно-оранжевую окраску, содержание ильменита в них понижается в два раза, магнетит, частично измененный до гематита, присутствует в количестве нескольких сотых долей процента (Грейнджер, неопубликованные данные), гётит составляет 0,1-0,2%, а пирит совершенно отсутствует. Примерно в километре от роллового фронта измененные породы становятся светло-красными и содержат 0,1-0,2% аутигенного магнетита, частично превращенного в гематит (мартит); количество ильменита увеличивается до 0,3% (часть мартита может быть принята за ильменит); пирит и гётит фактически отсутствуют. При этом содержание тяжелых минералов, большая часть которых представлена минералами железа, в измененной оболочке более чем в два раза ниже содержания их в обогащенной магнетитом гематитовой ядерной зоне или в неизмененных породах. Глинистая фракция имеет отчетливую красную окраску в гематитовой ядерной зоне, желтую — в измененной оболочке и очень светлую серую в неизмененных породах. Эти наблюдения основаны на сыпучих образцах из керна скважин, и характер контакта между отдельными зонами не мог быть выявлен.

Месторождение Фелдер, прибрежная равнина Мексиканского залива, Техас. Впервые месторождение Фелдер, находящееся в округе Лайв-Оук штата Техас, было описано Клоном и Пиккенсом по данным бурения до вскрытия месторождения открытыми горными выработками. Согласно их описанию, месторождение по конфигурации залежей и по распределению рудных элементов является типичным классическим месторождением роллового типа, за исключением того, что осветленные измененные породы содержат пирит и что количество пирита в руде и в неизмененных песчаниках остается практически одинаковым. Магнетит, по-видимому, редок во всех этих пиритизированных породах.

Разрезы, составленные Клоном и Пиккенсом до вскрытия месторождения, позднее подтвердились в открытых выработках. На их разрезе намечалась зона поверхностного выветривания, опускавшаяся ниже верхнего крыла рудного ролла. По их описаниям, магнетит был гораздо более обильным в окисленной зоне, чем в пиритсодержащих породах. В 1971 г. один из нас видел на стенке карьера типичный рудный ролл; зона поверхностного выветривания была видна в 10 м выше рудного тела. Следовало ожидать локального переотложения руд из первоначальной залежи, поскольку руды находились в зоне влияния процессов выветривания. Этот факт отмечался Клоном и Пиккенсом и иллюстрировался ими различными неправильностями рудных тел и радиоактивной неравновесностью руд. Возможно, на месторождении Фелдер некогда существовали типичная измененная оболочка и гематитовое ядро, но позднейшее поверхностное выветривание в большинстве мест уничтожило эти различия.

Россия. Геологи России отмечают в измененных породах, которые они называют зонами лимонитизации, присутствие самородной серы и железистого карбоната (сидерита). Как будет показано ниже, это очень важное наблюдение, которое вносит существенное дополнение в нашу геохимическую модель. Мы полагаем, что эти соединения в процессе роллообразования также присутствовали в измененных оболочках на месторождениях США, но позднее были разрушены, растворены и вынесены.

Заключение, в большинстве районов, за исключением рудных районов Шерли-Бейсин и Гэс-Хилс в Вайоминге, ядерные зоны, по-видимому, постоянно характеризуются красными окрасками, обусловленными присутствием тонко рассеянного гематита. Глинистые фракции, выделенные в этих зонах, как правило, красноватые. На месторождении Беневидес в Техасе можно видеть, что большая часть гематита образуется при окислении эпигенетического магнетита, но в большинстве других районов это не установлено.

Характер измененной оболочки различен, но в наиболее типичных проявлениях она имеет тускло-желтую окраску, обусловленную рассеянным лимонитом, или почти белую, возникающую в результате выщелачивания. Измененная оболочка может не содержать пирит, но в небольших количествах он может и присутствовать, и тогда он бывает 1) идиоморфным, блестящим и свежим, 2) корродированным, но практически не окисленным, 3) частично окисленным до лимонита. В районе Шерли-Бейсин (Вайоминг) измененная оболочка или отсутствует, или очень тонка, или имеет неясно выраженный характер. Наличие корродированного пирита и возрастание содержаний лимонита вблизи поверхности раздела окисление-восстановление (устное сообщение Харшмэна, 1973 г.) позволяют предполагать наличие измененной оболочки при слабом ее проявлении.

Невыветрелые вмещающие породы, не подвергавшиеся воздействию рудообразующих процессов и процессов изменения, характеризуются светло-серыми и почти белыми окрасками. Глинистая фракция этих пород имеет белую или светлую зеленовато-серую окраску. Пирит постоянно рассеян в этих породах, хотя количества его могут быть незначительными.

В неизмененных породах почти всегда, по крайней мере в малых количествах, присутствует органическое вещество, которое по своей природе сходно с углями или гуматами. Эти вещества почти полностью разрушены в измененной оболочке.

Магнетит, по-видимому, не обнаруживает постоянства в распределении в различных районах. Тем не менее его поведение дает чрезвычайно важный материал для понимания геохимической специфики изменения. В районе Шерли-Бейсин Харшмэн не наблюдал существенных количественных или внешних различий между обломочными магнетитами измененных и неизмененных пород. В Амброзия-Лейк магнетит практически отсутствует во всех зонах. В то же время для района Гэс-Хилс Кинг и Остин отмечали, что обломочный магнетит неизмененных пород в пределах окисленных зон разрушается. Известно также, Что неизмененные вмещающие породы месторождений Беневидес и Фелдер вообще содержат очень мало магнетита. Измененные оболочки на этих месторождениях также почти лишены магнетита, но в гематитовом ядре содержатся значительные количества аутигенного магнетита, частично превращенного в гематит. Этот магнетит, по-видимому, образовался в процессе изменения пород.

Полоса аномальных содержаний селена обрамляет поверхность окислительно-восстановительного раздела почти на всех месторождениях. Она занимает несколько сантиметров измененной оболочки. В пределах этой полосы на месторождениях Амброзия-Лейк, Паудер-Ривер и Шерли-Бейсин позади окислительно-восстановительной границы установлен ферроселит, а в восстановленной зоне перед этой границей преобладает самородный селен.

Предполагаемый способ образования измененной оболочки


Наиболее распространено представление о возникновении измененных пород в результате притока кислородсодержащих грунтовых вод, просачивающихся субпараллельно направлению напластования и вступающих в реакцию с пиритом на поверхности раздела окисление-восстановление. Обычно современные концепции принимают, что большая часть пирита окисляется немедленно с образованием минералов трехвалентного железа, таких, как водные окислы железа и гётит. Мы также ранее принимали подобное допущение.

Обнаружив наличие свежего пирита в гематитовом ядре, а лимонитовых пятен в рудной зоне в районе Гэс-Хилс, Кинг и Остин высказали предположение, что окисление не является главным

процессом при образовании измененных пород. Адлер и Шарп предположили возможность присутствия пирита двух типов: одного - легко окисляющегося и другого — более устойчивого к окислению, что и обусловливает сохранение пирита в измененных породах. Эти исследователи также предполагали, что H2S мог проникать в измененную оболочку и вызывать новое отложение пирита в преимущественно окислительных условиях. Поскольку в измененных породах месторождения Шерли-Бейсин пирит вблизи рудной зоны оказывается корродированным, но не содержащим лимонита Мелин полагал, что пирит здесь подвергался воздействию других агентов, а не кислорода. В отношении гематитовой зоны месторождений впадины Паудер-Ривер Шарпом и др. высказывалось предположение, что эта зона характеризовалась первоначально развитием водных окислов железа, которые впоследствии частично растворялись в обогащенных CO2 водах и затем переотлагались в виде гематита. Адлер же полагал, что первоначально при окислении пирита образуется лимонит, который в результате дегидратации переходит в гематит. Он предполагал также, что дегидратация происходит эпизодически и, возможно, ускоряется в эпохи жаркого климата, когда температура подземных вод слегка повышается. В 1972 г. Адлер высказывался о возможной роли возраста в превращении лимонита в гематит. Дэвис, наоборот, считал развитие лимонита и осветления вблизи уранового рудного тела следствием преобразования гематита в месте отложения руд. Он предполагал, что этот лимонит мог подвергаться воздействию выветривания и становиться неотличимым от лимонита, возникающего при окислении пирита.

Согласно нашим наблюдениям, ни одно из этих предположений не дает удовлетворительного объяснения возникновению измененных оболочек и разнообразию их характеристик в различных районах. Некоторые исследователи полагают, что раз сформировавшись, ролл затем остается неизмененным в той обстановке, в которой мы его наблюдаем. Другие, учитывая постоянные изменения, дают объяснения, приложимые только к одному конкретному району и мало дающие для объяснения роллообразования в целом. Чтобы восполнить эти пробелы, мы попытались разработать концепцию, которая объясняет разнообразие и особенности различных измененных оболочек в контексте общей гипотезы роллообразования.

Обобщенная геохимическая модель


Любая гипотеза, согласно которой пытаются объяснить генезис измененной оболочки, должна дать логическое объяснение разнообразию и кажущимся противоречиям в особенностях этих оболочек. Сходство формы и способа ее образования, близость состава вмещающих пород и их геохимических особенностей, сходство рудных минеральных ассоциаций и минералогии измененных зон в различных месторождениях роллового типа позволяют достаточно определенно предположить геохимическую общность генетических процессов. Если принять это допущение, то становится ясным, что в различных измененных оболочках существуют или существовали затушеванные сходные особенности, несмотря на несходство их современного проявления в отдельных районах. Тускло-желтая зона на Амброзия-Лейк, белая зона месторождений Гэс-Хилл и впадины Паудер-Ривер, а также лимонитовые зоны Шерли-Бейсин и Беневидес могли быть очень сходными во время формирования рудных тел, а теперь выглядят совершенно различно в связи с различием их последующей истории. Как это можно объяснить?

Резкие и отчетливые контакты между гематитовым ядром и измененной оболочкой, а также между последней и пиритсодержащей рудной зоной позволяют предполагать два различных типа химических реакций между обусловившими изменение растворами и некоторыми компонентами вмещающих пород. He может быть сомнений, что обусловливающие изменения растворы были первоначально окисляющими и в некоторой степени равновесными с гематитовой ядерной зоной, но в контурах измененной оболочки в них происходили реакции, вызывавшие изменение их состава и окисляющей способности. Во время прохождения вод через измененную оболочку реакции были замедленными либо в результате химического равновесия растворов с вмещающими породами, либо из-за кинетического замедления возможных реакций. Однако на границе окислительно-восстановительного раздела или вблизи нее пирит в значительной степени разрушался, соединения селена выщелачивались и переотлагались, а соединения урана растворялись. Сульфиды железа и уран переотлагались за границей окислительно-восстановительного раздела, где протекали некоторые дополнительные реакции, восстанавливающие равновесие раствора с новым окружением.

Мы прежде всего исследовали возможность развития в измененной оболочке метастабильных сульфидов железа, сравнив эти условия с современными морскими фациями, подобными фациям Черного моря, где верхняя окисляющаяся часть осадка непосредственно подстилается слоем, содержащим метастабильный сульфид железа, а затем пирит. Мы предположили, что в результате воздействия раствора на пирит в зоне поверхности окислительновосстановительного раздела мог происходить вынос некоторого количества серы и образование остаточных сульфидов железа типа грейгита (Fe3S4), троилита (FeS) или маккинавита ( FeS0,9). Эта концепция имеет определенные преимущества, поскольку метастабильные сульфиды железа могут легко окисляться до лимонита, растворяясь в слабокислых растворах. Они могут также превращаться в пирит в результате старения или диспропорционирования, происходящего много позднее окончания рудообразующего процесса. Следует добавить, что в измененном гематитовом ядре и в пиритсодержащей руде едва ли существовали такие условия.

Хотя в присутствии H2S окисное железо достаточно просто переходит в закисное с образованием пирита, процесс этот, по-видимому, необратим. Пирит сравнительно более стабилен, чем другие низкотемпературные сульфиды, характеризующиеся недостатком серы. Соответственно эти сульфиды не могут существовать в условиях, в которых разрушается пирит. Однако концепция первоначального присутствия в измененной оболочке метастабильных минералов, превращающихся в результате старения в различные соединения, была настолько привлекательна, что мы продолжили исследования альтернативных систем. Только одна из этих систем отвечала требованиям и могла служить основанием для следующей модели.

После прохождения гематитовой ядерной зоны, с которой они находились в равновесии, кислородсодержащие подземные воды поступали в пределы измененной оболочки (фиг. 3), которая в это время содержала элементарную серу и закисное железо в основном в форме FeCO3 (фиг. 1), хотя некоторое количество закисного железа могло присутствовать и в результате непрочной сорбции на монтмориллонитовых глинах. При вступлении вод в измененную оболочку расстворенный свободный кислород полностью расходовался на высвобождение бикарбонатных ионов и образование достаточно стабильных окрашенных железистых тиосульфатных комплексов. Эти реакции можно представить в следующем виде:

Окисление самородной серы:

Весь свежеосажденный Fe( ОН )3, который не вступает в реакцию с S2O32- в конце концов в результате старения переходит в гётит и гематит: 2Fe(OH)3 —> время —> FC2O3 + 3Н2О. Нереагирующий карбонат железа может окисляться сначала до магнетита, а затем до гематита:

То, что каждая из этих реакций идет с потерей энергии, указывает на предпочтительность их с точки зрения термодинамических условий, хотя полностью судить об их кинетической возможности мы не можем. Если одни реакции протекают более медленно, чем другие, может возникать достаточно неровный контакт между полностью окисленными зонами и зонами, содержащими карбонат железа и самородную серу.

Можно видеть, что хорошо окисленные породы будут в конце концов содержать значительные количества гематита, хотя остаточный магнетит местами также может присутствовать. Наиболее важен для предложенной модели тот факт, что некоторая часть окисного железа образовывала растворимые комплексные ионы, которые были достаточно устойчивы при низких и средних значениях pH и не вступали в реакцию ни с карбонатом закиси железа, ни с самородной серой.

Оказалось, что окисное железо окисляет пирит гораздо быстрее, чем растворенный свободный кислород. При этом закисное железо пирита не участвует в таком процессе; скорее идет восстановление окисного железа в растворе и окисление сульфидной серы. Наиболее простые из этих реакций влекут за собой окисление сульфидной серы только до элементарной. Однако комплексообразование способствует удержанию окисного железа в любых и особенно в кислых растворах. Поэтому мы в своей модели предусматриваем растворимый комплекс окисного железа Fe(S2O3), который сравнительно устойчив при низких концентрациях в достаточно широком диапазоне значений pH. Помимо того, наши эксперименты показывают, что окисное железо либо совсем не реагирует с элементарной серой в отсутствии кислорода, либо подобные реакции будут кинетически замедленны. FeCO3 также не вступает в реакцию, поскольку закисное железо не окисляется окисным железом. Растворимое окисное железо, таким образом, может транспортироваться в присутствии элементарной серы и FeCO3 без существенных изменений.

В соответствии с предлагаемой моделью поверхность раздела, которая называется ролловым фронтом, или поверхностью окислительно-восстановительного раздела, не контактирует непосредственно с растворенным свободным кислородом, а представляет собой узкую зону реакций между пиритом и комплексными ионами окисного железа, принесенными в растворе. Окисление сульфидной серы приводит к образованию элементарной серы, которая стабильна только в ограниченном диапазоне кислых условий. Суммарно реакция представляется в следующем виде:

Возможно, часть закисного железа осаждается в виде карбоната закиси в результате реакции с бикарбонатными ионами раствора, а часть его может сорбироваться или удерживаться в способном к обмену состоянии монтморьллонитовыми глинами. Некоторая доля закисного железа остается, однако, растворенной. Растворенные продукты постоянно продвигаются вместе с раствором вперед и, возможно, участвуют в двухступенчатой реакции, приводящей к образованию пирита рудной стадии:

Большинство исследователей в настоящее время, по-видимому, согласны, что пирит при низких температурах никогда не образуется непосредственно, а развивается при сульфидизации некоторых ранее образовавшихся соединений типа маккинавита ( FeS0,9). В целом реакцию можно представить в следующем виде:

Безусловно, возникновение ионов H+ведет к понижению значений pH в зоне формирования сульфидов железа. Этот процесс может быть замедлен, если происходят некоторые другие реакции: 1) слабое изменение щелочных полевых шпатов, присутствующих во вмещающих песчаниках, 2) растворение ранее образовавшихся сульфидов:

когда ионы водорода снова нейтрализуются, или 3) растворение кальцита:

В рудной зоне сильное буферирующее воздействие может оказать разрушение обломочного магнетита вмещающих пород:

В конце концов, реактивная способность раствора снижается и ионы водорода приходят в фактическое равновесие с окружающей средой.

Наша модель дает также новое решение вопроса транспортировки селена в растворе в составе некоторых сернистых соединений, таких, как SeS2- и SeSO32-. Наличие этих ионов обусловливает образование ферроселита в присутствии закисного железа или в кислых условиях приводит к выпадению самородного селена. Присутствие ферроселита в селеновой полосе на окисленной стороне поверхности окислительно-восстановительного раздела свидетельствует о том, что в процессе рудообразования в измененной оболочке присутствовали некоторые соединения серы и закисного железа. Как говорилось выше, мы уверены, что как FeCO3, так и элементарная сера, отмеченные советскими геологами, некогда действительно присутствовали в измененных оболочках, хотя, возможно, сейчас они в большинстве месторождений США разрушены.

В зависимости от конкретных условий растворы, содержащие Fе(S2О3)+, могут пройти самые различные расстояния от пород, содержащих карбонаты железа и элементарную серу, и не испытать значительных изменений, Длительность транспортировки зависит от следующих факторов: изменения концентрации реакционноспособных соединений, скорости потока подземных вод, температуры (тиосульфат менее стабилен при высоких температурах), значений Eh и pH.

Теперь позволим себе рассмотреть, что произойдет при прекращении рудообразующего процесса, например в результате структурных подвижек или изменений в питании подземных вод в связи с изменением направления потоков или подпруживанием в результате продолжающегося накопления осадков в перекрывающих формациях. Полностью окисленные гематитовые ядра остаются стабильными, в них сохраняются обогащенные железом глины, гематит, магнетит и (или) лимонит, который в конечном итоге дегидратируется до гематита. Зона рудного пирита также остается стабильной, исключая свежеосажденный FeS, если только не возникают сильно окислительные условия. Зона железистых карбонатов и элементарной серы гораздо менее стабильна из-за малой, но все же достаточной растворимости FeCO3 и метастабильности рассеянной серы. Однако для того чтобы закисное железо и сера образовали FeS и в конце концов пирит при почти нейтральных значениях pH, требуется определенное время:

В условиях слабого окисления, характерных для пострудных процессов, сера растворяется и выносится, а закисное железо превращается в лимонит:

Осветление в большинстве случаев является результатом превращения FeCO3 в FeS2, как это было показано выше, или оно может возникнуть при выносе FeCO3 слабокислыми растворами, которые не оказывают заметного влияния на элементарную серу:

В заключение следует подчеркнуть, что предложенная модель может объяснить особенности, которые мы наблюдаем во многих рудных районах США, где развиты залежи роллового типа. Она также применима для селеновой ассоциации, которая, по-видимому, сопровождает все известные ролловые залежи. Хотя при настоящих исследованиях были проведены многочисленные лабораторные эксперименты, некоторые реакции, приводимые в этой статье, еще полностью не апробированы. Предлагаемая геохимическая система твердо основана на термодинамических принципах и является, по-видимому, гораздо более вероятной, чем некоторые альтернативные модели, которые при рассмотрении не выдерживали критики.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: