Примеры исследований последовательности образования минералов

Несмотря на трудности обобщения, образование рудных минералов во многих рудах может быть связано с одним из четырех главных процессов.

1. Образование во вмещающих (или боковых) породах, если они являются изверженными, первичных окислов, а если осадочными — детритовых или аутигенных рудных минералов (например, фрамбоидального пирита, окислов титана).

2. Основным эпизодом часто многостадийной минерализации обычно является привнос флюидов, летучих или магмы, претерпевающих охлаждение.

3. Вторичное обогащение (в зоне гипергенного изменения), выражающееся в структурах обрастания и замещения.

4. Окисление и выветривание с возникновением опять-таки структур замещения и образованием окислов, гидроокислов, сульфатов, карбонатов и т. д.

Образование минералов осуществляется обычно в указанной последовательности, хотя для многих месторождений имеются данные об их образовании лишь в ходе первых двух процессов. Важно отметить также, что многие минералы неоднократно образуются в процессе рудоотложения, при этом различные генерации могут обладать различным габитусом (например, наиболее ранние фрамбоиды пирита —> кубы пирита —> поздний колломорфный пирит) или химическим составом.

В минералогической литературе часто рассматриваются результаты исследования последовательности образования минералов, проводившегося с различной степенью детальности. Мы остановимся на трех современных исследованиях как на примерах того, что может быть сделано при тщательном наблюдении и использовании имеющихся данных.

Медно-никелевые руды района Садбери, Онтарио. Последовательность образования минералов в массивных медно-никелевых рудах района Садбери была выявлена в результате полевых и микроскопических исследований и изучения фазовых равновесий. Залегание этих руд в основании массива основных изверженных пород позволило интерпретировать их как продукты интрузивной деятельности. Обычно наблюдается постепенный переход (снизу вверх) от массивных руд к вкрапленным, в которых обособленные «капли» сульфидов распределены в силикатной основной массе. Это свидетельствует о том, что сульфиды — пирротин с подчиненными количествами пентландита, халькопирита, пирита и магнетита — возникли в виде несмешивающихся сульфидных расплавов, которые после отделения от материнской силикатной магмы соединялись в основании интрузива благодаря гравитационному осаждению. Впоследствии аналогичные сульфидные капли были обнаружены в корках базальтовых лавовых озер на Гавайских островах, в подушечных лавах срединно-океанических хребтов и при лабораторных исследованиях растворимости серы в ультраосновных расплавах, что определенно подтверждает возможность такого общего способа их происхождения. Хотя непосредственное отделение и сегрегация сульфидного расплава, несомненно, представляют собой процессы, в результате которых образуются многие руды, подобные рудам Садбери, современные теории происхождения последних предполагают более сложную их историю с несколькими фазами внедрения богатых сульфидами и силикатами магм, уже претерпевших некоторую дифференциацию.

Первым минералом, кристаллизовавшимся из сульфидно-окисных расплавов Садбери, был магнетит, который образовался в виде отдельных скелетных до идиоморфных или гипидиоморфных зерен (рис. 8.8, а). С началом кристаллизации магнетита вся сульфидная масса или ее большая часть кристаллизовалась в виде никель- и медьсодержащей высокотемпературной пирротиноподобной фазы (мтр — моносульфидный твердый раствор). Изучение фазовых равновесий Юндом и Куллерудом и Налдреттом и др. показало, что при последующем охлаждении мтр медь и никель уже не могут оставаться в твердом растворе. Выделение меди в виде высокотемпературной халькопиритоподобной фазы (птр — промежуточный твердый раствор), вероятно, начиналось при снижении температуры до 400—500°С; большая часть меди выделилась прежде, чем температура понизилась до 300 °С, но небольшие ее количества продолжали образовываться из мтр по мере охлаждения до 100°C или ниже. Распад твердого раствора с выделением никеля в виде пентландита начинался, как только граница бедного серой охлаждающегося мтр достигала валового состава руды в каком-либо участке. Пентландит неустойчив при температуре выше приблизительно 610 °C (при более высокой температуре он разлагается на мтр+хизлевудит NiaS2), однако диаграмма валовых составов большинства медно-никелевых руд, включая руды Садбери, показывает, что образование пентландита происходило при температуре не выше примерно 400 °С. Лабораторные исследования показали, что выделение никеля в виде пентландита осуществляется в форме кристаллографически ориентированных пластинок в мтр. Однако при медленном охлаждении от 400 до ~ 100°С ранее выделившаяся халькопиритоподобная фаза имеет склонность соединяться в ксеноморфные массы (рис. 8.8, а), а пентландит — диффундировать и перекристаллизовываться в виде цепочкообразных прожилков в интерстициях зерен мтр. При дальнейшем охлаждении до температур ниже 100—200 °C скорости диффузии никеля будут значительно более низкими, и последний пентландит, возникающий при распаде твердого раствора, сохранится в виде мельчайших ориентированных пламевидных выделений (рис. 8.8, б). Охлаждающаяся птр-фаза выделяет местами кубанит (рис. 8.8, в) в виде продуктов распада твердого раствора и лерекристаллизовывается в халькопирит.

Положение пирита, неравномерно распределенного в рудах Садбери, в последовательности образования минералов зависит от локального валового содержания серы в сульфидной массе, однако присущая ему склонность образовывать идиоморфные зерна маскирует его место в последовательности. Если локальное содержание серы было менее 38 вес. %, то пирит не образуется в мтр до тех пор, пока не произойдет охлаждения руд до температуры ниже 215 °C и значительная часть пентландита не выделится в виде продуктов распада твердого раствора. Однако если локальное содержание серы превышает примерно 39 вес. %. то может начаться образование пирита, когда граница богатого серой мтр сместится до локального валового состава. В обоих случаях пирит и пентландит не могли бы сосуществовать до тех пор, пока температура не понизилась бы примерно до 215 °C.

Пирротин в рудах Садбери состоит из смеси моноклинной и гексагональной модификаций и представляет собой низкотемпературную часть мтр после выделения из него меди и никеля в виде птр (или халькопирита) и пентландита. Из рис. 8.9 следует, что эти две формы пирротина образовались лишь после почти полного охлаждения руд.

Завершающей стадией в последовательности образования минералов в медно-никелевых рудах Садбери было локальное развитие виоларита как продукта изменения пентландита (и иногда пирротина) (рис. 8.8, г). Образование виоларита по пентландиту, вероятно, свидетельствует не о состоянии равновесия, а о той легкости, с которой структура пентландита превращается в структуру виоларита с удалением железа и никеля при выветривании.

Последовательность образования минералов в рудах Садбери в общем виде представлена на рис. 8.9. Мтр и птр приведены в скобках, так как их роль определяется лишь при изучении фазовых равновесий.

Оловянно-вольфрамовые руды Боливии. При детальном изучении минералогии, последовательности образования и геотермометрии боливийских оловянно-вольфрамовых руд Келли и Тернор установили сложную историю их образования. Эти руды интерпретируются как субвулканические жильные, образовавшиеся на глубинах 350—2000 м в интервале температур 350—70 °С. По данным изучения газово-жидких включений рудообразующий раствор представлял собой насыщенный NaCl рассол с низким содержанием CO2, который вскипал по крайней мере в последние моменты периода рудообразования. Последовательность образования минералов, кратко рассмотренная ниже, представлена в общем виде на рис. 8.10.

В наиболее раннюю жильную стадию наблюдаются срастания кварца с апатитом в виде крупных полос вдоль зальбандов. Кварц обрастает касситеритом, слагающим центральную часть жилы и выстилающим стенки полости хорошо образованными кристаллами (рис. 8.11, а). Принято считать, что висмутин иногда кристаллизовался ранее касситерита, так как он окружен и замещен им. В стадию образования сульфидов цветных металлов пирротин и станнин выполняют пространства между кварцем и касситеритом и частично их замещают (рис. 8.11, б). Сфалерит содержит продукты распада твердого раствора, представленные халькопиритом, пирротином и станнином. Ранний флюорит образует срастания со сфалеритом и пирротином (рис. 8.11, в). Пирнт-марказит-сидеритовая стадия выделяется по замещению пирротина (рис. 8.11, г). Гипогенная природа этого замещения подтверждается высокими температурами гомогенизации газово-жидких включений в сидерите. Изменение пирротина начинается вдоль жилок и трещи и, но может приводить к образованию идеальных пирит-марказитовых псевдоморфоз по кристаллам пирротина. Конечные стадии в последовательности минералообразования представлены прожилками и крустификационными полосками 1) сидерита, сфалерита и позднего флюорита и 2) водного фосфата. На рис. 8.10 прослежены общая последовательность образования минералов в рудах и температурная история последних.

Свинцово-цинковые руды Северных Пеннин, Англия. Рудное поле Северных Пеннин содержит свинцово-цинково-барит-флюоритовую минерализацию преимущественно в виде жил трещинного выполнения, расположенных большей частью в нижнекаменноугольных отложениях. Изучение газово-жидких включений показывает, что растворы, из которых отлагались эти минералы, были рассолами и что кристаллизация происходила при температурах ниже 250 °С.

Ассоциации сульфидных минералов в Северных Пеннинах изучались Воганом и Иксером, которые выявили четкие различия в ассоциациях на севере (участок Альстон-Блок) и на юге рудного поля (участок Аскригг-Блок). На последнем участке наблюдается устойчивая общая последовательность образования минералов, приведенная на рис. 8.12.

Ранний диагенетический фрамбоидальный пирит обнаружен во вмещающих известняках в тесной ассоциации с небольшими углистыми включениями. Эти пиритовые фрамбоиды могли служить зародышами для поздних кубических кристаллов пирита или радиально-лучистых марказита (рис. 8.13, а). Бравоит, наиболее ранний эпигенетический сульфид, в котором выявляются многочисленные зоны, встречается в виде включений во флюорите, кальците или барите (рис. 8.13, б). За бравоитом обычно отлагаются никелистый пирит и первые генерации пирита в срастании с марказитом и никелистым марказитом (рис. 8.13, в). После образования небольших количеств халькопирита (по которому в результате гипергенного изменения развиваются ковеллин и лимонит) отлагался галенит, включающий все более ранние сульфиды (рис. 8.13, г) и при выветривании превращающийся в церуссит или англезит. Сфалерит образуется позднее всех первичных сульфидов.

Эта общая последовательность в образовании минералов весьма сходна с наблюдающейся в рудном поле Южных Пеннин, в то время как на самом северном участке (Альстон-Блок) выявляются существенные различия. Авторы обсуждают наблюдаемую последовательность в связи с условиями рудообразования, которые свидетельствуют о более высоких температурах и более разнообразном составе газово-жидких включений на участке Альстон-Блок.