Условия рудообразования и использование данных о фазовых равновесиях

Использование соответствующих фазовых диаграмм может оказаться полезным: 1) в предвидении и распознавании минералов; 2) в выявлении тенденций в химизме рудообразовання (т. е. характера рудного флюида и его вариаций во времени и пространстве); 3) в понимании реакций и некоторых структурных особенностей (например, распада твердых растворов); 4) в выяснении корреляции или антагонистических взаимоотношений между минералами; 5) в распознавании равновесных и неравновесных минеральных ассоциаций; 6) в интерпретации природы рудообразующего флюида и механизмов, действовавших во время минерализации; 7) в оценке температуры и давления в период рудообразования или последующего метаморфизма.

Можно привести лишь несколько из большого числа важных фазовых диаграмм, но указанные ниже системы по крайней мере частично обсуждаются в этой книге:

Дополнительную информацию об этих и других системах можно найти в работах Вогана и Крейга, Бартона и Скиннера, Риббе, Рембле.

Большинство диаграмм, рассматриваемых в литературе, относятся к «равновесным», и их следует весьма осторожно соотносить с природными рудами, в которых также соблюдаются, по крайней мере локально, условия равновесия. Например, в Cu-Fe-сульфидных рудах такие ассоциации, как пирит — пирротин — халькопирит, пирит — халькопирит — борнит или даже пирит — дигенит — борнит, обычны, поскольку они устойчивы (см. рис. 8.14); ассоциации же пирротин — ковеллин или кубанит — халькозин неизвестны и не ожидаются, так как они неустойчивы. Важно отметить, что, хотя большая часть ассоциаций рудных минералов являются равновесными, неравновесные ассоциации не так уж необычны. Это особенно справедливо для зон окисления, характеризующихся медленной кинетикой реакций, что обусловлено низкими температурами.

Фазовые диаграммы важны для получения геотермометрических и геобарометрических данных. Геотермометры могут быть двух типов: «скользящей шкалы» и «фиксированной точки». Геотермометр типа «скользящей шкалы» основан на температурной зависимости состава минерала или пары минералов, когда они являются частью определенной ассоциации (например, когда состав пирротина находится в равновесии с пиритом, см. рис. 8.15, а). В идеальном случае определение состава пирротина, сосуществующего с пиритом, однозначно определяло бы температуру равновесия; на практике, однако, установлено, что почти все пирротины достигают новых состояний равновесия вплоть до условий комнатных температур (см. рис. 8.15, б). К сожалению, высокие скорости установления равновесных состояний сульфидов ограничивают использование многих геотермометров скользящей шкалы. Два важных исключения составляют химически устойчивые минералы, сохраняющие при охлаждении свои высокотемпературные составы и поэтому используемые в качестве геотермометров скользящей шкалы. Ими являются:

1) арсенопирит в равновесии с пиритом и пирротином (и некоторые другие менее распространенные ассоциации), как это показано на рис. 8.16;

2) сосуществующие магнетит — ульвошпинель и ильменит — гематит. Составы этих минералов, если они находятся в равновесии, однозначно определяют температуру и активность кислорода при равновесии, как это показано на рис. 9.13.

Геотермометры типа «фиксированной точки» представлены минералами или минеральными ассоциациями, участвующими в реакции (например, плавления, превращения, реакции с образованием другой ассоциации) при определенной температуре. Например, кристаллы антимонита, вероятно, образовались при температуре ниже 556 °C (температура его плавления), а минеральная пара пирит+арсенопирит — при температуре ниже 491 °С. Фиксированные точки, таким образом, не определяют точно температуру равновесия, а скорее указывают на верхний и нижний температурные пределы. Бартон и Скиннер и Воган и Крейг составили представительные списки температурных точек реакций, которые могут быть использованы как потенциально полезные геотермометры фиксированной точки. Большая часть фиксированных точек известна лишь для очень низких давлений; у точек, для которых определена зависимость от давления, температура обычно повышается на 10 °C на каждый килобар.

Исследованиями фазовых равновесий установлено, что содержание железа в сфалерите, равновесном с пиритом и пирротином, хотя не зависит от температуры в интервале 300—550 °С, зависит от давления. Эта зависимость была определена рядом исследователей, что позволяет использовать состав сфалерита в указанной ассоциации в качестве геобарометра.

Приводимое ниже уравнение связывает содержание железа (в виде FeS) с давлением равновесия: Рбар = 42,30—32,10 log мол. % FeS. Хотя сфалерит принадлежит к числу наиболее химически устойчивых рудных минералов и поэтому может сохранять состав, указывающий на первоначальное давление, он тем не менее при равновесии с пиритом и пирротином часто, по крайней мере частично, переходит в состояние нового равновесия. Такое новое равновесие, наиболее очевидное на контакте сфалерита с пирротином или халькопиритом, приводит к понижению в нем содержания FeS. В связи с этим Хатчисон и Скотт установили, что включения сфалерита, находившиеся в равновесии с пиритом и пирротином в метаморфизованных рудах и захваченные перекристаллизовывавшимся пиритом, по-видимому, сохраняют составы, лучше всего отражающие метаморфические давления. Если имеет место частичное достижение сфалеритом нового равновесного состояния, то наиболее показательными для определения давления первоначального равновесия являются сфалериты с наиболее высоким содержанием FeS, поскольку более низкотемпературное равновесие снижает содержание FeS.