Лекция 13. Месторождения кор выветривания

Рассмотрение геологии месторождений экзогенной группы мы начнем с коры выветривания.

Поверхностная зона земной коры представляет собой арену постоянных и непрерывных реакций между горными породами литосферы и составными частями гидросферы, атмосферы, биосферы. Эти реакции обуславливают очень сложную систему изменений в самой верхней части литосферы, именуемой корой выветривания.

Процесс выветривания сосредоточен обычно в той части геологического разреза, где происходит движение поверхностных вод атмосферного происхождения (вадозных вод), являющихся главным фактором выветривания. Последние делятся на почвенные и грунтовые воды.

Первые сосредоточены у самой поверхности, питаются почти исключительно атмосферной влагой и являются сезонными (на жаргоне горняков их часто именуют верховодкой). Они содержат в значительном количестве кислород и другие элементы атмосферы (включая микроорганизмы) и определяют ярко выраженный окислительный характер преобразования горных пород. Эти воды энергично разрушают породы химическим и физическим путем, превращая толщу первичных пород в верхнюю часть зоны окисления (подзона выщелачивания).

Грунтовые воды располагаются на более значительной глубине (до многих сотен метров). Сверху они ограничены поверхностью называемой уровнем грунтовых вод, или гидростатическом уровнем, определяемым глубиной залегания водопроницаемого слоя относительно дневной поверхности и рельефом местности, снизу – кровлей водонепроницаемого слоя, играющего роль водоупора, с низким значением коэффициента фильтрации вод (обычно не более 0,1 м/сут). Грунтовые воды имеют нисходящее, подчиненное силе тяжести направление движения, от мест высокого стояния в сторону более низкого. Сверху от горизонта грунтовых вод выделяется капиллярный ореол – толща пород, пронизанная влагой, поднимающейся по трещинам и порам в силу капиллярного натяжения.

В составе грунтовых вод более низкое содержание кислорода, в то же время они обогащены элементами дренируемых ими горных пород и руд. Их работа выражена в концентрации многих элементов, нередко область вторичного отложения этих элементов (в низах зоны окисления, на границе окислительной и восстановительной геохимических обстановок) называют подзоной цементации.

Между горизонтами почвенных и грунтовых вод выделяется так называемая мертвая зона, или зона аэрации – т.е. свободного нисходящего движения атмосферных вод без их накопления.

Если грунтовые воды проникают между водонепроницаемыми пластами, то они, уходя глубоко от поверхности, обретают характер напорных (артезианских) вод.

Движение подземных вод (как почвенных, так и грунтовых) приводит к чрезвычайно сложной и интенсивной миграции элементов, в том числе металлических, и приводит к образованию рудных месторождений коры выветривания.

В области разложения горных пород и руд (от поверхности до восстановительного барьера, обычно приуроченного к подошве водоносного слоя) происходит механическое разрушение (дезинтеграция) пород в силу неравномерного расширения минералов под воздействием солнечного тепла и сжатия под воздействием холода. Этот процесс усиливает раскалывающее действие замерзающей воды в холодных климатических обстановках и кристаллизация солей в аридных обстановках, а также разрушительное действие корней растений. Поэтому механическое выветривание чрезвычайно активно в зоне тундры, тайги и засушливых степей, полупустынь, пустынь. Механическое разрушение происходит в комплексе с химическим, стимулируемым разностью электрических потенциалов, возникающим при скачке температур (замерзание воды и таяние льда), а также кристаллизации солей. При этом доминирующую роль играет все-таки механическое выветривание. Поэтому в высокоширотных и аридных обстановках не характерны современные им мощные площадные коры химического выветривания. Преобразование пород ограничивается их превращением в глыбы, щебень, дресву, песок, алеврит с подчиненным количеством глинистых минералов. В то же время по зонам дробления пород с сульфидной минерализацией развиты линейные зоны интенсивного окисления, иногда уходящие на глубину в десятки и сотни метров.

Во влажных умеренно теплых и особенно тропических обстановках преобладает химическое выветривание под воздействием кислорода и углекислоты воздуха, гумусных кислот почвы, микроорганизмов (типа ferrooxidance и др.). Мощный дополнительный импульс к выветриванию пород вносят сульфат-ионы, образуемые при окислении сульфидов.

В итоге в коре выветривания остаются лишь те минералы, которые устойчивы в данных физико-химических условиях. К таковым относятся (по мере убывания устойчивости) глиноземистые минералы (составные части бокситов – бемит, диаспор, гиббсит и др.), окислы и гидроокислы железа (гематит, лимонит), глинистые – каолин, монтмориллонит, галлуазит, гидрослюды; кварц, остаточные силикаты.

В числе первых (даже в условиях полярного климата) разрушаются биотит и флогопит, замещаемые сначала вермикулитом, а затем гидрослюдами и т.д. Более устойчивы светлые слюды (мусковит и др.), хлорит, гранат. В ряду главных породообразующих минералов устойчивость в коре выветривания возрастает в направлении: оливин – пироксены - амфиболы - полевые шпаты - кварц.

В корах химического выветривания характерна вертикальная зональность. Сверху вниз сменяются подзоны различных по интенсивности преобразований пород субстрата, образующие ряд: глиноземистые минералы (латеритные коры выветривания в тропиках) – каолиновые – гидрослюдисто-лимонит-кварцевые – сульфатно-кварцевые (иногда в низах этой подзоны – кварцевых, баритовых песков и сульфидных сыпучек)– трещиноватых коренных пород с реликтами силикатных и первичных рудных минералов (иногда сцементированные переотложенным рудным веществом) – слабо трещиноватые коренные породы и руды.

В условиях сурового и умеренного климата выветривание не идет дальше образования обычного обломочного (глыбово-щебнисто-дресвяно-песчано-глинистого) элювия. Из элювия выносятся легко подвижные компоненты (катионы щелочных и щелочно-земельных металлов, алевритисто-глинистые частицы, вымываемые талыми и дождевыми водами) и накапливаются наиболее тяжелые и устойчивые при выветривании минералы – золото, платина, касситерит, шеелит, вольфрамит, монацит и др.). Непосредственно над рудным телом образуются элювиальные россыпи таких минералов, в которых содержание металлов нередко намного выше, чем в коренной руде. Таким образом происходит механическая концентрация минералов и металлов.

При наличии заметного количества сульфидов в рудах и околорудных породах, даже в суровых климатических обстановках, происходит интенсивное химическое преобразование. Из сульфидов самым нестойким является пирротин, далее следуют блеклые руды, галенит, халькопирит, сфалерит, арсенопирит, марказит, пирит. При их окислении образуются с одной стороны серная кислота, с другой стороны – естественная разность потенциалов, которые многократно ускоряют процессы окисления. Сульфиды замещаются окислами, сульфатами и карбонатами. Накопление самого распространенного металла – железа достигает такой концентрации, что окисленные руды превращаются в бурые и красные железняки, почти нацело сложенные окислами и гидроокислами трехвалентного железа (железные шляпы сульфидных месторождений).

Даже такой химически стойкий металл, как золото, в зоне окисления становится активным мигрантом. Золото мигрирует сверху вниз, его частицы укрупняются до образования самородков, нарастают его содержания. Вместе с золотом мигрирует серебро, а также кремнезем с образованием в низах зон окисления кварцевых, барит-кварцевых песков иногда сцементированных опаловидным кварцем в плотную кремнистую плитку. Содержания золота в такой кремнистой породе достигают ураганных значений (до 1000 г/т и более при содержании в первичной руде 1-4 г/т). Примером многократного укрупнения золота в зоне окисления является железная шляпа Учалинского медноколчеданного месторождения. В первичной руде золотины имеют микронный размер, а в зоне окисления при разработке фиксировались самородки до 80 г. Аналогично ведет себя и серебро. Нередко концентраторами переотложенного золота и серебра является новообразованный барит. Серебро эффективно накапливается также в гипергенных окислах марганца (псиломелане, пиролюзите и др.).

Зоны окисления сульфидных месторождений, помимо окислов и гидрооокислов железа, сложены черными окислами марганца, реже красными - меди (куприт), сложными сульфатами железа (ярко-желто-охристые фиброферрит, ярозит, мелантерит и др.), свинца (вишнево-розовый англезит), кальция (гипс), магния (бледно-розовые квасцы), карбонатами меди (зеленый малахит, синий азурит), цинка (голубоватый церуссит), и др. вторичными минералами. Образуются также сложные фосфаты меди (голубая бирюза), мышьяка и железа (сургучно-оранжевый питтицит), силикаты меди (хризоколла), цинка (смитсонит) и др. вторичные минералы. Весьма разнообразна и сложна минералогия окисленных руд серебра и урана (десятки минералов и их разновидностей).

В низах зоны окисления сульфидных залежей развиты горизонты рыхлых сульфидных песков, сложенных в основном пиритом с значительной примесью ковеллина и других вторичных сульфидов меди. В них также характерны высокие содержания золота и серебра.

Ниже окислительно-восстановительного барьера происходит цементация (вторичное сульфидное обогащение) первичных руд цветных металлов переотложенным сверху вниз рудным веществом. Здесь образуются такие богатые медью минералы, как ковеллин, халькозин, борнит, иногда самородная медь, а также новообразованные блеклые руды, галенит, сфалерит, минералы серебра, в том числе самородное серебро, реже самородные цинк, свинец, ртуть. Содержания золота здесь ниже, чем в кремнистой подзоне, но выше, чем в первичной руде.

В целом выше описанные «железные шляпы» - зоны окисления по сульфидным рудам, являются наиболее яркой, контрастной разновидностью более масштабных кор выветривания, развитых также и по околорудным метасоматитам сульфидных месторождений, и по малосульфидным рудам, и по безрудным породам. И в том, и другом, и в третьем случае могут развиваться промышленные экзогенные месторождения. Примеры крупных месторождений золота в корах выветривания по метасоматитам – Олимпиада на Енисейском кряже, Светлинское на Южном Урале.

Благоприятными условиями для развития зон окисления (и, более широко – кор выветривания в целом) являются: стабильный тектонический режим, умеренное поднятие территории, способствующее развитию и длительному сохранению поверхностей выравнивания (пенепленов) с умеренной расчлененностью рельефа, слабая эрозионная активность, наличие в рудах и вмещающих породах химически активных минералов (в первую очередь сульфидов, а также карбонатов), водонасыщенность пород и руд. Климатическая зональность территории важна, но не является приоритетной (линейные зоны окисления по минерализованным зонам дробления развиваются и в суровом климате). Температурный режим окисления сульфидов и других минералов имеет экзотермический характер, судя по парагенетической ассоциации минералов температура может достигать 80°, т.е. она сопоставима с температурой образования обычных гидротермальных (эпитермальных) месторождений. Контрастность минералообразования в зонах окисления также вполне способна конкурировать с таковой в эндогенных месторождениях.

Изучение зон окисления сульфидных месторождений способно приносить геологам сюрпризы даже в детально изученных и давно освоенных рудных районах. Например, в одном из старейших в мире районов золотодобычи – рудном поле колчеданного месторождения Рио-Тинто в Испании, интенсивно разрабатывавшемся еще античными римлянами, недавно выявлены запасы рудного золота в количестве 100 тонн в коре выветривания, образованной по околорудным метасоматитам колчеданных залежей. Детально строение таких золотоносных кор выветривания приведено в дополнительном материале к этой лекции.

Примеры преобразования в зоне окисления первичных малосульфидных руд весьма многочисленны. Это прежде всего кварцевые жилы – представители золото-кварцевой рудной формации. В пределах зоны окисления (наличие которой обусловлено не столько собственными сульфидами кварцевых жил, обычно не более 1-5 %, сколько значительно более масштабной пиритизацией вмещающих пород) золото крупное, россыпеобразующее, нередко с самородками. При углублении в зону первичных руд без признаков окисления и содержание золота, и размеры золотин заметно падают. Попытки объяснить такие изменения (обычно в диапазоне глубин 20-30 м) первичной эндогенной вертикальной зональностью оруденения не состоятельны, принимая во внимание частое отсутствие в неокисленных кварцевых рудах сколько-нибудь заметных вариаций состава и качеств в диапазонах глубин в сотни метров. Кроме того, в зоне окисления нередко происходит повышение пробности самородного золота за счет образования на поверхности золотин высокопробной оторочки.

Увеличение размера золотин в зоне окисления можно объяснить, принимая во внимание способность золота к растворению в хлорной среде, а также влияние органических кислот и бактерий. Изучение химизма грунтовых вод в зоне окисления месторождений показывает, что наряду с преобладающим сульфат-ионом грунтовым водам присущи также повышенные концентрации хлор-иона. «Разрастание» частиц золота идет скорее всего электрохимическим путем, подобно кристаллизации из раствора обычных солей. В итоге в близповерхностной части кварцевых жил образуются и уникальные гнезда и самородки (Большой Треугольник в Миассе весом 36 кг, Ирендыкский Медведь в Башкирии весом 4,8 кг, глыба кварца на Миндякском месторождении, из которой было выколочено 36 кг золота, Приятный Незнакомец в Австралии весом 68 кг, там же Плита Холтермана - пластина жильного кварца весом 260 кг, в которой находилось 160 кг золота). В эндогенных рудах, не претерпевших гипергенного преобразования, самородки крайне редки и образуются обычно там, где на рудные жилы накладывается термальный метаморфизм со стороны послерудных интрузий (Игуменовское месторождение на Колыме).

Также и в зонах малой и умеренной сульфидной вкрапленности (золото-сульфидная формация) происходит заметное нарастание содержаний и укрупнения размеров частиц золота. Пример – месторождение прожилково-вкрапленных руд Муртыкты в Учалинском районе РБ, где в зоне окисления золотины достигают размера в несколько мм и питают многочленные ложковые россыпи на склонах рудоносной возвышенности, а содержания золота в рудных гнездах достигают 1000 г/т, в то время как в первичных сульфидных рудах размер золотин не превышает 70-100 микрон, а содержания –10-15 г/т.

Таким образом, вслед за крупнейшими знатоками зон окисления золоторудных месторождений М.В. Альбовым и Н.В. Нестеровым можно утверждать – без развитой зоны окисления золоторудных месторождений нет и промышленных россыпей с легко извлекаемым крупным металлом.

Аналогично золоту ведет себя и платина – в коре выветривания рудоносных дунитов с гнездами хромитов, несущих вкрапленность платины и других металлов платиновой группы, происходит увеличение концентраций и размера частиц платины до образования самородков. Коры выветривания по рудоносным дунитам Соловьевой Горы и других платиноносных интрузий Урала питают россыпи, давшие в совокупности 500 т платины.

Имеются также примеры промышленных элювиальных скоплений касситерита (Шерлова Гора в Забайкалье), валунчатых россыпей гематита, магнетита (г. Магнитная), хромита (Сарановское месторождение на Урале).

В последнее время вырос интерес к окисленным медным рудам в корах выветривания, развитых на рудных полях эндогенных месторождений традиционных типов (скарновых, колчеданных, меднопорфировых, медистых песчаников). Этот интерес обусловлен внедрением новых геотехнологий извлечения металлов с помощью рабочих растворов, закачиваемых в недра и откачиваемых с поступлением в установки сорбции металла. Примером весьма успешного внедрения этой технологии является Гумешевское месторождение скарнового типа, одно из старейших на Урале. Добыча медной руды началась там в 1702 г. В 1994 г. балансовые запасы медной руды исчерпались. Остались так называемые медьсодержащие глины в песчано-глинистой коре выветривания, заполняющей карстовый провал в оруденелых скарнах. Традиционным способом переработать их было невозможно. В последние 10 лет переработка этих глин весьма успешно осуществляется Русской медной компанией с помощью гидрометаллургии (скважинное сернокислотное выщелачивание). Такой опыт дает возможность повысить экономическую эффективность получения меди, металлургам становятся доступны бедные руды небольших месторождений, ранее считавшихся забалансовыми, что позволит хотя бы частично компенсировать дефицит медной руды в регионе.

Примеры образования рудных месторождений в корах выветривания по безрудным породам или непромышленным рудам также многочисленны. Например, это месторождения никеля и кобальта из оксидно-силикатных руд кор выветривания серпентинитов, образующиеся в условиях умеренно теплого, субтропического и тропического климата (Верхне-Уфалейское и Буруктальское месторождения на Южном Урале, крупнейшие месторождения Новой Каледонии, Кубы, Австралии и др.). Главными минералами никеля в них являются гарньерит, ревдинскит, никеленосный нонтронит. Самые богатые руды образуются в карстовых западинах на контакте серпентинитов и известняков.

Кроме никель-кобальтовых руд, в корах выветривания по серпентинитам образуются промышленные месторождения железных руд типа бурых железняков (Алапаевское на Среднем Урале, Халиловское на Южном Урале, Моа на Кубе и др.). Руды имеют гематитовый состав на поверхности и лимонитовый на глубине. Вертикальная мощность рудных залежей колеблется от 7-15 м до 40-60 м, ширина –до первых сотен метров, длина измеряется многими километрами, запасы руды - сотнями миллионов тонн. Руды содержат 30-50 % железа, они высокотехнологичные (легко плавкие), являются природно легированными никелем и хромом, почти не содержат вредных примесей – серы и фосфора. Иногда с глубиной железные руды в таких корах выветривания переходят в никелевые.

Аналогичным образом в тропической коре выветривания образуются месторождения богатых руд марганца за счет разложения и окисления первичных силикатных марганец содержащих кристаллических пород (докембрийских гондитов). Последние в качестве марганцевого сырья интереса не представляют из-за низкого содержания металла и его силикатной формы (марганцовистые гранаты и др. минералы), не востребованной металлургами. При выветривании происходит перевод марганца в оксидную форму, и образуются лежащие на поверхности протяженные плащеобразные залежи рыхлых руд с чрезвычайно высоким содержанием металла 40-50 % (месторождения Габона, Индии, ЮАР).

В условиях тропического латеритного выветривания в корах выветривания по безрудным породам (прежде всего по высокоглиноземистым базальтам и продуктам их метаморфизма, глинистым сланцам, основным гнейсам) образуются мощные залежи высококачественных бокситов (месторождения Гвинеи, Гайаны, Ямайки, Австралии и др.). Минералы глинозема – бёмит, гиббсит, диаспор и др. – являются конечными, самыми стойкими компонентами выветривания в его крайней стадии, когда с поверхности коры растворяются и удаляются даже такие инертные компоненты, как SiO₂ и Fe₂O₃. Такие коры «бронированы» залежами бокситов, достигающими мощности в первые десятки метров при огромной площади. Запасы глинозема при его содержании 50 % и более в крупных месторождениях тропических стран измеряются миллиардами тонн. В России латеритные бокситы сохранились лишь в виде реликтов древних кор выветривания, и масштабы их не столь велики.

Коры выветривания имеют большое значение для образования богатых экзогенных руд редких и редкоземельных металлов. Примером образования масштабного промышленного месторождения олова в комплексе с ниобием и танталом является крупное месторождение на плато Джос в Нигерии, развитое по щелочным гранитам с рассеянной акцессорной минерализацией касситерита, колумбита, танталита. Первичная минерализация не имеет промышленного значения из-за низких содержаний металлов, однако в коре происходит, во первых, улучшение обогатимости руд благодаря превращению её в рыхлую массу, во вторых, повышение содержания металлов. Скорость корообразования в условиях тропиков такова, что на отработанных блоках гипергенных руд в течение года снова образуется слой дресвяно-глинистых руд мощностью 0,2-0,4 м.

Пример коры выветривания с повышенным содержанием редкоземельных элементов в РБ – щебнисто-дресвяно-песчано-глинистая кора по грейзенизированным микроклиновым гранитам мазаринского комплекса на водоразделе рек Миндяк и Белая к северо-западу от пос. Миндяк.

Чрезвычайно высокие содержания редких и редкоземельных металлов образуются в корах выветривания по карбонатитам. Примеры – месторождения Бразилии и Восточной Африки.

Кроме того, безрудная часть кор зрелого химического выветривания – залежи каолиновых глин – также представляет собой ценное, остродефицитное технологическое сырье для изготовления фарфора, керамики, изоляторов, проппантов для буровых растворов и т.д.

Таким образом, месторождения в корах выветривания – чрезвычайно разнообразный, сложный, промышленно важный и еще недостаточно изученный тип оруденения.

Дата добавления: 2014-01-07