Лекция 8. Пневматолитово-гидротермальные процессы и связанные с ними минеральные образования

Внедрение и кристаллизация магмы сопровождаются процессами, имеющими большое значение для преобразования горных пород и формирования важнейших рудных полезных ископаемых. В этом случае минералообразование совершается под воздействием газов и растворов, выделившихся из магмы.

Когда магма застывает на небольших глубинах, происходит энергичная возгонка — выделение больших масс вещества газообразном состоянии. При вулканических извержениях в атмосферу выносится огромное количество летучих соединений. Например, на Аляске, в долине Десяти Тысяч Дымов, выходит множество газовых струй, суммарно выносящих каждую секунду 23 млн. т. пара. Вместе с парами воды на протяжении года выносится более 1 млрд. т. соляной и 20 000 т плавиковой кислоты. Газовые и водяные источники, связанные с вулканической деятельностью, выносят столь значительные массы химических элементов, что в некоторых местах организовано их промышленное извлечение. Образование минералов из газовой фазы, главным образом в процессе возгонки, называется пневматолизом. Эти минералы осаждаются на стенках кратеров вулканов и в трещинах окружающих горных пород. При этом образуются самородная сера, некоторые сульфиды (пирит, сфалерит, галенит и др), многие галоидные соединения (флюорит, нашатырь и др.), оксиды (гематит, магнетит), сульфаты (гипс, алунит, тенардит и др.), борные соединения. Однако эти минералы образуются относительно в небольшом количестве.

Намного интенсивнее происходит минералообразование в том случае, когда легколетучие соединения не выносятся на поверхность, а задерживаются на глубине. Процессы такого «глубинного пневматолиза» сопровождают пегматитовый процесс, а также первые стадии эволюции остаточных магматических растворов, или, вернее, флюидов, так как их фазовое состояние точно неизвестно. Процессы, совершающиеся под воздействием этих растворов, называются пневматолитово-гидротермалъными или в условиях более низких температур – гидротермальными.

Пневматолитово-гидротермальные и гидротермальные минеральные образования, несмотря на значительно меньшую их массу по сравнению с магматическими горными породами, имеют весьма важное значение, так как с ними связано образование месторождений важнейших полезных ископаемых, главным образом руд цветных, благородных и редких металлов.

По современным прёдставлениям, остаточное вещество отделяется от магмы первоначально в виде газа, который затем конденсируется в жидкость. Необходимо отметить, что выделяющиеся из магмы газы могут переносить химические элементы, даже находящиеся в виде труднорастворимых соединений. Установлено, что 1 л водяного пара при 450°С и давлении около 400 атм может переносить более 200 мг SiО₂.

На протяжении первых десятилетий текущего столетия ученые считали, что летучие компоненты могут неограниченно растворяться в магматическом силикатном расплаве. Поэтому предполагали, что при медленном остывании магмы на глубине (следовательно, в условиях значительного давления) одновременно с процессами кристаллизации происходит постепенное выделение этих компонентов. Эти представления, разработанные преимущественно крупными западноевропейскими минералогами и петрографами, получили название эволюционной гипотезы образования послемагматических растворов.

В середине ХХ в. ряд исследователей, главным образом России и США, провели экспериментальное изучение поведения летучих компонентов в расплаве горных пород при большом давлении и температуре. При этом было обнаружено, что растворимость в расплавах летучих соединений, в первую очередь важнейшего из них — воды, ограничена определенными пределами. Результаты этих исследований были обобщены В.А.Николаевым, согласно представлениям которого образование послемагматических растворов происходит по следующей схеме.

Температура последних стадий кристаллизации кислых магм при глубине интрузивного массива в несколько километров, по-видимому, близка к 800°С, а наличие некоторых солей может способствовать нахождению расплава еще при более низкой температуре. По мере кристаллизации магмы в расплаве концентрируются летучие компоненты. В определенный момент их содержание превышает предел растворимости, магма вскипает и газы выделяются. Так как предел растворимости разных летучих компонентов неодинаков, то выделение газов происходит не одновременно, а в несколько этапов. Происходит как бы пульсационное выделение магматическим очагом остаточных подвижных соединений. Выделяющиеся газы устремляются от магматического очага по трещинам и порам в окружающие горные породы и при уменьшении температуры ниже критической точки воды (около 400°С) сжижаются, образуя гидротермальные растворы. Изложенные представления получили название пульсационной гипотезы.

Эволюционная и пульсационная гипотезы резко различаются объяснением состава послемагматических образований. Исходя из первой гипотезы, в районе одного крупного интрузива (батолита) должны присутствовать все типы послемагматических образований и обязательно - взаимные переходы между ними. В действительности этого почти никогда не бывает. В одних случаях доминируют высокотемпературные пневматолитово-гидротермальные образования, в других более низкотемпературные. Разные послемагматические образования отчётливо различаются между собой, и взаимопереходы между ними нехарактерны. Пульсационная гипотеза объясняет пространственное разобщение различных эндогенных минеральных образований и отсутствие постепенных переходов между ними.

Состав газово-жидких продуктов остаточного отщепления кристаллизующейся магмы в настоящее время неясен. Некоторые из исследователей предполагают, что это кислый газ, другие — что это щелочные растворы, третьи допускают наличие и того и другого, а также нейтральных растворов в зависимости от конкретных условий их образования. Возможно, в определенные моменты из магмы выделяются кислые продукты возгона, но в дальнейшем в результате взаимодействия с окружающими горными породами эти продукты приобретают щелочной характер.

Следует иметь в виду, что высокое давление обусловливает нахождение многих соединений, которые на поверхности существуют в виде свободных газов, не в свободном, а в растворенном состоянии в составе гидротермальных растворов. Эти растворы водные, с чем и связано название процесса. Но вода магматогенных растворов своими свойствами резко отличается от воды, находящейся на поверхности земли. Вода глубинных гидротермальных растворов представляет собой сгущенный пар, который при температуре ниже 400—374°С под давлением переходит в жидкую фазу. Вода в этих условиях способна растворять минералы и переносить большое количество соединений в виде как истинных, так и коллоидных растворов.

Высокотемпературные, находящиеся под большим давлением магматогенные растворы очень подвижны, энергично проникают в мельчайшие трещины и в то же время весьма агрессивны по отношению к окружающим горным, породам. Эти растворы вступают в сложные реакции с минералами и глубоко изменяют состав вмещающих горных пород. Двигаясь по трещинам, которые возникают при охлаждении горных пород или в результате тектонических процессов, растворы поступают в области более низкого давления и постепенно остывают. Под влиянием уменьшающегося давления и температуры, а главное, в итоге сложных химических реакций из гидротермальных растворов осаждаются минералы. Они постепенно заполняют трещины, по которым перемещаются растворы. Трещины, заполненные гидротермальными минералами, называются жилами.

Метасоматоз. Характерным процессом пневматолитово-гидротермальной деятельности является метасоматоз. Сущность процесса метасоматоза заключается в замещении ранее существовавших минералов новыми за счет химических элементов, приносимых газоводными высокотемпературными растворами. При этом растворение старого минерала и отложение нового совершается практически одновременно, так что порода в целом все время находится в твердом состоянии. Метасоматическое замещение происходит без изменения объема и часто с сохранением следов строения первичных минералов. Этот процесс может происходить при любой температуре, но наиболее активно протекает при высокой температуре, так как это ускоряет химические реакции. Метасоматоз предполагает энергичное перемещение крупных масс химических элементов как в изменяемую породу, так и из нее. Это возможно благодаря диффузионным явлениям и наличию в породах многочисленных мельчайших капиллярных трещин. Диффузия представляет собой перемещение веществ в результате выравнивания концентраций из участков с высокой концентрацией в участки с низкой концентрацией. В горных породах диффузия осуществляется в поровых растворах, содержащихся в капиллярных трещинах, и протекает очень медленно. Скорость диффузии увеличивается с увеличением температуры и разности концентраций, а также зависит от характера диффундирующих ионов. Чем больше радиус иона и меньше валентность, тем больше скорость его диффузии. Ионы, наиболее энергично перемещающиеся в результате процессов диффузии, имеют постоянную концентрацию в поровых растворах на данном участке и называются подвижными компонентами. Неподвижные, инертные компоненты при диффузионном метасоматозе не имеют постоянной концентрации в растворе.

В результате диффузионных явлений при взаимодействии гидротермальных растворов, поднимающихся по трещинам, с минералами горных пород возникают метасоматические оторочки, отделяющие жилы от вмещающих горных пород, так называемые зальбанды. Зоны диффузионного околожильного метасоматоза не ограничиваются зальбандами, а, постепенно затухая, распространяются в глубь горных пород. Мощность этих зон в зависимости от термодинамических условий и состава гидротермальных растворов может измеряться сантиметрами и метрами, редко превышая 10 м.

Помимо диффузии, для метасоматоза важное значение имеют явления инфильтрации, т.е. переноса вещества растворами, движущимися по более крупным трещинам и пустотам. В этом случае взаимодействие породы с растворами протекает без участия диффузии. Инфильтрационный метасоматоз сопровождается мощными изменениями горных пород.

Пневматолитово-гидротермальные тела и их минеральный состав

Среди гидротермальных образований, формирующихся на значительной глубине (до 5 км), довольно четко различаются высоко- и низкотемпературные.

Для высокотемпературной стадии глубинного гидротермального процесса характерно образование штокверков. Они представляют собой сложную систему ветвящихся трещин небольшой мощности, заполненных гидротермальными минералами. Горные породы между трещинами метасоматически преобразованы высокоподвижными газоводными растворами и содержат вкрапления новообразованных минералов. Жилы и прожилки отделяются от вмещающих пород хорошо выраженными зальбандами. В целом образуется крупный участок пневматолитово-гидротермальной минерализации. Штокверки в плане достигают 1 км и более.

Наряду со штокверками глубинные высокотемпературные растворы образуют крупные жилы, линзы, пластообразные метасоматические залежи. Основной жильный минерал — кварц. В значительном количестве встречаются турмалин, мусковит, флюорит, топаз, берилл. Среди рудных минералов типичны золото, молибденит, висмутин, пирротин, пирит, арсенопирит, халькопирит, гематит, магнетит, касситерит, шеелит, вольфрамит.

Для околожильного изменения вмещающих горных пород высокотемпературных глубинных гидротермальных образований типична грейзенизация, т.е. метасоматическое преобразование вмещающих пород с образованием породы, состоящей из кварца, слюд часто со значительной примесью турмалина, топаза, флюорита. Особенно характерна грейзенизация для гранитов и вообще кислых изверженных пород, хотя этот процесс распространяется и на все другие породы. Из других форм околожильного изменения отметим метасоматическое развитие во вмещающих породах турмалина (турмалинизация), мелкочешуйчатых светлых слюд (серицитизация) и кварца (окварцевание).

Минеральные образования рассматриваемого типа сопровождаются разными рудными месторождениями. Таковы кварцевозолоторудные месторождения Урала и северо-востока России, кварцево-касситеритовые месторождения Рудных гор (в Чехии) и кварцево-турмалиново-касситеритовые и касситеритово- сульфидные месторождения Восточной Сибири, Корнуэлла в Великобритании, кварцево-молибденовые и вольфрамитовые месторождения Забайкалья, кварцево-вольфрамитовые месторождения Португалии, юго-востока Азии и Забайкалья.

Среди жильных нерудных минералов характерны кварц и карбонаты (кальцит, анкерит, сидерит, родохрозит), иногда флюорит, барит, халцедон, хлорит. Рудные минералы представлены золотом и сульфидами (пиритом, халькопиритом, сфалеритом, антимонитом, киноварью, галенитом и др.). Часто сульфиды являются преобладающими минералами. Для относительно низкотемпературных гидротермальных месторождений характерны менее интенсивные околожильные изменения, чем для высокотемпературных. Здесь в зонах околожильных изменений развиваются мелкочешуйчатые светлые слюды, кварц, хлориты и карбонаты (кальцит, анкерит).

Типичные представители гидротермальных образований этого типа — месторождения колчеданных руд Среднего Урала, а также полиметаллических (свинцово-цинковых с примесью серебра) руд Алтая, Кавказа (Садонское месторождение) и Забайкалья. Наиболее низкотемпературными, образующимися при температуре ниже 200° С, считаются сурьмяные и ртутные месторождения. Их примерами являются крупнейшее в мире месторождение киновари Альмаден (Испания) и месторождение Хайдаркен в Средней Азии. Они представлены кварцево-кальцитовыми, местами с флюоритом, жилами, содержащими одну киноварь или антимонит и киноварь. К этой группе также относится Никитовское месторождение киновари (Донбасс).

Гидротермальные месторождения, сформированные на небольшой глубине (менее 1 км), но в широком температурном интервале, отличаются разнообразием минерального состава и обычно залегают среди эффузивных Изменения вмещающих пород в этих месторождениях весьма своеобразны. Здесь характерны процессы алунитизации под воздействием сольфатар, каолинизации под воздействием кислых гидротермальных растворов, окремнения (метасоматическое развитие халцедона и кварца) и пропилитизации (замещение темноцветных минералов хлоритом, минералами группы эпидота, кальцитом, а полевых шпатов — альбитом и серицитом).

Формы рудных тел и их вещественный состав разнообразны. В высокотемпературных гидротермальных месторождениях малых глубин встречаются совместно такие минералы, как турмалин, вольфрамит и касситерит, с одной стороны, и халцедон, сфалерит, галенит — с другой. Эти минералы, обычно разделяющиеся в глубинных гидротермальных месторождениях, здесь как бы не успели разделиться и находятся вместе. Высокотемпературные гидротермальные образования малых глубин наиболее хорошо представлены олово-вольфрамово-серебряными месторождениями Боливии. Примером может служить известное месторождение Потоси, в котором на протяжении нескольких веков добывали серебро. В этом месторождении среди рудных минералов присутствуют как высокотемпературные (касситерит, вольфрамит), так и низкотемпературные минералы сурьмы и серебра. В России к этому типу относится свинцово-оловорудное месторождение Хрустальное Приморского края, в котором руды состоят из касситерита, галенита и других сульфидов. Низкотемпературные минеральные образования этого типа формируются в настоящее время в районах активного вулканизма, осаждаясь из сольфатар, гейзеров и прочих горячих источников.

Скарны и другие контактовые образования. На контактах интрузивных массивов в условиях длительного воздействия высокой температуры и подвижных компонентов происходит глубокое преобразование вмещающих пород, сопровождающееся их перекристаллизацией и образованием серии специфических минералов. Для контактового минералообразования исключительно важное значение имеют явления метасоматоза, которые именно здесь получают наиболее яркое выражение.

Компоненты вмещающих пород, в свою очередь, оказывают воздействие на приконтактную часть магматического массива. Поэтому выделяют экзоконтактную зону, т. е. толщу измененных вмещающих пород, и зону эндоконтактную — периферическую часть интрузивного массива, измененную в результате ассимиляции составных частей вмещающей породы.

Степень выраженности контактового процесса зависит от состава внедряющейся магмы и окружающих горных пород. Массивы основных горных пород, образовавшихся из магмы, содержащей сравнительно небольшое количество летучих компонентов, обычно сопровождаются умеренным развитием контактовых явлений.

Кислая магма богата легкоподвижными компонентами, поэтому для массивов гранитов и гранодиоритов типичны хорошо развитые зоны контактового минералообразования.

Кварцсодержащие горные породы (песчаники, граниты и др.) при контактном воздействии изменяются сравнительно слабо. Глинистые породы на контактах изменяются главным образом под воздействием температуры. При этом происходит перестройка кристаллохимических структур глинистых силикатов в структуры силикатов типа андалузита, дистена, силлиманита, гранатов. Кварцево-силикатные породы, измененные контактовыми процессами, называются роговиками. Более сильному преобразованию подвергаются изверженные породы основного состава. Но особенно интенсивно преобразуются известняки и другие карбонатные породы.

Легкоподвижные компоненты, в виде газов и растворов поступающие из остывающего интрузивного массива, в результате взаимодействия с этими легко реагирующими породами образуют мощные метасоматические тела, которые носят название скарнов. Минералогический состав скарнов весьма своеобразен: Преобладающие минералы в них — кальциевые гранаты (обычно андрадит, реже гроссуляр), кальциевые пироксены (главным образом дионсид), эпидот; распространены также лучистые роговые обманки (актинолит, тремолит), кальцит, кварц, хлорит, магнетит, гематит, сульфиды и многие другие.

Иногда заметно зональное строение скарнов. В непосредственной близости от интрузивного тела скарны сложены наиболее высокотемпературными минералами (магнетитом, гематитом, андрадитом, диопсидом). Дальше от интрузива преобладают апидот, лучистые амфиболы, хлориты, сульфиды. Для периферических участков типичны кварц, кальцит, иногда флюорит и барит.

По мнению Д.С.Коржинского, образование скарнов происходит в результате процесса биметасоматоза - диффузионного обмена инертных компонентов между известняками и изверженными породами под воздействием послемагматичёских растворов, богатых подвижными компонентами. Со скарнами связаны многочисленные рудные месторождения меди, свинца и цинка, молибдена, и вольфрама, кобальта и других металлов. Широкой известностью пользуются железорудные скарновые месторождения Урала — горы Магнитная, Благодать. Скарновым является также крупное молибденово-вольфрамовое месторождение Тырныауз на Северном Кавказе.

Парагенезис минералов. Сопоставляя известные нам сведения о минералообразовании при собственно магматическом и последующих процессах, можно заметить, что минералы образуют не случайные сочетания, а вполне закономерные группировки. Состав этих группировок, или ассоциаций, в основном определяется химическим составом исходного вещества и физико-химическими условиями образования минералов.

Значение состава исходного вещества для образования минералов можно иллюстрировать следующим примером. Если кристаллизующаяся магма содержит небольшое количество SiО₂, то среди образовавшихся минералов будут отсутствовать не только соединения, полностью состоящие из кремнезема (кварц), но и минералы, содержащие предельно большое количество SiО₂. Так, из магмы, насыщенной SiО₂, кристаллизуются плагиоклазы типа олигоклаза или олигоклаза-альбита, содержащие 60—65% SiО₂, а из магмы с низким содержанием кремнезема кристаллизуются плагиоклазы высоких номеров (лабрадор, битовнит), содержащие 45—50% SiО₂. Поэтому при нормальном развитии магматического процесса совместное нахождение кварца и битовнита невозможно, а сочетание кварца и олигоклаза – обычное явление.

Термодинамические условия образования минералов также имеют важное значение для их совместного нахождения. Образования, возникающие при кристаллизации магмы в условиях высоких давлений и температур, будут состоять из одних минералов, а формирующиеся из гидротермальных растворов при значительно меньших давлениях и температурах — из других.

Явление совместного нахождения минералов, обусловленного общим процессом их образования, называется парагенезисом. Закономерная группировка минералов, имеющих общее происхождение, называется парагенетической ассоциацией минералов.

Совместное нахождение минералов в одном штуфе само по себе еще не является указанием на их парагенетическую связь между собой. Это можно утверждать, лишь установив, что все минералы образовались в результате общего процесса. Поясним это следующим примером. В образце грейзенизированного гранита наряду с породообразующими минералами гранита (микроклином, кварцем, роговой обманкой, биотитом) присутствуют мусковит, топаз, альбит. Эти минералы образовались в результате особого послемагматического процесса и парагенетически не связаны с минералами, возникшими при кристаллизации гранитной массы. Кроме того, грейзенизированный гранит может быть рассечен системой кварцево-касситеритово-сульфидных прожилков. Все упомянутые выше минералы, хотя и находятся в одном штуфе, имеют разное происхождение и не имеют парагенетической связи. В рассматриваемом случае намечаются три парагенетические ассоциации, соответствующие трем стадиям, или этапам, минералообразования: собственно магматической (кристаллизация гранита), послемагматической высокотемпературной (грейзенизация) и более низкотемпературной гидротермальной (образование кварцевых прожилков).

Последовательность образования минералов удобно изображать виде так называемой парагенетической таблицы, где черными полосами показано образование минералов по стадиям. Начало и конец полосы соответствуют началу и прекращению образования минерала в каждом процессе (стадии). Толщина полос условно характеризует относительное количество каждого минерала.

Как видно на рисунке, некоторые минералы образуются только в результате одного определенного процесса, на протяжении одной стадии, другие возникают в результате различных процессов и соответственно на нескольких стадиях минералообразования. Так, микроклин полностью кристаллизуется в магматическую стадию; сфалерит и халькопирит — полностью в гидротермальную, а образование кварца происходит на протяжении всех трех стадий минералообразования. Изучение парагенетических ассоциаций минералов представляет большой теоретический интерес, так как способствует пониманию сложных процессов минералообразования и в то же время имеет важное практическое значение. Еще в глубокой древности были известны тесные парагенетические связи некоторых минералов: золота и кварца, галенита и сфалерита и др. Ориентируясь на эти связи, производили поиски руд. Многие минералы, весьма ценные для промышленности, образуют очень мелкие выделения, обнаружить которые невооруженным глазом невозможно. Лишь целенаправленно изучая с применением специальной аналитической аппаратуры минеральные образования, представленные соответствующими парагенетическими ассоциациями, можно обнаружить эти минералы.