Геохимия метасоматических и гидротермальных процессов

Метасоматический и гидротермальный процессы являются тесно взаимосвязанными между собой, поскольку тот и другой осуществляются под действием и при участии растворов. Вместе с тем, метасоматоз может как сопровождаться гидротермальным процессом, так и иметь независимое развитие. Различие между этими процессами заключается в агрегатном состоянии вещества во время процесса. При метасоматозе порода сохраняет в течение всего процесса твердое состояние. Метасоматическими (по Д.С.Коржинскому) называют процессы изменения химического состава породы, совершающиеся посредством замещения одних минералов другими. Замещение совершается обычно под действием поровых растворов, которые осуществляют привнос-вынос компонентов. Гидротермальный процесс это процесс образования минералов в результате отложения вещества из горячих глубинных минерализованных растворов, происходящий как в свободном пространстве (открытых трещинах), так и в порах пород. Отложение вещества из растворов практически всегда сопровождается метасоматическими изменениями вмещающих пород вследствие взаимодействия с растворами.

Геохимия метасоматических процессов

Основы теории метасоматических процессов разработаны Д.С.Коржинским и его учениками. Выделяют диффузионный и инфильтрационный метасоматоз, различающиеся по масштабам проявления вследствие различия скорости диффузии и инфильтрации. Наиболее интенсивные изменения пород происходят при инфильтрационном метасоматозе. Согласно концепции Д.С.Коржинского, фильтрующийся флюид изначально щелочного состава эволюционирует в сторону повышения своей кислотности. Имеет место кислотно-инфильтрационный эффект, обусловленный тем, что кислотные компоненты просачиваются и мигрируют быстрее оснований. Это явление получило название опережающей волны кислотности. Благодаря изменению характера растворов формируется единая, сложная метасоматическая колонка или метасоматическая зональность. Во внутренней зоне происходят ранняя микроклинизация и альбитизация и развиваются щелочные метасоматиты, обогащенные K или Na, а в раствор переходят более слабые основания. В зоне кислотного флюида протекает кислотное выщелачивание породы, сопровождающееся переходом в раствор одно- и двухвалентных оснований и накоплением высоковалентных амфотерных элементов (компонентов с более кислотными свойствами). Изменение состава раствора ведет к его нейтрализации, что вызывает ряд реакций замещения и осаждения компонентов в порядке возрастания основности, это приводит к формированию внешней зоны основных метасоматитов.

Минеральный и химический состав метасоматитов определяется двумя факторами: составом вмещающий пород и составом, в том числе и прежде всего кислотностью-щелочностью растворов. Причем главенствующим является второй фактор, а первый преимущественно сказывается на интенсивности протекания процессов, а также отчасти на рудоносности метамоматитов. В зависимости от рН растворов различают три типа метасоматических процессов, для каждого из которых характерными являются свои петрогенные элементы. Соответственно выделяют кислотный, щелочной и основной метасоматоз. Для первого типичными петрогенными компонентами являются Si, Al, для второго – щелочи (Na, K), а для третьего – основания (Fe, Mg, Ca). По минеральному составу продукты кислотного метасоматоза относятся к кварц-светлослюдистым, щелочного – полевошпатовым, а основного – темноцветным. Дальнейшее подразделение продуктов метасоматических процессов производят по температуре образования.

Кислотный метасоматоз в различных термодинамических условиях приводит к образованию грейзенов (высокотемпературные), вторичных кварцитов и аргиллизитов (низкотемпературные). Для этого процесса характерен привнос Н₂О и Н⁺, а вынос - K⁺, Na⁺, Ca²⁺, щелочноземельных и некоторых других наиболее сильных оснований.

Наибольшее значение для рудообразования имеет процесс грейзенизации. Под грейзенизацией понимают постмагматический процесс кислотного выщелачивания, связанный с гранитными интрузивами малых глубин. Он заключается в метасоматическом преобразовании пород под действием кислых высокотемпературных (500-300^оС) растворов, богатых летучими компонентами (F, Cl, H₂O, B) и кремнеземом. Собственно грейзен это кварц-мусковитовая порода, которая развивается преимущественно по породам гранитоидного состава, но известны и апокарбонатные грейзены. Состав грейзенов, также как и их рудная минерализация зависит от состава исходных пород. Для алюмосиликатных грейзенов характерны топаз, турмалин и рудные: вольфрамит, касситерит, молибденит, берилл. В апокарбонатных место кварца занимает флюорит, и для них характерна бериллиевая рудоносность.

Смена физико-химических параметров растворов в пространстве и их эволюция во времени обуславливают зональность грейзенов. В последовательности: гранит – микроклинизированный гранит – микроклинизированный и альбитизированный гранит – слюдисто-кварц-полевошпатовый метасоматит – кварцевый или кварц-топазовый, кварц-турмалиновый грейзен имеет место увеличение кислотности растворов и минеральных парагенезисов, а также закономерное размещение рудной минерализации: Nb, Ta – Be – Li, Sn, W.

Главная геохимическая черта грейзенового процесса это накопление преимущественно литофильных элементов с увеличением дисперсии их распределения. Типичными рудными элементами грейзенов являются Sn, W, Mo, Be, Li, Bi. Халькофильные элементы имеют различные тенденции поведения, то есть могут накапливаться, выноситься или быть инертными. Инертное поведение или вынос типичны для сидерофилов, Ba и Sr. Рудоносность грейзенов определяется геохимической специализацией гранитоидных интрузий. В формировании грейзенов принимают участие послемагматические растворы, отделяющиеся при кристаллизации гранитоидов, в меньшей мере метеорные воды. Основные рудные компоненты экстрагируются из гранитов. Главными причинами рудоотложения яиляется наличие геохимических барьеров: резкого перепада давления или изменения состава среды (нейтрализация кислых растворов).

Щелочные растворы вызывают образование альбититов, калишпатитов, двуполевошпатовых метасоматитов с разнообразными, в зависимости от термодинамических условий, темноцветными минералами, такими как хлорит (низкотемпературные), актинолит (среднетемпературные), щелочные амфиболы и пироксены (высокотемпературные).

Для наиболее высокотемпературных щелочно-амфиболовых фельдшпатитов характерным является накопление высокозарядных и крупноионных и других литофильных элементов: Nb, Ta, Be, Sn, TR, U, Th, Rb, Cs, Li. Максимальную склонность к выносу проявляют сидерофильные элементы и Sr. В среднетемпературных актинолитовых фельдшпатитах преимущественно концентрируются редкие литофильные металлы, такие как Mo, Sn, W, а также халькофилы – Au, Ag, Bi, As, Pb, Zn, Cu.

Геохимическая специфика низкотемпературных хлоритовых фельдшпатитов определяется типом щелочности. Натровые метасоматиты концентрируют литофильные элементы –U, Zr, TR, Sn, Be, Ba, Sr, Th, Mo, P, F, а калиевые – преимущественно халькофильные элементы – Au, Ag, As, Pb, Zn, Cu.

Основной метасоматоз происходит при наличии в системе активных концентраций средних оснований (Fe, Ca) и снижении щелочности раствора. Типичными продуктами основного метасоматоза являются пропилиты. Реакции пропилитизации заключаются в замещении плагиоклаза альбитом и эпидотом или плагиклаза и темноцветов альбитом, хлоритом или актинолитом. Химический эффект пропилитизации заключается в привносе средних оснований (Ca, Fe, Mg) при разнонаправленном поведении щелочей и выносе кремнезема.

Пропилиты, как правило, не образуют околорудных метасоматитов, но могут накладываться на более ранние рудоносные метасоматиты и в этом случае могут иметь повышенные концентрации рудных компонентов. По мере развития процесса пропилитизации тенденцию к выносу испытывают те элементы, которые находятся в исходных породах в сверхкларковых количествах, и напротив, привносятся и накапливаются элементы, которыми исходные породы были обеднены. Таким образом, пропилитизация ведет к гомогенизации вещества, к приближению содержания микропримесей к кларковому уровню и уменьшению дисперсии распределения.

Другим примером процесса основного метасоматоза является образование скарнов.

Геохимия скарнового процесса

Первая модель скарнового процесса была предложена Д.С.Коржинским, она была названа контактово-диффузионной. Согласно этой модели скарны образуются в процессе биметасоматоза, когда контрастные по составу породы обмениваются компонентами, встречно диффундирующими через поровый раствор. В зоне встречной диффузии происходит взаимный метасоматоз пород с образованием реакционно-метасоматических зональных образований.

На контакте алюмосиликатных и карбонатных пород в горячем поровом растворе возникает резко неравновесная химическая система. В растворе будут находиться, с одной стороны, элементы, свойственные карбонатной среде (Ca, Mg), а с другой, силикатным породам (Si, Al, Fe). Путем встречного диффузионного перемещения этих элементов из области высоких концентраций в область пониженных происходит выравнивание состава растворов. Диффузия элементов происходит с различной скоростью, что обуславливает зональное размещение минеральных парагенезисов.

По степени подвижности элементы, участвующие в метасоматозе, разделяются на четыре группы: а) весьма подвижные (H₂O, CO₂), б) подвижные (K, Na, Cl), в) ограниченно подвижные (Ca, Mg, Fe, Si), подвижность которых сильно зависит от Т, Р и состава растворов (например, подвижность Si, Ca возрастает с понижением Т, а подвижность Fe возрастает), г) инертные (Al, Ti). Минеральный состав зон в основном определяется инертными компонентами. Все зоны метасоматической колонки растут одновременно в направлении от контакта, контакты между зонами резкие.

Характерной особенностью биметасоматического процесса является меньшая подвижность Al в сравнении с Ca и Si, поэтому на начальной стадии диффундируют только кремний и кальций с формированием пироксеновых экзоскарнов по известнякам и ортоклазовых эпидозитов по гранитоидам. На более позднем этапе начинается диффузия Al, при этом формируются зоны гранатовых и пироксен-гранатовых скарнов.

Инфильтрационная модель была предложена Д.С.Коржинским для образования скарнов, не приуроченных к контакту, а залегающих только среди карбонатных или только среди алюмосиликатных пород. Согласно этой модели, скарны возникают вдоль трещинных зон в результате одностороннего переноса компонентов горячими, восходящими растворами, то есть в процессе фильтрации растворов. Высокотемпературные растворы, содержащие щелочи, хлор и другие, легко растворимые компоненты, просачиваясь по мелким трещинам какой-либо породы, насыщаются содержащимися в ней компонентами (Si, Al, Fe, Mg) и попадая в другую среду, резко химически отличную от первой (известняк), вступают в реакцию взаимодействия с этой породой. В результате сложных реакций, в которых участвуют привнесенные компоненты и компоненты замещаемой породы, образуются скарны.

Обе модели отрицают существование особых скарнирующих растворов, подразумевая, что гидротермальные растворы приобретают способность образовывать скарны в результате обогащения их Si, Al, Ca, Mg из контактирующих пород или пород, через которые перемещаются растворы.

Рудоотложение в скарнах может быть сопутствующим скарновому процессу или более поздним, отстающим. Главной причиной, вызывающей отложение руд в скарнах, является изменение растворимости комплексных соединений металлов вследствие изменения кислотности растворов и снижения температуры. Подавляющее большинство комплексов рудных элементов обладают минимальной растворимостью в нейтральных и близких к ним растворах. Поэтому выпадение рудных минералов происходит тогда, когда растворы проходят нейтральную стадию, то есть в конце ранней щелочной или начале кислотной стадии, когда возрастание кислотности растворов вызывает серию реакций замещения катионов сильных оснований (Ca, Mg) катионами более слабых оснований (Fe2+, 3+), а также радикалов слабых кремниевых кислот более сильными радикалами сероводородной, угольной, борной и других кислот. Это приводит к формированию окисного, сульфидного, карбонатного и боратного оруденения.

Нейтрализация растворов может происходить и при вступлении кислых растворов в породы более основного состава, которыми являются и сами скарны. В результате химического взаимодействия кислых растворов со скарнами и их нейтрализации, резко понижается растворимость рудных компонентов, происходит распад комплексных соединений и рудоотложение. Это особенно характерно для отстающего полиметаллического и редкометалльного оруденения скарнов. Скарны под действием горячих растворов легко подвергаются гидролизу, в процессе которого создается щелочная среда, необходимая для нейтрализации кислых рудоносных растворов. Наконец, отложение рудных минералов может происходить вследствие пересыщения растворов при вступлении их в зоны пониженного давления (зоны трещиноватости).