Гипергенные изменения месторождений

Выделяется два типа преобразования месторождений в ги­пергенезе — морфологическое с существенными вариациями формы и элементов залегания рудных тел и физико-химическое с глубокими изменениями минерального состава и качества руд. Поскольку в составе руд часто имеются скопления весьма актив­ных в зоне гипергенеза соединений серы, углерода, железа, меди, ванадия, мышьяка и других элементов, то интенсивные проявле­ния кор выветривания на месторождениях получили собственное наименование — зоны окисления месторождений.

Морфологические изменения во многом являются механи­ческими. Таким воздействиям подвергаются лишь месторожде­ния, рудные залежи которых выходят на дневную поверхность.

Выделяется пять типичных случаев морфологического изме­нения рудных тел месторождений в приповерхностных условиях: изменение элементов залегания плитообразных тел, выходящих на кругом склоне; уменьшение мощности жил, обусловленное растворением рудных минералов; увеличение мощности рудных жил или за счет увеличения объема более рыхлой окисленной части жил, или за счет развала кварцево-жильного материала; об­разование отрицательных или положительных форм в рельефе в зависимости от соотношения прочности руд и вмещающих по­род.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Как и при выветривании для глубокой переработки руд и развития зон окисления месторождений благоприятными явля­ются: влажный жаркий климат, медленные поднятия, интенсив­ный водообмен грунтовых вод, хорошая проницаемость рудных тел, скопления химически и биохимически активных компонен­тов. Последний фактор при прочих равных условиях определяет разнообразие таких зон. Исходя из первичного состава руд зоны окисления резко отличаются на сульфидных, медных, полиме­таллических, урановых, золото-, серебро-, мышьяк-, фосфор- и ванадий содержащих месторождениях, залежах серы, каменных солей, угля, битуминозных пород и др.

При этом ведущими агентами являются: образующаяся за счет окисления сульфидов или серы серная кислота; формирую­щаяся за счет преобразования органических веществ угольная V. органические кислоты; присутствующие в подземных водах анио­ны хлора и фтора; развивающиеся при наличии исходных кон­центраций ванадиевая, фосфорная и мышьяковая кислоты; ско­пления аэробных и анаэробных бактерий и продуцируемых ими твердых, жидких и газообразных соединений; появление элек­трического потенциала между сульфидами и окисленными обра­зованиями и соответствующих электрохимических реакций; по­явление локальных радиационных, тепловых и магнитных полей. Сочетание этих агентов обусловливает резкие изменения по вер­тикали окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных параметров и сорбционных свойств среды, что приводит к рас­творению и выщелачиванию одних компонентов руд и концен­трации на геохимических барьерах других.

Строение и состав зон окисления металлических месторождений

В.И.Смирнов выделил четыре группы металлических место­рождений по особенностям развития зон окисления: неизменяю- щиеся и слабо изменяющиеся; с изменениями минерального со­става без выноса металла; с изменением минерального состава и выносом металла; с накоплением металлов.

В наиболее характерном случае гипергенных преобразова­ний колчеданных залежей зона окисления разделяется на ряд вертикальных подзон (сверху вниз): бурых железняков; барито­вой сыпучки; пиритовой сыпучки. В зависимости от климатиче­ских условий в подзоне бурых железняков могут появляться

сульфаты, включая ярозит, а в подзоне баритовой сыпучки — галогениды. Такое строение соответствует закономерной смене более окисленных и гидратизированных соединений железа на сульфатные и ниже сульфидные (рис. 44).

Если для железа в подзонах окисления имеют место только изменения его форм, то для меди отмечаются значительные из­менения содержаний. Образование закономерно сменяющих друг друга сверху вниз подзон выщелачивания, вторичных богатых окисных и вторичных богатых сульфидных руд соответствует из­менениям Eh-pH условий и формам нахождения медных соеди­нений.

Приведенный пример строения зоны окисления имеет принципиальное значение и для других разновалентных элемен­тов (серебро, уран, ванадий), физико-химические особенности которых принципиально сходны. Им свойственны относительно подвижные окисные формы и трудно растворимые восстанови­тельные. Кроме того, эти элементы могут выпадать из кислых растворов в окислительной среде в виде гидроокислов (напри- ^МСР> Урана — скупит и беккерелит) и сложных солей с анионооб­разующими элементами (урановых слюдок, кераргирита, ванада- тов железа, свинца, цинка, меди и урана).

При окислении золотоносных сульфидных руд могут полу­чаться вторичные его концентрации. Если в первичных образо­ваниях было относительно крупное золото размером более 100 мкм, то оно может гравитационно просаживаться и накапливать­ся на механическом барьере в нижней части зоны окисления. Если же золото было тонкодисперсно распределено в сульфидах, то при их разложении оно может переходить в коллодные или истинные растворы и осаждаться на кислотно-щелочных и сорб­ционном барьерах. В этих случаях содержания золота могут воз­расти в несколько раз. Такие концентрации золота фиксируются под зоной полного окисления в кремнисто-гипсовой сыпучке при окислении золотоносных колчеданных руд и на контакте алюмо- силикатных и карбонатных пород, где действует барьеры измене­ния pH. Часто концентрации золота отмечаются в глинистых об­разованиях кор выветривания.

При развитии зон окисления по залежам полиметаллических сульфидных руд, локализованных в карбонатных породах, проис­ходит разделение вторичных концентраций свинца и цинка. Так, на Турланском месторождении присутствуют смитсонитовые тл церусситовые рудные тела (рис. 45). Дело в том, что образующие­ся в зоне окисления сульфаты цинка лучше растворимы, чем

• ХИМИЗМ С РЕЛЬ/

РУДНЫЕ ЗОНЫ Поверхностный слзЯ

Подзона

окисленных

PW

Подзона

еьщелоченньа

Подзона бого- /.пых окислен­ных руд J

Зона

вторичного

обогащения

Уробень Зона застойных tfoy

Анионы, мг/л Катионы. мг/Ji р н

1. 10 100 1000 0,1 1 10 -* 5 6 7 8

Рис. 44. Схема соотношения измененной части рудного тела и зон циркуляции приповерхностных вод среди пород равной проницаемости в поперечном разрезе речной долины с показом химической эволюции среды вторичного рудообразования (по В.И.Смирнову с дополнениями)

сульфаты свинца. Поэтому обогащенные цинком растворы шире распространяются грунтовыми водами, а при их последующей нейтрализации в карбонатной среде формируются стратиформ- ные карбонатные руды цинка.

В целом важно отметить, что резкие изменения состава грунтовых вод отмечаются вблизи их уровня. В процессе образо­вания зон окисления уровень грунтовых вод закономерно пони­жается и все новые объемы руд попадают в приповерхностные условия. Следовательно, в реальных наблюдаемых зонах окисле­ния отражаются полистадийные образования. Часто минералы,

I горизонт

2. горизонт

3. горизонт

4. горизонт

Известняки и мергели D*

1. ЕЕ32 @3СЕЗб 037

Рис. 45. Соотношение залежей вторичных свинцовых и цинковых руд на

месторождении Турлан (по И.Князеву):

/ — церусси'говая руда; 2 — смитсонитовая руда; 3 — известняки и доломиты;

4 — горные выработки; 5 — брекчии; 6 — глины; 7 — буровые скважины

характери зующие разные термодинамические условия находятся совместно, формируя текстуры пересечения и замещения.

Особенности окисления неметаллических месторождений

По устойчивости в гипергенезе месторождения неметаллов подразделяются на три группы: не изменяющиеся, изменяющие­ся слабо и существенно.

Типичными являются гипергенные изменения на соляноку- польных месторождениях каменной соли. Здесь над ними разви­вается гак называемый кепрок, в котором отмечается несколько вертикальных зон. Самая верхняя из них сложена глинистым ос­татком от растворения солей небольшой (несколько метров) мощностью. Ниже располагается зона карбонатных пород с на­рушенным залеганием мощностью десятки метров. В прикро- вельной части известняков могут быть распространены битумы и небольшие залежи нефти. В приподошвенной их части встреча­ются линзы с вкрапленностью самородной серы. Под карбонат­ными породами развиты ангидриты и гипсы, непосредственно покрывающие залежь каменной соли. Характерно, что нижняя граница гипсов субгоризонтальная и отражает положение уровня грунтовых вод, в связи с этим она получила название “соляного зеркала” (рис. 46).

Рис. 46. Разрез соляной антиклинали Хильдесхейм. Южно-Ганноверская

впадина (но И.Фульда):

1 — четвертичные отложения; 2 — средний пестрый песчаник; 3 - нижнии

пестрый песчаник; 4 — каменная соль; 5 — красная соленосная глина, 6 главный

ангидрит и серая соленосная глина; 7 — гипсовая шляпа; 8 калийные соли

Представления о генезисе зон окисления

Вопросам физико-химии окисления рудных месторождений посвящены работы С.С.Смирнова, Ф.В.Чухрова, В.Готшалк, Х.Бюхлера и других, микробиохимии — Л.К.Яхонтовой с соавто­рами. Большое значение действию электрического потенциала, возникающему при окислении сульфидов, придают Г.Б.Свеш- ников, В.В.Воронин, У.Никель, Д.Росс. Радиохимические реак­ции устанавливают П.Рамдор, В.К.Бернантонис и другие, тепло­вые поля — Г.П.Каравайко и другие, магнитые — Г.Д.Агафонов.

Главными при этом следует считать химические реакции обмена, окисления и восстановления и биохимическую деятель­ность бактерий. Реакции обмена предполагаются при образова­нии подзон вторичного сульфидного обогащения. Здесь согласно ряду Шюрмсна по сродству металлов к сере (Hg, Ag, Си, Bi, Cd, Pb, Zn, Ni, Co, Fe, Mn) сульфаты металлов в левой части ряда должны замещать металлы из сульфидов в правой его части. Этим объясняется образование вторичных сульфидов меди в ходе реак­ции се сульфатов с пиритом.

Окислительные реакции происходят за счет действия рас­творенного в подземных водах кислорода и формирующейся сер­ной кислоты. В какой-то мерс должны идти и реакции окисления за счет других элементов с переменной валентностью (железа, ванадия, урана, мышьяка и др.).

Как результат восстановительных реакций можно рассмат­ривать отмеченное выше формирование зон вторичного сульфид­ного обогащения. При этом главными восстановителями могут быть растворенные в воде двухвалентное железо, водород и серо­водород. Весьма существенное значение вероятно имеют микро­биальные реакции. Известно, что в подземных водах широко рас­пространены разнообразные микроорганизмы. Из всего их раз­нообразия в грунтовых и артезианских водах установлены хемо- синтстики и гстсротрофы. Как тс, так и другие могут относиться или к аэробам, живущим в присутствии свободного кислорода, или к анаэробами, обитающими в безвоздушной срсде.

При формировании зон окисления сульфидных руд и место­рождений неметаллических полезных ископаемых, содержащих соединения серы, наиболее существенны тионовыс бактерии. Их аэробные виды, используя органическое вещество, двухвалент­ное железо или самородную серу продуцируют сильные окисли­тели — сульфат-ион и трехвалентнос железо. Ассоциирующие с ними анаэробные бактерии, поглощая сульфат-ион, углекислый газ и органическое вещество, производят сильный восстанови­тель — сероводород. Таким образом, как окислители, так и вос- етаноиители в подземных водах могут иметь во многом биоген­ное происхождение.