книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

металлов в рудных залежах скарновых месторождений грубо отве­ чает соотношению исходных типов продуктивных осадков в районах их распространения.

Уран накапливается в осадочных породах в результате ин­ фильтрации или осаждения его в период седиментации в восстано­ вительной обстановке в присутствии значительных скоплений Сорг. По прошествии ранних стадий метаморфизма, сопровождаю­ щихся, в частности, графитизацией органического вещества, уран этих пород, первоначально присутствовавший в них в виде гуматов уранила или в сорбированном состоянии, естественно утрачивает свои первоначальные связи. О прочности этих связей свидетельствует тот факт, что выщелочить подобный уран из пород, содержавших его, в свежем состоянии невозможно. В результате породы, про­ шедшие подобную стадию метаморфизма, теряют уран достаточно легко. Так, например, на одном из скарновых месторождений мраморизованные известняки, содержавшие до метаморфизма (судя по наблюдениям по простиранию этих толщ на несколько километров от области скарнообразования) заметные концентрации Сорг и урана, утратили почти 60% металла в ходе их метаморфизма.

Этот вынос урана из толщи пород стимулировался высокими концентрациями С01~-иона в растворе.

Изучение газово-жидких включений в минералах ряда место­ рождений показало, что концентрация углекислоты в них перед на­ чалом рудного процесса могла достигать 100—400 г/л. Словом, ес­ ли в момент рудоотложения нас интересовали условия, приводив­ шие к выпадению окисла урана из раствора, то при мобилизации рассеянных количеств урана из пород нас привлекали условия мак­ симальной растворимости его соединений. Л. К. Гаврилова по­ ставила опыты по извлечению урана из продуктивной толщи. Урано­ носные сланцы обрабатывались в течение 2 месяцев 0,2 н. NH4HC03 (срок обработки в автоклаве определялся выравниванием, стаби­ лизацией количества извлекаемого урана), при этом происходило извлечение 5% урана, содержавшегося в сланце. При увеличении концентрации NH4HC03 до 1,0 н. извлечение урана достигало 90%.

Анализ размещения месторождений урана свидетельствует об их тесной приуроченности к ураноносным, более древним осадоч­ ным формациям, испытавшим интрузивное воздействие в момент, непосредственно предшествующий рудообразованию.

Свинец является одним из элементов, генетические связи рудных залежей которого с вмещающими толщами можно легко доказать при помощи изотопных методов. Описания этих методов и факти­ ческие данные изложены в гл. 17. Здесь следует отметить, что свинцу свойствен исключительный литологический контроль карбонатных пород. По-видимому, это связано с условиями его седиментации. Как и в случае урана, воздействие углекислых растворов на продук­ тивные свинцовоносные горизонты известняков вызовет переход в раствор рассеянных в виде церусситовой молекулы скоплений свинца.

Подобные взгляды на рудообразование объясняют независимость образования рудной залежи от какой бы то ни было схемы. Так, например, одно из месторождений урана характеризовалось весьма отчетливым парагенезисом урановой смолки с минералами кобаль­ та, никеля, висмута и серебра — элементов, явно дефицитных для гранитов, с которыми связывался генезис данного месторождения. Тщательное изучение месторождения показало его многостадийность. Урановая минерализация выделялась в самостоятельную стадию, предшествовавшую остальным минералам во времени, и локализовалась главным образом на глубинах. Исследования соста­ ва вмещающих пород установили, что при пересечении амфиболитов рудными телами в них заметно понижалась концентрация рассеян­ ных кобальта, никеля, висмута, серебра. Позже в расположенных выше зонах месторождения, уже в породах более кислого состава, появилось оруденение, представленное минералами, состоящими именно из этих элементов. С глубиной, естественно, их минерали­ зация прекращалась.

Это наблюдение говорит и о другом: породами, из которых извле­ каются элементы, могут быть не только осадочные метаморфоген­ ные, но и уже консолидированные интрузивы. Примером этого служит месторождение Бу-Аззер (Марокко) — крупнейшее никелькобальтовое месторождение варисского возраста, сосредоточенное по периферии докембрийского ультраосновного массива. Источ­ ником оруденения в данном случае послужил этот массив; механизм извлечения рудных компонентов обусловлен воздействием горячих метаморфогенных вод позднейшего генезиса.

В качестве схемы образования гидротермальных месторожде­ ний, возникающих в идеально построенной рудной провинции, рассмотрим развитие типичной геосинклинальной области (рис. 86).

В начале при формировании мощной осадочной толщи с интен­ сивным прогибанием дна бассейна происходит быстрое заполнение его флишевым материалом. В эту раннюю стадию образуются оса­ дочные месторождения и рассеянные осадочные концентрации ме­ таллов лишь вдоль внешних границ бассейна, как показано на рис. 86.

При последующей инверсии, сопровождаемой наиболее крупны­ ми интрузиями, рудных залежей не возникает, так как интрузии за­ хватывают лишь центральную часть бассейна (лишенную рудных рассеянных компонентов). Сами интрузивы по той же причине отно­ сительно безрудны. Развитие геосинклинали переходит в следую­ щую фазу (см. рис. 86, II и III). Возникают передовые прогибы со сравнительно узкими и прерывистыми очертаниями морских бас­ сейнов, заливов, проливов, с пестрым и быстро меняющимся сос­ тавом осадков, свидетельствующих об их высокой насыщенности Сорг, засолонении, появлении эвапоритов, моласс.

Этот период знаменуется денудацией интрузивов I этапа и глу­ бокой дифференциацией возникающих осадков. По сравнению с платформой наблюдается интенсивное накопление Сорг, заметно

возрастают рассеянные концентрации урана, молибдена, свинца, вольфрама, меди в осадках при заметно меньшей концентрации в них серы. Так, среднее содержание серы в Кавказской геосинк­ линали составляет 0,288%, в то время как на платформе оно дости­ гает 1,2% (по А. Б. Ронову).

Именно в этот период (см. рис. 86, III) закладываются черты будущей рудной провинции. По-видимому, в данном случае ска­ зывается уровень денудации древнейшего фундамента, поставляв­ шего осадочный материал в первоначальную геосинклиналь (по­ ступление в бассейн таких элементов, как хром, никель, ванадий, медь, связанных с гипербазитами), либо если эрозия захватила лишь более поздний осадочный чехол, она поставляла типичные для него осадки, сопровождаемые молибденом, вольфрамом, свинцом, цинком, ртутью и оловом. Осадкообразование этого времени чере­

дуется с эффузивными излияниями, завершая геосинклинальный цикл развития.

В результате второго инверсионного цикла (внедрения малых интрузий в районы сформировавшихся перед этим осадочных толщ передовых прогибов — своеобразных осадочных рудных провинций) происходит становление интрузий весьма пестрого состава, отра­ жающих характер ассимилированных ими толщ. Одновременно про­ исходит интенсивное воздействие на рудоносные осадки гидротер­ мальных растворов, порожденных интрузиями. Этим объясняется столь интенсивное оруденение, связанное с заключительным этапом.

Втечение II этапа (см. рис. 86) происходит образование касситеритовых месторождений, сопровождаемых предварительной мусковитизацией гранитов первого этапа, скарновых залежей, несу­ щих оруденение молибдена, вольфрама, свинца, железа, формиро­ вание урановых месторождений, образование наиболее удаленных от интрузивов, переотложенных, телетермальных месторождений меди, свинца, цинка, а также сурьмы и ртути.

Взависимости от того, как развивалась в данном случае геосин­ клинальная область, насколько полно она прошла через все этапы своего развития, сколь интенсивно были захвачены в цикл переотложения наиболее древние, обогащенные хромом, ванадием, ни­ келем либо кобальтом осадки, окажется наиболее полно выражен­ ной зональность такой рудной провинции. Однако совершенно оче­ видно, что зональность эта будет отвечать не последовательности сбрасывания в осадок руд постепенно охлаждающимся рудоносным раствором — она будет отражать лишь план распределения обога­ щенных определенным элементом осадочных толщ, последовательно подвергающихся гидротермальному метаморфизму. Изучение зо­ нальности провинций Кавказа, Средней Азии и Забайкалья пока­ зывает вытянутость рудных поясов (вольфрамо-молибденового, свинцово-цинкового и др.) вдоль региональных структур, соответ­ ствующих строению геосинклинального бассейна в целом. Эта зональность повторяет в некоторых случаях береговые очертания первоначального бассейна, а отнюдь не располагается в виде орео­ ла вокруг той или иной интрузии, находящейся в ядре ее.

ГЕОХИМИЯ ИЗОТОПОВ

В последние годы геохимия изотопов особенно бурно развива­ лась благодаря обнаружению значительного числа элементов, обла­ дающих несколькими изотопами, дающими вариации в различных природных объектах и изученности условий их разделения.

Изотопы могут быть разделены па две группы.

К первой группе относятся стабильные изотопы легких ядер, таких, как углерод, азот, кислород, сера. Разделение этих изотопов в природе происходит из-за относительно большей разницы в их массах, достигающей 10%, например, у кислорода (О16 и О18), по сравнению с тяжелыми изотопами. Благодаря этому разделение легких изотопов может происходить за счет кинетического эффекта при некоторых реакциях, диффузии, испарении, вызывающих удаление в первую очередь более легких изотопов, смещение тех же изотопов в магнитном поле. Значительную роль в возникнове­ нии вариаций в природе играют различные биогенные процессы.

Ко второй группе относятся тяжелые изотопы стронция и свин­ ца. Изотопный сдвиг, подобный тому, который может произойти у легких изотопов, у тяжелых изотопов никогда никем не наблю­ дался, но вариации их в природе весьма значительны благодаря непрерывному и необратимому процессу их образования в резуль­ тате радиоактивного распада рубидия, урана, тория. Непрерывное увеличение числа атомов этих радиогенных изотопов является глав­ ной причиной их вариаций в природе. Однако более важной причи­ ной их сложного распределения в природных объектах служат геологические процессы, приводящие к постоянному перемеши­ ванию накапливающихся продуктов распада. Расшифровка этих явлений на основании анализа возникающей изотопной смеси — одна из задач изотопной геохимии.

Если вариации легких изотопов могут быть устранены измене­ нием условий их разделения, то вариации тяжелых радиогенных изотопов отличаются необратимым характером их накопления.

Итак, рассмотрим вначале вариации первой группы (легких изотопов).

§ 1. У Г Л Е Р О Д

Изотопный состав углерода природных объектов определяется присутствием двух стабильных изотопов —С12 и С13— и исчезаю­ ще малых количеств С14, являющегося радиоактивным с периодом полураспада 5730 лет.

Причиной такого изотопного состава углерода метана в газах является третий процесс, широко распространенный в земной ко­ ре, —•это микробиологическое фракционирование изотопов угле­ рода, метаболизм бактерий, приводящих к образованию исключи­

Ж елезны е м ет еорит ы Мздерженные породы Угли и сл анц ы

Нефти

ЖиВое ВеицестВо

Бит умы изВерженных пород Природный газ ! м ет ан)

Рис. 87. Распределение изотопов углерода между земными объек тамн и метеоритами.

Однако с увеличением температуры в земных недрах, где при­ сутствует большое количество метана, между метаном и углекисло­ той протекает обменная реакция; при этом чем выше температура, тем больше будут выравниваться содержания изотопов в обоих сое­ динениях, т. е. тем меньше метан будет обогащаться изотопом С12. Наглядное доказательство этому дает рис. 88, где показана рас­ пространенность С13 в метане на различной глубине. Разные гео­ логические объекты глубинного происхождения показали два раз­ ных уровня содержания изотопов углерода: например, значения ÔC13 в карбонатитах ( — 6°/00), алмазах ( — 5,8°/00), графитах из кимберлитов ( — 7°/оо)>углекислоте возгонов ( — 8°/оо) группиро­ вались около значения, отвечавшего углероду углистых хондритов.

В то же время углерод большинства гипербазитов характери­ зовался ÔC13 = — 22,7%о> т. е. был почти таким же, как и углерод железных метеоритов, для которого были получены близкие зна­ чения ÔC13 (около — 22%0).

Это навело на мысль, что при первоначальной аггломерации хондритового материала в Земле были заложены два источника углерода. Один тип углистого хондрита, будучи химически более реакционноспособным, выносился в составе эманаций в земную

кору. Другой же углерод, присутствовавший в металлической фазе, наблюдается лишь в магматических породах в рассеянном состоянии.

Советский масс-спектрометрист Л. В. Трофимов, получивший первые данные по распределению изотопов углерода в железных метеоритах и породах (1949 г.), пришел к выводу, что первичным углеродом Земли был легкий углерод с 6С13 = — 22°/00, а все отклоняющиеся от этого среднего состава разновидности земного углерода являются продуктами его фракционирования при рас­ смотренных выше процессах.

Рис. 88. Зависимость изотопного состава углерода углеводородных газов от глубины их залегания.

Однако последующие подсчеты Э. М. Галимова углерода земной коры поставили этот вывод под сомнение. Известно, что общая масса углерода, представленного морскими отложениями и содер­ жащимися в них органическими веществами, составляет 18,2 X X ІО15 т со средним 6С13 = — 5°/00. Если принять во внимание, что в магматических породах содержится всего 0,04% углерода, а об­ щая их масса — 12,6- ІО17 т, то при их выветривании должно было поступить 0,8-ІО15 т углерода со средним изотопным составом 6С13 = — 22°/оо-

Таким образом, оказалось, что подавляющую массу углерода земной коры составляет углерод, на 1,5% более тяжелый, чем угле­ род железных метеоритов. Вот почему обнаружение углистых хондритов метеоритов с составом углерода 6С13 = — 6°/00 позволило Э. М. Галимову утверждать, что природа углерода Земли с самого начала ее образования была двоякой (табл. 54).

В настоящее время этот вывод может рассматриваться лишь в качестве гипотезы, поскольку о содержании углерода и его изо­ топном составе в мантии нам ничего не известно. Весьма вероят-