Среды минералообразования

Физико-химические среды образования минералов и роста их кристаллов таковы: магма, водный жидкий раствор, газ, гетерогенные системы газ — жидкость, коллоид­ные растворы, твердые (кристаллические и аморфные) среды.

Магма по своей физико-химической сущности является не простым расплавом (ка­ковы, например, вода по отношению ко льду, расплавленный сахар по отношению к кристаллическому сахару; в них состав жидкости полностью отвечает составу кри­сталла). Магма — это особый раствор, вернее раствор-расплав. Гранитная магма по составу не точно тождественна гранитам, магма, из которой кристаллизуются минералы габбро, имеет несколько иной, чем у габбро, состав и т.д. Магматиче­ский расплав — это силикатный (а потому вязкий и существующий только при высо­ких температурах) раствор, в нем в растворителе существуют подобно водным рас­творам анионы и катионы, простые и комплексные, а также анионные, так назы­ваемые сиботаксические, группы. По представлениям Н.В.Белова (1953, 1959), в магме имеются, например, такие сиботаксические группы, как (SМ2O7)6-, п(8Юз)2п~,

Рис. 75. Идеализированная схема строения магмы (Mul­ler, Saksena, 1977).

(81б018)12", п^ОцР", ^Ое)10-, (СаОб)10-, (АЮ4)5-, (8Ю4)4_. Это как бы го­товые остовы для кристаллизации, "сборки структур" силикатов (рис 75). Кроме них, в магме имеются Н, 8, С1, Р, С (форма их нахождения неясна), а также К и др

Путем кристаллизации из магмы образуются главные породообразующие минералы магматических горных пород и некоторые руды в них (хромовые, железные, титано­вые и др.).

Водные жидкие растворы образуются за счет эн­догенных и экзогенных процессов, первые называют гидротермальными, вторые — поверхностными (ва-дозными) растворами.

Имеется несколько источников Н2О в гидротер­мальных растворах. Во-первых, это застывающие магматические очаги. При кристаллизации магмы от нее постепенно отделяются летучие вещества. Ми­грируя во вмещающие породы, они конденсируются с образованием жидких минерализованных водных растворов. Во-вторых, Н2О и СО2 выделяются в глубинных зонах земной коры за счет реакций деги­дратации и декарбонатизации глин, мергелей, квар­цевых известняков и других осадочных горных по­род при процессах их регионального метаморфизма. В-третьих, источником Н2О являются процессы де­газации мантии, выделение из нее углеводородов и их окисление при подъеме во все более верхние го­ризонты земной коры с образованием Н2О и СОг- Реакции описываются следующей схемой:

Они идут с выделением тепла, сопровождаются разогревом флюидов и мощным прогревом окружающих горных пород. Еще один источник — это поверхностные воды. Исследования показали, что они могут мигрировать вниз до глубин 500 м и более, постепенно разогреваясь и минерализуясь за счет извлечения веществ из горных пород на своем пути.

Источники веществ, растворенных в Н2О, также различны. Часть растворенных компонентов выносится вместе с Н2О из магматических очагов, из дегазирующей ман­тии, из пород, подвергающихся процессам метаморфизма. Часть компонентов извлека­ется растворами из горных пород на путях миграции растворов. Главной формой пере­носа веществ гидротермальными растворами являются комплексные ионы (табл. 14). Примеры минеральных месторождений, образовавшихся из гидротермальных раство­ров, многочисленны, назовем лишь промышленные руды разных сульфидов—пирита РеЭг, халькопирита СиРеБг, галенита РЬБ.

Поверхностные водные растворы—это, во-первых, грунтовые, карстовые, почвен­ные воды, из них кристаллизуются, например, карбонаты — (кальцит и арагонит) в виде сталактитов и других образований в карстовых пещерах. Во-вторых, это озерные, морские, лагунные воды. Из них в процессе кристаллизации образуются, например, залежи каменной соли, гипса, некоторых разновидностей известняков.

Газ как среда кристаллизации в минералообразующих процессах относительно ре­док. Из вулканических газов кристаллизуются гематит РегОз, нашатырь N114С1 и некоторые другие минералы. Из газов нередко растут кристаллы льда.

Граничные значения давления и температуры, при которых идет природное мине-ралообразование из газа, можно оценить по диаграммам фазовых равновесий НгО,

Таблица 14. Возможные формы переноса металлов в гидротермальных растворах (по Зотову и др.)

Химический	Форма переноса	Условия
элемент	(комплексные ионы)
Медь	(СиС12)-	Слабокислые и нейтральные растворы, относительно высокие температуры
	(Си(НЗ)з)-	Щелочные растворы, менее высокие температуры
Молибден	(ЫаНМо04)° (КНМ0О4)0	Растворы с повышенной щелочностью, температура менее 450°С
	(НМ0О4)-	Нейтральные среды, температура более 450°С
Золото	(Аи(Н8)2)-(АиС12)_	Температура 350 - 450°С
Серебро	(А8С12)-	Температура более 200 - 250°С
	(Аё(НЭ)2)-	Температура менее 250°С

СОг и их смесей. Например, на диаграмме для Н2О видно, что поле газа ничтожно мало. В природных (геологических) пределах значений температур и давлений Н2О является жидкостью или находится в надкритическом (флюидном) состоянии—это и не газ, и не жидкость. Ориентировочные пределы гидротермальных, газовых (пнев-матолитовых) и надкритических (флюидных) систем показаны на специальной схеме (рис. 76), на которой изменение температуры с глубиной соответствует геотермобаре 35°С/км. Растворение разных веществ в Н2О, в принципе, не меняет диаграммы. На фазовых диаграммах состояний СО2 поле газа намного меньше, чем у Н2О, так как критические значения температур и давлений у СО2 меньше, чем у Н2О.

Гетерогенные системы (газ — вода, газ — водный раствор) образуются в особых случаях. Наиболее очевидны причины их образования в областях современной вул­канической деятельности при просачивании горячих водных растворов (термальных вод) по системам трещин вверх. Достигая некоторого уровня по отношению к дневной поверхности, они переходят то пороговое значение давления, после которого за счет дальнейшего подъема раствора и падения внешнего давления начинается испарение самого раствора и выделение из него растворенных в воде газов—СОг и др. Так же дегазируют воды минеральных источников.

Коллоидные растворы являются средой для образования минералов в придонных илах и других осадках водных бассейнов и во время их син- и диагенеза. Так воз­никают различные глинистые минералы, гидроксиды алюминия и железа, часто для них характерно оолитовое строение агрегатов. Факты несомненного образования мине­ралов за счет раскристаллизации коллоидов в горячих водных растворах отмечаются реже: таковы случаи выпадения гелей кремневого состава в термальных водах в обла­стях современного вулканизма и факты их раскристаллизации с образованием опала. Роль коллоидов в земной коре и место их в процессах минералообразования всесто­ронне освещены в работах Ф. В. Чухрова. Исследования Л. М. Лебедева (1965, 1985) по­казали, что коллоиды несомненно участвуют в образовании минералов. Он установил, что при современных гидротермальных процессах в областях вулканической деятель­ности в виде гелей отлагаются аморфные массы, за счет раскристаллизации которых

99

Рис. 76. Приблизительные границы гидротермальных, пнев-матолитовых и надкритических состояний НгО в геологиче­ских условиях (Булах, 1977).

г/о — изохоры; жирные линии — изолинии геотермического градиента; Кр.т. — критическая точка воды.

образуются некоторые минералы, например сульфиды мышьяка, сурьмы, цинка, меди, железа.

Твердые среды образования минералов могут быть аморфными и кристаллическими. Для первых служит примером раскристаллизация вулканического стекла. Для вто­рых возможны три типа явлений. Во-первых, это полиморфные превращения веществ: переход алмаза в графит, высокотемпературного кварца в низкотемпературный, ара­гонита (СаСОз ромбической сингонии) в кальцит (СаСОз тригональной сингонии) и т.п. Так возникают псевдоморфозы одной полиморфной модификации по другой, их называют параморфозами. Во-вторых, это распад твердых растворов на смесь фаз, в-третьих—метамиктный распад радиоактивных минералов на смесь фаз под дей­ствием собственного а-излучения.