Систематика современных гидротерм (А. И. Перельман, 1989)

Щелочно-кислотные условия	Окислительно-восстановительные условия
окислительные	восстановительные глеевые	восстановительные с сероводородом
Сильно-кислые	I.Сильнокислые кислородные	V.Сильнокислые глеевые	IX.Сильнокислые сероводородные
Слабокислые	II.Слабокислые кислородные	VI.Слабокислые глеевые	X.Слабокислые сероводородные
Нейтральные и слабощелочные	III.Нейтральные и слабощелочные кислородные	VII.Нейтральные и слабощелочные глеевые	XI.Нейтральные и слабощелочные сероводородные сульфидные (ис­точники Карловы Вары)
Сильнощелочные	IV.Сильнощелочные кислородные	VIII.Сильнощелочные азотные термы	XII.Сильнощелочные сероводородно-сульфидные (Тбилисские термы)

Сероводородные и сульфидные гидротермы (IX–XII классы) содержат H₂S, HS^–, S^2–, возможны CO₂ и CH₄. Воды хлоридно-гидро­карбонатно-натриевые с азотом.

Отложения минералов связаны с двумя типами жил: заполнение открытых трещин, метасоматическое образование.

По первому типу жилы образуются путем заполнения открытых трещин минералами, которые отлагаются из растворов (секреционные отложения на стенках). Возможно возникновение полосчатых жил, когда образование одних минералов сменяется во времени отложениями других. Если нарастание идет вокруг обломков породы в трещине, образуются крустификационные (crust – корка) жилы. При многократном дроблении вмещающих пород с образованием жильного материала и последующем новом отложении минералов возникают брекчиевидные жилы. В строении жил различают внутреннюю осевую часть и боковые наросты – зальбанды. При метасоматическом образовании гидротермальных жил растворы, просачиваясь вдоль тонких капиллярных трещин, взаимодействуют с минералами вмещающих пород, растворяют, разъедают (резорбируют) их, и на месте отлагаются другие минералы.

Жилы бывают на высоко- (гипотермальные, 300–400 °С), средне- (мезотермальные, 150–300 °С) и низкотемпературными (эпитермальные, менее 150 °С).

По источникам растворов и области минералообразования все гидротермальное минералообразование делят на плутоногенное, вулканогенное, телетермальное.

При плутоногенном типе минералообразования гидротермы связаны с глубокими магматическими очагами, часто вблизи от материнской интрузии (плутона). Они формируют высокотемпературную минерализацию (рис. 15). К этому типу относятся высокотемпературные кварцевые жилы. Пространственно и генетически они тесно связаны с грейзенами и имеют аналогичную минерализацию: касситерит, вольфрамит, молибденит, берилл, висмутин, жильный кварц, флюорит, иногда топаз, в зальбандах жил – часто мусковит, калишпат.

Высокая температура

Средняя температура

Низкая температура

Рис. 15. Схема минерализации жил по мере их удаления от источника гидротермальных растворов и снижения их температуры (И.Т. Бакуменко и др., 2001 г.)

При среднетемпературной плутоногенной минерализации образуются карбонатные и кварц-карбонатные жилы с минералами Ag, Co, Ni, Bi, U; полиметаллические месторождения (Zn, Cu, часто Ag). Полиметаллическая минерализация в гидротермальной стадии местами накладывается на скарны. Золото-кварцевые месторождения Якутии формировались при средне- и высокотемпературной минерализации.

Вулканогенная гидротермальная ассоциация минералов формируется за счет низкотемпературных гидротерм, связанных с магматическими очагами вблизи поверхности, иногда с выходами на поверхность (вулканы). Участвуют ювенильные и метеорные воды. Нередко образуется халцедон, имеется вольфрамит, касситерит.

Телетермальные низкотемпературные гидротермы представляют собой растворы, далеко ушедшие от источника их образования. Приурочены к зонам глубинного разлома, где локализуются мелкие магматические тела. Формируются месторождения ртути, сурьмы, мышьяка с включением серебра.

Гидротермальное минералообразование сопровождается интенсивным изменением вмещающих пород (околожильное, околорудное изменение) и характеризуется следующими основными типами гидротермальных метасоматитов:

· для кислых пород при средней и низкой температуре – окремнением, серицитизацией, березитизацией;

· для средних и щелочных пород при низкой температуре – пропилитизацией, лиственитизацией, магнезиализацией, карбонатизацией, фосфатным метасоматозом, хлоритизацией;

· для ультраосновных пород – серпентинизацией, оталькованием, нефелинизацией, алунитизацией.

У некоторых метасоматитов строгая приуроченность к определенному типу пород отсутствует. Известны переходные типы метасоматитов, а также наложением одних типов на другие (рис. 16).

Вторичные кварциты (окремнение) образуются при взаимодействии кислых растворов, богатых летучими компонентами (SO₂, HF, HCl), с алюмосиликатными породами у поверхности с выносом щелочей и концентрацией кремнезема, глинозема и оксида титана. В порядке понижения температуры образуются корунд, андалузит, диаспор, алунит, каолинит, серицит, пирофиллит.

Серицитизация протекает при низкой температуре с образованием мелкочешуйчатого мусковита – серицита («серикос» – шелковистый) во вмещающих полевошпатовых породах вокруг гидротермальных жил. Это частный случай пропилитизации, но в породах, которые мало содержат Ca и Mg,

Березитизация, или «сульфидная грейзенизация» протекает при средних температурах с преобразованием кислых пород (граниты, гранодиориты, гранит-порфиры, кварцевые порфиры) под влиянием перегретых сульфидных растворов с HS^–, H₂S. Происходит разложение цветных минералов и части полевых шпатов с образованием светлых слюд, кварца и пирита. Выносятся Mg, Ca, Na, в мусковите фиксируется калий. Формируются золоторудные месторождения, W, Mo, Cu, ассоциации серицита, кварца, пирита, анкерита.

Рис. 16. Схема развития метасоматоза в системе интрузив – надинтрузивная зона в контрастных средах (по В. А. Кудряшову и др.):

1 – известняки, 2 – доломиты, 3 – скарны, 4 – граниты, 5 – 7 – продукты метасоматических процессов (5 – калишпатизированные граниты и калишпаты, 6 – альбитизированные граниты, 7 – грейзенизированные породы), 8 – 16 – грейзены (8 – слюдяно-кварцевый, 9 – кварцевый, 10 – топазовый и топаз-кварцевый, 11 – слюдяной, турмалин-слюдяной, 12 – топаз-флюоритовый, 13 – слюдяно-флюоритовый, 14 – флюоритовый, 15 – слюдяно-селлаит-флюоритовый, 16 – селлаит-флюоритовый), 17 – жилы выполнения

Пропилитизация – метасоматическое гидротермальное изменение основных и средних вулканических пород (андезиты, дациты, базальты) в зоне малых и средних глубин. В областях активного вулканизма гидротермальные растворы могут быть от кислых до щелочных.. Происходит замещение пироксена, роговой обманки, плагиоклаза, биотита и ортоклаза на хлорит, серицит, эпидот, альбит, кальцит, пирит, одуляр, цеолиты. Реакцию преобразования плагиоклаза и пироксена под действием газообразной и перегретой воды с образованием важнейших минералов пропилита можно представить следующим образом:

4 [NaAlSi₃O₈ · CaAl₂Si₂O₈] + 5 (Mg, Fe)SiO₃ + 5 H₂O →

лабрадор пироксен

→ 2 Ca₂Al₃Si₃O₁₂(OH) + (Mg, Fe)₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₈ + 4 NaAlSi₃O₈ + 4SiO₂

эпидот хлорит альбит кварц

Образуются разнообразные месторождения, связанные с гидротермальным рудоотложением.

Лиственитизация – процесс изменения основных и ультраосновных пород под влиянием перегретых углекислых растворов. Происходит разложение оливина, пироксенов, роговых обманок с образованием талька, кварца и магнезиально-железистых карбонатов – доломита, анкерита, брейнерита и др. Полевые шпаты превращаются в мусковит или серицит, реже в хромовую слюду – фуксит. При высоких парциальных давлениях CO₂ разложение идет до частичного образования пирофиллита Al₂Si₄O₁₀(OH)₂. Типичным для этого процесса является образование талька и карбонатов магния и железа.

При магнезиальном метасоматозе в основных породах пироксен и амфибол замещается оливином. В эндоконтактной зоне гранитов происходит отложение биотитов, роговой обманки и других магнезиальных минералов, при понижении температуры – хлоритизация алюмосиликатных минералов.

Карбонатизация – взаимодействие пород с известняками и их преобразование. В результате могут протекать следующие процессы.

Доломитизация известняков происходит в результате воздействия растворов, содержащих в повышенных концентрациях ионы Mg²⁺ и SO₄^2–:

2 CaCO₃ + Mg(SO₄)+ 2 H₂O → CaMg(CO₃)₂ + CaSO₄ ∙ 2 H₂O

известняк доломит гипс

Под воздействием растворов с Fe²⁺ или Mn²⁺ процесс протекает полнее с образованием сидерита FeCO₃ или родохрозита MnCO₃. В результате этого могут образовываться крупные промышленные месторождения железных и марганцевых руд. Взаимодействие с известняками гидротермальных сульфидных растворов приводит к образованию в известняках богатых метасоматических сульфидных месторождений, например, свинцово-цинковых руд. Они отлагаются в известняке за счет выноса части CaCO₃.

Карбонатный метасоматоз с силикатным связывает между собой процесс скарнообразования. Например, отложение в известняке форстерита Mg₂SiO₄, шпинели MgAl₂O₄, гроссуляра или везуавина.

Фосфатный метасоматоз – образование апатита в богатых известью породах при участии фтора и хлора

Хлоритизация – процесс гидротермального изменения пород при низкой температуре с образованием хлорита за счет биотита.

Серпентинизация, оталькование – гидротермальное изменение ультраосновных пород с образованием соответственно серпентина и талька.

Нефелинизация – процесс привноса натрия, вызывающий извлечение глиноземов из пироксенов и амфиболов с возможным образованием нефелина.

Алунитизация – протекание в условиях окисления и присутствия в воде SO₃ с образованием серной кислоты. При этом сера осуществляет алунитизацию алюмосиликатных пород с образованием алунита KAl₃(SO₄)₂(OH)₆ и с выносом сульфатов щелочей и SiO₂.

Месторождения гидротермального генезиса дают до 70 % мировой добычи Mo, W, до 100 % олова и 50 % меди.

Взаимодействие термальных поровых растворов с породой приводит к формированию метасоматической зональности – последовательной смене метасоматитов (гидротермалитов) от наиболее измененной внутренней зоны к внешней и неизменной породе. Совокупность одновременно образовавшихся метасоматитов («зональная колонка») называют метасоматической фацией. Совокупность фаций, возникшая в результате одного петрогенетического или генетически единого геологического процесса, представляет собой метасоматическую формацию (В. А. Жариков).

В. И. Рехарский (цит. по А.И. Перельману, 1989) выделил гидротермально-метасоматические формации, расположенные сверху вниз от ранних высокотемпературных к поздним низкотемпературным:

I. Гидротермально-метасоматические формации,
связанные преимущественно с гранитоидными породами

Магнезиально-скарновая	- Fe, B, флогопит
Известково-скарновая	- Fe,Cu, Co, V, Mn
Фельдшпатовая	- Ta, Nb, TR, U, Th, Ti, Be, Li,
Полевошпат-кварцевая	- Mo, W, Sn, Cu
Грейзеновая	- W, Mo, Sn, Be, Li, Bi
Турмалин-кварцевая (турмалин-хлоритовая)	- Sn, Cu, W, Bi, Au, As
Пропилитовая	- Au, Ag, Cu, As, Pb, Zn
Вторично-кварцитовая	- Cu, Zn, Pb, Au, Ag
Кварц-серицитовая	- Cu, Mo, Zn, Pb
Березитовая	-–Pb, Zn, Au, Ag, U, Mo, Bi, Sn, W, Be, Co, As, Sb, Hg
Аргиллизитовая	-–Hg, Sb, Sn, Au, Ag, As, U, Mo, Zr, Pb, Zn, Cu

II. Гидротермально-метасоматические формации, связанные преимущественно с ультраосновными и основными породами:

Серпентинитовая	- Cr, асбест
Уралитовая	- Ni,Cu, Pt, флогопит
Тальк-карбонатная	- Ni,Cu, Au, тальк, магнезит
Брусит-валлериитовая	- Cu, Ni, Co, Pt
Лиственитовая	- Hg, Au, Cu, Zn, Pb

III. Гидротермально-метасоматические формации, связанные преимущественно с ультраосновными щелочными породами:

Альбититовая	- Zr, Hf, Nb, Ta, TR, Th, U
Камафоритовая (апатит-магнетитовая)	- Fe, Ti, P, Zr, Ta, Nb, Cu
Карбонатитовая	- Nb, Ta, Zr, TR
Карбонат-флюоритовая	- флюорит

Оруднение часто накладывается на метасоматиты или разви­вается одновременно с ним. Поэтому многие авторы рассматривают рудообразование как часть общего процесса метасоматоза («рудоносные метасоматиты»). Согласно Г. Л. Поспелову, гидротермальные месторождения возникают в застойных или полузастойных условиях. Проблема источника рудных элементов является дискуссионной.

Метасоматические процессы всегда связаны с химическими реакциями, направленными на выравнивание состава горными породами метаморфизирующих растворов. Так как эти растворы часто несут с собой полезные (рудные) компоненты, то характер изменения горных пород широко используется как геохимический критерий при поисках месторождений полезных ископаемых. Интенсивность метасоматических процессов тем выше, чем контрастнее состав раствора и породы и выше пористость и трещиноватость изменяющейся породы.

Изучение элементов-примесей в метасоматитах имеет важное практическое значение. Например, более 95 % Cu на земле добывается из халькопирита (CuFeS₂), в котором установлены повышенные содержания Re, Zn, Se, Te, Ge, Au, Ni, Co, Ag, Cd, Tl, As, Sb, Pt, Pd, Rh и других элементов. Стоимость элементов-спутников в некоторых рудах в два-три раза превышает стоимость самой меди. В ряде случаев из руд извлекается только медь.

В гидротермальных рудах известны самородные Au, Ag, Bi, Te, Sn, Sb, As, присутствие которых не противоречит физико-химическим параметрам гидротермальных систем. М. И. Новгородова обнаружила в золоторудных и иных месторождениях «экзотические» самородные металлы Al, Zn, Cr, Cd, In, Co, карбиды и силициды металлов.

Формы миграции одного и того же элемента разнообразны в гидротермах от простых до комплексных ионов. Они осаждаются, по А.И. Перельману, на следующих геохимических барьерах гидротермальных систем: окислительном, сероводородном, глеевом, щелочном, кислом и термодинамическом.

Таким образом, термодинамика магматической кристаллизации определяется природой присутствующих ионов, их концентрацией, а также температурой, давлением и структурой образующихся твердых фаз. Изменение энергии и энтропии приводит к удалению ионов из расплава и их упаковку в упорядоченный структурный кристалл. Последовательность образующихся структур определяется содержанием кремния и алюминия в магме и величиной температуры. Они играют роль сортировочных механизмов для ионов. Катион может войти в кристалл только в том случае, если его размеры позволяют ему это сделать. Он может окружить себя анионами в соответствии со своим координационным числом. Редкие элементы в магматической кристаллизации ведут себя следующим образом. Когда редкий элемент обладает близким ионным радиусом и более высоким зарядом, чем главный элемент (или таким же зарядом, но меньшим радиусом), происходит захват его кристаллом. Так Ва²⁺ захватывается минералом калия. Если редкий элемент обладает близким ионным радиусом, но меньшим зарядом, чем главный элемент (или таким же зарядом, но большим радиусом), он допускается в кристалл главного элемента. Таким способом литий допускается в минералы магния. Затвердение магмы хотя и управляется простейшими принципами фазовых равновесий и фракционной кристаллизации, однако способно видоизменяться в различных условиях, существующих в коре и верхней мантии.