Гидротермальные процессы

Магматогенные процессы заканчиваются проявлением гидротермальной деятельности, т.е. происходит образование минералов под воздействием нагретых вод. Воды отделяются от магмы по мере снижения ее температуры в ходе кристаллизации. Часть вод поступает с поверхности путем просачивания и нагревания (вадозные и метеорные воды), часть вод освобождается при обезвоживании осадочных пород в процессе метаморфизации. Глубинные (ювенильные) воды могут смешиваться с метеорными, с формированием различного химического состава.

Магматогенные воды с летучими HСl и HF образуют кислые гидротермы, которые создают условия для формирования типичных минералов Si (кварц, халцедон), Cu, Pb, Zn, Hg, Au, Fe, Co, Ni, As, Sb, Bi, Sn, W, Mo, U, реже Mn, характерны минералы N, K, Ca, Mg, Ba. Форма переноса рудных элементов: ионная, коллоидная, комплексная.

Основные причины отложения минералов из гидротермальных растворов: температура, давление, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия. Форма отложения минералов в виде жил.

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

Щелочно-кислот-ные условия	Окислительно-восстановительные условия
Окислительные	Восстановитель-ные глеевые	Восстановительные сероводородные
Сильно-кислые	I. Сильнокислые кислородные	V. Сильнокислые глеевые	IX. Сильнокислые сероводородные
Слабо-кислые	II. Слабокислые кислородные	VI. Слабокислые глеевые	X. Слабокислые сероводородные
Нейтраль-ные и слабо-щелочные	III. Нейтральные и слабощелочные кислородные	VII. Нейтральные и слабощелочные глеевые	XI. Нейтральные и слабощелочные сероводородные сульфидные (источники Карловые Вары)
Сильно-щелочные	IV. Сильнощелоч-ные кислородные	VIII. Сильнощелоч-ные азотные термы	XII. Сильнощелоч-ные сероводородно-сульфидные (Тбилисские термы)

Кислородные гидротермы (I – IV классы) сернокислые и солянокислые с pH 0,5 – 3,5, богатые Fe, Al, местами Cu, Zn, Pb (Тихоокеанский пояс, Камчатка и др.). Воды содержат O₂, иногда H₂S, Eh достигает 1 В и более за счет HF, HCl.

Глеевые термы (V – VIII классы) известны в альпийской зоне, по составу углекислые, азотные и др. Классы V и VI представлены хлоридными растворами с pH 2,0 – 3,5 и выщелоченными из пород элементами Fe, Mn, Sr, Ba, Pb, Zn, Cu и др. К классу VII относятся азотно-углекислые термы, обогащенные As, B, Li, Rb, местами Sb, Hg и др. К VIII классу принадлежат азотные термы сульфатно-гидрокарбонатно-натриевого состава и обогащены SiO₂, Ge, Be, F, W и Mo. Eh местами отрицательный (от –0,08 до –0,1 В).

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

Отложения минералов связано 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 образование 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 делят на высокотемпературные (гипотермальные, 300 – 400°С), средне- (мезотермальные, 150 – 350°С), низкотемпературные (эпитермальные, менее 200°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. Они тесно связаны пространственно и генетически с грейзенами и имеют аналогичную минерализацию: касситерит, вольфрамит, молибденит, берилл, висмутин, жильный кварц, флюорит, иногда топаз, в зальбандах жил часто мусковит, калишпат.

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 гидротермальную стадию 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. Часто 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 – окремнение, серицитизация, березитизация;

· для средних и щелочных пород при низкой температуре – пропилитизация, лиственитизация, магнезиализация, карбонатизация, фосфатный метасоматоз, хлоритизация;

· для ультраосновных пород – серпентинизация, отальковывание, нефелинизация, алунитизация.

У некоторых метасоматитов строгая приуроченность к определенному типу пород отсутствует. Известны переходные типы метасоматитов, а также наложение одних типов на другие.

Вторичные кварциты (окремнение) образуются при взаимодействии кислых растворов богатых летучими (SO₂, HF, HCl) с алюмосиликатными породами у поверхности с выносом щелочей и концентрацией кремнезема, глинозема и оксида титана. В порядке понижения температуры образуется 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. Частный случай пропилитизации, но в породах бедных Ca и Mg.

Березитизация или "сульфидная грейзенизация" протекает при средних температурах с преобразованием кислых пород (гранитов, гранодиоритов, гранит-порфиров, кварцевых порфиров) 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.

Пропилитизация – метасоматическое гидротермальное изменение основных и средних вулканических пород (андезиты, дациты, базальты) в зоне малых и средних глубин. Гидротермальные растворы могут быть от кислых до щелочных в областях активного вулканизма. Происходит замещение пироксена, роговой обманки, плагиоклаза, биотита и ортоклаза на хлорит, серицит, эпидот, альбит, кальцит, пирит, одуляр, цеолиты. Стеклянная масса превращается в полевой шпат и кварц с хлоритом.

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 + 5H₂O →

лабрадор пироксен

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

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

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 при участии фтора и хлора приводит к образованию апатита в богатых известью породах.

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

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

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

Алунитизация протекает 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.

В подавляющем большинстве случаев химические элементы, привносимые метасоматическими процессами – это петрогенные элементы, обладающие невысокими порядковыми номерами и атомными весами. В целом роль гидротермальной минерализации велика. Месторождения гидротермального генезиса дают до 70% мировой добычи Mo, W, 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 выделил следующие три группы гидротермально-метасоматических формаций, которые расположены сверху вниз от ранних высокотемпературных к поздним низкотемпературным.

1. 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, Zr, Hf
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

2. 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

3. 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»). По Г.Л. Поспелову гидротермальные месторождения возникают в застойных или полузастойных условиях. Проблема источника рудных элементов является дискуссионной.

Рудные элементы осаждаются из гидротермальных растворов в больших объемах горных пород, превосходящих промышленные рудные тела. Поэтому в каждой рудоносной гидротермальной системе следует различать рудное тело и первичный геохимический ореол, в котором запасы рудных элементов и их спутников могут быть значительными.

Зоны, опоясывающие обычные (аномальные) ореолы А.В. Кацнель назвал «субфоновыми ореолами». Их выявление повышает эффективность геохимических поисков.

Изучение элементов-примесей 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.