РЕФЕРАТ

УДК 553.48:550.8.013

Серпентинизация ультрамафитов и источник металлов для кобальт-медно­колчеданных месторождений. Третьяков Г. А., Мелекесцева И. Ю. // Металлогения древних и современных океанов–2008. Рудоносные комплексы и рудные фации. Миасс: ИМин УрО РАН, 2008.
 
С помощью программы «Селектор», основанной на методе минимизации энергии Гиббса, проведено физико-химическое моделирование процессов серпентинизации ультрабазитов под действием морской воды и отложения металлов из растворов. Показано, что равновесные концентрации растворов, возникающих при взаимодействии вода–порода, согласуются с природными растворами, отобранными на гидротермальном поле Рейнбоу. В случае достижения равновесного состояния с гарцбургитом, из раствора в метасоматит переходит большая часть транспортируемых металлов. Расчет баланса масс для Co и Cu показывает, что для образования мелких месторождений типа Ишкининского на Южном Урале достаточно вовлечения в процессы серпентинизации всего лишь 65 млн т (» 0.02 км3) гипербазита. В результате проведенных модельных расчетов показано, что серпентинизация, являющаяся широко распространенным процессом, при определенных условиях может привести к рудоотложению в серпентинитах, а ультрабазиты могут быть источником вещества для формирования кобальт-медноколчеданных месторождений.
 
Илл. 2. Библ. 11.

 

Г. А. Третьяков1, И. Ю. Мелекесцева2
1 – Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск
 genatret@uiggm.nsc.ru
2 – Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс
 
Серпентинизация ультрамафитов и источник металлов
для кобальт-медноколчеданных месторождений
 
Открытие и прямое наблюдение современных высокотемпературных гидротермальных источников, отлагающих сульфидную минерализацию в осевых долинах срединно-океанических хребтов, привело к появлению многочисленных работ по физико-химическому моделированию взаимодействия морской воды с базальтами и гипербазитами [Гричук, 2000; Alt, Shanks, 2003 и др.] и отложения рудного вещества в виде современных и древних «черных курильщиков» [Tivey, 1995; Третьяков, Масленников, 2008 и др.]. В последнее десятилетие XX века в Срединно-Атлантическом хребте был открыт новый тип гидротермальных систем, связанный с ультрамафитами и принципиально отличающийся от таковых на базальтах [Богданов и др., 2002]. В палеоокеанических структурах Южного Урала в зоне Главного Уральского разлома также имеются небольшие кобальт-медноколчеданные месторождения (Ивановское, Ишкининское и Дергамышское), ассоциирующие с ультрамафитами и обладающие некоторым сходством с современными сульфидными залежами САХ [Мелекесцева, 2007].
Изучение взаимодействия ультраосновных пород с морской водой начато еще в 1980 г. [Seyfried, Dibble, 1980], однако процессы рудоотложения в ультрамафитах до сих пор не были рассмотрены в полном объеме. Выполненное ранее физико-химическое моделирование процессов серпентинизации ультрамафитов по методу степени протекания реакции включало в себя исследование поведения некоторых рудных элементов (Fe, Cu, Ni и Zn) [Велинский и др., 2004]. Полученные результаты говорили о том, что ультрамафиты являются только геохимическим барьером для осаждения металлов, а не их источником. Тем не менее, существуют мнения в пользу того, что гипербазиты, как современные, так и древние, могут служить источником металлов для образования современных залежей [Богданов и др., 2002; Леин и др., 2003; Зайков, Юминов, 2007].
Целью настоящей работы явилась оценка масштабов выноса рудных элементов из гипербазитов морской водой в глубинных PT-условиях и их концентрирования в рудах древних и современных месторождений. С помощью программы «Селектор», использующей метод минимизации свободной энергии Гиббса в приближении локального равновесия, выполнено физико-химическое моделирование серпентинизации при взаимодействии гарцбургита и морской воды для температур 300–350 °C, давления 300 бар и различных соотношений вода/порода.
Базовая мультисистема состояла из 30 независимых (Ag, Al, As, Au, Ba, Bi, C, Ca, Cd, Cl, Co, Cr, Cu, Fe, H, Hg, K, Mg, N, Na, Ni, O, Pb, S, Sb, Se, Si, Sn, Te, Zn) и 520 зависимых компонентов, в том числе 239 компонентов водного раствора, 17 компонентов газовой смеси и 196 твердых фаз (исключая пентландит, изокубанит и теннантит из-за отсутствия термодинамических данных для этих минералов). Термодинамические константы веществ взяты из справочников, исходный химический состав системы описан в работе [Велинский и др., 2004], данные по среднему содержанию малых элементов в неизмененном гипербазите заимствованы из [Справочник…, 1990].
После нагрева морской воды до 370 °C из нее осаждались брусит и ангидрит. Далее моделирование процесса серпентинизации выполнялось по методу ступенчатого реактора, когда одна порция раствора (1 л) неоднократно проходила через фиксированное количество неизмененной породы (20 г) (рис. 1), или когда на одну часть породы последовательно действовали равными порциями неизмененного раствора (рис. 2).

Результаты моделирования свидетельствуют, что процесс серпентинизации ультраосновных пород приводит к образованию устойчивой равновесной ассоциации минералов: хризотил (свыше 80 %) + магнетит (до 8 %) + хлорит (до 4 %) + хромит (до 0.5 %) + халькопирит (до 0.01 %). На различных стадиях протекания процесса к ним присоединяются ангидрит, брусит и ряд рудных минералов (рис. 1а). На начальных этапах взаимодействия процессы протекают в кислой слабо восстановительной обстановке, однако после 10-го шага она резко сменяется нейтральной восстановительной, что приводит к смене минеральной ассоциации. В результате исчезают ангидрит, пирит и миллерит, и появляются более восстановленные минералы,
характерные для этих условий. Количество металлов, извлекаемых раствором из гарцбургита на первом этапе, составляет (моль/кг): Co – 5.77 × 10-7, Cu – 5.68 × 10-6, Fe – 1.98 × 10-4, Ni – 2.12 × 10-4. Эти значения согласуются с данными по изливающимся неравновесным растворам гидротермального поля Рейнбоу: Co – 7.5 × 10-6,
Cu – 3 × 10-5, Fe – 2.4 × 10-2, Ni – 1.6–1.9 × 10-7 [Богданов и др., 2002]. Проходя через гипербазиты, раствор оставляет в породе извлеченные рудные компоненты: разность между начальным и конечным этапом в модели для Co составляет 5.53 × 10-7,
для Cu – 5.68 × 10-6, Fe – 1.97 × 10-4 и Ni – 1.98 × 10-4. 

В связи с тем, что на южноуральских месторождениях, ассоциирующих с серпентинитами, преобладающим железистым сульфидом является пирротин [Мелекесцева, 2007], были воспроизведены условия его стабильного отложения в результате процессов серпентинизации. Оказалось, что добавление в систему всего 0.12 молей H2, который может генерироваться по реакции оливин + H2O® серпентин + брусит + магнетит + H2, сдвигает равновесные ассоциации в восстановительную область, вместо пирита формируется пирротин, и исчезает ангидрит (рис. 1б). На более ранний этап сдвигается появление и других восстановленных фаз. Поведение рудных компонентов в растворе аналогично описанному в предыдущем случае. Так, в раствор на первом этапе переходит (моль/кг): Co –1.08 × 10-6, Cu – 2.33 × 10-7, Fe – 2.51 × 10-4, Ni – 4.40 × 10-5, Zn – 1.53 × 10-5, а количество этих элементов, отлагаемых из раствора в результате ступенчатого протекания реакций серпентинизации, составляет (моль/кг): Co – 1.06 × 10-6, Cu – 2.32 × 10-7, Fe – 2.51 × 10-4, Ni – 3.71 × 10-5, Zn – 1.53 × 10-5.
В обоих случаях в расчетах на определенных этапах в твердых фазах присутствовали джайпурит, серебро, золото, брейтгауптит, галенит и гринокит в количествах до n×10-7 моля, что, однако, не превышает кларковых содержаний  Co, Ag, Au, Sb,  Pb и Cd в гипербазитах. Концентраций Bi, Hg, Se, Sn и Te недостаточно, чтобы в системе появились твердые фазы с участием этих элементов.
Последовательное воздействие порций морской воды (1 л) на одну и ту же массу гарцбургита (20 г) в конечном итоге приводит к изменению Eh с восстановительного на окислительный, соответствующему смене минеральных фаз и появлению гематита (рис. 2). При этом происходит практически полный вынос Cu, Ni и Zn и частично Co из серпентинизированной породы.
При смене условий с восстановительных на окислительные становится подвижным хром, его равновесное количество в растворе увеличивается до 4.79×10-4 моль/кг, и это облегчает замещение хромита магнетитом. В рудах южноуральских месторождений в большом количестве фиксируются замещение хромита магнетитом и повышение содержаний Fe3+ в хромитах из колчеданных руд по сравнению с хромитами из серпентинитов, что подтверждает опосредованное влияние сульфидообразования на хромиты [Мелекесцева, 2007].
Наиболее распространенными рудными минералами в расчетных ассоциациях являются пирит, пирротин, халькопирит и магнетит, что соответствует главным рудным минералам южноуральских месторождений. Сфалерит является мало распространенным, т.е. при формировании руд концентрации цинка в растворе чаще не достигали равновесия с твердыми фазами. Исходя из расчетов, в зону рудоотложения приходил раствор, для которого суммарное соотношение порода/морская вода при взаимодействии не превышало 1 : 7.
Расчет баланса масс для кобальта и меди показывает, что для образования мелких месторождений типа Ишкининского, запасы которого по категории B + C1 + C2 составляют для кобальта – 36.6 т и меди – 1 165 т [Мелекесцева, 2007], достаточно во­влечения в процессы серпентинизации всего лишь 65 млн т (»0.02 км3) гипербазита.
Таким образом, в результате проведенных модельных расчетов показано, что серпентинизация, являющаяся широко распространенным процессом, при определенных условиях может привести к рудоотложению в серпентинитах, а сами ультрамафиты могут быть источником вещества для формирования кобальт-медно­колче­данных месторождений.
Исследования поддержаны программой Президиума РАН № 17, интеграционным проектом УрО–СО РАН, Минобрнауки (проект РНП.2.1.1.1840) и грантом президента РФ для молодых кандидатов наук (МК-996.2008.5).
 
Литература
1.    Богданов Ю. А., Бортников Н. С., Викентьев И. В. и др. Минералого-геохимические особенности гидротермальных сульфидных руд и флюида поля Рейнбоу ассоциированного с серпентинитами, Срединно-Атлантический хребет (36°14′ с.ш.) // Геология рудных месторождений, 2002. Т. 41. № 6. С. 510–543.
2.    Велинский В. В., Третьяков Г. А., Симонов В. А. Серпентинизация ультрабазитов и гидротермальные рудообразующие системы в срединно-океанических хребтах (физико-химическое моделирование) // Геология рудных месторождений, 2004.
Т. 46. № 4. С. 332–345.
3.    Гричук Д. В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Научный мир, 2000. 304 с.
4.    Зайков В. В., Юминов А. М. Геологическая позиция и состав тальк-карбонатных метасоматитов на Ишкининском кобальт-медноколчеданном месторождении (Южный Урал) // Уральский минералогический сборник № 14. Миасс: ИМин УрО РАН, 2007. С. 65–81.
5.    Леин А. Ю., Черкашев Г. А., Ульянов А. А. и др. Минералогия и геохимия сульфидных руд полей Логачев-2 и Рейнбоу: черты сходства и различия // Геохимия, 2003. № 3. С. 304–328.
6.    Мелекесцева И. Ю. Гетерогенные кобальт-медноколчеданные месторождения в ультрамафитах палеоостроводужных структур. М.: Наука, 2007. 245 с.
7.    Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / А. П. Соловов, А. Я. Архипов, В. Я. Бугров и др. М.: Недра, 1990. 335 с.
8.    Третьяков Г. А., Масленников В. В. Источник вещества и зональность стенки трубы «черного курильщика» по данным физико-химического моделирования // Рудогенез. Мат-лымеждунар. конф. Миасс: ИМинУрОРАН, 2008. С. 313–317.
9.    Alt J. C., Shanks W. C. Serpentinization of abyssal peridotites from the MARK area, Mid-Atlantic Ridge: Sulfur geochemistry and reaction modeling // Geochim. Cosmochim. Acta, 2003. V. 67. № 4. P. 641–653.
10.     Seyfried W. E. Jr., Dibble W. E. Jr. Seawater-peridotite interaction at 300 °C and 500 bars: implications for the origin of oceanic serpentinites // Geochim. Cosmochim. Acta, 1980. V. 44. P. 309–321.
11.     Tivey M. K. The influence of hydrothermal fluid composition and advection rates on black smoker chimney mineralogy: Insights from modeling transport and reaction // Geoch. Cosmochim. Acta, 1995. V. 59. P. 1933–1949.