Е. В. Белогуб

Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс

 

 

Под гипергенезом понимается совокупность процессов окисления, восстановления, растворения и отложения минерального вещества в близповерхностных условиях. Гипергенные рудные концентрации могут иметь остаточный характер, и в этом случае обуславливаются избирательным выносом химических компонентов. Остаточное накопление характерно для алюминия в бокситах, никеля в корах выветривания, золота в зонах окисления сульфидных месторождений. Второй механизм возникновения гипергенных руд – перераспределение вещества: растворение и последующее отложение на геохимических барьерах новых рудных минералов. Такой механизм концентрации характерен, в основном, для зон окисления сульфидных месторождений и затрагивает медь, серебро, цинк, золото и свинец. Для перечисленных металлов руды гипергенного происхождения вносят ощутимый вклад в мировую добычу [10]. Развитие технологии извлечения, возрастающие требования к сохранению экологии среды лежат в основе возобновления интереса к месторождениям супергенного происхождения на рубеже веков.

Работы, проводимые в Институте минералогии УрО РАН в этом направлении, поддержаны грантами РФФИ (04-05-96014-р2004урал_а), ФЦП “Интеграция” (ЭО364), программой “Университеты России” (УР.09.01.048) и Министерства образования РФ (01.0204.ф).

 

Основным объектом данного обзора являются зоны окисления сульфидных залежей. Применительно к уральским месторождениям экономическая причина пристального внимания к зонам окисления – необходимость наиболее полного использования ресурсов мелких и средних месторождений, а также вовлечение в эксплуатацию месторождений нетрадиционного для нашей территории меднопорфирового типа. В ряде случаев зона окисления (золотоносность железных шляп и наличие вторичного медного обогащения) определяет рентабельность отработки. Большое значение имеет также разработка и внедрение в эксплуатацию новых технологий извлечения металлов методами гидрометаллургии и биовыщелачивания.

В последние 10 лет на Южном Урале из окисленных руд колчеданных (Бакр-Узяк, Западно-Озерное, Барсучий Лог, Джусинское), золотопорфировых (Березняковское), золото-серебрянных и золото-сульфидных (Муртыкты, Ик-Давлят) месторождений извлекались золото, серебро, ртуть методами кучного и чанового выщелачивания. На ряде колчеданных месторождений породы зоны окисления были селективно складированы для дальнейшей переработки (Гайское, Александринское, Балта-Тау) (рис. 1). Планируется строительство фабрики по извлечению меди из окисленных руд меднопорфировых месторождений (Михеевского, Томинского). Перечисленные объекты вносят вклад в экономическое развитие региона.

Верхние полуокисленные горизонты колчеданных рудных тел обычно значительно – в два-три раза – обогащены медью и цинком. Однако, эти руды, как правило, труднообогатимы. Согласно результатам фазового анализа, более половины цинка в таких рудах находится в сульфатной (реже – карбонатной) форме, а медь – как в форме сульфата, так и в виде вторичных медных сульфидов. При традиционном извлечении методом флотации происходит неполное извлечение металлов из таких руд. Применяемый в настоящее время крупными комбинатами, разрабатывающими одновременно несколько месторождений, метод “усреднения” бедных первичных руд более богатыми полуокисленными дает приемлемые результаты. Однако, нельзя не отметить, что при таком подходе потенциал богатых руд используется далеко не полностью, а хвосты отработки содержат значительные количества рудных металлов в растворимой сульфатной форме. Эти обстоятельства требуют разработки специальных методов обогащения применительно к промышленно-технологическим типам руд, выделение которых базируется на данных минералого-геологического картирования и технологических испытаний. Типы окисленных руд занимают вполне закономерное положение в гипергенном профиле.

 

Вертикальная зональность гипергенного профиля сульфидного месторождения в целом стандартна и включает в себя сверху вниз подзоны полного окисления (железная шляпа), выщелачивания (сыпучки), вторичного медносульфидного обогащения (цементации) и первичных руд. Для каждой из подзон характерны специфические черты минералогии и геохимии, которым посвящена обширная библиография [5, 7 и др.]. В реальных месторождениях наблюдаются усложнение или упрощение профиля, влекущие за собой отклонения от модельной химической и минералогической зональности [9 и др.].

Анализ опубликованных данных и наши исследования показывают, что зона распространения вторичных сульфидов имеет более сложные состав и строение, чем рассматривалось ранее (рис. 2). Среди новообразованных фаз, помимо халькозина, ковеллина и грейгита, наблюдаются также галенит, сфалерит, метациннабарит, сульфосоли (месторождения Александринское, Западно-Озерное, Джусинское). Большой объем могут занимать вторичный пирит и пирротиноподобные фазы (гидротроилит, нестехиометричный пирротин с примесями серебра, мышьяка). Возможно обнаружение селенидов – тиманнита [2, 9], джаркенита, науманнита [9]. Намечается тенденция фракционирования металлов в пределах

В геоморфологическом отношении месторождение может располагаться на участках с высоким водообменом (на возвышенностях, склонах или в пределах влияния водотоков) и на равнинах с незначительным водостоком. В первом случае процессы выщелачивания и рассеивания наиболее подвижных элементов максимальны. Во втором случае условия более подходящи для формирования сложной полнопрофильной зональности и отложения вторичных минералов.

5. С влиянием климата связывается общий стиль зональности. Определенные минералы играют роль индикаторов палеоклимата. Например, появление горизонтов ярозита и опала, а также галогенидов серебра традиционно считается свидетельством окисления в условиях аридного или семиаридного климата [6]. Наши исследования показывают, что минералы семейства ярозита распространены более широко и обнаруживаются на соответствующем уровне практически во всех зонах окисления сульфидных месторождений семиаридной и даже гумидной областей. Так, в зонах окисления неглубокозалегающих Александринского, Бабарыкинского и Западно-Озерного месторождений (семиаридный климат) были констатированы скопления свинец-содержащих ярозит-биверитовых, ярозит-бедантитовых охр непосредственно над подзоной выщелачивания, а жилы ярозита наблюдались во вмещающих породах в верхней части профиля. На Березовском золото-кварцевом месторождении (гумидный климат) ярозит зафиксирован в сходной позиции. Галогениды серебра, как наиболее труднорастворимые соединения серебра, при внимательном изучении могут быть обнаружены практически в каждой развитой зоне окисления. Таким образом, находка того или иного “индикаторного” элемента сама по себе не может служить основанием для реконструкций климата.

6. Соотношению скорости окисления и денудации принято предписывать определяющую роль в формировании зон вторичного сульфидного медного обогащения. При этом повторяющаяся зональность обычно связывается с колебаниями уровня грунтовых вод [5]. Остается неясной причина сохранности относительно неустойчивых вторичных медных сульфидов “первой генерации” при понижении уровня грунтовых вод. Тем не менее, совершенно очевидно, что повышение уровня грунтовых вод способствует увеличению объема зоны с восстановительными условиями, что приводит к усложнению зональности и дифференциации рудных компонентов в форме сульфидов, как это наблюдалось в Западно-Озерном, Александринском и установлено на Джусинском месторождениях.

7. Увеличение длительности формирования гипергенного профиля способствует полной стратификации профиля, установлению минеральных равновесий и, как следствие – упрощению минералогического состава и выносу относительно подвижных компонентов.

8. Участие тионовых бактерий катализирует процессы окисления сульфидов и сульфатредукции. Органическое вещество присутствует практически во всех зонах окисления. В благоприятных условиях деятельность сульфат-редуцирующих бактерий значительно увеличивает вероятность осаждения сульфидов и их видовое разнообразие. На примере Западно-Озерного месторождения было показано, что вторичные галенит, сфалерит, пирит-джаркенит характеризуются значительно облегченным изотопным составом серы (до d ³⁴S = –17.2 ‰ по сравнениию с +2 ‰ в первичных рудах), что указывает на их биогенную природу [9].

 

Распределение полезных элементов в гипергенном профиле служило объектом многих исследователей, в первую очередь, в связи с возможным их извлечением. Наибольшее количество работ посвящено распределению благородных металлов и меди.

Для золота на Южно-Уральских объектах установлено три типа накопления: остаточный, с обогащением преимущественно железной шляпы, хемогенный, с резким обогащением низов зоны выщелачивания и комбинированный [6]. В качестве фактора, ответственного за тип накопления золота, выдвигается минералого-геохимический тип первичных руд [6]. Хемогенное обогащение, по мнению авторов, характерно для высокопиритных колчеданных залежей, остаточный тип свойственен барит-полиметаллическим залежам. Основной причиной наблюдаемых различий являются вариации форм нахождения благородных металлов в различных текстурно-минералогических типах колчеданных руд, которые, соответственно, отличаются и поведением в гипергенных условиях. Следует отметить, что авторами этого обобщающего труда были затронуты хорошо дифференцированные, развитые зоны окисления. Случай слепого залегания рудных тел ими не рассматривался.

Совершенно очевидно, что более крупное и высокопробное самородное золото даже с весьма агрессивными кислотными растворами, возникающими при окислени пиритовых руд, реагирует медленно, в то время как низкопробное золото и, в еще большей степени, теллуриды и золотосодержащие сульфиды, которые часто содержатся в медноколчеданных месторождениях, растворяются значительно быстрее и могут быть вновь осаждены на геохимическом барьере. Аридность климата способствует возникновению высококонцентрированных растворов, потенциально несущих достаточное количество металлов для их концентрации [3].

Серебро, как правило, характеризуется большей миграционной способностью, чем золото, и большим количеством новобразованых минеральных видов, среди которых наиболее обычны акантит, галогениды серебра, примесь в минералах группы ярозита. Наблюдаемая в первичных рудах прямая корреляция между золотом и серебром, в окисленных рудах несколько снижается, но остается значимой [1, статьи И. А. Савинова и К. А. Новоселова во II томе данного сборника].

Ртуть признается одним из наиболее подвижных элементов в зонах окисления, что лежит в основе метода газортутной съемки для поиска сульфидных месторождений. Как показывают многочисленные исследования [2, 9 и др.], ртуть может незначительно накапливаться в подзоне выщелачивания в виде собственных сульфидов и селенидов, но основная масса этого металла находится в сорбированном виде на новобразованных оксигидроксидах железа, марганца и глинистых частицах. Некоторыми исследователями рассматривается возможность совместной миграции и накопления в верхней части зоны окисления золота и ртути. Однако, невзирая на многочисленные находки амальгам, поведение золота и ртути в гипергенном процессе различается [статья К. А. Новоселова во II томе данного сборника].

Медь, как это было рассмотрено многочисленными исследователями [5, 7], накапливается в зоне цементации в виде вторичных сульфидов, создавая концентрации в 2–3 раза превышающие таковые в первичных рудах. Часть меди присутствует в поровых водах в виде растворимого сульфата и может осаждаться на испарительном барьере.

Цинк в зоне окисления уральских месторождений рассеивается. Для накопления цинка, образующего относительно высокорастворимые соединения, в несульфидной (карбонатной, силикатной) форме важнейшими условиями является высокая аридность климата, обеспечивающая достатучную концентрацию гипергенных растворов, и наличие аниона-осадителя, источником которого могут быть карбонатные породы. На территории Южного Урала такие условия не реализуются. Цинк, содержащийся в поровых водах низов зоны окисления (подзоны цементации и выщелачивания), может быть осажден в форме водных сульфатов на испарительном барьере, возникающем в процессе вскрыши сульфидных руд при эксплуатации месторождений. Находки собственных минералов цинка в зонах окисления промышленного значения не имеют.

Свинец относительно малоподвижен, за пределы зоны окисления практически не выносится, но может образовать собственные минералы практически во всем профиле. Собственные минеральные формы характерны для колчеданных месторождений, находящихся на начальной стадии окисления. Здесь можно обнаружить галенит, сульфосоли свинца, церуссит, англезит, биверит, осаризаваит, бедантит, плюмбогуммит [9]. На месторождениях с развитым гипергенным профилем в нижней части зоны диагностируются церуссит и англезит, в верхней – обогащенные свинцом ярозиты.

Мышьяк является характерной примесью колчеданных руд и как элемент-токсикант требует пристального внимания. В зоне окисления колчеданных месторождений Южного Урала из собственных минералов мышьяка установлены скородит, бедантит, мышьяковистые сульфосоли свинца и меди (Западно-Озерное), эритрин (Ишкининское, Мелекесцева). На подавляющем большинстве месторождений мышьяк изоморфно входит в структуру минералов группы ярозита.

Распределение селена и теллура в зонах окисления южноуральских месторождений изучалось Н. А. Читаевой [8] на примере зон окисления Куль-Юрт-Тау, Блявинского и Гайского месторождений. Возможность концентрации селена в зоне выщелачивания была выявлена И. П. Палей [4]. В зоне гипергенеза содержания селена и теллура изменяются сложно и в целом повышены – наблюдается их концентрация в зоне выщелачивания и незначительное увеличение содержаний селена в железной шляпе. Селен в низах зоны окисления образует самородную форму, селениды ртути, серебра, железа, в подзоне полного окисления изоморфно входит в состав минералов группы ярозита [9], возможно – и других сульфатов. Собственные минералы теллура в зоне окисления пока не установлены.

Таким образом, в зонах окисления сульфидных месторождений наблюдается сложная минералогическая и геохимическая зональность. Переработка окисленных руд требует разработки специальных подходов, начиная с селективной добычи выделенных минералого-технологических типов руд и заканчивая специальной технологией извлечения, учитывающей минеральные формы полезных и мешающих компонентов. Важным аспектом является предотвращение рассеяния элементов-токсикантов.