Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования

В предыдущих разделах рассмотрены, в основном, методические подходы к определению составов растворов, вызывающих тот или иной тип изменения пород. Однако существует ряд общих закономерностей формирования состава водных растворов (поровых растворов), способных участвовать в гидротермальном процессе. Эти закономерности формирования составов растворов за счет реакций взаимодействия вода-порода нами специально исследовались в работах [Борисов, 1980; Борисов и др., 1984, 1985; Борисов и др., 1988] и анализируются в данном разделе.

Взаимодействия в системе "вода-порода" принадлежат к числу важнейших процессов, определяющих формирование химического состава природных вод. В чистом виде, т.е. когда раствором является чистая вода, такие взаимодействия в реальных гидрогеохимических системах вряд ли существуют, поскольку формирование химического состава вод происходит в результате целой совокупности процессов, важное значение среди которых имеют реакции с участием ряда летучих компонентов (угольной кислоты, сероводорода, хлоридов и т.п.). Тем не менее результаты изучения взаимодействий вода-порода дают возможность установить первичную основу, некие исходные соотношения между петрогенными компонентами, на фоне которой происходят дальнейшие изменения химического состава природных растворов - холодных и термальных.

Нами проведено исследование взаимодействия алюмосиликатных пород различного состава с чистой водой. Рассмотрена гетерогенная система Н, О, Si, Аl, Fe, Са, Mg, Na, К, описанная 40 фазами постоянного состава (минералы) и 27 частицами водного раствора. В закрытой системе при достижении эвтонической (нонвариантной) точки максимальное число сосуществующих фаз равно девяти (восемь фаз минералов и одна - водный раствор).

Термодинамические расчеты выполнены для 100, 200 и 300^oС и давления насыщенного пара воды. В контакт с водой вводились магматические и метаморфические горные породы (табл. 2.6), представляющие собой или главные типы пород земной коры (кроме осадочных), или породы с максимальными, минимальными и средними содержаниями тех или иных породообразующих элементов.

Задачи моделирования: 1) исследовать предельный случай взаимодействия с H₂O для последующего использования в более сложных системах в качестве реперного; 2) провести расчеты с широким кругом пород и выделить группы (или определить вариации химического состава) пород, по которым образуются однотипные вторичные изменения минерального состава и растворы одинакового или близкого химического состава; 3) выявить интервалы отношения масс породы и воды, при которых происходят существенные изменения химического состава раствора.

Рис. 2.5. Схематическая диаграмма трехкомпонентной системы с инконгруэнтно растворяющимися соединениями ...

Зависимость состава раствора от величины отношения порода/вода является общим свойством водно-силикатных систем, в значительной степени обусловленным инконгруэнтным характером растворимости большинства алюмосиликатных минералов. Это приводит к тому, что система "вода-порода" по мере растворения породы проходит через ряд нонвариантных состояний. Показанная на рисунке 2.5 схема иллюстрирует это свойство процесса растворения пород.

Выбранные для рассмотрения горные породы "подвергались обработке" чистой водой при 12 значениях отношения порода/вода (0.01-10000 г породы/1000 г H₂O) в закрытой системе. Расчеты равновесий при увеличении отношения порода/вода имитируют последовательное увеличение интегральной массы породы, вовлеченной в реакцию с фильтрующимся через нее водным раствором. Равновесные состояния при малых значениях этого отношения, не достигающие эвтонической точки, должны представлять наиболее измененные части пород. При этом число равновесных устойчивых твердых фаз будет меньше максимально возможного их числа. При увеличении отношения порода/вода снижается степень изменения исходных пород вплоть до установления равновесия между водной фазой и относительно неизменными породами, т.е. образования поровых растворов. Дальнейший рост отношения порода/вода не приводит к изменению состава раствора и минералов породы, поскольку раствор уже насыщен относительно них. За состав поровых растворов можно принять состав водного раствора в эвтонической точке при величине отношения порода/вода, соответствующей пористости пород. Однако, как правило, эвтоническая точка достигается уже при более низких значениях этого отношения.

В таблице 2.7 приведены результаты расчетов только для составов растворов в эвтонических точках и равновесных с ними ассоциаций минералов, а также величины отношения порода/вода, при которых достигается это равновесие. При увеличении значения этого отношения от 0.00001 до соответствующего нонвариантной точке, практически для всех пород в равновесных растворах повышаются концентрации натрия и кремнезема, понижаются концентрации кальция и магния, а концентрации калия, железа и алюминия ведут себя по-разному (в зависимости от состава исходной породы и образующейся ассоциации вторичных минералов), рН раствора растет. Отношения концентраций пар элементов K/Na, Ca/Mg, Al/Si в растворах эвтонических точек изменяются относительно слабо. Приведенные данные показывают, что главным фактором, определяющим состав равновесного водного флюида, его кислотно-основные и окислительно-восстановительные характеристики, является химический тип породы.

Растворы, взаимодействовавшие с кислыми породами, имеют наименьшее значение рН, менее концентрированы и характеризуются слабовосстановительными свойствами (наинизшие равновесные парциальные давления водорода). Состав раствора стабилизируется уже при довольно низких отношениях порода/вода. Для равновесной ассоциации фаз характерны кварц, мусковит, Кпш, гидрослюды, кальциевые алюмосиликаты, хлориты, альбит.

Растворы, взаимодействовавшие с основными породами, имеют более высокое значение рН, концентрированнее и являются сильными восстановителями (при реакции с породой создаются высокие парциальные давления водорода). Состав раствора стабилизируется при более высоких значениях порода/вода. Поэтому, при прочих равных условиях, достижение эвтонической точки для растворов, взаимодействующих с основными породами, более длительный процесс, чем для растворов, взаимодействующих с кислыми породами. Равновесные ассоциации минеральных фаз включают альбит, хлорит, эпидот, гидрослюды, мусковит, кальциевые алюмосиликаты.

Ультраосновные и щелочные породы в исследованном интервале отношений порода/вода разлагаются водой (нонвариантная точка не достигается).

Хочется обратить особое внимание на важное геохимическое явление, установленное в результате расчетов: увеличение концентраций водорода в растворах, взаимодействующих с основными и ультраосновными породами. Факты роста концентраций водорода в реальных термальных водах районов современного магматизма, сложенных такими породами, описаны В.И.Кононовым [Кононов, 1983] и обсуждаются с различных генетических позиций. При этом преобладает точка зрения об эндогенном происхождении водорода. Между тем результаты физико-химического моделирования показали, что высокие парциальные давления водорода могут быть результатом высокотемпературных взаимодействий воды с основными породами. Так, в нашей работе [Гричук и др., 1985] путем моделирования было установлено, что в результате реакции морской воды с толеитовыми базальтами при температурах 300-350^oС может быть достигнута концентрация водорода 0.025 моль/1000 г H₂O.

Фактором, непосредственно определяющим Eh, является соотношение двух- и трехвалентного железа в ассоциациях вторичных минералов, развивающихся по первичным породам. Восстановительный характер растворов, реагирующих с породами основного и ультраосновного составов, и, в частности, высокие концентрации водорода, обнаруженные при моделировании, обусловлены окислительно-восстановительной парой Fe(II)-Fe(III) и взаимодействием с Н₂О.