 |
Кора выветривания рудных месторождений
|
|
|
|
Для поверхностной части рудных месторождений, проработанной процессами гипергенеза, типична так называемая вторичная зональность. Её сущность заключается в том, что от исходных руд по направлению к поверхности происходит закономерное изменение минерального состава.
Это явление аналогично тому, которое наблюдается в автоморфной коре выветривания распространенных горных пород. Однако особенности минерального состава рудных месторождений, где важную роль играют сульфиды, обусловливают своеобразный характер этой коры выветривания.
Общая схема строения коры выветривания сульфидного месторождения имеет следующий вид.
В верхней части месторождения, где свободно циркулирует, воздух и просачиваются фильтрующиеся воды, происходит окисление сульфидов с образованием легкорастворимых сульфатов металлов, а также серной кислоты.
Если гипергенное образование происходит в аридных ландшафтных условиях, то малые количества фильтрующихся вод быстро иссякают, и из них кристаллизуется серия разнообразных сульфатов. Сверху располагаются сульфаты трёхвалентного железа (ярозит и др.), ниже, в условиях некоторого недостатка кислорода, — сульфаты двухвалентного железа, меди, цинка (мелантерит, хальканит, госларит и др.).
В гумидных ландшафтах обильные кислые растворы фильтруются вниз, растворяя рудные минералы. Вверху в результате окисления и гидролиза выпадают гидроксиды железа, которые образуют железную шляпу, как бы прикрывающую месторождения. Под железной шляпой может образоваться горизонт, из которого полностью выщелочены руды и где сохранилась лишь “сыпучка” из устойчивых минералов (кварца, барита).
Верхняя часть коры выветривания рудных месторождений, где доминируют процессы окисления, получила название зоны окисления.
|
|
|
Ниже уровня грунтовых вод находится область значительного дефицита кислорода. Поэтому те минералы, которые сюда поступили в составе водных растворов сверху, выпадают в виде плохо растворимых вторичных сульфидов (халькозина, ковеллина). Эта нижняя часть коры выветривания рудных месторождений называется зоной вторичного обогащения или цементации. Часто здесь образуются очень богатые руды, представляющие особую ценность.
В зависимости от конкретных географических условий, строения месторождения и состава, руд кора выветривания имеет различные горизонты. Так, для рудных месторождений Казахстана типичны горизонты богатых окисленных (сульфатных) руд и вторичного сульфидного обогащения. На медно-колчеданных месторождениях Урала кора выветривания представлена мощной железной шляпой и горизонтом выщелачивания (сверху кварцево- баритовая, снизу колчеданая “сыпучка”), а зона вторичного обогащения слабо выражена. В резко аридных ландшафтах пустыни Атакама (Чили) кора выветривания рудных месторождений отличается мощным горизонтом сульфатов. Сравнительно молодая кора выветривания полиметаллических месторождений Кавказа плохо выражена.
Переотложение продуктов выветривания. Стадии формирования новейшей коры выветривания.
Под влиянием ветра, силы тяжести, движущейся, воды или льда коры выветривания разрушаются, и продукты выветривания вовлекаются в длинный процесс переноса и переотложения.
Так как минеральные образования обладают различной механической твёрдостью, удельным весом, гипергенной устойчивостью, то одновременно начинается процесс их естественной сортировки, дифференциации.
Пока переотложенные продукты выветривания находятся на суше и и подвержены процессам гипергенеза, их следует рассматривать как переотложенную кору выветривания. В дальнейшем, поступая в морские бассейны, продукты выветривания подвергаются процессам осадочной дифференциации и выпадают в виде различных осадков, которые затем преобразуются в осадочные горные породы.
|
|
|
Процесс дифференциации минерального вещества на суше является закономерным продолжением разделения химических элементов, начавшегося при образовании сопряженных автоморфных и гидроморфных кор выветривания. Разные экзогенные процессы в различной мере способствуют дифференциации продуктов выветривания при их переотложении.
Денудация кор выветривания прерывает, но не прекращает процессы гипергенеза. Продукты выветривания, перемещенные и вошедшие в состав континентальных отложений, вновь подвергаются гипергенному воздействию. Это может происходить в географических условиях, совсем не похожих на те, в которых они образовались. Например, продукты нивально-тундрового выветривания в результате ледниковых явлений и работы поверхностных вод были переотложены и сейчас подвергаются гипергенному преобразованию в условиях таежных, степных и пустынных ландшафтов.
Следует различать результаты выветривания, совершающегося до переотложения материала, в прогенетическую стадию(от греч.pro-перед)гипергинеза, и результаты выветривания после отложения рыхлых продуктов в эпигенетическую стадию(от греч.epi-после).
В эпигенетическую стадию последнего этапа гипергинеза вследствие ее кратковременности не могли образоваться коры выветривания с ясно выраженными горизонтами, а возникли лишь отдельные скопления гипергенных минералов, только намечающие эти горизонты. Для эпигенетической стадии типичны различные стяжения и конкреции. В лесных ландшафтах умеренного пояса возникают новообразования гидрогетита и псиломелана; в степных- кальцита; в пустынных- гипса. Для новообразований эпигенотической стадии гипергинеза, так же как и для образований прогенетической стадии, характерны явления гипергенного метасоматоза- замещение минералов, слагающих рыхлые наносы, новообразованными гипергенными минералами без изменения объема наносных отложений.
Диагенез.
|
|
|
Диагенез – это совокупность процессов, происходящих в осадке и превращающих его в породу. Он начинается сразу после осаждения. Движущей силой диагенеза является физико-химическая неравновесность различных компонентов осадка друг к другу, к среде и к изменениям химизма среды. Осадок – смесь разных по восстановленности-окисленности компонентов, по щелочности-кислотности компонентов, по растворимости компонентов и по другим параметрам. Поэтому возникают силы, приводящие компоненты осадка в равновесие друг с другом. Например, в осадке имеются окислы Fe,Mn, которые неравновесны с органическим веществом осадка, т.к. оно представляет собой восстановленную форму по углероду и водороду. Органическое вещество осадка неравновесно и с иловой водой осадка, т.к. в ней изначально есть свободный кислород, создающий окислительную среду. Иловая вода осадка стремится придти в химическое равновесие с компонентами осадка и поэтому, стремясь достичь насыщения, она будет растворять (до насыщения) компоненты осадка. Более того, иловая вода будет частично отбирать у глинистых минералов, коллоидных частиц, частиц органики, принесенные ими в осадок химические элементы в сорбированном виде, т.е. будет стремиться придти в равновесие и по этим элементам. Обобщая, можно сказать, что движущей силой диагенеза является стремление системы (осадка) понизить свою энергию Гиббса путем выравнивания химических потенциалов химических элементов всех компонент осадка и среды, т.е. каждый химический элемент стремится, чтобы его химический потенциал в каждом компоненте осадка и в среде был одинаковым и этим самым внести свой вклад в понижение энергии Гиббса системы осадка в целом. Важную роль в диагенезе играет органическое вещество осадка, которое в своем стремлении уравнять химические потенциалы своих химических элементов со средой и другими компонентами осадка, начинает разлагаться, поглощая из среды кислород и выделяя в нееCO2, H2S,H2Oи органические кислоты (при неполном разложении). Поэтому среда будет меняться и по химизму, и поEh,pH. Это заставит осадок вновь устранять неравновесность среды и компонент осадка. Диагенез длится десятки-сотни тысяч лет, и за это время в осадке успевают произойти большие изменения, образуются новые (аутигенные) минералы, которые сцементируют частицы осадка и сделают его породой.
|
|
|
Выравнивания химических потенциалов химических элементов в осадке сопровождается следующими процессами:
1. Растворение некоторых компонент осадка. Например:
СаСО3(раковина) + СО2+ Н2О → Са(НСО3)2
Морская вода – это ненасыщенный раствор и способна растворять. Именно она и пропитывает осадок. Растворению способствует СО2, поступающий от разложения и окисления ОВ осадка.
2. Окисление ОВ. Например: С6Н12О6 + 6*СО2+ 6*Р2О. Видно, что окисление (разложение) органики сопровождается понижением окислительного потенциала среды (Еh) и повышением ее кислотности (pH), т.к. СО2+ Н2О → Н2СО3→ Н++ НСО-3и из щелочной она станет кислой. При большом количестве ОВ в осадке на его окисление израсходуется весь кислород, и среда станет восстановительной углекислотной. Для окисления следующих порций ОВ будет расходоваться кислород от сульфат-ионаSO2-4морской воды с помощью сульфат-редуцирующих бактерий и среда станет восстановительной углекислотно-сероводородной
4СН2О + SO4 → H2S + 4 * CO2 + 3 * H2 или SO2-4 + 2 * C4 + H2 → 2 * CO2 + H2S.
В 1 г ила – до 1000000 бактерий.
3. Восстановление химических элементов с переводом в раствор компонентов осадка и формированием из них новых минеральных (аутигенных) фаз. Например:
2 * Fe2O3 + C → 4 FeO + CO2; FeO + 2CO2 + H2O → Fe(HCO3)2 → FeCO3 + CO2 + H2O
Подобным же образом восстанавливаются ионы Mn4+,V5+,U6+и др. до состоянийMn2+,V3+,U4+, причем вследствие этого марганец повышает свою подвижность, аV,U- понижают ее. В верхней зоне осадка глубиной от п*1 см до п*10 см среда обычно окислительная, а глубже – восстановительная. Восстановлению химических элементов в осадке могут помогать и бактерии, разлагающие ОВ и поставляющие С, Н, необходимые для восстановительных реакций, отмеченных выше.
4. Продолжаются реакции химического выветривания (гидролиз, гидратация, карбонатизация), начатые еще на суше в зонах выветривания. В осадках еще много полевых шпатов, слюд, амфиболов, которые не успели разложиться, т.к. стадии выветривания и переноса – это короткие по времени стадии.
Диагенез – это длительная стадия. Она охватывает десятки-сотни тысяч лет. За это время указанные минералы успевают подвергнуться гидролизу (разложению), а продукты гидролиза – претерпеть гидратацию, карбонатизацию. Нередко бывает, что в осадок поступает свежий вулканический материал, который не проходил стадию выветривания. Такой материал в диагенезе претерпевает более интенсивные преобразования реакциями гидролиза, гидратации и карбонатизации.
|
|
|
5. Происходит взаимодействие верхней части осадка (20-30 см) с наддонной водой. Это открытая система. Глубже – система является закрытой. Из осадка в природную воду поступают СО2,H2S,H2,CH4, а в осадок из природной воды поступаютO2,SO2-4,Ca2+,Mg2+, причем первые два идут на окисление органики, а два последних – на образование аутигенных карбонатов (кальцит, доломит), ионSO4-4идет частично на образование аутигенного гипса. Известковые осадки при поступленииMg2+ подвергаются доломитизации.
6. Происходит образование аутигенных минералов в поровом пространстве осадка из химических элементов морской (поровой) воды и элементов, извлекаемых из различных компонентов осадка. Образуются: кальцит, доломит, сидерит, гипс, глинистые минералы, фосфаты Са (апатит), сульфиды железа (марказит, пирит, гидротроилит). Например, Са(HCO3)2→CaCО3↓ +CO2+H2Oпри уменьшении Рсо2или при уменьшении кислотности и возрастании щелочности среды. Другой пример, 2*Fe2O3+C→ 4FeO+CO2;FeO+H2S+n*H2O→FeS*nH2O+H2O. Здесь образуется гидротроилит, который позднее перейдет в марказит или пиритFeS2. Образующиеся в порах осадка аутигенные минералы цементируют (скрепляют) частицы осадка друг с другом, превращая рыхлый осадок в сцементированную плотную породу.
7. Перераспределение вещества и образование конкреций происходит в осадке из-за его первичной неоднородности. Эта миграция усиливается при неоднородном распределении в осадке ОВ. Разлагаясь, ОВ создает вокруг себя восстановительную среду, чаще кислую, а иногда и щелочную. В участках отсутствия ОВ среда долго сохраняется щелочной и менее восстановительной. Создается градиент в среде осадка по рН и Еh. Это усиливает локальную миграцию вещества в слое осадка и приводит к образованию конкреций (кальцитовых, сидеритовых, опаловых, халцедоновых, фосфоритовых, пиритовых, марказитовых и др.), а также к обогащению отдельных участков и прослоев осадка теми или иными аутигенными минералами. Например, в участках кислой среды идет растворение и удаление карбонатов и осаждение кремнезема, а в участках со щелочной средой, наоборот, растворяются и удаляются опаловые компоненты и осаждаются карбонаты.
8. Зона диагенеза чаще всего распространяется до глубин 300-500 м. Иногда она заканчивается на глубине уже 80 м, а иногда протягивается до глубины 1200 м. При лавинной седиментации со скоростью 1000мм/1000лет средняя продолжительность диагенеза составляет 300-500 тыс. лет, а в целом диапазон охватывает от 80 тыс. лет до 1,2 млн. лет. Глубина диагенетических преобразований напрямую зависит от длительности диагенеза, а длительность связана обратной зависимостью со скоростью осадконакопления. Поэтому, чем меньше скорость осадконакопления, тем интенсивнее диагенез и меньше рассеянного ОВ сохранится в породе. Наоборот, чем больше скорость осадконакопления, тем слабее диагенез и тем больше рассеянного ОВ сохранится в породе.
Диагенез наиболее интенсивно протекает в глинистых осадках. В верхнем слое илистого осадка содержится 80-90% воды. На глубине 80 м остается 40% воды, а на глубине 1200 – 20% воды. Эти проценты означают и пористость осадка. Видно, что с глубиной она уменьшается и осадок уплотняется. Температура на подошве зоны диагенеза может достигать 30-500С.
В песчаных осадках диагенез протекает слабо, т.к. они бедны ОВ. Пески почти не уплотняются (т.к. зерна касаются друг друга и их трудно дополнительно сблизить). Аутигенное минералообразование в песчаных осадках определяется главным образом взаимодействием захороненных в осадке морских вод и поступающих в песчаные пласты иловых растворов (элизионных вод) из нижележащих уплотняющихся глинистых осадков и пород.
Растительное ОВ в диагенезе превращается в торф.
Заключение
Изучение коры выветривания имеет большой теоретический и практический интерес. Изучая её, можно установить особенности климата данной местности в период её формирования. К ней приурочены месторождения многих полезных ископаемых: руды, железа, марганца, алюминия, никеля, огнеупорных глин, а также россыпные месторождения золота, драгоценных камней и платины. Из россыпей полезные ископаемые извлекаются значительно легче, чем из материнских невыветренных магматических пород, содержащих их в рассеянном виде. Кора выветривания представляет интерес не только для геолога-поисковика, геоморфолога, климатолога, но и для специалистов ещё ряда геологических, а также биологических, географических и других профилей.
Список используемой литературы
Добровольский В.В.”Геология”
Кора выветривания вып. 5, 1963г; вып. 9, 1965г.
Кора выветривания вып. 18, 1983г.
Перельман А.И. “Формы коры выветривания и их распределение”
|
|
|
