Рудообразование в стадию диагенеза

После отложения первичные рудные концентрации, как и все осадоч­ные образования, переживают целый ряд существенных изменений. При этом происходит перераспределение вещества в пределах осадочной тол­щи; осуществляется переход осадков в породы; изменяются литологиче­ские особенности пород, в них возникают новые минеральные ассоциа­ции; изменяется структура и текстура руд и пород и т. д. Рудные на­копления могут быть существенным образом преобразованы в стадию диагенеза при переходе осадка в породу или в руду, а также в самих породах и рудах, под влиянием катагенегических процессов, происходя­щих в осадочной толще. При всех этих процессах возможно обеднение и даже полное разрушение первичных залежей, происходящее за счет выноса металла. С другой стороны, часто наблюдаются различные слу­чаи образования вторичных переотложенных рудных концентраций, на­лагающихся на первичные или же образующиеся независимо от них. Особое положение занимают рудные накопления, образующиеся в зоне выветривания осадочных руд и пород, первично обогащенных металлом.

Преобразования в осадочных толщах весьма многообразны и различ­ны. Для нас представляют интерес только те из них, которые приводят к формированию новых рудных накоплений, возникших при диагене- тических, катагенетических и некоторых других изменениях первичных осадочных отложений.

Возможность перераспределения рудных компонентов при формиро­вании осадочных минеральных месторождений обычно недооценивается геологами. Однако наблюдения, сделанные в последнее время, пока­зывают, что оно в некоторых случаях является одним из ведущих фак­торов рудообразования. Наиболее важную роль играет вторичное пере­распределение в случае, если рудный элемент обладает значительной геохимической подвижностью. В соответствии с этим вторичные рудные концентрации часто наблюдаются на месторождениях меди, ванадия, урана и некоторых других элементов. В последнее время появились указания на значительную роль вторичных процессов при образовании рудных накоплений таких металлов, как железо и марганец. Оба эти элемента обладают в своих природных соединениях различной валент­ностью, что значительно увеличивает их подвижность в зоне осадко­образования и в осадочной оболочке в целом. Относительно неболь­шая роль принадлежит вторичным процессам на месторождениях бокси­тов, что обусловлено малой подвижностью алюминия.

Основная роль в осадочном минералообразовании принадлежит диа- генетическому процессу. Согласно исследованиям Н. М. Страхова (1953, 1956), большинство аутигенных минералов в осадочных породах обра­зуется в диагенетическую стадию.

Диагенетическое накопление рудного компонента точно так же иг­рает значительную роль в формировании осадочных рудных залежей. Диагенетические процессы протекают различно в случаях рудных на­коплений двух основных типов. Формирование рудных залежей макро­элементов, таких, как пласты бокситов, железных и марганцовых руд, равным образом фосфоритов и некоторых других полезных ископаемых происходит в результате первичного отложения. Диагенетические пре­образования вещества играют здесь весьма малую роль. В отличие от этого при образовании рудных накоплений второго типа диагенетиче­ские процессы протекают достаточно активно. Они во многом сходны здесь с диагенезом обычных безрудных осадочных отложений.

Образование диагенетических рудных накоплений может осуще­ствляться в различных условиях: 1) в осадке, связанном со средой от­ложения и 2) в осадке, изолированном от нее. Возникновение рудны\ концентраций в обоих случаях вызывается движением минеральных веществ в верхних частях слоистой оболочки земной коры, идущим после завершения седиментационной стадии.

Если осадок еще не отделен от среды отложения и не перекрыт слоем более молодых образований, изолирующим его от водной массы, обычно наблюдается отчетливая связь между грунтовым раствором и придонной водой. Грунтовый раствор представляет собой всю воду, насыщающую осадок, залегающий на дне водоема. Количество ее чрезвычайно велико и достигает нередко 50 и более процентов от общей массы осадка. Эта вода бассейна седиментации, сохранившаяся в промежутках между зернами обломочного материала или входящая в состав коллоидных масс осадка, вначале ничем не отличается от вод того моря или озера, в котором идет отложение. В дальнейшем состав ее постепенно начинает меняться, и она превращается в грунтовый рас­твор, во многом отличный от первоначального. Эти изменения, хорошо изученные океанологами, вызываются прежде всего разложением орга­нического вещества, захороненного в осадках, причем выделяется боль­шое количество углекислоты, а также и такие продукты разложения, как сероводород, аммиак, метан и водород, являющиеся активными восстано­вителями. В результате появления значительных количеств углекислоты происходит подкисление грунтового раствора, рН которого, как пра­вило, всегда более низкий, чем придонной воды. Наличие восстанови­телей приводит к тому, что окислительно-восстановительный потенциал в плах такж" меньше, чем в воде, и ряд соединений, находящихся в форме окисных соединений в водной массе, дает закисные соединения в донных отложениях. Грунтовый раствор для многих соединений яв­ляется более активным растворителем, чем придонные воды. Он может содержать в своем составе заметное количество растворенных рудных элементов, например, железа.

Разница в составе ц физико-химических свойствах приводит к том}, что МСЖ.Г, придонной водой и грунтовым раствором происходит по­стоянный обмен веществами. Некоторые твердые составные части осад­ка растворяются в иловых водах и могут мигрировать обратно в водную массу. Так, гидроокисные соединения железа, поступившие в виде мел­ких сгхстков в состав донных отложений, будут переходить здесь в за- кисные соединения этого металла, легко растворимые в воде. Они пе­рейдут вначале в грунтовый раствор, а затем будут дифундировить в придонную воду. В случае, если в придонных водах окажется боле'' вы­сокое содержание металла, чем в грунтовом растворе, соединения его буд^т дифундировать из придонной воды в осадок. Здесь он может давать соединения с компонентами грунтового раствора и переходить в твердую фазу.

Между водной массой и осадком устанавливается подвижное равно­весие, которое схематично можно изобразить в следующем виде:

придонная вода

грунтовый раствор

твердая фаза осадка.

Смещение равно_Рвесия и направление процесса в ту или иную сторо­ну зависит от ряда причин, и в некоторых водоемах может меняться в течение года.

Огромную роль в диагенезе играет растворение различных мине­ральных веществ в воде, пропитывающей осадок и выпадение их вновь в форме иных минеральных образований. Оно может протекать как в осадке, связанном со средой отложения, так и изолированном от нее. Значение этого процесса впервые было показано и оценено Н. М. Стра­ховым, который приводит описание последнею и ряд примеров. Он пишет: «В химической садке железа из водной массы бассейна фигу­рирует только гидроокись его Ре₂0₃ • Н₂0» (1953 стр. 23). Между тем во всех современных илистых осадках в значительном количестве на­ходится Ре5 • «Н₂0 и РеS₂. Происхождение их связано с тем, что рас­творяющаяся после редукции Ре³⁺ — закись железа — реагирует с об­разующимся Н₂5, давая мало растворимые сульфиды железа, уходящие в осадок. Подобным же образом растворяющиеся в грунтовом рас­творе СаСОз и основные углекислые соли магния, внесенные в ил био- генно, затем выпадают в осадок, образуя доломитные кристаллы. Фос­фор, освобождающийся в процессе диагенеза из органического вещества, образует Са₃(Р04)₂ — фосфатные кристаллы и зерна и так далее».   разгрузка грунтовых растворов от некоторых элементов сей­час же вызывает дополнительное растворение тех исходных соединений, в которых эти элементы первоначально были внесены в осадок. Затем вновь следует садка растворенного вещества в виде диагенетического минерала, новое растворение исходных соединений и т. д.».

По мнению Н. М. Страхова (1953)|, в результате процесса диаге­неза образуются сидеритовые железные руды. «До диагенеза сидери- ювых месторождений, как таковых, не существовало вообще. Вместо них на дне бассейна накапливалась лишь большая или меньшая масса гндрогетита, диффузно рассеянного. Сидеритовые месторождения возникли в качестве месторождений железа лишь в процессе диагенеза осадков за счет перераспределения части Ре, до того диффузно рассе­янного в илах, и стягивание его в конкреции или серии конкреций из 1' торых формируются пластообразные залежи сидерита (стр. 47)».

Несомненно, что это один из путей образования сидерита в оса­дочных толщах. Однако чем мощнее залежь руды, тем труднее объяснить ее с позиций диагенетической концепции. Дело в том, что прц образовании сидерита из гидрогетита происходит восстановление железа, осуществляющееся за счет разрушения органического вещества. Следовательно, в пласте где происходит диагенетическое формирование сидерита, должно быть первоначально захоронено очень много органики. О количестве ее можно получить представление, исходя из следующего расчета: по данным Н. М. Страхова (1955), для перехода одной весовой единицы Ре³+ з Ре²⁺ при превращении Ре^Оз в РеСОз требуется израс­ходовать 0,22 весовых единицы органического углерода. Для того чтобы этот углерод перевести в реальное органическое вещество, су­ществующее в осадочных породах и состоящее также из водорода, кис­лорода, азота и других элементов, его нужно помножить на переходный коэффициент, условно принимаемый нами за 1,5'. Получается, что для превращения одной весовой единицы Ре^3н и Ре²⁺ требуется затратить около 0,33 единицы органического вещества. Если учесть разницу в \ дельных объемах сидерита и органического вещества (например, угля), то окажется, что на образование пласта сидерита должно пойть примерно такое же по объему количество органического вещества. Этот расчет необходимо иметь в виду при оценке возможности образования той или иной залежи сидерита за счет диагенетических процессов.

Можно предположить, что в пласте породы обычно находится доста­точное количество органического вещества для того, чтобы восстановить рассеянные накопления окисного железа и дать мелкие выделения, кон­креции и группы конкреций сидерита. В этом случае процесс, описан­ный Страховым, представляется вполне реальным. В тех же случаях, когда мы имеем дело с крупными залежами богатых руд, обладающими пластообразной формой, трудно себе представить что они произошли за счет восстановления окисных минералов железа, рассеянных в слое вмещающих пород. Здесь не исключено первичное отложение сидери­та в седиментационную стадию.

Во всяком случае при толковании сидеритовых руд в качестве диаге­нетического образования всегда следует выяснить возможный источник органического вещества и вероятное исходное количество последнего.

Н. М. Страхов (1953) склонен рассматривать оолитовое сложение гидрогетиго-шамозитово-сидеритовых руд как результат диагенетического процесса. Он приводит ряд интересных соображений в подтверж­дение своей точки зрения. Однако ее нельзя еще считать полностью обоснованной.

¹   По К К- Гедройцу коэффициент для пересчета органического углерода на орга­ническое вещество почв составляет 1,727.

В последнее время появляется все больше и больше работ, в кото­рых отводится значительное место диагенетическим процессам в об­разовании различных минералов и руд.

В природных условиях принципиально возможно обогащение метал- том, осуществляющееся иным путем — за счет диффузии из водной сре­ды в осадок. Необходимым условием для этого является более высокая концентрация рудного элемента в водной массе по сравнению с грун­товым раствором.

Подобное повышенное содержание металла в современных водо­емах, как правило, не наблюдается. Оно, несомненно, имело место в пределах отдельных регионов в течение рудных эпох (Лльтгаузен, 1956). В этих условиях возможно поступление в водоемы железа в виде соединений с органическим веществом, например, в форме легкорас­творимых фульватов. В водную массу бассейнов, бесспорно, будут по­ступать и накапливаться в ней также марганец, медь, уран и другие элементы.

Рудные элементы, диффундирующие в ил, будут быстро восстанав­ливаться, образуя труднорастворимые соединения. Последние быстро переходят в твердую фазу 'И накапливаются в осадке. В :результате грунтовый раствор относительно обедняется металлом. Это вызывает диффузию некоторого количества рудного элемента из водной массы в иловый раствор, причем, таким образом, восстанавливается сместив­шееся равновесие. Новая порция соединений металла в свою очередь восстановится, перейдет в осадок и обогатит ил. Тем самым опять на­рушается равновесие между содержанием металла в воде и в иле и создаются предпосылки для диффузии новых количеств его из придон­ного слоя воды в осадок. По такой схеме может идти обогащение дон­ных отложений соединениями урана. Известно, что этот элемент мигри­рует на земной поверхности в форме легкорастворимых соединений шестивалентного урана. В иле он быстро переходит в четырехвалентную форму, соединения которой относительно менее растворимы и выпадают в осадок. В грунтовый раствор, обедненный ураном, будут диффунди­ровать новые порции металла, которые в свою очередь перейдут в со­став донных отложений.

Соединения меди обычно мигрируют в растворенном состоянии в поверхностных речных водах. В такой же форме находятся они в воде озерных и морских бассейнов. При относительно высоком содержании меди возможна диффузия ее в грунтовый раствор. Здесь она вступит в соединение с сероводородом и даст труднорастворимые сульфидные минералы. По мере формирования последних все новые и новые коли­чества рудного элемента будут диффундировать в грунтовый раствор. Этим путем возможно заметное обогащение медью донных отложений. Не исключено, что именно так чаще всего происходит накопление меди, ванадия, молибдена, никеля и некоторых других элементов в таких образованиях, как горючие сланцы. Например, в коловратитовых слан­цах Средней Азии. Остается неясным вопрос о возможности образова­ния подобным путем рудных накоплений типа меденосного пласта Ман- сфельдского месторождения.

В поверхностных водоемах могут создаться условия, при которых будет происходить диагенетическое обогащение донных отложений же­лезом. В определенные рудные эпохи в бассейн отложения могут по­ступать значительные количества растворимых соединений этого эле­мента. Если в донных отложениях водоема имеется сероводород, все железо из грунтового раствора должно перейти в форму труднорас- творимых сульфидных соединений и в том числе в пирит. В связи с этим все новые и новые количества железа будут диффундировать в ил„ чтобы возместить убыль, вызванную образованием сульфидов. Этот процесс прекратится лишь тогда, когда будет израсходован весь серо­водород, образующийся в осадке, или, когда прекратится поступление железа в водоем. Однако промышленные накопления железных руд, таким образом, не возникают. Этому препятствует прежде всего по­стоянное наращивание донных отложений сверху за счет выпадения на дно новых количеств минерального материала. Кроме того, для генера­ции большого количества сероводорода необходимо такое количество органического вещества, которого обычно нет в донных отложениях.

Концентрация металла, возникающая в осадках в результате диа­генетических процессов, всегда относительно невелика. В этом кроется причина того, что такого рода обогащение не может привести к образо­ванию рудных залежей макроэлементов, для которых необходимо со­держание в десятки процентов металла. Иначе обстоит дело при фор­мировании накоплений малых и редких элементов, в случае которых руда содержит обычно доли процента. При значительной продолжи­тельности диагенетической стадии возможно накопление в осадках та­ких количеств малых и редких элементов, что они начинают представ­лять практический интерес.

Все описанные выше процессы, строго говоря, являются диагенети- ческими, хотя накопление рудного компонента идет здесь одновремен­но с формированием донных отложений.

Принципиально возможно диагенетическое обогащение, протекающее подобным же образом, но при фиксации рудного элемента в осадке за счет связи его с каким-либо активным компонентом.

К диагенетическому процессу описываемого типа относится также н обогащение торфов различными рудными компонентами, протекаю­щее в болотах, одновременно с накоплением торфяной массы. В качест­ве примера пород, обогащенных рудными элементами в результате диагенетических процессов, следует упомянуть различные разновидности сланцев, отличающиеся высоким содержанием органического вещества. Сюда же относятся различные угли, преимущественно зольные, и некото­рые другие образования.

В осадках, изолированных от среды отложений, формирование диагенетических рудных концентраций идет в широких масштабах. Процесс протекает при этом различно для руд макроэле­ментов, с одной стороны, и микроэлементов с другой. В случае руд по­следнего типа особенности диагенетического перераспределения во мно­гом определяются характером активного компонента. Так, например, если рудное вещество связано с фторапатитом фосфоритов или с пер- вично-окисными минералами руд железа или алюминия оно, как пра­вило, не перераспределяется ни в диагенезе, ни при катагенетических процессах. В этих случаях активный компонент настолько прочно свя­зывают малые и редкие элементы, что они освобождаются лишь в осо­бых условиях. Так, если фосфатное вещество разрушается при интен­сивном кислом выветривании, поглощенные им элементы приобретают подвижность и могут вновь переходить в раствор, мигрировать и пере- отлагаться. Точно также элементы, сорбированные первично окисными рудными минералами железа и марганца, приобретают способность к миграции не ранее, чем будут растворены эти минералы. Окисные минералы железа и марганца, находящиеся в рассеянном состоянии в осадках, часто связывают некоторое количество редких и рассеянных элементов.

Металлы, связанные с такими активными компонентами, как орга­ническое вещество, или с минералами глин, способны относительно лег­ко приобретать подвижность и давать накопления, образованные в хо­де диагенетических процессов. Рудные минералы, находящиеся в слоях породы, а не в руде, относительно легко восстанавливаются за счет ор­ганического вещества, находящегося в избытке по отношению к ним, переходят в растворимые соединения и при этом освобождают захва­ченные ими малые элементы. Эти последние также активно участвуют в процессах перераспределения.

В диагенетическую стадию особенно распространено образование рудных скоплений около растительных остатков или в ближайшем со­седстве с ними. При этом само углистое вещество либо совершенно лишено металла, либо содержит ничтожные количества его.

Рудные тела, связанные с остатками растений (фиг. 6), весьма ши­роко распространены на месторождениях медистых песчаников и сход­ных с ними руд. Они, в частности, широко известны из пермских отло­жений Приуралья и месторождений других регионов СССР. Связь с остатками растений хорошо известна для руд меди, ванадия и урана в осадочных мезозойских толщах района плато Колорадо (США).

Рудные тела этого типа имеют линзовидную форму. Они крайне не- выдержаны, причем границы ил зачастую пересекают слоистость вме­щающих пород. Подобные особенности рудных тел исключают возмож­ность первичного образования накопления полезного компонента. Они, несомненно, произошли в результате переотложения металла в пласте и концентрации его около остатка растения.

Процесс этот мог протекать по следующей схеме: ряд продуктов разложения растительного материала, таких как сероводород, окись углерода, метан, аммиак и другие, обладают восстановительными свой­ствами. При разложении растительных остатков эти компоненты со­здают вокруг них своеобразный ореол восстановительных условий, суще­ствующий в породе в течение длительного времени. Размеры ореола зависят от величины растительного остатка, литологического состава и пористости вмещающих пород, от скорости разложения и от других фак­торов.

Соединения рудных элементов, заносимые пластовыми водами или так или иначе поступающие в пределы подобных ореолов, будут здесь восстанавливаться и постепенно накапливаться. В дальнейшем они мо­гут давать труднорастворимые минералы, которые распределяются в по­роде. Для меди, железа, свинца и других это будут сульфиды; для урана — урановая смолка, или урановая чернь; для молибдена его суль­фидные минералы и т. д. В результате в участках породы, захваченных ореолом, появится вкрапленность рудных минералов. Постепенное сгу­щение вкрапленности приводит к образованию рудного тела, чаще все­го имеющего неправильно линзовидную форму. Ореолы восстановитель­ных условий имеют наибольшее значение на начальных этапах разло­жения растительного вещества, совпадающего со стадией диагенеза. В это время выделяется главная масса активных восстановителей. В дальнейшем, к началу катагенетических изменений породы, расти­тельные остатки в основном бывают уже углефицированы, причем зна­чительная часть летучих компонентов из них выделилась; в связи с этим ореолы восстановительных условий к этому моменту сокращаются или полностью исчезают. Это не дает оснований, однако, полностью исключить возможность образования рудных концентраций около обуг­лившегося растительного вещества в стадию катагенеза. Такие процессы часто встречаются в природе.

В диагенетическую стадию в осадочных толщах возникает ряд но­вых минеральных образований, отдельные представители которых игра­ют роль активных компонентов. Таково значение фосфатного вещества, формирующегося в диагенетическую стадию. Роль его в качестве ак­тивного компонента была описана в предыдущем разделе. Весьма ве­роятно, что фосфатное вещество, образующееся первично-осадочным путем, несет другой комплекс малых и редких элементов, чем дпагене- тический фосфат кальция. В нашем распоряжении нет данных, которые позволили бы в настоящее время конкретизировать эти отличия.

 Фиг. 6. Гнездо богатой медной руды:

1 — остаток древесины; 2 — песчаник; 3 — богатая руда, песчаник с вкрапленностью рудных минералов

Принципиально новым активным компонентом является пирит, ко­торый возникает в стадию диагенеза, а также на более поздних стадиях формирования осадочных пород и руд. Известно, что с пиритом в оса­дочных месторождениях связываются селен, никель, кобальт, молибден и некоторые другие элементы. Он концентрирует их при своем образо­вании и способен удерживать в связанном состоянии вплоть до разру­шения самого пирита. При разрушении пирита происходит освобожде­ние редких элементов; они поступают в пути миграции и могут давать новые накопления

В условиях рудных фаций первого типа при образовании рудных накоплений макроэлементов и других рудных осадков диагенетическое перераспределение вещества проявляется относительно слабо или прак­тически не осуществляется совсем. Основная причина этого заключает­ся в том, что количество органического вещества в рудных илах совер­шенно недостаточно для того, чтобы обеспечить активное течение диа­генетических процессов. В карбонатной марганцовой руде манганокаль- цитового состава обычно содержатся до 20 и более процентов металла и всего лишь десятые доли процента органического углерода. Особен­ности этой р^ды не дают оснований считать, что в ней первоначально находилось большое количество органики, идущей зат! м на ибразова- ние карбоната марганца. Манганокальцит, судя по всем признакам, об­разовался в руде первично — в ходе осадконакопления. Можно предпо­ложить, что первоначальное количество органики в этой руде не превы­шало первых единиц процентов. Весьма вероятно, что примерно такие же количества органического вещества обычно находятся в составе пер­вичных седиментационных накоплений окисных руд железа, марганца и в бокситовых осадках. При разложении органического вещества в этих отложениях образуются восстановители и углекислота. Однако ко­личество их настолько незначительно, что они быстро расходуются на растворение и восстановление части окисных рудных минералов. В то же время основная масса рудного элемента в иле остается в форме не­измененных первичных соединений. Только в отдельных местах в нем могут создаться условия, временно отличающиеся от первичных. Они будут существовать до тех пор, пока в осадках сохранится реакционно способное органическое вещество. В целом условия среды в рудном иле не будут резко отличаться от таковых же в придонной воде. В связи с этим невозможен переход в заметных масштабах различных соедине­ний рудных элементов из грунтового раствора в придонную воду или обратно. Роль диагенеза рудных илов в случае наличия связи их со средой отлоокения, как правило, совершенно незначительна.