Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




15.09.2020


15.09.2020


15.09.2020


04.09.2020


03.09.2020


03.09.2020


21.08.2020


05.08.2020


05.08.2020


05.08.2020





Яндекс.Метрика
         » » Обобщенная модель сульфидного медно-никелевого рудообразования как процесса сульфуризации

Обобщенная модель сульфидного медно-никелевого рудообразования как процесса сульфуризации

21.10.2017

Для построения любой модели того или иного типа месторождений требуется ограничить ее прежде всего какими-то обоснованными оптимальными рамками физико-химических условий. Диапазон условий формирования разнотипных сульфидных медно-никелевых месторождений исключительно широк. Практически он занимает весь интервал температур от существования ультрабазитовых и базитовых расплавов до температур заведомо гидротермального минералообразования (1400—300°С). В то же время условия давлений составляют диапазон от 1 атм, как в сульфидоносных потоках коматиитов, до нескольких килобар, как в грандиозном абиссальном интрузиве Бушвельд. В промежуточных условиях формировались руды гипабиссальных хонолитов Норильского района и многих других никеленосных интрузивов мира. Наиболее высокими P—Т-условиями должно характеризоваться выплавление сульфидносиликатных расплавов из мантийного субстрата. Возможности такого выплавления обосновываются в работах ряда исследователей. В то же время изучение обломков заведомо мантийных пород из кимберлитовых трубок указывает на присутствие в них медно-никелевых сульфидов и вероятность существования сульфидных расплавов в мантийных очагах. Менее ясно, смогут ли подниматься сульфидно-силикатные жидкости с таких глубин в несмесимом состоянии и в каком количестве. Скопления Сульфидов, связанные с лавами перидотитовых коматиитов, дают основание считать возможным такой подъем в условиях чрезвычайно высоких температур и быстрых извержений крайне магнезиальных ультраосновных расплавов, формирующих как вкрапленные, так и сплошные руды.

В значительно большей мере, как показывают наблюдения, месторождения Cu—Ni сульфидных руд бывают связаны с менее высокотемпературными магнезиальными базитовыми расплавами. Они достаточно богаты силикатным никелем, кобальтом, хромом и, главное, более богаты медью и серой, чем ультраосновные расплавы. Исключительная связь месторождения с интрузивами, причем чаще с дифференцированным строением, даже в соответствующих вулканоплутонических ассоциациях, как в Норильском районе, заставляет считать сульфиды в данном случае продуктами соответствующего синтеза в интрузивных камерах, а не результата подъема несмесимого сульфидного расплава с мантийных глубин. Должно быть исключено и предположение о подъеме из мантийного очага гомогенного сульфидно-силикатного расплава — основная посылка известной ликвационной гипотезы. Как уже отмечалось, «ликвация первично гомогенного расплава предполагает связь серы и халькофильных элементов с параметрами фракционного плавления», в то время как действительно связь эта реализуется только для халькофильных элементов (рис. 1), а сера ведет себя независимо (рис. 2). Ликвационному механизму также противоречит и малая растворимость серы в базитовых магмах (0,10—0,15 мас.%).

Растворимость серы в базальтовом расплаве, как выясняется, возрастает с увеличением температуры. Влияет также состав самого расплава, и наибольшие содержания серы наблюдаются как в железистых расплавах, близких к феррогаббро, так и в магнезиальных малокремнистых расплавах пикритоидного состава. Одновременно обнаруживается при этом зависимость от катионного состава расплава (прежде всего, содержания железа) и от его кремнекислотности; на равновесные концентрации серы в расплаве влияют также парциальные давления серы и кислорода в газовой фазе, равновесной с силикатными расплавами. Увеличение растворимости серы в силикатных расплавах происходит с уменьшением РО2 (для устойчивости сульфидной серы — ниже 10в-6—10в-8 атм), а также с возрастанием парциального давления серы (для недосыщенных серой расплавов). Сульфидная емкость суммирует это влияние, будучи пропорциональной константе равновесия реакции замещения кислорода силикатного расплава серой из газовой фазы (Осил2 + 1/2S2 <—> O2газ + Sсил 2-). В качестве источников серы для преобладающего гипербазит-базитового типа месторождений, обеспечивающего практически весь диапазон сульфидного рудообразования, могут быть признаны ювенильные флюиды, содержащие H2S и пары серы как «дыхание глубинных сульфидных расплавов», а также сера, заимствованная из вмещающих пород.
Допускаемая представителями ликвационной концепции рудно-силикатная ликвация в камерах таких интрузий может иметь по масштабам лишь минералогический интерес, исходя из малых количеств растворенной серы в силикатном расплаве (см. рис. 2). Если сера привносится в расплав глубинными флюидами или из вмещающих пород, то она будет взаимодействовать с рудными элементами силикатного расплава с образованием сульфидов, но процесс уже будет не ликвацией, а сульфуризацией. На стадии силикатного ультрабазитового или магнезиального базитового расплава привнос в него серы глубинными флюидами или из вмещающих пород обеспечивает сульфуризацию части железа с поглощением образующимся сульфидным расплавом значительной части микроэлементов, имеющих максимальное сродство к сере (Ni, Co, Cu). Устанавливается распределение халькофильных элементов с коэффициентами 200—50 в пользу сульфидного расплава в соответствии со следующим рядом уменьшающегося сродства к сере: золото — медь — никель — кобальт.
Сульфуризация на магматическом этапе хорошо доказывается экспериментальными работами и определяется реакцией 2МеО + S2 <—> 2MeS + O2 в случае как газовой, так и конденсированной фазы, содержащей серу. В основных и ультраосновных расплавах такая реакция сульфуризации с образованием сульфидной жидкости идет только на основе железа (FeO + S2- <—> FeS + О2-). Она требует минимального Ps2 ~ 10в-2, в то время как для образования сульфидных фаз других главных компонентов расплава нужны чрезвычайно высокие значения Ps2 и они не реальны (Там же). Как следует из экспериментов по сульфуризации, изменение состава силикатной жидкости характеризуется заметным уменьшением в ней содержания железа (рис. 3). Несмешивающаяся сульфидная жидкость (в основном сульфид железа) независимо от механизма ее образования (ликвация или сульфуризация) находится в равновесии с железосодержащими силикатными расплавами.

По мере кристаллизации расплава можно ожидать его максимальной сульфуризации на стадии базитового пегматитообразования, характеризующейся наибольшей концентрацией летучих компонентов, включая серу. Сказанное справедливо и для интрузивов с горизонтами регенерированного расплава, претерпевающих метамагматический процесс, как это наблюдается в норильских месторождениях. Сульфуризация может идти также в твердом состоянии (разновидность метаморфического процесса). Особенно активно при этом с серой реагируют ультраосновные породы с образованием сульфидной никелевой минерализации, как это показано экспериментально. Проведенные расчеты и построение нами соответствующей мультисистемы (рис. 4) позволили это объяснить наименьшими значениями химических потенциалов (u) серы, которые требуются для сульфуризации пород, богатых оливином. Позже многими исследователями было показано, что сера в составе растворов и газовой фазы может реагировать путем разложения или обменных реакций с железом силикатов, образуя пирротин и другие сульфиды. Таким образом, сульфуризация подтверждается экспериментально для условий и метасоматического, и гидротермального процессов. В частности, было показано, что экстракция никеля из никелистого оливина начинается с температуры 300—350°С и при наличии серы в гидротермальном растворе отлагаются сульфиды в условиях градиентов температур.

Собственно сульфуризация предполагает как крайний случай инертность всех компонентов, кроме серы, в высокотемпературных магматических условиях, а также подвижность серы в относительно менее высокотемпературных метаморфических условиях. Значительное усиление подвижности остальных компонентов, как известно, происходит в метамагматических условиях и далее в метасоматическом и гидротермальном процессах. Сера становится при этом одним из рядовых подвижных компонентов и может, как и они, задаваться химическими потенциалами в соответствующих мультисистемах. Это сделано в целом ряде работ, в том числе в мультисистемах uS—uH2O и uS—uО2 (рис. 5), для реакционных минералов в норильских рудах. На их примере подтверждается важность введения в рассматриваемые парагенезисы совместно с нерудными минералами таких рудных минералов, как магнетит и пирротин. Отсюда вытекает необходимость остановиться на имеющихся количественных оценках фугитивностей серы и кислорода во всем вероятном диапазоне (1300—300°С) сульфидного рудообразования медно-никелевой рудной формации. Парциальное давление серы при температуре 1200°С, установленное над расплавом системы Fe—S—O в области природных парагенезисов без учета влияния примесных компонентов, составляет диапазон 10в-2—10в-4 атм. Для кумулата интрузии Бельхельви по найденной активности железа получена оценка Pq2 ~ 10в-2 при 1200°С и летучести кислорода 10в-10 атм. Для сульфидного расплава в равновесии с ультраосновной магмой при 1450°С и fO2 = 10в-10,4 атм найдена fS2 = 10-2,4—10в-2,0 атм. Кристаллизация наиболее ранней ассоциации гексагонального пирротина (практически без Ni и Co), магнетита и хромита оценивается температурой около 850—900°С при fS2=10в-4 атм; fS2=10в-12 атм. В интервале температур 600—500°С это 10в-8—10в-10 и 10в-22—10в-34 атм соответственно. Нижний температурный предел формирования на Cu — Ni месторождениях интерметаллических соединений селенидов, теллуридов и арсенидов 250—300°С. Для большинства сульфидных равновесий fS2 уменьшается со снижением температуры расплава или раствора параллельно со снижением fO2. Тем не менее практически в течение всего периода сульфидного рудообразования обстановка была восстановительной и fO2 изменялась от 10в-12 (1300°С) до 10в-37 атм (300°С), a fS2 от 10в-3 до 10в-16 атм соответственно (рис. 6 и 7). Качественные оценки эволюции химических потенциалов CaO, MgO, FeO, щелочей и других компонентов в процессе метасоматического сульфидообразования имеются в ряде прежних работ.



Источником ювенильной серы для сульфуризации является флюид, поднимающийся к поверхности по магмоводам и тектоническим нарушениям. Он генерируется глубинными очагами основной магмы, в которых массы сульфидного расплава находятся в динамическом равновесии с флюидом (паром), насыщающим сульфидно-силикатную систему. Имеются интересные расчеты по термической диссоциации сульфидов железа и меди. Они указывают на то, что в интервале минимальных температур (при низких давлениях) реальных расплавов от основного до ультраосновного состава (1200—1500°С) имеются уже значительные величины (рис. 8) парциальных давлений серы (молекулярной и атомарной), находящейся в насыщающем паре над расплавом сульфидов (10в-3— 10в-6 атм). С повышением температуры возрастают доля атомарной серы и роль элементарного железа в составе пара. По проницаемым зонам сера может мигрировать, обусловливая дальнейшую диссоциацию сульфидного расплава и образуя протяженное к поверхности устойчивое «облако» повышенных ее парциальных давлений (рис. 9). Расчеты для условий возникновения, например, норильских руд, вне зависимости от их генезиса (ликвационный или метасоматический), показывают интервал 10в-4—10в-10 атм. При попадании расплавного или твердого ультраосновного или основного материала в подобное «облако» он будет постепенно подвергаться сульфуризации и в тем большей мере, чем более активно он реагирует с серой. Попутно привносится некоторое количество меди и железа из глубинных источников.

Сульфуризация, очевидно, играет малую роль для большой массы силикатного расплава благодаря рассеиванию серы в значительном объеме магмы. Большую роль она играет, несомненно, для основных пегматоидов и локальных проницаемых зон, в том числе вдоль трещин протопластовой отдельности в остывающих расслоенных интрузивах, способствующих концентрированному воздействию серы на раскаленные породы со стороны фильтрующихся флюидов (рис. 10).


Роль ассоциаций базитовых и гипербазитовых дифференциатов в рудоносных интрузиях заключается в том, что источником никеля и кобальта являются гипербазиты, а меди и серы — базиты. На это указывают и кларки этих элементов (в мае. %) для ультраосновных и основных пород (в скобках): Ni — 0,20 (0,016), Co — 0,020 (0,0045), Cu — 0,002 (0,010), S — 0,01 (0,03). Взаимодействие базитового и гипербазитового дифференциатов при посредстве фильтрующихся глубинных флюидов, эволюционирующих по щелочности-кислотности, может привести к выщелачиванию из силикатов упомянутых рудообразующих компонентов, некоторому их переносу вдоль интрузива и дальнейшей садке уже в сульфидной форме с последующим концентрированием вдоль проницаемых зон, в том числе протопластовых трещин (см. рис. 10). Возрастание здесь активности также сульфидной серы приведет к замещению солей слабых кремниевых кислот солями более сильной сероводородной с формированием сульфидного оруденения. Здесь отмечается перераспределение местных железа, кобальта, никеля, платиноидов на всех этапах, начиная с магматического, а также при-внос серы и частично меди, т. е. типичная сульфуризация. Сульфуризация рудных компонентов эволюционно осуществляется при высоких температурах расплавов и рудоносных флюидов с образованием «первично-магматических» руд, постепенно переходящих в средне- и низкотемпературные руды, уже, несомненно, относящиеся к гидротермальным. Для ликвационного механизма образования этих руд, с этой точки зрения, практически не остается почти никакого места.
Выводы. 1. Месторождения сульфидной медно-никелевой рудной формации возникают в широком диапазоне условий: от магматических через метасоматические к гидротермальным с переменной их ролью в каждом конкретном случае. 2. Глубинная расплавная природа допускается для сульфидов, связанных с коматиитами, и для очаговых зон прочих месторождений формации. 3. Камерная природа сульфидов наиболее вероятна и для базит-гипербазитовых и гипербазит-базитовых интрузивных никеленосных комплексов. 4. Сульфуризация — главный процесс возникновения сульфидов в камерах расслоенных интрузивов. 5. Сульфуризация в камерах осуществляется главным образом в постмагматический этап в широком диапазоне температур и часто сопровождается метасоматическими изменениями.