Металлоносные псевдоконгломераты Витватерсранда ЮАР I
Освоение золотоурановых месторождений в протерозойских породах геологической структуры Витватерсранд (Южная Африка) возбудило большой интерес геологов к конгломератам. С начала промышленного освоения Витватерсранда прошло уже более ста лет, а интерес этот не уменьшается. Геологи стали приходить к убеждению, что металлоносными являются в основном кварцевые конгломераты, значительные скопления которых встречаются на древних кристаллических щитах в Южной и Центральной Африке, Канаде, Бразилии, Австралии, Скандинавии, Украине, Енисейском кряже и других местах.
В 1966 г. в Москве (ЦНИГРИ) было проведено совещание по проблеме древних металлоносных конгломератов в СССР. На нем превалировало мнение, что образование металлоносных конгломератов определяется той же совокупностью факторов, что и образование россыпей. Их относили к продуктам переотложенных древней земленной коры выветривания, подчеркивая, что металлоносны в основном кварцевые конгломераты. Отмечалась слабая разработка теоретических основ условий формирования и размещения золотоносных конгломератов.
Особенность состава конгломератов обусловила выделение формации металлоносных кварцевых конгломератов. Ф.П.Кренделев обобщил данные по металлоносным конгломератам мира.
Многочисленные труды по металлоносным конгломератам были посвящены их структурной приуроченности, возрасту, происхождению оруденения. При этом всегда оставался загадкой вопрос: почему металлоносны исключительно кварцевые разновидности? Большинство исследователей склонялось к тому, что кварцевые гальки более устойчивы к выветриванию, чем гальки других пород, и поэтому сохранялись при неоднократном выветривании и перемыве их в течение длительного времени. Но почему при этом россыпи не разубоживаются? Металлоносность кварцевых конгломератов обычно связывалась с тем, что материалом для их формирования служили горные породы, богатые кварцевыми жилами, содержащими рудные минералы.
Поиски крупных золотых месторождений типа Витватерсранд успехом до сих пор не увенчались. Изученные Ф.П.Кренделевым золотоносные кварцевые конгломераты на Енисейском кряже оказались, по нашему мнению, тектонометасоматическими брекчиями.
П.К.Дементьев, И.С.Модников и А.И.Безгубов (1975) рассмотрели геотектоническое положение докембрийских толщ, вмещающих металлоносные конгломераты и их связь с формацией железистых кварцитов. Они пришли к выводу, что накоплению металлоносных конгломератов во всех районах предшествовала глубокая, захватившая огромные площади гранитизация. Накопление конгломератов происходило в краевых частях прогибов и связано с тектонической активизацией, сменяющейся платформенным режимом.
По направлению к внутренним частям они сменяются формацией железистых кварцитов или подстилают железистую формацию.
Связь кварцевых конгломератов с золотым и урановым оруденением воспринимается исследователями по-разному.
Одни считают, что природа золота и урана первично экзогенная: коры выветривания, снос в водоемы, формирование россыпей, метаморфизм. Другие полагают, что оруденение возникло гидротермальным путем. Но вмещающие оруденелые горные породы всеми относились к кварцевым и кварц-сульфидным конгломератам.
А.М.Портновым изучены кварц-пиритовые конгломераты на золото-урановом месторождении Кочбулак в Средней Азии, располагающемся в верхнепалеозойской вулканогенной структуре. Сравнивая их с конгломератами Витватерсранда, он заключил, что галька сульфидов, неустойчивых в окислительных условиях земной поверхности, могла сформироваться только вследствие гипогенных процессов. Он полагает, что кварцевые и сульфидные гальки образовывались в результате механического окатывания обломков в гидротермальных растворах, заполняющих трещинные и трубо-образные полости. Приблизительно к таким же выводам пришел А.Д.Щеглов, побывавший на Витватерсранде. По его мнению, гальки пирита и кварца из гидротермальных аппаратов поступали в водоем и зонально распределялись по отношению к разломам. Мелкие гальки пирита отлагались на удалении от них, а крупные - вблизи
В 1989 г. в Сыктывкаре проходил Всесоюзный симпозиум по проблеме "Псевдоконгломераты". Было признано существование псевдоконгломератов.
Одни докладчики доказывали их динамо-метаморфическую природу, другие придерживались гидротермального окатывания обломков, третьи считали, что это может происходить при движении обломков в жерле эксплозивного сооружения (вулкана или слепой эксплозии). Но эти воззрения не могли удовлетворительно объяснить всех особенностей этих образований. На симпозиуме автором сделан доклад по псевдоконгломератам Витватерсранда и другим объектам с физико-химическим обоснованием механизмов их формирования с позиции метасоматических процессов.
По данным многочисленных исследователей, вся основная рудоносная площадь Витватерсранда, в пределах которой находится большинство золотых рудников, представляет собой синклиналь, вытянутую в запад-юго-западном направлении примерно на 400 км при ширине около 140 км. По всей вероятности, это крупная штамповая складка, возникшая при дислокации докембрийского фундамента преимущественно в вертикальном направлении. Доказательством тому является: наличие купола Вердефорт - выступа фундамента в середине структуры, крутое падение пород на крыльях синклинали с выполаживанием их на глубине. Такие коробчатые структу- ры характерны для штамповых складок.
На поверхности разрывные тектонические движения проявились в виде сбросов и надвигов. Широкое развитие их отмечается в пределах рудных полей. Система Витватерсранд подразделена на две свиты - верхнюю и нижнюю. Двумя концентрическими овалами они прослеживаются по всей структуре. Нижняя свита сложена глинистыми сланцами, кварцитами, песчаниками и конгломератами, верхняя - кварцитами и конгломератами.
Золотое оруденение обнаружено в конгломератах системы Доминион-Риф (одна зона), в конгломератах нижней свиты системы Витватерсранд (один пласт) и в основном - в конгломератах верхней свиты. Месторождения расположены в северо-западном крыле и на центриклинальных замыканиях брахисинклинали. Горизонты, к которым приурочено оруденение, названы рифами.
Мощность их колеблется от долей метра до нескольких метров. Повышенное содержание золота приурочивается к вытянутым рудным столбам или рудным струям.
Источником оруденения большинство исследователей считает архейские образования, включающие древние кварцевые золотоносные жилы и ураноносные пегматиты, которые якобы разрушались) окатывались и отлагались, образуя рудные конгломераты, впоследствии метаморфизованные.
Давидсон и др. (1953, 1957) полагают, что золотое и урановое оруденение гидротермальное, связанное с явлениями гранитизации. Симпсон пришел к выводу о том, что перенос рудного вещества с площади размыва происходил не механически, а в виде растворов, из которых оно осаждалось в восстановительных условиях. Луи, Хейгем и др. (1954) считали месторождение Витватерсранд инфильтрационным. Барникот и др. (1997) относят оруденение к гидротермальному впоследствии метаморфизованному.
В конгломератах Витватерсранда гальки сплющены, но многие кварцевые гальки ни дроблению, ни сплющиванию не подверглись. В них не отмечается значительных признаков даже катаклаза: трещиноватости, волнистого угасания и грануляции. Большая часть таких галек, по нашим данным (1980, 1988), - псевдогальки, т.е. гальковидные метасоматические фрагменты или замещенные кварцем гальки конгломератов.
Автор изучал конгломераты Витватерсранда по коллекциям Всесоюзного геологического музея (ВГМ, коллекция М.И.Липовского), геологических музеев Ленинградского горного института (ЛГИ), Московского геологоразведочного института и Геологического института Бурятского филиала СО РАН СССР (коллекция Ф.П.Кренделева) и пришел к заключению, что многие золотоносные и ураноносные горные породы, называемые конгломератами, являются тектонометасоматическими конглобрекчиями.
Такое заключение основывается на следующих фактах.
1. Галька весьма часто монокристальная, т.е. полностью состоит из одного кристалла прозрачного кварца. В связи с этим трудно представить, чтобы для формирования монокристальных галек конгломерата разрушалось такое изобилие друз горного хрусталя.
2. Многие гальки имеют зональное строение, в центре зернистый кварц, на периферии монокристальный прозрачный (обр. 22/2437 из висячего бока пласта Мейн-Лидер-Риф, коллекция М.И.Липовского, ВГМ). Этот факт свидетельствует о возникновении концентрической текстуры на месте при перекристаллизации кварцевой гальки в процессе метаморфизма или при формировании галькоподобного фрагмента целиком в процессе метасоматоза.
3. Галька мелкогалечных конгломератов (гравелитов) часто целиком состоит из монокристального кварца. Между конгломератами, гравелитами и монолитными кварцитами имеются постепенные переходы (обр. 22/422-2 из Ниджел-Рифа, музей ЛГИ; обр. 13/2437 из Мейн-Лидер-Рифа, ВГМ).
4. В полированных срезах встречаются участки конгломератов, где отдельные монокристальные гальки соединяются перешейками с другими гальками без каких-либо границ. Некоторые гальки как бы подогнаны друг к другу, т.е. разделены извилистой трещинкой, которая свидетельствует о едином блоке, расчленяющемся на два гальковидных фрагмента (обр. 22/422-2 из Ниджел-Рифа, музей ЛГИ и обр. Р-176, музей БГИ СО АН СССР).
5. Местами можно наблюдать, как формировалась псевдогалька, отчленяясь от трещиноватых кварцитов при замещении породы вдоль трещинок сульфидами, золотом и слюдистыми минералами. В межтрещинных овальных фрагментах часто с периферии имеются включения сульфидов и золота. Гальковидные фрагменты с включениями зерен золота по периферии чаще бывают монокристальными, чем без включений (обр. 22/97-1 из Йоханнесбурга, музей ЛГИ).
6. Кроме четко оконтуренных гальковидных фрагментов, встречаются фрагменты, постепенно переходящие в сульфидный "цемент" (обр. 22/422 из Ниджел-Рифа, музей ЛГИ).
7. Монокристальные кварцевые псевдогальки в большинстве случаев мельче и круглее, чем таковые из зернистого кварца. Этот факт указывает на более совершенную кристаллизацию кварца в меньших межтрещинных фрагментах исходных скрытокристаллических черных кварцитов. Реликты этих кварцитов встречаются во многих образцах (обр. 22/2437 из Мейн-Лидер-Рифа, ВГМ).
8. Иногда встречаются овальные кварцевые блоки, различно окрашенные по разные стороны тонкой извилистой трещинки (обр. 22/422-1 из Ниджел-Рифа).
9. Встречаются участки темных скрытокристаллических массивных и полосчатых кварцитов, разбитых на остроугольные блоки разноориентированными трещинами, по которым сформировались расплывчатые кремнистые прожилки в виде сетки. Остроугольные межтрещиные блоки в результате перекристаллизации местами становятся овальными, приближаясь по конфигурации к галькам . В трещинках отлагаются золото, коричневые охры и углеродистое вещество тухолит. Там, где есть включения золота и охр, межтрещинные кварцевые блоки превращены в прозрачные монокристальные, похожие на гальку образования (обр. 22/422 из Ниджел-Рифа, 22/97-1 и 2 из Йоханнесбурга, музей ЛГИ).
10. Кварцевые галькоподобные блоки местами расчленяются тектоническими трещинками на более мелкие овальные блоки. Можно проследить, как из одной псевдогальки в результате дезинтеграции формируется несколько (обр. 22/97-3 из Йоханнесбурга, музей ЛГИ).
11. Образования, относимые к цементу конглобрекчий, сложены гидротермальными минералами: сульфидами, золотом, пирофиллитом, серицитом, турмалином, хлоритом. В сущности - это агрегат гидротермальных минералов, развившихся вдоль ячеистой сети трещинок, обрамляющих более крупные блоки в кварцитах, дающий иллюзию цементации кварцевых галек. Местами можно наблюдать, как кварцевый блок расчленяется полосками сульфидов ("цементом") на два гальковидных фрагмента, но не полностью; образуются как бы две гальки, не совсем отчлененные друг от друга (обр. 22/422 из Ниджел-Рифа, музей ЛГИ).
12. Округлые зерна пирита до 3 мм в диаметре, обычно считающиеся окатанными, представляют собой пентагондодекаэдрические кристаллы с растворенными ребрами. Различная степень растворения позволяет проследить переходные формы зерен от шаровых до ограненных (обр. 22/422 из Ниджел-Рифа). Некоторые шаровидные зерна пирита вросли с периферии в так называемые гальки, что еще раз свидетельствует о возникновении их форм не при окатывании.
13. Овальные фрагменты мелкозернистого пирита, размером до 3 см в длину, являются не гальками, как считают многие исследователи, а фрагментарными метасоматитами.
Подобные псевдоконгломераты изучены нами на Криворожских месторождениях железистых кварцитов. В образцах керна из Криворожской сверхглубокой скважины видно, что кварцевые фрагменты ("гальки") разделены извилистыми трещинами, подчеркнутыми биотитом. Это говорит о существовании трещиноватых кварцитов, впоследствии метасоматически преобразованных. По трещинам фильтровались растворы, в межтрещинные фрагменты диффузионно поступал кремнезем, а из них в трещины выносились основания (MgО, Fe0), участвующие в формировании биотита.
Острые углы межтрещинных фрагментов ввиду их относительно высокой кривизны интенсивно метасоматически замещались минералами тыловых зон и скруглялись, в результате фрагменты становились похожими на гальки. Среди Криворожских псевдоконгломератов, как и на Витватерсранде, имеется множество монокристальных "галек" погруженных в кварц-пирит-слюдистый цемент.
Геологические образования часто бывают конвергентными. Наиболее глубоко рассмотрел эту проблему Г.Л.Поспелов. Он впервые показал ряд механизмов геологических процессов, с помощью которых сформировались горные породы, трудно отличимые от пород другого происхождения. Например, блочные метасоматиты большинством геологов до сих пор считаются обломочными породами: эксплозивными и эруптивными брекчиями, конгломератами, туфами и т.д. Автор такие обломковидные образования относит к фрагментарным метасоматитам.
Фрагментарный метасоматоз основан на неоднородном метасоматическом замещении горных пород, вызванном неравномерной пропиткой их раствором, которая связана с анизотропией проницаемости и насыщения. При этом система метасоматоза распадается на ряд частных (фрагментарных) систем с отличными друг от друга термодинамическими параметрами.
При фильтрации растворов в трещиноватых, дробленых, обломочных осадочных или пирокластических горных породах наиболее проницаемые участки (трещины, более интенсивно раздробленные зоны, более пористый, чем крупные обломки, цемент и т.д.) пропускают через себя основную часть раствора.
Межтрещинные фрагменты, более крупные или менее пористые обломки пропитываются раствором частично или полностью или вообще не пропитываются. Глубина пропитки фрагментов горных пород описывается следующим уравнением: образец керна сверхглубокой скважины: кварцевые "гальки" (диффузионные зоны) отделяются друг от друга трещинами, "цемент" (инфильтрационная метасоматическая зона кварц-биотитового состава, развита по стенкам трещин, разделяющих диффузионные фрагменты) энергия поверхностного натяжения раствора; r - радиус капилляра (поры); краевой угол смачивания; начальное давление газа в капилляре; полная длина капилляра. Следовательно, глубина пропитки фрагментов зависит от их физического состояния. Этот процесс будет идти самопроизвольно. Но если существует дополнительное давление (напор) фильтрующегося по трещинам раствора, то глубина пропитки увеличивается. При одностороннем давлении раствора более мелкие фрагменты будут пронизываться раствором, т.е. в них будет осуществляться сквозная фильтрация, а в крупных - раствор будет застойным. При метасоматическом процессе в проницаемых участках происходит инфильтрационное замещение горной породы, а в фрагментах с застойными перовыми растворами - диффузионное. В горной породе происходит инфильтрационно-диффузионная дифференциация вещества: слабопроницаемые участки, окруженные раствором, замещаются диффузионно, а хорошо проницаемые - инфильтрационно, качественно и количественно различными минеральными ассоциациями.
Вынесенные из фрагментов компоненты поступают в фильтрующийся раствор и с ним транспортируются или отлагаются в виде минералов в проницаемых (инфильтрационных) зонах.