Металлоносные псевдоконгломераты Витватерсранда ЮАР II
В зависимости от величины слабопроницаемых фрагментов горной породы и соответственно от различной глубины их пропитки раствором метасоматическое замещение протекает по-разному: с образованием полной колонки метасоматической зональности, неполной, с полным замещением тыловой зоной всего фрагмента, с сохранением реликтов исходной породы, без сохранения реликтов. Разнообразию замещения способствует различие в исходных структурах и текстурах фрагментов: вторичные минеральные ассоциации наследуют их характер, что нередко выражается в линейных текстурах метасоматитов, "срезающихся" контурами фрагментов. Таким путем формируются пестрые по составу фрагментарные метасоматиты, обычно принимаемые исследователями за эксплозивные, эруптивные, осадочные брекчии, конгломераты. При длительных процессах кремниевого метасоматоза (кислотного выщелачивания) происходит полное замещение породы кварцем с образованием кварцевых псевдогалек.
В динамике фрагментарного метасоматоза значительную роль играет поверхность раздела фаз, где молекулы или ионы испытывают различное влияние со стороны внутренних частей вещества и граничащей с ними среды. Равнодействующая сил направлена по нормали к той фазе, где больше силы молекулярного взаимодействия. На границе раздела фаз жидкость - газ равнодействующая сила будет действовать в сторону жидкости, а на границе жидкость - твердое тело - в сторону твердого тела. Следовательно, в наших случаях на границе фильтрующийся раствор - слабопроницаемый фрагмент горной породы равнодействующая сила будет направлена в сторону фрагмента. При изогнутой поверхности раздела фаз большее давление возникает на вогнутой поверхности.
Поверхностное натяжение выражает работу образования единицы поверхности и равно изменению изобарно-изотермического потенциала в процессе: поскольку поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается образование новой поверхности сопровождается увеличением энтропии. Условием самопроизвольного течения процессов, происходящих при постоянных температуре и давлении, служит . Следовательно, для рассматриваемых процессов 0, т.е. при постоянном значении самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые сопровождаются уменьшением поверхности А, но не увеличением ее, и условием равновесия служит минимальное значение Минимальная же по энергоемкости поверхность - это поверхность шара. Следовательно, шаровые поверхности тел возникают самопроизвольно. При повышении давления раствора повышается активность процесса формирования новой поверхности.
При метасоматическом замещении остроугольных фрагментов очень часто происходит скругление углов и они становятся похожи на гальки. Метасоматическое замещение, как правило, протекает более активно в телах, имеющих меньший радиус кривизны поверхности. Поэтому в остроугольных фрагментах горных пород скорость процесса будет больше на углах.
где - давление раствора на вогнутой поверхности; - давление раствора на выпуклой поверхности; - поверхностное натяжение на границе раздела фаз а и - средний радиус кривизны поверхности. С уменьшением радиуса кривизны поверхности будет повышаться давление внутри фазы. Повышение давления вызывает повышение химических потенциалов компонентов этой фазы. Считают, что влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение сказывается только в дисперсных частицах. Однако геологические факторы убеждают нас в том, что эффект кривизны поверхности проявляется и в крупных телах. Здесь сказывается главным образом длительность геологических процессов.
Известны шарообразные текстуры, возникающие при выветривании массивных тел диоритов, габбро и других образований, скругление глыб горных пород при десквамации, совершенствование сферической поверхности в кольцах Лизеганга от периферии угловатых глыб горных пород к центру и т.д. При метасоматозе этот процесс весьма ярко выражен. Скругление остроугольных фрагментов, находящихся в неравновесной с ними среде, - закон природы, согласно которому создается минимум поверхностной энергии для равновесного сосуществования соприкасающихся разнородных объектов (фаз).
Фрагментарные метасоматиты подобные галькам формируются не только в межтрещинных блоках или обломках, но и в однородных горных породах, не нарушенных тектоникой. В них фильтрация растворов осуществляется по порам. При прекращении подачи раствора и при поровом испарении возникает его дефицит. Силами когезии (внутреннего сцепления молекул в жидкости) раствор стягивается в разрозненные сферы. С увеличением в связи с испарением концентрации компонентов в поровых растворах сфероидов происходит метасоматическое замещение горной породы. Компоненты, выносимые за пределы сфероидов, удаляются по пленочным растворам в окружающую среду и рассеиваются там.
При равномерной пористости метасоматические сфероиды бывают идеальными шарами. Любые дефекты в структуре и текстуре горной породы искажают их форму. Если же порода трещиновата, то трещины, экранируя растворы, способствуют образованию вместо сфероидов остроугольных обломковидных обособлений. Сульфидные метасоматические обособления обычно принимают за обломки на многих колчеданных, золотых и других месторождениях мира. Большинство геологов, исследующих Витватерсранд, считает пиритовые обособления механически скатанными рудными обломками: в водоемах; в гидротермальных растворах. По нашим данным, механическое формирование галек сульфидов невозможно по следующим причинам: скатывание в водной среде обломков сульфидов осуществляется медленнее, чем их окисление; если бы обломки смогли скататься в гидротермах, то при попадании в открытые водоемы они все равно окислились бы. Но этого мы не видим.
Интересные зарисовки керна буровых скважин приводит А.А.Константиновский по рудоносным конгломератам КМА. Но по нашим представлениям) на рисунке А.А.Константиновского изображена не осадочная порода с галькой и гравием кварца, пирита и пирротина, как он считает, а метаморфическое образование с метасоматически наложенной кварцевой и сульфидной минерализацией в форме псевдогалек и псевдогравия, подчеркивающих косую и параллельную слоистость исходной осадочной породы.
Сульфидный осадок в мелководной фации, где идет перемешивание воды, не может сохраниться, не окислившись. Наложенная сульфидная вкрапленность подчеркивает здесь слои горной породы, т.е. пути фильтрации гидротермальных растворов.
На этих же путях сформировались кварцевые псевдогальки голубоватого цвета, характерного для подобных образований на различных месторождениях. Данный образец хорошо иллюстрирует явление конвергенции в геологии. Образование обломковидных сульфидных обособлений метасоматическим путем подтверждается экспериментами; Д.И.Царев, А.А.Мохсохоев, А.Г.Миронов, 1983]. Как правило, сульфидные "гальки" на различных месторождениях пространственно связаны с рудными телами и вмещающими их тектоническими структурами. На Витватерсранде количество сульфидов (в основном пирита), в том числе и в галькообразных формах, также положительно коррелируется с содержанием золота.
Если бы эти образования были неоднократно перемытыми россыпями, то ни о каких гальках сульфидов не могло быть и речи. Об этом свидетельствуют многочисленные факты и здравый смысл, подсказывающий, что неокисленных пиритовых галек быть не может. Ссылка на бескислородную атмосферу Земли в раннем протерозое несостоятельна.
Имеются доказательства существования в это время атмосферы, аналогичной по составу современной ]. Осаждение и длительное существование сульфидов на малых и больших глубинах, согласно этим кривым, невозможно. Они могут формироваться только там, где существует высокий химический потенциал серы, т.е. имеются сернистые гидротермы, или разлагающаяся в застойной обстановке органика. Как только перестают действовать источники сернистых гидротерм, сульфиды быстро превращаются в гидроксиды.
Обильное отложение кремнистых осадков в морских бассейнах происходит не в прибрежных зонах, а на больших глубинах. В прибрежных зонах, где возможно формирование галечников, вода богата кислородом и сульфиды там не сохраняются. Тесное пространственное совмещение кварцитов и конгломератов в мульде Витватерсранд свидетельствует о гидротермально-метасоматическом (метаморфогенном) происхождении первых. Это подтверждается наличием реликтов углеродистых сланцев и истинных галек различных пород в кварцитовых телах со следами замещения кварцем.
М.Рассел, З.Тайхе, Ф.Нейл (1993) считают, что сульфиды железа замещают гальки разного размера в конгломератах Витватерсранда; а также минералы цемента и кварциты. Они устанавливают тесную связь между сульфидизацией, мусковитизацией и хлоритизацией, совмещая ее с пиком метаморфизма.
Богатые сульфидами золотоносные кварцевые брекчиевые зоны в архейских метатурбидитах на северо-западе Канады приурочиваются к областям кливажа слоистости черносланцевых толщ.
Полагают, что золото выщелачивалось из турбидитов и отлагалось в трещинах брекчий. Золотоносные кварцевые брекчии напоминают конгломераты.
Сульфидные (преимущественно пиритовые) конгломераты - это иллюзия, возникшая в результате явлений конвергенции, так же как и многие кварцевые металлоносные конгломераты, в том числе и Витватерсранда. Последние мы относим к гидротермально-метасоматическим образованиям - фрагментарным метасоматитам. Такую же природу имеют аналогичные образования в Криворожье, на КМА, Енисейском кряже и в других регионах.
Геологическая структура Витватерсранд, как указывалось выше, представляет собой штамповую мульдообразную синклиналь кольцевого строения (с выступом фундамента в центре). Эта структура с северо-запада и юго-запада обрамлена разломами, к которым в основном и приурочиваются месторождения. Ф.П.Кренделев считал, что "все месторождения докембрийских металлоносных конгломератов мира располагаются в бортах крупных синклиналей, вернее, брахисинклинальных структур" и "наиболее богатые руды Южной Африки локализованы в пределах грабенообразной структуры, расположенной поперек структуры Ранда". Золотое оруденение, по всей вероятности, связано с разломами, возникшими при дислокации фундамента и образовании брахискладки. По структурным особенностям в формировании золото-ураноносных конгломератов и железистых кварцитов много общего, вплоть до их совместного нахождения в одних структурах. Кварцевые конгломераты различных регионов имеют общие свойства, и многие их разновидности, с которыми связаны рудные месторождения, обогащены минералами железа (магнетитом, гематитом, пиритом, пирротином). Нередко в золотоносных и золото-ураноносных кварцевых конгломератах встречаются и минералы цветных металлов (халькопирит, галенит, сфалерит, борнит). По данным Ф.П.Кренделева, рудная минерализация в кварцевых конгломератах является наложенной в результате гидротермальных процессов при метаморфизме. Температура гомогенизации вторичных включений в кварце и рудных парагенезисах минералов совпадает и колеблется в наиболее высокотемпературных (Урал, Карелия, Енисейский кряж) от 280 до 570шС; в сульфидных конгломератах Витватерсранда от 220 до 400шС. Источником золота считаются породы различного состава, но главным образом базальтового, которые присутствуют в различных количествах на месторождениях данного типа и содержат повышенные кларки золота и радиоактивных элементов.
Хотя некоторые исследователи считают, что широко развитая гранитизация по времени предшествовала формированию металлоносных конгломератов, этот вопрос до конца неясен. Судя по геологическому строению Криворожья, КМА и Витватерсранда, можно вполне обоснованно считать, что метаморфизм и широкая гранитизация, формирование железистых кварцитов и металлоносных конгломератов - процессы часто сопряженные в пространстве и времени.
Осадившиеся в брахиструктурах металлы - продукты выноса рудных компонентов из горных пород (в основном из базальтов). Об этом свидетельствуют многочисленные реликтовые останцы ортоамфиболитов и диабазов среди гранитов и осаждение оснований в приразломных мульдах, реже в куполах. Процесс рудоотложения был, конечно, не осадочным, как считает большинство исследователей, а метасоматическим, на что указывают: наложенный характер рудных ассоциаций минералов; приуроченность оруденения к зонам разрывных нарушений - сбросам и надвигам в бортах брахиструктур (флексур).
Гидротермальные растворы, формировавшие золотое, урановое и сульфидное оруденение, поднимались по разломам, растекались по слоям хорошо проницаемых пород (конгломератам, гравелитам, песчаникам) и экранировались менее проницаемыми (магматическими силлами, пелитоалевритовыми пластами). Растворы имели кислую реакцию, и под их воздействием происходило кислотное выщелачивание горных пород. Основания (Mg0, Fe0, Са0) выносились, а кремнезем, сульфиды, золото и другие компоненты осаждались. Выпадали крупные массы кремнезема, образуя послойные залежи кварцитов и кварцевые псевдоконгломераты. Вынесенные основания, по Д.С.Коржинскому (1972, 1982), при позднем ощелочении растворов отлагались, образуя железистые кварциты, хлорит, биотит, флогопит и другие магнезиально-железистые минералы, фациально сменяющие кварциты и кварцевые псевдоконгломераты.
Хорошей иллюстрацией явлений конвергенции служат полосчатые железистые кварциты весьма сходные со слоистыми осадками. Полосчатые и ритмично-полосчатые метасоматиты широко распространены на различных рудных месторождениях и обычно также принимаются за слоистые образования.
В.В.Жданов, Т.П.Малкова (1974) и Д.А.Михайлов (1983) пришли к твердому убеждению, что железистые кварциты - образования метасоматические, связанные с выщелачиванием железа из базитов и ультрабазитов кислыми растворами. Кварц-золоторудные тела, пространственно ассоциирующие с железистыми кварцитами, имеют с ними генетическое сходство.
Изложенный материал, основанный на многолетних исследованиях проблемы конгломератовидных горных пород и руд музейных коллекций урано-золотоносных пород Витватерсранда и литературных данных, позволил сформулировать следующие диагностические признаки псевдоконгломератов Витватерсранда.
Общегеологические:
1. Тесная пространственная ассоциация кварцитов и "конгломератов" является фациально запрещенной для осадочных образований.
2. Гальки пирита не могут формироваться в фации конгломератов и вообще в водоемах, так как высокий химический потенциал серы не сохраняется в движущейся воде. Пирит быстро окисляется. 3. Невероятное сочетание малой мощности (до 10 см) тел конгломератов с широким площадным их распространением. Это гидротермально-метасоматические тела, развитые в пологих трещинах. 4. Ориентировка длинных осей кварцевых "галек" параллельна рудоносным "струям".
Морфологические:
1. Соединение некоторых кварцевых "галек" между собой перешейками.
2. Слияние "галек" друг с другом.
3. Наличие концентрически-зональных "галек".
4. Мозаичное "врезание" соприкасающихся контуров "галек" (совмещение отрицательных форм с положительными).
5. Межтрещинные остроугольные фрагменты в кварцитах часто перекристаллизованы в округлые гальковидные монокристальные кварцевые образования.
6. Отсутствие у кварцевых "галек" матовых поверхностей - признака их истирания при скатывании.
Минералогические:
1. Весьма часто кварцевые "гальки" являются монокристальными и имеют голубоватый или синеватый оттенок.
2. Кварц в псевдогальках не имеет волнистого угасания, тогда как в истинных гальках он деформирован и угасание его волнистое.
3. Цемент кварцевых конгломератов состоит из трещиноватого кварцита с вкраплением гидротермальных минералов.
4. Гидротермальные минералы, в том числе и золото, сосредоточиваются в "цементе" и крупные зерна их как бы воткнуты в "гальки" с периферии (результат очищения от посторонних примесей при перекристаллизации фрагментов кварца).
5. Температуры гомогенизации флюидных включений в кварце "галек" и "цемента" имеют одни и те же значения.
6. Содержания сульфидной вкрапленности и гальковидных сульфидных обособлений в псевдоконгломератах находятся в прямой корреляционной зависимости от содержания золота и увеличиваются при приближении к разломам.
7. Чем больше монокристальных "галек", тем выше содержание золота и урана в псевдоконгломератах.