Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эпохи колчеданообразования в геологической истории Земли 10
1.1. Устойчивые признаки разновозрастных колчеданных месторождений 11
1.2. Главнейшие эпохи колчеданообразования 16
1.2.1. Архейско- палеопротерозойская эпоха (2950 - 2200 млн лет) 27
1.2.2. Палеопротерозойско-мезопротерозойская эпоха (2200 - 1350 млн лет). 40
1.2.3. Неопротерозойско-раннемезозойская (900 - 200 млн лет) 50
1.3. Эволюция процессов колчеданообразования 58
Глава 2. Типы колчеданных месторождений вулканической ассоциации 61
2.1. Медные и медно-цинковые месторождения в недифференцированных базальтоидных формациях 62
2.1.1. Месторождения кипрского типа и их аналоги 62
2.1.2. Месторождения типа бесси и их аналоги 86
2.2. Медно-цинковые и свинец-медно-цинковые месторождения в контрастных и последовательно дифференцированных вулканогенных формациях (типы уральский и куроко и их аналоги) 95
2.3. Эволюция признаков колчеданных месторождений различных типов 133
Глава 3. Крупные и особо крупные колчеданные месторождения вулканической ассоциации 139
3.1. Критерии вьщеления крупных и особо крупных колчеданных месторождений вулканической ассоциации 142
3.2. Эпохи образования крупных и особо крупных месторождений 146
3.3. Распределение крупных месторождений по провинциям 151
3.4. Распределение крупных месторождений по типам 162
3.5. Некоторые геологические особенности и условия образования крупных колчеданных месторождений вулканической ассоциации 164
3.5.1. Рудолокализующие структуры 165
3.5.2. Рудоподводящие структуры и морфология подрудных прожилково-вкрапленных зон 174
3.5.3. Длительность процессов рудообразования и палеовулканический режим 178
3.5.4. Соотношение проксимальных и дистальных рудных тел 185
3.5.5. Минеральный состав руд, соотношения главных рудообразующих элементов и минералого-геохимическая зональность 201
Глава 4. Соотношение вулканогенного колчеданного и других типов свинцово-цинкового оруденения в истории Земли 206
4.1. Суперконтинентальные циклы и крупнейшие эпохи формирования колчеданных месторождений вулканической ассоциации и месторождений nraaSEDEX 211
4.2. Эволюция внешних геосфер и планетарные вспьппки рудообразования типа SEDEX 222
Заключение 232
Список использованной литературы 234
- Архейско- палеопротерозойская эпоха (2950 - 2200 млн лет)
- Медно-цинковые и свинец-медно-цинковые месторождения в контрастных и последовательно дифференцированных вулканогенных формациях (типы уральский и куроко и их аналоги)
- Критерии вьщеления крупных и особо крупных колчеданных месторождений вулканической ассоциации
- Суперконтинентальные циклы и крупнейшие эпохи формирования колчеданных месторождений вулканической ассоциации и месторождений nraaSEDEX
Введение к работе
Актуальность работы. В колчеданных месторождениях вулканической ассоциации
сосредоточено не менее 11,4-10 т меди, 22,8-10 т цинка, 4,8 -10 т свинца, большое количество других цветных и благородных металлов, что составляет весомую часть их мировых запасов. Для мировой экономики они являются одним из важнейших источников Си и Zn, на них приходится большая доля мировой добычи Pb, Ag, Au, Se, Те, Bi, Sb, а также небольшие количества многих других металлов. Всего лишь на 44 крупнейших из этих объектов сосредоточено 57% Си, 53% Zn и 68% РЬ в рудах колчеданных месторождений. Таким образом, они отличаются не только высоким качеством и полиметаллическим составом руд, но и высокой степенью концентрации запасов, что делает многие из них приоритетными объектами для горнодобывающей промышленности. В силу этих причин важные для прогнозирования и поисков вопросы генезиса колчеданных месторождений вулканической ассоциации в течение многих десятилетий являются предметом оживленных дискуссий. Хотя основы современных представлений об их происхождении заложены в значительной степени работами В.И. Смирнова (1968, 1976) и его учеников и последователей, а также ряда зарубежных геологов еще в 60-70х годах прошлого века, некоторые аспекты, и в том числе исторический, предполагающий эволюцию процессов рудообразо-вания в целом и колчеданообразования в частности, требуют дополнительного рассмотрения. В связи с этим сохраняют свою актуальность вопросы:
каковы дискретность, интенсивность и характер изменчивости колчеданообразования в истории Земли;
каковы основные типы колчеданных месторождений вулканической ассоциации, когда именно и в силу каких причин произошла дифференциация их на эти типы и имела ли место эволюция основных признаков этих типов, в частности, их геохимических характеристик;
каково практическое значение колчеданных месторождений разных типов; к каким типам преимущественно относятся крупные по запасам колчеданные месторождения, существовали ли особые эпохи образования крупных и сверхкрупных колчеданных месторождений;
какие факторы определяли образование крупных запасов колчеданных руд;
каков вклад колчеданных месторождений вулканической ассоциации в формирование мировых запасов цветных металлов, как и в результате каких причин изменялось со временем соотношение этого и других геолого-промышленных типов месторождений свинца и цинка.
Главная цель работы заключалась в выяснении общей направленности и особенностей эволюции процессов вулканогенного колчеданообразования - одного из древнейших рудообразующих процессов в геологической истории Земли.
Основные решаемые задачи:
-
Выявление важнейших эпох колчеданообразования и геологических, минералогических, геохимических особенностей отвечающих им месторождений, обусловленных специфическим для каждой эпохи состоянием литосферы и внешних геосфер Земли.
-
Подразделение семейства фанерозойских колчеданных месторождений вулканической ассоциации на типы и их сравнительная характеристика, определение общих тенденций в эволюции важнейших признаков месторождений этих типов и их докембрийских аналогов и прежде всего геохимических особенностей их руд.
-
Разработка критериев выделения колчеданных месторождений, крупных и особо крупных по запасам металлов, анализ закономерностей их пространственного расположения и распределения по типам и в геологической истории; анализ структурных, формаци-
онных, палеовулканических, палеогеоморфологических и других факторов, влиявших на формирование и возможности сохранения крупных запасов колчеданных руд.
4. Оценка вклада колчеданных месторождений вулканической ассоциации как одного из важнейших геолого-промышленных типов месторождений цветных металлов (особенно свинца и цинка) в их мировые запасы, выяснение роли колчеданных месторождений вулканической ассоциации в распределении этих запасов по времени образования, анализ изменявшегося в геологической истории соотношения вулканогенного колчеданного и других типов рудообразования.
Фактический материал и методика исследований. Для решения поставленных задач использовались материалы, собранные автором при разномасштабных (1:50000 -1:2000) исследованиях колчеданоносных рудных районов Рудного Алтая, в том числе Ле-ниногорского, Николаевского, Камышинского, Березовско-Белоусовского рудных полей, а также докембрийской провинции Абитиби и Ньюфаундленда. Факторы образования месторождений крупных и особо крупных по запасам установлены на основе наблюдений автора, выполненных на месторождениях крупнейших колчеданоносных рудных провинций мира: Рудного Алтая (Николаевском, Риддер-Сокольном, Чекмарь, Орловском), пояса Абитиби (Кидд-Крик, Хорн), Аппалач (Бакане на Ньюфаундленде).
Главным методом исследований являлся палеовулканологический анализ колчеданоносных рудных районов и полей, позволивший выявлять региональные и локальные вулканические и вулкано-тектонические структуры, выяснять геолого-геоморфологические признаки рудоносных вулканогенных структур и определять степень их сохранности, выполнять формационное расчленение рудоносных толщ, исследовать фациальную принадлежность рудовмещающих вулканогенных и вулканомиктовых образований, устанавливать особенности палеовулканического режима, благоприятствовавшего образованию крупных запасов колчеданных руд, а также разрабатывать палеовулканологические критерии поисков вулканогенных колчеданных месторождений («Палеовулканологический анализ ...», 1984). Результаты палеовулканологического анализа и детального (1:10000 - 1:2000) картирования колчеданоносных рудных полей и месторождений явились основой для использования специальных методов исследования, в том числе текто-нофизических реконструкций и структурно-петрофизического анализа (Старостин, 1979).
Фактической основой работы являлась также составленная автором оригинальная база данных по колчеданным месторождениям мира, которая учитывает широкий спектр данных (около 20 позиций) по 691 колчеданному месторождению вулканической ассоциации, в том числе по всем известным в литературе месторождениям мирового класса, и всем крупнейшим колчеданоносным рудным провинциям мира.
Для целей сравнения колчеданных месторождений вулканической ассоциации с другими типами месторождений цветных металлов по их распределению в геологической истории и относительной роли в формировании нынешних мировых запасов цинка и свинца составлена аналогичная база данных по свинцово-цинковым месторождениям в осадочных и осадочно-карбонатных толщах (более 150 месторождений типов SEDEX и 25 месторождений типа долины Миссисипи в основных рудных провинциях мира).
Научная новизна.
Автором установлено существование в геологической истории планеты четырех относительно непродолжительных периодов образования колчеданных месторождений вулканической ассоциации, во время которых возникло подавляющее большинство этих месторождений и большая часть соответствующих запасов руды и металлов. Выявлена корреляция этих эпох с крупнейшими событиями тектонической истории Земли. Впервые обосновано возрастание от одной эпохи к другой интенсивности процессов колчеданооб-
разования и численности возникавших крупных месторождений. Изучена эволюция важнейших признаков разновозрастных колчеданных месторождений (минералого-геохимических, структурных особенностей руд, характера околорудных изменений и сопутствующих гидротермально-осадочных пород) и впервые обосновано влияние на них текущего состояния литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы планеты.
Обосновано подразделение фанерозойских колчеданных месторождений вулканической ассоциации на четыре главных типа, дана их детальная сравнительная характеристика, продемонстрирована возможность отнесения докембрийских (неоархейских и палео-протерозойских) месторождений к аналогам этих типов. Продемонстрирована связь месторождений разных типов с определенными стадиями супер континентальных циклов. Впервые установлена направленность эволюции состава руд месторождений разных типов и их докембрийских аналогов по мере дифференциации вещества Земли.
С использованием большого статистического материала впервые разработаны критерии выделения колчеданных месторождений, крупных и особо крупных по запасам металлов. Установлена преимущественная связь крупнейших месторождений с контрастными или последовательно-дифференцированными вулканогенными формациями, их позиция в пределах крупнейших колчеданоносных провинций. На основе анализа факторов, обусловивших формирование крупных месторождений и возможность сохранения их от разрушения, сделан вывод об отнесении крупных месторождений вулканической ассоциации к группе обычных.
Впервые проанализировано распределение по времени образования месторождений свинца и цинка важнейших геолого-промышленных типов и их запасов металлов. Установлено существование в истории Земли крупнейших пиков накопления руд РЬ и Zn. Обосновано отнесение колчеданных месторождений к числу древнейших на Земле типов месторождений цветных металлов. Доказана роль колчеданообразования в раннем начале накопления Си, Zn и РЬ. Дан анализ соотношению вулканогенного колчеданного и других типов рудообразвания, изменявшемуся во времени под влиянием эндогенных и экзогенных факторов.
Практическое значение и внедрение результатов. Установленные закономерности образования и размещения колчеданных месторождений вулканической ассоциации позволяют сделать более эффективными поисково-разведочные работы на цветные металлы в известных районах распространения таких месторождений, прогнозировать новые перспективные площади для постановки поисковых работ, целенаправленно вести поиски месторождений определенных типов, а также обладающих крупными и особо крупными запасами.
Исследования автора проводились в рамках НИР кафедры полезных ископаемых геологического факультета МГУ (1974-1991 гг.), а в последующем по тематическим планам геологического факультета МГУ (1991-2009 гг.), инициативным проектам РФФИ (97-05-64804) и программам фундаментальных исследований ОНЗ РАН (программа №14, проект 1.2.5,а), а также договору с Министерством образования и науки РФ «Развитие научного потенциала» № РНП.2.1.1.1374 (2006-2008 гг.). Результаты исследований вошли в 5 отчетов Алтайской рудной партии МГУ, были переданы геологическим экспедициям ПГО «Востказгеология», Восточно-Казахстанскому медно-химическому и Лениногорско-му полиметаллическому комбинатам и использованы ими для планирования поисково-разведочных работ в рудных районах Рудного Алтая.
Основные защищаемые положения.
1. В геологической истории Земли выделяются четыре кратковременных пика образования вулканогенных колчеданных месторождений: неоархейский (2,72-2,69 млрд лет),
палеопротерозойский (1,89-1,85 млрд лет), кембрийско-ордовикский (542-472 млн лет) и девонско-раннекаменноугольный (416-345 млн лет), связанные со стадиями быстрого сближения блоков континентальной коры различных суперконтинентальных циклов. Со временем возрастала интенсивность процессов колчеданообразования и численность образующихся месторождений, крупных по запасам руды, расширялась география распространения месторождений и нарастало их многообразие, усложнялся химический и минеральный состав руд, изменялись облик сопутствующих гидротермально-осадочных образований, характер изменений околорудных пород и другие признаки.
-
В фанерозойское время завершилась дифференциация вулканогенных колчеданных месторождений на кипрский, бесси, уральский и куроко типы, различающиеся по составу руд, формационной принадлежности вулканогенных толщ, а также относительной роли вулканогенных и осадочных пород в рудовмещающем разрезе и другим особенностям. Месторождения архейского и протерозойского возраста рассматриваются как близкие докембрийские аналоги этих типов. Образование месторождений каждого типа (или их аналогов) возобновлялось неоднократно в связи с определенными стадиями периодически повторявшихся суперконтинентальных циклов. Составы руд месторождений разных типов и их докембрийских аналогов однонаправлено эволюционировали по мере дифференциации вещества Земли, ее остывания и становления современных тектонических режимов и механизмов магмообразования.
-
В каждую из эпох колчеданообразования 25-75% запасов металлов сосредоточивалось на вновь образованных крупных и особо крупных месторождениях. Их численность возрастала от ранних к более поздним эпохам, они чаще связаны с бимодальными или последовательно дифференцированными формациями и относятся к тем типам, рядовые представители которых отличаются относительно большими запасами руды и металлов. Большинство их расположено в главнейших колчеданоносных провинциях мира, лидирующих как по общим запасам руды и металлов, так и по численности и суммарным запасам встречающихся в их пределах рядовых месторождений. Наряду с формационным, важными факторами образования крупных месторождений являлись также близость источников рудного вещества, благоприятные структурные условия, продолжительность процессов рудообразования и периодов спокойного вулканического режима.
-
Колчеданные месторождения вулканической ассоциации были древнейшим, а в период с 3,46 до 1,85 млрд лет назад - единственным типом месторождений свинца и цинка, ответственным за раннее начало накопления и пиковый характер распределения запасов этих металлов в ранней истории планеты. В последующем это распределение было обусловлено соотношением вулканогенного колчеданного с другими типами рудообразования, прежде всего с формированием эксгаляционно-осадочных месторождений в тер-ригенных и терригенно-карбонатных породах. Это соотношение изменялось со временем под влиянием тектонического фактора, эволюции состава континентальной литосферы, а также необратимых изменений во внешних геосферах Земли.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации автором опубликованы 67 работ, в том числе 41 статья в периодических изданиях и сборниках научных трудов.
Основные положения диссертации докладывались на конференциях молодых ученых МГУ (1975-1977 гг.), конференции «Вулканогенно-осадочное рудообразование» (Санкт-Петербург, 1992 г.), I Всероссийском металлогеническом совещании «Металлогения складчатых систем с позиций тектоники плит» (Екатеринбург, 1994), V Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2001 г.), конференциях «Ломоносовские чтения» (Москва, 2000, 2002-2005, 2007-2009 гг.), международной конференции
«Фундаментальные проблемы геологии мсторождений полезных ископаемых и металлогении (Москва, 2010 г.).
Благодарности. Подготовка диссертационной работы стала возможной благодаря разносторонней и многолетней помощи всех сотрудников кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых и моральной поддержке руководства геологического факультета МГУ. Автор считает своим долгом поблагодарить за помощь своих ныне ушедших учителей академика В.И. Смирнова и профессора Г.Ф Яковлева. Хочется выразить особую признательность чл.-корр. РАН, профессору Н.И. Еремину, который в течение многих лет осуществлял фактическое идейное руководство работой и своими советами и рекомендациями внес огромный вклад в ее совершенствование. На формирование научных представлений автора в разное время сильнейшее влияние оказали В.В. Авдонин и В.И. Старостин, под руководством которых автору посчастливилось работать в течение длительного времени. Диссертант с благодарностью вспоминает профессоров X. Гибсона и Р. Ходдера (Канада), много способствовавших успешному проведению исследований на колчеданных месторождениях Канады.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, включает 262 страницы текста, 99 рисунков и 18 таблиц и сопровождается списком литературы из 401 наименования. Защищаемое положение 1 раскрыто в главе 1, защищаемое положение 2 -в главе 2, защищаемое положение 3 - в главе 3, защищаемое положение 4 - в главе 4.
Архейско- палеопротерозойская эпоха (2950 - 2200 млн лет)
Это кажется странным, если учесть, что какая-то часть их первоначально представляла собой вулканогенные породы. Возможно, дело в том, что, образовавшись довольно рано, Мировой океан длительное время оставался достаточно мелководным. По оценкам О.Г. Сорохтина и соавторов, даже 3,5 млрд лет назад средние глубины океана, видимо, не превышали 250 м (Сорохтин и др., 1998). В то же время оптимальными для колчеданообразования считаются глубины моря свыше 500 м. Это отчасти может служить объяснением практически полного отсутствия проявлений колчеданной минерализации в отложениях древнее 3,46 млрд лет.
Долгое время бытовало мнение, что сильные деформации и метаморфизм этих пород не оставили следа от более ранних рудных скоплений, но утверждать это со всей определенностью нельзя. В более молодых подвижных зонах есть прекрасные примеры залежей сульфидных руд, переживших интенсивный метаморфизм и даже частичное плавление. Примером крупного месторождения сульфидных руд, залегающего среди пород гранулитовой фации метаморфизма, является месторождение Брокен-Хилл. По мнению Мейера (1984), существует некоторая вероятность того, что рудные скопления могли рассеиваться при интенсивном механическом воздействии на них в условиях высоких температур. Поэтому, не утверждая ничего окончательно, можно лишь предположить, что в породах с возрастом 3,8-3,5 млрд лет колчеданная минерализация действительно была необычайной редкостью или, по крайней мере, была несопоставима по разнообразию типов, качеству руд и запасам с колчеданными месторождениями более молодых зеленокаменных поясов.
Древнейшие известные на Земле колчеданные месторождения выявлены в палеоархей-ских зеленокаменных поясах и имеют возраст 3460 млн лет. Они располагаются на востоке блока Пилбара в Австралии, где устанавливаются типичные признаки палеоархейских гра-нит-зеленокаменных областей с их петельчатой структурой и преобладанием овальных гра-нитогнейсовых куполов, промежутки между которыми заполнены осадочно-вулканогенными толщами (группа Варравуна; 3,47-3,45 млрд лет). Нижняя часть разреза зеленокаменных поясов, видимо, представляла собой коматиит-базальтовую кору океанического типа. В пределах поясов отсутствуют комплексы щитовых даек (возможно, из-за рассеянного характера спрединга), что отличает эти «протоофиолиты» от фанерозойских офиолитовых поясов (Ха-ин, 2000). Мощность коры океанического типа могла быть повышенной и сопоставимой с мощностью коры молодых внутриокеанических плато. Это могло вызывать повышение температуры расположенной ниже мантии и образование мантийных плюмов. По мнению многих исследователей, в пределах блока Пилбара кора сама могла продуцироваться мантийными плюмами, как это имеет место в настоящее время в Исландии (Хаин, 2000; Hickman, 2004). Таким образом, формирование древнейших колчеданных месторождений, по всей видимости, происходило на фоне преобладавших процессов плюмтектоники.
С другой стороны в верхних частях разреза палеоархейских зеленокаменных поясов обнаруживаются породы среднего и кислого состава, обладающие чертами сходства с из-вестково-щелочными островодужными вулканическими сериями. В восточной части блока Пилбара именно они являются вмещающими для древнейших на Земле, сравнительно небольших по масштабам вулканогенных колчеданных месторождений Биг-Стабби (0,1-0,2 млн т руды) и Леннонс-Файнд (1,2 млн т).
Их рудные тела представляют собой линзы в пределах кремнистых горизонтов среди пород с возрастом 3,46 млрд лет: турбидитовых и пепловых туфов, эвапоритов, туфоконгло-мератов и риолитов, образующих лавовые потоки и купола. Руды, сложенные сфалеритом, галенитом, пиритом, баритом, отличаются выраженным полиметаллическим составом (7,8-13,8% Zn, 1,9-4,5% Pb, 0,2-4% Си) и высокими концентрациями серебра (100-305 г/т). На месторождениях устанавливаются признаки минералого-геохимической зональности.
По текстурным, геохимическим и минералогическим особенностям руд, характеру рудной зональности (стратиграфически верхние части рудных тел обогащены цинком; Barley, 1992; Brauhart, Groves, 1998), морфологии рудных тел, связи с кислыми вулканитами и некоторым другим особенностям древнейшие колчеданные месторождения вулканической ассоциации уже очень напоминают более молодые образования подобного рода. Однако во многих отношениях они не типичны для архейской группы.
Одной из причин этого является то, что и сами зеленокаменные пояса с возрастом 3,55-3,30 млрд лет, известные на востоке блока Пилбара в Австралии и горах Барбертон в пределах Каапваальского кратона на юге Африки, значительно отличаются от более поздних (2,8-2,6 млрд лет) зеленокаменных поясов провинций Сьюпериор и Слейв Канадского щита, Родезийского кратона и блока Йилгарн (Lowe, 1982) по условиям осадконакопления. Им свойственно преобладание среди осадочных пород окварцованных вулканогенно-терригенных отложений с признаками мелководных условий осадконакопления, кварцитов, в том числе их углистых разностей, окварцованных или баритизированных сульфатных эвапоритов, пластовых строматолитов, а также практическое отсутствие железистых кварцитов типа Алгома, терригенных пород, образовывавшихся за счет сносившихся продуктов выветривания и эрозии, гиалокластических брекчий, а также признаков существования поблизости более древнего сиалического фундамента. Проявления колчеданной минерализации с возрастом 3,55-3,3 млрд лет представляют собой такую редкость, что некоторые авторы рассматривают их отсутствие "как характеристику палеоархейских зеленокаменных поясов. В восточной части блока Пилбара известен также ряд небольших месторождений с возрастом 3,24 млрд лет (Сулфур-Спрингс, Кунгару-Кейвз, Бернтс и другие).
Древнейшие колчеданные месторождения вулканической ассоциации отличаются от типичных архейских колчеданных месторождений, известных на Канадском щите и в блоке Иилгарн по палеовулканическим условиям рудообразования. Широкое распространение мелководных фаций в разрезе рудоносной формации (турбидитовые туфобрекчии и пепло-вые туфы, ритмично построенные толщи конгломератов, эвапориты и другие), близкое расположение, и вероятно, не линейное размещение центров кислого вулканизма, тесная ассоциация кислых вулканитов с мощными толщами базальтов, извержение которых происходило вблизи уровня моря или даже в субаэральных условиях, очень слабое проявление синвул-канических деформаций - все это отличало риолитовый вулканизм, имевший место около 3,5 млрд лет назад, от известного в более молодых зеленокаменных поясах.
Другцм отличием древнейших месторождений являются, в частности, высокие содержания свинца в рудах и присутствие в них барита. Сера сульфидных минералов колчеданных руд блока Пилбара (судя по величинам 534S) большей частью поступала из ювенильно-го источника, а не получалась восстановлением сульфатов морской воды. Наличие барита, вероятнее всего, является результатом поверхностного окисления части ювенильной серы, выносившейся в океан в результате эксгаляционной деятельности (Barley, 1992). По этой причине в палеоархее (около 3,4 млрд лет) океанические воды, по крайней мере местами, характеризовались довольно высокими содержаниями сульфатов, которые могли достигать не менее 1/3 современных значений (т.е. 10 mM) (Ohmoto, 1992; Ohmoto et al., 1993). На присутствие в гидросфере сульфатов указывают, в частности, линзы барита в разрезах групп Варравуна (месторождение Норт-Пол, находящееся в непосредственной близости от колчеданного месторождения Сулфур-Спрингс) и Фиг-Три в Африке. Считается, что они образовались в результате замещения гипсовых эвапоритов (Perry et al., 1971; Lambert et al., 1978; Buick, Dunlop, 1990, Ohmoto, 1992), накопившихся на мелководье в прибрежно-морских условиях. Окисление восстановленных соединений серы согласуется с вероятным присутствием фотосинтезирующих бактерий.
Медно-цинковые и свинец-медно-цинковые месторождения в контрастных и последовательно дифференцированных вулканогенных формациях (типы уральский и куроко и их аналоги)
Говоря об эволюции процессов колчеданообразования, следует подчеркнуть их неравномерность. и цикличность, общую направленность и необратимость изменений.
Развитие этих процессов отличала исключительная неравномерность. В геологической истории Земли выделяются три крупных эпохи колчеданообразования. В пределах каждой из них распределение колчеданных месторождений и их запасов во времени носило отчетливый пиковый характер: большинство месторождений этого типа и основная масса запасов руд формировались в течение относительно узких временных интервалов (30-80 млн лет).
В течение всей геологической истории Земли возобновление процессов колчеданообразования не являлось случайным, их цикличность, видимо, была обусловлена общей направленностью тектонического развития и существованием тектонических циклов второго порядка (суперконтинентальных циклов), каждый из которых включал распад существовавшего ранее суперконтинента с раскрытием океанов, последующее сближение континентальных массивов, образование и стабилизацию нового суперконтинентального массива и стадию рифтогенеза в его пределах. В рамках каждого из циклов максимумы колчеданообразования отвечали стадиям быстрого сближения блоков континентальной коры, нередко совпадали с пиками активности мантийных суперплюмов, предшествовали становлению суперконтинентов и крупным приращениям коры континентального типа. После стабилизации суперконтинентов процессы колчеданообразования практически прекращались и их возобновление в очень ограниченных масштабах происходило только на стадии рифтогенеза в пределах суперконтинентов.
Общая направленность эволюции колчеданообразования выражена постепенным, от одной эпохи колчеданоообразования к другой, расширением географии распространения месторождений колчеданного семейства, увеличением числа возникавших колчеданоносных рудных провинций, нарастающим разнообразием типов месторождений, возрастанием суммарных запасов руды и металлов на месторождениях соответствующего возраста и формированием все большего числа крупных и сверхкрупных объектов.
В ходе эволюции Земли расширялась география распространения месторождений колчеданного семейства, увеличивалось число возникавших новых колчеданоносных провинций и возникало все больше крупных и сверхкрупных объектов (рис. 1.7). Если в архейско-палеопротерозойскую и палеопротерозойско-мезопротерозойскую эпохи колчеданные месторождения формировались в 3-4 провинциях, то в неопротерозойско-раннемезозойскую возникло большинство из нескольких десятков известных в настоящее время колчеданоносных провинций, в том числе семь из восьми крупнейших из них (каждая вносит свыше 2% в суммарные мировые запасы колчеданных руд).
Если в архейско-палеопротерозойскую и палеопротерозойско-мезопротерозойскую эпохи образовалось лишь по 3 крупных месторождения ( 50 млн т руды в каждом), то в не-опротерозойско-раннемезозойскую эпоху при сборе Пангеи число таких месторождений достигло 24 и на них сосредоточено около 61% всех запасов руды этого возраста, а средние запасы руды месторождений оказались значительно более крупными, чем в предшествующие эпохи (16,7 млн т руды по сравнению с 7,7 млн т в архейско-палеопротерозойскую и 6,6 млн т в палеопротерозойско-мезопротерозойскую эпоху).
Совершенно очевидно, что интенсивность процессов колчеданообразования в ходе геологической истории Земли в целом возрастала (рис. 1.8,а). Если запасы руды на месторождениях, возникших при сборе архейского и палеопротерозойского суперконтинентов, сопоставимы, то уже при становлении палеозойской Пангеи суммарные запасы руд месторождений в 2,5 раза превышают образовавшиеся в предшествующие эпохи. Такую же динамику демонстрируют и графики накопления трех основных металлов (Си, Zn, Pb) в колчеданных рудах (рис. 1.8,6).
Хотя и не без оговорок можно утверждать, что от более ранних к поздним эпохам колчеданообразования нарастает разнообразие типов колчеданных месторождений. Хотя первые месторождения типа бесси появились, видимо, еще при расколе Пангеи 1 (около 1440 млн лет назад), а древнейшие аналоги кипрского типа - при сборе этого суперконтинента (около 1970 млн лет назад), однако речь идет об единичных месторождениях и очень незначительных их суммарных запасах руды. Выделяемые в настоящее время кипрский, бесси, уральский, куроко типы в полной мере дифференцируются, видимо, лишь с неопротерозоя, в ходе суперконтинентального цикла палеозойской Пангеи, когда образуются многие десятки и сотни месторождений каждого из типов.
По многим геохимическим и минералогическим особенностям, минералого-геохимической зональности и морфологии рудых тел, закономерностям размещения, палео-вулканической позиции и другим важнейшим условиям образования уже древнейшие колчеданные месторождения вулканической ассоциации весьма напоминают известные месторождения более поздних эпох. Это и делает их единой генетической группой, подчеркивая выдержанность во времени, сохранение сущности, механизмов процесса колчеданообразования в течение миллиардов лет. Однако разновозрастные колчеданные месторождения, демонстрируют не только устойчивость своих наиболее важных признаков, но, как показано выше, и изменчивость конкретных форм их проявления. Если иметь в виду минеральный состав руд, соотношения между главными рудными и примесными компонентами в них, морфологию рудных тел и структурные условиях их образования, типы ассоциирующих эксгаляционно-осадочных пород и др. признаки, то различия между одновозрастными более молодыми (фа-нерозойскими) месторождениями оказываются несравненно контрастнее, чем между более древними, неоархейскими или даже палеопротерозойскими объектами тех же типов.
Постепенное изменение со временем облика колчеданных месторождений всех типов и необратимость этих изменений стали одним из следствий изменения характера вулканических процессов и эволюции земных литосферы, атмосферы и гидросферы и биосферы, т.е. всех важнейших условий колчеданного рудообразования. В каждую и эпох колчеданообра-зования облик месторождений соответствовал неповторимому в геологической истории текущему состоянию геосфер.
С течением времени спектр составов месторождений постепенно расширялся. Отчасти это происходило за счет появления большего числа месторождений с рудами, обогащенными оловом, свинцом, серебром, сурьмой и др. металлами, источниками которых считается континентальная кора, а отчасти - с относительным обогащением их медью. Причинами этих изменений являлось постепенное от одного суперконтинентального цикла к другому разрастание коры континентального типа за счет аккреции островных дуг, ее обогащение лито-фильными элементами с большим ионным радиусом (К, U, Th, Pb, Ва и др.), возрастание ее роли в процессах магмообразования на конвергентных окраинах плит, дифференциация вещества Земли, ее остывание, становление современных механизмов тектоники плит и магмообразования.
Колчеданные месторождения вулканической ассоциации относятся к эндогенно-экзогенной серии месторождений и причиной эволюции некоторых их признаков являются необратимые изменения внешних геосфер. Важнейшими факторами стали, в частности, начало фотосинтеза и дальнейший постепенный рост уровня свободного кислорода в атмосфере и гидросфере, а также последовавший за этим запуск серного цикла. Они обусловили необратимые изменения характера околорудных гидротермально-метасоматических изменений пород и гидротермально-осадочных образований, минерального состава руд (появление в них барита и др. сульфатов), состава серы сульфидов и др. признаков.
Критерии вьщеления крупных и особо крупных колчеданных месторождений вулканической ассоциации
Очень многие из этих месторождений располагаются вблизи стенок полуграбенов, над синвулканическими разломными зонами (рис. 2.4) и нередко непосредственно на сер-пентинитовом фундаменте. Тесная ассоциация с аподунитовыми или апогарцбургитовы-ми серпентинитами, слагающими серию пластин и блоков, характерна и для некоторых из месторождений Урала (Ишкининское, Ивановское, Дергамышское (Мелекесцева, 2007)), а также Северных Апеннин (Garuti et al., 2008). Примечательно, что колчеданные руды на поверхности серпентинитового фундамента встречаются только там, где за их накоплением последовало извержение базальтовых лав, но отсутствуют в случае, если фундамент перекрывался пелагическими осадками.
Рудные залежи рассматриваемых месторождений характеризуются пластообразной или уплощенной линзовидной формой тел сплошных руд. В последнем случае они, видимо, были выражены в рельефе дна бассейна осадконакопления небольшими холмообразными постройками. На многих месторождениях Кипра рудные тела имеют удлиненные в плане очертания, что отражает сильное влияние синвулканических разломов на распределение гидротермальных источников. Так, на месторождении Матиатис рудное тело вытянуто на 250 м при ширине 50 м, а на месторождении Скуриотисса - на 1 км (Lydon, Galley, 1986; Bear, 1963). Верхние контакты рудных тел с перекрывающими осадочными породами или базальтами обычно ровные. В распределении мощностей рудных тел нередко устанавливается асимметрия, отражающая условия их образования в небольших впадинах дна вблизи синвулканических разломов или стенок грабенов, с удалением от которых мощность постепенно уменьшается. Большинство месторождений этого типа относится к проксимальным образованиям, поскольку непосредственно стратиграфически ниже их в подавляющем большинстве случаев выявляются обширные зоны гидротермально-измененных пород и прожилково-вкрапленной минерализации, которые имеют воронкообразную форму и контролируются зонами синвулканических разломов (рис. 2.5). Типичные процессы околорудных изменений пород (в порядке убывания их значения) - окварцевание, хлоритизация, значительно реже - карбонатизация, серицитизация, эпидотизация, оталькование (по ультрабазитам). Кварц-пиритовые штокверковые зоны на многих месторождениях кипрского типа окружены зоной умеренно окварцованных и хлоритизированных базальтов шириной несколько десятков метров (от 10 до 50 м на месторождениях Кипра) и намного более обширной внешней зоной слабых изменений (до 100 м).
Жильно-штокверковые зоны имеют линейные очертания в плане и уплощены в разрезе. Они достигают размеров до нескольких сотен метров в любом сечении и при положении месторождений близко к основанию толщи базальтовых лав уходят корнями в зону щитовых даек. Протяженность таких зон на поверхности дна палеобассейна была сопоставима с размерами согласных тел сплошных руд и на месторождении Леккен, например, достигала 4000 м при ширине менее 100 м. На месторождениях Кипра вертикальный размах штокверковых зон в два раза превосходит размеры тел сплошных руд. Так, на месторождении Скуриотисса штокверковая зона прослежена в породы лежачего бока рудного тела на 700 м (Adamides, 1980), а на месторождении Аарджа в Омане - на 3000 м по вертикали.при ширине 500 м (Galley, Koski, 1999). Масса сульфидов в составе зон жиль-но-штокверковой минерализации намного превышает массу сплошных руд (например, в 4 и 5 раз соответственно на месторождениях Леккен и Хейдал в Норвегии, в 40 раз на месторождении Лимни на Кипре). Хотя жильно-штокверковые зоны сложены относительно бедными рудами (0,4 - 0,5%, редко до 1% Си), в пересчете на сульфиды содержания металлов в могут достигать 1,2-1,4% Си, 0,12-0,6% Zn (месторождения Леккен и Хейдал). На тех месторождениях, где установлены и согласные тела более богатых сплошных руд и секущие штокверковые зоны, последние вносят от 30-40% (например, рудные тела Аг-рокипия А и В) до 96% (месторождение Лимни) в запасы металлов на месторождении. Подобные же зоны исключительно широко развиты за пределами месторождений, где как правило, являются слепыми, т.е. согласные залежи сплошных руд над ними никогда не возникали или имели очень ограниченный масштаб.
Хотя на большинстве месторождений Кипра устанавливается одно крупное рудное тело, некоторые месторождения этого типа, например, Аарджа в Омане (Gibson, Koski, 1995) включают серию линзовидных залежей и (или) пластов, занимающих несколько различающуюся стратиграфическую позицию (максимум на 10-20 м по разрезу) или разобщенных по латерали. Часто рудные тела представляют собой шаровые лавы с богатыми сульфидными желваками, выполняющими межшаровое пространство. По мнению некоторых исследователей, рудные тела Ишкининского месторождения сложены ритмично- слоистыми сульфидными песчаниками и реже гравийными брекчиями (Масленников, 1999); другими исследователями они отнесены к серпентинит-сульфидным гравелитам, гравелитопесчаникам и песчаникам (Мелекесцева, Зайков, 2003). Однако в целом обращает на себя внимание слабое распространение или даже практически полное отсутствие перемещенных руд (одним из редких исключений является месторождение Хейдал в Норвегии; Green, Vokes, 1990). Вместе с тем почти на всех месторождениях устанавливаются признаки дробления ранних руд и цементации их более поздними сульфидами.
Вопреки широко распространенному мнению умбры (темно-коричневые до черных марганцовистые осадки) встречаются практически лишь на наиболее молодых (позднеме-ловых), собственно кипрских месторождениях: Скуриотисса, Мавровуни, Матиатис, Ка-лавасос, Мусулос (Хадьиставриноу, Константиноу, 1984), тогда как наиболее распространенным типом связанных с месторождениями эксгаляционно-осадочных образований являются кремнистые породы, яшмы, сульфидные фации железистых кварцитов присутствующие в надрудной толще большинства месторождений Ньюфаундленда (в частности, Минг, Бете-Ков, Литл-Диар, Биг-Рамблер-Понд, Тера-Нова, Рамблер-Майн; Кеап, Evans, 1988; Tuach, Kennedy, 1978; Hibbard, 1988), Британской Колумбии (Идеи, Хайден-Крик, Дабл-Эд, Бонанца), Урала (Маукское, Жарлы-Аша (Зайков, 1999)), Норвежских Каледо-нид (Леккен, Хейдал (Бугге, 1982; Green, Vokes, 1990)).
Наиболее распространенные рудные минералы месторождений кипрского типа -пирит (до 90% сульфидов), пирротин, халькопирит; несколько реже встречаются сфалерит, пентландит, магнетит, гематит, хромит (Еремин и др., 2007в, 2008 б). Из редких минералов присутствуют арсенопирит, кобальтин, валлериит, миллерит, бравоит, линнеит, борнит, марказит, самородное золото; блеклые руды, как правило, представлены теннан-титом (таблица 2.3).
Для таких месторождений характерны довольно низкие средние содержания металлов в рудах, значительное преобладание меди над цинком, почти полное отсутствие свинца, повышенные концентрации никеля и кобальта, а в ряде случаев и мышьяка, а также сравнительно низкие содержания серебра и довольно высокие значения отношения Au/Ag.
Месторождения кипрского типа характеризуются медноколчеданным или медно-цинковым составом руд (рис. 2.6). Средние (по 71 месторождению) содержания металлов в рудах этих месторождений составляют Г,9% Си и 0,6% Zn. При этом около 63% месторождений характеризуются содержаниями меди 2% и менее, а содержания Zn превышают 2% лишь на 12% месторождений.
Для месторождений кипрского типа характерны очень высокие значения отношения 100Cu/(Cu+Zn) (рис. 2.7), и следовательно, резкое преобладание меди над цинком. Для 66% месторождений этого типа, объединяющих 58% соответствующих запасов руды, величина этого отношения колеблется от 0,9 до 1,0. Лишь на одиннадцати месторождениях (15%) цинк в составе руд преобладает над медью, но большинство таких месторождений весьма незначительны по запасам (на половине из них запасы менее 0,7 млн т). Если же говорить о суммарных запасах меди и цинка на всех месторождениях этой группы, то они относятся как 3,1:1.
Суперконтинентальные циклы и крупнейшие эпохи формирования колчеданных месторождений вулканической ассоциации и месторождений nraaSEDEX
В хребтах Эндевор и Эксплорер аналогичные проявления располагаются в осевых депрессиях, заложившихся на вершинах крупных, удлиненных в плане вулканов. Они имеют высоту до 500 м и сложены подушечными лавами (продуктами трещинных излияний). Сульфидные скопления концентрируются вдоль разломов центрального грабена и обычно состоят из нескольких перекрывающихся сульфидных холмов массой от 10 до 100 тыс. т. В составе черных курильщиков доминируют пирит и марказит, реже встречаются халькопирит и изокубанит, а в небольших (часто следовых) количествах — сфалерит, вюртцит, галенит.
Во всех рассмотренных районах сульфидные отложения обогащены кобальтом, никелем, мышьяком, селеном, марганцем. Практически во всех случаях они характеризуются низкими содержаниями свинца, серебра и золота. Так, в хребте Эндевор содержания составляют около 0,02 - 0,19% РЬ, около 20 г/т Ag и 0,12 г/т Аи. Во многих случаях цинк в составе этих образований преобладает над медью (резко преобладает в сегменте Клефт) (Koski et al., 1994). В то же время широте 12 в пределах Восточно-Тихоокеанского поднятия устанавливаются обратные соотношения (Батурин, 1993), а в хребте Эндевор отношениями Cu/Zn принимают очень высокие значения.
Таким образом, по особенностям состава вулканогенных пород, геодинамическим обстановкам рудообразования, палеовулканической позиции, минералого-геохимическим признакам современные гидротермальные образования районов Ю. Эксплорер, сегмента Эндевор и южной части хребта Хуан-де-Фука весьма близки древним колчеданным месторождениям кипрского типа.
Месторождения типа бесси и их аналоги Классическим районом распространения месторождений типа бесси является одноименный рудный район на острове Сикоку (Япония). Однако большинство его месторождений очень мелкие, сравнительно слабо изучены и большей частью давно отработаны. По этой причине собрать о них полную и достоверную информацию не представляется возможным.
К этому типу отнесены разновозрастные месторождения (таблица 2.5), встречающиеся в Японии, в Испании, Бразилии, в Южных Аппалачах и Британской Колумбии, а также на Аляске, Урале и Северном Кавказе. Из российских месторождений в эту группу отнесены месторождения Домбаровкой зоны на Южном Урале: Летнее, Зимнее, Весеннее и Осеннее, а также Худесское и Бескесское на Северном Кавказе. Подобные месторождения известны в итальянских и австрийских Альпах, где они относятся к типу кислагер (синоним типа бесси).
Рудные объекты, традиционно относимые к этому типу, залегают среди терриген-ных образований и переслаивающихся с ними подчиненных вулканитов основного (реже основного — среднего) состава. На месторождениях этой группы не наблюдается полного разреза, свойственного офиолитовым комплексам. Это обстоятельство наряду со значительной долей терригенных образований в рудовмещающем разрезе и явилось основанием для обособления этих месторождений в отдельный тип. Кроме того, в силу ряда причин сформировалось ошибочное представление о месторождениях этого типа, как залегающих среди осадочных пород и потому образующих единую группу с месторождениями филизчайского типа. Это представление обосновывается главным образом ссылкой на месторождения района Бесси в Японии (о. Сикоку). Все они располагаются в пределах метаморфического пояса Санбагава и вместе с вмещающими их породами верхнего палеозоя (перми) подверглись интенсивным деформациям (смяты в сложные складки) и глубокому региональному метаморфизму фации глаукофановых сланцев или эпидот-амфиболитовой фации. Это привело к затушевыванию многих первичных особенностей руд и пород (Ватанабе, 1973). Вместе с тем в зоне Санбагава и других районах Японии, где распространены подобные месторождения, обращает на себя внимание тесная ассоциация основных лав и пирокластических пород с различающимися по размерам и форме телами ультрабазитов и габброидов, в различной степени подвергшихся региональному метаморфизму. Наиболее очевидно это проявляется на сравнительно слабо метаморфизо-ванных месторождениях Макимине и особенно Шимокава (зона Хидака на о-ве Хоккайдо), в подрудной толще которых устанавливаются тела диабазов, габбро и ультрабазитов. Лополитообразные тела основных и ультраосновных пород известны также на ряде месторождений на северо-западе Испании.
Основные породы на месторождениях типа бесси представляют собой силлы, подушечные лавы и туфы базальтов, в петрохимическом отношении отвечающих иногда «внутриплитным» базальтам, но значительно чаще - толеитовым базальтам срединно-океанических хребтов или известково-щелочным породам (Fox, 1984). В связи с этим формирование месторождений могло иметь место в обстановках задуговых бассейнов над зонами субдукции, в срединно-океанических хребтах вблизи континентальной окраины, а также внутриконтинентальных или окраинно-континентальных рифтов на ранних стадиях разделения континентов. Однако в любом случае процессы вулканизма и рудообразова-ния протекали вблизи крупных поднятий, являвшихся источниками терригенного материала, и на фоне интенсивного накопления толщ турбидитов (рис. 2.3). Осадочные породы в рудовмещающем разрезе месторождений этого типа разнообразны и представлены обычно тонкослоистыми граувакками, черными сланцами, аркозами иногда с прослоями вулканогенно-осадочных пород. Терригенные породы часто содержат графит.
В отличие от большинства месторождений кипрского типа, месторождения типа бесси не образуют крупных кластеров, встречаясь по одиночке или по 2-3 сближенных объекта. Исключением является лишь сам район Бесси, однако в этом случае общее количество месторождений (около 100 в поясе Санбагава), по крайней мере, отчасти является следствием тектонического разлинзования крупных и первоначально единых рудных пластов (наиболее очевидно это проявляется на месторождении Макимине в Японии).
Рудные тела (залежи) месторождений типа бесси имеют пластовую или реже лин-зовидную форму и большую площадь в плоскости напластования (до 4000x500-800 м) при сравнительно небольшой мощности (до 3 м, а в исключительных случаях и при сравнительно небольших размерах в плане — до 10-30 м). Верхние контакты рудных залежей резкие. Развитые зоны подрудных изменений пород в виде воронкообразных зон оквар-цевания и хлоритизации в лежачем боку согласных рудных тел установлены практически лишь на месторождениях Уинди-Крагги и Худесском; обычно же штокверковая минерализация в лежачем боку не является типичной. С рудными телами связаны эксгаляцион-но-осадочные образования - яшмы, магнетит-гематит-кремнистые породы и пластовые залежи марганцевых руд.
В минералогическом отношении месторождения типов бесси и кипрского очень сходны. К числу рудных минералов, пользующихся наибольшим распространением на месторождениях типа бесси, относятся пирит, пирротин, халькопирит и сфалерит; кроме них в различных количествах могут встречаться магнетит, валлериит, галенит, борнит, тетраэдрит, кобальтин, кубанит, станнин, молибденит, халькозин, марказит, мушкетовит, гессит, золото, германит, энаргит, арсенопирит; нерудные минералы представлены кварцем, карбонатом, мусковитом, хлоритом, турмалином, альбитом, эпидотом и амфиболом.
По составу руды этих месторождений медно-цинковые (рис. 2.6) с довольно низкими средними содержаниями металлов при значительном преобладании меди над цинком, низкими содержаниями свинца, повышенными концентрациями кобальта, никеля, мышьяка и марганца и низкими значениями отношения Au/Ag при низких содержаниях обоих этих металлов. На месторождениях этого типа рудная зональность, как правило, проявлена весьма слабо.
