Перенос и концентрирование элементов в гетерофазных гидротермальных системах

• Автор: Бычков, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 25.00.09
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 288 с. : ил.

Содержание
Содержание
Введение
Глава 1. Перенос компонентов в газовой фазе и эволюция гидротермальных флюидов
1.1. Фазовое состояние гидротермальных флюидов и устойчивость газовой фазы при высоких температурах и давлениях
1.2. Состав вулканических газов и перенос компонентов в поствулканических процессах
1.3. Флюидные включения в минералах и фазовое состояние флюидов при образовании рудных месторождений
1.4. Влияние кипения на гидротермальное рудообразование
Глава 2. Экспериментальное исследование переноса компонентов в газопаровой фазе
2.1. Методика экспериментального исследования
2.2. Система Аз203-Н2О
2.3. Система 8Ь20з-Н20
2.4. Система В203-Н20
2.3. Система Си-0-Н20
2.4. Система Аз28з-(8)-Н28
2.7. Перенос рудных компонентов в газообразном сероводороде
2.8. Система Ag2S-H2S
Глава 3. Распределение изотопов углерода в гетерогенных флюидах
3.1. Физико-химическая модель формирования изотопного состава карбонатных травертинов
3.2. Фракционирование изотопов углерода при формировании Спокойниксого вольфрамитового месторождения
Глава 4. Геохимическая модель современного рудообразования в кальдере
Узон (Камчатка)
Глава 5. Термодинамическая модель формирования рудных тел
вольфрамитового жильно-грейзенового месторождения Акчатау
Глава 6. Распределение бора между газовой и жидкой фазами в
современных гидротермальных источниках Камчатки
6.1. Методика отбора конденсатов
6.2 Особенности поведения бора в современных гидротермальных системах Камчатки
6.3. Распределение бора между газовой и жидкой фазой в гидротермальных источниках Камчатки
6.4. Распределение компонентов между жидкостью и газом в современных гидротермальных системах
Заключение
Список литературы
Приложения

Введение
Актуальность проблемы. Гидротермальные месторождения являются одним из основных источников минерального сырья. Многообразие типов руд, высокие содержания полезных компонентов делают актуальным исследование переноса и концентрирования элементов в гидротермальных системах.
В настоящее время стало очевидным, что многие особенности переноса рудных компонентов и отложения руд связаны с гетерогенностью флюидов. Накоплено большое количество природных данных об участии газовой фазы в гидротермальном процессе, однако существует небольшое число экспериментальных исследований и практически отсутствуют численные физико-химические модели переноса и концентрирования элементов для конкретных объектов.
Существующие экспериментальные исследования, проведенные для некоторых элементов, позволяют предположить, что значение газовой фазы как среды переноса рудных компонентов, недостаточно учитывается при анализе гидротермальных процессов. Явления кипения и гетерогенизации флюида часто привлекаются для объяснения рудоотложения, но количественные модели, учитывающие все процессы для конкретных месторождений, не разработаны. В частности, отсутствуют количественные модели формирования грейзеновых месторождений и рудообразования в современных гидротермах, связанных с континентальным вулканизмом.
Всё это определяет актуальность исследования роли газовой фазы в гидротермальном процессе на основе экспериментальных данных и количественного физико-химического моделирования.
Цель работы:
Определить закономерности переноса и концентрирования элементов в гетерофазных гидротермальных системах на основе развития методов экспериментальных исследований и термодинамического моделирования.
Для этого решались следующие конкретные задачи:
1. Исследование растворимости минералов и форм переноса элементов в газовой фазе в системах: Лк20гП20, 8Ь203-Н20, В203-Н20, Си-0-Н20, Азз-Н, Аё28-Н28, Си-8-Н28, 2п8-Н28, РЬБ-НгБ.
2. Разработка изотопно-геохимических критериев режима двухфазной миграции флюидов на примере грейзеновых месторождений.
3. Построение количественной термодинамической модели современного
рудообразования в кальдере Узон (Камчатка).

4. Построение количественной термодинамической модели формирования вольфрамитового месторождения Акчатау (Казахстан).
5. Определение закономерностей распределения компонентов между спонтанными газами и растворами современных гидротермальных систем Камчатки.
Фактический материал и методика исследований.
Работа основана на значительном объеме экспериментальных и природных данных. Для исследования растворимости минералов в системах Аз20з-Н20, 8Ь203-Н20, В203-Н20, Си-0-Н20, А528з-Н28, Ад28-Н28, Си-Б-НгБ, 2п8-Н28, РЬ8-Н28 проведено более 1000 опытов, включая методические и поисковые эксперименты. Материалы по геохимии современных гидротермальных систем Камчатки собраны автором в ходе полевых работ 1987-1991 и 2000-2010 гг. За это время были изучены термальные источники района Мутновского вулкана (Северо-Мутновские, Дачные, Медвежьи, Донное поле), озера Карымское (источники Академии Наук), кальдеры Узон и Долины Гейзеров. Наиболее детально проведено изучение рудообразования в кальдере Узон: отобрано и описано более 1500 литохимических проб по 200 точкам наблюдений, 300 проб раствора по 110 точкам наблюдений. Всего по термальным системам Камчатки исследовано 120 образцов конденсатов спонтанных газов по 96 точкам наблюдений. Материалы по грейзеновым месторождениям предоставлены С.С. Матвеевой и Т.М. Сущевской, по минеральным источникам Кавказа-В.Ю. Лаврушиным.
Научная новизна. Экспериментально исследована растворимость минералов в газовой фазе в системах Аз20з-Н20, 8Ь20з-Н20, В20з-Н20, Си-0-Н20, Аз28з-Н28, А§28-Н28, Си-8-Н28, 2п8-Н28, РЬ8-Н28. Показано разнообразие форм переноса металлов в газовой фазе и возможности переноса компонентов в этой среде при условиях низко- и среднетемпературного гидротермального процесса.
Установлено, что в гетерогенных гидротермальных системах происходит фракционирование изотопов углерода углекислоты флюида при пространственном разделении фаз. Изотопный состав углекислоты флюидных включений впервые предложен в качестве геохимического критерия характера фильтрации двухфазных флюидов.
Построены количественные термодинамические модели рудообразования для современного ртутно-сурьмяно-мышьякового проявления кальдеры Узон (Камчатка) и молибден-вольфрамового жильно-грейзенового месторождения Акчатау. Модели впервые позволили установить факторы рудоотложения и выявить роль газовой фазы при минералообразовании.

На примере вулкана Августин (Аляска) в работе (Symonds et al„ 1992) предсказан перенос элементов в газовой фазе в форме хлоридов (NaCl, KCl, FeCl2, ZnCl2, CuCl, SbCh, LiCl, MnCl2, NiCb, BiCl, SrCl2), оксихлоридов (Мо02С1), сульфидов (AsS) и элементарных (Cd) газовых частиц. Аналогичные результаты были получены и для других вулканов (Symonds, Reed, 1993). В последней работе показано несоответствие по поведению свинца, что авторы объясняют плохим качеством термодинамических данных.
Различные варианты эволюции магматогеиного флюида были рассчитаны для вулкана Кудрявый (Чураков и др., 1996). Для этого была использована база данных ИВТАНТЕРМО. Рассчитанная температурная минеральная зональность соответствует последовательности осаждения сублиматов из природных фумарол (Taran et al., 1995), что указывает на правильный учет в модели всех главных форм газового переноса элементов. По результатам расчета с понижением температуры наблюдается: 1) повышение степени окисления элементов в основных формах переноса (от нейтрального до максимальной валентности); 2) растет доля полимерных форм; 3) повышается устойчивость фторидов по отношению к однотипным хлоридам. Было показано, что элементы, относящихся к одной группе таблицы Менделеева имеют близкие формы переноса, для более тяжелых элементов смена форм происходит при более низких температурах.
1.4. Влияние кипения на гидротермальное рудообразование
Кипение традиционно рассматривается как один из основных факторов гидротермального рудообразования. В частности, этому явлению отводится важная роль в образовании золоторудных месторождений. Однако механизмы воздействия кипения на поведение рудных элементов до настоящего времени не были систематизированы. Полученные в последние годы новые данные по современным гидротермальным системам на суше и в океане показали также, что воздействие кипения на рудный процесс может иметь существенно более сложный и неоднозначный характер.
Систематизация способов (“механизмов”) воздействия кипения на гидротермальное рудообразование и оценка относительной важности их при формировании современного рудообразования на дне океана и колчеданных месторождений проведена в работе Д.В.Гричука (2000).
“Потеря осадителя“. Некоторые анионогенные рудные компоненты (в первую очередь, II2S и С02) обладают высокой летучестью, и при кипении легко переходят в газовую фазу. Если в контакте с гетерогенным флюидом находится соответствующий рудный минерал, потеря осадителя вызовет его растворение по реакции типа: