Экзаменационный билет № 4
Механизм формирования метасоматических колонок. Инертные и вполне подвижные компоненты.
Основные постулаты метасоматизма:
-Метасоматоз происходит под воздействием просачивающихся растворов путем одновременного растворения и осаждения вещества без нарушения сплошности пород.
-Объем породы в процессе метасоматоза остается постоянным.
-Постмагматический околорудный метасоматоз протекает в регрессивных условиях.
-Метасоматическая порода и поровый раствор в пределах каждого элементарного объема представляют собой термодинамически равновесную систему с вполне подвижными компонентами.
-Состав возникших метасоматитов определяется составом исходных пород и химизмом процесса и не зависит от промежуточных состояний (правило Гесса)
Кислотно-основная эволюция растворов
Известны два принципиально различных механизма переноса вещества при метасоматозе. При инфильтрационном растворенные компоненты перемещаются с массой растворителя, механически увлекаясь током раствора. Диффузионный означает раздельную миграцию растворенных веществ, а растворитель (главным образом, вода) выступает как среда, относительно которой движется их поток. Обычно мы имеем дело с различными сочетаниями двух главных механизмов.
Для экспериментального моделирования наибольшее значение имеют следующие три типа взаимодействия при метасоматозе.
(1) Простой околотрещинный дифузионный метасоматоз. Неравновесный раствор поступает по трещине и взаимодействует со слабо проницаемыми боковыми породами посредством диффузии по тонкой системе поровых каналов. Процесс моделируется простейшим способом: измельченная горная порода, плотно набитая в открытую с одного конца пробирку из платины или золота, приводится в соприкосновение с большим объемом воздействующего раствора.
(2) При биметасоматозе взаимодействие осуществляется путем встречной диффузии компонентов в неподвижных поровых растворах двух контактирующих пород, контрастных по химическому составу, например, карбонатных и алюмосиликатных - при образовании скарнов. В таких опытах нижняя часть пробирки заполняется одной породой, а верхняя - другой, контакт маркируется меткой из платиновой проволоки.
(3) Инфильтрационный метасоматоз происходит при фильтрации изначально неравновесного флюида сквозь достаточно проницаемую породу. Его моделирование требует более сложного, специально разработанного оборудования.
Инертные и вполне подвижные компоненты в метасоматической колонке грейзенизации
Одной из общих особенностей экспериментальных (как и природных) метасоматических колонок является уменьшение числа минералов от передовых к тыловым зонам, т.е. по направлению к воздействующему раствору. В случае биметасоматической зональности уменьшение числа фаз происходит от обеих исходных реагирующих пород к контакту. Это указывает на последовательный переход компонентов из инертного во вполне подвижное состояние.
Понятия "инертное и вполне подвижное поведение компонентов" ввел Д.С.Коржинский. Он придал им термодинамический смысл, имея в виду не просто способность к более затрудненному или более легкому перемещению в пространстве, а принципиальное качественное различие в поведении. Независимыми параметрами для инертных компонентов являются их массы (экстенсивные параметры), а для вполне подвижных - их химические потенциалы (интенсивные параметры). "Переход из неравновесного состояния в равновесное сопровождается изменением зависимых параметров системы - химических потенциалов инертных компонентов и масс вполне подвижных".
Реакции на границах зон, где и происходит изменение числа инертных компонентов, сопровождаются резким изменением содержания (растворением, выносом) компонента, переходящего во вполне подвижное состояние. В передовых зонах, до такой границы содержание компонента монотонно и непрерывно меняется в минералах переменного состава и, как правило, в породе (инертное поведение). По другую сторону границы в тыловых зонах концентрации компонента выровнены в каждой из фаз (вполне подвижное поведение).
В случае вполне подвижного поведения компонента во всей колонке составы минералов по данному компоненту постоянны и одинаковы во всех зонах и задаются уровнем его концентрации в воздействующем растворе. Например, в опытах при 600оС с раствором 1m NaCl плагиоклаз во всех зонах отвечает олигоклазу № 25-30, а в присутствии 1m CaCl2 замещается на протяжении всей колонки почти чистым анортитом. Содержание вполне подвижного компонента в породе (в отличие от содержания в отдельных фазах - минералах или флюиде) зависит от количественных отношений минералов, которые, в свою очередь, определяются соотношением содержаний инертных компонентов.
Термобарогеохимический метод картирования.
Термобарогеохимия, как научная отрасль, оформилась в 40-50 годы 20 века в нашей стране. С 60-х годов исследования ГЖВ широко применяются при минералогическом картировании разных масштабов. Наибольший вклад в создание и развитие этого научного направления внесли Н.П. Ермаков, Е.М. Лазько, В.Ф. Лесняк, Ю.А. Долгов, из зарубежных ученых – Э.Ингерсон, Э. Реддер, Г. Дейша, Г. Смит, Х. Имаи, С. Такеноучи и др. Сегодня признанными авторитетами в области термобарогеохимических исследований являются В.Ю. Прокофьев, Н.С. Бортников, Г.Б. Наумов, А.С. Борисенко и др.
Основная цель – определение температуры, давления и состава минералообразующих растворов по их фрагментам, законсервированным в минералах (при их росте) в виде газово-жидких включений (ГЖВ)
ГЖВ бывают первичными (образовались в процессе роста кристалла) и вторичными (возникли при эпигенетических изменниях)
Наибольший интерес представляют первичные включения, по которым можно судить о температуре и составе рудообразующего флюида.
Включения бывают однофазными, двухфазными и трехфазными (жидкость+газ+твердая фаза).
Анализ составов газово-жидких включений.
На сегодняшний день для анализа составов включений применяются различные методы: газовая и ионная хроматография, масс-спектрометрия, рамановская, инфракрасная и другие виды спектроскопии. Существуют валовые виды анализа и анализ индивидуальных включений.
Валовые методы. Анализируется усредненная проба из многих включений. Поскольку, как правило, в минерале-хозяине присутствует несколько генераций включений, валовые методы имеют существенные ограничения из-за смешения их составов.
Газовая хроматография используется для анализа летучих: CO2, CO, H2O, H2S, N2, H2, CH4 и других алканов. Метод имеет точность 2-4% (для воды - 13-15%). Обычно включения вскрывают термической декрепитацией в откачанной кварцевой ампуле при температуре, соответствующей началу пика на декрептограмме, а затем промывают ампулу газом-носителем, подавая пробу в хроматографические колонки. Таким образом, есть возможность последовательно анализировать порции летучих, выделяющихся при разных температурах. Этот метод начал применяться одним из первых и хорошо разработан.
Масс-спектрометрия является более чувствительным методом для анализа летучих и поэтому требует меньшего количества вещества для анализа. Используется для количественного определения: СО2, SO2, NH3, NO, NO2, H2S и других газов.
Помимо этого проводится определение изотопного состава таких элементов как H, C, O и S, а также отношений Rb/Sr, Sm/Nd, 40Ar/39Ar для определения возраста минерализации.
ICP-MS-методом получают данные по содержанию во включениях редких земель, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Al3+, Li+ и других катионов.
Анализ индивидуальных включений. Эти методы анализа возникли недавно и сейчас интенсивно развиваются. Прежде всего, это относится к рамановской и инфракрасной спектроскопии, а с конца 80-х годов стали разрабатываться методы, использующие рентгеновское, и гамма излучение, лазерная спектроскопия.
Рамановская и инфракрасная спектроскопия измеряют энергию перехода между двумя последовательными колебательными молекулярными уровнями. Колебания могут возникнуть в, как минимум, двухатомной молекуле, поэтому только такие молекулы имеют рамановский и инфракрасный спектры. Эти методы позволяют идентифицировать молекулу или, в случае сложных молекул, функциональную группу.
Рамановская спектроскопияпозволяет проводить анализ вещества в жидком, газообразном и твердом состоянии во включениях размером более 1мкм. Количественные результаты получают при анализе газов или надкритических флюидов при комнатной температуре на СО2, CO, N2, SO2, H2S, CH4 и некоторые другие газы. Качественный анализ проводится для жидкой и твердой фаз.
Микроинфракрасная спектроскопия имеет дело с более крупными включениями (более 15-20 мкм) и, в отличие от рамановской, не позволяет определять газы, в молекуле которых имеются атомы только одного вида (N2, H2). Метод имеет ограничения вследствие поглощения минералом-хозяином инфракрасного излучения. На спектроскопах (Micro-FTIR) получают количественные и полуколичественные данные по содержанию органических молекул, воды, CO2, COS, NH4+, CO2/H2O, кетонов, алканов и др. Возможно также исследование распределения молекулярной воды, гидроксильной и карбонатной групп в стекле расплавных включений.
Микротермометрия. Наблюдения за фазовыми переходами при изменении температуры является основным методом при изучении флюидных включений. Используя специальную аппаратуру, помещаемую на столик микроскопа, проводят наблюдения за фазовыми изменениями во включении, происходящие при изменении температуры.
Криометрия.При отрицательных температурах обычно замеряются следующие параметры.
а) Температура эвтектики водно-солевых включений - появление первых порций жидкости после полного замораживания. По температуре эвтектики можно судить о валовом составе включения, например, если замеренная температура равна -21,3оС, во включении присутствуют растворы NaCl, если она соответствует -51,5оС, - растворы NaCl+CaCl2
б) Температуры плавления льда и кристаллов солей, выпавших при охлаждении водно-солевых включений. Если мы имеем дело с недосыщенными растворами одной соли, после плавления эвтектики остаются только кристаллики льда. В зависимости от концентрации соли они снижают температуру плавления льда. На этом основан метод определения концентрации соли во включении
Документация горных выработок.
Документация – один из самых ответственных этапов картирования. Это основа для всех дальнейших исследований, поэтому она должна быть объективной и квалифицированной. Документация выполняется в специальных журналах установленной формы, которые по окончании работ сдаются в архив.
Геологическая документация включает в себя:
текстовые записи,
графические изображения ,
фотографии,
образцы пород и руд.
Очень важный момент – разработка надежной системы нумерации выработок, точек наблюдения и отбираемых проб. Эта система должна гарантировать невозможность повторения идентичного номера вне зависимости от сроков документации.
В шурфе документируются обычно две стенки и дно. Если шурф на 2/3 и более пройден по коренным породам, документируются все 4 стенки и строится развертка шурфа. По канаве обычно документируется полотно и одна из стенок.
Керн укладывается в ящики сверху вниз слева направо. После укладки керн маркируют, указывают бирками начало и конец интервалов бурения. Документация керна ведется от устья к забою.
Керн, как правило, распиливается вдоль, одна половинка идет на опробование,
вторая фотографируется, из нее отбираются образцы для различных исследований (петрографических, минералогических и т.д.)
В подземных горных выработках документируютя две стенки, кровля и забой. В соответствии с технологией проходки горных выработок, документацию надо проводить в промежутках между взрывными работами, после каждой отпалки. При документации особое внимание следует уделять замерам элементов залегания геологических тел, трещин, структур течения и т.д.