Кіріспе

Жер қыртысында минералдық кен орындарының әртүрлі түрлері қалай қалыптасады?

Кен пайда болуының әртүрлі теориялары жер қыртысында минералдық кен орындарының әртүрлі түрлерінің қалыптасуын түсіндіреді. Кен пайда болуы теориялары зерттелетін минерал немесе кеніштік тауарға байланысты өзгереді. Кен пайда болуы теориялары әдетте үш компонентті қамтиды: көз, тасымалдау (немесе арна) және тұзақ. (Бұл мұнай өнеркәсібіне де қатысты: мұнай геологтары бұл талдауды бастады.) Көз қажет, себебі металл бір жерден келуі керек және қандай да бір процесс арқылы босатылуы тиіс. Тасымалдау металл құрамындағы сұйықтықтарды немесе қатты минералдарды қазіргі орнына жылжыту үшін қажет, сондай-ақ металлдың физикалық қозғалысын, және қозғалысты ынталандыратын химиялық немесе физикалық құбылыстарды қамтиды. Металды физикалық, химиялық немесе геологиялық механизм арқылы кенге өңдеуге жарамды концентрацияға шоғырландыру үшін тұзақ қажет. Ең ірі кен орындары көзінің үлкендігі, тиімді тасымалдау механизмі және тұзақтың белсенділігі мен уақтылы дайындығы болғанда қалыптасады.

Магматикалық процестер

Фракциялық кристалдану: кенді және кен емес минералдарды олардың кристалдану температурасына қарай бөліп шығарады. Магмадан ерте кристалданатын минералдар пайда болатын кезде, олар белгілі бір элементтерді, соның ішінде металдарды сіңіреді. Бұл кристалдар интрузияның түбіне шөгіп, онда кен минералдарын шоғырландырады. Хромит және магнетит – осылай түзілетін кен минералдары. Сұйық араласпайтындық: мыс, никель немесе платинаны қамтитын сульфид кендері осы процестен пайда болуы мүмкін. Магма өзгерген кезде, оның бір бөлігі негізгі магма массасынан бөлініп шығады. Бір-бірімен араласпайтын екі сұйықтық – араласпайтын деп аталады; мысалы, май мен су. Магмаларда сульфидтер бөлініп, силикатқа толы бөлігінің астына шөгіп немесе оны қоршаған тау жыныстарына еніп сіңеді. Мұндай кен орындары мафикалық және ультрамафикалық тау жыныстарында кездеседі.

Жақсыра бөліну

Бүйірлік секреция арқылы қалыптасқан кен орындары, қию кезінде жүзеге асатын метаморфтық реакциялар нәтижесінде пайда болады. Бұл реакциялар кварц, сульфидтер, алтын, карбонаттар және оксидтер сияқты минералдық компоненттерді деформацияланған тау жыныстарынан босатып, оларды қысымның төмендеуі немесе жарықтар сияқты кеңейген аймақтарға шоғырландырады. Мұндай процесс гидротермальдық сұйықтықтардың көп ағыны болмай-ақ жүруі мүмкін, және бұл подиформалы хромит кен орындарына тән. Метаморфтық процестер сонымен қатар жоғарыда сипатталған гидротермальдық сұйықтықтардың пайда болуына себеп болатын көптеген физикалық процестерді де бақылайды.

Седименттік немесе беттік процестер (экзогендік)

Жер бетіндегі процестер – бұл физикалық және химиялық құбылыстар, олар көбінесе қоршаған ортаның әсерінен реголитте кендік материалдың шоғырлануына себеп болады. Бұған алтынды жинағыштар, латериттер және қалдық немесе элювиалды кен орындары жатады. Кен пайда болу процестеріне кендік емес материалдың эрозиясы, шөгінді процестер арқылы жинақталу (соның ішінде ұсату, тығыздық бойынша бөлу, мысалы, алтынды жинағыштар), тау жыныстарын тотықтыру немесе химиялық әсер ету арқылы ауа райының әсерінен тау жыныс сынықтарының босатылуы немесе химиялық тұрғыдан жинақталған саз, латериттер немесе супергенді байыту кіреді. Төмен энергиялы жағажай ортасында шөгінділердің жинақталуы. Теңіз түбінде металлға толы тұзды сулардан пайда болатын шөгінді-экгаляциялық кен орындары (SEDEX).

Кен кен орындарын жіктеу

Гидротермалық кен орындарының жіктелуі қалыптасу температурасына сәйкес жіктеу арқылы да жүзеге асырылады, бұл шамамен белгілі бір минералдану сұйықтықтарымен, минералдық ассоциациялармен және құрылымдық стильдермен байланысты. Мезотермалық – гидротермалық сұйықтықтардан орташа температура мен қысымда, тау жыныстарындағы жарықтар мен басқа да кеңістіктерде және олардың бойымен, аралық тереңдікте жинақталған минералды кен орындары. Эпитермалық – Жер бетіне жақын (<1500 м) төмен температурада (50–200 °C) тамырларды, брекчияларды және қорларды толтыратын минералды кен орындары. Телетермалық – гидротермалық ерітінділердің бастапқы көзінен алыс, қабырғалық тау жыныстарының аз немесе мүлдем өзгешеленбеген, шалқая тереңдікте және салыстырмалы түрде төмен температурада қалыптасқан минералды кен орындары. Кен орындары әдетте кен пайда болу процестері мен геологиялық ортаға қарай жіктеледі. Мысалы, шөгінділік экзгаляциялық кен орындары (SEDEX) – тұздықтардың теңіз суына (экзгаляциялық) шығарылуы арқылы теңіз түбінде (шөгінділік) қалыптасқан кен орындарының класы, тұздық салқындағанда, теңіз суымен араласқанда және металл тасымалдау қабілетін жоғалтқанда кен минералдарының химиялық тұнбалануына себеп болады. Кен орындары геологтар қалаған категорияларға өте сирек сәйкес келеді. Көптегендер жоғарыда аталған бір немесе бірнеше негізгі генезистік процестердің нәтижесінде қалыптасуы мүмкін, бұл күмәнді жіктемелерге және көптеген пікірталастар мен болжамдарға әкеледі. Кен орындары көбінесе олардың типінің мысалы бойынша жіктеледі, мысалы, Брокен Хилл типіндегі қорғасын-мырыш-күміс кен орындары немесе Карлин типіндегі алтын кен орындары.

Қарапайым кендердің пайда болуы

Олардың қалыптасуы үшін нақты қоршаған орта жағдайларының қатар келуі қажет болғандықтан, нақты минералдық кен орындары белгілі бір геодинамикалық орталарда орналасады. Сондықтан, бұл бет металдық тауарлар бойынша ұйымдастырылған. Теорияларды геологиялық қалыптасу критерийлеріне сәйкес ұйымдастыру да мүмкін. Көбінесе бір металлдың кендері бірнеше процестер арқылы қалыптасады, және бұл әрбір металл немесе металл кешені бөлімінде сипатталған.

Темір

Темір кендері көбінесе жолақты темір формациялары (BIF) деп аталатын ежелгі шөгінділерден пайда болады. Бұл шөгінділер теңіз түбінде жиналған темір оксидтерінен тұрады. Мұндай шөгінділердің қалыптасуы үшін теңіз суында жеткілікті мөлшерде темірдің тасымалдануына қажетті ерекше экологиялық жағдайлар керек, мысалы, протерозой дәуіріндегі қышқыл және оттегіге тоқталған атмосфера. Көбінесе, әдеттегі магнит минералдарын оңай өңделетін гематитке айналдыру үшін соңғы кездегі ыдырау процесі қажет. Батыс Австралияның Пилбара аймағындағы кейбір темір кен орындары – гематит қиыршықтарынан (пизолиттер) жиналған арналық темір кен орындары, яғни плацерлік кен орындары. Олар өндіруге арзан болғандықтан бағаланады.

Қорғасын мырыш күміс

Қорғасын-мырыш кен орындары көбінесе күміспен бірге кездеседі, олар қорғасын сульфиді минералы галенаның немесе мырыш сульфиді минералы сфалеритінің құрамында орналасады. Қорғасын мен мырыш кен орындары терең шөгінді тұзды судың теңіз түбіне шығарылуы (бұл шөгінділік эксалативті немесе SEDEX деп аталады) немесе әк тастың алмасуы, скарн кен орындарында, кейбіреулері су асты жанартауларымен байланысты (волькандық массивті сульфидті кен орындары немесе VMS деп аталады) немесе граниттің су асты интрузияларының ауреолында қалыптасады. SEDEX қорғасын мен мырыш кен орындарының көп бөлігі протерозой дәуіріне жатады, бірақ Канада мен Аляскада юралық кезеңге жататын маңызды мысалдар да бар. Карбонат алмастыру типіндегі кен орындары Миссисипи алқабы типіндегі (MVT) кен орындарымен көрсетілген. MVT және осыған ұқсас типтер карбонат шынжырларын ауыстыру және ыдырату арқылы пайда болады, ал көмірсутектер қорғасынды тасымалдау үшін маңызды деп саналады.

Алтын

Алтын кен орындары геологиялық процестердің өте кең ауқымында қалыптасады. Кен орындары бастапқы, аллювиалды немесе плазерлік, немесе қалдық немесе латериттік кен орындары ретінде жіктеледі. Көбінесе бір кен орнында кеннің үш түрі де кездеседі. Плиталық тектоника – алтын кендерін қалыптастырудың негізгі механизмі. Бастапқы алтын кен орындарының көп бөлігі екі негізгі санатқа жатады: негізгі алтын кен орындары немесе интрузиямен байланысты кен орындары. Негізгі алтын кен орындары, сондай-ақ орогендік алтын деп те аталады, әдетте жоғары сапалы, жұқа, тамыр және жарылымдарда орналасқан. Олар негізінен кварц тамырларынан тұрады, олар табиғи алтын немесе алтын сульфидтері мен теллуридтерін қамтиды. Негізгі алтын кен орындары көбінесе базальтта немесе турбидит деп аталатын шөгінді жыныстарда кездеседі, бірақ жарылымдарда гранит сияқты интрузивті магмалық жыныстарда да орналасуы мүмкін. Негізгі алтын кен орындары геологиялық тарихтағы орогенез және басқа да плиталардың соқтығысу оқиғаларымен тығыз байланысты. Алтынның көп бөлігі метаморфизм кезінде базальттың дегидратациялануы нәтижесінде метаморфты тау жыныстарынан түскен деп есептеледі. Алтын гидротермальды сулар арқылы жарылымдар бойымен тасымалданады және су ерітіндіде алтынды ұстауға жеткіліксіз салқындағанда шөгіндіге түседі. Интрузиялық алтын (Lang & Baker, 2001) әдетте граниттерде, порфирде немесе сирек кездесетін дикелерде орналасады. Интрузиялық алтынға байланысты алтын көбінесе мыс та қосады, және жиі қалайы мен вольфраммен, сирек молибденмен, антимонмен және уранмен байланысты. Интрузиялық алтын кен орындары магмамен байланысты сұйықтықтарда алтынның болуына (White, 2001) және осы гидротермальды сұйықтықтардың қабырғалық жыныстарға міндетті түрде шығарылуына (Lowenstern, 2001) байланысты. Скарн кен орындары – интрузиялық байланысты кен орындарының тағы бір түрі. Плазерлік кен орындары бұрыннан бар алтын кен орындарынан түскен және екіншілік кен орындары болып табылады. Плазерлік шөгінділер өзендер мен ағыстардағы және жағажайлардағы аллювиалды процестер арқылы қалыптасады. Плазерлік алтын кен орындары гравитация арқылы қалыптасады, ал алтынның жоғары тығыздығы оны өзен төсенішіндегі тұзақтарға батырады немесе су ағынының жылдамдығы төмендейтін жерлерде, мысалы өзендердегі бұрылыстар мен тастардың артында жиналады. Плазерлік кен орындары көбінесе шөгінді жыныстарда кездеседі және миллиардтаған жылдарға созылуы мүмкін, мысалы Оңтүстік Африкадағы Витвотерсранд кен орындары. Шөгінді плазерлік кен орындары «қола» немесе «төменгі қабат» деп аталады. Плазерлік кен орындары көбінесе қазбалау арқылы өңделеді, ал алтын іздеу – танымал хобби. Латерит алтын кен орындары тау жыныстарының ұзақ мерзімді әсерге ұшырауы кезінде бұрыннан бар алтын кен орындарынан (кейбір плазерлік кен орындарын қоса алғанда) қалыптасады. Алтын ауа райына ұшыраған тау жыныстары мен реголиттегі темір оксидтерінің ішінде шөгіндіге түседі және эрозия арқылы қайта өңдеу арқылы одан әрі байытылуы мүмкін. Кейбір латерит кен орындары тау жыныстарының желмен эрозиялануынан пайда болады, нәтижесінде бетте табиғи алтын металл қалдықтары қалады. Cupriavidus metallidurans бактериясы алтынның түйіршіктерін қалыптастыруда маңызды рөл атқарады, алтын (III) тетрахлоридінің ерітіндісінен металл алтынды тұндыру арқылы, бұл көптеген басқа микроорганизмдер үшін өте улы зат. Сол сияқты, Delftia acidovorans та алтын түйіршіктерін қалыптастыра алады.

Платина

Платина мен палладий – ультрамафикалық тау жыныстарында көбінесе кездесетін құнды металдар. Платина мен палладий кендерінің бастауы – магма әлі сұйық күйде болғанда сульфид минералын түзетіндей жеткілікті күкірт бар ультрамафикалық тау жыныстары. Бұл сульфид минералы (әдетте пентландит, пирит, халкопирит немесе пирротит) платинаны магманың көп бөлігімен араласу арқылы алады, себебі платина халкофилді және сульфидтерде жинақталады. Сонымен қатар, платина хромитпен бірге, хромит минералының ішінде немесе оған қосылған сульфидтерде де кездеседі. Сульфид фазалары магма күкіртпен қаныққан кезде ғана түзіледі. Таза фракциялық кристалдану арқылы мұның орындалуы қиын деп есептеледі, сондықтан кен пайда болу модельдерінде күкірт қанықтығын түсіндіру үшін қосымша процестер қажет. Оларға магманың қыртыс материалымен, әсіресе күкіртке бай қабырғалық тау жыныстарымен немесе шөгінділермен араласуы; магма қосылуы; ұшқыш элементтердің түсуі немесе жоғалуы жатады. Платина көбінесе никель, мыс, хром және кобальт кендерімен байланысты табылады.

Никель

Никель кендері көбінесе екі түрде кездеседі: сульфид немесе латерит. Сульфидті никель кендері платина кендерінің қалыптасу механизмімен ұқсас. Никель – сульфидтерге бейімділік танытатын калькофил элемент, сондықтан магмада сульфид фазасы бар ультрамафикалық немесе мафикалық тау жыныстары никель сульфидтерін қалыптастыруы мүмкін. Никельдің ең ірі кен орындары лава түтіктерінің немесе жанартау ағындарының, әсіресе коматит лаваларының төменгі бөлігінде сульфидтер жинақталған жерлерде пайда болады. Коматиттік никель-мыс сульфид кендері сульфидтердің бөлінуі, араласпаушылығы және сульфидті шөгінділердің жылулық эрозиясының нәтижесінде қалыптасқан деп саналады. Күкірттің қанығуына седименттердің қатысуы қажет. Канаданың Томсон белдеуіндегі кейбір субвулканикалық интрузияларда сірінділердің қоректендіру арнасы маңында никель сульфид кендері орналасқан. Магма жылдамдығының арнада төмендеуіне байланысты сульфидтер арна маңына жиналған. Ірі Voisey's Bay никель кендері де осыған ұқсас процесс арқылы қалыптасқан деп есептеледі. Никель латерит кендерінің қалыптасу процесі алтын латерит кендерінің қалыптасуымен ұқсас, бірақ ультрамафикалық немесе мафикалық тау жыныстарының болуы міндетті. Никель латериттеріне әдетте өте кең оливин кұрамындағы ультрамафикалық интрузиялар қажет. Латерит никель кендерінде қалыптасатын минералдардың бірі гиббсит.

Мыс

Мыс көптеген басқа металдармен және кен түрлерімен бірге табылады. Көбінесе мыс шөгінді тау жыныстарында немесе жанартаулық тау жыныстарында қалыптасады. Әлемдегі ірі мыс кен орындары гранит порфирлік мыс түрінде пайда болады. Мыс граниттің кристалдану кезінде байиды және гранитпен бірге жоғары көтерілетін сульфид минералы – халькопирит түрінде қалыптасады. Кейде граниттер жанартау ретінде жер бетіне шығып, мыс минералдануы осы кезеңде гранит пен жанартаулық тау жыныстары гидротермалдық айналым арқылы салқындағанда пайда болады. Шөгінді мыс мұхит алаптарында, шөгінді тау жыныстарында қалыптасады. Әдетте, бұл тереңге көмілген шөгінділерден терең теңізге тұзды су ағызылып, мыс және көбінесе қорғасын мен мырыш сульфидтерін теңіз түбінде шөгіндіру арқылы пайда болады. Бұдан кейін бұл шөгінділермен жабылады. Бұл SEDEX мырыш пен қорғасынға ұқсас процесс, бірақ кейбір карбонаттық мысалдары да бар. Мыс көбінесе алтын, қорғасын, мырыш және никель кен орындарымен байланысты болады.

Уран

Уран кен орындары көбінесе радиоактивті граниттерден пайда болады, онда гидротермальдық белсенділік немесе жер асты суларының айналымы кезінде монозит сияқты белгілі бір минералдар ерітіледі. Уран қышқыл ортада ерітіндіге өтеді және бұл қышқылдық орта бейтараптандырылғанда шөгінді түзеді. Әдетте, бұл көміртегі бар шөгінділерде, шөгінді тау жыныстарының қимасындағы сәйкессіздіктерде кездеседі. Әлемдегі ядролық қуаттың көп бөлігі осындай кен орындарындағы ураннан алынады. Уран барлық көмірде миллионға бірнеше бөлік мөлшерінде және барлық граниттерде табылады. Радон – уран өндіру кезінде жиі туындайтын мәселе, себебі ол радиоактивті газ. Уран сонымен қатар гранит және порфир сияқты магмалық тау жыныстарымен байланысты кездеседі. Австралиядағы Олимпиада тоғаны кен орны – осы типтегі уран кен орындарының мысалы. Онда Австралияның әлемдегі белгілі, төмен құнмен өндірілетін уран қорының 40%-ының 70%-ы орналасқан.

Титан және цирконий

Минералды құмдар титан, цирконий және торий кен орындарының басым түрі болып табылады. Олар жағажай жүйелеріндегі ауыр минералдардың жиналуы нәтижесінде қалыптасады және плацерлік кен орындарының бір түрі. Титанды құрайтын минералдар – илменит, рутил және лейкоксен, цирконий – циркон минералында, ал торий – моназитте кездеседі. Бұл минералдар негізінен гранитті тау жыныстарының эрозиясы арқылы пайда болады және өзендер арқылы теңізге тасымалданып, жағажай құмдарында жиналады. Сирек болғанымен, маңыздысы, алтын, қалайы және платина кен орындары да жағажай плацерлік кен орындарында қалыптасуы мүмкін.

Қалай, вольфрам және молибден

Бұл үш металл әдетте белгілі бір гранит түрінде, интрузиялық байланысты алтын мен мыс сияқты ұқсас механизм арқылы қалыптасады. Олар бірге қарастырылады, себебі осы кен орындарының пайда болу процесі негізінен бірдей. Бұл граниттерге байланысты скарн типті минерализация қалайы, вольфрам және молибден кен орындарының өте маңызды түрі болып табылады. Скарн шөгінділері граниттен шыққан минералданған сұйықтықтардың әктас сияқты қабырғалық тау жыныстарымен реакцияласуы нәтижесінде пайда болады. Скарн минерализациясы қорғасын, мырыш, мыс, алтын және кейде уран минерализациясында да маңызды рөл атқарады. Грейзен граниті – тағы бір байланысты қалайы, молибден және топаз минерализациясының түрі.

Сирек кездесетін жерлер, ниобий, тантал, литий

Сирек кездесетін элементтердің көп бөлігі, тантал және литий пегматиттерде табылады. Бұл кендердің пайда болу теориялары әртүрлі, бірақ көпшілігі метаморфизм және магмалық процестермен байланысты. Литий пегматиттерде сподумен немесе лепидолит минералдары түрінде кездеседі. Карбонатит интрузиялары осы элементтердің маңызды көзі болып саналады. Кен минералдары карбонатиттердің ерекше минералды құрамының бір бөлігін құрайды.

Фосфат

Фосфат тыңайтқыштарда қолданылады. Өте көп мөлшердегі фосфат тасы немесе фосфорит протерозойден бастап қазіргі кезде пайда болатын шөгінді тақта жатақтарында кездеседі. Фосфат кен орындарының теңіз түбінде жиналған өлген теңіз жануарларының қаңқаларынан пайда болғаны болжанады. Темір кендері мен мұнай сияқты, геологиялық өткенде мұхит пен қоршаған ортаның белгілі бір жағдайлары осы кен орындарының қалыптасуына әсер еткен деп есептеледі. Фосфат кен орындары нефелин сиениттері, карбонатиттері және олармен байланысты тау жыныстары сияқты сілтілі магмалық жыныстардан да түзіледі. Бұл жағдайда фосфат магмалық апатит, моназит немесе басқа сирек кездесетін жер фосфаттарының құрамында болады.

Ванадий

Ванабиндердің болуына байланысты, Phlebobranchia кіші тобына жататын Ascidia gemmata-ның қан жасушаларындағы ванадий концентрациясы, қоршаған теңіз суындағы концентрациядан 10 000 000 есе жоғары. Ванадий кендерінің қалыптасуында осы сияқты биологиялық процесс рөл атқарған болуы мүмкін. Ванадий сонымен қатар шикі мұнай, көмір, мұнай тақтасы және мұнай құмдары сияқты жанармай қалдықтарында да кездеседі. Шикі мұнайда 1200 ppm-ге дейін концентрация анықталған.

Сирек кездесетін металдардың ғарышқа шығу тегі

Алтын мен платина сияқты құнды металдар, сондай-ақ көптеген сирек және асыл металдар көбінесе нейтрон жұлдыздарының соқтығысуынан пайда болған – аса ауыр, массивті және тығыз жарылған жұлдыздардың қалдықтарының арасындағы соқтығысулар. Соқтығысудың соңғы сәттерінде физикалық жағдайлар соншалықты экстремалды болады, осы ауыр сирек элементтер пайда болып, ғарышқа таралады. Жұлдызаралық шаң мен газ бұлттарында осы элементтердің бір бөлігі бар, сонымен қатар біздің Күн жүйесі қалыптасқан шаң бұлтында да. Бұл ауыр металдар Жердің балқыған ядросының ортасына шөгіп, енді қолжетімді емес. Дегенмен, Жер пайда болғаннан кейін 200 миллион жыл өткен соң, метеорлардың күшті бомбалауына ұшырады. Жер суынып, қатты бастағандықтан, сол бомбалаудан келген материал (оның ішінде ауыр металдар) ядроға терең түспей, Жер қабығының бір бөлігіне айналды. Олар миллиардтаған жылдар бойы геологиялық процестер арқылы өңделді және ашыққа шықты. Осының Жер бетінде табылатын көптеген элементтердің, соның ішінде барлық ауыр металдардың пайда болуына себеп болғанына сенімді.