Введение

Как формируются различные типы минеральных месторождений в земной коре

Различные теории рудообразования объясняют, как формируются различные типы минеральных месторождений в земной коре. Теории рудообразования варьируются в зависимости от рассматриваемого минерала или полезного ископаемого. Как правило, теории рудообразования включают три компонента: источник, транспортный путь и ловушку. (Этот подход также применяется в нефтегазовой отрасли, где он был впервые разработан нефтегеологами.) Источник необходим, поскольку металл должен поступать откуда-то и высвобождаться в результате какого-либо процесса. Транспорт необходим для перемещения металлоносных флюидов или твердых минералов в их текущее местоположение и включает в себя как физическое перемещение металла, так и химические или физические явления, способствующие этому перемещению. Ловушка необходима для концентрации металла посредством какого-либо физического, химического или геологического механизма, в результате чего образуется руда, пригодная для разработки. Крупнейшие месторождения формируются, когда источник обилен, транспортный путь эффективен, а ловушка активна и готова к работе в нужное время.

Магматические процессы

Фракционная кристаллизация: разделяет рудные и нерудные минералы в соответствии с температурой их кристаллизации. По мере образования первых кристаллизующихся минералов из магмы, они включают в себя определенные элементы, некоторые из которых – металлы. Эти кристаллы могут оседать на дно магматического тела, концентрируя там рудные минералы. Хромит и магнетит – примеры рудных минералов, образующихся таким образом. Несмешиваемость жидкостей: из этого процесса могут формироваться сульфидные руды, содержащие медь, никель или платину. При изменении магмы, её части могут отделяться от основной массы. Две жидкости, которые не смешиваются, называются несмешивающимися; примером служат масло и вода. В магмах сульфиды могут отделяться и опускаться ниже силикатосодержащей части магматического тела или внедряться в окружающие породы. Такие месторождения встречаются в мафических и ультрамафических породах.

Боковая секреция

Рудовые отложения, формирующиеся за счет латеральной секреции, образуются в результате метаморфических реакций при сдвиге, высвобождающих минеральные компоненты, такие как кварц, сульфиды, золото, карбонаты и оксиды, из деформирующихся пород, и концентрирующих эти компоненты в зонах пониженного давления или дилатации, например, в разломах. Это может происходить при небольшом потоке гидротермальных флюидов, что характерно для подиформных месторождений хромита. Метаморфические процессы также контролируют многие физические процессы, являющиеся источником гидротермальных флюидов, описанных выше.

Осадочные или поверхностные процессы (экзогенные)

Поверхностные процессы – это физические и химические явления, вызывающие концентрацию рудного материала в реголите, как правило, под воздействием окружающей среды. К ним относятся плацеровые, латеритовые, а также остаточные или элювиальные отложения. Процессы образования руды в поверхностных отложениях включают: эрозию пустой породы, отложение посредством осадочных процессов, включая селекцию и разделение по плотности (например, золотые плацеры), выветривание посредством окисления или химического разрушения породы, приводящее к высвобождению обломков или образованию химически осажденных глин, латеритов или супергенного обогащения, отложение в зонах с низкой энергией, таких как прибрежные среды. Также к ним относятся осадочно-экзалативные месторождения (SEDEX), формирующиеся на морском дне из насыщенных металлами рассолов.

Классификация рудных месторождений

Классификация гидротермальных рудных месторождений также достигается путем классификации по температуре образования, которая приблизительно коррелирует с определенными минерализующими флюидами, минеральными ассоциациями и структурными типами. Мезотермальные – рудные месторождения, образованные при умеренных температуре и давлении в трещинах или других вскрытиях в горных породах, путем осаждения на промежуточных глубинах из гидротермальных флюидов. Эпитермальные – рудные месторождения, образованные при низких температурах (50–200 °C) вблизи поверхности Земли (<1500 м), заполняющие жилы, брекчии и штокверки. Телетермальные – рудные месторождения, образованные на небольшой глубине и относительно низких температурах, с незначительным или отсутствующим изменением вмещающих пород, предположительно вдали от источника гидротермальных растворов. Рудные месторождения обычно классифицируются по процессам рудообразования и геологической обстановке. Например, осадочно-выдыхательные месторождения (SEDEX) – это класс рудных месторождений, образованных на морском дне (осадочные) путем выдыхания рассолов в морскую воду (выдыхательные), что приводит к химическому осаждению рудных минералов при охлаждении рассола, смешивании с морской водой и потере способности переносить металлы. Рудные месторождения редко четко соответствуют категориям, в которые их стремятся отнести геологи. Многие могут формироваться одним или несколькими из вышеперечисленных основных процессов генезиса, создавая неоднозначные классификации и вызывая множество споров и предположений. Часто рудные месторождения классифицируются по примерам их типа, например, свинцово-цинково-серебряные месторождения типа Broken Hill или золотые месторождения типа Carlin.

Появление обычных руд

Поскольку для образования определенных типов минеральных месторождений необходимо сочетание специфических условий окружающей среды, они обычно занимают определенные геодинамические ниши, поэтому эта страница организована по видам металлического сырья. Также возможно организовать теории иначе, а именно по геологическим критериям формирования. Часто руды одного и того же металла могут образовываться различными процессами, и это описано здесь для каждого металла или металлического комплекса.

Железо

Железные руды в подавляющем большинстве образуются из древних осадочных пород, известных как полосатые железные формации (BIF). Эти осадочные породы состоят из минералов оксида железа, отложившихся на морском дне. Для формирования этих отложений необходимы особые условия окружающей среды, обеспечивающие перенос достаточного количества железа в морской воде, такие как кислая и бескислородная атмосфера протерозойской эры. Зачастую требуется дополнительное выветривание для преобразования обычного магнетита в более легкообогаемый гематит. Некоторые железные месторождения в районе Пилбара (Западная Австралия) являются россыпными месторождениями, образованными накоплением гематитового гравия, называемого пизолитами, формирующего канальные железные месторождения. Они предпочтительны из-за своей низкой стоимости добычи.

Свинцово-цинковая серебро

Месторождения свинца и цинка обычно сопровождаются серебром, содержащимся в свинцовом сульфиде – галене, или в цинковом сульфиде – сферите. Месторождения свинца и цинка формируются в результате извержения глубинного осадочного рассола на морское дно (процесс, называемый осадочно-выделительным или SEDEX), либо путем замещения известняка в скарных месторождениях, некоторые из которых связаны с подводными вулканами (так называемые вулканогенно-массивные сульфидные рудные месторождения или VMS), либо в ауреоле субвулканических интрузий гранита. Подавляющее большинство месторождений свинца и цинка типа SEDEX относятся к протерозою, хотя значительные юрские месторождения известны в Канаде и на Аляске. Месторождения карбонатного замещения представлены месторождениями руды типа долины Миссисипи (MVT). MVT и подобные типы формируются в результате замещения и разрушения карбонатных последовательностей углеводородами, которые, как считается, играют важную роль в переносе свинца.

Золото

Золотые месторождения формируются в результате широкого спектра геологических процессов. Месторождения классифицируются как первичные, аллювиальные или россыпные, или остаточные (латеритные). Часто месторождение содержит смесь всех трех типов руд. Тектоника плит является основополагающим механизмом образования золотых месторождений. Большинство первичных золотых месторождений относятся к двум основным категориям: жильные или связанные с интрузиями. Жильные золотые месторождения, также известные как орогенные, как правило, характеризуются высоким содержанием золота, небольшой мощностью и связаны с прожилками и разломами. Они в основном состоят из кварцевых жил, также известных как лоды или рифы, содержащих либо самородное золото, либо сульфиды и теллуриды золота. Жильные золотые месторождения обычно залегают в базальтах или в осадочных породах, известных как турбидиты, хотя приуроченные к разломам, они могут располагаться в интрузивных магматических породах, таких как гранит. Жильные золотые месторождения тесно связаны с орогенезом и другими событиями столкновения плит в геологической истории. Считается, что большинство жильных золотых месторождений имеют источник в метаморфических породах, в результате обезвоживания базальта при метаморфизме. Золото переносится вверх по разломам гидротермальными водами и осаждается, когда вода остывает настолько, что не может удерживать золото в растворе. Золото, связанное с интрузиями (Lang & Baker, 2001), обычно залегает в гранитах, порфирах или редко в дайках. Золото, связанное с интрузиями, обычно также содержит медь и часто ассоциируется с оловом и вольфрамом, а реже – с молибденом, сурьмой и ураном. Месторождения золота, связанные с интрузиями, зависят от наличия золота в флюидах, связанных с магмой (White, 2001), и неизбежной разгрузки этих гидротермальных флюидов в вмещающие породы (Lowenstern, 2001). Скарновые месторождения являются еще одним проявлением месторождений, связанных с интрузиями. Россыпные месторождения формируются из ранее существовавших золотых месторождений и являются вторичными отложениями. Россыпные месторождения образуются в результате аллювиальных процессов в реках и ручьях, а также на пляжах. Россыпное золото формируется под действием силы тяжести, плотность золота приводит к его оседанию в ловушках в русле реки или в местах снижения скорости течения воды, таких как изгибы рек и за валунами. Часто россыпные месторождения обнаруживаются в осадочных породах и могут быть миллиарды лет, например, месторождения Витватерсранд в Южной Африке. Осадочные россыпи известны как «жилы» или «глубокие жилы». Россыпные месторождения часто разрабатываются путем промывки, а поиск золота является популярным хобби. Латеритные золотые месторождения формируются из ранее существовавших золотых месторождений (включая некоторые россыпные месторождения) в результате длительного выветривания коренных пород. Золото отлагается в оксидах железа в выветренной породе или реголите и может быть дополнительно обогащено переотложением в результате эрозии. Некоторые латеритные месторождения образуются в результате ветровой эрозии коренных пород, оставляя на поверхности остаток самородного золота. Бактерия Cupriavidus metallidurans играет важную роль в образовании золотых самородков, осаждая металлическое золото из раствора тетрахлорида золота (III) – соединения, высокотоксичного для большинства других микроорганизмов. Аналогично, Delftia acidovorans также может образовывать золотые самородки.

Платина

Платина и палладий – драгоценные металлы, обычно встречающиеся в ультрамафических породах. Источником месторождений платины и палладия служат ультрамафические породы, содержащие достаточно серы для образования сульфидного минерала, пока магма находится в расплавленном состоянии. Этот сульфидный минерал (обычно пентландит, пирит, халькопирит или пирротин) обогащается платиной за счет смешения с основной массой магмы, поскольку платина является халкофильным элементом и концентрируется в сульфидах. Альтернативно, платина встречается в ассоциации с хромитом, либо непосредственно в структуре хромита, либо в сульфидах, связанных с ним. Образование сульфидных фаз в ультрамафических магмах возможно только при достижении магмой насыщения по сере. Считается, что достижение насыщения по сере исключительно путем фракционной кристаллизации практически невозможно, поэтому в моделях рудогенеза обычно рассматриваются другие процессы, объясняющие насыщение по сере. К ним относятся загрязнение магмы веществами коры, особенно серосодержащими вмещающими породами или осадочными породами; смешение магм; изменение содержания летучих компонентов. Часто платина ассоциируется с месторождениями никеля, меди, хрома и кобальта.

Никель

Осаждения никеля обычно встречаются в двух формах: в виде сульфидов или латеритов. Никелевые месторождения сульфидного типа формируются по сути так же, как и платиновые месторождения. Никель – халкофильный элемент, который предпочитает сульфиды, поэтому ультрамафические или мафические породы, содержащие сульфидную фазу в магме, могут образовывать сульфиды никеля. Наиболее богатые месторождения никеля формируются там, где сульфиды накапливаются в основании лавовых трубок или вулканических потоков – особенно в коматитовых лавах. Считается, что коматитовые никель-медно-сульфидные месторождения образуются в результате сочетания сегрегации сульфидов, несмешиваемости и термической эрозии сульфидных осадочных пород. Осадочные породы необходимы для достижения насыщения серы. Некоторые субвулканические интрузии в канадском поясе Томпсона содержат месторождения сульфида никеля, образовавшиеся в результате осаждения сульфидов вблизи питающего канала. Накопление сульфидов у канала происходит из-за снижения скорости магмы на границе канала. Массивное никелевое месторождение Войзи-Бей, как полагают, сформировалось по аналогичному процессу. Процесс формирования латеритных месторождений никеля по существу аналогичен процессу формирования латеритных месторождений золота, за исключением того, что требуются ультрамафические или мафические породы. Как правило, для формирования латеритов никеля необходимы очень крупные ультрамафические интрузии, содержащие оливин. Минералы, образующиеся в латеритных никелевых месторождениях, включают гиббсит.

Медь

Медь встречается в ассоциации со многими другими металлами и типами месторождений. Как правило, медь формируется либо в осадочных породах, либо связана с магматическими породами. Крупнейшие мировые месторождения меди формируются в гранитном порфировом стиле. Медь концентрируется в процессах, происходящих при кристаллизации гранита, и образует халькопирит — сульфидный минерал, который поднимается вверх вместе с гранитом. Иногда граниты извергаются на поверхность в виде вулканов, и минерализация меди формируется на этой стадии, когда гранит и вулканические породы охлаждаются посредством гидротермальной циркуляции. Осадочная медь образуется в океанических бассейнах в осадочных породах. Обычно это происходит при извержении рассолов из глубоко залегающих отложений в глубоководье, что приводит к осаждению меди, а также часто свинца и цинковых сульфидов непосредственно на морское дно. Затем это погребается под новыми отложениями. Этот процесс аналогичен SEDEX-месторождениям цинка и свинца, хотя существуют и примеры, связанные с карбонатами. Часто медь ассоциируется с месторождениями золота, свинца, цинка и никеля.

Уран

Залежи урана обычно формируются из радиоактивных гранитов, где определенные минералы, такие как монацит, выщелачиваются в процессе гидротермальной активности или циркуляции грунтовых вод. Уран переходит в раствор в кислых условиях и осаждается при нейтрализации этой кислотности. Как правило, это происходит в определенных осадочных породах, богатых углеродом, в зоне несоответствия в осадочных отложениях. Большая часть ядерной энергии в мире вырабатывается из урана, добываемого из подобных месторождений. Уран также содержится почти во всех видах угля в концентрации несколько частей на миллион, и во всех гранитах. Радон представляет собой распространенную проблему при добыче урана, так как это радиоактивный газ. Уран также встречается в ассоциации с определенными магматическими породами, такими как гранит и порфир. Месторождение Olympic Dam в Австралии является примером такого типа уранового месторождения. Оно содержит 70% австралийской доли в 40% общемировых разведанных запасов низкозатратного извлекаемого урана.

Титан и цирконий

Минеральные пески являются преобладающим типом месторождений титана, циркония и тория. Они формируются в результате накопления этих тяжелых минералов в прибрежных системах и представляют собой разновидность россыпных месторождений. Титан содержится в минералах илмените, рутиле и лейкоксене, цирконий – в цирконе, а торий – обычно в монаците. Эти минералы образуются в основном из гранитных пород под воздействием эрозии и переносятся реками в море, где накапливаются в прибрежных песках. Редко, но существенно, в россыпных месторождениях на пляжах могут формироваться месторождения золота, олова и платины.

Олова, вольфрам и молибден

Эти три металла обычно формируются в определенном типе гранита посредством механизма, аналогичного тому, что наблюдается при интрузивных месторождениях золота и меди. Они рассматриваются совместно, поскольку процесс образования этих месторождений по сути одинаков. Скарновый тип минерализации, связанный с этими гранитами, является важным источником олова, вольфрама и молибдена. Скарновые месторождения образуются в результате реакции минерализованных флюидов из гранита с вмещающими породами, такими как известняк. Скарновая минерализация также имеет значение для месторождений свинца, цинка, меди, золота и, реже, урана. Грейзеновый гранит представляет собой еще один связанный тип минерализации, содержащий олово, молибден и топаз.

Редкие металлы, ниобий, тантал, литий

Подавляющее большинство редкоземельных элементов, тантала и лития встречается в пегматитах. Теории образования этих руд разнообразны, но большинство из них связаны с метаморфизмом и магматической деятельностью. Литий представлен в виде сподумена или лепидолита в пегматитах. Карбонатитовые интрузии являются важным источником этих элементов. Рудные минералы являются неотъемлемой частью необычного минерального состава карбонатитов.

Фосфат

Фосфат используется в удобрениях. Огромные количества фосфатной породы или фосфоритов встречаются в осадочных отложениях шельфовых зон, возраст которых варьируется от протерозоя до современных формирующихся сред. Считается, что фосфатные отложения образовались из скелетов вымерших морских организмов, накопившихся на дне океана. Как и в случае с месторождениями железной руды и нефти, особые условия в океане и окружающей среде в геологическом прошлом способствовали формированию этих отложений. Фосфатные отложения также формируются из щелочных магматических пород, таких как нефелиновые сиениты, карбонатиты и сопутствующие типы пород. В этом случае фосфат содержится в магматическом апатите, монаците или других фосфатах редкоземельных элементов.

Ванадий

Из-за наличия ванабинов концентрация ванадия в клетках крови Ascidia gemmata, относящейся к подотряду Phlebobranchia, в 10 000 000 раз превышает концентрацию в окружающей морской воде. Подобный биологический процесс мог сыграть роль в формировании ванадиевых руд. Ванадий также содержится в ископаемом топливе, таком как сырая нефть, уголь, нефтяные сланцы и битуминозные пески. В сырой нефти сообщалось о концентрациях до 1200 ppm.

Космическое происхождение редких металлов

Драгоценные металлы, такие как золото и платина, а также многие другие редкие и благородные металлы, в основном образовались в результате столкновений нейтронных звезд – столкновений между исключительно массивными и плотными остатками сверхновых. В последние моменты столкновения физические условия становятся настолько экстремальными, что формируются эти тяжелые редкие элементы, которые затем разбрасываются в космосе. Межзвездные облака пыли и газа содержат часть этих элементов, как и облако пыли, из которого сформировалась наша Солнечная система. Эти тяжелые металлы опустились в центр расплавленного ядра Земли и стали недоступными. Однако примерно через 200 миллионов лет после формирования Земли произошла поздняя интенсивная метеорная бомбардировка. Поскольку Земля уже начала остывать и затвердевать, вещества (включая тяжелые металлы) в ходе этой бомбардировки вошли в состав земной коры, а не осели глубоко в ядре. В течение миллиардов лет они подвергались переработке и обнажались в результате геологических процессов. Считается, что это является источником многих элементов и всех тяжелых металлов, которые сегодня встречаются на Земле.