4. Экзогенные процесссы минералообразования

Процессы, протекающие вблизи или непосредственно на земной поверхности, называются экзогенными (снаружи рожденными) или гипергенными (сверху рожденными). Их продукты чаще представляют вторичные образования за счет разрушения ранее существовавших пород и минералов, продуктов эндогенного минералообразования. Это связано с тем, что породы и минералы глубинных зонах земной коры, попадая на земную поверхность в иные физико-химические условия, становятся неустойчивыми. Это приводит к их разложению и преобразованию в новые минералы уже устойчивые в этих условиях. Основная причина протекания экзогенных процессов – появление новых факторов минералообразования, а именно, суточных и сезонных колебаний температуры, свободного кислорода атмосферы – активного окислителя, углекислоты, атмосферных вод, ненасыщенных солями, а поэтому имеющих высокую растворяющую способность и пр. Под воздействием этих факторов и происходит преобразование ранее образованных минеральных парагенезисов с образованием новых парагенезисов и ассоциаций.

Экзогенные процессы с учетом условий протекания делятся на: 1) процессы выветривания, более активно действующие в условиях земной поверхности (на суше) и 2) процессы осадконакопления, более активно и масштабно проявляющиеся в морях и океанах.

4.1. Процессы выветривания

Выветривание – это процесс приспособления эндогенных минеральных парагенезисов к условиям земной поверхности, приводящий к разрушению старых и возникновению новых устойчивых парагенезисов. Различают физическое и химическое выветривание.

Физическое выветривание – это простое нарушение сплошности (дезинтеграция) минеральных агрегатов. Основным фактором физического выветривания является колебание температуры. Наиболее активно разрушаются пестроокрашенные полиминеральные породы благодаря различию коэффициентов теплового линейного расширения при нагревании светло и темно окрашенных минералов. Образование льда и кристаллизация солей из попавших в трещины поверхностных вод ускоряют этот процесс. В процессе физического выветривания также активно участвует органика. Общеизвестно разрушающее действие корневой системы растений и деятельности микроорганизмов. Различают начальную стадию физического выветривания, приводящую к образованию крупноглыбового обломочного материала – курума, сохраняющего все признаки исходной породы, и позднюю – стадию минеральной дезинтеграции, приводящую к разрушению исходной горной породы до отдельных минеральных зерен. Физическое выветривание неизбежно сопровождается химическим выветриванием.

Химическое выветривание – это процесс глубокого химического преобразования пород и слагающих их минералов, ставших неустойчивыми в условиях дневной поверхности, с переходом их в новые уже устойчивые минералы и парагенезисы. Процесс химического преобразования пород происходит под воздействием поверхностных агентов выветривания, таких как кислород атмосферы, поверхностные воды с растворенными в них кислородом, углекислотой и органическими кислотами и др. Состав продуктов выветривания определяется двумя моментами: 1) исходным минеральным составом объектов выветривания и 2) условиями выветривания, а именно, температурой и влажностью, являющихся определяющими характеристиками климата.

Основными реакциями в процессе химического выветривания являются гидролиз, гидратация и окисление.

Гидролиз (дословно разложение водой) – обменная химическая реакция между ионами диссоциированной воды и катионами, входящими в состав породообразующих минералов, представленных в основном силикатами и алюмосиликатами. Результатом такой реакции является вывод части катионов из состава породообразующих минералов, приводящий к их химическому преобразованию.

Гидратация – это насыщение водой разлагающихся минералов исходных пород. Вода присоединяется в любой форме – в виде группы (OH) (конституционная вода), в виде молекул H₂O (кристаллизационная и адсорбционная вода). В результате такого присоединения возникают соответственно гидроксиды, кристаллогидраты и коллоидные образования.

Окисление – это процесс отдачи электронов атомами или ионами, сопровождающийся повышением степени окисленности элемента. В природных процессах чаще всего окисление выражается в том, что в присутствии кислорода, выступающего в качестве основного окислителя, происходит переход закисных (в низшей степени окисленности) Fe⁺², Mn⁺² и S^–2 в окисные (в высшей степени окисленности) Fe⁺³, Mn⁺⁴ и S⁺⁶. Показательно, что при окислении сульфидов происходит окисление именно сульфидной серы с зарядом S^2– до сульфатной с зарядом S⁶⁺, что сопровождается переходом сульфидов в сульфаты. Поэтому-то сульфиды независимо от их катионного состава оказываются неустойчивыми в условиях выветривания. Уже в начальные стадии окисления сульфиды неизбежно переходят в сульфаты соответствующих металлов.

В результате физического и химического выветривания формируются коры выветривания и зоны окисления. И те и другие представляют собой продукты выветривания. Их отличие заключается в том, что в случае кор выветривания исходными в процессе выветривания являются алюмосиликатные горные породы, при химическом выветривании которых основными химическими реакциями являются гидролиз и гидратация при подчиненном значении окисления, а при образовании зон окисления выветриванию подвергаются рудные месторождения и проявления, для которых наоборот основной является реакция окисления при второстепенном значении гидролиза и гидратации. Таким образом, при выветривании силикатных и алюмосиликатных пород формируются коры выветривания, а рудных, особенно сульфидных месторождений – зоны окисления. Естественно, что коры выветривания, развиваясь по породам, покрывают большую часть суши, в то время как зоны окисления имеют локальное проявление, формируясь лишь над рудными месторождениями. Сами термины «зона» и «кора» подчеркивают разномасштабность этих явлений.

4.1.1. КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ имеют разный состав (профиль), что определяется тем, какие породы подвергаются выветриванию, как долго и в каких климатических условиях они выветриваются. Наиболее благоприятен для формирования кор выветривания влажный жаркий климат тропиков, поскольку солнечное тепло и вода являются основными факторами, определяющими скорость и полноту протекания химических реакций вблизи дневной поверхности. В вертикальном разрезе кор выветривания выделяют зону аэрации и зону полного водонасыщения (рис. 15). Зона аэрации представляет собой горизонт вертикального просачивания атмосферных осадков. Нижняя граница зоны аэрации совпадает с уровнем грунтовых вод, который в свою очередь контролируется местным базисом эрозии, совпадающим с уровнем воды крупных рек региона. Ниже уровня грунтовых вод располагается зона полного насыщения, в верхней части которой выделяется горизонт с активным водообменом с горизонтальной циркуляцией вод, постепенно переходящий в горизонт с пассивным водообменном – горизонт застойных вод. Таким образом, в разрезе коры выветривания выделяются зона аэрации и зона полного водонасыщения с горизонтами активного и пассивного водообмена.

М

Рис. 15. Строение коры выветривания в вертикальном разрезе

ощность кор выветривания существенно зависит от геоморфологических условий, определяющих глубину проникновения атмосферных осадков, насыщенных кислородом и углекислотой. Роль рельефа при образовании кор выветривания хорошо иллюстрируется рисунком 15. Для формирования хорошо выраженных и достаточно мощных кор выветривания наиболее благоприятен среднерасчлененный рельеф, обеспечивающий формирование мощной зоны аэрации, в пределах которой в основном и протекают все процессы выветривания. В условиях равнинного рельефа положение уровня грунтовых вод делает зону аэрации маломощной, а грунтовые воды как бы консервирует и предохраняет нижележащие породы от активного воздействия кислорода воздуха. В случае же резко расчлененного рельефа горных стран скорость процессов денудации и выравнивания рельефа превышает скорость формирования кор выветривания. Продукты выветривания удаляются со склонов денудацией, и коры выветривания в этом случае почти не сохраняются.

Коры выветривания, покрывающие значительные территории, получили название площадных. Мощность площадных кор выветривания в благоприятной для их формирования обстановке может достигать 600 м. Крупные тектонические нарушения земной поверхности способствуют проникновению поверхностных вод, насыщенных кислородом и углекислотой, на глубины до 1,5-3 км. Это приводит к возникновению локальных протяженных на глубину кор выветривания, называемых линейными.

Как уже упоминалось выше, при формировании кор выветривания изменению подвергаются алюмосиликатные породы, для которых наибольшее значение имеют химические реакции гидролиза и гидратации.

При гидролизе вынос катионов из минералов происходит в определенной последовательности. Прежде всего выносятся щелочные катионы (Na и К), затем щелочноземельные (Мg и Са), что приводит к последовательному переходу породообразующих алюмосиликатов (вначале нефелина, затем полевых шпатов) и силикатов (оливина, затем пироксенов и амфиболов) в глинистые минералы, которые представляют собой слоистые силикаты ещё сохраняющие в своем составе связь Si и Al. Постепенно с развитием процесса выветривания уже слоистые силикаты становятся неустойчивыми и при последующем выносе кремнезема переходят в оксиды и гидроксиды Fe³⁺ и Al³⁺. В итоге последовательность выноса наиболее распространенных элементов из выветривающихся пород такова: Na, K → Mg, Ca → Si → Fe→ Al. Таким образом, при дошедшем до конца выветривании алюмосиликатных пород в конечных продуктах устойчивым оказывается алюминий в виде гидроксидов, представленных чаще бемитом и гиббситом.

Обычно процессы выветривания до конца доходят лишь в условиях влажного жаркого климата. При этом конечные продукты глубокого выветривания различных по составу пород будут иметь несколько отличающийся минеральный состав. Так по ультраосновным породам, богатым Mg и Fe, но бедным SiO₂ и Al₂O₃, при выносе Mg, а затем и Si формируются остаточные коры выветривания, состоящие из оксидов и гидроксидов Fe, гематита, гетита, гидрогематита, гидрогетита, называемые «железными шляпами». Скопления этих минералов могут быть столь велики, что образуются целые месторождения бурых железняков. По богатым глиноземом (Al₂O₃) кислым и щелочным породам формируются коры выветривания, состоящие в верхней части только из гидроксидов Al, представляющие собой экзогенные алюминиевые руды, так называемые бокситы. На нижних горизонтах бокситовых залежей, где выветривание ещё не дошло до конца, могут сохраняться оксиды и гидроксиды Fe³⁺, придавая бокситам красную или буро-красную окраску. Такие коры выветривания, имеющие красно-бурую окраску, в которых остались только соединения Al³⁺ и частично Fe³⁺, получили название латеритных кор выветривания или просто латеритов («красноземов»).

В условиях умеренных широт (широты Сибири) при достаточном количестве влаги, но недостатке тепла глубокого химического выветривания не происходит. Обычно выветривание ограничивается выносом щелочных и щелочноземельных металлов, при этом в продуктах выветривания ещё сохраняется связь Si и Al, а поэтому продуктами выветривания в таких условиях будут гидрослюды и гидрохлориты, постепенно сменяющиеся типичными глинистыми минералами групп кандитов и смектитов. По основным и ультраосновным породам в этих условиях формируются сложные коры выветривания, состоящие на верхних горизонтах, испытывающих более длительное выветривание, из оксидов и гидроксидов Fe³⁺ – «железные шляпы», которые с глубиной сменяются горизонтами глинистых минералов. По кислым породам, бедным Fe, в этих условиях развиваются коры выветривания глинистого (каолинитового) типа, достигающие иногда значительной мощности, до 100 и более метров.

Специфичны коры выветривания по соленосным залежам. Обычные для соленосных толщ галит и сильвин, будучи легко растворимыми соединениями, выносятся, а гипс, ангидрит и глинистые минералы, как менее растворимые, остаются на месте, формируя так называемые «гипсовые шляпы».

В условиях сухого жаркого климата в виду отсутствия такого важного компонента выветривания как вода всё сводится в основном к физическому выветриванию, приводящему лишь к дезинтеграции коренных пород.

В условиях арктического (гляциального) климата при участии воды в основном в твердой фазе химическое выветривание ограничено, и коры выветривания весьма маломощны.

В корах выветривания любого состава и профиля кроме новообразованных минералов можно обнаружить и реликтовые – это химически стойкие минералы исходных пород, сохраняющиеся в процессе выветривания без изменения. Такими реликтовыми минералами могут быть кварц, рутил, циркон, монацит и др.

Процессы выветривания в морях и океанах весьма своеобразны по механизму протекания и продуктам. Подводное выветривание получило собственное название – гальмиролиз. В составе продуктов подводного выветривания преобладают глинистые минералы, в основном смектиты, обычно монтмориллонит.

4.1.2. ЗОНЫ ОКИСЛЕНИЯ представляют собой продукты экзогенного преобразования рудных месторождений. Так же, как и коры выветривания, зоны окисления приурочена к верхней части земной коры и является верхней частью рудных месторождений, попавших в условия воздействия поверхностных агентов выветривания, таких как кислород воздуха, углекислота, поверхностные воды и т.п. Свое название зона окисления получила по ведущей химической реакции, протекающей в процессе экзогенного преобразования минералов, а именно по реакции окисления. Наиболее интенсивно зоны окисления развиваются по сульфидным рудам, поскольку с одной стороны сами сульфиды в окислительной обстановке земной поверхности весьма неустойчивы, о чем говорилось выше, а с другой – процесс их окисления приводит к появлению в водах зоны аэрации серной кислоты и химически активных водорастворимых сульфатов различных металлов (Fe²⁺, Cu²⁺ и др.), усиливающих дальнейшее окисление и химическое преобразование как самих первичных сульфидов, так и минералов вмещающих горных пород. Мощность зоны окисления, как и мощность коры выветривания, определяется глубиной расположения уровня грунтовых вод, т. е. мощностью зоны аэрации, составляя обычно первые метры, реже десятки метров. По трещинным зонам могут развиваться линейные зоны окисления, проникающие иногда на глубину до 300 и более метров.

Х

Рис. 16. Общая модель формирования зоны гипергенеза сульфидного месторождения с образованием зон окисления и вторичного сульфидного обогащения

орошо проработанные, длительно существующие зоны окисления сульфидных месторождений имеют четко выраженное зональное строение. Особенно ярко это проявляется для полиметаллических (Cu-Pb-Zn) месторождений, полный вертикальный разрез которых включает собственно зону окисления и зону вторичного сульфидного обогащения (рис. 16). Часто и зона окисления, и зона вторичного сульфидного обогащения объединяются общим названием – зона гипергенеза рудных месторождений.

Собственно зона окисления (рис. 16) характеризуется обилием кислорода, атмосферных вод и углекислоты, что определяет резко окислительную обстановку этого горизонта. Первичные сульфидные руды, попавшие в эти условия, неизбежно подвергаются окислению. Окисляясь, сульфиды переходят сначала в сульфаты. Сульфаты со временем могут замещаться карбонатами, оксидами, гидроксидами соответствующих металлов. Зоны окисления обычно имеют весьма пестрый минеральный состав, что определяется составом исходных сульфидных руд. Кроме сульфатов, карбонатов, оксидов, гидроксидов, в зоне окисления могут возникнуть также при наличии соответствующих элементов ванадаты, арсенаты, фосфаты, молибдаты, хлориды и др. Такие металлы как медь, серебро, золото могут появиться в виде простых веществ (в самородном виде). Силикаты Cu, Pb и Zn обычно образуются в зоне окисления на заключительных (щелочных) стадиях, когда начинается активная миграция кремния. Что касается хризоколлы, этого наиболее часто встречающегося силиката Cu, то появление его в заметных количествах происходит лишь в зонах окисления медносульфидных месторождений, связанных со скарнами. Установлено, что появлению хризоколлы благоприятствует высвобождение заметного количества кремнезема, происходящее при химическом преобразовании гранатов кальциевого ряда, так характерных именно для скарнов. Алюмосиликаты боковых пород, вмещающих рудные залежи, в условиях зоны окисления переходят в основном в гидрослюды и типичные глинистые минералы, чаще в каолинит и галлуазит.

Поведение металлов в зоне окисления определяется растворимостью их сульфатов, образующихся при окислении сульфидов. Для полиметаллических (Cu-Pb-Zn) месторождений окисление сфалерита приводит к образованию легко растворимого в воде сульфата цинка – Zn[SO₄]. Поскольку зона окисления представляет собой зону активной водной миграции, в том числе боковой, то цинк может частично или даже практически полностью выноситься за её пределы. Если на пути таких сульфатных растворов встречаются карбонатные породы, то цинк в результате обменных реакций, протекающих по типу

Ca[CO₃] + Zn[SO₄] +H₂O → Zn[CO₃] + Ca[SO₄]∙2H₂O

фиксируется в них в виде карбоната – минерала смитсонита Zn[СO₃] в сопровождении гипса. Непосредственно в зоне окисления смитсонит в заметном количестве может образоваться лишь тогда, когда вмещающими для исходных сульфидных руд будут карбонатные породы, что встречается не так часто. В противоположность цинку свинец не выносится из зоны окисления, более того почти всегда в зоне окисления наблюдается его концентрация. Это происходит благодаря тому, что образующийся при окислении галенита сульфат свинца представляет собой практически нерастворимое в воде соединение – минерал англезит Pb[SO₄], который остается на месте и лишь со временем замещается карбонатом – церусситом Pb[СO₃]. Растворимый сульфат меди Cu[SO₄] в процессе водной миграции опускается на нижние горизонты, попадая в область застойных вод, где в результате обменных реакций сульфата меди с первичными сульфидами медь фиксируется в виде вторичных высокомедных сульфидов халькозина (Cu₂S) и меньше ковеллина (CuS), формируя зону вторичного сульфидного обогащения.

В зонах окисления многокомпонентных сульфидных руд при длительном их существовании наблюдается перераспределение металлов в вертикальном разрезе, что сопровождается в конечном итоге возникновением определенной вертикальной зональности, часто индивидуальной для каждого конкретного месторождения. Из верхней части зоны окисления, испытывающей более интенсивное и более длительное воздействие агентов выветривания, постепенно выносятся все рудные металлы, в том числе и свинец, кроме устойчивого здесь железа. Поэтому длительно существующие зоны окисления в своей верхней части представляют горизонт, сложенный оксидами и гидроксидами Fe³⁺ с примесью кремнезема и глинистых минералов, получившем название по аналогии с таким же по составу горизонтом в корах выветривания – «железной шляпы». В классическом варианте в пределах зоны окисления ниже железной шляпы выделен горизонт выщелоченных руд при малом содержании в нем рудных компонентов, переходящий далее в горизонт богатых окисленных руд. Для полиметаллических (Cu-Pb-Zn) месторождений это окисленные руды медно-свинцового состава при выносе из зоны окисления Zn. Ниже уровня грунтовых вод формируется зона вторичного сульфидного обогащения, обычно существенно обогащенная медью за счет образования здесь высокомедных сульфидов.

Для ряда объектов на границе окисленных руд и нижележащей зоны вторичного сульфидного обогащения фиксируется горизонт пиритовой или баритовой сыпучки.

Зона вторичного сульфидного обогащения (рис. 16) формируется по первичным сульфидным рудам ниже уровня грунтовых вод в условиях их горизонтальной циркуляции. Сюда из зоны окисления поступают воды, насыщенные водорастворимыми сульфатами металлов, образованных в процессе окисления сульфидов, среди которых преобладает сульфат меди.

В водонасыщенном горизонте кислород присутствует только в его верхней части и резко исчезает с глубиной. С исчезновением кислорода окислительная обстановка сменяется восстановительной. Следовательно, находящиеся в этой части разреза первичные сульфиды уже не окисляются. Однако они испытывают воздействие химически активных сульфатных растворов, опустившихся сюда с верхних горизонтов. Медь в составе водорастворимого сульфата, будучи металлом более активным, чем железо, цинк, свинец, вытесняет их из соответствующих сульфидов, что приводит к замещению сульфидов первичных руд халькозином (Cu₂S) и ковеллином (CuS). Реакции замещения сульфидов халькозином протекают по типу замещения пирита халькозином:

Fe[S₂] + Cu[SO₄] + H₂O → Cu₂S + Fe[SO₄] + H₂SO₄

пирит халькозин

Замещению высокомедными сульфидами (ковеллином и халькозином) подвергаются все главные минералы первичных сульфидных руд, а именно пирит, халькопирит, сфалерит и галенит. Процесс замещения халькозином начинается с поверхности сульфидных зерен, постепенно развиваясь вглубь. Очень часто именно халькозин становится в этой зоне основным рудным минералом, а медь – ведущим рудным металлом. Поскольку суммарное содержание металлов в этой зоне увеличивается по сравнению с первичными рудами за счет привноса меди с верхних горизонтов и образования вторичных высокомедных сульфидов за счет первичных сульфидов, то эта зона получила название зоны вторичного сульфидного обогащения, называемой иногда совершенно справедливо зоной вторичного медного обогащения.

Интенсивность гипергенных процессов, протекающих в зоне вторичного сульфидного обогащения, постепенно затухает с глубиной. В зоне застойных вод (рис. 16) в условиях востановительнй обстановки сульфидные руды уже не испытывают гипергенных преобразований и представлены первичным сульфидным минеральным парагенезисом.

Описанный гипергенный разрез и протекающие в его различных частях процессы отражают лишь общую тенденцию в формировании зоны гипергенеза рудных месторождений. На конкретных объектах картина может несколько отличаться, иногда усложняясь, иногда упрощаясь. Факторами, влияющими на это, являются элементный и минеральный состав исходных руд, соотношение рудообразующих компонентов, интенсивность оруденения, состав вмещающих пород, климатические и геоморфологические условия, длительность формирования, тектонический режим региона и многое другое.

Мощность зоны окисления и каждого из описанных горизонтов для конкретного объекта индивидуальны, как и то, что часть горизонтов может отсутствовать в разрезе зоны гипергенеза. Так для хорошо проработанных зон окисления некоторых колчеданно-полиметаллических месторождений Рудного Алтая в разрезе отсутствует горизонт выщелоченных руд, при этом под «железной шляпой» выделяется сульфатный горизонт, ниже – карбонатный и оксидный (с купритом и самородной медью). Оксидный горизонт, как предполагают, формируется за счет окисления богатых халькозиновых руд при понижении уровня грунтовых вод и смене восстановительной обстановки на окислительную.

Таким образом, зоны окисления рудных месторождений являются наиболее сложными по условиям формирования экзогенными объектами. Многофакторность минералообразующей системы, её нестабильность в пространстве и времени способствуют возникновению продуктов весьма пестрого минерального состава с весьма сложными пространственно-временными взаимоотношениями отдельных минералов и минеральных агрегатов. Тем не менее, общая тенденция в последовательности протекающих процессов в целом сохраняется, что приводит проявлению зональности в вертикальном разрезе зоны гипергенеза.