Гидротермальные процессы минералообразования

Введение
Гидротермальные процессы − эндогенные геологические процессы образования и преобразования минералов и руд, происходящие в земной коре на средних и малых глубинах с участием горячих водных растворов при высоких давлениях.
Согласно гипотезе А.Эммонса − кислая магма является источником, как воды гидротермальных растворов, так и металлов, переносимых в растворенной форме из магматического очага в области рудоотложения.
Остаточные надкритические растворы (флюиды), используя для своего продвижения системы трещин, возникающих при внедрении магмы в кровле магматических очагов, постепенно охлаждаются и сжижаются, превращаясь в гидротермы [2].
Гидротермы – горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результатесжижения газов.
По физико-химическому состоянию они могут быть взвесями, коллоиднымии молекулярными (истинными) растворами. Отложение минералов из водных растворов − один из видов минералообразования [1].
Цель исследования: изучить гидротермальные процессы минералообразования.
Задачи:
дать общую характеристику гидротермальных процессов минералообразования;
описать типоморфизм минералов;
привести примеры местрождений;
указать значени минералов.
1. Общая характеристика гидротермальных процессов минералообразования
Название «Гидротермальный» означает «водный горячий», и, следовательно, гидротермальные растворы – это горячие водные растворы.
Гидротермальным называется образование минералов путем кристаллизации из горячего водного раствора.
Такое определение, верное само по себе, недостаточно без указания нижней температуры, при которой вода уже считается горячей. Существуют разные мнения относительно ее определения. Горячими (термальными) считают воды, температура которых превышает комнатную (20 °С), среднюю температуру человеческого тела (37 °C), среднегодовую температуру данного региона или даже просто температуру окружающей среды. В данном пособии мы будем считать горячими воды с температурой выше 37°С. С точки зрения фазового состояния, минералообразующие водные среды могут быть представлены как субкритическими, так и надкритическими водными растворами.
Исследования выходов гидротермальных вод на поверхность в виде горячих источников, условий отложения из них вещества и особенностей водного режима, в первую очередь в областях современного вулканизма, показывают, что в формировании гидротерм определенную, а иногда и главную роль, могут играть поверхностные (метеорные) воды.
Метеорные воды поступают за счет инфильтрации из атмосферы в виде дождя или снега в относительно недавнее геологическое время. Температура таких вод при проникновении их вглубь Земли постепенно повышается, они постепенно обогащаются различными компонентами за счет выщелачивания их из пород, через которые они проходят (выщелачивание тем интенсивнее, чем выше температура этих вод). Если магматический очаг неглубоко залегает, как это имеет место в вулканических областях, состав вод может меняться за счет глубинных эманаций, возникающих либо в самом магматическом очаге,вызывающем нагрев вод, либо при прогревании им вмещающих пород [5]. Метеорные воды с глубиной постепенно теряют кислород и, в конце концов, могут по своему составу и свойствам стать типичными гидротермальными и даже высокотемпературными растворамидаже высокотемпературными растворами [3].
Основные причины отложения минералов из гидротермальных растворов этотемпература, давление, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия.
Минералы отлагаются в форме жил. Глубина образования гидротермальных месторождений в значительной мере обусловливает давление, при котором они создаются. Такие месторождения могут формироваться в самых приповерхностных частях земной коры и даже на поверхности, где давление составляет всего 100 Па. Наиболее благоприятные условия для проявления гидротермальных процессов создаются на малых и средних глубинах (3-5 км от поверхности).
Главная масса гидротермальных образований пространственно и генетически связана с интрузивами кислых пород (гранитов, гранодиоритов). По мере удаления от магматических очагов в сторону земной поверхности, гидротермальные растворы встречают среду, постепенно обогащенную кислородом, при этом внешнее давление соответственно падает, температуры снижаются предположительно от 400°С до нескольких десятков градусов. Эти факторы, естественно, влияют на ход химических реакций и на минеральный состав гидротермальных образований. По преобладанию тех или иных ассоциаций минералов эти образования совершенно условно делятся несколько видов в таблице 1.
Таблица 1 – Минеральные ассоциации гидротермального процесса [8]
Среди высокотемпературных образований могут встречаться ассоциации минералов,кристаллизующихся и при низких температурах.
В гидротермальных парагенезисах следует различать жильные минералы и второстепенные или акцессорные минералы.
Минералы, слагающие большую часть тела жилы, называют жильными. Типичными жильными минералами являются кварц SiO2, кальцит Ca[CO3], барит Ba[SO4] и флюорит CaF2.
Минералы, которые присутствуют в подчиненном количестве, расматривают как второстепенные или акцессорные. К ним относится большинство рудных минералов жил: сульфиды Cu, Pb, Zn, Mo; оксиды Fe, Sn, W.
По температуре образования гидротермальные парагенезисы принято условно делить на высокотемпературные (гипотермальные) 300ºС, среднетемпературные (мезотермальные) – 150–300 ºС и низкотемпературные (эпитермальные) 150 ºC.
По отношению к источнику растворов гидротермальные образования разделяют на плутоногенные, вулканогенные, метаморфогенные и телетермальные.
Плутоногенные парагенезисы возникают за счет растворов, отделяющихся от магматических тел при их кристаллизации. Образование жил происходит непосредственно вблизи самого источника растворов (плутона), который локализован на глубине.
К этому типу относятся высокотемпературные жилы, связанные с процессом грейзенизации и содержащие вольфрамит (Fe,Mn)WO4, берилл Be3Al2[Si6O18], касситерит SnO2, висмутин Bi2S3 и молибденит MoS2. Из нерудных минералов присутствуют топаз Al2[SiO4]F2 и флюорит CaF2, жильным чаще всего является кварц. В зальбандах образуются оторочки мусковита KAl2[AlSi3O10](F,OH)2 и иногда поздний калишпат K[AlSi3O8] (см. рис. 1).
Рис.1. Соотношение процессов грейзенизации и альбитизации при образовании апогранитов в зависимости от активности К и Nа, кислотности среды и температуры [6]
При средних температурах образуются жилы с сульфидной – медной, медно-полиметаллической и полиметаллической (часто с Ag) минерализацией

. Главными рудными минералами здесь являются халькопирит CuFeS2, сфалерит ZnS, галенит PbS, блеклые руды Cu12[(As,Sb)S3]4S, а жильными – кварц и карбонаты. К среднетемпературным образованиям относятся карбонатные жилы с арсенидами Co и Ni (никелин NiAs, раммельсбергит NiAs2, саффлорит (Co,Fe)As2 и скуттерудит (Co,Ni)As3), такие жилы могут содержать сульфосоли Ag и Bi и минералы U. Эти минералы входят в разных соотношениях в состав руд месторождений: Хову Аксы, Асхатиин Гол (Тува), пров. Онтарио в Канаде, Рудных Гор и Саксонии (Чехия и Германия). К среднетемпературным образованиям относятся также кварцевые жилы с самородным золотом и золотоносными сульфидами – кварцево-жильные Ag-Au-ассоциации.
Вулканогенные минеральные ассоциации образуются в широком диапазоне температур. Однако в парагенезисах преобладают средне- и низкотемпературные минералы. Большую роль в образовании этих ассоциаций играет смешение магматогенных и метеорных вод. Так как кристаллизация идет при быстром снижении температуры и частых тектонических подвижках, для вулканогенных жил характерны мелкозернистые и скрытозернистые минеральные агрегаты и совмещение в пространстве высоко- и низкотемпературных ассоциаций.
Существуют гидротермальные минеральные ассоциации, генезис которых невозможно связать с какими-либо магматическими проявлениями. Полагают, что в этом случае минералообразующие растворы мигрировали от своих источников на слишком большое расстояние, и такие парагенезисы называют телетермальными (от «теле» – далеко).
Телетермальные парагенезисы – гидротермальные образования, для которых невозможно установить конкретный источник вещества.
К ним относятся низкотемпературные ассоциации, содержащие сульфиды As, Sb, Hg: реальгар As4S4, аурипигмент As2S3, антимонит Sb2S3, киноварь HgS. Нередко они приурочены к тектоническим швам глубинных разломов, как это имеет место для ртутных месторождений Горного Алтая, Тувы и Монголии.
Кроме того, к телетермальным относят также минеральные парагенезисы, кристаллизующиеся из термальных вод, выделяющихся при дегидратации водосодержащих минералов осадочных пород на низких ступенях регионального метаморфизма. Такие воды в слабометаморфизованных толщах, содержащих соленосные эвапориты, становятся солеными и превращаются в очень агрессивные растворы с высокой экстрагирующей способностью. Они растворяют минералы дренируемых слабометаморфизованных пород, экстрагируют и выносят содержавшиеся в них компоненты, которые затем отлагают в виде совершенно иных, иногда экзотических, минеральных парагенезисов. Например, считают, что именно такому процессу обязаны образованием необычные мусковит-альбитовые жилы с хромсодержащим бериллом Be3Al2[Si6O18] (изумрудом) в Колумбии (Южная Америка) [6].
2. Типоморфизм минералов
Типоморфизм минералов генетическая обусловленность характерных свойств и признаков минераловлов, а также их парагенезисов и минеральных ассоциаций. Термин «типоморфный минерал» был введен петрографом Ф. Бекке в 1903 году для обозначения минералов, маркирующих определенные зоны регионального метаморфизма. Понятие типоморфизм минералов в современном его значении введено в минералогию А. Е. Ферсманом в 1931 г.
К типоморфным свойствам минералов относят кристалломорфологию (габитус кристаллов, двойники и др.); вариации химического и изотопного составов; некоторые физические свойства (плотность, микротвердость, отражательная способность, люминесценция, электрические, магнитные и др.); структурные особенности (степень упорядоченности структур минералов, различие в структурах политипов). Типоморфные свойства и признаки минералов могут служить индикаторами условий их образования (напр. температуры, давления, состава растворов, вариаций щелочности – кислотности).
Типоморфизм минералов используют для решения многих практическихзадач (оценке степени рудоносности горных пород, поисках рудных месторождений некоторых типов, определении промышленного значения рудопроявлений, при поиске скрытых рудных тел и т. д.) [4].
Касситерит − минерал состава SnO2.
Свойства
Сингония: Тетрагональная
Состав (формула): SnO2
Цвет: бурый до смоляно-черного, красновато-коричневый, красный, желтый, серый, реже бесцветный, зеленоватый. Окраска часто зональная.
Цвет черты (цвет в порошке): белый, светло-коричневый, бледно-серый
Прозрачность: прозрачный, просвечивающий, непрозрачный
Спайность: несовершенная
Излом: неровный, раковистый
Блеск: алмазный, жирный
Твёрдость: 6-7
Удельный вес, г/см3: 6,98-7,01 − измеренный; 6,993 – вычисленный.
Особые свойства: касситерит хрупкий, немагнитен.
Рис. 2. Касситерит (https://kristallov.net/kassiterit.html)
Молибденит – минерал, природный сульфид молибдена.
Свойства
Сингония: гексагональная
Состав (формула): MoS2, возможна примесь Re, Se
Цвет: свинцово-серый до свинцово-чёрного, часто с характерным голубоватым или розоватым оттенком
Цвет черты (цвет в порошке): свинцово-серый до голубовато-серого, блестящий; растёртая черта имеет луково-зелёный оттенок
Прозрачность: непрозрачный
Спайность: весьма совершенная
Излом: неровный
Блеск: металлический
Твёрдость: 1-1,5
Удельный вес, г/см3: 4,62 -4,73; расчётный – 5,00
Особые свойства:
Рис.3. Молибденит (https://kristallov.net/molibdenite.html)
Молибденит не плавится паяльной трубкой. Слегка окрашивает пламя в желтовато-зелёный цвет. С трудом растворяется в концентрированной серной кислоте при медленном кипячении. Полупроводник. Анизотропен (сильно выражен плеохроизм). Жирный на ощупь.
Пирит − серный колчедан, железный колчедан − минерал, дисульфид железа химического состава FeS2.
Сингония: Кубическая
Состав (формула): Fe2+S2, пирит содержат полианионную группу типа гантелей (S2)2-, в отличие от моноанионной группы S2- в троилите. Возможна примесь кобальта, никеля, мышьяка, меди, цинка, серебра, золота, таллия, селена, ванадия.
Цвет: золотисто-жёлтый, соломенно-жёлтый, латунно-жёлтый
Цвет черты (цвет в порошке): зеленовато-чёрный, коричневато-чёрный
Прозрачность: непрозрачный
Спайность: несовершенная
Излом:н, Раковистый
Блеск: металлический
Твёрдость: 6-6,5
Удельный вес, г/см3: 4,9-5,2
Рис.4