Экзогенные минералообразующие процессы

Экзогенные  минералообразующие процессы

Экзогенные (= гипергенные) - процессы, развивающиеся на поверхности Земли или в непосредственной близости от поверхности под влиянием энергии Солнца, воды, ветра, свободного кислорода и СО₂ атмосферы (экзо – снаружи, гипер – над, сверх). Для этих процессов характерны следующие факторы минералообразования:

а) изменение  физико-химической обстановки РТ-условий. В условиях дневной поверхности - низкого давления и низких температур - многие эндогенные минералы, возникшие при высоких Т и Р, становятся неустойчивыми. Это приводит к их разложению, появлению новых полиморфных модификаций, к распаду твердых растворов. Хотя инерция кристаллической решетки минералов очень велика, неравновесность эндогенных минеральных ассоциаций в поверхностных условиях является одной из причин их изменения;

б) появление  новых факторов минералообразования - свободного кислорода атмосферы, углекислоты, атмосферной воды (ненасыщенной, а потому обладающей большой растворяющей способностью), резких перепадов температур (суточных и сезонных; в областях с резко континентальным климатом диапазон таких перепадов может достигать 100 ^оС) - является главной причиной экзогенного минералообразования, направленного на создание новых минеральных ассоциаций, равновесных в поверхностных условиях.

Самый простой  случай экзогенного изменения - физическая дезинтеграция пород и минералов - физическое выветривание, происходящее под воздействием колебаний температуры, поскольку коэффициенты теплового расширения минералов в породе различны. Растрескивание усугубляется попаданием воды в трещинки, особенно при ее замерзании. Однако в чистом виде физическое выветривание - явление довольно редкое. Обычно оно сопровождается, а иногда и вызывается химическим изменением минералов. В зависимости от условий изменения минералов и нового минералообразования экзогенные процессы могут быть дифференцированы.

2.1. Процессы  выветривания и окисления

Характер возникающих  при выветривании минеральных ассоциаций на месте прежних зависит от двух обстоятельств: а) от того, что разрушается, т. е. какие породы подвергаются выветриванию, каковы исходные минеральные комплексы; б) от условий выветривания.

Если выветриванию подвергаются силикатные и алюмосиликатные  породы, образуются коры выветривания. Если же экзогенному изменению подвергаются рудные, особенно сульфидные ассоциации, возникают зоны  
окисления.

Рассмотрим  влияние условий выветривания на примере тех и других.

2.1.1. Коры выветривания

А. В  условиях влажного и жаркого климата выветривание характеризуется глубоким окислением, особенно минералов, содержащих закисные формы элементов (Fe⁺², Mn⁺³), выносом кремнезема, щелочных и щелочноземельных элементов, т. е. глубоким химическим изменением пород (рис. 21). При этом в зависимости от состава исходных пород остаточные продукты будут различаться.

1. Если выветриванию  подвергается ультраосновная порода, происходит накопление главным образом оксидов и гидроксидов Fe - гематита, лимонита. Иногда количество их велико, и возникают промышленные концентрации (Елизаветинское месторождение на Урале).

2. Если выветриванию  подвергаются основные, кислые или щелочные породы, богатые глиноземом, накапливаться будут гидроксиды алюминия - диаспор, гиббсит, бёмит, образующие иногда скопления - бокситы (Индия, Гвиана, Австралия).

И в том, и  в другом случае минералообразование  сопровождается глинистыми минералами, например, каолинитом. Такие коры выветривания называются латеритными.

3. Если выветриваются  породы, обогащенные марганцем, - карбонаты Mn (родохрозит), силикатные марганцевые породы (например, метаморфические сланцы с высоким содержанием спессартина - марганцевого граната), образуются коры выветривания марганцевого типа. Мощность таких кор может достигать нескольких десятков метров. При этом образуются оксиды и гидроксиды марганца - пиролюзит, манганит, псиломеланы.

Другие компоненты разрушающихся пород выносятся  настолько интенсивно, что иногда возникают и чистые, сплошные марганцевые  руды. Например, пиролюзит месторождений  такого типа в Гане используется как  высококачественный материал при производстве электрических аккумуляторов. Такие же месторождения известны в Бразилии.

Б. В  условиях умеренного климата такого интенсивного химического разрушения пород, как во влажном и жарком климате, не происходит. Наиболее существенно то, что кремнезем остается на месте выветривания, поэтому продукты выветривания будут отличаться от кор латеритного типа.

1. За счет  ультраосновных пород будут формироваться коры силикатно-никелевого типа. Что при этом происходит? Ультраосновные породы, предварительно серпентинизированные, разлагаются со «сбрасыванием» SiO₂ в виде тонкодисперсного кварца - халцедона; возникают глинистые минералы, карбонат Mg (магнезит), гидроксиды Fe, оксиды Mn. За счет никеля, которым богаты ультраосновные породы, образуются сложные слоистые силикаты Ni (гарниерит, ревденскит). Таковы коры выветривания Южного и Среднего Урала, используемые как руды на никель.

2. По кислым  породам в условиях умеренного  климата будет развиваться кора глинисто-каолинитового типа: за счет разрушения полевых шпатов образуется каолинит, и граниты превращаются в кварц-каолинитовые породы, мощность отложений которых иногда достигает нескольких метров (на Украине известны толщи до 100 метров и более!).

3. Кора железистого типа возникает по карбонатным железистым отложениям. Карбонаты переходят в гидроксиды железа, скопления которых представляют очень ценную руду (тип Бакальского месторождения на Южном Урале).

4. При выветривании соляных  залежей образуются гипсовые шляпы: хлориды натрия и калия (галит и сильвин) растворяются и выносятся, а более труднорастворимые соединения (гипс, ангидрит, глинистые минералы) остаются на месте. При таком типе выветривания, если оно происходит в засушливых условиях, могут образовываться также скопления боратов, представляющие практический интерес (Северо-Западный Казахстан).

Мы остановились лишь на некоторых примерах кор выветривания, хотя они более разнообразны.

2.1.2. Зоны окисления

Формирование  и обобщенное строение зоны окисления  рудного (сульфидного) тела можно представить следующим образом (рис. 22).

Выше уровня грунтовых  вод в условиях нисходящей циркуляции приповерхностных вод зоны аэрации формируется собственно зона окисления (1) с такими подзонами:

а) подзона окисленных руд. Это область воздействия атмосферного кислорода, дождевых вод и углекислоты. Здесь происходит интенсивное окисление сульфидов и образование вторичных оксидов, гидроксидов и других минералов. Растворы постепенно обогащаются растворимыми сульфатами и другими промежуточными продуктами реакций и просачиваются глубже;

б) подзона выщелоченных окисленных руд. Здесь усиливается выщелачивание сульфидов и вынос металлов высококислыми растворами-электролитами;

в) подзона богатых окисленных руд. Это окисленная верхушка нижележащей зоны вторичного обогащения сульфидами.

Ниже, в условиях боковой  циркуляции грунтовых вод, в восстановительных  условиях формируется зона вторичного сульфидного обогащения (2). Еще ниже, в зоне застойных вод, находятся неизмененные первичные руды (3).

Главные факторы формирования зоны окисления сульфидных месторождений -химическое и биогенное окисление минералов и электрохимические процессы. Реакции идут не только с участием кислорода, но и таких химически активных веществ, как H₂SO₄, CuSO₄, FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃, которые образуются при окислении:

4FeS₂ (пирит) + 15O₂ + 2H₂O → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂SO₄;

MoS₂ (молибденит) + 4.5O₂ + 3Ca⁺² + 3H₂O → Ca[MoO₄] (повеллит) +

2Ca[SO₄] + 6H⁺;

CuFeS₂ (халькопирит) + 4O₂ → Cu(SO₄) + Fe(SO₄);

CuFeS₂ + CuSO₄ → 2CuS (ковеллин) + Fe(SO₄);

2CuFeS₂ + 3CuSO₄ + 3FeSO₄ → Cu₅FeS₄ (борнит) + 2Fe₂(SO₄)₃;

Cu₅FeS₄ + Cu⁺² → 2Cu₂S (халькозин) + 2CuS + Fe⁺²;

CuS + 2ē → Cu^o + S^-2.

Таким образом, имнение, например, халькопирита схематически представлено на рис. 23. Кроме того, в зоне окисления идут реакции с другими компонентами, присутствующими в растворах или твердых фазах.

Таким путем, выше уровня грунтовых вод образуется большое число оксидов и гидроксидов (куприт, лимонит), карбонатов (малахит, азурит, смитсонит, церуссит), сульфатов (англезит, гипс, ярозит), силикатов (виллемит, гемиморфит), молибдатов (вульфенит, повеллит). При окислении сульфидов и гидролизе сульфатов железа образуются гидроксиды Fe (охристый лимонит, натечные агрегаты гётита).

Иногда их так много, что  породы оказываются совершенно бурыми. Обогащенную железом верхнюю часть зоны окисления часто называют железной шляпой.

Воды зоны окисления после  насыщения легкорастворимыми соединениями выступают как раствор электролита, в котором пары минералов образуют микрогальванические элементы. В такой паре минерал-анод будет растворяться, а минерал-катод - нет. Этим объясняется избирательность и неравномерность окисления различных сульфидов. Примеры пар катод-анод: пирит-галенит, халькопирит-галенит, галенит-сфалерит.

Ниже уровня грунтовых вод окислительная обстановка сменяется восстановительной, поскольку грунтовые воды, уровень которых ограничивается зеркалом ближайших открытых бассейнов, не пропускают глубже свободный кислород, поступающий из верхних частей зоны окисления. Поэтому в растворах сульфатная сера частично восстанавливается до сульфидной. Соответственно, наряду с процессами замещения первичных сульфидов вторичными (развитие ковеллина по халькопириту, сажистого халькозина по пириту), идущими при реакциях с сульфатсодержащими растворами, здесь образуются также вторичные цементационные сульфиды (ковеллин, пластинчатый халькозин) при реакциях Н₂S и металлов, находящихся в растворах. Эти вторичные сульфиды, гораздо более богатые медью, чем окислявшийся первичный халькопирит (или же борнит), цементируют трещинки и поры в минералах первичных сульфидных руд. Поэтому эта часть зоны окисления носит название зоны цементации или зоны вторичного сульфидного обогащения. Ниже, в зоне застойных вод, влияние приповерхностного окисления вообще перестает сказываться и наблюдается постепенный переход к неизмененным первичным рудам.

Следует отметить, что для формирования зон окисления сульфидных месторождений вода имеет важнейшее значение - как переносчик реагентов и продуктов окисления. Поэтому в условиях ее недостатка могут формироваться зоны окисления с одной и той же минеральной ассоциацией как на месторождениях, расположенных в зоне вечной мерзлоты, так и в случае, когда окисление идет в засушливых районах Африки (меторождение Цумеб).

В зонах окисления  арсенидных малосульфидных месторождений  никеля и кобальта главными вторичными минералами являются различные арсенаты (эритрин, аннабергит и другие). Зона цементации с вторичными арсенидами в этих месторождениях не развивается.

2.2. Процессы  осадконакопления

В зависимости  от того, идет ли механическое накопление переносимых минералов, или имеют  место еще и химические процессы новообразования минералов, различают несколько типов продуктов осадконакопления.

2.2.1. Механические  осадки

Как показывает название, здесь речь идет не столько  о минералообразовании, сколько  о сохранении и накоплении устойчивых в поверхностных условиях минералов. К таковым относятся кварц, каолинит, рутил, ильменит, золото, платина и платиноиды, алмаз, монацит, циркон, танталит-колумбит и некоторые другие. В зависимости от механической прочности и, особенно, плотности происходит разделение этих минералов. При этом могут возникать, например, кварцевые пески или залежи так называемых переотложенных каолинитов, последние наиболее ценятся за чистоту и однородность и представляют собой высококачественное сырье; таким же путем возникают переотложенные бокситы - скопления минералов алюминия; за счет дифференциации возникают речные и морские россыпи.

2.2.2. Инфильтраты

Образование инфильтрационных (от «инфильтрация» - просачивание) минералов идет путем отложения вещества, растворенного в поверхностных водах, в пустотах или пористых породах. Причиной такого отложения является реакция этих вод, обогащенных растворимыми компонентами пород, через которые воды «фильтровались», с породами, отличными по составу. Часто такими породами являются известняки с их карстовыми полостями или пористые песчаники. Например, при образовании зоны окисления в растворах образуются легкорастворимые ZnSO₄ и CuSO₄. Иногда растворы с этими сульфатами выносятся за пределы зоны окисления и, попадая в карбонатную среду или силикатно-карбонатные породы, реагируют с образованием малорастворимых соединений типа:

Zn(SO₄) + Ca[CO₃] → Zn[CO₃] (смитсонит) + Ca[SO₄] (ангидрит).

Так же сульфатные растворы меди, попадая в песчано-карбонатные  или карбонатно-глинистые породы, реагируют с образованием карбонатов, оксидов и других минералов меди: возникает очень важный в промышленном отношении тип медистых песчаников (Джезказган) и медистых сланцев (Мансфельд). Таким же путем, связываясь в виде ванадатов, фосфатов, арсенатов, образуются инфильтрационные месторождения урана -в виде урановых слюдок (провинция Отэн во Франции, плато Колорадо в США, дающие уран и ванадий).

Этот тип  минералообразования можно считать  переходным к гидротермальному, а  в некоторых случаях и собственно гидротермальным, если температура растворов превышает температуру вмещающих пород (например, гидротермокарст).

2.2.3. Химические  осадки

А. Хемогенно-коллоидное минералообразование. Поверхностные воды нередко содержат растворенные вещества в виде коллоидов. При попадании таких коллоидных растворов в морские бассейны происходит разрушение коллоидов морской водой, являющейся электролитом. Происходит коагуляция коллоидов слипание коллоидных частиц, которые затем в виде мелких сгустков, комочков опускаются на дно, давая начало морским осадкам. В виде таких коллоидно-хемогенных осадков могут накаливаться гидроксиды Fe, Al, Mn. При этом из-за того, что стойкость коллоидных растворов этих элементов различна, разрушаются они не одновременно, и, вследствие этого, в их отложениях нередко проявляется зональность.