Текст книги "Месторождения и история"

Верн, Ж., 2003, Великие Географические открытия. Москва, СПб, Эксмо, Terra Fantastica, т. 1–2.

История Донецка.

Старая Соль.

Широкова В. А., 2005, Соляные промыслы России. Вопросы естествознания и техники, № 3.

Helminger B., 2004, Salzburg, Colorama, 2003, 64 p.

Kurlansky, M., 2002, Salt. A World History, Walker and Company, New York, 484 p.

Глава 1.3. Месторождения меди и цветных металлов

Медь вместе со свинцом и цинком принадлежит к группе цветных металлов. В англоязычной литературе для их обозначения употребляется термин «основные металлы» (base metals) (Base metal). В эту группу включаются медь, свинец, никель, цинк. Металлы этой группы противопоставляются как металлам группы железа, так и, главным образом, драгоценным металлам, таким как золото и серебро.

Среди медных месторождений встречаются практически все генетические типы: чисто магматогенные, кристаллизующиеся из магматических расплавов, гидротермальные жильные, формирующиеся в процессе кристаллизации из высокотемпературных водных растворов, и, наконец, месторождения осадочные. В природе имеются десять соединений меди. По составу, физическим свойствам и особенностям среди них выделяются два ряда: халькозин-дигенитовый (Cu₂S – Cu1.75S) – высокомедистые сульфиды и джирит-ковеллиновый ряд (Cu1.6S – CuS) маломедистых сульфидов. Минералы первой группы неустойчивы в экзогенной обстановке, т. к. присутствие даже небольшого количества кислорода в рудообразующей системе приводит к окислению и выносу меди.

Сульфиды меди и железа представлены халькопиритом (CuFeS₂) кубанитом (CuFe₂S₃) изокубанитом, борнитом (CuFeS₄) и идаитом (Cu₃FeS₄). Кроме этих стехиометрических минералов известны нестехиометрические соединения. Последние являются типоморфными минералами экзогенных руд – современных океанических осадков, неметаморфизованных медистых песчаников и сланцев, зон вторичного сульфидного обогащения. Высокомедистые нестехиометрические сульфиды с отношением Cu: S более 1.75 приурочены к первичным рудам, а нестехиометрические с отношением Cu: S менее 1.75 – к гипергенно-измененным рудам континентального и океанического происхождения (Габлина, 2008, Медные руды).

Древнейшие находки медных изделий датируются VIII–IX веками до н. э. Наиболее древние известные центры добычи меди располагались в Малой Азии. Древнейшим источником этого металла, снабжавшим медью Грецию и Рим, были месторождения массивных сульфидных руд острова Кипр.

Само латинское название металла «купрум» прямо происходит от латинского названия острова Кипр. Плиний Старший в 77 году до н. э. писал: «Медь впервые добывали на Кипре» (что не так, но подчёркивает роль месторождений Кипра в поставках меди в древний Рим). В основном, медь выплавлялась на острове и экспортировалась из Кипра в виде слитков, имеющих форму растянутой бычьей шкуры. В страны, находившиеся недалеко от Кипра, например, в Сирию, вывозили также медную руду. Об этом свидетельствуют находки некоторого количества руды в Рас-Шамре. Химический анализ их подтвердил, что это медь с Кипра. Одним из наиболее известных городов того времени был Энкоми близ современной Фамагусты, упоминаемый в клинописных текстах, найденных в Угарите (Сирия) и Эль-Амаре (Египет). О прочных связях с Египтом говорят и изделия, обнаруженные при раскопках в Энкоми, такие как скарабеи Тиу, супруги фараона Аменхотепа III. Мягкие медные орудия были неудобны и во многом даже уступали каменным. В Египте в середине III тысячелетия до н. э. отмечается даже временный спад производства медных орудий и возврат к индустрии камня.

Греческое название металла «халькос» образовано по названию главного города острова Эвбеи. Близ него располагалось другое месторождение того же типа, что и на Кипре, из которого древние греки впервые стали получать медь.

Комплексные месторождения меди, кобальта, никеля и платины (так называемые месторождения типа Седбери) образуются при самых высоких температурах. Ряд исследователей считает их результатом кристаллизации рудной магмы, существовавшей в виде расплава наряду с силикатным расплавом, другие полагают, что они образовались в результате кристаллизации из высокотемпературных водных растворов. Хотя эти месторождения разрабатываются главным образом на никель, кобальт и платину, они дают и сейчас 45 % меди России. Общая характеристика этих месторождений и история их открытия приведена в главе 2.7, в связи с описанием истории открытия месторождений этого типа в районе Норильска и Талнаха.

На контакте интрузий силикатных магм обычно кислого состава (гранитов и близких к ним пород – гранитоидов) с известняками образуются месторождения скарнового типа. Считается, что основную роль в их формировании играют процессы молекулярного (ионного) обмена в условиях высоких температур.

Наиболее распространенный тип месторождений меди образуется в результате кристаллизации из высокотемпературных водных растворов, гидротерм. Это месторождения «кипрского типа», медно-порфировые месторождения, подтипом которых являются колчеданные месторождения Урала.

И, наконец, особую группу составляют месторождения сложного генезиса, на разных этапах образования которых сыграли роль эндогенные процессы, определившие привнос меди на поверхность, осадконакопление в водных бассейнах в условиях земной поверхности и переотложение рудных компонентов горячими водами в ходе процессов метаморфизма.

Медные месторождения ассоциируются с месторождениями других «основных металлов», таких как свинец и цинк, а также с месторождениями молибдена.

Главной рудой на медь служат ее сульфиды, прежде всего халькопирит, дисульфид меди и железа, чисто медный сульфид ковеллин и сульфид железа и меди борнит. В меньшей степени развиты сульфосоли меди (медный сульфарсенид-теннантит). Самородная медь редка, хотя на древнейших этапах истории использовалась и она.

Легкая окисляемость медных минералов приводит к тому, что в условиях земной поверхности образуются водосодержащие медные минералы. В зависимости от химизма поверхностных вод это либо малахит (гидратированный карбонат меди), либо бирюза (гидратированный алюмофосфат меди). Пленки этих минералов образуют прекрасные натечные формы, одинаково высоко ценимые американскими индейцами и ювелирами Европы. Пластинки малахита использовались для отделки стен Зимнего дворца, колонн Исаакиевского собора в Петербурге, дворцов Версаля, огромных каменных ваз и столешниц, составивших лучшие украшения дворцов русских царей (Периодическая система элементов Менделеева. Медь).

Легкоплавкость меди сделала ее первым металлом, выплавляемым человеком. Она стала основой зарождающейся металлургии сплавов, из которых были созданы орудия Бронзового века. Столетия спустя высокая электропроводность меди сделала ее главным материалом для изготовления электрических проводов и генераторов. Она сделала возможной вторую промышленную революцию, заложив основы электротехники. Медные трубы широко используются во внутренних системах водоснабжения, кондиционерах и холодильных агрегатах, в судостроении. Медно-никелевые сплавы применяются в судостроении и для чеканки разменной монеты. Медь использовалась в ювелирном деле в виде сплава с золотом; распространение получил и сплав меди и цинка – латунь. Медная красная посуда всегда была украшением кухни. Как известно, лучший тип самоваров – медные самовары. Во французских Пиренеях есть городок Мирепо, полностью специализирующийся на продаже посуды из красной меди. Аналогичные городки есть и в северо-восточной Франции. Медная посуда везде пользуется большим спросом у туристов (Сферы применения меди).

По объему добычи медь занимает третье место в мире после железа и алюминия. Огромные масштабы добычи и потребность в меди на рынке необходимо иметь в виду, говоря об истории медных месторождений; освоение и разработка их требуют больших капиталовложений и огромных организационных усилий. Неудивительно, что ведущую роль в освоении медных месторождений играют государства или крупные межнациональные медные корпорации.

месторождения самородной меди расположены на полуострове Кьюино (Keweenaw), на озере Верхнем (Superior) в штате Мичиган. Руды концентрируются на нескольких разобщенных участках, которые можно считать отдельными месторождениями. Рудовмещающими породами являются переслаивающиеся пласты миндалекаменных базальтов и конгломератов верхнепротерозойского возраста, связанных с авлакогеном, протягивающимся под всей Североамериканской платформой. В настоящее время он преобразован в систему горстов и грабенов, выраженных в поле силы тяжести и магнитном поле системой линейных положительных аномалий (Мид-континент хай). Эта структура аналогична расположенной в северо-восточной части Сибирской платформы Уджинской антиклинали. Минерализованные пласты прослеживаются на 10–12 метров.

Самородная медь и редко самородное серебро сопровождаются цеолитами, хлоритом, пренитом, кальцитом, гематитом, кварцем, путтелитом. На месторождении развиты секущие кальцитовые жилы, в которых встречены крупнейшие самородки меди, в том числе самый большой из доселе найденных в мире: пластина размером 13.7×6.7×2.4 метра, массой около 420 тонн. Но основная масса меди добывается из базальтов, в которых она выполняет пустоты, и из конгломератов. Весь этот парагенезис говорит о небольшой глубине и низкотемпературном вулкано-гидротермальном происхождении всего минерализованного комплекса в условиях резкого дефицита серы (Brandes).

Месторождения издавна были известны местным индейским племенам гуронов и дакота. В 1771 году Александером Хенри здесь был открыт первый современный медный рудник. Как символ богатств района, А. Хенри послал массивную глыбу, сложенную самородной медью и названную Онтонагон Боулдер, в Детройт. Но настоящее использование богатств полуострова началось в середине XIX века, в 1841 году, когда они заново были описаны Дагласом Хотоном (Douglass Houghton). С открытием и началом их эксплуатации связана первая в истории США рудная горячка, на несколько лет опередившая золотую калифорнийскую лихорадку 1849 года. Между 1843 и 1846 сюда прибыли тысячи поисковиков. За 150 лет эксплуатации из месторождения было извлечено 12 миллиардов фунтов (5 миллионов тонн) меди (Michigan’s copper deposits).

Другое крупное месторождение (Корокоро) расположено в Боливии. Оно приурочено к песчаникам. Минерализация распространена на площади 30 000 м². Мощность рудных тел составляет 0.5–2 метра и лишь на отдельных участках она возрастает до 12 метров. Самородная медь ассоциирует с халькозином, гипсом, кальцитом, баритом, кварцем, целестином. Этот парагенезис указывает на связь минерализации с низкотемпературными (менее 1000° С) гидротермами. Предполагают, что самородная медь образуется здесь за счет восстановления органическим веществом песчаников (Боливия).

Самородная медь обнаружена в западной Канаде на острове Ванкувер, в песчаниках близ Ровно на Украине. Возможно, ключом к пониманию генезиса самородной меди являются находки ее в полевых шпатах в габбро близ Тосканы, а также в полевых шпатах, роговой обманке и пироксенах в сиенитах и диабазах Намибии и ЮАР. В ряд этих минералов укладываются систематические находки самородных металлов в не измененных вулканических породах Камчатки – самородного свинца в экструзивных андезитах Авачинской сопки, самородной ртути в экструзивных обсидианах Хангара, олова в шлихах из поля развития кислых пирокластических пород Южной Камчатки (Erlich E., Gorshkov G. S., eds., 1979). Самородная медь обнаружена также в метеоритах, где она сопровождает троилит и самородное железо, а также в реголитах Луны в срастании с никелем и троилитом. Находки самородной меди в риолитах экструзии, расположенной на северном окончании второго по величине острова Командорских островов, привели к тому, что остров получил название Медный.

Рис. 1. 3. 1. Даглас Хотон, человек, заново открывший месторождения самородной меди штата Мичиган.

Самородная медь встречается в зоне окисления медно-колчеданных месторождений Среднего Урала, в частности, на Гумешевском руднике. Один из таких самородков массой 860 кг хранится в музее Горного института в Санкт-Петербурге.

Для месторождений массивных сульфидов «кипрского типа» характерна теснейшая ассоциация с базальтовыми лавами так называемых офиолитовых комплексов. Офиолиты представляют собой реликты океанической коры, сохранившиеся в складчатых областях континентов. Предполагается, что подавляющая часть офиолитов погружается в мантию Земли в ходе субдукции и лишь малая часть сохраняется в виде офиолитовых формаций. Это комплексная толща, состоящая из низкокалиевых базальтов, характерных для современных срединно-океанических хребтов и зон растяжения в тыловых впадинах островных дуг, интрузий ультраосновных пород и глубоководных осадков океанического типа. Последние главным образом состоят из кремнистых сланцев, образованных накопившими кремний скелетами глубоководных водорослей, и в меньшей степени – карбонатными и тонкозернистыми терригенными породами. Из двухсот известных в мире офиолитовых комплексов четверть содержат месторождения кипрского типа.

Месторождения Кипра приурочены к массиву Трудос (Troodos), в центральной части которого развиты основные и ультраосновные породы (серпентинизированные дуниты, перидотиты, пироксениты, ортогнейсы), сменяемые интенсивно-рассланцованным дайковым комплексом диабазов, микрогаббро, микродиоритов. Колчеданные месторождения Кипра – Скуоритисса, Агрокиния, Коккиния и др., занимают однотипную структурную позицию. Согласные тела массивных сульфидных руд залегают между покровами нижних и верхних подушечных лав. При этом в нижних частях рудных тел залегают массивные руды, а верхняя часть сложена конгломератовыми рудами, пиритовой сыпучкой. В лежачем боку развиты штокверковые зоны прожилково-вкрапленных руд в подводящих каналах. Рудные тела перекрываются не измененными подушечными лавами, а чаще горизонтами охр и марганцовистых осадков (умбр). Последние переслаиваются с пелагическими осадками, зачастую характеризуются повышенными содержаниями бария, ванадия, меди и цинка. Руда на 90 % сложена пиритом, присутствуют также сфалерит и халькопирит. В виде примеси встречаются марказит, пирротин, галенит, теннантит, ковеллин, халькозин. Содержание меди достигает 2.1 %. Руды содержат золото и серебро, количество которых возрастает в охрах, излившихся в подводных условиях базальтов, сложенных шарами лав. Рудные залежи этих месторождений характеризуются пластообразной формой сплошных руд. Зачастую руды представляют собой шаровые лавы с богатыми сульфидами желваками, выполняющими пространство между шарами. Когда залежи массивных руд полностью эродированы, оруденение образует густую систему трещин (так называемые штокверки) в лавах. Таковы месторождения Биг-Рамблер-Понд и Ист-Майн на Ньюфаундленде. Средние запасов руд составляет 5 миллионов тонн, но запасы отдельных тел достигают 30 миллионов тонн. Сульфиды на 60 % состоят из пирита, в меньших количествах содержатся сульфиды меди и цинка – халькопирит и сфалерит. Золото обычно присутствует в окисленных зонах – Кипр, Саудовская Аравия (Кипрские месторождения).

Тот же источник отмечает, что распределение месторождений кипрского типа во времени крайне неравномерно. 50.8 % от общего их числа (41.9 % запасов) образовалось в меловое время (145 – 65 миллионов лет назад: Кипр, ЮВ Анатолия, Оман, Сербия, Албания, Лигурия). Вторая эпоха отвечает раннему ордовику (порядка 540 млн. лет назад: 31.9 % месторождений, 26.8 % запасов), проявилась на Урале, в каледонидах (складчатых системах, образовавшихся в интервале порядка 360–286 миллионов лет назад) Норвегии и Центральном Ньюфаундленде. Значительно меньше была активность процессов образования медных месторождений кипрского типа в триасовое время (150–218 лет назад: Британская Колумбия, 7.3 % месторождений и 14.4 % запасов). Кайнозойские (моложе 60 миллионов лет) месторождения крайне редки. К ним относится только месторождение Меденкой (12.5 % запасов).

Аналогом минерализации кипрского типа является знаменитое месторождение Оутукумпу (Финляндия) в метаморфизованных верхнепротерозойских отложениях (1400–1600 миллионов лет). К тому же типу принадлежит минерализация, описанная на подводном хребте Хуан-де-Фука, а также на Восточно-Тихоокеанском поднятии.

Локализация массивных сульфидных руд в пространствах между шарами лав четко указывает на то, что рудообразование имело место непосредственно в процессе излияния лав в условиях «дневной» поверхности (вернее, поверхности океанического дна). Не исключено, что руды образовывались в ходе расслоения единого исходного расплава на две составляющие: силикатный расплав, кристаллизовавшийся в виде лав, и рудный, кристаллизовавшийся в виде массивных сульфидов.

По А. А. Маракушеву, И. А. Панеяху и С. А. Зотову (Маракушев, Панеях и Зотов, 2011) первично-расплавная природа массивных сульфидных залежей (то есть месторождений кипрского типа) доказывается их расслоением (иногда ритмическим), обусловленным жидкостной несмесимостью (liquid immiscibility) на цинковые (верхние) и железисто-медные (нижние) зоны. Интересно отметить, что авторы подчеркивают свое представление о ликвации употреблением англоязычного термина, определяющего несмесимость расплавов. Это происходит задолго до кристаллизации, контролируемой различной тугоплавкостью слоев, которая определяется неодинаковым распределением между ними флюидных компонентов. Перекрывающие их осадочные породы пострудные, поскольку не подвержены каким-либо изменениям, связанным с рудообразованием.

По телевизору довольно часто показывают сюжет: «черные дымы», идущие из фумарол на океаническом дне. Это, можно сказать, прямо-таки зримый образ образования рудных месторождений кипрского типа.

Подтипом минерализации кипрского типа являются месторождения «типа Бесси» (по названию месторождения на острове Сикоку в Японии), залегающие среди вулканитов основного состава, переслаивающихся с терригенными осадками.

Месторождения этого типа широко распространены и долгое время являлись основным источником медных руд в России, Канаде, Японии, Германии, Перу. Кроме меди, на их долю и по сей день приходится 10 % мировых запасов свинца и 15 % мировых запасов цинка. Колчеданно-полиметаллические месторождения этого типа приурочены к контрастной базальт-риолитовой и андезит-дацитовой формациям колчеданно-полиметаллических месторождений в вулканогенных зонах (Куроко, Geology of the Kuroko deposits. S. Ishihara, eds,).

Среди этих месторождений выделяется несколько подтипов:

Месторождения в вулканических формациях.

Минеральный состав руд и структура их руд очень сложны. Черные руды (куроко) представляют собой плотную смесь сфалерита, галенита и тетраэдрита. Месторождений много, но все они небольшие по размерам. Считается, что месторождения этого типа по условиям образования являются комбинированными, обнаруживая признаки гидротермально-сульфидно-осадочной и метасоматической природы.

Месторождения в вулканогено-осадочных формациях. Среди них выделяются три подтипа:

Рудноалтайский подтип. Главной рудной провинцией, заключающей наибольшее число месторождений, является Горный Алтай (Лениногорское, Зыряновское, Березовское, Тишинское, Николаевское и др.).

Главные рудообразующие минералы – сфалерит, галенит, халькопирит, ипирит.

Второстепенные – тетраэдрит, теннантит, марказит, золото, серебро, электрум.

Зональность отчетливо выражена в смене (снизу вверх) серно-колчеданных, медно-колчеданных и медно-цинковых – барит-свинцово-цинковых руд, причем первые три типа локализованы, в основном, в корневой жильно-штокверковой зоне. В пластовой части рудных тел преобладают массивные слоистые, полосчатые, колломорфные и брекчиевые текстуры. Жильно-штокверковые руды характеризуются прожилково-вкрапленными, прожилково-полосчатыми пятнистыми текстурами. Месторождения этого типа полихронны и полигенны по природе.

Озерновский подтип. Месторождения этого подтипа отличаются от месторождений рудноалтайского подтипа преобладанием в рудовмещающей толще нормальных осадочных пород при подчиненной роли туфогенного материала в пределах месторождений.

В основной рудоносной толще Озерновского месторождения выделяется десять стратифицированных рудных залежей.

Колчеданное свинцово-цинковое оруденение представлено многоярусными залежами сплошных и вкрапленных пирит-галенит-сфалеритовых с сидеритом руд с преимущественным развитием слоистых и брекчиевых седиментационных текстур и в меньшей степени – вложенной прожилковой минерализации, возникшей в результате гидротермально-метасоматических процессов и диагенетических преобразований.

В перекрывающих руды брекчиевых и гравелитовых горизонтах отмечаются обломки слоистых руд идентичного состава и строения с подстилающими рудными залежами. Существенную роль в морфологии рудных тел играют известняковые рифовые постройки. Вблизи них рудные тела обычно выклиниваются и образуют прилегающие контакты.

Минеральный состав относительно прост: пирит, сфалерит и галенит. Из нерудных минералов присутствуют сидерит, кальцит, анкерит, небольшое количество кварца, гипс, хлорит, гидрослюды. Основная часть руд характеризуется седиментационными слоистыми текстурами и тонкозернистым и скрыто кристаллическим строением. Широко распространены хемогенно-седиментационные ритмы пирит-сидеритового, пирит-сидерит-сфалеритового состава. В составе рудных залежей существенную роль играет брекчиевый тип руд, седиментационные брекчии, сложенные обломками известняков, сидеритов, слоистых сульфидных руд, яшмоидов с рудным и рудно-карбонатным цементом. Структура руд в подавляющей части колломорфная с широким развитием смешанных галенит-сфалерит-пиритовых и метаколлоидных агрегатов. Сидерит на месторождении представлен как осадочными, так и гидротермально-метасоматическими разностями.

В осадочных рудах Озерновского месторождения отсутствуют медь и барит. Для них характерно общее пониженное содержание элементов-примесей. Наиболее типичны примеси As, Sb, Cd, Ag, Ge, Ti, Mn.

Околорудный метасоматоз на месторождении в породах, подстилающих пластовые рудные залежи, отсутствует.

Предполагается, что отложение сульфидно-сидеритовых руд Озерновского месторождения происходило синхронно с накоплением вулканогенно-карбонатных отложений в ходе подводной гидротермальной деятельности, связанной с накоплением толщи вулканогенно-карбонатного состава кембрийского андезит-дацитового вулканизма. Многоярусное расположение рудных залежей и большой вертикальный размах оруденения указывают на длительное пульсирующее развитие гидротермальной системы.

По величине запасов месторождение является одним из крупнейших в мире. Балансовые запасы составляют 105 млн. тонн руды. Среднее содержание 6.57 % цинка, 1.25 % свинца, 20.82 % пиритной серы, 0.017 % кадмия, 37.6 % серебра. Уникальна сохранность первичных структурно-текстурных особенностей руд.

При обсуждении вопроса о связи колчеданных месторождений с различными членами ряда вулканических формаций типа базальт-риолит важной является проблема: с какими именно членами ассоциирует рудообразование.

В этом отношении показательны результаты исследования месторождений Армении. В противоположность ранее существовавшим воззрениям, связывавшим колчеданные месторождения Армении с третичными гранитоидными интрузиями или субвулканическими малыми интрузиями альбитофиров, была установлена связь медных месторождений с глубинными очагами базальтовой магмы. Доказана тесная пространственная, временная и парагенетическая связь разнообразных по морфологии рудоносных участков с дайками диабазового и габбро-диабазового состава. На этой основе утверждается мантийный генезис рудного вещества, подтвержденный изотопным составом серы месторождений Алаверди, Шамлуг, Ахтала (Зограбян).

Авторы говорят, что широкие вариации отношения железа к марганцу в кремнисто-железистых породах, ассоциирующихся с колчеданными рудами, отражают неравномерность глубинной сульфуризации, с которой связано их окисление, порождающее кварц-магнетитовые или кварц-гематитовые расплавы. Более того, при вовлечении в реакцию CO₂ генерируются углеводороды, как и в процессе дисульфидной сульфуризации.

По представлениям А. А. Маракушева и его соавторов (Маракушев, Панеях и Зотов, 2011) после расслоения первичного расплпава на две несмешивающихся жидкости – силикатную и рудную происходит сульфуризация. Авторы говорят, что широкие вариации отношения железа к марганцу в кремнисто-железистых породах, ассоциирующихся с колчеданными рудами, отражают неравномерность глубинной сульфуризации, с которой связано их окисление, порождающее кварц-магнетитовые или кварц-гематитовые расплавы. Более того, при вовлечении в реакцию CO₂ генерируются углеводороды, как и в процессе дисульфидной сульфуризации. Дисульфидная сульфуризация ультражелезистых дифференциатов сопровождается генерацией углеводородов.

Наибольшую контрастность создают ультракислые риолиты, комплементарные наиболее щелочным (бедных кремнеземом) ультражелезистым дифференциатам, проявляющим сильное химическое сродство к сере и широкому спектру халькофильных металлов, экстрагируемых при флюидной сульфуризации, протекающей с максимальным размахом. Этим и определяется уникальность месторождений типа Куроко, не имеющих себе равных по размаху и разнообразию металлического состава.