Образование рудных залежей шло в сто раз быстрее?

Типичное гидротермальное минералообразование: полупрозрачные кристаллы кальцита и призматические кристаллы кварца растут на сростке кристаллов сфалерита (сернистого цинка) и халькопирита (медного колчедана). Как выяснилось, рудные залежи цинка и свинца образовались очень быстро в результате осаждения солей из гидротермальных растворов. Фото с сайта geo.web.ru

Группа английских и американских ученых с помощью новой методики изучила состав газово-жидких включений в цинковых и свинцовых рудах. Они обнаружили, что содержание металлов в материнском соленосном растворе было на два-три порядка выше, чем предполагалось раньше. Эти расчеты дали основание для новых оценок длительности формирования промышленных рудных залежей — не миллионы лет, как представлялось прежде, а «всего» несколько тысяч лет. В связи с этим открытием существенно изменилась и концепция генезиса рудных залежей.

Открытия в современной науке совершаются двумя путями. Первый — выдвинуть неожиданную гипотезу и придумать способ, как ее проверить. Способ проверки должен быть прост и нагляден. Второй путь — найти новый объект исследований или изобрести новую методику исследований. Как это ни странно, большинство открытий в естественных науках следуют за обнаружением новых объектов или разработкой новых методов исследований. Именно по этому пути в мир открытий отправилась команда английских и американских геологов и геохимиков, представляющая отделение наук о Земле Имперского колледжа в Лондоне, отделение минералогии Музея естественной истории в Лондоне и отделение геологии Университета Миссури (Колумбия, США). Эти ученые занимались исследованием флюидных (газово-жидких) включений в твердые минералы.

Кстати, отмечу, что бывают включения и твердые, и с газовыми пузырьками. Последние представляют собой реликты ушедших в прошлое атмосфер. Ученые их тоже не оставляют без внимания, особенно в связи с нынешними проблемами изменения климата. Но исследование, опубликованное в последнем номере журнала Science, касалось только флюидных включений. Микропузырьки флюидной жидкости могут оказаться в твердой минеральной ловушке, когда минералообразующий расплав остывает или минерал кристаллизуется из насыщенных соленосных растворов. Ясно, что состав этих пузырьков будет так или иначе характеризовать материнский раствор, который послужил основой для создания минерала. По нему судят о температуре, давлении, химическом составе материнских растворов. Исследование подобных включений является важнейшим блоком информации для понимания происхождения минералов, а также — что существенно для экономики и промышленности — для понимания происхождения рудных месторождений. Если имеется адекватная модель формирования рудных залежей, то методы поиска новых месторождений существенно оптимизируются.

Включения флюидных растворов в кварце: слева — микроскопические, а справа — макроскопические. Фото с сайтов staffnet.kingston.ac.uk и www.mineralatlas.com

Изучение микровключений ведется с помощью спектроскопии и хроматографии разных типов, но для этого исследования ученые применили объединенную лазерную и плазменную спектрометрию (подробнее о технике исследований можно посмотреть здесь). Новая методика позволила подвергнуть анализу отдельные микровключения в непрозрачных рудных минералах. Применявшиеся ранее методики могли дать информацию о включениях только в прозрачных вмещающих породах, таких как кварц, и только усредненную по большому числу включений из образца массой 1-5 грамм. Таким образом, здесь использовали точечный анализ образцов именно в самих рудах, а не в сопутствующих породах.

Выяснилось, что состав этих включений отличается от состава включений вмещающего кварцита и известняка. Пузырьки жидкости в рудах содержат на порядок больше свинца и цинка, чем в кварцитах. Раньше предполагалось, что включения в рудных и вмещающих породах приблизительно одинаковы по составу, а отличаются только механизмы осаждения солей из растворов. Но теперь, видимо, эту концепцию придется изменить. Расчеты показывают, что кварциты формировались из бедных солями растворов и достаточно долго, а руды, содержащие цинк и свинец (сфалерит — сернистый цинк, а галенит — сульфид свинца) — из обогащенных растворов. Судя по содержанию цинка во включениях, огромные промышленные месторождения свинцово-цинковых руд формировались за время порядка 10 тысяч лет или даже меньше (прежние оценки составляли около нескольких миллионов лет).

Джейми Уилкинсон и его коллеги в этой работе выдвинули предположение, что рудные залежи формировались за счет гидротермальных потоков с аномально высоким содержанием металлов. Такие гидротермы функционировали в течение короткого периода времени (в геологических масштабах, конечно). Вмещающие породы, напротив, формировались долго и за счет обедненных металлами гидротерм. Необходимым условием для образования рудных залежей является, очевидно, не только сам металлоносный поток, но и способ задержания и осаждения соединений металлов. Но механизм осаждения руд, как отмечают авторы, не столь важен, он вторичен и может сильно различаться в зависимости от условий накопления руд. Первично именно образование металлоносного гидротермального потока с высоким содержанием рудных элементов.

Многие гидротермы с различными характеристиками и разного происхождения зачастую имеют высокую концентрацию рудных элементов. Поэтому источники и причины насыщенности гидротермальных вод металлами могут, по-видимому, быть разной. Исходя из новых данных, дальнейшая дискуссия о происхождении руд будет вестись вокруг двух проблем. Первая — это путь (или пути) насыщения гидротермальных вод рудными элементами, а вторая — способы осаждения рудных металлов в различных условиях. Первый вопрос породит особенно яростные споры, потому что в большой мере это область теоретизирования и косвенных доказательств.

Источники:
1) Jamie J. Wilkinson, Barry Stoffell, Clara C. Wilkinson, Teresa E. Jeffries, Martin S. Appold. Anomalously Metal-Rich Fluids Form Hydrothermal Ore Deposits // Science. V. 323. P. 764–767. 6 February 2009.
2) Robert J. Bodnar. Heavy Metals or Punk Rocks? // Science. V. 323. P. 724–725. 6 February 2009.
3) B. Stoffel, J. J. Wilkinson T. E. Jeffries. Metal transport and deposition in hydrothermal veins revealed by 213nm UV laser ablation microanalysis of single fluid inclusions // American Journal of Science (2004). V. 304. P. 533–557.

Елена Наймарк

Последние новости: Минералогия, Науки о Земле, Геология, Елена Наймарк

8 февраля Формирование наркозависимости связано с особенностями в строении мозга

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

25 января Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков

19 января Ископаемые эмбрионы из Доушаньтуо, вероятно, не эмбрионы

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

22 декабря Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

14 декабря Сегрегация по национальной принадлежности снижает общественное благосостояние

6 декабря Осы узнают друг друга по лицам, чтобы поддерживать жесткую социальную структуру

30 ноября Рис и рыба: что обеспечивает успешность комплексных рисоводческих агроценозов?

23 ноября Вымирание позднечетвертичных животных управлялось климатом

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):