Курсовая работа: Состав эпитермальных гидротерм, процессы, и химическая структура эпитермальных систем
По мере того как парогазовая фаза отделяется во время кипения, концентрация нелетучих компонентов в жидкой фазе гидротерм увеличивается. Количество парогазовых потерь при кипении в интервале температур, и в связи с этим фактор обогащения, может рассчитываться простым балансом массы и энтальпии, с использованием данных таблиц для пара. Так, например, при кипении от 3000 С до 2500 С, 2000 С и 1000 С, у = 0.15, 0.25 и 0.14, соответственно. Отсюда, если минерализация гидротерм в эпитермальной системе, температура которой находится в пределах 100-3000 С, изменяется за счёт фактора более, чем в 1.69 раза., смешивание должно рассматриваться в качестве реального процесса, т.к. адиабатическое кипение и пароотделение нельзя объяснить по другому. Испарение на сухих горячих породах иногда используется для объяснения сильных изменений в кажущейся минерализации, хотя геологическая реальность этого процесса сомнительна.
Минерализация гидротерм легко определяется в современных системах. Её труднее определить для палеосистем, где информацию несут только включения в минералах. В палеосистемах большие изменения температуры замерзания могут быть вызваны кипением и газоотделением, как показано на кривой 2, рис. 4 b. Штриховая кривая показывает полное газоотделение при 2500 С, так что увеличение эквивалента вес.% NaClотражает концентрацию NaCl в остаточной жидкости в результате парогазоотделения во время кипения.
При исследовании современных эпитермальных систем, график хлор-энтальпия часто используется для определения изменений химический состава гидротерм в результате кипения и разбавления. Это приводит к выводу о применимости его к палеоэпитермальным системам с использованием данных по включениям в минералах, когда известна возможность влияния газов на оценку Тгп. Для иллюстрации рассмотрим гидротермальные процессы в геотермальной системе Бродлэндс в Н. Зеландии
Бродлэндс является крупной геотермальной системой, химический состав которой хорошо изучен по 44 пробуренных для электростанции глубоким скважинам.Высокотемпературная зона составляет ~3 км2 и имеет вытянутую форму; она очерчивается большей по размерам площадью низкого кажущегося сопротивления.
Рисунок 6 показывает график энтальпия - содержание хлора для гидротерм из геотермальных скважин Бродлэндс. Высокотемпературные хлоридные гидротермы группируются в 2 группы; гидротермы из скважин на западном берегу р. Вайнар имеют несколько повышенные содержания хлора по сравнению с гидротермами из скважин восточного берега. Скважины, ограничивающие зону высоких температур, имеют более разбавленные хлоридные гидротермы с температурой до 1500 С. Эти гидротермы относятся к разбавленным и образовались в результате смешивания глубинных хлоридных гидротерм и 1500 нагретыми паром гидротермами по мере удаления от восходящего глубинного потока. Тренды, связанные с кипением и парообразованием, можно наблюдать по разбросу точек на графике. Эти нагретые паром гидротермы углекислые. Они являются следствием конденсации газов и паров воды в грунтовых водах.
Предполагается, что глубинные гидротермы западного берега вскипали до встречи с какими-либо другими гидротермами, тогда как глубинные гидротермы восточного берега претерпевали некоторое разбавление в грунтовых водах на глубине перед разбавлением. Эти отношения подтверждаются трендами изотопов, чётко определяющими, что нагретые паром гидротермы произошли из грунтовых вод. Изменение изотопного состава гидротерм важно исследовать для интерпретации изотопии гидротермальных минералов.
В целом взаимоотношения глубинных хлоридных гидротерм в Бродландс с "зонтиком" разбавленных нагретых паром гидротерм показано на двух разрезах.
Главным в геохимической структуре системы Бродландс мы видим в изучении включений в минералах, которые могут подтвердить процессы кипения и разбавления. Был составлен график зависимости температур гомогенизации включений в минералах относительно температур замерзания. Температура приблизительно линейна энтальпии. Тгп отражает минерализацию, а в отсутствии газа, должна быть эквивалентна содержанию хлора.
Для месторождения Бродландс имеются данные по содержанию NaCl и ОО2 и прямые измерения температур глубинных не кипевших первичных гидротерм. Здесь присутствуют относительно разбавленные хлоридные гидротермы, обогащённые углекислым конденсатом, с Т 150-2000 С на границе и над глубинными хлоридными гидротермами. Но даже без этой новой информации по включениям в минералах можно установить, что некоторые относительно холодные, но с низкими Tmгидротермы, были образованы путём разбавления. Относительно горячие гидротермы с более высоким Tmсвидетельствуют о кипении и газоотделении. Большие вариации Tm при небольших изменениях Th в некоторых образцах также позволяют предполагать циклические периоды кипения и газоотделения в результате изменения газовых концентраций.
Пробы из скважин, попавшие на линию разбавления располагаются около границы системы Бродландс, где отмечается разбавление углекислым конденсатом. Остальные данные получены из продуктивных скважин, где отмечается кипение. Некоторое соответствие данных по скважинам 7 и 24 позволяет предполагать периодический подток глубинных, кипевших гидротерм к границе системы, возможно по трещинам. Аналогично, разбавленные гидротермы из скважины 8 в продуктивной зоне, показывают на периодический подток воды в зону хлоридных гидротерм. Причина, по которой график кипения отличается от того, что показано на Рис. 6, вызвана тем, что Tm, полученная по включениям в минералах, отражает минерализацию и содержание газов, тогда как диаграмма энтальпия-хлорид не учитывает газ. Следовательно, кипение вызывает увеличение хлорида в остаточной жидкости, в то же время оно значительно уменьшает содержание газа в жидкости. В системе с большим содержанием газа газоотделение в результате кипения будет преобладать над тенденцией увеличения содержания хлорида, в связи с чем, общее содержание растворимого вещества в гидротермах становится проблематичным. На Рис. 9 данные, совпадающие с расчётной кривой кипение-равновесие, показывают, что оба процесса имеют место.
Тренды ожидаемых для включений в минералах Th и Tmмогут быть использованы при картировании зон разбавления и кипения в палеоэпитермальных системах и могут помочь в определении минерализации и газосодержания. Таким образом, мы можем с достаточной детальностью определить геохимическую структуру любой эпитермальной системы, а также идентифицировать эволюцию гидротерм и её связь с минералообразованием.
4 Источники низкосерных гидротерм и их состав
Как было показано в главе 3, часть воды в низкосерных эпитермальных системах представлена метеорной водой глубокой циркуляции, которая взаимодействовала в разной степени с вмещающими породами. Однако, генетическая связь эпитермальных систем с магматическим источником тепла открывает возможность предполагать, что в эпитермальных гидротермах имеется магматическая компонента; это наверняка справедливо и для высокосерных систем. Доказательства участия магматического флюида в эпитермальных гидротермах обычно получают путём исследования содержаний в карбонатах. Bethke и Ry, Сasadevale, Ohmoto, Robinsonи Robinson, Christie, обнаружили 513 С, подтверждая наличие магматической компоненты в месторождениях Крид и Саннисайд в Колорадо и в Туй и Маратонто в Новой Зеландии. Они также считают, как и ONeil и Silbermanдля Комсток Лоде в Неваде, что имеются данные 5 D, доказывающие наличие небольших содержаний магматической воды в некоторых системах. Однако, данные по 534 S из сульфидов часто позволяют предполагать, что сера в эпитермальных месторождениях ремобилизована из морских сульфатных минералов
С другой стороны, активные системы могут дать нам некоторое понимание такой проблемы, настолько точно можно анализировать трековые газы. Оценки 513 С с СО2 активных систем в Н. Зеландии колеблются от 3 до 9%, Hedenquist. Другие исследователи предполагали, что этот предел может объясняться смешиванием ювенильного СО2 с СО2 , полученном при термическом разрушении осадочных карбонатов. Однако, большинство данных глубинного происхождения "магматического" компонента в гидротермах приходится на отношение 3 Не/4 Не. Это отношение превышает атмосферное в 4 -7 раз и характеризует газы, связанные с субдукционными системами. Отношение гелия в сочетании с данными по содержанию аргона свидетельствуют о смешивании радиогенного и магматического гелия. Кроме того, отношение между нейтральными газами N2 , Ar и He в активных системах позволяет предполагать изменчивость пропорции смеси газов как атмосферного, так и магматического составов, наряду с примесью некоторого количества коровых газов из гидротерм с застойным режимом.
Доля 534 S в общем количестве серы вулканической зоны Таупо в Н. Зеландии колеблется от +3 до 6%. Giggenbachпредполагал, что геотермальная сера образовалась в магматических условиях, в результате восстановления из SO2 . Однако, величина 534 S, полученная из Н^, свидетельствует об ассимиляции относительно тяжёлой осадочной серы в результате частичного плавления граувакков базальтовой магмы, имеющей 534 S 0%. Величина 534 S в сульфидах из эпитермальных месторождений о. Кюсю в Японии в среднем составляет 0%%, в связи с чем Ishiharaetal., пришли к выводу о магматическом происхождении гидротермальной серы, а не из фундамента. Данные по изотопии свинца кальдер Лейк Сити и Криде и японских эпитермальных месторождений позволяют предполагать, что свинец происходил как из пород фундамента, так и из вулканических пород. Однако, Honetal. отмечают, что основная часть свинца, привнесённая гидротермами в районе Лейк Сити, должна была происходить из окружающих вулканитов олигоцена или связана с магматическим источником, хотя, в общем, свинец имеет комплексное происхождение; так, например, урановая смолка в Голден Флик, вероятно, образовалась в результате привноса из DoCm верхней коры.
Щелочно-земельные, другие элементы, как Na, K, Ca, Mg, Fe, SiO2 и т.д., и щёлочи, появились в разбавленных гидротермах, в основном, в результате взаимодействия с вмещающими породами. Они контролируются несколькими реакциями минерал-гидротермы. Однако, источник хлора и других малоактивных компонентов ещё не ясен. Giggenbachпредположил, что, по существу, все анионы магматического происхождения, хотя частично они могут быть мобилизованы из первично осадочных пород в результате магматической ассимиляции. Henley, Ellisom, предполагают присутствие на глубоких уровнях хлористого рассола, взаимодействующего с метеорными водами глубинной циркуляции. Это приводит к логическому предположению о связи глубинных высокоминерализованных гидротерм, связанных с меднопорфировой минерализацией, и вышележащих эпитермальных систем. Эти взаимоотношения будут обсуждаться в следующем разделе - о высоко серных системах.
Итак, низкосерные эпитермальные гидротермы состоят преимущественно из метеорных конвективных вод, циркулирующих вблизи магматических интрузий, и ими нагреваются. Во время процесса нагревания гидротермы захватывают часть магматических компонентов в основном СО2, SO2, HCl и второстепенные газы N2,H2, Ar, He и т.д. Активные газы нейтрализуются прежде, чем гидротермы достигнут эпитермальных условий, за исключением случая высокосерной системы. Большая часть минерализации гидротерм образуется за счёт выщелачивания вмещающих пород. Однако, происхождение минерализации, интересной для рудников, золота и серебра, ещё не ясно. Автор склонен считать, что это происходит за счёт вмещающих пород. Скорее всего, количество выщелоченных металлов непосредственно связано с транспортными возможностями гидротерм, а не с первоначальной концентрацией металлов во вмещающих породах. Привнос золота непосредственно магматическими флюидами предполагает концентрации золота в них в сотни ppb, что не подтверждается концентрациями золота в эпитермальных гидротермах, в составе которых магматический флюид составляет малую долю. Нет каких-либо данных о чрезвычайно высоких концентрациях золота и в магматических флюидах, хотя и не исключается, что такие данные появятся при более тщательном изучении высокосерных систем в дальнейшем.
5 Химический состав гидротерм высокосерных эпитермальных систем
Описание высокосерных эпитермальных сред, в том виде как оно кратко изложено в первой главе, приводит нас к выводу о большой роли вулканизма, тесно связанного с вулканогенными флюидами. После краткого рассмотрения результатов изучения гидротермального метаморфизма, включений в гидротермальных минералах и стабильных изотопов этого типа эпитермального рудообразования, далее будет кратко обсуждаться химический состав гидротерм, формирующихся на активных андезитовых вулканах.
Минералогия, связанная с рудообразованием, может быть представлена остаточным ноздреватым кремнезёмом, каолинитом, пирофиллитом, алунитом, иллитом, пиритом, энаргитом, теннантит -тетраэдритом, ковеллином и т. д. Некоторые из этих минералов свидетельствуют о кислом рН, возможно меньшем 2 для ноздреватого кремнезёма.
Stoffregenпровёл великолепное исследование парогенетических связей между золотом и гидротермальными изменениями в Sammitville и сделал первый шаг в изучении геохимии высокосерных систем. Он предположил, основываясь на своих данных о мобильности алюминия, что рН в интервале 1.7- 2.0, возможно, необходимы для образования ноздреватого кремнезёма. Отсутствие гематита и последующее отложение самородной серы также ограничивают химический состав выщелачивающих гидротерм, т. к. здесь присутствует пирит и алунит и отсутствует каолинит. Во время взаимодействия с вмещающими породами рН гидротерм будет расти. Это приводит к обычно необходимой зональности минералов по мере продвижения кислых гидротерм через образование зоны стабильности каолинита и иллита, к пропилитизации вмещающих пород.
Минералогический состав в конечном счете, приводит к окончательным выводам о химическом составе и температуре гидротерм, ответственных за формирование данного типа месторождения. Однако, детальные исследования Stoffregenна месторождении Summitville, показали, что пока нет каких-либо данных, устанавливающих точную пространственную и временную связь золотой минерализации и рудовмещающих минералов в высоко серных месторождениях этого типа. Это означает, что невозможно полно и уверенно определить химический состав рудообразующих гидротерм в различных взаимосвязанных месторождениях, их источники и процессы, обусловившие минералообразование.
В настоящее время реконструкция минерализации этих систем имеет слабую основу, вследствие отсутствия соответствующих аналитических данных и по флюидным включениям в минералах. Имеющиеся данные получены по вторичным включениям в кварцевых кристаллах в Summitville и других месторождениях; по температурам 200-3000 С и минерализации 7-21 вес.% экв. NaCl,. Эти температуры были подтверждены Stoffregenдля Summitville в мелких зёрнах кварца, проросших в сульфидной минерализации в зоне ноздреватого кремнезёма. Во включениях же он определил минерализацию 4-6 вес.% экв. NaCl. Кроме того, Stoffegenидентифицировал включения в минералах в зоне ноздреватого кремнезёма с очень низкой температурой замерзания, что интерпретируется им как следствие наличия в них серной кислоты. Хотя по включениям в сочетании с минералогическим составом установлены температуры гидротерм, аналогичные температурам в низкосерных системах, минерализация колеблется в широких пределах и это свидетельствует о присутствии рассолов. Данные по флюидным включениям в кварце, связанные со стадией наложения в Эль Индио, а также в пост минерализационном кварце г. Кази и месторождениях типа Нансатсу свидетельствуют о температурах в пределах 200-3000 С, но кажущаяся минерализация составляет везде менее 2 вес% экв. NaCl. Исключением из этого являются недавно открытые дочерние кристаллы галита в некоторых флюидных включениях в минералах их шахты Касуга. Допуская, что данные о низкой минерализации относятся к минерализации гидротерм, в пост высокосерной стадии, можно предположить, что со временем происходит уменьшение минерализации.
Происхождение серы месторождения Голдфилд по изотопным исследованиям магматическое, вероятно участвует в виде SO2 ; аналогичный вывод возможен для Чайканши, а также для некоторых жильных алунитовых месторождений шт. Юта. Предполагаемая связь этих месторождений с интрузиями также, связанными с медно-порфировыми месторождениями, была отмечена и обсуждалась рядом авторов. Однако, из групп медно-порфировьгх месторождений, в которых присутствуют высокие содержания золота, может иметь частичное отношение и связь с медно-порфировыми месторождениями, расположенными на более высоких гипсометрических уровнях золото-медных месторождений. В случае медно-порфирового месторождения Бутте " обрушение" метеорной конвективной ячейки на магматическую систему привели к концентрации первичной медной руды в жилах; это обрушение предварялось развитием продвинутой аргиллизации, связанной с кислыми магматическими флюидами. В связи с этим происхождение гидротерм высоко серной системы часто относится, по крайней мере, частично, к магматическому источнику.
5.1 Химический состав вулканических летучих
Логично рассматривать активные вулканы с точки зрения понимания химического состава рудообразующих гидротерм при нал?