» » О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

13.08.2016

Как отмечалось ранее, явления активизации и мобилизации вещества вмещающих (окружающих) пород играют существенную роль в формировании геохимической нагрузки гидротермальных растворов и, в конечном счете, оказывают несомненное влияние на развитие всего эндогенного процесса в целом (в том числе и рудообразования). Механизмы этих явлений, естественно, могут быть различными. В частности, самого серьезного внимания заслуживает (особенно при формировании кварцево-рудных жил выполнения) детально исследованная в работах Ю.А. Долгова адиабатическая мобилизация вещества. Наряду с этим, как показывают исследования физических и химических процессов в твердых, жидких и газообразных системах, на ход различных превращений вещества огромное влияние оказывают неоднородные поля. Особенно велика роль термоградиентных условий при процессах массопереноса. Некоторые проблемы термодиффузионной дифференциации вещества и массопереноса в связи с исследованием процессов рудообразования, контактового метаморфизма, метасоматизма и т.д. рассмотрены в ряде работ. Тем не менее вопрос о перераспределении вещества вокруг теплового источника в термовлажностных средах все еще остается малоисследованным. В то же время, как это отмечал еще Н.Н. Хитаров, в условиях повышенных температур возможны перемещение рудных компонентов и зарождение металлоносных термальных растворов даже за счет запаса влаги в самой горной породе при поступлении извне только тепла.
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

С целью исследования перераспределения компонентов в термоградиентном поле была выполнена серия экспериментов на отдельных образцах и крупных блоках пород в их естественном залегании.
Уже первые эксперименты с образцами подтвердили существенные термальные преобразования пород с заметным увеличением их пористости и высвобождением поровых и межзерновых растворов. Под воздействием градиентных полей внутри капиллярно-пористого тела создавался направленный (организованный) поток с проявлением термодиффузионной миграции компонентов (в том числе рудных). Наложение на этот процесс динамосорбционных явлений обусловливало в нагреваемом образце зональность в распределении элементов, формирование жилоподобных скоплений и т. д. В большинстве случаев фиксировалось стягивание компонентов к тепловой зоне, при этом положение зон концентрации относительно теплового источника в значительной степени определялось мощностью источника. Преимущественная концентрация наблюдалась над нагревателем в зоне резких температурных градиентов.
Отчетливое «стягивание» рудного вещества в зоне нагрева было обнаружено в эксперименте с блоком металлоносных «черных» сланцев из хр. Kapa-Tay (рис. 161). В этом случае возрастание содержания отдельных элементов (в частности, Mo) фиксировалось не только при подходе к очагу нагрева, но и непосредственно в «расплаве» («стекле»), возникающем вокруг нагревателя. Фактически здесь мы имеем дело с поступлением в расплав газообразных растворов, обогащенных рудными компонентами, на что указывал еще В.А. Николаев, отмечая возможность подобного механизма заимствования рудного вещества из вмещающих магматические образования пород. В процессе нагревания блока сланцев отмечены элементы зональности в распределении отдельных компонентов. В частности, Cu относительно Mo концентрируется дальше от очага нагрева (максимум Cu приближен ко второму, удаленному от нагревателя максимуму Mo).
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

После проведения серии экспериментов с отдельными образцами экспериментальные исследования были перенесены на крупные блоки в их естественном залегании. При этом в первую очередь был выбран блок лессовидных пород (размером 9х30х10 м) в Алмалыкском рудном районе. Методика проведения, полученные результаты и обсуждение эксперимента детально изложены в специальной работе, поэтому здесь мы приведем только основные выводы.
Нагревание крупного блока лессовидных пород (рис. 162, 163) позволило создать полузамкнутую объемную термоконвекционную флюидную систему (что невозможно при экспериментах с отдельными образцами), внутренее строение которой, наряду с характером теплового поля, определялось геолого-физическими особенностями экспериментального блока. Внутренняя структура термоконвекционной системы в конечном итоге была зафиксирована перераспределением ряда рудных компонентов.
Благодаря воздействию термоградиентного поля в экспериментальном блоке (несмотря на квазиизотропность лессовидных пород) возникла и функционировала сложная термогидросистема с несколькими (не менее трех) локальными подсистемами, различающимися механизмами переноса энергии и вещества и со своими рядами распределения переотложенных рудных элементов (рис. 164). Зона I, непосредственно примыкающая к очагу нагрева, — это зона циркуляции пароводяной смеси (внутренняя термодиффузионная зона). В этой зоне за счет интенсивного парообразования, диссоциации, повышения агрессивности флюида возникает более концентрированная жидкая фаза, что, очевидно, и обусловливает выпадение в этом участке повышенных количеств рудных элементов. Здесь же, по-видимому, наиболее широко проявлены процессы термодиффузии и термоосмоса. Наблюдается эффект термодиффузионного разделения: более легкие элементы концентрируются несколько ближе к нагревателю. Ряд зональности (от нагревателя): (Co, Zn, Cu, Ni) — (Mo, Pb).
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

Вторая подсистема II — зона нагретых вод (область «внешнего» тепло-, массопереноса) — является зоной подтока растворов и характеризуется следующим распределением компонентов (от нагревателя) : (Mo, Pb) — (Co, Cu, Zn, Ni). Это распределение обусловлено, очевидно, перемещением вещества в направлении теплового потока.
На планах распределения рудных элементов (рис. 165, 166) после эксперимента отчетливо выделяется еще одна локальная подсистема (III) — область «сквозного» тепло-, массопереноса, располагающаяся над нагревателем и характеризующаяся столбообразным распределением рудных элементов. Формирование области связано с термогравитационным эффектом поднятия нагретого флюида вверх.
Действие этих разнонаправленных механизмов транспортировки вещества в неоднородном тепловом поле и связанная с ними различная динамика поведения отдельных элементов определяют, по-видимому, миграцию элементов в активизированных теплом геологических средах. Окончательное распределение (рудных элементов в подобных случаях будет, естественно, зависеть как от схемы миграции, так и от физикохимических свойств самих элементов, особенностей геологической среды и условий осаждения.
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

Одной из причин формирования полузамкнутых локальных подсистем и расчленения единой гидротермальной системы на ряд областей может быть существование в горных породах различных связей воды. В пористой среде, только в зависимости от форм связи воды с твердым телом, возможно существование нескольких ее фаз. В.И. Вернадский, показал, что в твердом теле существует следующее равновесие: твердое тело ⇔ гигроскопическая вода ⇔ пленочная вода ⇔ капельножидкая вода. Гигроскопическая (гидратационная), пленочная и капельножидкая вода являются самостоятельными термодинамическими фазами и образуют соответственно граничную, приграничную и объемную фазы воды. Каждая из этих фаз характеризуется своими полями устойчивости в координатах PT и при нагревании имеет свои области активизации и существования. Активизированные в различных температурных условиях фазы воды могут обладать специфическими физико-химическими особенностями в перераспределении рудных компонентов вмещающих пород. Здесь можно привести экспериментальные исследования Н.И. Хитарова и др., которые, изучая возможность миграции молибдена ,в паровой фазе молибдатных растворов, показали, что при 200—350°С перенос Mo становится заметным, начиная с 250°С, и возрастает с увеличением температуры. На этом основании делается вывод о возможности самостоятельной значительной роли докритического пара в миграции Mo и, в частности, при формировании ореолов рассеяния.
Следующим этапом экспериментальных работ явилось исследование характера перераспределения рудных элементов при нагревании естественного блока сиенито-диоритов (5х20х4 м) в том же Алмалык-CKOM районе. Методика работ в целом аналогична предыдущей. Нагревание (до 900°) проводилось четырьмя нагревателями.
В результате нагревания в блоке сиенито-диоритов произошло перераспределение влаги с созданием около каждого нагревателя (на удалении от него в 0,15—0,6 м) локального максимума влажности:
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

Непосредственно вблизи от нагревателя фиксируется отгонка свободной влаги со снижением влажности пород в 2—3 раза.
После нагревания в объеме экспериментального блока происходит существенное перераспределение всех исследовавшихся рудных компонентов (Mo, Cu, Pb, Zn, Ni, Co). В целом для блока после эксперимента отмечается (табл. 156) некоторое сокращение суммы рудных элементов (с 154,4 до 140,5 г/т) в основном за счет выноса Zn и Cu, в то время как общее количество Ni в блоке даже увеличивается. Наиболее интенсивные изменения зафиксированы непосредственно в областях нагревания и прилегающих к ним участках. При этом характер перераспределения отдельных элементов в разных областях нагревания неодинаков (табл. 157), что наряду с влиянием нагревания обусловлено, по-видимому, и структурными особенностями рассматриваемых областей, а также литологическими и физико-механическими особенностями слагающих их пород. В то же время можно, очевидно, предполагать, что область, ограниченная изотермами 100—300°, является в данных условиях в целом наиболее благоприятной для концентрации рудных элементов.
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

Существенная перегруппировка элементов зафиксирована в вертикальном разрезе блока в целом и по областям нагревания (табл. 158). В первом случае для большинства уровней (за исключением глубин 2,25; 2,00 и отчасти 1,25 м) наблюдается суммарный вынос рудных элементов относительно их исходных количеств. Наиболее глубокий уровень (2,25 м) отличается максимальным привносом вещества, несмотря на то, что для него (как и для большинства уровней) характерен значительный вынос Cu. Еще отчетливее привнос вещества на глубоких уровнях происходит по областям нагревания (здесь отмечается даже заметный привнос Cu — элемента, в целом мигрирующего из блока). Во втором случае мы фактически можем говорить о выносе большинства элементов из верхней части блока (до глубины 1 м) и их заметной концентрации на больших глубинах. Перераспределение отдельных элементов на разных глубинных уровнях имеет свою специфику. Здесь особо следует отметить поведение никеля. Если учесть снижение средних содержаний Ni с глубиной, характерное для исходных пород, и, наоборот, их заметное возрастание в этом же направлении после эксперимента, а также общее увеличение среднего содержания данного элемента во всем экспериментальном блоке после его нагревания, то можно говорить о привносе этого элемента из глубоких горизонтов, находящихся за пределами экспериментального блока. В рассматриваемом случае можно, очевидно, предполагать диффузионную миграцию рудного вещества из окружающих пород, заметно удаленных от очагов нагрева (в том числе миграцию элементов в слое пристеночной жидкости без заметного перемещения последней).
Если сопоставить общий характер изменения средних содержаний суммы рудных элементов с глубиной по всему блоку и по областям нагревания, то отчетливо видно, что области нагревания в целом характеризуются менее заметным выносом вещества, а на глубоких уровнях — более значительным его привносом.
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

В экспериментальном блоке было выделено 10 типов структур: зоны смятия и дробления (I—V) и монолитные блоки (VI—X), характеризующиеся определенными содержаниями рудных элементов (табл. 159). В результате нагревания произошла (табл. 160, 161) дальнейшая дифференциация структурных областей по их рудной нагрузке. При этом в областях I—IV, VIII концентрация элементов возросла, а для областей V—VII, IX, X, наоборот, было зафиксировано относительное обеднение рудными компонентами. Таким образом, в процессе нагревания блока отчетливо намечается тенденция преимущественной концентрации рудных элементов в зонах смятия и дробления и их выщелачивания из более монолитных участков пород. Привнос — вынос суммы рудного вещества лежит в пределах от ( + 55,5) до (-46,6) г/т. Для первой группы структурных областей отмечается привнос всех исследовавшихся рудных элементов, за исключением Zn (для которого вообще характерен вынос из экспериментального блока), для второй — вынос (кроме Ni, общее содержание которого в блоке после эксперимента увеличивается). Для зон смятия и дробления устанавливается возрастание величины коэффициентов вариации содержаний всех рассматриваемых рудных элементов, что, как известно, является благоприятным признаком, свидетельствующим о возможности формирования в данных условиях участков !концентрированного оруденения.
В процессе нагревания произошло заметное изменение в конфигурации участков с различными содержаниями рудных компонентов. Заметную роль при этом, наряду с очагами нагрева, играли структурные элементы блока. Если анализировать всю совокупность рассматриваемых рудных элементов, то можно отметить преимущественное тяготение участков повышенных концентраций Mo к очагам нагрева (особенно к тектоническим зонам повышенной проницаемости, сопряженным с очагами нагрева) и обеднение областей нагревания другими элементами (в отдельных участках высокотемпературного прогрева иногда отмечается концентрация Pb). На некотором удалении от очагов нагрева, также преимущественно в тектонически ослабленных зонах (по относительно пониженной проницаемости), фиксируются столбообразные участки обогащения Ni, Co и отчасти Zn. Медь, встречающаяся иногда в повышенных количествах в тех же участках, что и два последних элемента, в целом мигрирует дальше от очага нагрева, где и образует островные участки обогащения (в некоторых случаях совместно со свинцом). Островные участки обогащения на удалении от нагревателей отмечаются в ряде случаев и для других элементов (в частности, для молибдена). Их формирование связано, по-видимому, с определенными соотношениями тепловых полей и геолого-структурных элементов экспериментального блока.
О тепловой активизации и мобилизации вещества (экспериментальные данные)

В целом при нагревании крупного блока сиенито-диоритов, характеризующегося неоднородностью состава слагающих его пород и сложным структурным рисунком, возникающая термоконвекционная флюидная система представляется значительно сложнее, чем в случае нагревания блока относительно квазиизотропных лессовидных пород. Здесь мы еще более приближаемся к условиям развития гидротермального процесса в природной обстановке. Однако общий характер термоконвекционной зоны, включая и общие особенности перераспределения рудных элементов, остается прежним.
Рассмотренные эксперименты свидетельствуют о том, что под воздействием неоднородного теплового поля в процессе активизации и мобилизации рассеянных среди вмещающих (окружающих) пород компонентов в благоприятных структурах могут возникать области повышенных концентраций элементов (своего рода «рудные проявления»). Анализируя в целом распределение элементов в неоднородном тепловом поле, следует, наряду с характером этого поля, учитывать геологоструктурные особенности областей, физико-химические, теплофизические и литологические особенности слагающих их пород.
В заключение еще раз следует подчеркнуть, что рассмотренный механизм может, очевидно, предполагаться в качестве одной из возможных моделей участия рассеянных элементов окружающих пород в эндогенном процессе, но в то же время не исключает другие (в том числе одновременно проявляющиеся) модели.