CC BY
161
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2008 Геология Вып. 10 (26)
УДК 553.411/4:553.2
Физика рудогенеза Витватерсранда (ЮАР)
Н.А. Шило
Российская академия наук, Москва, Ленинский пр., 14
Рассматривается история представлений о генезисе уникального золотоуранового месторождения Витватерсранд (ЮАР), всеми исследователями относившегося к россыпям. Автор, анализируя физику фундаментальных свойств парагенетического комплекса элементов руд месторождения, доказывает его эндогенный генезис.
Ключевые слова: золото, рудообразование, Витватерсранд, ЮАР.
Споры о генезисе некоторых южноафриканских золоторудных месторождениях к 60-м гг. ХХ в., казалось, завершились признанием их осадочного происхождения [4]. Однако продолжавшиеся исследования различных аспектов рудообразующего процесса поколебали эти представления. В работах второй половины ХХ в., была вскрыта сложная природа этих месторождений. Их рудная минерализация оказалась наложенной на структуру, прошедшую стадию сжатия, определившую агрегатное состояние кварц -пиритового материала. Это привело к появлению в месторождениях противоречивых признаков, позволявших относить их то к осадочным, то к послемагматическим гидротермальным, то к гидротермально-осадочным образованиям.
Как известно, продуктивный горизонт Витватерсранда представлен объектами, к которым относятся единственные в своем роде золотоурановые месторождения Трансвааля и Оранжевой провинции ЮАР. Поскольку их геологическая позиция известна, напомню о ней лишь в общих чертах, придерживаясь схемы Л.Т. Нела, доказывающего, что металлоносные конгломераты - метаморфизован-ные россыпи золота. Структура, с которой связаны месторождения указанных провинций, сложена четырьмя геологическими системами с несогласным взаимоотношением; они залегают на глубоко эродированном фундаменте архейского возраста (от древних к более молодым): Доминион-Риф, Витватерсранд, Винтерсдорф, Трансвааль. В их составе присутствуют базальные и внутриформаци-онные пачки конгломератов, аркозовые пес-
чаники, кварциты, лавы андезитов, туфы, сланцы, тиллиты (? - Н.Ш.). В осадочновулканогенную толщу внедрены интрузии Бушвельдского комплекса, дайки, межпласто-вые гипербазиты и т. д. Архейское основание сложено гнейсами и гранитами; на нем несогласно залегают Доминион-Риф, Витватер-сранд и трансгрессивно - слои Винтерсдорфа и Трансвааля.
Золотоурановые месторождения связаны с конгломератами толщи Витватерсранд. Ими слагаются линзовидные тела, расположенные на внутриформационных эрозионных поверхностях или в депрессиях древнего гранитного ложа (система Доминион-Риф); как считает Л.Т. Нел, конгломераты отлагались в замкнутом бассейне (система Витватерсранд) и образуют ленты и протяженные залежи, сформировавшиеся в древних руслах.
Золото и уран распределяются в конгломератах в зависимости от морфологических и литологических особенностей пород. В залежах высокие концентрации золота локализуются в пределах береговой линии, как будто бы распознающейся по фациальной изменчивости отложений. В песчаниках, сменяющих в латеральном направлении конгломераты, золото отсутствует. В протяженных линзовидных телах максимальные его концентрации отмечены у подошвы (плотик). В лентообразных отложениях русл содержание золота повышено в тех местах, где отложения пересекают золотосодержащие конгломераты более древнего возраста, за счет которых и возникли золотоносные отложения русл. В целом же «минерализация не выходит за пределы рудоносных конгломератов и не перехо-
© Н.А. Шило, 2008
дит, пересекая слоистость, в песчанистые боковые породы или даже в линзовидные прослои кварцитов и песчаников, присутствующих внутри конгломератового рифа и обычно называемых "безрудными прослоями”. Для месторождения «характерной особенностью являются концентрации уранинита и золота у подошвы конгломератового пласта и вблизи нее. Наличие более богатых рудных скоплений в основании пласта наиболее обычно в конгломератах с хорошо выраженным сланцевым прослоем в их подошве и в перекрывающих их конгломератах мощностью менее одного фута» [4, с. 263].
Допускается возможность сингенетического образования уранинита «в результате осаждения его между сцементированными гальками из вод бассейна осадконакопления в условиях застойной восстановительной среды» [там же, с. 272] и т. д.
Связь золотой и урановой минерализации с основными интрузиями и гранитами отрицается.
Конгломераты несут следы метаморфизма и метасоматоза, хотя эти процессы и не нарушают общей закономерности распределения металлов в зависимости от литологических и метаморфических особенностей залежей. Например, появляющиеся иногда хлорит, серицит, кальцит, доломит и сульфиды (пирит и др.) распространяются как в бедные золотом и уранинитом участки, так и в богатые. Их породы не влияют на распределение этих минералов, в парагенезисе с которыми присутствуют касситерит, колумбит-танталит, монацит, ильменит, гранат и др. Это наложенная минерализация, она связывается с внедрившимися в толщу дайками и небольшими интрузиями, местами развивается вдоль тектонических нарушений.
Таким образом, урансодержащие золотоносные конгломераты системы Витватерсранд и смежных осадочных формаций образовались в два этапа: на первом, как следует из изложенной выше схемы Л.Т. Нела, золото и уранинит сингенетически накапливались в гидравлически неравновесных с ними галечни-ковых отложениях (выделено мною) за счет размыва минерализованного фундамента; на втором - металлоносные галечники были диа-генезированы, затем метаморфизованы и претерпели воздействие метасоматоза, проявления которого связывается с интрузиями как
Бушвельдского комплекса, так и более молодых гранитоидов.
Тем не менее, в этой схеме обнаруживаются противоречия, заслуживающие того, чтобы на них остановиться. Как отмечалось, в золотоносных конгломератах Витватерсранда присутствует заметное количество пирита, который классифицирован еще П. Рамдором; в уточненном виде эта классификация изложена в статье Д.К. Хауллбауэра и Э.Дж. Кабле [14]. Ими выделяются следующие типы пирита: аллогенный детриальный (перетертый,
окатанный) и привнесенный позднее псевдо-гидротермальными водами.
Аллогенный детриальный пирит, наиболее тесно связанный с распределением золота, представлен округлыми или сферическими «окатанными» образованиями, получившими название «пиритовой картечи». Этот пирит, присутствуя в конгломератовой матрице, образует пограничные слои и встречается в кварцевых породах выше и ниже рифа в виде массивных полос мощностью до нескольких сантиметров; он фиксируется в прослоях на многочисленных стратиграфических горизонтах по всей Витватерсрандской толще. Сфероидальная форма пиритовых агрегатов еще на ранних стадиях изучения месторождения послужила одним из доводов в пользу его осадочного (аллювиального) происхождения.
В «галечниковом» или «окатанном» пирите присутствуют включения, которые, как полагают Д.К. Хауллбауэр и Э.Дж. Кабле, имеют первичное или гидротермальное происхождение; они содержат кварц и биотит, их диаметр редко превышает 10 мкм. Во включениях с кварцем иногда ассоциируют биотит, рутил и монацит, которые, вероятно, выступают в качестве дочерних минералов. В биотите установлены калий и магний; в «окатанном» пирите базального рифа зарегистрированы небольшие количества титана и хрома. Пирит из контакта рифа Витватерсранд (район Картенвиль) содержит ортоклаз - один из главных силикатов во включениях. В «окатанном» пирите встречаются микронные выделения молибденита и турмалина, они же фиксировались и в аналогичных агрегатах пирита из других районов, что, по предположению указанных авторов, свидетельствует о кварц-турмалин-золотосодержащем составе жил, которые являлись первичным источником золота.
Сопоставление связей кобальта с никелем в пирите витватерсрандского золотоносного поля и архейского комплекса показало, что для архейского пирита характерно уменьшение соотношения кобальта и никеля, тогда как в пирите Витватерсранда оно возрастает за счет увеличения содержания кобальта. Тем не менее, некоторые горизонты рифов (Базальный риф) обнаруживают большое сходство по кобальт-никелевому соотношению с архейскими породами. Полученная информация о содержании в «окатанном» пирите включений и присутствии в них минералов позволила Д.К. Хауллбауэру и Э.Дж. Кабле сделать вывод, о том, что источников накопления золота в рифе Витватерсранд было несколько.
Однако наличие так называемого «окатанного» пирита, или «пиритовой картечи», порождает важный вопрос, который и побудил меня провести специальные исследования вместе с М.С. Сахаровой из МГУ [8]. Дело в том, что в изучаемых мною шлиховых комплексах из различных россыпей мира, среди которых аллювиальные месторождения занимали значительное место не было обнаружено «окатанного» пирита, сходного с предоставленной мне Д.К. Хауллбауэром коллекцией, характеризовавшей концентраты из месторождения Витватерсранд. Это понятно, так как пирит обладает такими физическими свойствами, которые при транспортировании в водно-аллювиальной среде способствуют дроблению минерала, его крошению, поэтому он не окатывается. В этом случае возникает вопрос: как в конгломератах Витватерсранда накопилось большое количество «окатанного» пирита («пиритовой картечи»), которому приписывается аллювиальное происхождение? И являются ли эти образования действительно аллювиальными?
Изученные мною с М.С. Сахаровой [8] образцы пирита включали два типа образований: а) округлые сферические (сфероиды) агрегаты - «пиритовая картечь»; б) сростки ограненных, преимущественно кубических кристаллов.
Исследование пиритов показало, что сфероидальные агрегаты имеют почти правильную округлую шаровидную, иногда каплевидную форму. Размер зерен - от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Поверхность сфероидов ровная, без следов механических повреждений, типичных для минералов, подвергавшихся аллювиальной обработ-
ке. Они имеют метазернистое строение. Основная масса сложена мелкими зернистыми выделениями кубической формы, постепенно переходящими к участкам крупнокристаллических ограненных кристаллов. Поверхность мелких кристаллов и некоторых зернистых выделений обнаруживает губчатое строение и следы коррозии, тогда как поверхность крупных идиоморфных кристаллов пирита - гладкая со ступенями роста, являющимися признаком первичной кристаллизации.
Наличие переходов от мелко- к среднезернистым образованиям и хорошо ограненным кристаллам позволяет считать, что последние возникли при перекристаллизации и укрупнении мелкокристаллического пирита сфероидов.
Вторая морфологическая разновидность пиритовых образований - сростки кубических кристаллов. Их размер варьирует. Отмечаются срастания хорошо ограненных индивидов с агрегатами мелких кристаллов, среди которых сохраняются зернистые реликты. На гладкой поверхности граней заметны линейные ступени роста, ростовые спирали, дочерние образования, признаки перекристаллизации.
Единство морфологических и субструк-турных особенностей сфероидов сростков кристаллов пирита свидетельствуют о том, что обе его разновидности принадлежат продуктам первичной кристаллизации in situ. Сфероидальные образования могут рассматриваться как формы роста, в последующем испытавшие метаморфические преобразования и частично или полностью перекристал-лизованные в сростки кристаллов.
Дифрактограммы сфероидальных выделений и кристаллических сростков показали, что они сложены только пиритом; примеси марказита, обычно дающего подобные формы, не обнаружены. Химический состав пирита сфероидов и кристаллических сростков оказался одинаковым. В некоторых образцах отмечается наличие мышьяка (0,1 -
0,3 мас.%), из элементов-примесей в них присутствуют золото, серебро, кобальт, никель, висмут, медь, сурьма, цинк, титан и др. Пере-кристаллизованный крупнозернистый пирит обеднен элементами-примесями по сравнению со сфероидами.
В сфероидах и сростках кристаллов пирита наблюдаются выделения самородного золота и обособления сульфидов: сфалерита, эмульсионной вкрапленности халькопирита,
овальных образований пирротина с халькопиритом. Золото - тонко ветвящиеся прожилки и мелкие включения в кристаллах пирита и на его контактах с другими сульфидами. Во включениях отмечаются кварц, карбонаты, силлиманит. Набор элементов-примесей и типичная для гидротермальных процессов ассоциация сульфидов дают возможность говорить о том, что образования сфероидов пирита («окатанного» пирита, «пиритовой картечи») нужно связывать с эндогенными процессами.
Полученные данные позволяют прежде всего отвергнуть идею об аллювиальном происхождении «окатанного» пирита, или «пиритовой картечи». Сфероиды возникли в ходе метаморфогенно-метасоматической эволюции месторождения, затушевавшей главнейшие черты его генезиса.
Итак, проблема образования сфероидов пирита однозначно решена в пользу их эндогенного происхождения. Тем не менее «ока-танность» - термин привлекательный и укоренившийся в геологии, иногда как это видно из некоторых работ, опубликованных в последней четверти ХХ - начале XXI столетия, к сожалению, переносится и в эндогенные условия.
Академик А.Д. Щеглов, в частности, после посещения золоторудного месторождения Витватерсранд и сбора там коллекции рудного материала, опубликовал статьи [11,12,13], в которых недвусмысленно пытается связать образование пиритовых сфероидов с окатыванием в эксплозивно-гидротермальных системах, ссылаясь при этом на ряд авторов, которые придерживаются того же мнения. Мною [6,7,8,9] дана критика положения, которого А.Д. Щеглов придерживается при объяснении генезиса пиритовых сфероидов из месторождения Витватерсранд. А.Д. Щеглов отозвался на мою критику статей [13], в которой упрекнул меня в том, что я неправильно толкую его позицию.
Поэтому приведу лишь одну выдержку из статьи, которая показывает, что моя критика была вполне оправдана. На странице 163 он пишет: «Г.И. Туговик, изучавший долгие годы эксплозивные рудные системы, в своих обобщающих монографиях на примере месторождений Забайкалья и других районов также показал, что в гидротермально-газовых струях во время взрыва происходит окатывание» (выделено мною Н.Ш.). Именно против
этого я и возражал. А.Д. Щеглов, не соглашаясь со мной, утверждает то же самое, называя месторождение Витватерсранд осадочногидротермальным. К осадочным образованиям он относит также сфероиды кварцевой «гальки» «конгломератов».
В августовском номере газеты «Природные ресурсы - Ведомости» (2004) появилась статья профессора А.М. Портнова под названием «Глубинные золотоносные «реки» Земли». В ней автор доказывает, что сфероиды пирита и «галька» конгломератов золоторудного месторождения Витватерсранд приобрели сфероидальную форму в ходе окатывания потоками гидротерм в эндогенных условиях. Этими же гидротермами привносилось и золото в рудное поле Витватерсранда в объеме около 50 тыс. т. Еще раньше образование сфероидов путем окатывания в газовогидротермальных средах довольно подробно рассмотрено А.М. Портновым в статье [5].
Мне трудно представить подобную довольно объемную по своей филигранности работу потоков гидротерм в глубинных условиях. Тем не менее сфероидам, встречающимся во многих эндогенных месторождениях, как правило, приписывается «окатывание», уж если не в экзогенных условиях, то в эндогенных, но все равно реками, якобы образуемыми гидротермами.
В этом заключено недопонимание того простого факта, что сфероидальные формы, действительно образующиеся в эндогенных условиях, но не обвораживающим ум окатыванием, а иным путем. Они возникают при очень большом давлении и температуре, когда агрегатность вещества в новых термодинамических условиях не вписывается в энергетические параметры системы, поэтому она приобретает стохастичность, повышается напряженность, нарушается ее равновесие. В этих условиях вещество принимает иную агрегатную форму, энергетически выгодную по объему и поверхности агрегатов, что и приводит ее в равновесие, соответствующее новым термодинамическим условиям. В ходе этого процесса меняется и агрегатность вещества. Гелеобразное или аморфное его состояние, либо магматический расплав, либо пересыщенный раствор, по физическим параметрам приближающийся к расплаву, агрегируется (квантуется) в сфероидальные формы, в результате энергетически крайне напряженная разупорядоченная система переходит в упо-
рядоченную, которой должны отвечать формы, энергетически выгодные по объему и по поверхностям. Этим условиям удовлетворяет шар. Это происходит в ходе неравновесного процесса, когда из всех фигур заданного объема минимальной площадью поверхности обладает только шар.
Исследования показывают, что этим неравновесным системам в рудообразовании присущ восстановленный характер, скорее всего определяющийся присутствием водорода. Недавно (2004 г.) я получил из месторождения Витватерсранд образец с видимым золотом, в основном выполняющим интер-стиции между обломками брекчированной породы. Его изучение показало, что кроме золота он насыщен самородными Pb, Zn, Bi, Al, Sn, Ca, Mg, Cr и другими элементами, отражающими восстановленный характер среды минералообразования.
Обратимся к пириту и гальке конгломератов Витватерсранда. Пирит имеет кубическую сингонию и должен кристаллизоваться в этом виде симметрии. Однако возьмем площадь поверхности куба, вписанного в шар. Отношение объема шара к объему куба равно
(rc/2)V3 , а отношение поверхности шара к
поверхности куба - п/2. Из этого следует, что объем при переходе куба к шару изменяется в
раза больше, чем их поверхность. Это подтверждает положение, согласно которому из всех фигур заданного объема минимальной поверхностью обладает шар - это закон природы. На рудниках Витватерсранда ежегодно попутно с золотом добывается около 400 тыс. т. пиритовой картечи, т.е. сфероидальной формы пирита! Одни геологи образование этих агрегатов пирита приписывают поверхностным организованным водотокам, а другие
- гидротермальным рекам! И то и другое объяснение противоречит законам природы!
Обнаружение в ряде месторождений сфероидов минералов, например шаровидного кварца, свидетельствует о верности объяснения образования их форм. Что же касается эксплозий, то они только выносят уже сформировавшиеся сфероиды при рассмотренных ранее условиях. В кимберлитах часто встречаются кварцевые стяжения в форме шара, несомненно возникшие при большом давлении и, возможно, на той же глубине, на которых кристаллизовались и алмазы. Напомню, что в свое время полагали, что алмазы обра-
зуются в момент взрыва и в ходе подъема кимберлитовой магмы к поверхности. Как видим, заблуждения - это результат несовершенных знаний о природных процессах, которые к тому же трудно поддаются экспериментальной проверке, хотя именно эти процессы, ведущие к образованию сфероидов на больших глубинах вполне объяснимы законами природы.
В связи с проблемой «окатывания» подчеркну, что в аллювиальном процессе, чрезвычайно редко встречаются породы, которые бы окатывались до формы шара. Они обычно возникают только в так называемых мельницах, котлах, полостях, где развиваются большой силы турбулентные процессы воды. Попадая в эти полости или котлы, скажем, обломок гранита, «окатывается» до шара. Подобные котлы мне приходилось наблюдать на острове Тасмания. В каждом из них находился один шар гранита.
В 1936 г. я изучал в Сары-Адыре (Казахстан) конгломераты девонского возраста и согласно залегающие на них известняки того же возраста. В конгломератах никогда не встречал валунно-галечникового материала, окатанного до шаровидной формы. В известняках же присутствовали кварцевые стяжения, как правило, по форме близкие к шаровидной. Разумеется, мне и в голову не приходила мысль об отнесении их к окатанным галькам кварца.
Весьма веским аргументом, в пользу рассмотренной концепции образования в эндогенных условиях пиритовой «картечи» и «гальки» «конгломератов» золотоуранового месторождения Витватерсранд является узкий разброс размерности как пиритовых, так и кварцевых образований (шары кварцевой «гальки» из «конгломератов» Витватерсранда не превышают по размеру куриного яйца). Общеизвестно, что в окатывание, где бы оно ни происходило - в экзогенных или эндогенных условиях, неизбежно должны вовлекаться обломки минералов или пород самой разной размерности. Узкий предел размерности пиритовых сфероидов и кварцевой «гальки» «конгломератов» Витватерсранда - свидетельство того, что их образование происходило в строгих узких рамках термодинамических режимов, в соответствии с которыми заданному объему пиритовых и кварцевых образований должна была отвечать минималь-
ная площадь поверхности агрегата. Этому условию удовлетворяет только шар.
Из изложенного следует, что «конгломераты» Витватерсранда нельзя называть конгломератами, для них, как я уже писал, наиболее подходящим будет термин «псевдоконгломераты».
Здесь я не могу, не остановится на одном эксперименте, позволяющем решить сразу две фундаментальные проблемы. После того, как мною были опубликованы три статьи о механизме расслоения ультрабазитовых магматических расплавов в Институте высоких давлений АН СССР провели уникальный опыт. Расплавили базальт и медленно остужали расплав под давлением в 1000 атмосфер в водородной среде. В результате была получена концентрически расслоенная глыба. В ее центральной части раскристаллизовался пироксен, сменяющийся в направлении к периферической зоне менее основными породами. Этим экспериментом, во-первых, однозначно решается проблема ликвационного расслоения базальтоидного расплава при его остывании, протекающем при стабильных высоких давлениях и в основной среде. Причем в центре агрегата раскристаллизовывается ультра-основная его часть (чаще дуниты). Во-вторых, эксперимент наглядно демонстрирует образование кварцевых «галек» «конгломератов» и сфероидов пирита, что более сотни лет выдавалось в качестве доказательства аллювиального происхождения золоторудного месторождения Витватерсранд (открыто в 1886 г.), ошибочно относившегося геологами всего мира к россыпям.
Отработка месторождения Витватерсранд показала, что золото приурочено к нижнему горизонту лежачего бока псевдоконгломератов (мощностью около фута) причем с резким увеличением содержания его в углеродистых слойках, развитых в основании псевдоконгломератов. Их природа длительное время определялась неоднозначно. И только совсем недавно она была раскрыта в работе [10]. В ней авторы излагают результаты своего исследования углеродистых образований из месторождения Витватерсранд, так как, во-первых, они оказались менее всего изученными, а во-вторых, с ними связаны наибольшие концентрации золота этого месторождения. Изучение углеродистых слойков производилось сканирующим электронным микроскопом и рентгеновскими лучами, а также с при-
влечением других методов. Авторы пришли к выводу, что столбчатые слойки являются фос-силизированными цианобактериальными матами с типичным для них нитчатым строением. Этот факт подтвержден американскими микробиологами, выделившими ДНК цианобактерий из руд месторождения Витватер-сранд. Как отмечают авторы указанной работы [10, с. 24]. Цианобактериальные маты формируются в лагунах аридных и семиаридных обстановок.
Изучая золото микробиальных слойков, авторы выделили в качестве простейших форм его обособлений пластинки, слабо гофрированные, располагающиеся между нитями. «Толщина таких пластинок - доли мкм, гофрировка отражает неровную поверхность нитей... Они, в общем параллельны нитчатости» (с. 28).
«Другой, более сложной формой проявления золота является полное копирование нитей, по сути их полное замещение, в конечном счете и появление форм, напоминающих слойки, пластинки из золота» (с.29).
«Более полной и более значительной по массе золота формой являются золотые пучки из замещенных золотом микробиальных нитей, часто в виде пустых трубочек, т.е. замещенных после ухода трихом». «В поперечных срезах таких пучков иногда хорошо видно сочетание таких трубочек, с целыми пластинками-веерами.. Видимая длина таких пучков может достигать нескольких сотен мкм.. Некоторые из таких пучков в срезах напоминают, благодаря обилию пустотелых трубок, строение многоствольных минометов» (с. 29). Эти три главные формы золота в углеродистых слойках месторождения Витватерсранд, как, впрочем, и многие другие, но имеющие по массе е второстепенное значение, возникают, как считают авторы, в результате репликации золота по нитям микробиальных слойков и замещения углерода этих слойков золотом.
Максимальные или даже уникальные концентрации золота в породах с повышенной углеродистостью (черные сланцы, графит) общеизвестны. Я еще в 1945 г. показывал академику С.С. Смирнову образцы из разведываемой нами золотоносной кварцевой жилы на склоне долины Малый Ат-Юрях. В ее зальбандах, где наблюдалась расщепленная на тонкие пластинки, перемежавшиеся с кварцем, черносланцевая вмещающая порода,
обычно концентрируются уникальные содержания золота. В книге [6] я отмечал, что после открытия золоторудного месторождения Му-рунтау (Узбекистан), а в последующем - Сухого Лога (Россия) некоторые исследователи стали развивать идею об изначально осадочном их происхождении. Например, В.Г. Гарь-ковец [2] предложил в классе эндогенных выделять коровые (литогенные), а среди них -метаосадочные и апоосадочные месторождения. Однако в Мурунтау на глубине 4005 -4300 м скважиной подсечен гранитоидный массив, в породах которого зафиксированы торит, монацит, уранинит, арсенопирит, сфалерит, магнетит, золото в ассоциации с графитом. В породообразующем кварце и плагиоклазе гранитов рудные минералы присутствуют в виде тончайших включений (3-10 мкм), образуя струйки и индивиды, развивающиеся по трещинкам, в которых они ассоциируют с твердофазным углеродистым веществом. В золоторудном месторождении Мурунтау, сформировавшемся в алевролитах, обогащенных органическим веществом, повторяется рудный парагенезис гранитов. Рудная минерализация фиксируется в кварцевых жилах, выполняющих разломы, и дробленых (брек-чированных) алевролитах, т. е. в наиболее проницаемых зонах, связанных с системой разломных структур.
Прецизионными исследованиям руд Сухого Лога зафиксированы золото в виде включений размером в единицы микрометров в пиритах и в виде пленок (десятые доли микрометров) в срастании с графит-серицитовыми агрегатами, а также в неопределенных формах серебро, платина и палладий в виде включений кластерной субкри-сталлической размерности в золоте, пирите, халькопирите, минералах никеля и в срастании с графитом, антраксолитом, кварцем и алюмосиликатным материалом черных сланцев. В крупнейшем золоторудном месторождении России (Наталка, Северо-Восток) золотопиритовая минерализация, сопровождающаяся ассоциацией других сульфидов, наложилась на высокопроницаемые зоны брекчи-рованных дробленых черносланцевых пород, насыщенных графитом. К этому можно добавить недавно открытую золотоплатиновую провинцию западного склона Южного Урала, представленную сложно дислоцированными углеродсодержащими толщами с обильной сульфидной минерализацией [3].
Причина такой избирательности золотом углеродсодержащих пород до сих пор никем не объяснена. В истории золотодобывающей промышленности, золото в породах с повышенной углеродистостью представлялось как их инертный компонент к последним, т. е. никаких признаков физико-химического взаимодействия между золотом и углеродистым веществом не было замечено. Тем не менее авторы работы [10] достоверно установили в микробиальных слойках не только общеизвестную связь золота с углеродом, но и псевдо-морфное замещение золотом углерода, слагающего микробиальные нити с сохранением мельчайших скульптурных деталей последних. Не объясняя механизма такого взаимодействия золота с углеродом в микробиальных слойках, указанные авторы отнесли месторождение к россыпям, сформировавшимся в лагунах аридных или семиаридных обстановок. В эти лагуны водотоками с окружающих территорий, по их мнению, было привнесено золото, которое зафиксировалось в основном в углеродистых слойках, мощность которых не превышает нескольких сантиметров, а часть которого сконцентрировалась в нижней зоне перекрывающих эти слойки «конгломератов».
Однако известно, что в аридных и семиаридных условиях литогенетическая роль воды или сводится к нулю, или столь мала, что ни о каком переносе и тем более о переработке и сортировке громадных количеств аллювиального материала и речи не может быть. Тем не менее исследование псевдоморфоз золота по микробиальным нитям столбчатых слойков в месторождении Витватерсранд позволяет создать непротиворечивую модель генезиса этого месторождения. Их открытие для меня, длительное время занимавшегося этой проблемой, явилось последним звеном, которого не доставало в разрабатываемой мною концепции.
Золотовмещающий комплекс рудного поля Витватерсранд хорошо изучен. Он включает а) микробиальные углеродистые столбчатые слойки, залегающие на гранитогнейсовом архейском фундаменте под псевдоконгломератами, в настоящее время всеми относимыми к конгломератам, б) псевдоконгломераты, состоящие из кварцевых шаровидных «галек», сцементированных кварцево-каолин-
серицитовым цементом, в) пирит в форме шаровидных стяжений, получивших название
пиритовой картечи, г) рудный комплекс, перекрытый толщей эффузивов разного состава. Формирование этого комплекса происходило в менявшихся тектонических и физикогеографических обстановках, отраженных в современных особенностях месторождения и составивших его генетическую основу. Это, во-первых, формирование микробиальных матов в семиаридных условиях, вошедших в комплекс в виде столбчатых углеродистых слойков, во-вторых, перекрытие микробиальных столбчатых слойков силикатным материалом с пиритом, в-третьих, активизация субаэрального вулканизма, перекрывшего структуру эффузивами разного состава, в-четвертых, погружение всего комплекса на глубины со сдавливающим напряжением, где и образовались сфероиды (шары) кварца и пиритовая картечь, в-пятых, смена напряжения сжатия в комплексе растягивающим напряжением, что несомненно связано с заложением глубинного разлома. Действие сил растяжения сопровождалось формированием зоны высокой проницаемости, брекчировани-ем пород (мне недавно прислали для исследования образец витватерсрандской руды, он брекчирован, видимое золото выполняет ин-терстиции, наиболее крупные его выделения размещаются между обломками), возникновением микротрещиноватости при взрывах минералов от резкого возрастания внутрикри-сталлического давления, определяемого флюидами включений, которое с падением температур превосходило литостатическое и внутрипоровое давление.
В таком виде витватерсрандский комплекс пород стал матрицей. В этой матрице наиболее проницаемой зоной оказался контакт микробиальных слойков и псевдоконгломератов с архейским фундаментом. Не случайно золотоурановый гидротермально-флюидный диффузионный поток сбрасывал рудный комплекс именно в этой зоне. Золото создавало репликации вдоль нитей столбчатых слойков, формировало псевдоморфозы по углероду, заполняло интерстиции между брекчиями, трещинки в пирите, образуя ксеногенные субфрактальные формы. Некоторая его часть сконцентрировалась в маломощном (менее фута) слое псевдоконгломератов, перекрывающих микробиальные столбчатые слойки. Не подлежит сомнению, что этот процесс протекал весьма длительное время, измеряемое миллионами лет.
Итак, изучение создавших месторождение процессов однозначно показывает, что Витва-терсранд относится к гидротермально-метасоматическому генезису. Оно сформировалось в мезозоне земной коры, куда поступало золото, серебро, уран со значительных глубин из одного источника и в течение длительного времени. К его транспорту скорее всего причастны флюиды, насыщенные цианидами или другими золотосодержащими комплексами, растворимыми в термах.
Однако гидротермально-
метасоматический генезис этого уникального золотоуранового месторождения, вызывает по меньшей мере два вопроса, на которые необходимо дать ответ. Во-первых, почему возникло месторождение, из которого уже добыто около 50 тыс. т этого металла, и, как полагают эксперты, оставшиеся в нем запасы могут быть оценены еще в 50 тыс. т? И, во-вторых, чем можно объяснить образование золотых псевдоморфоз по углеродистым столбчатым слойкам?
На первый вопрос можно ответить только в том случае, если удастся установить причину «стягивания» элементов или атомов, или молекул. Оно проявляется во многих геологических процессах, в том числе, например, в образовании слоев при формировании расслоенных интрузий ультраосновных пород. Нередко встречающиеся крупные самородки золота или платины, вероятнее всего, обязаны тому же процессу стягивания к центру роста агрегатов этих металлов. С процессом стягивания несомненно связаны уникальные массы металлов и, возможно, других элементов, являвшихся источниками образования месторождений полезных ископаемых, грандиозных рудных поясов и полей, имеющих планетарное значение. Примером их может служить вулкан Лакос в Чили, изучавшийся профессором В.И. Старостиным. Этот вулкан длительное время изливал чистый магнетит. Ко второму примеру условно можно отнести вулкан Кудрявый на острове Итуруп, который длительное время изливает андезитобазальтовые лавы, обогащенные рением. Такие источники, видимо, возникают в ходе дифференциации внутрипланетарного вещества. Скорее всего, это происходит в верхнемантийной зоне Земли.
Установлено, что Р, Ag, Au [9] при плавлении проявляют аномалии магнитных эффектов, т. е. становятся парамагнитными. Ве-
роятно, этот факт можно распространить и на пересыщенные растворы каких-то соединений Au или на содержащие его радикалы, устойчивость которых в гидротермах стабилизируется щелочами или другими какими-то элементами, молекулярными или атомными соединениями, или радикалами. Возможно, парамагнетизм, подобно гравитации, образует поле, которое определяет стягивание металлов в массы, являющиеся источником для месторождений, рудных полей, поясов, металло-генических провинций. Исследования в этом направлении могут дать совершенно неожиданный результат и поэтому являются весьма перспективными.
Все сказанное позволяет ответить и на второй вопрос: почему в месторождении Вит-ватерсранд максимальные концентрации золота связаны с углеродистыми столбчатыми слойками? Выше на примерах золоторудных месторождений Мурунтау, Сухой Лог, Наталка, западного склона Южного Урала это было показано. Витватерсранд в этом отношении не является исключением. Ответ на поставленный вопрос имеет общее значение, т.е. максимальные концентрации золота в присутствии углерода являются общей закономерностью образования золоторудных месторождений. Но почему? Сегодня на этот вопрос никто не может ответить. Классики геологической науки, изучавшие рудные месторождения, их геохимию, минералогию, кристаллографию даже близко не подходили к ответу на этот сакраментальный вопрос. Всегда специалисты самого высокого ранга относили ассоциацию золота с кварцем, углеродом или пиритом к само собой разумеющемуся факту, природному явлению, существо которого навсегда спрятано от человеческого разума.
Современное учение о полезных ископаемых основывается на их описании. Притом законы образования парагенезисов, минеральных ассоциаций, причины последовательного поступления в формирующиеся рудные залежи элементов, как правило, не рассматриваются или интерпретируются с позиций химических реакций, согласующихся с системой распределения элементов в таблице Д.И.Менделеева, хотя современная химия во взаимодействиях элементов допускает два типа реакций: а) энергетическую и б) магнитную. И, поскольку рудообразование развивается по тренду затухающих тепловых эффек-
тов, при его интерпретации предпочтение следует отдать второму типу реакций.
Такой подход к проблеме оправдывается тем, что, во-первых, с этих позиций она никем не изучалась, во-вторых, как известно, магнитные эффекты фиксируются во многих химических реакциях. Однако объяснения этого явления не давались, и тем более не предпринимались попытки приложения его к разработке теории рудообразующих процессов, т. е. физики рудогенеза.
Но прежде чем продолжить анализ материала, позволяющий дать ответ на второй вопрос, остановлюсь, опираясь на работы академика А.Л. Бучаченко [1] и других, на магнитном аспекте взаимодействий химических элементов, которые осуществляются на электронно-ядерном уровне, т. е. в эти взаимодействия вовлекаются не только валентные электроны, а весь их ансамбль, окружающий ядро.
Электроны, как известно, это магнитики, обладающие угловыми вращательными моментами или квантовыми спинами, которые сохраняют в пространстве ориентацию подобно гироскопу. Во множестве органических и неорганических соединений электроны имеют попарную с противоположной друг к другу ориентацию вращательных моментов. Их электронный спин равен нулю; такое спиновое состояние получило название синглета. Однако имеется множество элементов и их соединений, в которых присутствуют неспаренные электроны. Если имеется один электрон, то его спин равен %, и в противоположных направлениях вращения он дает два случая организации, называемых дублетом. При двух неспаренных электронах происходит либо компенсация спинов, тогда сумма их равна нулю (синглет), либо сложение, дающее суммарный спин, равный 1. Такое спиновое состоянии получило название триплета. Оно имеет три ориентации.
Спиновые состояния определяют способность химических объектов вступать в реакцию или обусловливают абсолютный запрет на реакцию. Реакционно способными являются объекты, в которых суммарный спин реагентов совпадает со спином продуктов реакции. Электрон обладает магнитным моментом, он чутко реагирует на всякое магнитное поле какой бы малости оно ни было. Магнитное поле может рекомбинировать спиновое состояние участвующих в реакции объектов, обеспечивая переход их из нереакционно спо-
собных в реакционно способные и наоборот, т. е. снять спиновый запрет на реакцию или рекомбинировать спиновое состояние таким образом, что возникнет запрет на реакцию.
Каким магнитным полям, оказывающим влияние на спиновое состояние объектов, участвующих во взаимодействиях, в частности в рудообразующих процессах, следует отдать предпочтение? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности. Это прежде всего магнитные ядра отдельных нуклидов (изотопов) некоторых элементов. С точки зрения рассматриваемой мною проблемы, т. е. рудообразующего процесса, в котором в качестве ведущих элементов выступают золото, серебро или уран, как в месторождении Витватер-сранд, к ним в первую очередь можно отнести нуклид углерода: 13C. Он имеет магнитное ядро.
В приведенных ранее примерах (Витва-терсранд, Мурунтау, Сухой Лог, Наталка, Южный Урал) золотая минерализация наложилась на структуры с растягивающими напряжениями, которые рассматриваются как матрицы отложения рудных минералов. Золото в эти структуры поступало скорее всего из единых мощнейших источников. В них запасы золота должны были превосходить запасы месторождений, созданных за счет указанных источников. Можно утверждать, что переход минералообразующего вещества из источников (верхнемантийная зона) в структуры ми-нералообразования (земная кора) инициировался большой разностью динамических напряжений. В верхнемантийной зоне, по-видимому, сохранялись сдавливающие напряжения, тогда как в рудообразующей структуре развивались растягивающие напряжения, что можно объяснить образованием разломных структур глубокого заложения. В каком виде осуществлялся транспорт золота? Поскольку в ряде золоторудных месторождений, где золото дает максимальные концентрации в связи с углеродом, набор элементов или радикалов повторяется. Во включениях, как правило, обнаруживаются CO2, CO, N2, CH4, C2H4, что позволяет отдать предпочтение цианидам, которые могут образовывать соединения типа [Au(CN4)]-1 или другие неизвестные золотосодержащие радикалы. Возможно цианид Au в присутствии N становится аморфным. Флюид этого комплекса переносится термальными водами в матрицу, в которой присутствует углерод и его нуклид 13С,
содержащий магнитное ядро, т. е. в магнитное поле углерода, где претерпевает рекомбинацию электронных спинов. Новая спиновая комбинация приводит к разрушению цианид-ного комплекса Au, и золото выпадает в магнитном поле углерода, т. е. оказывается в ассоциации с углеродом (органическим или неорганическим). При формировании золоторудного месторождения Витватерсранд золото из флюида создавало репликации вдоль микробиальных нитей и даже замещало их углерод, формируя псевдоморфозы золота по углероду.
Но, как известно, значительная часть золоторудных месторождений относится к тому типу, где золото присутствует в ассоциации с кварцем. В них углерод или отсутствует, или обнаруживается в незначительных количествах в качестве жильных карбонатных минералов. Возникает вопрос: что в этом случае определяет ассоциацию золота с кварцем? Я не ошибусь, если скажу, что и в этом случае рудообразующий процесс развивается по тому же физическому сценарию, который рассмотрен ранее. В этом процессе магнитные поля ядер некоторых нуклидов выступают в качестве рекомбинатора электронного спинового состояния золотосодержащих комплексов. Здесь ведущую роль должны играть нуклиды 29Si, 17O и, несомненно, SiO2, который содержит магнитные ядра указанных нуклидов. Разумеется, золотой комплекс в гидротермально-флюидном растворе может быть иным, однако повсеместное присутствие в плутоно-генных золотокварцевых месторождениях альбита Na(AlSi3O8), а в вулканогенных золотокварцевых - адуляра K(AlSi3O8) указывает на то, что в этих случаях цианиды натрия и калия играют решающую роль в миграции этого элемента в рудообразующую зону.
Мною рассмотрены два крайних случая концентрации золота: в магнитном поле изо-
13 29
топа C и магнитных полях изотопов Si и 17O, однако существует множество золоторудных месторождений, в рудовмещающем комплексе которых присутствуют нуклиды с
13 29 * 17
магнитными ядрами C, Si, O, Fe как органического, так и неорганического происхождения. В этой ситуации рудообразующий процесс протекает по той же схеме, а магнитные поля, рекомбинирующие спиновое состояние золотосодержащих комплексов, создают те же нуклиды углерода, кремния и кислорода.
В развитии рудного процесса большую роль играет ферромагнетизм. Поэтому ассоциация Au и FeS 2 не является случайной. Эту мысль подтверждает тот факт, что для золоторудных провинций характерно присутствие именно пирита (FeS2), тогда как для оловорудных - пирротина (FeS). В жильном комплексе первые, как правило, содержат пенин{(Mg,Fe)5 Al[AlSi3O10] [OH]8}, а вторые
- тюрингит ^3.5 (Al,Fe■ )3.5 [SІ2.5 All/5 Olo] [OH]6 nH2O}, т. е. магнезиальный и железистый силикаты.
Таким образом, в основе рудообразующих процессов лежат магнитные ядра некоторых нуклидов элементов, спиновое состояние участвующих в реакциях объектов и его возможная рекомбинация магнитными ядрами этих нуклидов. Возможно, к этому причастны магнитные эффекты расплавов, пара- и ферромагнетизм. Идея о переработке золота бактериями или грибками и его усвояемости этими организмами является недоразумением, так как не имеет под собой физико-химической основы. Золото в эти организмы попадает с водой, которую в больших количествах перерабатывают эти организмы. Золото присутствует в виде какого-то растворимого комплекса с соответствующей спиновой комбинацией, которая рекомбинируется 13С, золотосодержащий комплекс разваливается и золото «усваивается» организмами.
Из изложенного следует, что проблема Витватерсранда является частным случаем рудообразующих процессов, в которых принимают участие ^ Si, O, Fe, содержащие нуклиды с магнитными ядрами, и которые протекают по единой схеме. Тем не менее урансодержащие золотоносные месторождения в том виде, в каком они представлены в Трансваале и Оранжевой провинции ЮАР, являются безусловно уникальными образованиями с ярко выраженными противоречивыми чертами. Парагенезис золота с уранинитом и на-стураном часто встречается в других районах мира и, следовательно, должен рассматриваться как типичное явление. Не анализируя проблему совместного присутствия этих элементов во многих месторождениях, несмотря на резко различное их место в менделеевской системе (золото относится к I группе элементов и занимает 79 клетку в 6 периоде, тогда как U находится в группе актиноидов), укажу лишь, что в открытом нами вместе с физиком А.В. Дринковым законе Фибоначчиевого рас-
пределения элементов Au и U стоят рядом на первой спирали с ДZ=13 и поэтому неудивительно, что оба они часто присутствуют совместно, образуя золотоурановые месторождения [9].
Уникальность Витватерсранда определяется масштабом источника золота и компактностью рудовмещающей структуры (менее 300 тыс. км2), определившей концентрацию золота порядка 100 тыс. т в наиболее проницаемой зоне этой структуры - на контакте архейского фундамента с наложенной на него структурой (столбчатые слойки цианобактерий и псевдоконгломераты). Витватерсранду можно противопоставить Северо-Восток России, который, по моим подсчетам, содержит такие же количества золота, но его рудовмещающая структура оказалась не компактной (более 3 млн. км2) и поэтому здесь произошло рассеивание золота, поступавшего из внутри-сферного, по-видимому, тоже единого источника.
В связи с изложенным представлением о физике рудогенеза золоторудных месторождений возникает вопрос: возможно ли образование по аналогичной схеме месторождений других полезных ископаемых? На этот вопрос можно получить ответ только после изучения физики рудогенеза, в котором участвуют и другие элементы. Дело в том, что из 89 известных нам элементов (83 естественных и 6 искусственно полученных) в парамагнитную группу входят 55 элементов (число Фибоначчи) и в диамагнитную - 34 (число Фибоначчи). Кроме того, из 288 нуклидов содержат магнитные ядра 123 и немагнитные - 165. Совершенно ясно, что это разнообразие парамагнитных и диамагнитных элементов, а также магнитных и диамагнитных нуклидов (изотопов) определяет различные варианты физики рудогенеза. Несомненно, часть элементов может вступать во взаимодействие на основе валентных электронов и в этом случае физика реакций будет иной. Тем не менее взаимодействия всех элементов (парамагнитных, диамагнитных, а также содержащих парамагнитные и диамагнитные ядра нуклидов) не будут стохастическими, так как будет находиться под контролем как магнитных ядерно-электронных полей, закона Фибоначчиево-го распределения элементов, так и других фундаментальных свойств элементов (их принадлежности к четному и нечетному ряду, распространенности и т.д.).
В заключение хочу подчеркнуть, что непонимание существа рудообразующего процесса приводило к огромным затратам
средств на поиски в Сибири аналогов Витва-
Библиографический список
1. Бучаченко А. Л. Магнитный сценарий химической реакции /А.Л. Бучаченко// Наука и человечество, М.: Знание, 1990. С. 193 - 201.
2. Гарьковец В. Г. Концепция литогенного рудо-образования / В.Г. Гарьковец // Отеч. геология. М., 1992. №12. С. 3 - 8.
3. Ковалев С.Г. Новая благороднометальная рудная провинция Западного склона Южного Урала / С.Г. Ковалев // Минералогические исследования и минерально-сырьевые ресурсы России: матер. годич. собр. ВМО, М., 2007.С. 31 - 33
4. Нел Л. Т. Проблема генезиса уранинита в золотоносных конгломератах Южной Африки / Л.Т. Нел // Тр. XXI Междунар. геол. конгр. М.: Мир, 1964. Вып.3. С. 258 - 274.
5. Портнов А.М. Глубинные конгломераты: месторождения золота, урана, алмазов / А.М. Портнов // Природа. 1980, №7. С. 27 - 33.
6. Шило Н.А. Проблема механизма формирования парагенезисов минералов в россыпях, образующихся в перигляциальных и аридных условиях / Н.А. Шило // Тихоокеан. геология. 1995.Т. 14, №3. С. 311
7. Шило Н.А. Учение о россыпях - Теория россыпеобразующих рудных формаций и россыпей / Н.А. Шило. Владивосток: Дальнаука, 2002. 575 с.
8. Шило Н.А. Природа пиритовых образований отложений Витватерсранда / Н.А. Шило, М.А. Сахарова // Геология рудных месторождений. 1986, №2, С. 85 - 89.
терсранда, и это делалось в то время, когда эти аналоги не только были известны, но и эксплуатировались.
9. Шило Н.А. Фенотипическая система элементов в развитие идей Д.И.Менделеева/ Н.А. Шило, А.В. Дринков // Вестн. сев.-вост. науч. центра ДВО РАН, Магадан, 2007.
10. Школьник Э.Л. Углеродные породы и золото в них бассейна Витватерсранд, ЮАР - исследования с помощью электронного микроскопа /
Э.Л. Школьник, Е.А. Жегалло, Л.М. Гираси-менко, Ю.В. Шувалова. М., 2005. 120 с.
11. Щеглов А.Д. О генезисе золоторудных месторождений района Витватерсранд / А.Д Щеглов //Докл. РАН. 1993. Т.333, №1. С. 79 - 82.
12. Щеглов А.Д. О металлогении ЮжноАфриканской республики, генезисе золоторудных месторождений Витватерсранд и проблеме открытия их аналогов в России / А.Д. Щеглов. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 1994. 44 с.
13. Щеглов А.Д. О некоторых особенностях золоторудных месторождений Витватерсранда и их эквивалентах в восточных районах России / А.Д. Щеглов // Тихоокеан. Геология, 1995. №2. С. 160 - 166.
14. Hallbauer D.K., Kable E.J.D. Fluid inclusions and trance element content of quartz and pyrite pebbles from Witwatersrand conglomerates: their significance with respect to the genesis of primary deposits / D.K. Hallbauer, E.J.D. Kable // Ore genesis - The State of Art/ Eds G.C. Anstutz et al. Berlin; Heidelberg; New York, 1982. P. 742 -752.
Ore genesis physics of Witwatersrand (SAR)
N.A. Shilo
Academy of Science of the Russian Federation, Moscow, Lenin Avenue, 14
The history of genesis theories for unique gold-uranium Witwatersrand deposit (SAR) that is considered as placer by all researchers is supposed. Endogenic genesis of the deposit on the base of physical properties of ore elements is proved.
Key worlds: gold, ore genesis, Witwatersrand, SAR.
Рецензент доктор геол. -минер. наук Б. С. Лунев
