CC BY
43
УДК 551.242.3 (234.581)
ГЕНЕЗИС ВОД ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИПОЛЯРНОГО УРАЛА
Н. Н. Зыкин1, Н. В. Сокерина2
всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий
(ООО «Газпром ВНИИГАЗ»), Москва [email protected]
2Институт геологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар [email protected]
Генезис гидротермальных месторождений во многом определяется источником и генезисом вод рудообразующих флюидов. С целью выявления генезиса золоторудных и кварцевых месторождений Приполярного Урала проведены изотопные исследования водорода (SD) и кислорода (S18O) водной и газовой фаз из флюидных включений сингенетичных с рудами минералов. Приведены данные по изотопному составу кислорода и водорода вод современных гидротермальных систем, SD и S18O вод из флюидных включений других гидротермальных месторождений мира и изотопному составу вод их возможных источников (метеогенных, захоронённых, метаморфогенных, «ювенильных»). Показано, что в рудообразующих растворах месторождений Приполярного Урала, как и других гидротермальных месторождений, доминирует вода метеогенного генезиса и вода дегидратации ОН--содержащих минералов.
Ключевые слова: флюидные включения, изотопный состав кислорода, изотопный состав водорода вод.
GENESIS OF WATER OF HYDROTHERMAL DEPOSITS OF SUBPOLAR URALS
N. N. Zykin1, N. V. Sokerina2
1All-Russian Research Institute of Natural Gases and Gas Technologies (Gazprom VNIIGAZ), Moscow 2Institute of Geology of Komi Science Center of UB RAS (IG Komi SC UB RAS), Syktyvkar
The genesis of hydrothermal deposits is largely determined by the source and genesis of ore-forming fluids. To identify the genesis of gold deposits and quartz deposits of Subpolar Urals we held isotope studies of hydrogen (SD) and oxygen (S18O) of water and gas phases from fluid inclusions of the ore-syngenetic minerals. We present data on the isotopic composition of oxygen and hydrogen of waters of modern hydrothermal systems, SD and S18O of water from fluid inclusions of other hydrothermal deposits of the world, and the isotopic composition of the waters of their possible sources (meteogenic, buried, metamorphogenic, «juvenile»). It is shown that the ore-forming solutions of Subpolar Urals deposits, as well as other hydrothermal deposits, are predominated by water with meteogenic genesis and water of dehydration of OH--containing minerals.
Keywords: fluid inclusions, isotopic composition of oxygen, isotopic composition of water hydrogen.
Введение
В силу широкой распространённости и высокой подвижности, а также способности эффективно растворять вода является основным элементом практически всех рудных процессов. При образовании гидротермальных месторождений объёмы воды и пути её миграции определяют локализацию, морфологию и объёмы формирующихся залежей. Очевидно, что генезис гидротермальных месторождений во многом определяется источником и генезисом самих вод. Установ-
ление генезиса вод может способствовать как выявлению источников полезного компонента, так и условий, причин и механизмов формирования месторождений. В отличие от химического состава воды (наличия в ней солей, газов, органических соединений), изотопный состав кислорода и водорода является геохимической характеристикой собственно воды и при этом наиболее консервативным её параметром. С целью выявления генезиса золоторудных и кварцевых месторождений Приполярного Урала про-
ведены геохимические исследования флюидных включений из сингенетич-ных рудам минералов.
Объекты и результаты исследований
С целью определения источников вод гидротермальных растворов авторами был изучен изотопный состав кислорода кальцитов, 8Б водной и 8180 газовой (СО2) фаз газово-жид-ких включений из кварца и кальцита и вычислен изотопный состав кислорода воды рудообразующих флюидов
золоторудных месторождений «Си-нильга», «Верхненияюское-2», проявлений золота верховий р. Ко-жымъю, а также месторождения горного хрусталя «Желанное» Приполярного Урала. Изучение изотопного состава углерода и кислорода кальцитов проведены в группе изотопной
геохимии Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Изотопные исследования водной и газовых фаз флюидных включений выполнялись на масс-спектрометре МИ-1201М в лаборатории изотопных и ядерно-физических методов ВСЕГИНГЕО (МПР). Результаты изотопных ис-
следований приведены в таблице и на рисунке 1.
Для выявления генезиса вод ру-дообразующих растворов изученных месторождений важно сравнить изотопный состав вод и закономерности его изменения с таковыми для вод возможных источников.
Результаты изотопных исследований S18O кальцитов, SD и S18O водной и газовой фаз газово-жидких включений из кварца и кальцита золоторудных месторождений Приполярного Урала
Isotope studies of calcite S18O, water and gas phase 8D and S18O of gas-fluid inclusions from quartz and calcite of gold deposits
of Subpolar Urals
№ № пробы Рудопроявление, минерал Т р С 5180(С02) 5180(СаС03) 5180(Н20)* SD(H20)
Верхненияюское-2
1 545 нерудный кварц нет С02 -92
2 550 нерудный кварц 70-384 +10.0 -7,5 ч+8 -106
3 533 нерудный кварц 70-384 + 10.1 -7,5 ч+8 -105
4 531 нерудный кварц 70-384 + 10.2 -7,5 ч+8 -102
5 СН 1 Кальцит 80-287 + 11.5 -9 ч+9
6 СН 14 Кальцит 80-287 + 11.4 -9 ч+9
7 СН 50 Кальцит 80-287 + 12.2 -9 ч+9
8 СН 99 Кальцит 80-287 + 11.8 -9 ч+9
Проявления в верховьях р. Кожымъю
9 652205-11 кальцит 243 +9.9 +3
10 652205-1 кальцит 243 + 10.6 +4
11 652205-3 кальцит -//- + 10.6 +4
12 652205-9 кальцит +9.6 +3
13 652205-8 кальцит +9.8 +3
14 117406 кальцит -II- + 13.2 +5
15 117003 кальцит + 13.0 +5
Желанное
16 СК-1763 кварц серый 110-210 -73
17 СК-1763-2 кварц серый 110-210 -150
18 СК-1778 кварц серый 110-210 -58
19 СК-2208 кварц м/бел. 136-180 -64
20 СК-2210 кварц м/бел. 136-180 -165
21 СК-2214 кварц -78
22 СК-2215 кварц -57
23 СК-2225 кварц м/бел. 136-180 -42
24 СК-2227 кварц м/бел. 136-180 -44
25 СК-2234-1 горный хрустать 161-250 -154
26 СК-2232 кварц п/прозрачный 161-250 -123
27 СК-2236 кварц п/прозрачный 161-250 -97
Синильга
28 0611 кварц золоторудн., 180-464 + 11,9 -1ч+1,2 -124
29 0609 кварц золоторудн 180-464 + 12.,3 -6ч+1 -122
30 0613 кварц золоторудный 180-464 +9.7 -9ч+1 -106
31 0607 кварц незолоторудный 150-460 +9.5 -Зч+1 -132
32 0612 кварц незолоторудный 150-460 нет С02 -98
33 0604 кварц незолоторудный 150-460 нет С02 -37
34 0602 кварц незолоторудный 150-460 нет С02 -22
* — 818O(H2O) — вычисленные как равновесные с 8180(С02) и 8180(CaC03), 80(^0) — измеренные.
■- 19
Потенциальные источники вод рудообразующих растворов и изотопный состав их кислорода и водорода
В качестве потенциальных источников сингенетичных с рудообразую-щими растворами вод могут рассматриваться мантийные («ювенильные»), инфильтрационные воды и метеогенные воды глубокой циркуляции, глубинные захоронённые, элизионные воды, а также воды дегидратации водо- и гидроксилсодержащих минералов («возрождённые» и «формаци-онные»).
Изотопный состав океанических, морских, континентальных поверхностных (метеорных), грунтовых, вод артезианских бассейнов, т. е. вод зон свободного водообмена, лежит в диапазоне: 8Б = 0 ■ -420 %0 и 818О » 0 - -55 %% (SM0W). Для 8Б и 818О атмосферных осадков и формирующихся за их счёт рек, ледников и вод внутриконтинен-тальных водоёмов установлена линейная зависимость, которая описывается уравнением Крейга: 8Б = 8-818О + 10, % (SM0W) [4]. При этом в соответствии с климатической зональностью для метеогенных вод установлен субширотный характер распределения величин 8Б и 818О. Наиболее «тяжёлые» метеорные воды развиты в экваториаль-
Рис. 2. Изотопный состав вод артезианских бассейнов, погребённых, «возрождённых» и «формационных» вод и древних льдов
Fig. 2. Isotope composition of artesian waters, buried, «regenerated» and «formational» waters and ancient ices 20--
+10
-15 -10 -5
SlsO %o, SMOW
+10
8D измеренные, 8"0 -
Рис. 1. Изотопный состав (8D и 818O) воды рудообразующих растворов золоторудных месторождений «Верхненияюское-2» и «Синильга» (Приполярный Урал)
Fig. 1. Isotope composition (8D and 818O) ofwater of ore-forming solutions of gold deposits Verkhneniyayuskoe-2 and Sinilga (Subpolar Urals)
ных широтах. По изотопному составу эти воды близки к составу океанической воды, SD и S180 которой в изотопных исследованиях принимаются как «стандарт средней океанической воды» (SMOW - Standard Mean Ocean Water, где SD = 0 %0, S180 = 0, %0). Наиболее «лёгкие» воды установлены в атмосфер-
ных осадках и ледниковых покровах на северном и южном полюсах Земли.
На рисунке 2, составленном по данным различных авторов, приведён график зависимости величин 8Б от 8180 для погребённых, талассогенных, «формационных» вод древних льдов и напорных вод нефтяных и газовых
месторождений различных областей мира. Из приведённых данных можно видеть, что значения 8Б и 8180 подземных вод, не имеющих свободной циркуляции, в координатах 8Б—180 в большинстве своём также ложатся на линию современных метеорных вод и по крайней мере располагаются вдоль прямой Крейга, что либо прямо указывает на метеогенное происхождение этих вод, либо за счёт дегидратации 0Н--содержащих минералов [2, 3, 5].
Изотопный состав мантийных («ювенильных») вод, т. е. вод, никог-
+50
да не участвовавших в атмосферной циркуляции и гидрологическом цикле, достоверно не установлен и, по данным разных авторов, оценивается различно (рис. 3). Большинством исследователей для кислорода и водорода мантийной воды сегодня принимаются как вполне конкретные (8180 = +6 %0 и 8Б = -75 %0 (БМ0^ значения, так и более широкие их интервалы (+5 %с < 8180 < +9 % и -85 % < 8Б < -40 %) [1-3].
Изучение воды современных гидротермальных систем (действующие вулканы, гейзеры, фумаролы, тер-
мальные источники, котлы и т. д.) показывает, что во всех случаях вода этих систем имеет метеогенную природу и, более того, в подавляющем числе случаев по изотопному составу соответствует воде местных атмосферных осадков. Данное положение иллюстрируется на рис. 4 и 5.
На рисунке 4 приводятся данные по изотопному составу вод меридионального профиля «полуостров Камчатка — Япония». Синими фигурами здесь показаны значения 8180 и 8Б атмосферных осадков и поверхностных вод этих областей. Красными фигура-
-200
SlsO %о, SMOW
Рис. 3. Изотопный состав «ювенильной» воды по данным различных авторов Fig. 3. Isotope composition of «juvenile» water according to various authors
150'
-100-
-150-
п-в Камчатка ¿ftà
Kamchatka (f У ' Л
1 л-1- / /V
г
if
g ♦ &Г # * V* *
ЛЙГ•* * Ж*™ r
* S'sO %o, SMOW
+50'
- -50-
-100
>-150-
Япония (центр и юг о. Хонсю) Japan (central and south Honshu) r a*o if
S w 3 ° 8isO %c, SMOW
-20
-15
-10
+5
+10
-20
-15
-10
+10
Рис. 4. Изотопный состав метеорных и термальных вод Камчатки и Японии. Синие значки — метеорные воды, красные —
воды термальных источников Fig. 4. Isotope composition of meteoric and thermal waters of Kamchatka and Japan. Blue icons — meteoric water, red icons —
waters of thermal springs
ми показаны значения изотопного состава воды вулканов и термальных источников соответствующих районов. Как можно видеть, от высоких широт Камчатки к низким широтам Японии величины 8180 и 8Б воды как атмосферных осадков и поверхностных вод, так и 8180 и 8Б воды гидротерм этих районов обогащаются тяжёлыми изотопами. При этом 95 % значений 8180 и 8Б воды термальных источников соответствуют изотопному составу местных метеорных вод. В то же время
значно говорят о преобладании метеогенного источника в питании таких систем.
Таким образом, очевидно, что в водах современных геотермальных систем «ювенильной» составляющей установить не удаётся. Можно отметить, что в случае гомогенного состава ювенильной воды и значительной её роли в деятельности современных геотермальных систем изотопные характеристики вод последних тяготели бы к этой области. Но поскольку это-
образования находится в «законсервированном» состоянии и, таким образом, может не только нести информацию как растворитель, но и указывать на источник рудного вещества и самой воды. На графике (рис. 6) приведены результаты исследований изотопного состава воды газово-жид-ких включений почти ста рудных месторождений мира (золоторудных, свинцово -цинковых, медно -никелевых и др.) различного возраста и генезиса.
-15 -10 -5 0 +5 +ю 115
Рис. 5. Эффект «кислородного сдвига» для термальных вод из геотермальных районов мира Fig. 5. Effect of «oxygen shift» for the thermal waters from geothermal areas in the world
часть анализов по термальным водам показывает значительное отклонение по 8180 от местных метеорных вод, обусловленное изотопным обменом по кислороду при циркуляции последних с кислородом вмещающих пород. Величина отклонения («кислородный сдвиг») обусловлена исходным изотопным составом воды, 8180 вмещающих пород, объёмным отношением вода — порода, временем циркуляции вод и температурой системы.
На рисунке 5 приводятся данные по изотопному составу вод из геотермальных районов мира, где «кислородный сдвиг» проявлен в различной степени и на графике по каждому району нанесены его максимальные значения. Как и в предыдущем случае, данные по водороду термальных вод этих районов одно-
го не наблюдается, можно заключить, что источником этих вод является в основном инфильтрационная вода атмосферных осадков данных районов.
Изотопный состав кислорода и водорода воды флюидных включений в минералах гидротермальных месторождений Установить механизм и особенности формирования эндогенных месторождений, природу рудообразую-щих растворов и степень участия в рудных процессах «ювенильной», метаморфической и метеогенной составляющих сегодня возможно, изучая первичные флюидные газово-жидкие включения (ГЖВ) в минералах магматического и гидротермального генезиса. Вода ГЖВ с момента их
Как можно видеть (рис. 6), значения 8180 и 8Б воды включений: 1) составляют весь диапазон, характерный для наиболее распространённых современных континентальных (метеогенных) вод; 2) по водороду не превышают значений 8Б современной океанической воды (БМ0^); 3) по 8180 ограничены значениями изотопного состава кислорода горных пород; 4) строго контролируются линией современных метеорных вод (MWL). При этом выявляется, что изотопный состав воды включений из минералов эпитер-мальных месторождений наиболее близок к линии метеорных вод и располагается вдоль этой линии. Значения 8180 и 8 Б воды включений из минералов более глубинных и высокотемпературных мезотермальных месторождений в соответствии с температурами
-10 -5 0 +5 +10 -15 +20
51йО %o, smow
Рис. 6. Изотопный состав (SD и S18O) воды флюидных включений рудных месторождений мира Fig. 6. Isotope composition (SD and S18O) of water of fluid inclusions of world ore deposits
их формирования наиболее удалены от линии метеорных вод. Значения 8180 и 8Б воды включений из минералов колчеданных и эвапоритовых месторождений составляют поле, близкое к значениям БМО^ Имеющиеся данные стадиальных изменений изотопного состава рудообразующих растворов показывают, что на последних (низкотемпературных) этапах процес -са изотопный состав этих вод наиболее близок к современным метеогенным водам района месторождения.
В целом характер распределения значений 8180 и 8Б воды из ГЖВ рассмотренных рудных месторождений аналогичен изотопным характеристикам вод современных геотермальных систем. Если древние гидротермальные системы рассматривать в качестве аналогов современных термальных систем, то следует признать, что их вода также имеет преимущественно инфильтрационную (метеогенную) природу.
Таким образом, приведённые данные позволяют говорить, что в образовании рудных месторождений через механизм конвекции принимали участие и доминировали инфильтра-ционные воды метеогенного происхождения, либо воды дегидратации. При этом роль «ювенильной» воды в образовании изученных месторождений, даже в случае её существования, была исчезающе мала.
Заключение
Согласно полученным данным, основным источником водных флюидов изученных золоторудных проявлений Приполярного Урала также являлась инфильтрационная вода метеогенного происхождения либо вода дегидратации ОН--содержащих минералов терригенных образований разреза. Источником CO2, очевидно, являлась углекислота, образовавшаяся при контактовом метаморфизме в процессе термического разложения вмещающих карбонатов при активном участии воды.
Авторы благодарны ЦКП «Геонаука.» за выполненные аналитические работы.
Работа выполнена при помощи проекта УрО РАН «Минералогия севера Урала, Пай-Хоя и Тимана в связи с их геологическим развитием».
Литература
1.Ветштейн В. Е. Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР. Л.: Недра, 1982. 216 с.
2. Тейлор Г. П. Изотопы кислорода в минералах гидротермальных месторождений // Геохимия рудных месторождений. М.: Мир, 1970. С. 100-128.
3. Фор Г. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989. 590 с.
4. Craig H. Isotopic Variations in Meteoric Waters // Science, 1961, vol. 133. pp. 1702-1703.
5. Lawrence J.R. and Taylor H.P. Deuterium and oxygen-18 correlation: Clay minerals and hydroxides in Quaternary soils compared to meteoric waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1971, vol. 35. pp. 993-1003.
References
1. Vetshtein V. E. Izotopy kisloroda i vodoroda prirodnyh vod SSSR (Oxygen and hydrogen isotopes of natural waters of the USSR). Leningrad, Nedra, 1982, 216 pp.
2.Teilor G. P. Izotopy kisloroda v mineralah gidrotermalnyh mestorozhdenii (Oxygen isotopes in minerals of hydrothermal deposits). Geohimiya rudnyh mestorozhdenii. Moscow, Mir, 1970. pp. 100-128.
3. For G. Osnovy izotopnoi geologii (Basics of isotope geology). Moscow, Mir, 1989, 590 pp.
4. Craig H. Isotopic Variations in Meteoric Waters. Science, 1961, V. 133, pp. 1702-1703.
5. Lawrence J. R. and Taylor H. P. Deuterium and oxygen-18 correlation: Clay minerals and hydroxides in Quaternary soils compared to meteoric waters. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1971, V. 35, pp. 993-1003.
Рецензент к. x. н. В. А. Поляков
