CC BY
99
ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ШЕЛЬ ФА: ГЕОЛОГИЯ И ОКЕАНОТЕХНИКА
УДК 553.441:551.31
Н.А.ШИЛО
Российская академия наук, Москва, Россия
ВИТВАТЕРСРАНД И ПРОБЛЕМА РУДООБРАЗОВАНИЯ
В дискуссионном плане рассматривается сложная природа уникальных золотоурано-вых месторождений ЮАР, анализируются противоречивые признаки, позволяющие относить их и к первично-осадочным (аллювиальным), и к послемагматическим гидротермальным, и к гидротермально-осадочным образованиям. Предложена концепция образования «пиритовой картечи» и «гальки» «конгломератов» Витватерсранда в эндогенных условиях. Формулируется модель гидротермально-метасоматического генезиса этого месторождения. Показано, что его знаменитые «конгломераты» нельзя называть конгломератами, для них подходит название «псевдоконгломераты». Привлечены экспериментальные данные, имеющие фундаментальное значение. Уникальная концентрация золота в залежах Южной Африки рассматривается как особый случай универсального механизма рудообразования; его химизм интерпретируется с учетом законов ядерной физики. Предполагается, что агентами рудообра-
13 29 17
зующих реакций являются магнитные свойства ядер некоторых изотопов ( C, Si, O), спиновое состояние участвующих в реакциях объектов и его возможная рекомбинация магнитными полями ядер изотопов, магнитные эффекты расплавов и т.п.
The paper discusses complicated nature of the unique gold-uranium ore fields of South Africa, focusing upon controversial features allowing to interpret their genesis as a primary sedimentary (alluvial), or hydrothermal-sedimentary, or even postmagmatic hydrothermal one. The new concept is proposed that the so-called «pyrite canister» and the mere quartz «pebbles» of the famous Witwatersrand conglomerates have formed in endogen conditions. The model of the hydrothermal-metasomatic genesis of the great Rand gold ore reefs is formulated on this base. Some experimental data of fundamental meaning are demonstrated as a proof. It is assumed that the famous gold-bearing conglomerates should not be called by the term; precisely they must be named «pseudoconglomerates». In the whole, the unique gold concentration in reefs of South Africa is interpreted as a peculiar case of universal mechanism of the gold ore forming process. Analysis of its probable chemistry involves some laws of nuclear physics. Supposedly, gold ore-forming reactions included effect of such agents as magnetic nucleus of some isotopes (13C, 29Si, 17O), spin states of reacting objects, and their possible recombination, magnetic effects in melts, etc.
Бесконечные, хотя, быть может, и увлекательные споры о генезисе некоторых южноафриканских золоторудных месторождений к 1960-м годам, казалось, однозначно завершились признанием их осадочного происхождения [3]. Однако продолжавшиеся исследования различных аспектов рудообразующего процесса поколебали складывавшиеся в ожесточенных дискуссиях представления. Работы
второй половины ХХ в. вскрыли сложную природу этих месторождений. Как выяснилось, их рудная минерализация наложена на сложную структуру, прошедшую стадию сжатия, определившего агрегатное состояние кварц-пиритового материала. Это и привело к тому, что в месторождениях проявились противоречивые признаки, позволяющие относить их и к осадочным, и к послемагматиче-
ским гидротермальным, и к гидротермально-осадочным образованиям.
Продуктивный горизонт Витватерсран-да представлен особыми объектами - единственными в своем роде уникальными золо-тоурановыми месторождениями Трансвааля и Оранжевой провинции ЮАР. Их геологическая позиция широко известна, поэтому напомню о ней лишь в общих чертах, придерживаясь схемы Л.Т.Нела [3], который доказывает, что металлоносные конгломераты -это метаморфизованные 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 внутриформацион-ные пачки конгломератов, аркозовые песчаники, кварциты, лавы андезитов, туфы, сланцы, тиллиты (? - Н.Ш.). В осадочно-вулканогенную толщу внедрены интрузии Бушвельдского комплекса, дайки, межпластовые гипербазиты и т.д. Архейское основание сложено гнейсами и гранитами; на нем несогласно залегают Доминион-Риф и Витватерсранд и далее трансгрессивно -слои Винтерсдорфа и Трансвааля.
Золотоурановые месторождения связаны с конгломератовой толщей Витватер-сранда. Ими слагаются линзовидные тела, расположенные на внутриформационных эрозионных поверхностях или депрессиях древнего гранитного ложа (на системе Доминион-Риф). Как считает Л.Т.Нел, конгломераты отлагались в замкнутом бассейне (система Витватерсранд) и образуют ленты и протяженные залежи, сформировавшиеся в древних руслах, и т.д.
Золото и уран в конгломератах распределяются в зависимости от геоморфологической позиции и литологических особенностей пород. Высокие концентрации золота в залежах локализованы в пределах па-лео-береговой линии, как будто бы распознающейся по фациальной изменчивости отложений. В песчаниках, сменяющих
конгломераты по латерали, золото исчезает. В протяженных линзовидных телах максимальные его концентрации сосредоточены у подошвы (палеоплотика). В лентообразных отложениях русел содержание золота повышено в тех местах, где эти русловые отложения пересекают золотосодержащие конгломераты более древнего возраста, за счет которых и возникли золотоносные отложения русел.
В целом же, минерализация не выходит за пределы рудоносных конгломератов; она не переходит, пересекая слоистость, в песчанистые боковые породы и даже в линзо-видные прослои кварцитов и песчаников, присутствующих внутри конгломератового рифа и обычно называемых «безрудными прослоями». Для месторождения «характерной особенностью являются концентрации уранинита и золота у подошвы конгломера-тового пласта и вблизи нее. Наличие более богатых рудных скоплений в основании пласта типично для конгломератов с хорошо выраженным сланцевым прослоем в их подошве и в перекрывающих их конгломератах мощностью менее одного фута» [3, с.263].
Кроме того, допускается возможность сингенетического образования уранинита «в результате осаждения его между сцементированными гальками из вод бассейна осад-конакопления в условиях застойной восстановительной среды» [3, с.272] и т.д. Какая бы то ни было 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 литоло-гических и метаморфических особенностей залежей. Например, появляющиеся иногда хлорит, серицит, кальцит, доломит и сульфиды (например, пирит) распространяются как в бедные золотом и уранинитом участки, так и в богатые. Состав породы не влияет 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 Витватер-сранд и смежных осадочных формаций образовались в два этапа: на первом, как следует из изложенной выше схемы Л.Т.Нела [3], золото и уранинит сингенетически накапливались в гидравлически неравновесных с ними галечниковых отложениях (подчеркнуто мною - Н.Ш.) за счет размыва минерализованного фундамента; на втором -металлоносные галечники были диагенези-рованы, затем метаморфизованы и претерпели воздействие мощного метасоматоза, проявления которого связываются с интрузиями как Бушвельдского комплекса, так и более молодых гранитоидов.
В рассмотренной схеме обнаруживаются противоречия, заслуживающие того, чтобы на них остановиться. Как отмечалось, в золотоносных конгломератах Витватерсран-да присутствует заметное количество пирита, который был классифицирован еще П.Рамдором; в уточненном виде эта классификация изложена в статье Д.К.Хауллбауэра и Э.Дж.Кабле [12]. Ими выделяются следующие его типы: аллогенный детриальный (перетертый, окатанный) и привнесенный поздне- и псевдогидротермальными 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 витва-терсрандской 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
[12], 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 в небольших количествах зарегистрированы титан и хром. 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 кобальт-никелевого соотношения с архейскими породами. Полученная информация о содержании в «окатанном» пирите включений и присутствующих в них минералов привела Д.К.Хауллбауэра и Э.Дж.Кабле к выводу, что источников накопления золота в рифе Витватерсранд было несколько.
Однако при наличии так называемого окатанного пирита, или «пиритовой картечи», возник важный вопрос, который и побудил меня вместе с М.С.Сахаровой провести специальные исследования [5]. Дело в том, что в изученных мною шлиховых комплексах из различных россыпей мира, среди которых аллювиальные месторождения занимали значительное место, ни разу не был отмечен «окатанный» пирит, сходный с предоставленной мне Д.К.Хауллбауэром коллекцией, характеризующей концентраты из месторождения Витватерсранд. Это понят-
но, 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, или «пиритовой картечи», которому приписывается аллювиальное происхождение? И являются ли эти образования действительно аллювиальными?
Изученные мною и М.С.Сахаровой образцы пирита включали два типа образований: округлые сферические агрегаты - «пиритовая картечь»; сростки ограненных, преимущественно кубических кристаллов [5]. Исследование 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, подвергнутых аллювиальной обработке. Они характеризуются метазернистым строением. 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 средне-зернистым 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 в сростках варьирует. Отмечены 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 субструктурных особенностей сфероидов сростков кристаллов пирита свидетельствует о том, что обе разновидности принадлежат продуктам первичной кристаллизации in situ. Сфероидальные образования могут рассматриваться как формы роста, в последующем испытавшие метаморфические преобразования и частично или полностью перекристаллизовавшиеся в сростки кристаллов.
Дифрактограммы сфероидальных выделений и кристаллических сростков показали, что они сложены только пиритом, примеси марказита, обычно дающего подобные формы, не обнаружено. Химический состав пирита сфероидов и кристаллических сростков оказался идентичным. В некоторых образцах отмечается наличие мышьяка (0,1-0,3 % по массе), из элементов-примесей в них присутствуют золото, серебро, кобальт, никель, висмут, медь, сурьма, цинк, титан и др. Перекристаллизованный крупнозернистый пирит, по сравнению со сфероидами, обеднен элементами-примесями.
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 (подчеркнуто мною. - Н.Ш.). Во включениях отмечаются кварц, карбонаты, силлиманит. Набор элементов-примесей и типичная для гидротермальных процессов ассоциация сульфидов позволяют говорить о том, что образования сфероидов пирита («окатанного» пирита, «пиритовой картечи») нужно связывать с эндогенными процессами. Известно, что подобные сфероиды, или глобулы, например халцедона, деревянистого олова или марказита, часто возникают в гидротермальных условиях минера-лообразования.
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.
Формация урансодержащих золотоносных месторождений в том виде, в каком она представлена в Трансваале и Оранжевой провинции, безусловно, является уникальным образованием с ярко выраженными противоречивыми чертами. Парагенезис золота с уранинитом и настураном определяется геохимическими условиями отложения этих минералов. Он часто встречается и 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 положение в Периодической системе: золото относится к I группе элементов и занимает 79-ю клетку в 6-м периоде, тогда как и находится в группе актиноидов, - укажу лишь, что в открытом мною вместе с физиком А.В.Дринковым законе Фибоначчиево-го распределения элементов Аи и и стоят рядом и поэтому неудивительно, что оба они часто присутствуют совместно, образуя золотоурановые месторождения.
Итак, проблема образования сфероидов пирита однозначно решена в пользу их эндогенного происхождения. Тем не менее, «окатанность» - термин, привлекательный и укоренившийся в геологии, иногда, как это видно из некоторых работ, опубликованных в последние десятилетия, к сожалению, переносится и в эндогенные условия.
Так, академик А.Д.Щеглов, после посещения золоторудного месторождения Витватерсранд и сбора там коллекции рудного материала, опубликовал статьи [9-11], в которых пытался связать образование пиритовых сфероидов с окатыванием в эксплозивно-гидротермальных системах, ссылаясь при этом на ряд авторов, которые придерживаются того же мнения. Мною [6-8] дана критика положения А.Д.Щеглова. В ответ А.Д.Щеглов опубликовал статью [11], в которой упрекнул меня в том, что я неправильно толкую его позицию.
Однако приведу одну лишь выдержку из статьи, которая показывает, что моя критика была вполне оправдана. Так, на с.163 работы [11] он писал: «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» (подчеркнуто мною. - Н.Ш.). Именно против этого я и возражал. А.Д.Щеглов, не соглашаясь со мной, утверждает то же самое, называя месторождение Витватерсранд осадочно-гидро-термальным. К осадочным образованиям он относит сфероиды кварцевой «гальки» «конгломератов».
В августовском номере газеты «Природные ресурсы - Ведомости» (2004 г.) появилась статья профессора А.М.Портнова под названием «Глубинные золотоносные «реки» Земли». В ней автор доказывает, что сфероиды пирита и «галька» конгломератов золоторудного месторождения Витватер-сранд приобрели сфероидальную форму в ходе окатывания потоками гидротерм в эндогенных условиях. Этими же гидротермами в рудное поле Витватерсранда было привнесено около 50 тыс.т золота. Еще раньше образование сфероидов путем окатывания в газово-гидротермальных средах было рассмотрено А.М.Портновым довольно подробно [4].
Вообще говоря, мне трудно представить подобную довольно емкую по своей филигранности работу потоков гидротерм в глубинных условиях. Тем не менее, сфероидам, встреченным во многих эндогенных месторождениях, как правило, приписывается «окатывание», уж если не в экзогенных условиях, то в эндогенных, но все равно реками, которые якобы образуются гидротермами.
Здесь существует недопонимание того простого факта, что сфероидальные формы действительно образуются в эндогенных условиях, но не окатыванием, а иным путем. Они возникают при очень большом давлении, меняющем состояние вещества, скорее всего, на гелеобразное или аморфное - или
магматический расплав, или пересыщенный раствор, по физическим свойствам приближающийся к расплаву. Сфероидальные формы возникают в результате перехода энергетически крайне напряженной разупорядо-ченной системы в упорядоченную, которой должны отвечать формы, энергетически выгодные по объему и по поверхностям. Этим условиям удовлетворяет шар. Причем это происходит в ходе развития неравновесного процесса, когда из всех фигур заданного объема минимальной площадью поверхности обладает только шар.
Исследования показывают, что для этих неравновесных систем в рудообразовании характерен существенно восстановленный характер, скорее всего определяющийся присутствием водорода. В 2004 г. я получил из месторождения Витватерсранд образец с видимым золотом, в основном выполняющим интерстиции между обломками брек-чированной породы. Его изучение показало, что кроме золота он насыщен самородными РЬ, Zn, В^ А1, Sn, Са, Mg, Сг и другими элементами, характеризующими 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 а отношение площади по-
верхности шара к площади поверхности куба равно л/2. Из этого следует, что при переходе куба к шару объем изменяется в
л/3
раз больше, чем площадь поверхности. Это подтверждает, что из всех фигур заданного объема минимальной площадью поверхности обладает шар - это закон природы. На рудниках Витватерсранда ежегодно попутно с золотом добывается около 400 тыс.т «пиритовой картечи», т.е. пирита сфероидальной формы. Одни геологи образование этих агрегатов пирита приписывают поверхностным организованным водотокам, а другие -гидротермальным рекам (!). И то и другое объяснение противоречит законам природы.
Обнаруженные в ряде месторождений сфероиды минералов, например шаровидно-
го кварца, подтверждают мое объяснение образования их форм. Что же касается экс-плозий, то они только выносят уже сформировавшиеся сфероиды при рассмотренных выше условиях. В кимберлитах часто встречаются кварцевые стяжения в форме шара, несомненно образовавшиеся при большом давлении и, возможно, на той же глубине, на которой кристаллизовались и алмазы. Напомню, что в свое время полагали, что алмазы образуются 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 большой глубине, вполне объяснимы законами природы.
В связи с проблемой «окатывания» подчеркну, что, в сущности, в аллювиальном процессе чрезвычайно редко встречаются породы, которые бы окатывались до формы шара. Они обычно возникают только в так называемых мельницах, в котлах, в полостях, где развиваются турбулентные процессы воды большой силы. 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 [8]. 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, подтверждающим рассмотренную выше концепцию образования в эндогенных условиях «пиритовой картечи» и «гальки» «конгломератов» золотоуранового месторождения Витватер-сранд является узкий разброс размера как
пиритовых, так и кварцевых образований (шары кварцевой «гальки» из «конгломератов» Витватерсранда не превышают по размеру куриное яйцо). Общеизвестно, что в окатывание, где бы оно ни происходило - в экзогенных или эндогенных условиях, неизбежно должны вовлекаться обломки минералов или пород самого разного размера. Узкий диапазон размера пиритовых сфероидов и кварцевой «гальки» «конгломератов» Витватерсранда - свидетельство того, что их образование происходило при строгих термодинамических режимах, при которых заданному объему пиритовых и кварцевых образований должна была отвечать минимальная площадь поверхности агрегата. Этому условию удовлетворяет только шар.
Из всего изложенного выше следует, что «конгломераты» Витватерсранда нельзя называть конгломератами, для них, как я уже писал, наиболее подходящим названием будет термин «псевдоконгломераты».
Здесь я не могу не остановиться на одном эксперименте, решающем 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 остудили расплав под давлением в 1000 атмосфер в водородной среде. В результате была получена концентрически расслоенная глыба. В ее центральной части раскристаллизовался пироксен, к периферической зоне его сменял агрегат менее основного состава.
Этим экспериментом, во-первых, была однозначно решена проблема ликвационно-го расслоения базальтоидного расплава при его остывании, протекающем в условиях стабильного высокого давления и в основной среде. Причем в центре агрегата рас-кристаллизовывается ультраосновная его часть (чаще дуниты). Во-вторых, эксперимент наглядно демонстрирует образование кварцевых «галек» «конгломератов» и сфероидов пирита, более сотни лет выдаваемых в качестве доказательства аллювиального происхождения золоторудного месторожде-
ния Витватерсранд (открыто в 1886 г.), которое геологи всего мира ошибочно относили к россыпям.
Отработка месторождения Витватер-сранд показала, что золото приурочено к нижним слоям псевдоконгломератов (мощностью около 0,3 м) с резким возрастанием его содержания в углеродистых слойках, развитых в основании псевдоконгломератов. Их природа в течение длительного времени определялась неоднозначно и лишь совсем недавно была раскрыта в работе [5]. Я весьма благодарен Э.Л.Школьнику, Е.А.Жегалло, Л.М.Гирасименко и Ю.В.Шуваловой за то, что они представили мне свою работу.
Изучение углеродистых слойков проводилось сканирующим электронным микроскопом и рентгеновским анализом с привлечением других вспомогательных методов. В итоге авторы пришли к выводу, что столбчатые слойки являются фоссилизированны-ми цианобактериальными матами с типичным для них нитчатым строением. Этот факт, как отмечают авторы указанной работы [5], подтвержден американскими микробиологами, выделившими ДНК цианобакте-рий из руд месторождения Витватерсранд. Цианобактериальные маты формируются в лагунах в аридной или семиаридной обстановке.
При изучении золота микробиальных слойков в качестве простейшей формы его обособления были выделены слабо гофрированные пластинки, которые располагаются между нитями. «Толщина таких пластинок - доли микрона, гофрировка отражает неровную поверхность нитей... Они в общем параллельны нитчатости» [5, с.28]. Далее, «другой, более сложной формой проявления золота является полное копирование нитей, по сути их полное замещение, и в конечном счете появление форм, напоминающих слойки, пластинки из золота. 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 пла-
стинками-веерами.. Видимая длина таких пучков может достигать нескольких сотен микрон... Некоторые из таких пучков в срезах напоминают, благодаря обилию пустотелых трубок, строение многоствольных минометов» [5, с.29]. Три эти главные формы золота в углеродистых слойках месторождения Витватерсранд (как, впрочем, и многие другие формы, по массе имеющие второстепенное значение) возникают, как считают авторы, в результате репликации золота по нитям микробиальных слой-ков и замещения углерода этих слойков золотом.
Максимальные или даже уникальные концентрации золота в породах с повышенной углеродистостью (черные сланцы, графит) общеизвестны. Еще в 1945 г. я показывал академику С.С.Смирнову образцы из разведуемой 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 концентрировались уникальные содержания золота.
В своей книге [8] я отмечал, что после открытия золоторудных месторождений Мурунтау (Узбекистан), а затем Сухого Лога (Россия) некоторые исследователи стали развивать идею изначально осадочного их происхождения. Например, В.Г.Гарьковец [2] предложил в классе эндогенных месторождений выделять коровые (литогенные), а среди них мета- и апоосадочные месторождения. Однако в Мурунтау на глубине 40054300 м скважиной был выявлен гранитоид-ный массив, в породах которого зафиксированы торит, монацит, уранинит, арсенопи-рит, сфалерит, магнетит и 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 па-
рагенезис гранитов. Рудная минерализация фиксируется в кварцевых жилах, выполняющих разломы, и в дробленных (брекчи-рованных) алевролитах, т.е. в наиболее проницаемых зонах, связанных с системой раз-ломных структур.
Прецизионными исследованиями 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-сери-цитовыми агрегатами, а также в неопределенных формах серебро, платина и палладий в виде включений кластерной субкристаллической размерности в золоте, пирите, халькопирите, минералах никеля и в срастании с графитом, антроксолитом, кварцем и алюмо-силикатным материалом черных сланцев.
В крупнейшем золоторудном месторождении России Наталка (Северо-Восток) золото-пиритовая минерализация, сопровождаемая ассоциацией других сульфидов, наложилась на высокопроницаемые зоны брекчированных дробленных черносланце-вых пород, насыщенных графитом.
Причина такой избирательности золотом углеродсодержащих пород до сих пор никем не объяснена. Всю историю развития золотодобывающей промышленности золото в породах с повышенной углеродисто-стью представлялось как инертный компонент к последним, т.е. никаких признаков физико-химических взаимодействий между золотом и углеродистым веществом не было замечено.
Тем не менее, авторы работы [5] в мик-робиальных слойках достоверно установили не только наличие общеизвестной связи золота с углеродом, но и псевдоморфозы замещения золотом углерода, слагающего микробиальные нити, с сохранением их мельчайших скульптурных деталей.
Авторы указанной работы, не объясняя механизма такого взаимодействия золота с углеродом в микробиальных слойках, отнесли месторождение к россыпям, сформировавшимся в лагунах аридных или семиарид-ных обстановок. В эти лагуны водотоками с окружающих территорий, по их мнению, было привнесено золото, которое и зафик-
сировалось в основном в углеродистых слойках, мощность которых не превышает нескольких сантиметров, часть его сконцентрировалась в нижней зоне перекрывающих эти слойки «конгломератов» (в кавычки взято мною. - Н.Ш.).
Известно, однако, что в аридных и се-миаридных условиях литогенетическая роль воды или сводится к нулю, или столь слабо проявляется, что ни о каком переносе и тем более переработке и сортировке громадных количеств аллювиального материала и речи не может быть.
Тем не менее, результаты исследований псевдоморфоз золота по микробиальным нитям столбчатых слойков в месторождении Витватерсранд позволяют 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 гранитог-нейсовом архейском фундаменте под псевдоконгломератами, в настоящее время всеми относимыми к конгломератам; б) псевдоконгломераты, состоящие из кварцевых шаровидных «галек», сцементированных квар-цево-каолин-серицитовым цементом; в) пирит в форме шаровидных стяжений, получивших название «пиритовой картечи».
Формирование этого комплекса происходило в менявшихся тектонических и физико-географических обстановках. Три из них зафиксированы в современных особенностях месторождения и являются его генетической основой. Это, во-первых, формирование микробиальных матов в семиарид-ных условиях, вошедших в комплекс в виде столбчатых углеродистых слойков, и, видимо, полное завершение формирования всей системы Витватерсранд, перекрывшей мик-робиальные маты. Во-вторых, погружение всего комплекса на глубину в область высокого давления, где и образовались сфероиды (шары) кварца и пиритовая картечь, а возможно некоторое количество алмазов. В-
третьих, напряжение сжатия в комплексе сменилось напряжениями растяжения, что, несомненно, связано с глубинными разломами. Силы растяжения сопровождались образованием микротрещиноватости и брекчированием пород, проявившемся в некоторой его части. Мне недавно прислали для исследования образец витватерсранд-ской руды. Он брекчирован, видимое золото выполняет интерстиции, наиболее крупные его выделения тяготеют к черным сланцам.
В таком виде комплекс пород Витва-терсранда стал матрицей, на которую нало-жилось золотое оруденение. В этой матрице наиболее проницаемой зоной оказался контакт органических слойков и псевдоконгломератов с архейским фундаментом. Поэтому 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 интерсти-ции между брекчиями. Некоторая его часть сконцентрировалась в маломощном (менее 0,3 м) слое псевдоконгломератов, перекрывающем микробиальные столбчатые слойки. Не подлежит сомнению, что этот процесс протекал весьма длительное время, измеряемое десятками миллионов лет, а может, и больше.
Итак, изучение создавших месторождение процессов однозначно показывает, что Витватерсранд относится к гидротемально-метасоматическому генезису. Месторождение сформировалось в мезозоне земной коры, куда со значительной глубины из одного источника и в течение длительного времени поступали золото, серебро, уран. К транспорту элементов, скорее всего, причастны флюиды, насыщенные цианидами или другими золотосодержащими комплексами, растворимыми в термах.
Однако гидротермально-метасомати-ческий генезис этого уникального золото-уранового 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 золота и, как пола-
гают эксперты, где оставшиеся запасы составляют еще не менее 50 тыс.т? И, во-вторых, чем объяснить образование золотых псевдоморфоз по углеродистым столбчатым слойкам?
На первый вопрос можно ответить только в том случае, если удастся установить причину «стягивания» элементов: атомов или молекул. Оно проявляется во многих геологических процессах и в том числе, например, при формировании расслоенных интрузий ультраосновных пород. Нередко встречающиеся крупные самородки золота или платины, вероятнее всего, образовались в результате того же процесса стягивания к центру роста агрегатов этих металлов.
С процессом стягивания, несомненно, связаны уникальные концентрации металлов и, возможно, других элементов, являвшихся источниками образования уникальных месторождений полезных ископаемых, грандиозных рудных поясов и полей, имеющих планетарное значение. Их примером может служить вулкан Лакос в Чили, изучаемый профессором В.И.Старостиным. В течение длительного времени этот вулкан изливает чистый магнетит. Ко второму примеру условно можно отнести вулкан Кудрявый на острове Итуруп, который в течение длительного времени изливает андезитоба-зальтовые лавы, обогащенные рением. Такие источники, видимо, формируются в ходе дифференциации внутрипланетарного вещества, и, скорее всего, это происходит в верхнемантийной зоне.
Установлено, что Р^ Ag, Аи при плавлении проявляют аномалии магнитных эффектов, т.е. становятся парамагнитными. Вероятно, этот факт можно распространить и на пересыщенные растворы каких-то соединений Аи или радикалы, содержащие золото, их устойчивость в гидротермах стабилизируется щелочами или какими-то другими 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, металлогенических провинций. Исследова-
ния в этом направлении могут дать совершенно неожиданный результат и поэтому являются весьма перспективными.
Все сказанное выше позволяет ответить и на второй вопрос: «Почему в месторождении Витватерсранд максимальные концентрации золота связаны с углеродистыми слойками?». Выше, на примерах золоторудных месторождений Мурунтау, Сухой Лог и Наталка было показано, что Витва-терсранд в этом отношении не является исключением, и 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 вопрос. Специалисты самого высокого ранга рассматривали ассоциацию золота с кварцем или с углеродом как само собой разумеющийся факт, природное явление, существо которого навсегда спрятано от человеческого разума.
Прочитав работу [5], я решил, что ответ на этот вопрос можно получить, если проанализировать рудообразующий процесс, основываясь на законах физической химии на электронном и даже ядерном уровне. Общеизвестно, что всякий химический процесс рассматривается с двух позиций -энергетической и магнитной. Поскольку естественное рудообразование развивается по тренду затухающих тепловых эффектов, предпочтение мною, естественно, было отдано магнитному сценарию. Такой подход к анализу проблемы оправдан еще и тем, что, во-первых, с этих позиций проблема никем не была изучена, во-вторых, как известно, магнитные эффекты фиксируются во многих химических реакциях. Однако объяснения этому явлению не давалось, не предпринимались даже попытки приложить его к разработке соответствующей теории развивающихся процессов.
Прежде чем продолжить анализ материала, дающий ответ на второй вопрос, остановлюсь, опираясь на работы академика А.Л.Бучаченко [1], на магнитном аспекте химических реакций. Он связан с электронами и ядрами химических элементов.
Электроны - это магнетики, обладающие угловыми вращательными моментами, или квантовыми спинами, которые сохраняют в пространстве ориентацию подобно гироскопу. Во множестве органических и неорганических соединений электроны имеют попарную, противоположную друг по отношению к другу, ориентацию вращательных моментов. Их электронный спин равен нулю, и такое спиновое состояние получило название синглета. Однако имеется множество химических элементов и их соединений, в которых присутствуют неспа-ренные электроны. Если имеется один электрон, то его спин равен 0,5, и в противоположных направлениях вращения он дает два случая организации, называемых дублетом. В случае двух неспаренных электронов происходит либо компенсация спинов, тогда сумма их равна нулю (синглет), либо сложение, дающее суммарный спин, равный единице. Такое спиновое состояние получило название триплет, и оно имеет три ориентации.
Спиновые состояния определяют способность химических объектов вступать в реакцию, или, наоборот, возникает такое спиновое состояние, которое налагает абсолютный запрет на реакцию. Реакционноспо-собными 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 реком-бинировать спиновое состояние участвующих в реакции объектов, переведя их из одного состояния в другое.
Каким магнитным полям, оказывающим влияние на спиновое состояние объектов, участвующих в химических взаимодействиях, в частности в рудообразующих процессах, следует отдать предпочтение? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности. Это,
прежде всего, магнитные ядра отдельных изотопов некоторых элементов. С точки зрения рассматриваемой мною проблемы рудообразующего процесса, в котором в качестве ведущих элементов выступают золото, серебро или уран, как это имеет место в месторождении Витватерсранд, к ним в первую очередь можно отнести изотоп углерода 13С. Этот изотоп имеет магнитное ядро.
В приведенных выше примерах (Витва-терсранд, Мурунтау, Сухой Лог, Наталка) 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. Запасы этого элемента в них должны были превосходить запасы созданных месторождений. Можно утверждать, что переход минералообразую-щего вещества из источников (верхнемантийная зона) в структуры минералообразо-вания (земная кора) инициировался большой разностью напряжений. В верхнемантийной зоне, по-видимому, сохранялись сдавливающие напряжения, тогда как в ру-дообразующей структуре развивались растягивающие напряжения, что можно объяснить образованием разломных структур.
В каком виде осуществлялся транспорт золота? В ряде золоторудных месторождений, где золото дает максимальные концентрации в связи с углеродом, набор элементов или радикалов повторяется. Во включениях, как правило, обнаруживаются С02, СО, N2, СН4, С2Н4, и это позволяет отдать предпочтение цианидам, которые могут образовывать соединения типа [Аи(СК4)]или другие какие-то неизвестные золотосодержащие радикалы. Возможно, цианид золота в присутствии азота аморфотизируется. Флюид этого комплекса переносится термальными водами в матрицу, в которой присутствует углерод и его изотоп 13С, содержащий магнитное ядро, т.е. в магнитное поле углерода, где претерпевает рекомбинацию электронных спинов. Новая спиновая комбинация приводит к разрушению циа-нидного комплекса Аи, 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 составе жильных карбонатных минералов. Возникает вопрос: «Что в этом случае определяет ассоциацию золота с кварцем?» Я полагаю, что и в этом случае рудообразующий процесс развивается по тому же сценарию, который рассмотрен выше: магнитные поля ядер некоторых изотопов выступают в качестве рекомбинатора электронного спинового состояния золотосодержащих комплексов. Ведущую роль здесь играют изотопы 170 и, соответственно, SiO2, который содержит магнитные ядра этих изотопов. Разумеется, золотой комплекс в гидротермально-флюидном растворе может быть иным, однако повсеместное присутствие в плутоногенных золотокварце-вых месторождениях альбита №{А^308}, а в вулканогенных золотокварцевых - адуляра К{А^308} указывает на то, что в этих случаях цианиды натрия и калия играют решающую роль в миграции золота в зону рудообразования.
Здесь рассмотрены два крайних случая концентрации золота: в магнитном поле изотопа 13С и в магнитных полях изотопов
и 170, однако существует бесчисленное количество золоторудных месторождений, в рудовмещающем комплексе которых присутствуют изотопы 13С, 170 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 изотопы углерода, кремния и кислорода.
Можно предположить, что в развитии рудного процесса какую-то роль играет и
ферромагнетизм. На эту мысль наводит тот факт, что для золоторудных провинций характерно присутствие именно пирита (FeS2), а для оловорудных - пирротина (FeS). В жильном комплексе в первых, как правило, присутствует пеннин {(Mg,Fe)5Al х х [А^3010][0Н]8}, для вторых характерен тюрингит ^е3,5(А^е)3,5^2,5А11/50ю][0Н]6 х х пН20}, т.е., магнезиальный и железистый силикаты.
Таким образом, в основе рудообразую-щих процессов лежат магнитные свойства ядер некоторых изотопов, спиновое состояние участвующих в реакциях объектов и его возможная рекомбинация магнитными полями ядер изотопов, магнитные эффекты расплавов, пара- и ферромагнетизм. Идея о переработке золота бактериями или грибками и о его усвояемости этими организмами является недоразумением, так как не имеет под собой физико-химической основы. Золото в эти организмы попадает с водой, которую они в больших количествах перерабатывают. Металл присутствует в ней в составе какого-то растворимого комплекса с соответствующей спиновой комбинацией, которая рекомбинируется 13С, золотосодержащий комплекс разваливается и золото «усваивается» организмами.
В сложном, неравновесном, развивающемся процессе рудообразования большая роль принадлежит водороду, дегазирующему из внутренних сфер Земли. Его общее значение в геологических процессах - особая проблема, на которой сейчас нецелесообразно останавливаться.
Из рассмотренных выше данных следует, что проблема Витватерсранда является частным случаем процессов рудообразова-ния, протекающих по единой схеме. Уникальность месторождения заключается в компактности рудовмещающей структуры (менее 300 тыс.км2) и концентрации около 100 тыс.т золота в наиболее проницаемой зоне этой структуры, которой оказался контакт архейского фундамента с наложенной на него формацией (столбчатые слойки циа-нобактерий и псевдоконгломераты), обусловленной ходом тектогенеза.
Витватерсранду можно противопоставить золоторудный Северо-Восток России, который, по моим подсчетам, оценивается таким же количеством золота, но некомпактной (более 3 млн км2) рудовмещающей структурой, поэтому здесь произошло рассеивание золота, поступавшего из внутри-сферного, по-видимому, единого источника.
В заключение следует отметить, что непонимание истинного существа рудообра-зующего процесса приводило к огромным затратам средств на поиски в Сибири «аналогов Витватерсранда», и это происходило в то время, когда его реальные аналоги были уже известны и эксплуатировались.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бучаченко А.Л. Магнитный сценарий химической реакции. М.: Знание, 1990. С.193-201.
2. Гарьковец В.Г. Концепция литогенного рудооб-разования // Отечественная геология. 1992. № 12. С.3-8.
3. Нел Л.Т. Проблема генезиса уранинита в золотоносных конгломератах Южной Африки // Тр. XXI Международ. геол. конгр. М.: Мир, 1964. Вып.3. С.258-274.
4. Портнов А.М. Глубинные конгломераты: месторождения золота, урана, алмазов // Природа. 1980. № 7. С.27-33.
5. Углеродные породы и золото в них бассейна Витватерсранд, ЮАР - исследование с помощью электронного микроскопа / Э.Л.Школьник, Е.А.Жегалло, Л.М.Гирасименко, Ю.В.Шувалова. М.: Эслан, 2005. 120 с.
6. Шило Н.А. Природа пиритовых образований отложений Витватерсранда / Н.А.Шило, М.С.Сахарова // Геология рудных месторождений. 1986. № 2. С.85-89.
7. Шило Н.А. Проблема механизма формирования парагенезисов минералов в россыпях, образующихся в перигляциальных и аридных условиях // Тихоокеанская геология. 1995. Т.14. № 3. С.311.
8. Шило Н.А. Учение о россыпях. Теория россыпе-образующих рудных формаций и россыпей. Владивосток: Дальнаука, 2002. 575 с.
9. Щеглов А.Д. О генезисе золоторудных месторождений района Витватерсранд // Изв. РАН. 1993. Т.333, № 1. С.79-82.
10. Щеглов А.Д. О металлогении Южно-Африканской республики, генезисе золоторудных месторождений Витватерсранд и проблеме открытия их аналогов в России / Всерос. науч.-исслед. геолог. ин-т. СПб, 1994. 44 с.
11. Щеглов А.Д. О некоторых особенностях золоторудных месторождений Витватерсранда и их эквивалентах в восточных районах России // Тихоокеанская геология. 1995. № 2. С.160-166.
12. HallbauerD.K. 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 Anstutz G.C. et al. Berlin; Heidelberg: New York, 1982. P.742-752.
