Теории образования медно-никелевых месторождений Норильской группы
На протяжении многих десятков лет норильские месторождения привлекают к себе внимание исследователей уникальными запасами медно-никелево-платиновых руд, связанных с полнодифференцированными базит-гипербазитовыми интрузивами, а также полным непониманием ученых как же они, собственно, сформировались.
Зачем вообще знать, как образовалось месторождение?
На это есть два ответа. Первый — практический: если понять, как сформировалось конкретное месторождение, то потом можно искать подобные, подобрав сходные геологические структуры, так называемый метод аналогий. Второй — научный: нам нужно больше знаний для бога знаний для уточнения параметрической модели «планета Земля», что, в конечном итоге, поможет понять все процессы на Земле.
Итак, представьте себе, что ~251 млн. лет назад началось непрерывное, чудовищно обильное извержение вулканов. Такое, что ныне живущие и вообразить себе не могут. Всего за 1 — 5 млн. лет (весьма короткий период с геологической точки зрения) изверглись многие и многие тысячи кубокилометров лавы. Вследствие череды ужасных (на наш современный взгляд) событий сформировался самый большой в мире непрерывный массив базальтов — Cибирская трапповая формация.
Границы распространения Сибирских траппов.
Вполне вероятно, что самое массовое вымирание на Земле связано именно с образованием Сибирских траппов. Считается, что именно в результате массового извержения вулканов восточного региона концентрация углекислого газа в атмосфере Земли увеличилась в 13 раз!
На севере-западе этой формации расположен, наверное, самый известный в мире медно-никелевый рудный регион — Норильский рудный узел. Рядом с городом Норильск находится целая серия крупнейших месторождений, где добывают также элементы платиновой группы, главным из которых является палладий.
**В качестве справки: в 2015 году (более свежих данных нет, конспирологи — молчать!) одна тонна необработанной норильский руды стоила почти 800$, и это абсолютный рекорд. Для сравнения, одна тонна железорудного концентрата, то есть руда, прошедшая первичную обработку, стоила всего около 24$.
Оттенками фиолетового цвета показаны трапповые породы (базальты), черным цветом на карте нанесены выходы на поверхность рудоносных интрузий (габброидов), остальные цвета — осадочные вмещающие породы
Интерес к изучению уникальных геологических объектов обусловлен не только их огромным экономическим потенциалом, но и имеет вполне академический аспект. В нашем случае — сплошные загадки и острейшее научное любопытство. Любой уникальный объект практически никогда не вписывается в общую научную парадигму, то же и с этим регионом. Мы до сих пор не можем достоверно объяснить, как образовались такие месторождения. Это касается, кстати, не только Норильской группы, но и многих других подобных геологических объектов: Великая дайка Зимбабве, рудная провинция Витватерсранд, Садбери в Канаде и т.д. Причем, Норильский регион изучается уже более ста лет, с открытия Н.Н. Урванцевым месторождения Норильск-1 в 1920-х гг. и, на сегодняшний день, это самый изученный и самый разбуренный геологический объект в мире, а геологии, геохимии и тектонике района посвящена обширная специализированная литература на многих языках!
Сложность изучения Норильских месторождений можно понять уже при беглом знакомстве с их строением. Из-за расположения на границе древней платформы и древнего океана, структурно-геологическое строение района не очевидно для геолога. Там протекали процессы субдукции (поглощения) океанической коры в результате её постепенного «выталкивания» под сибирскую платформу (как раз севернее Норильска). По этой причине среди исследователей нет единого мнения о тектоническом положении обсуждаемой территории на момент внедрения в неё рудоносных магматических расплавов. То есть, мы можем предполагать как чисто мантийный механизм, так и ожидать весомого вклада при субдукции океанической коры.
Фотография карьера месторождения Норильск-1.
Все месторождения Норильского региона устроены практически одинаково: в толще сибирских траппов (базальтов), мощность которых достигает 3 км, местами встречаются массивы интрузивной магматики: всевозможные габброиды. Интрузивные породы, в отличие от излившихся, кристаллизуются на большой глубине, они находятся в экранированных условиях и по этой причине долго остывают. При этом, норильские габброиды представляют собой классические расслоенные массивы, в которых, из-за долгого остывания расплава, высокотемпературные минералы успевают утонуть, пока остальные ещё находятся в расплавленном состоянии — таким образом образуется «слоистая» текстура. То есть, происходит гравитационное разделение (ликвация) вещества. Снизу — высокотемпературные минералы, сверху — низкотемпературные. И эта «слоистось» — важнейшая особенность такого типа месторождений. Собственно, поэтому они так и называются: «расслоенные» (или «дифференцированные»). Эта слоистость заключается в том, что мы видим чётко обособленные горизонты, характеризующиеся внутри себя устойчивыми минеральным составом и текстурно-структурными характеристиками. Сами руды представлены сульфидами (соединениями серы с металлами), а поскольку сера не смесима с силикатным расплавом, то ещё в горячем состоянии первичного расплава сульфидные капли начинают отделяться и тонуть. В итоге, сульфиды скапливаются в нижних частях массивов габбро, образуя сплошные горизонты руд, мощностью до 4–5 метров и протяжённостью на многие километры. Например, медь добывают из халькопирита (CuFeS2), никель — из пентландита (Fe4Ni4(Co, Ni, Fe)1S8). Палладий (помним, что он — самый ценный и важный!) присутствует в этих минералах либо как примесь, либо как самородный элемент. Либо образует собственные минералы вместе с платиной и мышьяком. Глубина залегания сульфидных горизонтов — от 140 до 850 метров, они локализуются, практически, в самых нижних частях расслоенных массивов габброидов.
Пентландит-пирротин-халькопиритовая массивная руда.
Яркие синие побежалости — результат окисления сульфидных минералов на воздухе.
Большая сложность разработки реальной модели образования Норильского рудного района связана с огромным разнообразием магматических пород, расположенных внутри одной общей геологической структуры, а иногда даже, внутри одного тела; их быстрого образования (с точки зрения геологии, 5 млн. лет — это очень быстро); а, самое главное, наличия уникальных по запасам палладий содержащих медно-никелевых месторождений.
Итак, комплексных проблем для понимания, из которых нужно сложить вменяемую картинку, аж четыре:
Каков был состав первоначальных магм, каковы были процессы расслоения массивов, что именно породило разнообразие породных комплексов?
Каковы сами процессы рудообразования?
Что было источниками серы? Такие огромные «пласты» сплошных сульфидных руд не так легко образовать в природе: у нас просто нет очевидного способа концентрировать серу в первоначальном магматическом расплаве
Каков механизм переноса металлов? Так же, как и с серой — на Земле этих металлов полно, но они рассеяны, к тому же, нам нужен понятный механизм их концентрации и отложения в таких невероятных масштабах.
Чтобы проиллюстрировать «не можем это объяснить», я приведу самые распространенные мнения о генезисе Норильской группы месторождений.
Первые исследователи считали, что достаточным объяснением сложившейся геологической ситуации является образование расслоенных массивов и руд путём ликвационного разделения, что было предложено тем самым первооткрывателем Н.Н. Урванцевым ещё в 1921 г. Именно с точки зрения этой модели я и описал общее устройство Норильских месторождений, поскольку она самая простая. Впоследствии данная модель была поддержана Годлевским, с небольшой оговоркой: он сформулировал физико-химические условия данного механизма, но предполагал начало разделения расплава с наиболее глубинных уровней.
Рассмотрим же современные (и не очень) модели образования Норильского рудного региона.
Модель образования «классическая» (А.П. Лихачёв). В данной модели образование месторождений рассматривают совместно с образованием всей трапповой формации.
Представьте себе, что ядро Земли не очень-то стабильно и по разным причинам может формировать тепловой выброс (в некотором роде) — плюм. Такой выброс имеет высокую температуру и огромную площадь (1–5 тыс км), он поднимается сквозь мантию и утыкается в кору. Автором предложен принцип «долгой подготовки и быстрой разгрузки». То есть, плюм упирается в заведомо толстую часть континентальной коры и ему необходимо большое время для проплавления пути наверх. Трудно сказать сколько именно времени, но, по мнению автора, не менее 50–100 млн. лет. После такой массированной атаки на кору, вещество практически напрямую проникало на поверхность. Обычно это происходило поэтапно и с формированием промежуточных очагов в нижнекоровых условиях, как, например, у вулкана Йеллоустоуна. Итак, основная часть вещества проникала на поверхность и формировала эту огромную массу сибирских траппов: изливаясь огромными порциями и заполняя всё пространство вокруг. А, скажем так, более поздние остаточные выплавки втыкались в толщу уже застывших базальтов, которые они пробить уже не могли, и, вследствие этого, кристаллизация новых порций магм шла иным путём. Эти выплавки накапливались в камерах, где долгое время оставались горячими. Происходило постепенное разделение вещества и формировались классические расслоенные массивы.
Главным отличием этой модели от предложенных в начале века является предлагаемый автором механизм сепарации вещества при подъёме. То есть, расплав не только разделялся в камере, но и начинал это разделение ещё во время движения расплава по подводящему каналу.
В чём смысл этой модели? При изучении образования Норильских месторождений, главным вопросом является не механизм извержения огромных масс лавы, а, в первую очередь, вопрос накопления и переноса серы. «Как нести и где взять». Силикатный расплав не может растворять внутри себя много серы, для этого нужна температура не менее 1500 °C (как решение, модель предлагает плюм). В качестве источника серы и металлов предлагается верхняя мантия, где много рассеянной серы. Но для накопления необходимого количества серы нужно время, 50–100 млн. лет. Как и для разделения вещества на высокотемпературную и низкотемпературную части. Таким образом, модель объясняет источники серы, накопление металлов, перенос их к поверхности и формирование чётко упорядоченных горизонтов внутри массива габбро.
Модель образования «поясняющая» (В.В. Золотухин). В данном случае мы уходим от вопроса образования всей трапповой формации и рассматриваем конкретно интрузивные породы и связанные с ними руды.
Итак, траппы уже есть, благодатная почва создана. Но после активного извержения базальтов где-то в нижней коре, или, может быть, чуть-чуть под ней, остаётся неизрасходованное вещество, явно лишнее, которое надо утилизировать. Однако, площадь сибирских трапов огромна, и в разных местах остаточные расплавы могли иметь несколько отличные химические составы. Более того, энергия между ними тоже распределялась не равномерно, что приводило к импульсному характеру внедрения, а после — к неравномерному перемешиванию разных расплавов (конечно, если допустить, что по пути наверх каналы их движения могли пересекаться). Автор предлагает считать, что в одни и те же камеры пульсационно поступало вещество, и в них происходило образование той самой «слоистой» текстуры. То есть, внедрение разных по химическому составу расплавов разнесено во времени, но закончилось до момента полного застывания. Каждая новая порция вещества разогревала материю. При этом, параллельно, шла утилизация газов, выделенных раннее при дегазации первых силикатных расплавов. Такие агрессивные газы, флюиды, способны извлекать определённые компоненты из уже образованных пород и переносить на значительные расстояния. Автор разработал модель взаимодействия газовой составляющей флюидов магматических расплавов с различными элементами расплавов при разных температурных и барических режимах. Главной особенностью его расчётов является подход с точки зрения межмолекулярных взаимодействий. Им выделены особенные температурно-барические условия, называемые им «рудными ловушками», в которых происходил значительный сброс излишков серы (серная отгонка), приводивший к активному образованию сульфидов.
Главное отличие этой модели от прочих — время образование сульфидов. В этой модели для них оставили место в самом конце эволюции геологической структуры, и как раз за счёт воздействия разных флюидов, которые выносили фоновые содержания металлов из первичных пород и переоткладывали их в новых местах.
В чём смысл этой модели? Попытка объяснить невероятно большие содержания никеля, меди и палладия за счёт их выноса отовсюду, но по чуть-чуть, и концентрации их в одном месте. При том, автор умышленно не затрагивает вопросы источников вещества, а предлагает только механизм генезиса.
Откуда же тогда взять серу? Если мы не готовы ждать 100 млн. лет, пока естественным образом накопим её по крохам в мантийный условиях, то серу надо искать в коре. Как раз-таки в Норильском районе есть огромные толщи гипса и ангидрита (сульфаты, соли серной кислоты). Допустим, горячая магма пройдёт через толщу гипса, при температуре 1200 °C, сульфат расплавится и может быть ассимилирован магматическим расплавом. Правда, тут есть одна проблема: чтобы сульфат перешёл в сульфид, нужен мощный восстановитель. И тут, в Норильском районе мы обнаруживаем угли, которые и есть природный восстановитель. Вроде как, всё объяснили? Казалось бы. Но… более поздние расчёты показали, что отношение ассимилированной серы к восстановителю должно быть 1/200 — 1/20, а мы видим, что в реальности оно намного ниже.
Модель образования «оригинальная» (И.А. Зотов). Одна из самых интересных идей была предложена И.А. Зотовым, который считал, что важную роль в механизмах расслоения массивах, а также формировании окружающих метасоматических пород могли играть трансмагматические флюиды.
Несколько спорная концепция в геологии, которая говорит о том, что на протяжении всего времени кристаллизации расплава и даже немого после, сквозь него проходит постоянный поток агрессивных газов от самого магматического источника до вмещающих пород. Рассматривая некоторые геологические особенности строения расслоенных массивов Норильского рудного региона, можно заметить следующее: большие по объёму интрузивные тала залегают в осадочных вмещающих породах без значительных деформаций последних (а должны быть следы снятия и переплавления). И.А. Зотов писал: «при доказанном геологическими методами наступлении расплавов на вмещающие породы это неизбежно подводит к выводу об однонаправленном токе магматических флюидов из расплавов во вмещающие породы». Главная идея, которую он защищал — наличие потоков постоянно действующих флюидов из мантии, идущих через подводящий канал, а затем через кристаллизирующийся массив во вмещающие породы, что приводило вначале к магматическому замещению вмещающих пород, а в последствии — к активному рудогенезу.
Защищая свою модель трансмагматических флюидов, автор демонстрировал неоднородность распределения относительных содержаний полезных металлов, выраженных в виде отношений Cu/Ni, Co и элементов платиновой группы в сульфидах рудных горизонтов как по вертикали, так и по горизонтали. Таким образом, он показывал ограниченность ликвационной модели, аргументируя это тем, что при внедрении относительно гомогенного расплава — в принципе не может наблюдаться такая неоднородность относительных содержаний полезных компонентов. «Естественно предположить, что в образовании такого характера распределения сульфидов и отдельных рудных металлов вдоль интрузивных тел принимали участие флюиды». В отличие от Золотухина, Зотов считал, что именно воздействие флюидов сыграло главнейшую роль в окончательном облике месторождений, именно они влияли вначале на процессы кристаллизации, а потом могли изменять застывшие породы, в том числе и вмещающие, чем и внесли весомый вклад в перераспределении металлов внутри обширной Норильской системы.
Модель образования «дополняющая» (С.Ф. Служеникин).
Допустим, что первые модели худо-бедно объяснили нам и серу, и медь с никелем, и способы накопления мощных горизонтов руд. Но палладий-то как переносить? Более того, мы говорим о слоистой текстуре интрузивных массивов, которую можно объяснить через гравитационное разделение, за счёт опускания ранних минералов в ещё жидком расплаве или за счёт смешения разных расплавов в камере. Но как тогда объяснить резкие границы между слоями? А также крайне странное распределение палладия? Он встречается внизу, в сульфидном горизонте, но также и в верхней части массива в виде мелко рассеянной примеси.
Автор считает, что высокая насыщенность расплава водородом приводит к более отчётливому разделению расплава на составные части, наподобие фракционирования нефтепродуктов в рефракционных колоннах, только в масштабах многих километров. А вот свободные фтор и хлор способны переносить элементы платиновой группы, а также относительно свободно проникать через пока ещё жидкие породы. Это ещё одна вариация модели трансмагматических флюидов, но узкоспециализированная, посвящённая только вопросу палладия.
Модель образования «обвиняющая» (имён называть не буду :)
Забудем про всё вышесказанное и перенесёмся в Антарктиду. Недавно там нашли очень крупный след от метеорита, причём он не эллиптический, а практически круглый, что говорит о перпендикулярном падении крупного метеорита на Землю. K-Ar датирование стенок кратера показало возраст близкий к 251 млн. лет. Согласно реконструкциям движения континентов, 251 млн. лет назад Антарктида и Сибирь были максимально удалены друг от друга, то есть находились по разные стороны нашей планеты. Направленный удар создал мощную сейсмическую волну, направленную в ядро Земли. За счёт удара, ядро вышло из равновесия и ответило на такое воздействие выбросом плюма в противоположную сторону, как раз в сторону Норильска. А дальше подставляем любую из гипотез.
В чём смысл этой модели? Некоторое время назад в геологии стало модно объяснять многие события через катастрофы. Данная модель была представлены лишь с целью показать, что вообще любое геологическое событие можно объяснить падением метеорита и необходимо срочно «вернуться на Землю» и перестать фантазировать.
Я знаю ещё, как минимум, шесть гипотез образования Норильских месторождений, каждая из которых имеет разные масштаб объяснений, амбиции, а также — свои плюсы и минусы. Сложность в том, что все они опираются на один набор фактических данных, и ни одна до сих пор не может объяснить все аспекты образования такого сложного геологического объекта. Каждый уникальный объект в геологии — это как бозон Хиггса в фундаментальной физике. Исследователь, который сможет правильно объяснить природу такого объекта определит направление дальнейшего развития всей науки на годы вперёд!
Автор: Дмитрий Коршунов
Оригинал
