Кратко здесь охарактеризованы геологические процессы, ведущие к созданию крупных групп классификации. В отдельных случаях при этом сразу же, а в других — позднее говорится о наблюдаемых парагенезисах, структурах и прочих минераграфических признаках и особенностях.
Метеориты
О величайшем процессе деления, происходившем еще в космической предыстории Земли, при котором из земного ядра, состоявшего главным образом из металлического железа, образовались богатый сульфидами и окислами слой и внешняя силикатная оболочка, мы имеем представление лишь благодаря исследованию плотности Земли в целом, с помощью сейсмических волн и аналогии в поведении расплавленных масс металл + -[сульфид – f — силикат в металлургическом процессе.
Для изучения вещества доступны лишь самые верхние километры твердой земной коры внешней части силикатной оболочки; о составе внутренней части Земли мы получаем представление по обломкам чуждых небесных тел — метеоритам, представляющим в известной мере эталоны.
Изучение и познание метеоритов и отдельных составных частей их — это особая обширная и трудная область, выходящая за рамки этого изложения, в которой с давних пор применяются минерал графические-металлографические методы, поскольку значительную роль в строении метеоритов играют непрозрачные минералы.
Магматогенные процессы
Самая верхняя часть силикатной оболочки, которая, согласно геохимическим исследованиям и статистике Кларка и Вашингтона, Гольдшмидта, Берга и др., не столь значительно отклоняется по своему химическому составу от детально изученной земной коры, является непосредственным источником вещества почти всех процессов, образующих месторождения. Насколько она является косвенным источником, пока, как это было мной отмечено выше, сказать нельзя.
Процессы образования месторождений аналогично процессам образования пород делятся на три большие группы: магматогенные образования (Б), экзогенные образования (В) и метаморфические образования (Г). Поскольку наука о породах все меньше отделяется от науки о месторождениях, мы неизбежно должны рассматривать породы как особую группу месторождений.
Глубинные образования
Если магматическая масса значительного объема застывает на большей глубине, при медленном падении температуры и высоком давлении, то возникают глубинные породы; вместе с тем в них проявляются далеко идущие процессы дифференциации. Они выражаются в разделении первоначально гомогенных расплавов на несколько несмешивающихся фаз, в разделении путем кристаллизации различных трудно растворимых кристаллических фаз и в накоплении легколетучих компонентов. Временами эти процессы перекрывают друг друга; так, например, разделение на несколько расплавов может иметь место, когда состав уже сильно изменен частичной кристаллизацией.
Процессы в глубинных породах
Поскольку в отдельных случаях этот процесс будет протекать весьма различно, могут встретиться неверные объяснения или другие трудности в классификации. Так, например, я убедился, что совершенно сходные титаномагнетитовые дифференциаты возникли в одном случае (особенно в кислых породах) путем кристаллизации, в других, наверное, более частых случаях (в основных породах), путем разделения на несмешивающиеся жидкости.
Процессы в глубинных породах могут быть представлены физико-химически при значительном упрощении протекающих явлений в виде t—х-диаграммы легколетучего А и труднолетучего В компонента при постоянном высоком давлении.
Из расплава, богатого труднолетучим компонентом В, коль скоро при охлаждении кривая плавления SBGFE достигает отрезка между SbG, отделяется компонент В. Остаточный расплав, естественно, обогащается А. Температура выделения В одновременно падает до тех пор, пока кривая плавления не пересекается критической кривой Кв—КА в точке G. Процессы, протекающие до этого момента, обозначаются обычно как «интрамагматическая стадия». Книзу от точки G кривая плавления идет очень полого; это означает, что при некотором снижении температуры выпадает большое количество В и, прежде всего, очень быстро растет составная часть А. Затем кривая изгибается и способность растворения остаточного расплава для В остается почти одинаковой, даже несколько увеличивается. В точке F вновь достигается критическая кривая. Часть кривой G — F обозначает «пегматито-пневматолитовую стадию». Пунктирная часть критической кривой между G и F означает, что расплав и газовое состояние здесь неотделимы, а часть кривой расплава G — F с тем же правом можно обозначить как кривую растворимости газа для В. Кривая F — Е — SA вновь представляет расплав, однако обычно называемый здесь раствором. Эта часть кривой обозначает «гидротермальную стадию». Сначала растет растворимость для В, затем достигается «эвтектическая точка» Е, которая практически обычно почти совпадает с ординатной компонента А.
Интрамагматическая стадия
Магматическая дифференциация путем разделения жидкостей. При очень высоких температурах магма растворяет большие количества сульфидов, почти неограниченно окислы и следы металлов. При понижении температуры они выделяются в возрастающих количествах в форме эмульсий, позднее капелек. Поскольку эти компоненты тяжелее остаточных расплавов, они имеют склонность накапливаться внизу или благодаря конвекционным токам — по краям или около включений посторонних тел. Таким образом, мы встречаем накопление металлов: самородной платины и осмиридия в дунитах; сульфидов: пирротина, пентландита, халькопирита («никельпирротина»), в норитах и габбро, а также диабазах, диоритах и пироксенитах; малые количества их вообще содержатся в каждой свежей глубинной породе; наряду с вышеназванными сульфидами.
Типы месторождений
А также самостоятельно в дунитах иногда заключен никелин; окислов: хромита в ультраосновных породах, «титаномагнетита» (большей частью в виде продуктов распада твердого раствора магнетита с небольшим количеством ильменита) в некоторых анортозитах и норитах; аналогичное происхождение могут иметь также и шпинели.
Многие из этих типов месторождений обладают, как показывает в особенности изучение под микроскопом, переходными формами; очень часто внешне они связаны с проявлением других процессов, так что их объяснение и классификация становятся затруднительными. Выделение платины, например, одновозрастно с кристаллизацией хромита, при этом вначале мелкие кристаллики, по-видимому, являлись точками оседания платиновых капелек. Еще труднее часто бывает с относящимися сюда сульфидными скоплениями. Они обладают очень низкой температурой затвердевания, поэтому они часто значительно моложе, чем силикаты, и выполняют в них катакластические трещины и пустоты. Тем самым они относятся к области, где развивались пневматолитовые и даже гидротермальные процессы. Наглядно иллюстрируют не вполне обособившуюся сульфидно-силикатную породу (из переходной зоны, имеющей толщину в несколько сантиметров), где затвердевание сульфидов следовало непосредственно после затвердевания силикатов. В других случаях невозможно сомневаться в одновременном существенном воздействии пневматолитических и даже гидротермальных процессов. Так, в Садбери и иногда в Буш-Велде очень крупнозернистые участки, которые необычайно богаты пентландитом и халькопиритом, свое повышенное содержание платины несут в форме самостоятельных платиновых минералов, таких, как стибиопалладинит, сперрилит, куперит; иногда эти участки испытывают контактово-метасоматическое воздействие и обладают повышенными содержаниями галенита, сфалерита, серебра, золота и палладия. В местах исключительно резкой дифференциации (например, Фруд-Майн и Инсизва) находятся также минералы висмута и теллура, иногда также молибденит, графит, валлериит и др. Известно, что в Магнет-Хейтсе в Трансваале сульфиды, содержавшиеся в интрузивных титаномагнетитовых рудах, мигрировали в подстилающий слой. При этом они были явно не в расплавленном состоянии, а находившиеся в этом слое окисные рудные минералы железа были замещены с образованием сульфидов (пирротина, пентландита, кубанита). Сохранившиеся скелеты ильменита свидетельствуют о процессах такого рода.
Своеобразные борнитовые проявления района Окип в Капской провинции представляют собой типичные переходные месторождения, но, согласно последним работам Латски, принадлежат к интрамагматическим, а не к пневматолитовым или гидротермальным образованиям.
Хромит долгое время рассматривался, во многих случаях с достаточным основанием, как продукт кристаллизационной дифференциации. Последние исследования, особенно бушвелдских проявлений, показали, однако, что почти чистый хромит в расплавленном или кашеобразном состоянии интрудировал в уже затвердевшие силикатные породы. Это позволяет предполагать дифференциацию в жидком состоянии.
Титаномагнетитовые проявления
Такие проявления могут быть причислены к «магматическим, выжатым».
Титаномагнетитовые проявления до сих пор обычно также рассматривались как продукт кристаллизационной дифференциации: на основе более ранних (обычно неправильных) наблюдений считалось, что в большинстве пород магнетит и ильменит должны принадлежать к самым ранним продуктам кристаллизации. Однако некоторые исследователи высказывались против этого взгляда (например, Заварицкий), и микроскопическое исследование показывает, что эти возражения, по-видимому, в большинстве случаев правильны. В качестве примера можно привести Смоландс-Таберг, где оливин и плагиоклаз наверняка уже выкристаллизовались, когда титаномагнетит был еще жидким. Между основными и средними породами, по-видимому, имеет место резкое различие. Главные составные части основных пород (оливин, авгит и плагиоклаз) затвердевают до рудных минералов. В кислых магмах, главные компоненты которых становятся твердыми на несколько сот градусов позже, они затвердевают после рудных минералов.
Магматическая дифференциация путем кристаллизации. При охлаждении магм соединения выкристаллизовываются в то время, когда еще значительная часть остаточного расплава является жидкой и легкоподвижной, что имеет место, естественно, в зависимости от общего химизма и внешних условий, при весьма различных температурах. Образовавшееся рудное вещество имеет тем самым возможность отделяться по удельному весу (в общем случае опускаться) и накапливаться. При дальнейшем охлаждении количество остаточной части жидкого расплава постепенно уменьшается, магма превращается в кашеобразную массу, возможность к выжиманию рудного вещества ограничивается. Однако в течение весьма продолжительного отрезка времени она может быть еще значительной. Соответственно в крупных магматических очагах она важнее, чем в малых. Накопления такого рода очень широко распространены; примером может быть каждое маленькое скопление слюды в граните. Из месторождений полезных ископаемых сюда относится большая часть проявлений хромита, некоторые проявления корунда, циркона, монацита, а по взглядам, существовавшим до сих пор,— большинство проявлений титаномагнетита и ильменита. Особенно распространены оливиновые породы и дуниты, которые имеют большое значение не сами, как полезные ископаемые, а как носители таковых.
Структуры относящихся сюда руд весьма изменчивы. Там, где количество кристаллов не очень велико, они часто исключительно идиоморфны; у хромита, как у всех шпинелевых минералов, они с сильно округленными углами и ребрами. В тех случаях, когда они, наоборот, образуют главную массу, наблюдается агрегат полигональных или округлых зерен с единичными плоскостями, отвечающими более поздним чуждым минералам, выполняющим мелкие промежутки. Крайне часты, особенно у хромита, катаклазы (трещины). В большинстве случаев в кристаллизационных дифференциатах ассоциируют минералы одного возраста и удельного веса, например «титаномагнетит-шпинелиды» и др.
Главная кристаллизация силикатов
Для этих минералов невозможно дать возрастную последовательность, пригодную на все случаи; идиоморфная или ксеноморфная форма является некоторым указанием, но может и запутать.
Путем вышеописанных процессов из магмы отделяются: платина, хром, никель (в оливине и сульфидах), часть железа, титана, ванадия и главная масса серы, а также немного магнезии и глинозема. Затем начинается основной период выделения силикатов — область образования глубинных пород в собственном смысле. Говорить о них более детально не входит в задачу этой книги. С геохимической точки зрения здесь извлекается главное количество щелочей (кроме лития и цезия), щелочноземельных (кроме бериллия), Si02 и ряда элементов, замаскированных вышеперечисленными, а также большие количества железа, марганца и титана.
Количество сульфидов и окислов здесь обычно невелико, но по некоторым соображениям оно имеет особый интерес. По этому поводу следует обратиться к работам Ньюхауза и автора.
Интрудированные месторождения (Abpressungslagerstatten). Кристаллизационные дифференциаты, которые погружаются на большие глубины, могут быть вновь расплавлены и, так же как отделившиеся жидкие сегрегации, вновь интрудировать в качестве самостоятельных рудных магм. Процессы эти можно легко себе представить, но причисленные сюда месторождения обладают своеобразными особенностями, объясняющимися с трудом. Наиболее важная группа — магнетитовые проявления типа Кируна. Что касается титаномагнетитовых дифференциатов, то здесь имеются трудности вследствие ограниченного содержания титана, но высокого содержания фосфора. Бросается в глаза постоянная ассоциация, почти без исключений, с сиенитовыми породами, которые к тому же обычно не обнаруживают ясно выраженного глубинного характера и привноса хлора и натрия в боковые породы сопутствующих внедрению руд. Структурно рудные массы представлены полигонально-зернистыми, часто почти мономинеральными агрегатами, иногда благодаря ориентированному расположению апатита — отчасти флюидальными. Появление значительных количеств гематита указывает, по-видимому, на гидротермальное или метаморфическое воздействие.
Выше уже отмечалось, что большинство хромитовых проявлений, по-видимому, следует причислить к интрудированным месторождениям. Титаномагнетиты Буш-Велда в большинстве своем, если не все, также принадлежат к этому типу. В противоположность кристаллизационным дифференциатам в дуните, где «хромит» в действительности представляет собой хромшпинель — (Mg, Fe) Cr504, здесь он очень близок к FeCrs04.
«Интрузивные колчеданные залежи» не принадлежат к данному типу; может быть, сюда относится очень небольшая часть их, хотя при условии их образования или преобразования на больших глубинах имеет место конвергенция.
Пегматито-пневматолитовые образования
Эти образования охватывают очень большой температурный интервал, и поэтому между месторождениями такого типа имеются весьма резкие различия в минеральном составе и во вмещающих породах. Микро- и макроскопические отличия иногда так сильны, что они используются как главный принцип классификации; при этом имеют место лишь незначительные физико-химические отклонения. Мы различаем, таким образом, пегматитовые месторождения, пневматолитовые жилы, контактово-пневматолитовые замещения и пневматолитовые импрегнации. Между пегматитами и остальными группами имеется известное различие, поскольку пегматиты образуют мост к жилам глубинных пород; содержание обычных породообразующих компонентов в них является типичным, а при внедрении «растворы» могли иметь еще в большей мере характер расплава, чем во всех остальных группах («раствор» — «расплав» — «пар» в этой области строго не различаются). Но это не означает, что пегматиты в среднем должны быть более высокотемпературными. Другие три группы в противоположность пегматитам более резко различаются по поведению вмещающих пород. Один и тот же жидкий раствор в плотной химически устойчивой породе может дать пневматолитовую жилу в способных к метасоматозу известняках — месторождение замещения, в пористых туфах — импрегнацию. Какие породы можно рассматривать как химически податливые, зависит, естественно, от характера растворов, которые в данном случае были большей частью умеренно кислыми до сильно кислых; это зависит также от господствующего гидростатического давления и длительности его воздействия, а также от того, был ли облегчен доступ растворам зонами разрыва или сдавливания. Так, в геологически очень древних и возникших под высоким давлением сфалерит-галенит-халькопиритовых проявлениях Средней Швеции весьма различные породы почти независимо от их состава подверглись замещению там, где они были разбиты зонами нарушений. Конечно, если характер привнесенных растворов считать одинаковым, выпадающий продукт будет различным в зависимости от реакции боковых пород; пневматолнтовые жилы, замещения и импрегнации совершенно одинакового происхождения могут обладать резко различным химизмом. Эти различия особенно заметны по «жильным минералам», но достаточно ясно выражены также и в рудных минералах. Так, например, очень крупные магнетитовые проявления располагаются в контактово-метасоматических породах, но не в пегматитах и не в пневматолитовых жилах.
Названия типа месторождения часто не совсем удачны, так как нередко наименование дается по промышленно-ценному минералу, даже если он находится в незначительных количествах. Переходные типы иногда очень сложны; многие месторождения могут относиться к самым различным группам (в классификации).
В этом обнаруживается также и несколько отклоняющееся положение пегматитов, как остаточных расплавов.