Метасоматические формации, включенные в предлагаемую классификацию <см. табл. 7), несомненно связаны, в первую очередь, с эндогенными процессами, что, конечно, не исключает того или иного участия в гидротермально-метасо-матических явлениях пластовых и трещинных вод. Особенно это относится к процессам пропилитизации, вторичного окварцевания и фумарольно-сольфатарной аргиллизации. Вместе с тем в природе достаточно широко проявлены метасоматические процессы, эндогенная природа которых не столь очевидна.
Очень ярким примером могут служить урановые месторождения Колорадского плато (США), залегающие в неметаморфизованных песчаниках. Изменения пород на этих месторождениях давно используются в качестве важнейшего поискового признака. Думается, что приводимые ниже данные могут оказаться полезными для специалистов, изучающих месторождения спорного генезиса.
Район Колорадского плато насчитывает десятки месторождений и тысячи рудопроявлений. К настоящему времени опубликованы многие сотни работ, посвященных их характеристике. Основные вопросы геологии этой территории освещены в отечественной литературе.
В обобщающих работах американских исследователей, как и в реферативной отечественной литературе, подчеркнуты наиболее общие особенности измененных пород. Однако многие детали, являющиеся ключевыми для решения генетических вопросов, можно найти лишь в работах, посвященных детальному описанию отдельных месторождений. Что касается опубликованных сведений по изменениям пород вблизи урановых рудных тел, то они весьма отрывочны, противоречивы, неравноценны по значимости. Основная трудность при’ их анализе заключается в том, что далеко не всегда удается оценить, в какой мере данные, опубликованные по отдельным месторождениям, можно распространить на основную массу других месторождений. Целесообразно поэтому рассмотрение вопроса начать с тех особенностей, которые отмечаются большинством исследователей.
1. Вмещающие породы представлены преимущественно красноцветными континентальными осадками перми, триаса, юры, мела и третичного возраста. Частично оруденение локализуется в известняках юрского возраста. Рудная минерализация отмечается в пределах всего стратиграфического разреза, хотя основная масса оруденения сосредоточена в пяти наиболее рудоносных горизонтах. Большинство рудных тел приурочено к линзам песчаников, содержащих органику и залегающих в древних захороненных руслах. Рудпые тела в основном характеризуются пластовой формой и почти согласным залеганием. Будучи приуроченными к определенным горизонтам, рудные тела не подчиняются элементам слоистости в деталях, а пересекают их под острыми углами. Часть рудных тел характеризуется «ролловой» формой. Рудные тела, связанные с тектоникой, выполняют трещины вдоль сбросов, образуя тела плитообразной формы, но нередко проникают и в боковые породы по проницаемым осадкам в сторону от разлома. Месторождения в песчаниковых трубках и в зонах обрушения характеризуются вертикальным положением и неправильной формой рудных тел.
Первичная рудная минерализация в песчаниках представлена в основном мелкозернистыми урановыми минералами (уранинит, коффинит), которые или заполняют поры вмещающей породы, или замещают в ней клетки ископаемых растений. На ряде месторождений руда представлена ураноносными твердыми битумами (асфальтит), которые замещают породы и выполняют трещины в песчанике. Обычно с ураном в изобилии ассоциируют ванадий и медь, иногда ему сопутствуют хром и молибден.
2. Неизмененные песчаники характеризуются розовыми и красными тонами окраски; аргиллиты имеют красную, кирпично-красную, ржаво-бурую окраску. Вблизи рудных залежей породы приобретают серый, серовато-коричне-вый, зеленовато-серый и белый цвет. Мощность зон осветления над и под рудными телами составляет несколько метров, по горизонтали — десятки и сотни метров, а иногда и первые километры. Изменение песчаников макроскопически выражено нечетко, зато в аргиллитах оно проявлено очень контрастно. Все без исключения исследователи признают важное поисковое значение зон осветления.
Песчаники и алевролиты с отчетливо выраженным красным оттенком, как правило, не минерализованы или содержат небольшие и немногочисленные рудные тела.
3. Осветленные породы имеют неровные зубчатые контуры и характеризуются следующими условиями локализации: а) пластовой формой, согласной со слоистостью вмещающих пород; б) секут слоистость под различными углами;
в) локализуются вдоль крутопадающих тектонических нарушений, трещин и зон трещиноватости (например, в районах Кейн Крик, Лисбон Велли, рудниках Ванадиум Кинг и Кэмп-Бёрд, штат Юта; Камерун, штат Аризона и др.);
г) в пределах зон обрушений (район Темпл Маунтин, рудник Орфан в районе Гранд-Каньон и др.); д) в трубках взрыва (месторождения Вудроу, Джеклайл, Уинд-Уип, брекчиевая трубка Блек-Пил и др.).
4. Все исследователи согласны с тем, что осветление пород связано с исчезновением гематита. Железо при этом либо выносится, либо связывается в пирит, либо перемещается растворами, пореотлагаясь в виде сидерита. Как установлено химическими анализами, все имеющееся в осветленных породах железо присутствует в двухвалентной форме.
5. Детальное изучеиио показало, что наряду с восстановлением железа в процессе изменения пород происходит образование глинистых минералов. Так как исходные породы также содержат глинистые минералы в цементе, то без специальных исследований невозможно установить, какая часть глинистых минералов сингенетична, а какая эпигенетична. Поэтому данный вопрос . освещается лишь в работах, специально посвященных изучению измененных пород. По данным Келли и Керра (Kelley, Kerr, 1957), содержание глинистых минералов при изменении песчаников в районе Темпл Маунтин возрастает с 13
до 23%, а обломков полевых шпатов уменьшается с 13 до 8%. В пределах рудных тел начинается замещение всех минералов пород, в том числе и глинистых, урансодержащим асфальтитом.
Кэдиген отмечает, что песчаники формаций Мос Бэк вдали от руды содержат в среднем 10% каолинита, а по соседству с рудой до 22%.
По данным Холли с соавторами (Hawley е. а., 1967), изменение пород в районе Темпл Маунтин выражается в новообразовании глинистых минералов и перераспределении карбонатов. Содержание СаС03 уменьшается с 2 до 0,5%.
В значительном количестве из пород выносится нефть. Образование асфальтитов в пределах и вблизи рудных тел связывается с переработкой нефти. Содер-жение глинистых минералов в неизмененных и слабоизмененных песчаниках ниже 20%, а в обеленных — около 41%. Таким образом, независимо от изученных объектов и методов анализа всеми исследователями отмечается примерно двукратное увеличение содержания глинистых минералов в околорудных породах по сравнению с неизмененными аналогами.
6. В осветленных породах устанавливается перекристаллизация глинистого цемента песчаников и алевролитов. При этом увеличиваются размер глинистых частиц, степень их кристалличности, величина двупреломления.
7. Образовавшиеся в процессе осадконакопления монтмориллонит и смешаннослойный минерал гидрослюда-монтмориллонит по направлению к рудным телам начинают замещаться каолинитом или гидрослюдой \.Mw.2Mi (Abdel-Gawad, Kerr, 1963; Kelley, Kerr, 1957).
8. Специальное изучение глинистых фракций из рудных тел Амброзия Лейк, проведенное Грейнджером, показало увеличение содержания хлорита за счет монтмориллонита.
9. Содержание урана в осветленных породах в
50 раз выше, чем в красных (Huff, 1955). В глинистых минералах резко возрастает содержание ванадия. В небольших концентрациях, но очень широко проявлены галенит и сфалерит (Fisher, 1970). Некоторые исследователи указывают на увеличение вблизи рудных тел хрома, который концентрируется в глинистых минералах (около 3% Сг).
10. pH суспензий пород красного цвета варьирует в пределах
11. Совместно с аргиллизацией вблизи рудных тел иногда отмечается окремнение пород, например, рудники Магор, Грин Драгон, Дэти Дэвил, Нос Алис (Abdel-Gawad, Kerr, 1963). Окварцевание отмечается также вблизи разломов Лисбон Велли, где мощность интенсивно окварцованных пород составляет 100 м. Пространственно с разломом тесно связан ряд урановых месторождений.
12. В процессе изменения из пород выщелачивается кальций, который на поздних стадиях часто переотлагается, но уже в виде доломита или анкерита.
13. На аргиллизированные и окварцованные породы накладывается карбо-натизация (анкерит, доломит), особенно интенсивная на месторождениях, где нижележащие горизонты содержат прослои известняков. Наложенный характер карбонатизации однозначно доказывается наличием реликтов аргиллизи-рованных пород в карбонатных метасоматитах (Abdel-Gawad, Kerr, 1963). Иногда карбонатизация выражается в образовании над рудными телами линзовидных доломитовых скоплений, располагающихся вдоль вертикальных трещин (Kelley, Kerr, 1957). Доломитизированные зоны шириной от 8 до 100 м подстилают в песчанике Вингейт (район Темпл Маунтин) рудные тела. Местами доломит содержит сульфиды меди. В ряде участков отмечается сидеритизация пород. С выщелачиванием карбоната из нижних горизонтов и перемещением его вверх вдоль вертикальных трещин связывается образование зон обрушения, которые часто ураноносны. Перемещение карбоната вдоль вертикальных трещин используется как одно из доказательств восходящего движения растворов (Kerr, Jacobs, 1964).
Американскими исследователями высказываются разнообразные точки зрения на генезис измененных пород и руд, причем многие из них весьма путаны и бездоказательны. Главнейшие представления рассмотрены в работе Финча (Finch, 1967).
Многочисленные генетические разработки подавляющего числа американских исследователей могут быть сведены к двум основным концепциям, сущность которых рассмотрена ниже. Все исследователи согласны с тем, что изменение и оруденение наложены на осадочные породы, т. е. являются эпигенетическими. Однако существуют мнения об экзогенно-эпигенетическом и гидротермальном генезисе месторождений.
1. С позиций экзогенно-эпигенетического происхождения месторождений уран осаждается из циркулирующих ураноносных пластовых вод в участках, богатых восстановителями. Осадителями являются застойные воды, обогащенные сероводородом, причем последний образуется в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий в участках, обогащенных органикой. При наличии прослоев различной проницаемости создаются условия для взаимодействия медленно мигрирующих по проницаемым прослоям ураноносных кислородных и застойных сероводородных вод. Обеление рассматривается как результат восстановления окислов железа. Некоторые исследователи рассматривают рудообразование в условиях статической системы при наличии встречной диффузии компонентов.
Формирование измененных пород, приуроченных к зонам обрушений, разломам, трещинам и трубкам взрыва, во всех случаях связывается с деятельностью восходящих растворов. При этом трещинные зоны рассматриваются как зоны разгрузки глубоко залегающих пластовых вод. Допускается также, что повышению температуры и реакционной способности вод (насыщение газами) могли способствовать магматические процессы. Что касается механизма рудообразования, то здесь намечаются два пути:
1) восходящие растворы, богатые восстановителями, создавали в участках циркуляции восстановительный барьер, который обусловил осаждение урана из ураноносных кислородных пластовых вод;
2) восходящие растворы сами были ураноносными, а его осаждение происходило на фронте взаимодействия с нефтью вмещающих пород, что сопровождалось образованием твердых ураноносных битумов. В этом случае возникает следующий ряд эпигенетических зон: аргиллизированные обеленные породы-^ ураноносные асфальтиты нефтеносные неизмененные породы.
Как видно из вышесказанного, исследователями признаются восходящее движение, повышенная температура, реакционная способность и даже урано-носность растворов, поднимающихся но трещинным зонам. Признается также проникновение этих растворов в боковые породы по проницаемым горизонтам, приводящее к формированию ролловидных и пластовых рудных тел. Следовательно, представление об экзогенно-эпигенетической природе месторождений, приуроченных к зонам обрушений, разломам и трубкам взрыва, основано лишь на предположении, что восходящие воды являются пластовыми.
2. Некоторыми исследователями часть или все первичные руды Колорадского плато, а также измененные породы относятся к гидротермальным (теле-термальным), т. о. связываются с деятельностью послемагматических ураноносных растворов эндогенного происхождения. Имеющиеся отличия месторождений этого региона от типично гидротермальных жильного типа рассматриваются как результат того, что проводниками гидротермальных растворов служили в основном не трещины, а проницаемые горизонты, в которых происходило их смешение и взаимодействие с пластовыми водами. Что касается геохимической специфики этих месторождений, в частности высоких концентраций ванадия, то эта особенность отмечается и для некоторых типично жильных гидротермальных месторождений (рудники Шварцвальдер, Колорадо, Мирони, штат Калифорния; Прайор Маунтин, Монтана Томас-Рейндж, Юта и др.; Walker е. а., 1963).
В качестве аргументов гидротермального (телетермального) генезиса используются следующие.
1. Данные, свидетельствующие о восходящем движении растворов:
а) приуроченность зон изменения и оруденения к зонам обрушения, трубкам, разломам, трещинам; вблизи крупных нарушений устанавливается, что растворы распространялись по проницаемым горизонтам в стороны от разломов;
б) карбонатизация пород в участках, где в нижележащих горизонтах имеются карбонатные прослои.
2. Образование в процессе изменения пород гидрослюды 2Mlt за счет модификаций 1 Md и 1М согласно экспериментальным данным Ёдера и Ойгстера (Yoder, Eugster, 1955) может осуществляться в пределах температур 200— 350° С. Наличие типично гидротермальных минералов — флюорита (на месторождениях в известняках Тодилто), уранинита, коффинита, сульфидов.
3. Закономерное положение минерализации относительно магматических тел. В Нью-Мексико урановые месторождения Амброзия Лейк встречаются к западу от вулканического центра Маунт Тейлор, а к востоку — месторождения Джекпил. В Аризоне месторождение Орфан расположено к северо-западу от вулканического центра Сан-Франциско, а рудные тела Камерун к северо-востоку. В штате Юта урановый пояс дугообразной формы встречается в районе Лисбон Велли к западу от интрузивного центра Ла-Саль, а в Колорадо район Ураван окаймляет центр с востока. Особенно настойчиво пространственная
связь месторождений с магматическими телами подчеркивается Керром1 и* Дже-кобсом (1964).
Одпако очевидно, что приведенные данные о связи с магматизмом можно трактовать и с других позиций, считая магматические тела не источниками рудообразующих растворов, а факторами активизации подземных вод. Некоторые исследователи отрицают зональное расположение месторождений вокруг лакколитовых интрузий, считая его лишь кажущимся, а не реальпо существующим (Johnson, Thordarson, 1966).
4. Обобщение, выполненное Керром и Джекобсом, по типично жильным гидротермальным и пластовым месторождениям приводит к выводу о тождестве продуктов околорудного изменения (Kerr, Jacobs, 1964). Следует лишь подчеркнуть отсутствие метасоматической зональности или очень нечеткое ее проявление.
5. Весьма веским аргументом в пользу гидротермального генезиса месторождений является направленность метасоматических реакций. Действительно, все типично гидротермальные месторождения, сопровождающиеся гидротермальной аргиллизацией, характеризуются четко выраженной сменой кислотного выщелачивания минералообразованием стадии повышающейся щелочности. Смена аргиллизации и окварцевания карбонатизацией и рудоотложе-нием полностью отвечает эволюции растворов, установленной для гидротермальных месторождений. Следует также подчеркнуть столь характерную для гидротермальных месторождений деталь, как некоторое отставание во времени в образовании гидрослюды по сравнению с каолинитом, свидетельствующее о постепенном возрастании щелочности растворов и выражающееся в частичном замещении каолинита гидрослюдой.
Холли с соавторами (Hawley е. а., 1967) отмечают, что ураноносные растворы в районе Темпл Маунтин и других характеризовались высоким содержанием СО2 и были изначально кислотными. Они выщелачивали карбонаты, а также цементирующую массу, образуя каолинит. Позднее, становясь слабокислыми, а затем щелочными, они формировали доломит, сидерит и рудные минералы, привнося хром и ванадий в рассеянные глинистые минералы. Отложение урановых минералов происходило на фоне повышения pH растворов. Причиной осаждения урана было взаимодействие растворов с породами, богатыми нефтью и H2S. Интересно, что практически аналогичная эволюция процессов мипералообразовапия отмечается и на отечественных месторождениях (К вопросу об условиях образования..., 1967). Изменение состава растворов во времени объясняется последовательным поступлением по разломам пластовых вод из различных водоносных горизонтов нижележащих толщ.
6. Такие признаки, как повышение концентрации урана и элементов-спутников в аргиллизированных породах, понижепие значения pH суспензии и увеличение восстановительной емкости, типичны для гидротермальных месторождений. Однако не совсем ясно, в какой мере они могут быть использованы в качестве аргумента в пользу гидротермального или экзогенного генезиса.
7. В качестве негативного аргумента против экзогенного генезиса выдвигается факт полного отсутствия оруденения в участках скопления органики, часто находящихся на расстоянии метров и даже сантиметров от рудных тел. Этот факт, однако, может служить лишь доказательством того, что урановая минерализация не могла быть обусловлена отложением урана из местных пластовых вод в участках, богатых органикой, а для этого требовалось поступление иных по составу ураноносных вод.
Труднообъяснимым с точки зрения экзогенно-эпигенетических представлений, что признается и самими сторонниками этой концепции (Fisher, 1970), является локальное развитие измененных пород. Действительно, как могли ураноносные растворы перемещаться по красноцветным толщам, не оставляя никаких следов, и лишь вблизи участков рудоотложения становиться агрессивными и активно взаимодействовать с вмещающими породами?
Думается, этот факт можно объяснить лишь избирательным поступлением ураноносных растворов только в эти локальные участки. Осаждение же урана из этих растворов в таких участках происходило в местах концентрации восстановителей. Здесь следует лишь подчеркнуть, что данный вывод не противоречит возможности поступления восходящих растворов из нижележащих горизонтов, он находится лишь в противоречии с представлением об осаждении урана из пластовых вод, свойственных данному рудоносному пласту. Как отмечает по этому поводу Дж. Габельман (Gabelman, 1970), рудоносный флюид должен обладать достаточной агрессивностью, чтобы вызывать наблюдаемые повсеместно изменения пород, замещать минералы песчаника и проникать в достаточно плотные породы. Этот флюид, очевидно, должен был иметь, кроме ванадия, урана и меди, также повышенные концентрации многих других ионов и минерализаторов. Обычные метеорные воды не удовлетворяют этим требованиям.
8. В качестве дополнительного аргумента в защиту гидротермального генезиса подчеркивается наличие горячих источников в северной части поднятия Сан-Рафаэль, хотя очевидно, что эти источники могут иметь и не только магматическую природу.
Таким образом, согласно гидротермальной концепции, растворы поднимались из глубин по системам секущих трещин, брекчиевым трубкам, зонам обрушения и затем, смешиваясь с пластовыми водами, мигрировали по пористым пологозалегающим горизонтам, метасоматически преобразовывая вмещающие породы. Рудоотложение происходило в участках, обогащенных органикой, резкого изменения проницаемости пород, флексурных перегибов и т. д.
Необходимо подчеркнуть, что несмотря на кажущуюся несовместимость генетических концепций, постепенная эволюция представлений под давлением фактического материала привела к значительному сближению точек зрения на генези’с месторождений. Принципиальное значение при этом имеет общепризнанность следующих положений: а) необходимость поступления в участок рудообразования ураноносных растворов; б) участие в формировании по крайней мере некоторых месторождений восходящих растворов; в) повышенная температура растворов; г) взаимодействие ураноносных растворов с вмещающими породами; д) участие или возможность участия в процессах рудообразования газов или растворов магматического происхождения.
Принципиальные различия между экзогенпо-эпигенетическими и гидротермальными представлениями заключаются в том, что одни исследователи источник урана связывают с выщелачиванием его из пород, другие с уранонос-ностью гидротермальных растворов. Поэтому необходимое условие образования месторождений согласно первой концепции — наличие ураноносных пластовых вод, а согласно второй концепции — урапоносных растворов магматического происхождения. В настоящий момент вряд ли возможно решение вопросов генезиса измененных пород и руд Колорадского плато без учета работ советских геологов, значительно опередивших американских коллег в разработке вопросов эпигенетической зональности, гидрогеохимии, методов изучения пластовых месторождений и др.
Опыт изучения гидротермальных урановых месторождений заставляет автора отдать предпочтение представлениям о гидротермальном способе образования месторождений Колорадского плато. Особенно убеждает в этом проявляющаяся на ряде месторождений последовательность процессов минерало-образования, указывающая па наличие кислотно-щелочной эволюции растворов. Такая последовательность, представляющая основу гипотезы об «опережающей волне кислотных компонентов» Д. С. Коржинского, является стандартной для типично гидротермальных месторождений. Думается, что объяснения такой последовательности с позиций экзогенно-эпигенетических представлений еще не найдено.
Достаточно четко кислотно-щелочная дифференциация растворов проявляется в тех случаях, когда образование рудных тел происходит поблизости от растворподводящих структур, как это имеет место на месторождениях, контролируемых разломами и зонами обрушений. При далеком же проникновении гидротермальных растворов в водоносные горизонты и смешепии их с пластовыми водами взаимодействие растворов вмещающими породами, рас-средотачиваясь на большой площади, становится нечетким, недостаточно контрастным, что не позволяет во многих случаях установить последовательность мипералообразования. Что же касается всех других фактов, то они вполне объяснимы с позиции геологов, связывающих месторождения этого типа с деятельностью восходящих горячих минерализованных ураноносных растворов, которые, однако, имеют не магматогенное происхождение, а мобилизованы из нижележащих горизонтов в результате разогрева, уплотнения пород, тектонических подвижек и др. Правомочность подобной точки зрения, развиваемой также многими отечественными исследователями, вряд ли можно отрицать, исходя только из сходства направленности процессов минералообразо-вания.
Много сходства измененных пород описываемых месторождений с типично гидротермальными имеется в особенностях их минерального состава. Принципиальное же отличие выражается в неконтрастности околорудных ореолов, нечеткости метасоматической зональности, что, конечпо, можно связывать не со спецификой растворов, а с условиями их циркуляции.