» » Роль органического вещества и металлоорганических соединений в рудообразовании

Роль органического вещества и металлоорганических соединений в рудообразовании

Характерной особенностью стратиформного оруденения является связь с осадочными породами, содержащими углеродистый материал или органическое вещество (OB). Однако конкретные представления о природе, функциях и роли органики в рудообразовании проработаны недостаточно и зачастую дискуссионны. Решение данных вопросов затрудняется, с одной стороны, многообразием форм проявления OB в осадочных бассейнах, с другой — полигенностью процессов рудообразования.
OB осадочных пород чаще всего имеет седиментогенную палеобиогенную природу, а его свойства тесно связаны с историей развития самих бассейнов. Гипотезы о ювенильном, мантийном, гидротермальном происхождении углеродистого материала в типичных осадочных толщах «удобны» для создания рудогенетических моделей, но пока не находят должного фактического подтверждения. В построениях такого типа углерод или его соединения возникают в любой необходимый момент, перемещаются в любом направлении, так как они рассматриваются вне связи с рудовмещающей толщей. He отрицая возможности присутствия абиогенных углеродистых соединений в рудоносных осадочных бассейнах (РОБ), полагаем необходимым подчеркнуть, что результаты изучения OB в них, как правило, свидетельствуют о его седиментогенном, преимущественно растительном происхождении. На это указывают связь количества и состава органики с литолого-фациальной природой осадков, синхронность ката-и метаморфических преобразований OB и вмещающих пород, структурные соотношения рудных минералов с органическими включениями и т. д.

OB осадочных бассейнов может быть представлено двумя основными генетическими линиями или рядами: осадочным, угольным и (или) миграционным, преимущественно битумным. Различия между ними заключаются в составе исходных веществ и особенностях их преобразования (табл. IV.4). OB угольного ряда формируется за счет захоронившихся в осадке рассеянных остатков или скоплений лигнино-целлюлозных тканей с относительно небольшим участием липидных компонентов. Исходным материалом OB битумного ряда служит в основном липидный комплекс веществ с повышенным содержанием водорода — углеводородный комплекс. Последний может формироваться автохтонно частично за счет специфического материала, например морского планктона, частично за счет остаточного накопления водорослей, животных организмов и других компонентов с большим содержанием водорода.
Основную часть OB второго ряда составляют газообразные и жидкие углеводороды, «возгоны», выделяющиеся из фоссилизированного осадочного OB в процессе диа- и катагенеза (рис. IV.28). Эти вещества подвижны и мигрируют в разрезе осадочной толщи, образуя при соответствующих условиях залежи нефти, газа, газогидратов или рассеянные битумы. Последние с повышением температуры преобразуются в твердые битумы, которые при катагенезе, теряя водород, все более сближаются с седиментогенным OB по составу, физическим и оптическим свойствам. Однако, формируясь изначально из подвижных компонентов, они характеризуются иными условиями залегания: выполняют трещины, пустоты, интерстиции и т. п.

В связи с процессами метаморфизма и повышением температуры OB угольного и битумного (нефтяного) рядов переходит в графит. Судя по экспериментальным данным, битумное OB возможно быстрее графитизируется, чем более гетерогенное по составу угольное OB. При высокой температуре и недостатке давления из углеводородных возгонов образуется так называемый пироуглерод, или пирографит. От «настоящего» графита он отличается меньшей упорядоченностью кристаллической структуры при близких оптических свойствах. В этих же условиях угольное OB может образовывать кокс или частично ококсованное пористое вещество с высоким показателем отражения. При региональном термальном метаморфизме амфиболитовой фации все аморфные углеродистые вещества переходят в графит различной степени кристалличности.
Если при изучении седиментогенного OB можно опираться, кроме химических данных, на петрографические исследования микроструктур, во многих случаях однозначно свидетельствующие об их биогенном происхождении, то в отношении битумов, однородных макро- и микроскопически, этого сделать нельзя. При их диагностике учитываются наличие унаследованных от OB органических соединений (хемофоссилий), данные по изотопному составу углерода и характер залегания в осадочных породах.
Еще труднее и пока практически почти невозможно установить участие мантийных соединений углерода в фоссилизированном углеродистом материале осадочных бассейнов. Предположение об их наличии основывается большей частью на сугубо гипотетических построениях. Проникновение соединений углерода в осадочную толщу связывается с глубинными разломами, зонами повышенной тектоно-магматической активности и гидротермальной деятельностью. В зоне гипергенеза, в которую могут быть выведены породы с OB на любой стадии их преобразования, происходят в целом процессы, «обратные» углефикации. Осадочное угольное OB выветривается, окисляется и теряет углерод, водород, обогащается кислородом, минеральными компонентами. Вновь образуются «вторичные» гуминовые кислоты и другие относительно простые соединения, возникают органоминеральные образования, соли органических кислот. Окисленные разности битумов представлены окси- и гуминокеритами. Принадлежность битумов к оксикеритам устанавливается по групповому и элементному анализам органической части. Для их диагностики важное значение имеют внешние признаки: отсутствие блеска, рыхлость, пористость, светло- и желтовато-бурая окраска. Гуминокериты являются продуктом наиболее глубокой стадии выветривания битумов, при которой окисляющиеся битуминозные вещества достигают состояния гумификации. Как бурые и окисленные каменные угли, они содержат гуминовые кислоты и другие органические соединения, свойственные зоне окисления.
Из изложенного видно, что OB осадочных толщ многообразно по своим свойствам, составу, условиям накопления и степени постдиагенетической измененности. Поэтому даже в случае, когда доказано нахождение в одной толще различных форм OB, необходимы анализ возможного их поступления, а также выявление сингенетичных и эпигенетичных, автохтонных и аллохтонных разностей.

Исходный материал, тип, метаморфизм OB осадочных пород определяют его свойства и тем самым способность концентрировать различные металлы и играть ту или иную роль в рудообразовании. Известно несколько механизмов участия OB в рудообразующих процессах (табл. IV.5).
1. Концентрация металлов путем ионного обмена или хелатообразования:

где R — органическая молекула; M — металл; Н, С, О — водород, углерод, кислород — основные элементы, слагающие OB.
2. Восстановление металлов в нерастворимые формы путем окисления спиртов (гидроксильных групп) до альдегидов:

3. Бактериальное или небактериальнос восстановление сульфатов до сульфидов за счет окисления OB:

и последующей реакции с металлом

Хелаты представляют собой класс металлоорганических или металлонеорганических соединений, в которых атом металла или ион удерживается между двумя атомами одной молекулы или лиганда. Вероятность хелатообразования как фактора концентрации некоторых металлов в осадках основывается на наблюдении над хелатами и переходными элементами. Эти реакции эффективны для бериллия, никеля, ртути, свинца, меди, ванадия, кадмия, марганца. Изучение растений показывает, что небольшие количества редких элементов адсорбируются в форме хелатов. Высока вероятность хелатообразования для железа, марганца, меди, цинка, бора, кобальта, никеля, так как эти элементы легко образуют комплекс с органическими молекулами. Тем не менее до сих пор точно не установлено, всегда ли металлоорганические комплексы присутствуют в виде хелатов.
Гуминовые кислоты, образующиеся из растительного материала, обладают большой способностью фиксировать UO2-, VO2+, в меньшей степени лантаниды, хром, железо, кобальт, никель, медь, цинк и другие металлы. Установлена аккумулирующая роль Аминовых кислот (ГК) по отношению к золоту. ГК способствуют формированию сингенетичной золотоносности морских осадков, главным образом шельфового и континентального склонов, где происходит накопление OB сапропелевого типа.
В осадках хорошо сохраняются порфирины — органические соединения, генетически связанные с хлорофиллом и другими пигментами. Они присутствуют главным образом в виде ванадиевых, никелевых, медных комплексов, реже в комплексе с железом, титаном и др. Редкие элементы могут экстрагироваться из морской воды порфиринами морских организмов. Порфириновые соединения устойчивы в горючих сланцах, битумах, нефти (табл. IV.6). Вероятно, они выдерживают процессы диа- и катагенеза.

В водорослях содержание ванадия, связанного с порфиринами, составляет 2*10в-4 в микроорганизмах океана 8,5*10в-3 %. В битуме одного из месторождений количество ванадия — 0,76 %, а в порфиринах из этого битума — 8,4 %.
В сингенезе устанавливаются четыре геохимические функции OB: концентрационная (прижизненное накопление организмами), транспортная (перенос металлов в устойчивых соединениях), средообразующая и барьерная (фиксация элементов на сорбционных и геохимических барьерах). Концентрационной функции растений и других организмов посвящено большое число работ.
Содержание многих элементов в морских растениях во много раз превышает их концентрацию в морской воде (табл. IV.7), но трудно сказать, какая часть их в осадке обусловлена именно этим фактором. Например, в стенках клеток Bacillus subtilis адсорбируется разное число ионов металлов: Fe2+, Cu2+, Zn2+, Au2+, Ni2+, в небольшой степени — Hg2+, Sr2+, Pb2-, Ag+. Процесс адсорбции завершается образованием металлокомплексов, главным образом через карбоксильные группы. В керогене или нерастворимом OB содержится много мембран (стенок клеток растений), и поэтому процесс биоаккумуляции элементов может иметь большое значение для сингенстичного накопления металлов. Эффективным сорбентом металлов является не только водорослевый (сапропелевый) тип OB, но, как известно, и гумусовый материал (табл. IV.8).
Большую роль в концентрировании металлов играют бактерии и грибки, которые разлагают растительные остатки, что значительно увеличивает сорбционную емкость органики. Грибки Rhizopus arrhizus сорбируют до 180 мг U6+ на 1 г их массы. В результате разложения OB образуются гумусовые вещества, гуминовые и фульвокислоты, способствующие обогащению торфяных осадков металлами. Предполагается, что первоначально связанный металл являлся центром, вокруг которого продолжался рост металлических агрегатов.

Вопросы прижизненного и раннедиагенетического накопления металлов в осадках с участием OB в присутствии различных микроорганизмов исследованы довольно детально. Эти данные наряду с установлением биогенной природы OB пород РОБ служат основанием для положения о большой роли в рудообразовании процессов биоаккумуляции элементов живым веществом и гумусовым материалом, молекулы которого содержат реакционно способные функциональные группы. При накоплении и разложении OB в осадках выделяются активные соединения (H2S и др.), контролирующие окислительно-восстановительный потенциал среды осадконакопления и влияющие на мобильность элементов. Изучение сорбционных свойств гумусовых и сапропелевых веществ свидетельствует о том, что более важную роль в осаждении металлов играют восстановительные реакции.
Признание ограниченной способности катионного обмена органики и металлов при хелатообразовании заставило исследователей уделять больше внимания реакциям восстановления — окисления. В целом восстановительная функция OB изучена в значительно меньшей степени, чем его способность к образованию металлоорганических комплексов. В то же время при рассмотрении ряда РОБ выявляется большее значение барьерной функции OB. Для многих стратиформных месторождений создаются модели, в которых главными осадителями элементов считаются восстановленные сернистые разности, образующиеся при взаимодействии сульфатов и OB (путем прямого осаждения сульфидов металлов, соосаждения с сульфидами или восстановления нехалькофильных элементов).
До сих пор широко дискутируются условия развития процессов биологической и абиологической сульфатрсдукции (температурный режим, природа, состав OB). Мало изучены и возможности прямого восстановления металлов органическими соединениями без участия сернистых разностей. С.Т. Бадалов, касаясь вопросов геохимических связей биоорганического углерода с благородными металлами, отмечает особую роль в их концентрации мышьяка и серы, образующих при метаморфизме свои наиболее устойчивые минеральные формы нахождения: арсенопирит и пирит. В момент зарождения и роста мстакристаллов они становятся концентраторами основной массы золота и серебра. По мнению С.Т. Бадалова и Л.Н. Моргуновой, OB слабометаморфизованных пород и руд тесно связано с золотом, а на высоких стадиях эти связи становятся слабее. Совместное нахождение в породах золота с серой и мышьяком объясняется их синхронным накоплением с OB.
В эпигенетических стратиформных месторождениях в зонах окисления и выветривания могут быть задействованы практически все механизмы концентрации и накопления металлов. Такие месторождения широко распространены и составляют важнейшую группу осадочных рудных формаций. Рудообразование в них связывается с участием гидротермальных флюидов, взаимодействовавших с углеродистым материалом. Породы, богатые OB, действуют, по-видимому, как восстановительные барьеры. Однако необходимы дальнейшие исследования, которые позволят установить механизмы и условия, в которых протекают процессы редукции, их зависимость от свойств металлов, состава и метаморфизма OB. Из-за сложности природных объектов, в которых элементы и OB испытали воздействие многих факторов, лабораторные эксперименты могут служить лишь одним из оснований для построения рудогенстических моделей. Равнозначным, если не первостепенным, дополнением к лабораторным экспериментам являются непосредственные полевые, микроскопические и аналитические исследования OB пород на конкретном материале в определенных РОБ в связи с их металлоносностью.
Анализ данных по взаимосвязям OB и оруденения показывает следующее.
1. OB пород в той или иной роли участвует в рудообразовании в течение всей истории накопления осадков и развития бассейна.
2. Живое и костное слабоизмененное OB в седиментогенезе и раннем диагенезе создает определенные окислительно-восстановительные условия, в которых OB окисляется, а металлы и сера восстанавливаются. Большое значение на этом этапе имеет и биоаккумуляция металлов мембранами клеток и микроорганизмами. Процесс фиксации металлов на органической матрице подтверждается наличием металлоорганических соединений в осадках и слабоизмененных породах, а также экспериментами по определению сорбционной емкости OB и его способности соединяться с металлами. Металлогенические последствия этого выражаются в окислении минералов, транспортировке элементов в виде комплексов в РОБ, а также в эпигенетической концентрации металлов.
3. Окислительно-восстановительные реакции, охватывающие OB и металлы и (или) серу, развиваются под влиянием биогенных и абиогенных факторов. Они проявляются в диа- и катагенезе, приводя к образованию сернистых минералов или карбонатов, и в период эпигенетической ре-мобилизации металлов, связанной с гидротермальной деятельностью. В целом подтверждается большая реакционная способность органических соединений и их важная роль в формировании рудных месторождений, при диагенетических и гидротермальных процессах.
4. В рудоносных осадочных бассейнах OB находится большей частью на высоких стадиях углефикации и начального метаморфизма, его главная роль заключается в создании геохимических барьеров. Металлоорганические соединения на этом этапе с повышением температуры разрушаются, формируются рудные минералы и самородные формы благородных и других металлов. Однако может происходить и захват элементов OB с внедрением металлов в межплоскостные части графитовой структуры углеродистого вещества.
5. Многообразие функций OB, его изменение под влиянием геологических факторов, неоднократность этапов минерализации и т. п. нарушают прямые корреляционные связи углерода с металлами и создают сложную картину их взаимоотношений. Многое еще остается неясным как в самом механизме концентрирования элементов, так и в определении условий сульфат-редукции, развития окислительно-восстановительных процессов в РОБ, и даже просто расшифровка природы углеродистого вещества.
6. В каждой органической частице осадочной породы отражаются все события той среды, в которой она заключена. Определение специфических изменений OB и других критериев, характеризующих процессы минерализации с участием соединений углерода, может стать ключом к пониманию генезиса оруденения в осадочных бассейнах.

title-icon Подобные новости