В дореволюционной России производилась в небольших размерах добыча лишь ограниченного круга полезных ископаемых. За годы Советской власти в недрах нашей страны обнаружены все разновидности полезных ископаемых, необходимых для полного удовлетворения стремительно выросших потребностей народного хозяйства. Выдающимися достижениями советских геологов является выявление новых громадных бассейнов нефти и газа в Урало-Волжской области и на территории Западно-Сибирской низменности, расширение продуктивных площадей на Кавказе, в Средней Азии, в Казахстане, на Украине, разведка крупных месторождений на дне Каспийского моря.
Суммарные запасы железных руд царской России оценивались в 2 млрд. г, что составляло всего лишь 0,4% от мировых запасов. За годы Советской власти наша страна вышла на первое место в мире по ресурсам железной руды. За это время обнаружены и разведаны уникальные месторождения железа в районе Курской магнитной аномалии, изучение которой началось в 1919 г. по прямому указанию В. И. Ленина. Начата разработка крупного железорудного месторождения на горе Магнитной и открыто огромное месторождение в Кустанае. Найдены грандиозные залежи железной руды под рыхлыми отложениями в Западно-Сибирской низменности. Расширены площади старых месторождений Кривого Рога и Урала, выявлены новые месторождения на Урале, в Казахстане, в Красноярском крае, на Дальнем Востоке.
За это время неузнаваемо изменилась сырьевая база цветной металлургии. К известным с дореволюционного времени достаточно скромным месторождениям меди Среднего Урала и Закавказья прибавились выдающиеся медные месторождения Джезказгана и Коунрада в Казахстане, Гайское и Блявинское на Южном Урале, Норильское и Талнахское в Красноярском крае, Удоканское в Читинской области, Алмалыкское в Узбекистане, Каджаран и Агарак в Армении. Царская Россия была на одном из последних мест в мире по запасам и добыче свинца и цинка. Уже к 40-м годам Советской власти мы выдвинулись в ряд стран, наиболее обеспеченных запасами руд этих металлов, чему способствовало обнаружение крупных месторождений на Алтае, в Казахстане, в Средней Азии и в других районах страны.
Дореволюционная Россия не имела выявленных запасов минерального сырья для производства алюминия. К настоящему времени уже разведаны многочисленные месторождения бокситов, нефелинов и сиенитов, из которых производят алюминий. Хотя русская золотопромышленность имеет двухвековую историю, в 1913 г. Россия занимала лишь четвертое место по добыче этого металла. За советский период обнаружены новые золотоносные провинции в Якутии, на Дальнем Востоке, в Колымском крае, в Казахстане, Средней Азии и на Кавказе, расширены границы ранее известных золоторудных полей Урала и Сибири.
По мере развития промышленности перед советскими геологами была поставлена проблема обеспечения современной техники сырьем для производства редких металлов. И советские геологи с честью разрешили эту проблему. Были выявлены промышленные месторождения руд олова, вольфрама, молибдена, кобальта, сурьмы, ртути, тантала, ниобия, индия, галлия, теллура и других редких и рассеянных элементов. Наши геологи обеспечивают разведанными радиоактивными элементами атомные электростанции страны.
Советские геологи совершенно изменили облик сырьевой базы неметаллической горной промышленности, открыв новые крупнейшие месторождения поваренной, калийных и магнезиальных солей, апатитов и фосфоритов, слюды и горного хрусталя, асбеста и цементного сырья, различных групп природных строительных материалов. Блестящее достижение советской геологической мысли — обнаружение в Якутии алмазов, до сих пор встречавшихся только в южных странах.
Исключительные успехи советской прикладной геологии обусловлены рядом причин, среди которых есть как объективные, природные, так и связанные с особенностями нашего социалистического строя. К категории первых относится то, что территория СССР выделяется исключительно выгодным геологическим строением. В нашей стране известны все формации горных пород — от древнейших, возрастом до 3,5 млрд. лет, до юных, возникающих на глазах человека. Различные районы Советского Союза покрывались морями от докембрия до четвертичного периода. Они прорезаются мощными поясами тектонических деформаций земной коры и сопровождающего их энергичного древнего магматизма протерозойского, байкальского, каледонского, герцинского, киммерийского и альпийского этапов геологической истории. Такая полнота и разнообразие геологических условий предопределили возможность возникновения в недрах нашей страны, в сущности говоря, всех групп полезных ископаемых.
Но от потенциального существования месторождений полезных ископаемых до их открытия проходит очень трудный и сложный путь геологических исследований, облегчающийся в нашей стране рядом предпосылок. Во-первых, советский геолог, в отличие от геологов капиталистических стран, не связан при исследованиях правом частной собственности на землю, сильно затрудняющим, а иногда и полностью исключающим возможность производства геологоразведочных работ. Во-вторых, Советское правительство проявляет постоянную заинтересованность в прогрессе геологических работ, выделяя для этого крупные ассигнования, современную технику, готовя квалифицированные кадры и придавая всем геологическим работам государственный размах, соответствующий бурному росту экономики страны. В-третьих, поиски и разведки полезных ископаемых направлялись советской геологической наукой, выросшей в одну из ведущих научных школ в мире, обладающей по ряду отраслей геологии своими традициями и непоколебимым авторитетом.
Накануне Октябрьской революции Россия располагала небольшой, но весьма просвещенной группой ученых-геологов, чьи достижения послужили основой для расцвета прикладной геологии в советский период. Ценные исследования по геологии нефти проводились Н. И. Андрусовым на Кавказе, по геологии угля — Ф. Н. Чернышевым, Л. И. Лутугиным и П. И. Степановым в Донецком бассейне и на Урале, по геологии рудных месторождений — А. П. Карпинским и Н. К. Высоцким на Урале, В. А. Обручевым в Сибири, А. П. Герасимовым на Кавказе, И. В. Мушкетовым в Средней Азии, К. И. Богдановичем на юге России. К этому времени во весь рост поднялась русская геохимическая школа во главе с В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом.
Для того чтобы понять трудности создания теории формирования месторождений полезных ископаемых, необходимо вспомнить, что эти месторождения возникли в прошлом, отдаленном от нас миллионами лет, на дне глубоких морей и в глубинах Земли, часто в обстановке грандиозного давления и высоких температур. Реконструировать процесс образования месторождений приходится по его результатам, зафиксированным в рудных телах, с учетом наблюдений за современными геологическими явлениями, в том числе и вулканическими, а также на основе лабораторного моделирования этих процессов и расчетных данных современной физики и химии. Лишь с учетом всего этого может быть нарисована картина формирования богатств недр и произведена классификация месторождений, основанная на особенностях их образования.
В составе горных пород, слагающих земную кору, находятся все 92 элемента Менделеевской таблицы. Одних среди них больше, других меньше. Так, кислород, кремний, алюминий и железо составляют 87% земной коры. На долю остальных 88 элементов приходится только 13%.
Длительной истории развития каменной оболочки Земли свойственна отчетливо выраженная тенденция к выравниванию ее химического состава. В связи с этим главная масса химических элементов, слагающих земную кору, в том числе и очень ценных, более или менее равномерно распределена — рассеяна — в горных породах. Лишь очень мизерная часть их сконцентрирована в месторождениях полезных ископаемых. Так, среднее содержание урана, рассеянного в горных породах, составляет лишь 0,0004%. Однако в связи с огромным объемом горных пород, слагающих земную кору, суммарное количество всего урана в ней грандиозно и во много миллионов раз превышает запасы этого элемента во всех месторождениях мира. Запасы урана в месторождениях, известных к настоящему времени на Земле, достигают 500 тыс. т (без территории СССР). Они равновелики количеству урана, находящемуся в рассеянном состоянии всего лишь в 50 км3 горных пород. Запасы молибдена во всех его месторождениях равны рассеянному количеству этого металла в 25 км3 пород, запасы олова — в 15 км3 и т. д.
Таким образом, на фоне огромных количеств химических элементов, входящих в состав минералов, слагающих горные породы и находящихся в рассредоточенном состоянии, выделяются отдельные пункты высокой концентрации этих элементов — месторождения. Все это свидетельствует о том, что природе свойственна деконцентрация химических элементов, и лишь в исключительных условиях происходит их накопление.
Горные породы и, следовательно, месторождения полезных ископаемых формировались как на поверхности, так и в земной коре, на глубине от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. В связи с этим все месторождения полезных ископаемых разделяются на две группы: глубинные, или эндогенные, и поверхностные, или экзогенные.
Эндогенные месторождения. Их формирование в основном обязательно внутренним силам Земли и связано с образованием, внедрением и застыванием раскаленных подземных расплавов или магм. Поэтому такие месторождения иногда называют магматогенными (магмой рожденными).
Только небольшая часть магмы достигает поверхности Земли в действующих вулканах, образуя потоки лавы и выбросы вулканического пепла. Большее количество магмы не доходит до земной поверхности и застывает в глубоких частях земной коры, образуя при застывании магматические породы, такие, как, например, габбро, диориты, граниты и им подобные. При их застывании выделяются химические элементы, входящие в состав магм; некоторые из них образуют значительные скопления — месторождения полезных ископаемых. При остывании основных магм, содержащих не более 50% кремнекислоты, процесс разделения слагающих ее веществ идет подобно доменному. При доменной плавке в верхних частях печи накапливаются легкие силикатные шлаки, а на дне концентрируется чугун; к верхним частям застывающих в глубинах земли массивов основного состава «всплывают» легкие силикатные породы, а в их придонных зонах накапливаются тяжелые минералы, образующие рудные месторождения. Такие месторождения, формирующиеся непосредственно из магматического расплава при его дифференциации в процессе затвердевания, называются магматическими. Наиболее значительными среди них являются месторождения железа и титана, хрома и платины, меди и никеля. Аналогичны по происхождению и коренные месторождения алмазов, например алмазные месторождения Якутии, Южной Африки и Бразилии.
Процесс формирования магматических месторождений наиболее глубоко был исследован А. Н. Заварицким. Он установил, что в зависимости от состава магматического расплава и газов, в нем содержащихся, эти месторождения могут возникать тремя способами: 1) выделением и накоплением рудных минералов в начале кристаллизации расплава, 2) концентрацией их в конце фазы кристаллизации из остаточной рудной жидкости, 3) в связи с разделением (ликвацией) силикатного и рудного расплава еще в жидком состоянии из-за их ограниченной смесимости. Помимо А. Н. Заварицкого, существенный вклад в развитие теории магматического рудообразования внесли в СССР М. Н. Годлевский, В. К. Котульский, И. И. Малышев, В. С. Соболев, Г. А. Соколов и другие геологи.
Совершенно иначе происходит обособление металлов при остывании кислых магм, содержащих более 50% кремнекислоты. Эти магмы отличаются повышенным содержанием газов, в том числе паров воды. Газы растворяют многие металлические соединения, не дают им выпадать в осадок на ранних стадиях отвердевания магмы и вследствие этого содействуют их накоплению в самых поздних остатках магматического расплава, не успевших полностью раскристаллизоваться. Часть остаточных магматических расплавов, насыщенных горячими газами с растворенными в них ценными элементами, может внедриться по трещинам в горные породы и образовать жилы так называемых пегматитов. Пегматитовые жилы, сложенные в основном кварцем и полевым шпатом, иногда содержат значительные скопления слюды, драгоценных камней, минералов бериллия, лития, олова, вольфрама и редких элементов.
Таким образом, пегматитовые месторождения принадлежат к самостоятельной группе эндогенных образований и формируются на самых конечных ступенях отвердевания интрузивных массивов, располагаясь близ их кровли. Пегматиты свойственны глубинным магматическим породам любого состава, однако среди них доминируют гранитные разновидности. В минеральном составе пегматитов преобладают калиевые и натриевые полевые шпаты, кварц и слюда, к которым примешиваются как акцессорные другие минералы, в частности соединения лития, бериллия, вольфрама, олова, тория, урана, определяющие их ценность как месторождений редких элементов.
В пегматитах встречаются крупные кристаллы отдельных минералов, иногда достигающие гигантских размеров. Так, одна из каменоломен Урала целиком разместилась в одном кристалле амазонита. Длина кристаллов берилла достигает 5,5 м, кварца (горного хрусталя) — 7,5 м, сподумена — 14 м. Кристалл микроклина из пегматитовой жилы Норвегии весил около 100 т. Подавляющая масса пегматитов формировалась на глубине от 2 до 7 км от поверхности земли при давлении в 1000— 2000 атм и при температуре от 800 до 200° С. Эволюция физико-химических условий в процессе формирования пегматитов относится к одной из наиболее дискуссионных проблем современного учения о полезных ископаемых. Ей посвятил четверть века один из самых блестящих ученых нашей страны — А. Е. Ферсман. В 1938 г. он писал, что многочисленные исследования в районах пегматитовых полей Союза, занимающих на двух континентах пространство во много тысяч километров и поднимающихся в высоту на несколько тысяч метров, дали возможность проверить и по-новому обосновать те теоретические предпосылки, на которых ныне строится понимание пегматитового процесса в земной коре.
А. Е. Ферсман рассматривал пегматиты как продукты затвердевания обособленной от магматического очага остаточной магмы, из которой вначале, по принципу фракционной кристаллизации, выпали в определенной последовательности магматические минералы, подвергшиеся затем частичному преобразованию под воздействием минерализованных газов, накопившихся к концу процесса в расплаве. Общее развитие процесса на основе двухкомпонентной системы, состоящей из труднолетучего вещества (силиката) и легколетучего компонента (воды), рисовалось им в строгом соответствии с известной диаграммой швейцарского геохимика П. Ниггли. По этой диаграмме, по мере рае-кристаллизации расплава, силикат накапливался в твердой фазе, относительное количество его в расплаве сокращалось, а количество раскаленных паров воды нарастало до тех пор, пока не происходило вскипание и отделение газовой фазы с немедленным химическим воздействием ее на твердую фазу силикатов.
Гипотеза А. Е. Ферсмана сыграла решающую роль в развитии теории рудообразования. Однако даже самые совершенные гипотезы по мере накопления новых фактов могут вступить с ними в противоречия, создать предпосылки для выдвижения новых теоретических представлений. С новыми идеями относительно образования пегматитовых месторождений в 1950 г. выступил А. Н. Заварицкий. Он обратил внимание на то, что в некоторых пегматитовых жилах, в частности на Урале, сохранились реликты гранитных пород. Кроме того, в существовавших представлениях об образовании пегматитов непосредственно из магмы не учитывалась ограниченная растворимость воды в силикатном расплаве. Если принять во внимание это обстоятельство, то при физико-химической интерпретации процесса пегматитообразования надо руководствоваться не упрощенной бинарной системой, подобной упоминавшейся диаграмме П. Ниггли, а изобарической диаграммой системы, находящейся при постоянном давлении, в которой не достигается вскипания. Анализ такой диаграммы показывает, что остывание магматического расплава завершается выделением газо-водного раствора, состав которого находится в химическом равновесии с составом силикатных минералов. Приняв это обстоятельство за исходное, А. Н. Заварицкий предположил, что пегматиты могли образоваться вследствие перекристаллизации обычных гранитов под воздействием горячих водных растворов, выполняющих их поры.
Весь процесс образования пегматитов, по представлениям А. Н. Заварицкого, распадается на два этапа. На первом этапе горячие растворы, находящиеся в химическом равновесии с боковыми породами, создают условия для их перекристаллизации. Таким образом, возникают гигантокристаллические простые пегматиты, отличающиеся от гранитов лишь крупными размерами слагающих их зерен минералов. Такого рода собирательная кристаллизация требует известного времени и может осуществляться только в замкнутой среде. На втором этапе, вследствие фракционной дистилляции при диффузии раствора через боковые породы, состав раствора меняется, и он перестает быть химически равновесным по отношению к минералам простого пегматита. Начинается постепенное растворение этих минералов с одновременным замещением их избыточными элементами раствора — процесс, называемый метасоматозом. Среда пегматитообразования на этом втором этапе из замкнутой становится открытой, доступной для привноса новых химических веществ в минералообразованном горячем растворе. При этом образуются сложные пегматиты, содержащие, помимо полевых шпатов, кварца и слюды, также минералы редких элементов.
Крупные заслуги в развитии учения о пегматитовых месторождениях принадлежат К. А. Власову, А. И. Гинзбургу, В. Д. Никитину и другим геологам. Дискуссия об образовании пегматитовых месторождений еще продолжается. Однако многочисленные наблюдения при геологической разведке пегматитовых полей и в геохимических лабораториях, широкое признание теоретических основ формирования пегматитов, разрабатываемых советскими геологами, свидетельствуют о том, что мы стоим на правильном пути в исследовании процесса пегматитообразования.
Пегматиты формируются на значительной глубине под влиянием огромного давления магматических газов, выталкивающих остаточный магматический расплав по трещинам в боковые горные породы. На меньшей глубине магматические газы с растворенными в них металлическими соединениями раньше и легче начинают просачиваться через отвердевшие стенки магматических очагов и проникать за пределы массивов кристаллизующихся магматических пород. Здесь раскаленные минерализованные газы встречаются с разными вмещающими породами, часть которых вступает с ними в активные химические реакции. Особенно бурно такие реакции протекают между горячими газами и известняками. Вследствие этих реакций в зоне соприкосновения гранитных пород с известняками возникают так называемые скарны, состоящие из известняково-силикатных минералов, таких, как пироксены, гранаты, роговые обманки. В их состав, кроме того, часто входят минералы железа (магнетит), меди, свинца и цинка, вольфрама и некоторых других ценных элементов, образующих скарновые месторождения.
Проблеме условий образования скарновых месторождений полезных ископаемых посвящены труды выдающегося советского геолога Д. С. Коржинского и его школы. К выяснению происхождения скарновых месторождений Д. С. Коржинский подходит с позиций исследования метасоматических процессов рудообразования. Характеристику метасоматических процессов он в свою очередь производит на основе принципов термодинамического равновесия системы, подчиняющейся правилу фаз Гиббса. Он выделяет два типа метасоматоза: 1) диффузионный, протекающий при диффузионном перемещении компонентов в растворе, содержащемся в порах породы, и 2) инфильтрационный — при переносе компонентов течением. В обоих случаях действующий раствор будет менять состав вследствие взаимодействия с породой. Таким образом, характер метасоматоза по течению раствора меняется, что приводит к зональности метасоматоза по распределению его продуктов. По мере просачивания раствора происходит разрастание зон в направлении течения с надвиганием тыловых зон на передние, с их замещением и переработкой вплоть до образования крайней мономинеральной зоны. Так как замещение происходит только на границах зон, то границы между ними всегда являются резкими.
В трудах Д. С. Коржинского доказывается, что в каждой зоне метасоматической колонки замещение происходит при инертном подведении одних компонентов и более активном, подвижном других, причем наибольшее число одновременно устойчивых минералов в каждой зоне определяется только числом инертных компонентов. Поэтому минеральный состав породы при метасоматозе зависит, с одной стороны, от соотношения в ней инертных компонентов, а с другой — от внешних условий, под которыми понимаются все факторы, определяющие термодинамическое равновесие: температура, давление растворов, концентрация или химические потенциалы подвижных компонентов.
При рассмотрении метасоматических процессов Д. С. Коржинский большое значение придает относительной подвижности компонентов, участвующих в процессах, выделяя ряды дифференциальной их подвижности. Он также подчеркивает важность дифференциального распределения вещества в растворе, протекающем через малопроницаемые породы или сквозь суженную часть рудо проводящего канала (фильтрационный эффект). По представлениям Д. С. Коржинского, химический режим глубинных растворов меняется, отвечая на ранних магматической и постмагматической стадиях щелочному составу (раннещелочная стадия), затем кислотному (кислотная постмагматическая стадия), а потом вновь щелочному или нейтральному (позднещелочная стадия).
По этой схеме Д. С. Коржинский рассматривает характер метасоматоза на разных стадиях магматического процесса, когда на породы воздействует раскаленный расплав магмы, и постмагматического процесса, когда от него отделяются горячие минерализованные пары и газы. Метасоматоз магматической стадии Д. С. Коржинский тесно связывает с явлениями гранитизации пород, протекающими при участии щелочных «сквозьмагматических» растворов, не продуктивных для рудообразования. Для постмагматического метасоматоза, предшествующего кислотной стадии, Д. С. Коржинский выделяет автометасоматоз ранней щелочной стадии и контактово-реакционный метасоматоз. К первому относятся изменения пород, обусловленные воздействием на них магнезиальных паров, ко второму — скарнообразование, осуществляющееся в результате комбинации контактово-инфильтрационного процесса и биметасоматоза (встречного диффузионного обмена компонентами на контакте двух пород различного состава). При этом Д. С. Коржинский подчеркивает существенное значение для формирования скарнов воздействия восходящих горячих постмагматических растворов. Успеху в выяснении условий образований скарновых рудных месторождений, помимо трудов Д. С. Коржинского, содействовали детальные исследования X. М. Абдуллаева, В. А. Жарикова, Е. В. Зив, П. П. Пилипенко, М. А. Усова, Ф. Н. Шахова и других геологов.
Но не все магматические газы реагируют с породами, окружающими глубинные магматические очаги. Большая их доля вследствие высокого давления устремляется в области пониженного давления, к поверхности Земли, проникая все далее и далее по трещинам и порам горных пород во все более и более холодные области. При этом минерализованные пары постепенно охлаждаются, сжижаются и превращаются в горячие минеральные воды, или гидротермы, циркулирующие по трещинам. По мере дальнейшего охлаждения таких горячих минеральных вод находящиеся в них в растворенном состоянии металлические и другие соединения выпадают в осадок, заполняют трещины горных пород и формируют рудные жилы. Подобного рода скопления, образованные осадками из горячих минеральных вод в недрах земной коры, называются гидротермальными месторождениями. Это очень важная группа глубинных месторождений, в которых сосредоточено большое количество руд меди, свинца и цинка, олова, вольфрама, молибдена, сурьмы, ртути, золота, серебра, урана и других ценных элементов.
Исследование природы гидротермальных рудных месторождений привлекало внимание многих геологов. Среди них наиболее яркими представляются труды С. С. Смирнова, А. Г. Бетехтина и В. А. Николаева.
С. С. Смирнову мы обязаны, в частности, тем, что на смену господствовавшим эволюционным представлениям он в 1937 г. выдвинул и обосновал прогрессивную пульсационную гипотезу гидротермального рудообразования. Эволюционная гипотеза, связанная с именами крупных американских геологов — Эммонса, Линдгрена и других, принимала за причину формирования руд постепенное снижение температуры рудообразующих растворов и отложение из них рудных минералов в порядке, обратном их растворимости. Этим объяснялось все разнообразие минерального и химического состава рудных месторождений и изменение этого состава в пределах месторождения — так называемая рудная зональность. С. С. Смирнов показал, что различная минеральная композиция руд и их зональное размещение определяются поступлением последовательных, но различных па составу порций гидротермальных растворов, пульсационно отделяющихся из глубинных магматических очагов в процессе их длительного остывания и превращения в магматические горные породы.
А. Г. Бетехтин уделял большое внимание очень сложной и дискуссионной проблеме переноса рудообразующих веществ в гидротермальных растворах. Он подтвердил невозможность переноса сернистых соединений металлов в истинных растворах. На основе анализа наблюдений Смита он показал также ограниченную возможность переноса их в форме двойных щелочных сульфидов и высказал сомнение в вероятности миграции сернистых соединений тяжелых металлов в коллоидных растворах. Он разработал гипотезы переноса металлов в форме легкорастворимых соединений в иономолекулярных (истинных) растворах а отложения их как труднорастворимых продуктов под влиянием физико-химических изменений при эволюции самих гидротермальных растворов.
В связи с этим им исследовано поведение воды, углекислоты, кислорода и, особенно подробно, режим серы в гидротермальных растворах. Изучение поведения серы (сероводорода) привело А. Г. Бетехтина к важному выводу о том, что электрическая диссоциация сероводорода в гидротермальных растворах возрастает при снижении их температуры. Таким образом, в охлаждающемся растворе накапливаются химически активные анионы серы и создаются все более благоприятные условия для обменных реакций между легкорастворимыми (например, галоидными) соединениями металлов и сероводородом, с переводом металлов при понижении температуры раствора в труднорастворимые сульфиды и выпадением их в осадок. Изучение режима кислорода показывает, что приближающиеся к поверхности гидротермальные растворы пересекают области, постепенно им обогащающиеся.
Это приводит к очень важным последствиям в распределении среди рудообразующих минералов соединений, имеющих разное сродство к кислороду и сере, обладающих разной валентностью. Распределение их зависит также от изменения соотношений концентраций в растворах некоторых анионов, таких, например, как двухвалентная сера и анион (SO4)2-, по-разному связывающих и переводящих в осадок рудообразующие элементы. В частности, металлы, обладающие высоким сродством с кислородом (как вольфрам и пр.), могут продвигаться далее металлов, обладающих большим сродством с серой и высаживающихся в виде сульфидов на более ранних стадиях эволюции таких растворов. Закономерности сродства металлов с кислородом и серой позволили автору выявить и охарактеризовать парагенетические ассоциации рудных минералов для трех- и четырехвалентных систем, в состав которых, кроме серы и кислорода, входят железо, медь, никель, мышьяк и отчасти сурьма.
Взгляды В. А. Николаева на природу гидротермальных рудных месторождений основаны на его оригинальных исследованиях кристаллизации двойных и тройных силикатных систем. Его идеи публиковались с 1930 г. в широко известных статьях. В. А. Николаев считает, что такие системы являются теоретической основой представлений о генезисе гидротермальных растворов. Он проанализировал особенности трех типов систем, состоящих из двух компонентов. Система первого типа (вода, растворимая в воде соль) не имеет критических точек на трехфазной кривой, а система второго типа имеет две критические точки на этой кривой.
Обе эти системы принадлежат к группе систем с неограниченной взаимной растворимостью компонентов и не могут иллюстрировать природный процесс отделения летучих от магмы, растворимость воды в которой ограничена, и, таким образом, не подходят для характеристики гидротермального рудообразования. Для его условий В. А. Николаевым рассматривается система третьего типа (породообразующий силикат — вода), имеющая значительный разрыв по оси концентрации, который свидетельствует об отсутствии в рассматриваемой системе насыщенных молекулярно-дисперсных фаз в пределах этого разрыва. Им охарактеризованы далее тройные системы смешанного типа как прототипы природных систем. В них один компонент труднолетучий и труднорастворимый (породообразующий силикат), другой — легколетучий (вода), а третий (особый) компонент легкорастворимый, хотя и труднолетучий (хлориды щелочей, сернистые щелочи и т. п.). За краевые бинарные системы такой тройной системы принимается, с одной стороны, система первого типа, а с другой— система третьего типа. Затем рассматривается процесс эволюции такого трехкомпонентного расплава при дистилляции магматических газов первого рода (относительно замкнутые условия) и при дистилляции этих же газов второго рода (относительно открытые условия). Рассмотрение бинарных и, особенно, тройных систем привело В. А. Николаева к важным выводам, среди которых упомянем следующие:
1. В условиях ограниченной растворимости воды в магматическом силикатном расплаве отделение газовой фазы, необходимой для рудообразования, может начаться задолго до конечных этапов кристаллизации расплава.
2. Химический состав такой отделяющейся газовой фазы и конденсирующегося из нее раствора будет меняться по мере эволюции расплава, что соответствует пульсационной гипотезе С. С. Смирнова.
3. Выделение магматических газов из расплавов в окружающие породы в значительной степени, помимо других причин, зависит от их начального количества и степени замкнутости системы. При относительно малых глубинах застывания расплавов «испарение» летучих начнется и закончится ранее; в относительно замкнутых системах оно начнется позже и будет более кратким.
4. Рудообразующие гидротермальные растворы могут формироваться в зависимости от относительной замкнутости системы и наличия растворимых в воде солей трояко: во-первых, как продукты конденсации газов, удаляющихся в процессе дистилляции в породы кровли; во-вторых, в результате охлаждения газовой фазы, остающейся после кристаллизации расплава в пределах интрузивной массы или отжимающейся за ее пределы, и, в-третьих, как жидкий остаточный раствор из кристаллизующегося расплава на этапах более поздних, чем магматическая дистилляция.
5. Во всех случаях переход от расплава в гидротермальный раствор представляет собой скачок с резким различием химического состава обоих фаз.
6. Эндогенные гидротермальные месторождения могут быть образованы: а) на раннем этапе в результате выноса рудообразующих компонентов в виде газа при магматической дистилляции; б) в гидротермальный этап из газов магматической дистилляции, сжижающихся за пределами интрузивного массива; в) из газовой или сжиженной (гидротермальной) части, накапливающейся в интрузиве после его раскристаллизации; г) из остаточного гидротермального раствора магматических систем смешанного типа; месторождения могут быть образованы также путем совмещения рудообразующих компонентов всех этих процессов в рамках месторождения или рудного поля.
Помимо С. С. Смирнова, А. Г. Бетехтина, В. А. Николаева, заметный след в развитии теории гидротермального рудообразования оставили Е. Е. Захаров, А. В. Королев, В. Н. Котляр, О. Д. Левицкий, Л. Н. Овчинников, Н. И. Хитаров, Г. Н. Щерба и другие геологи.
За годы Советской власти в нашей стране установлены новые, ранее неизвестные генетические группы глубинных рудных месторождений. К ним относятся прежде всего месторождения алмазов, приуроченные к трубкам кимберлитов — магматических пород на Сибирской платформе, проникших с больших подкоровых глубин и вынесших оттуда алмазы. С их открытием в 1954 г. Советский Союз стал обладателем уникальных коренных алмазных месторождений.
Другой группой являются так называемые карбонатитовые месторождения, установленные среди древних пород Сибири и Кольского полуострова. Это скопления различных карбонатов, по преимуществу карбонатов кальция, магматического происхождения. Они приурочены к штокам и жерловинам древних вулканов и являются источником флогопита, апатита, тантала, ниобия. Третьей группой оказались так называемые альбититовые месторождения — вершины гранитных массивов, претерпевших гидротермальный метаморфизм с накоплением в них альбита (натрового силиката) и минералов редких металлов.
Экзогенные месторождения. Образование месторождений экзогенной серии связано в основном с внешними силами Земли, в конечном счете с солнечной энергией. Их формирование обусловлено вековыми изменениями глубинных
горных пород и заключенных в них месторождении полезных ископаемых по мере появления их на поверхности Земли в связи с медленными или катастрофическими подъемами участков земной коры. Горные породы при этом механически разрушались на мельчайшие обломки и химически разлагались, меняя свой состав под влиянием кислорода, углекислоты и поверхностной воды. Продукты разрушения попадают в водные потоки, сносятся в реки и, оседая на дне последних, образуют хорошо известные речные скопления гравия, песка и глины. При этом некоторые минералы — химически устойчивые, неокисляющиеся, твердые и тяжелые — накапливаются в нижней придонной части речных отложений, образуя россыпи. Среди россыпей известны месторождения золота, платины, оловянного камня (касситерита), вольфрамита, титанистого железняка, граната, алмазов. Знамениты россыпные месторождения золота Сибири. На основе их изучения разрабатывалась теория формирования рудных россыпей Ю. А. Билибиным, И. С. Рожковым, Н. А. Шило и другими специалистами.
Значительная часть минеральной массы, находящейся в речной воде в виде взвеси или в растворенном состоянии, выносится в море. Масштабы такого выноса с материков в моря и океаны огромны. Так, например, Волга выносит в Каспийское море 25,5 млн. т взвешенного материала, а Амазонка доставляет в Атлантический океан около миллиарда тонн в год. В океанах и морях масса обломков минерального вещества, поступающего с континентов, осаждается и накапливается на дне. Это происходит под влиянием силы тяжести, а в случае, если вещество находится в растворе, то в результате химического воздействия соленой морской воды или в связи с жизнедеятельностью морских организмов. Так возникают пласты осадочных пород морского происхождения, среди которых могут находиться осадочные полезные ископаемые. Помимо общеизвестных песков, глин и известняков, среди осадочных полезных ископаемых находятся месторождения руд железа, марганца, алюминия, а также каустобиолитов — угля и нефти.
Исследованию осадочных рудных месторождений посвящены труды Н. М. Страхова, Д. В. Наливкина, Л. В. Пустовалова, Д. Г. Сапожникова и других геологов. Н. М. Страхов для осадочных месторождений руд железа, марганца и алюминия разработал общую концепцию, выясняющую условия их формирования в геологическом прошлом. Им установлены эпохи осадочного рудообразования, доказана направленность и необратимость этого процесса в общей истории формирования осадочной оболочки Земли, периодичность возникновения осадочных руд, обусловленная сменой тектонического режима и климата в далеком геологическом прошлом. Им показаны континентальные и морские источники соединений железа, марганца, алюминия и других металлов, условия их переноса и способы накопления с последующим преобразованием рыхлых осадков в твердые горные породы.
Кроме того, на поверхности Земли могут возникнуть месторождения полезных ископаемых вследствие растворения и выноса части веществ грунтовыми водами и накопления в остатке труднорастворимых ценных минеральных соединений. Такие месторождения называются остаточными. Среди них известны залежи железной руды и алюминиевой руды, глин, апатита. Часть вещества, перешедшего в раствор грунтовых вод, может вновь отложиться при глубинной циркуляции этих вод, где сокращается количество кислорода и окислительная обстановка сменяется восстановительной. Такого рода скопления минеральных масс происходят при фильтрации грунтовых вод по порам горных пород и формирующиеся при этом месторождения называются и н-фильтрационными. Среди инфильтрационных известны крупные месторождения никеля, меди, золота и других элементов.
Разработкой теории образования остаточных и инфильтрационных месторождений, связанных с корой выветривания горных пород, мы обязаны в первую очередь И. И. Гинзбургу, его сотрудникам и ученикам. Ими установлены агенты разложения горных пород в процессе их выветривания, физико-химический характер этих процессов, условия выноса и концентрации рудообразующих элементов, подчиняющиеся в основном кислотно-щелочной и восстановительно-окислительной эволюции вод, фильтрующихся с поверхности Земли.
Советские геологи исследовали региональные закономерности распределения месторождений полезных ископаемых, обусловленные особенностями формаций горных пород и геологических структур. Эта линия развития прикладной геологии стала традиционной для советской геологии. И. М. Губкин наметил положение поясов нефтегазоносности на территории Советского Союза, П. И. Степанов установил закономерности размещения поясов и узлов угленакопления на поверхности земного шара, В. А. Обручев описал металлогенические эпохи и провинции Сибири, А. Е. Ферсман охарактеризовал условия формирования руд и драгоценных камней Монголо-Охотского пояса. Позднее С. С. Смирнов определил геологическую природу рудоносности грандиозного Тихоокеанского пояса, обрамляющего полукольцом Тихий океан со стороны трех материков — Азии, Америки и Австралии. Теоретические основы металлогении как отрасли геологии, трактующей региональные закономерности рудоносности, заложил Ю. А. Билибин. Он показал, как в процессе преобразования мобильных геосинклиналей в относительно стабильные складчатые пояса закономерно возникают строго определенные формации магматических пород, с которыми не менее закономерно ассоциируются группы рудных месторождений, приводящие к их упорядоченному положению в структурах грандиозных складчатых цепей Дальнего Востока, Сибири, Урала, Средней Азии и Кавказа.
Анализ региональных закономерностей формирования и размещения месторождений полезных ископаемых в связи с историей развития крупных геологических структур позволяет отвечать на два взаимосвязанных вопроса: 1) какие полезные ископаемые могут быть обнаружены в той или иной части территории нашей страны в связи с особенностями ее геологического строения и развития; 2) в каких районах необходимо производить геологические поиски различных групп полезных ископаемых. Таким образом, это направление учения о полезных ископаемых является научной основой, направляющей их поиски. На его базе составляются карты прогноза — возможного нахождения месторождений полезных ископаемых различного генезиса, дающие возможность оценивать перспективы ресурсов недр нашей страны.
—Источник—
Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967
Автор: В. И. Смирнов
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
