Образование месторождений полезных ископаемых при выветривании

Под выветриванием понимают процессы преобразования горных пород под воздействием ряда факторов (в первую очередь физико-химических) в поверхностных или приповерхностных условиях. Наибольшему изменению подвергаются глубинные породы и залежи полезных ископаемых, так как многие из слагающих их минералов в зоне выветривания становятся неустойчивыми.

Месторождения выветривания разделяют на месторождения химического и механического выветривания. Под механическим выветриванием понимают такой процесс, который осуществляется без химических преобразований вещества, а в процессе химического выветривания возникают новые экзогенные минералы, выносится ряд компонентов из исходных пород или залежей полезных ископаемых. Физическое выветривание обычно приводит только к изменению связи зерен исходных пород, прочности пород. Оно происходит в результате колебания температур, приводящих вследствие различия коэффициентов объемного расширения зерен разных минералов к нарушению прочности их сростков, вызвано расклинивающим действием замерзающей в межзерновом пространстве воды при переходе ее в лед, а также при кристаллизации в трещинах пород различных солей.

Примерами таких редко встречающихся в природе месторождений почти «чистого» физического выветривания могут служить элювиальные залежи кварцевых песков, возникших в процессе выветривания кварцитов или песчаников с кремнистым цементом, полимиктовых песков, а также образовавшихся при разложении гранитов или доломитовой «муки» за счет доломитов. В большинстве случаев механическое выветривание сопровождается химическим и процессы определяют по преобладающим факторам. Главные агенты химического выветривания — вода и растворенные в ней вещества, в том числе различные неорганические кислоты и щелочи, кислород, углекислота, гуминовые кислоты. Большую роль в выветривании играют растения и животные. Корни растений не только раздвигают минеральные зерна и их агрегаты, ио и разлагают их органическими кислотами. После отмирания остатков растительного и животного происхождения возникают различные кислоты, в том числе и гуминовые, разрушающие многие минералы. В процессе поверхностного разложения сульфидов образуются сернистая и серная кислоты, которые существенно увеличивают агрессивность поверхностных просачивающихся вод. Обычно химическое выветривание сопровождается и усиливается физическим, так как оно благоприятствует проникновению в горные породы и тела эндогенных полезных ископаемых агентов химического выветривания. Вода играет большую роль в химическом выветривании — она не только растворяет те или иные минералы, но и поставляет в область выветривания различные химические реагенты, а также выносит ряд продуктов выветривания из зоны взаимодействия. В зоне выветривания глубинные минералы подвергаются гидролизу, гидратации, окислению и растворению. При выветривании происходит своеобразная дифференциация химических элементов, особенности которой зависят от окислительно-восстановительного потенциала (Еh) и кислотности — щелочности (pH) среды, состава исходных пород и климатических условий. Б. Б. Полынов и его последователь А. И. Перельман установили ряды миграции элементов. Для выветривания силикатных пород были предложены группы элементов различной миграции:

1. Слабая и очень слабая миграция (инертные): Аl, Fе, Тi, Zr, Y, Nв, ТR, Тh, Ве, Та, Sn, Hf, Рd, Ru, Rh, Оs, Рt;
2. Средняя миграция (подвижные): Si, К, Мn, Р, Ва, Rв, Ni, Сu, Li, Со, Сs, Аs, Тl, Rа;
3. Сильная миграция (легко выносимые): Са, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Мо, Sе;
4. Очень сильная миграция (энергично выносимые): S, Сl, В, Вr, I.

Миграционная способность зависит от физико-химической обстановки и в конкретных условиях приведенный порядок может быть иным. Например, в ряде случаев проявляет существенную инертность фосфор (с чем связано формирование его. повышенных концентраций в зоне выветривания) и поэтому, по-видимому, его следует переместить в группу компонентов со слабой миграцией. Имеется основание поместить в эту же группу и хром.

Элементы, характеризующиеся малой миграционной способностью, могут накапливаться в верхних частях зоны выветривания и формировать там промышленные месторождения, которые называют остаточными. Элементы со средней миграционной способностью испытывают переотложение и могут концентрироваться в нижней части коры выветривания, в результате возникают инфильтрационные месторождения.

В процессе выветривания образуются рыхлые продукты разрушения горных пород, расположенные под почвой, — кора выветривания. В природе известны такие продукты выветривания, которые были сформированы в прежние эпохи, причем процесс этот охватывал огромные интервалы времени; они названы древними корами выветривания. С древними корами выветривания связан ряд месторождений ценных полезных ископаемых. Коры выветривания в некоторых местах охватывают большие площади и покрывают коренные породы в виде плаща, т. е. форма их плащеобразная. В тех случаях, когда выветривание по трещинам или границам пород проникает на значительные глубины, образуются коры выветривания в плане резко вытянутой формы — линейные коры выветривания, в противоположность ранее описанным площадным корам выветривания.

По И. Финчу, в области миграции поверхностных вод выделяют три зоны: просачивания, истечения и застойных вод. Верхняя зона — просачивания или окисления, которую также называют зоной аэрации, расположена между топографической поверхностью и уровнем грунтовых вод. Просачивающиеся через эту зону дождевые воды насыщены кислородом и углекислотой и содержат очень мало солей, по в том или ином количестве органические кислоты. Воды в зоне окисляют и растворяют различные минеральные вещества. Самую верхнюю часть зоны составляет почвенный слой, наиболее богатый гумусовыми кислотами, а также различными микроорганизмами. Основное движение вод в зоне аэрации — вертикальное. В зоне истечения, расположенной непосредственно под уровнем грунтовых вод, подземные воды движутся в основном почти горизонтально. Кислорода и углекилоты в зоне содержится небольшое количество. Воды здесь становятся нейтральными или слабощелочными. В этой зоне откладывается часть выщелоченных в зоне аэрации веществ, в связи с чем ее называют зоной цементации. Ниже зоны истечения расположена зона застойных вод. Воды эти очень незначительно перемещаются, свободный кислород в них практически отсутствует. Эту зону считают также зоной полного насыщения с пассивным водообменом. В зоне может отлагаться часть веществ, вынесенных из зоны окисления.

В процессе выветривания формируются различные профили коры выветривания. На основании работ Б. Б. Полынова, И. И. Гинзбурга и др. выделены следующие три типа профилей коры выветривания.

Насыщенный сиалитный, или гидрослюдистый, профиль характеризуется таким изменением первичных силикатов, при котором кремнезем существенно не мигрирует. В процессе его формирования развиваются гидрослюды, гидрохлориты, бейделлит, монтмориллонит. По-видимому, в результате размыва профиля возникают месторождения некоторых легкоплавких глин.

Глинистый, или ненасыщенный, сиалитный профиль выветривания формируется в таких условиях, когда кремнезем удален на значительное расстояние из области выветривания. Развиваются такие минералы, как каолинит, галлуазит, нонтронит. Этот профиль выветривания обусловливает возникновение месторождений каолина и глин.

Латеритный, или аллитный, профиль выветривания отличается интенсивным выносом кремнезема и возникновением ряда «свободных» соединений глинозема и железа, т. е. не связанных в алюмосиликаты. Формируются месторождения алюминиевых руд — бокситов, железорудные, марганцевые и др.

К. Д. Глинка для современных почв выделил следующие горизонты (сверху вниз):

• А — элювиальные;
• В — иллювиальные;
• У — глеевые;
• С — материнские породы.

Из элювиальных горизонтов выщелачивается минеральное вещество. Верхняя зона горизонта А (зона А0) относится к гумусовому или торфяному подгоризонту; в этом подгоризопте содержится много растительных корней. Ниже расположен подгоризонт аккумуляции А1, а под ним — резко выщелоченный подгоризонт А2. В горизонт В вносится минеральный материал, выносимый из горизонта А. Слово «глей» введено Г. Н. Высоцким для обозначения восстановительной обстановки в зоне почвы. Глеем па Украине называют сизые или зеленоватые почвы болот или глину со дна озер. Глеевая обстановка — обстановка, в которой нет свободного кислорода, а железо представлено двухвалентной формой. Глеевая обстановка, при которой большое влияние оказывают различные органические кислоты, благоприятна для миграции многих металлов — железа, марганца, меди, никеля, кобальта, цинка, свинца и др.

Древние коры выветривания в значительной мере уничтожены последующими процессами, но во многих местах они сохранились и с ними связан ряд месторождений полезных ископаемых. Древние коры выветривания формировались длительное время. Так, для одного из районов В. П. Петров определил, что формация древней коры выветривания мощностью 100 м образовывалась примерно 1 млн. лет.

Процессы выветривания в существенной степени зависят от климатических условий. Наиболее благоприятен для химического выветривания климат тропической лесной зоны (рис. 27); жаркий и влажный, он способствует интенсивному разложению исходных пород. Менее благоприятен климат таежно-подзолистой зоны и саванны. Замедлен процесс химического выветривания в условиях тундры, пустынь и полупустынь. Анализируя размещение древних кор выветривания, следует иметь в виду, что климатические условия в прошлом были иными, и там, где в настоящее время царят суровые условия севера, в иные времена мог существовать жаркий влажный климат тропиков. Для интенсивного развития коры выветривания благоприятен выположенный рельеф, близкий к пенеплену; в этом случае не происходит интенсивного смыва продуктов выветривания.

В условиях глинистого выветривания формируются крупные месторождения первичных каолинов. Интересно отметить, что в процессе выветривания плагиоклазы менее устойчивы, чем калиевые полевые шпаты, в связи с чем при выветривании гранитов нередко возникает промежуточная зона каолинов, обогащенных калиевыми полевыми шпатами, которые называют «щелочными» каолинами (рис. 28). Эти каолины используются как источник калиевых полевых шпатов. Другой пример остаточных месторождений — месторождения латеритных бокситов, возникающие при более интенсивном разложении и дифференциации исходного вещества. Профиль латеритного выветривания, развившийся на базальтах в Индии, включает следующие зоны (рис. 29). Непосредственно выше базальтов располагается зона полуразложенного базальта с сохранившейся структурой исходной породы — литомарж. Выше находится литомаржевый боксит, сохраняющий некоторые черты литомаржа. Затем расположены зоны латеритных бокситов — вначале с пониженным, а выше с повышенным содержанием железа (железистый боксит). Перекрывает зоны бокситов железистый латерит. Венчает разрез зона красной почвы с обломками боксита.

Характерен профиль площадной коры выветривания ультрамафитов, детально исследованный И. И. Гинзбургом и другими советскими геологами. Непосредственно к исходным ультрамафитам, во многих случаях преобразованных эндогенными процессами до серпентинитов, прилегает сверху зона выщелоченных и окремненных серпентинитов с гнездами и жилами магнезита скрытокристаллического, нередко напоминающего цветную капусту (магнезит-капустник). Эта зона может представлять промышленный интерес как источник магнезита, однако, как правило, в нашей стране залежи его небольшие, качество не вполне удовлетворительное. Генезис этого магнезита — инфильтрационный; он сформировался за счет вьшосазмагния из верхних горизонтов. Выше находится зона никеленосных нонтронитов. Никель как входит в состав нонтронита, так и образует здесь самостоятельные минералы — оксиды и силикаты (гарниерит, непуит, ревдинскит и др.). Встречается и кобальтоносный вад- асболан. Никель и кобальт этой зоны, представляющей промышленный интерес как источник этих металлов, частично привнесены  сверху, частично находились здесь же в составе эндогенных минералов. Выше залегает зона охр. Это природно легированные оксидные железные руды. В качестве легирующих металлов в них присутствуют никель, кобальт, марганец, хром. Зона охр, относящаяся к месторождениям остаточного типа, интересна не только как источник железных руд, но и как высококачественный пигмент, не содержащий нежелательной для этого вида сырья примеси кварца. Значительные месторождения этого типа находятся на Кубе, в Бразилии, Новой Каледонии, СССР.

Кроме площадных древних кор  выветривания в связи с массивами ультрамафитов известны и липейные коры. Среди них установлены как коры выветривания, приуроченные к трещинам или зонам разломов ( никелевые месторождения Новой Каледонии, Кубы и др.),так и коры выветривания, приуроченные к зонам контактов ультрамафитов и подстилающих их известняков. В связи с тем, что в зонах выходов известняков развиваются карстовые процессы и часть руд концентрируется в карстовых образованиях, этот тип линейных кор  выветривания называют также контактово-карстовым (Уфалейское месторояедение). Контактово-карстовый тип месторождений никеля следует относить к инфильтрационному.

Интересные образования возникают при своеобразном «выветривании» соляных куполов (рис. 30). Как известно, соляные купола — это цилиндро-, конусообразные и более сложные тела, расположенные вертикально и на глубине связанные с пластами солей. Своеобразие выветривания верхних частей этих куполов заключается в интенсивном растворении и выносе солей. В самой верхней части зоны выветривания куполов концентрируются глины, материалом для которых послужил нерастворимый остаток солей. Мощность этой зоны обычно небольшая, зона не всегда четко выражена. Ниже глин расположена зона карбонатных пород, еще ниже — зона гипсов, ангидритов, растворимость которых существенно меньше, чем растворимость каменной соли и тем более калийно-магниевых солей. Ночной зоны гипсов служит «соляное зеркало» — достаточно ровная поверхность, находящаяся на уровне грунтовых вод. Ниже соляного зеркала расположена зона исходных солей купола. Профиль коры выветривания соляных куполов называется кепрок (шляпа), а так как в кеироках преобладает гипс, их нередко называют гипсовыми шляпами (рис. 31). С кенроками связан комплекс месторождений полезных ископаемых. Во-первых, сами гипсы шляпы, равно как и исходные соли, являются объектом добычи. Во-вторых, в гипсовой зоне кепрока иногда концентрируются залежи боратов как остаточных, так и испытавших некоторое позднейшее перемещение (инфильтрационных) . В ряде кепроков гипс частично разлагается, и его сера формирует залежи самородной серы. В этом процессе определенная роль отводится серобактериям и битумам, в том числе нефти.

Нефтяные залежи нередко бывают структурно связаны с соляными куполами.

К остаточным месторождениям относятся марганцевые, представленные оксидами марганца (пиролюзит, исиломилан, вернадит и др.), залежи которых возникли при выветривании осадочных и метаморфогенных марганецсодержащих толщ. Исходный минерал марганца — карбонаты (родохрозит, манганокальцит и др.) и силикаты (родонит, бустамит, марганцовистые гранаты и др.).

При выветривании баритсодержащих карбонатных пород возникают остаточные залежи барита (шт. Миссури в США), оталькованных доломитов — остаточные залежи порошковатых талькитов (Алгуйское месторождение), эндогенных скоплений флогопита и биотита — залежи йермикулита, фосфорсодержащих карбонатных пород — залежи фосфоритов. Выветривание тонкоокварцованных карбонатных пород приводит к формированию промышленных залежей топкодисперсного кварца—маршаллита (Токтубайское месторождение).

В некоторых случаях перенос высвобождающегося при выветривании железа приводит к формированию инфильтрационных месторождений этого металла. Пример инфильтрационных месторождений железа — Алаиаевское (рис. 32). Инфильтрационным путем возникают некоторые месторождения урана при выносе из коры выветривания этого металла. Соединения урана нередко испытывают существенную миграцию. Осаждаются они при взаимодействии (рис. 33) переносящих их растворов с фосфатами, углями, битуминозными и некоторыми другими породами, а также в результате коагуляции гидрозолей, при смене физико-химических условий (например, смене положительного значения Еh среды отрицательным). Известны инфильтрационные месторождения меди, ванадия, фосфора и некоторых других элементов.

Залежи месторождений инфильтрационного типа имеют форму линз, пластообразную, гнезд, карманов, иногда трубообразную, жильную и др.

Структура руд месторождений выветривания пористая, кавернозная, пятнистая, прожилковая, колломорфная, брекчиевидная, полосчатая и др.