ИСТИНА

Работа посвящена реконструкции источников рудных компонентов и флюида, физико-химических параметров, механизмов концентрирования и разделения элементов при формировании рудных тел и ореолов жильных полиметаллических и эпитермальных золоторудных гидротермальных месторождений на основе развития методов равновесно-динамического моделирования и геохимических исследований. Задачи моделирования - развитие алгоритмического и программного обеспечения для расширения возможностей моделирования геохимических процессов на ЭВМ, разработка новых методик моделирования, построение и исследование свойств количественных термодинамических моделей формирования рудных тел и ореолов. Основой моделей является рассмотрение гидротермальных систем от областей формирования рудоносных растворов до областей рудо- и ореолообразования, как взаимосвязанной и саморегулирующейся последовательности событий. Геохимические исследования направлены на изучение закономерностей распределения элементов по разрезам через рудные тела и породы для создания геологической модели объектов и верификации результатов моделирования. Методами термодинамического моделирования будут разрабатываться следующие проблемы геохимии гидротермального рудообразования: 1) закономерности формирования составов рудоносных растворов при взаимодействии в системе «порода-вода» и их связь со стадийностью, зональностью и рудной специализацией гидротермальных систем; 2) роль внутренних и внешних параметров гидротермальной системы на специфику и количественные характеристики рудообразования; 3) механизмы образования рудных тел и их изменение при эволюции гидротермальных систем; 4) выявление признаков, характеризующих источники вещества гидротермальных процессов в природных объектах. Главным инструментом моделирования является программный комплекс HCh, который создан в нашей группе, постоянно развивается и совершенствуется. В области жильного рудообразования будет исследованы модели мобилизации при участии комбинированных вариантов источника рудных компонентов и выявление особенностей рудообразования от геохимических особенностей субстрата. В области моделирования эпитермальных золоторудных месторождений планируется проведение работ по двум актуальным направлениям: термодинамические свойства гидросульфидных комплексов золота в гидротермальных условиях и термодинамическая модель рудообразования в эпитермальных месторождениях золота типа «high sulfidation». Для решения поставленных задач необходимо дальнейшее развитие используемого программного обеспечения и методик моделирования природных процессов. В частности, будет развита методика моделирования динамических процессов в HCh таким образом, чтобы стало возможным описывать модели, включающие произвольное число независимых друг от друга последовательных этапов геохимического процесса. Предполагается также включить в HCh возможности расчёта объёмов равновесных фаз и парциальных мольных объёмов компонентов растворов и создать, таким образом, возможность минимизации энергии Гельмгольца закрытых и открытых систем, находящихся в условиях постоянства T и V.

Методами термодинамического моделирования будут разрабатываться следующие проблемы геохимии гидротермального рудообразования: - закономерности формирования составов рудоносных растворов при взаимодействии в системе «порода-вода» и их связь со стадийностью, зональностью и рудной специализацией гидротермальных систем; - роль внутренних (составы вмещающих пород, содержание рудных элементов в них) и внешних (составы растворов, температура, давление) параметров гидротермальной системы на специфику и количественные характеристики рудообразования; - механизмы образования рудных тел и их изменение при эволюции гидротермальных систем; - на этой основе выявление признаков, характеризующих источники вещества гидротермальных процессов в природных объектах. Главным инструментом моделирования является программный комплекс HCh, который создан в нашей группе, постоянно развивается и совершенствуется. Основой равновесно-динамического моделирования является метод многоволновых ступенчатых проточных реакторов (МСПР), разработанным нами в предыдущих исследованиях. В области жильного полиметаллического рудообразования основное направление исследований будет связано с оценкой влияния составов вмещающих пород на рудообразование. Породы рудных районов могут являться одним из основных источников вещества, который полностью обеспечивает формирование многих типов гидротермальных месторождений (Барсуков и др., 2006; Чернышев и др., 2011; Наумов и др., 2012). Вероятным источником рудных компонентов месторождений Садонского рудного района являлись палеозойские граниты (Тугаринов и др., 1975; Борисов, 2000а и др.), которые вмещают основные рудные тела месторождений района, сформированных в предкелловейское время средней юры. При моделировании именно граниты обычно рассматривались нами как основной рудогенерирующий субстрат (Борисов, 2000; Borisov et al., 2002; Borisov, 2003; Борисов и др., 2006). Наши данные по РЗЭ в сульфидных рудах показывают (Борисов, Волкова и др., 2011; Борисов, Бычков, 2012), что источником рудных компонентов могут быть также метаморфиты буронской свиты (PR3-PZ1), которые являются специфической рудовмещающей средой на месторождении Джими, и породы нижнеюрского вулканогенного комплекса. Определенную роль на завершающих стадиях развития гидротермальной системы могут играть и нижнесреднеюрские терригенные породы. При выполнении проекта будет исследованы модели мобилизации при участии комбинированных вариантов источника рудных компонентов и выявление особенностей жильного рудообразования от геохимических особенностей субстрата. Модель мобилизации в этом случае может иметь несколько вариантов, влияние на рудообразование которых будет исследовано методами термодинамического моделирования: 1) сочетание разных пород в комбинированном источнике и различная последовательность взаимодействия безрудного исходного раствора с породами в нескольких проточных реакторах; 2) смешение рудоносных растворов из различных источников при формировании модельных жильных рудных тел. Результаты моделирования будут верифицироваться по данным о закономерностях распределения элементов и минералов по разрезам через жилы месторождения Джими. В области моделирования эпитермальных золоторудных месторождений планируется проведение работ по двум актуальным направлениям. 1) Термодинамические свойства гидросульфидных комплексов золота в гидротермальных условиях. По современным представлениям, перенос золота в гидротермальных растворах происходит в виде гидросульфидных, хлоридных и гидроксокомплексов Au(I). Термодинамические свойства многих комплексных форм (AuCl2−, Au(HS)2−, AuOH°) сейчас достаточно надежно установлены (Акинфиев, Зотов, 2001, 2010; Bessinger, Apps, 2005, и др.). Нет ясности в отношении преобладающей формы золота в кислых растворах, богатых сероводородом – AuHS° или HAu(HS)2° (подробнее см. 4.6). От решения этого вопроса существенно зависят результаты моделирования, в первую очередь – выявление причин рудоотложения. Будет продолжено согласование термодинамических свойств комплекса HAu(HS)2°, предварительные значения которых, основанные на экспериментальных данных работ (Stefansson, Seward, 2004, Pokrovski et al., 2009), получены при выполнении гранта РФФИ № 11-05-00033. Путем исследования модельных химических систем упрощенного состава будут проанализированы факторы, приводящие к осаждению золота в условиях преобладания вышеуказанной формы переноса. При выполнении этих работ будут использованы, наряду с программным комплексом HCh, обрабатывающие программы OptimA и OptimC. 2) Термодинамическая модель рудообразования в эпитермальных месторождениях золота типа «high sulfidation». Термины «low sulfidation» и «high sulfidation», отражающие две типичные обстановки эпитермальных систем, предложены Дж.Хеденквистом на основании преобладающего окислительного состояния серы в гидротермах (довольно неудачно с химической точки зрения, поскольку в «high sulfidation» преобладает сера сульфатная). Применительно к типам рудных месторождений под названием «high sulfidation» сейчас понимают «разновидность эпитермальных месторождений, формирующихся кислыми гидротермальными растворами ювенильного происхождения с высокой летучестью серы» (Sillitoe, 2010). Характерным признаком этого типа является широкое развитие в рудах сульфосолей меди и энаргита/лузонита, а в околожильных изменениях – кварца, алунита, пирофиллита, каолинита. Термин в последнее время широко используется при проведении геологоразведочных работ (Arribas et al., 2000). В отечественных классификациях этот тип является примерным эквивалентом кварц-алунитового типа золоторудных месторождений. Эти месторождения имеют важное промышленное значение и привлекают большой интерес геологов-практиков. Детальные термодинамические модели таких месторождений до сих пор не разрабатывались. Обобщенная модель месторождений кварц-алунитового типа рассматривалась, в числе других, в монографии Г.А.Пальяновой (2008). Для разработки и верификации термодинамической модели важно иметь природный аналог, хорошо обеспеченный информацией, в том числе – по химическим составам рудообразующих растворов. Такая информация, как правило, отсутствует по древним месторождениям на суше. В последние годы активные гидротермальные объекты, обладающие характерными свойствами месторождений типа «high sulfidation», обнаружены на дне океана в островных дугах (Hannington et al., 2005; и др.) – SnowCap в задуговом бассейне Восточный Манус, Brothers и White Island в дуге Кермадек, Conical Seamount в дуге Табар-Лихир-Танга-Фени, а также – переходное к массивным сульфидным крупное медно-золотое месторождение Solwara 1 в бассейне Восточный Манус. Эти «живые» объекты весьма полно обеспечены разноплановой геолого-геохимической информацией (de Ronde et al., 2005, 2011; и многие др.). Будет использована модель гидротермальной системы в островодужной коре с магматическим питанием, разработанная в рамках предшествующего гранта (11-05-00033), и на этой основе будет исследовано поведение золота в таких системах. Для решения поставленных задач необходимо дальнейшее развитие используемого программного обеспечения и методик моделирования природных процессов. Одно из направлений такого развития основано на использовании технологий, разработанных нами ранее: возможности подключения к пакету HCh дополнительных внешних модулей расчета коэффициентов активности реальных растворов («открытость снизу») и возможности вызывать моделирующий модуль из программы пользователя, в том числе, из программ Microsoft Office («открытость сверху»). Применение первой из перечисленных технологий при решении поставленных задач возможно как путем использования уже разработанных нами внешних модулей, так и создание (по мере необходимости) новых модулей описания свойств минералов-твердых растворов. Одним из полученных нами в последнее время результатов в этом направлении является создание новых внешних модулей для программы Gibbs, предназначенных для учета неидеальности сульфидов железа и цинка, позволивших значительно повысить точность и качество термодинамического моделирования процессов формирования сульфидных месторождений. Новые модули, позволяют учитывать неидеальность гексагонального пирротина и железосодержащего сфалерита (Шваров, 2011; Лаптев, Шваров, 2012). Реализованный в модуле ZnS-FeS.dll метод учета неидеальности сфалерита реализует модель, предложенную в работе (Delgado, Soler, 2005), а метод учета неидеальности гексагонального пирротина, реализованный в модуле Po(1C).dll, разработан полностью нами на основе экспериментальных данных, описанных в работе (Toulmin, Barton, 1964). К сожалению, указанные экспериментальные данные описывают систему Fe-S лишь при температуре выше 600 K, поэтому весьма актуальной является задача экстраполяции этой модели на более низкие температуры – желательно вплоть до 273 K. Решению этой задачи мы и планируем посвятить часть нашего времени при работе по данному проекту. Развитие пакета HCh будет, конечно, происходить и по обычной технологии – путем добавления к программам пакета новых возможностей моделирования. В этой части мы планируем, в частности, развить методику моделирования динамических процессов в HCh таким образом, чтобы стало возможным описывать модели, включающие произвольное число независимых друг от друга последовательных этапов геохимического процесса. Это позволит эффективно решать такие задачи, как, например, процессы формирования геологических объектов под последовательным воздействием эндогенных и экзогенных факторов или даже процессы, полностью изменяющие свой характер в результате тектонических подвижек. Важно, что подобные процессы будут описываться в рамках единой численной модели, что обеспечит отсутствие какой-либо потери точности и рассогласования данных, неизбежно возникающих при искусственном переносе результатов из одной модели в другую. Эту новую возможность предполагается создать путем модификации и расширения методики описания динамических процессов, реализуемых в HCh с помощью управляющих файлов (Шваров, 1999). Расчет химического равновесия в программе Gibbs производится путем минимизации потенциала Гиббса системы, что термодинамически обосновано лишь в том случае, когда состояние системы определяется T и P. Однако в некоторых случаях давление в системе неизвестно и подлежит определению, например, в экспериментальных установках, в которых задаются температура и объем. Однако в настоящее время программа Gibbs даже не вычисляет объем равновесной системы, что делает моделирование подобных систем весьма проблематичным. В данном проекте мы планируем включить в HCh возможность расчета объемов равновесных фаз, а также и парциальных мольных объемов компонентов растворов. Последнее полезно также и для программ пользователей, моделирующих диффузию в водных растворах, так как парциальные мольные объемы ионов и водных комплексов определяют их индивидуальные коэффициенты диффузии. Созданные в рамках данной работы расширения программы Gibbs позволят, как мы надеемся, распространить приложение пакета HCh и на решение задач, сводящихся к минимизации энергии Гельмгольца закрытых и открытых систем, находящихся в условиях постоянства T и V. В области геохимических исследований предполагается в 2014-2015 г.г. провести полевые работы в Северной Осетии на полиметаллическом жильном месторождении Джими. В настоящее время это месторождение является единственным в Садонском районе, на котором ещё ведутся геологоразведочные работы. Необходимо провести дополнительное опробование ряда рудных тел и вмещающих пород в новых горных выработках на горизонте штольни №49 и, возможно, штольни №3, расположенной на 160 м выше, которая находится в режиме консервации. Задачей работ на месторождении является исследование закономерностей распределения рудных, сопутствующих и редкоземельных (РЗЭ) элементов, которые обеспечивают развитие концептуальной геологической модели и служат основой для верификации результатов термодинамического моделирования. Сбор и анализ данных по распределению РЗЭ был начат в рамках предшествующего проекта (материалы представлены в научном заделе). Данные о РЗЭ по разрезам сульфидных рудных жил и вмещающих пород позволили показать, что вероятным источником вещественного состава руд являются более древние вмещающие породы (палеозойские граниты и докембрийские метаморфиты). В предлагаемом проекте предполагается опробовать и проанализировать на РЗЭ околожильные метасоматиты и некоторые типы вмещающих пород, которые ранее не являлись предметом изучения (например, терригенные породы ранней юры – могут играть роль источника на завершающих этапах формирования месторождений), а также дополнительные пробы по сульфидным рудам месторождения Джими.