Гидротермально-магматические системы

В последние десятилетия в связи с разработкой концептуальных моделей эпитермальных рудных и геотермальных месторождений, изучения состава и свойств эндогенного флюида и на основании анализа материалов бурения глубоких скважин на современных гидротермальных системах сформулировано понятие вулкано-магмо-гидротермальных систем [Giggenbach et al., 1990; Hedenquist et al., 1996; Corbett, Leach, 1998].

Авторским коллективом на основании практических исследований в течение более 30-ти лет на вулканах и гидротермальных системах островных дуг установлены длительноживущие гидротермально-магматические рудогенерирующие системы [Рычагов, Белоусов и др., 1999; Рычагов, 2003]. Рис. 1. Эти сквозькоровые дренирующие системы контролируют перенос тепловой энергии, расплавов, газов, гидротермальных растворов и  химических элементов от уровня верхней мантии в близповерхностные горизонты земной коры. По мере развития систем интрателлурические потоки, расплавы, магматические газы и гидротермальные флюиды взаимодействуют с вмещающими

Рис. 2. Концептуальная модель гидротермально-магматической системы вулканической островной дуги. Система характеризуется формированием большого объема разуплотненных вулканогенных пород, наличием магматических очагов на разных структурных уровнях земной коры и определенной эволюцией минерало-рудообразующих процессов.

породами, морскими, подземными и метеорными водами и активно влияют на перестройку  геологического строения систем, способствуя изоляции аномального теплового потока. Процесс изоляции саморегулируется в результате отложения кремнезема и других вторичных минералов вокруг гидротермально-магматической колонны, Рис. 2. Этот фактор, по-видимому, является определяющим в образовании геотермальных, мезо- и эпитермальных рудных месторождений и, возможно, минерализации медно-порфирового типа. При формировании островной дуги происходит длительная задержка глубинного высокотемпературного  магматического расплава в структуре вулканогенно-рудного центра, интенсивное выделение CO₂, углеводородов и других летучих,

Рис. 3. Структурная схема центральной части о-ва Итурупского (о-в Итуруп) и геотермального месторождения Океанское.

что обеспечивает устойчивое питание гидротермально-магматической системы,  образование смешенных гидротерм, перенос химических соединений и отложение металлов. Гидротермально-магматические системы островных дуг локализуются в кольцевых осесимметричных структурах диаметром ³ 15-20 км. Рис. 3. На основании анализа данных глубинного сейсмического просвечивания, изучения состава и изотопии вулканических газов, структурных построений и др. материалов установлено, что корни этих геологических структур погружаются на многие десятки километров и, вероятно, достигают верхней мантии. Мантия является основным генератором тепла, определяющим развитие  островной дуги. Непосредственным источником тепла и рудных, щелочных и редких химических элементов в структуре гидротермально-магматической системы служат периферические магматические очаги и связанные с ними остывающие субвулканические тела базальт-анадезито-базальтового состава. Расчеты показали, что этого количества тепловой энергии недостаточно для обеспечения всей совокупности интрузивных, вулканических, газо-гидротермальных и др. процессов, протекающих на данных участках земной коры [Hochstein, 1995]. Другим источником тепла и химических элементов могут быть экзотермические химические реакции:  «горение» сульфидов, серы и некоторых др. новообразованных минералов до полного окисления с выделением большого количества тепла. Такой дополнительный источник тепла, по нашим предварительным данным, обеспечивает существенную часть энергопотребления гидротермально-магматической системы и является практически возобновляемым в течение всей эволюции системы. Таким образом, гидротермально-магматические системы островных дуг не только контролируют тепломассопотоки в зоне перехода океан-континент, но и, вероятно, могут генерировать энергию и вещество. Геологическая структура гидротермально-магматической системы представляет собой иерархическую систему кольцевых, овально-кольцевых и другой формы блоков горных пород, Рис. 4, 5.

Рис. 4. Геологическая структура гидротермально-магматической системы Баранского (о-в Итуруп) и геотермального месторождения Океанское.

Рис. 5. Тектоническая структура геотермального месторождения Океанское, положение основных фумарольных полей и распределение по площади водных источников.

На каждом иерархическом уровне геологическое пространство организовано следующим образом:  по латерали и в вертикальных разрезах чередуются блоки пород, обладающие контрастными физико-механическими, петрологическими,

Рис. 6. Мозаично-блоковая структура одного из опорных геологических разрезов геотермального месторождения Океанское (скважина 54).

минералого-геохимическими и др. свойствами. Образуется своеобразная блоково-мозаичная геологическая структура из относительно монолитных (жестких, плотных) и разуплотненных участков, Рис. 6. Последние являются наиболее проницаемыми для потоков гидротермально-магматических флюидов. Восходящие потоки парогидротерм и газов, как правило, приурочены к центральным частям гидротермально-магматических систем и локализуются  в осевых зонах и вдоль границ относительно приподнятых изометрично-кольцевых блоков пород; метеорные воды и «отработанные» гидротермальные растворы фильтруются вниз по трещинам и охлаждают породы в опущенных блоках. Таким образом,  в пределах гидротермально-магматической системы образуется серия конвективных ячеек меньшего размера, каждая из которых включает приподнятый (горячий, проницаемый) и опущенный (охлажденный, «монолитный») блоки пород. Структура сопряженных блоков с контрастными свойствами пород определяет динамику восходящих и нисходящих газо-водных потоков, см. Рис. 4. Наиболее высокотемпературные рудоносные гидротермальные растворы формируются и циркулируют на уровне эндо-экзоконтактовой брекчиевой зоны субвулканических тел базальт-андезито-базальтового состава, последовательно: от момента зарождения растворов на прогрессивном этапе развития системы – до образования жил, штокверков, рудовмещающих брекчий и др. на этапе деградации (охлаждения) гидротермально-магматической системы.

Рис. 7. Вулкано-плутонический комплекс и палеогидротермальная система Выченкия (Южная Камчатка).

Эта зона является наиболее перспективной глубинной зоной минерало-рудообразования в недрах гидротермально-магматической системы, мощность ее составляет от нескольких сотен метров до 1000-1500 м, Рис. 7. В недрах гидротермально-магматических систем островных дуг формируются высокопотенциальные  геотермальные месторождения, запасы тепловой энергии которых составляют не менее 100 МВт на 100 лет эксплуатации,  и мезо- и эпитермальные золото-полиметаллические проявления и, возможно, минерализация Au-Ag-Cu-Mo…-порфирового типа. Изучение переходной области между собственно гидротермальными и магматическими условиями с помощью  глубоких скважин показало, что именно здесь происходит перенос и отложение рудных элементов в форме самородных металлов, интерметаллических соединений, твердых растворов и сплавов металлов. Эта область является зоной циркуляции и смешения гидротерм, содержащих повышенные концентрации химических элементов, прежде всего, Au, Ag, As, Fe, Mg, Mn, Ti, Cr, Hg, Pb, Zn, Cu, Sn, Si, B, K, Na, Li, Rb, Cs и их соединений; гидротермы представляют большой интерес в качестве объекта для разработки технологий по извлечению редких компонентов.

Рис. 8. Геолого-структурная позиция Верхне-Паужетского термального поля. Зона кипения гидротерм мощностью до 200 м локализована на границах приподнятого блока и выделяется образованием кварц-адуляровых метасоматитов и рудных геохимических барьеров.

Циркуляция геотермальных, как правило, слабоминерализованных, и гидротермальных металлоносных растворов происходит  внутри сложной системы проницаемых разрывных тектонических нарушений и водоносных горизонтов. В осевых зонах и на границах приподнятых тектонических блоков происходит формирование мощных (³ 300-500 м) паровых зон, границы которых являются геохимическими барьерами для Au, Ag, As, Fe, Pb, Cu, Zn, Hg, B, K, Si и др. [Жатнуев и др., 1991, 1996], Рис. 8. Область интенсивного смешения приповерхностных кислых сульфатных и глубинных субщелочных хлоридно-натриевых вод и их кипения контролирует развитие рудной минерализации  “high sulfidation” – в центральной части гидротермально-магматической системы, и “low sulfidation” – на периферии системы и глубинах ³ 1 – 1,5 км. Рудная минерализация  медно-порфирового типа, по материалам изучения Филиппинской, Японской и др. островных дуг, зарождается в апикальных частях и эндоконтактовой брекчиевой зоне крупных субвулканических (интрузивных ?) комплексов, как правило, многофазных [Рычагов, 2003]. Происходит эволюция рудоносных флюидов от порфирового типа – к “low sulfidation” через постепенное смешение потоков магматического происхождения с циркулирующими гидротермами и при взаимодействии вода-порода. Образуется вертикальная и горизонтальная  зональность в распределении рудоносных растворов и соответствующих комплексов минералов в зависимости от глубинных магматических тел. В породах, наиболее проницаемых для высокотемпературного гидротермального флюида, современными высокоточными аналитическими методами идентифицированы самородные металлы, интерметаллические соединения, твердые растворы и сплавы металлов. Данные минералы образованы, в основном, за счет «сухого» восстановительного флюида, имеющего температуру ≥ 500-600⁰С, и трассируют открытые на глубину более 1,5 – 2,0 км термоподводящие зоны тектонических нарушений в структурах горстов.

Рис. 9. Различные типы брекчий в разрезе единого рудного тела: от тектонических в краевых частях (а, б) до гидротермальных (в) и полимиктовых рудоносных (г) в центральной части зоны.

Гидротермальный флюид обладает высокой газонасыщенностью и является структурообразующим фактором:  за счет фазовых переходов образуются гидротермальные брекчии в зонах кипения парогидротерм, полимиктовые рудоносные брекчии в приконтактовых частях субвулканических тел, рудовмещающие эксплозивные брекчии в воронках взрыва, и др. [Рычагов, 1982; Туговик, 1984]. Рис. 9. Флюид привносит во вмещающие породы в микроколичествах, но в течение всего прогрессивного и частично — экстремального этапов развития гидротермально-магматической системы Fe, Mg, Mn, Ti, Cr, Cu, Pb, Au, Ag, As, Al, Si, K, Na, Ca, др. Продолжительность каждого этапа составляет от n x 10³ до n x 10⁶ лет, по оценкам различных авторов. Таким образом, современные гидротермально-магматические системы могут служить аналогами палеогидротермальных структур, в недрах которых происходило образование эпи- и мезотермальных рудных месторождений и месторождений золото-медно-молибден…-порфирового типа. Дальнейшее комплексное исследование этапов развития и всех элементов структуры  длительноживущих рудообразующих гидротермально-магматических систем зоны перехода океан-континент позволит внести существенный вклад в разработку единой теории минерало-рудообразования.