Какие источники металлов, содержащихся в рудных месторождениях? Этот вопрос был впервые задан в XVI веке Агриколой, который пришел к выводу, что нагретая дождевая вода выщелачивает металлы из пород и затем переносит их в места отложения руд. Столетие спустя Декарт предположил, что газы, выделявшиеся во время остывания и кристаллизации внутренней части Земли, ответственны за образование трещин, заполненных рудой. Таким образом, наступила стадия разногласий между нептунистами и плутонистами. Споры на эту тему продолжаются до настоящего времени.Магматические флюиды, как летучие, так и гиперминерализованная жидкость являются первичным источником многих компонентов в гидротермальных рудных месторождениях, образованных в вулканических дугах.

Гидротермальные системы, энергетически обеспеченные магматическими интрузиями, доминируют в процессах миграции флюидов в верхней части земной коры (1) и являются ответственными за конвективный перенос большей части земного тепла к дневной поверхности. В тоже время флюиды транспортируют металлы, образуя один из самых важных классов рудных месторождений, такие как гидротермальные месторождения. Так, например, большие медные месторождения с низкими концентрациями (плюс молибден или золото), размещенные в неглубоко залегающих интрузиях, известные как порфировые, дают более половины мирового производства меди и молибдена. Другие типы гидротермальных рудных месторождений (таб.1), часть из которых образуется на большем удалении от магматического очага, также являются значительными хранилищами золота, серебра, свинца, цинка, олова, вольфрама и других металлов.

Немагматические гидротермальные системы также являются важными объёктами рудообразования, такие как месторождения, размещенные в осадочных толщах, богатых медью, свинцом и цинком, которые образованы концентрированным выбросом флюидов из больших континентальных бассейнов и отложения залежного золота ассоциируются с метаморфизмом. Тем не менее поток гидротермальных флюидов, ответственных за формирование этих месторождений, является незначительным по сравнению с потоком гидротерм, обусловленный циркуляцией, вызванной внедрением магмы (1).

Эти компоненты, включая металлы и их лиганды, концентрируются в магмах разными путями из разных источников, включая субдуцированную океаническую кору. Выщелачивание пород также способствует переходу компонентов в гидротермальный флюид – процесс ускорялся, там где кислые магматические летучие компоненты поглощались глубоко циркулирующими метеорными водами. Углубленное понимание гидротермальных систем, которые формируют эти рудные месторождения, происходит в результате исследования их активных эквивалентов, представленных на земной поверхности горячими источниками и вулканическим фумаролами.

Для образования гидротермального рудного месторождения поток металлоносного флюида должен фокусированным и сопряженным с механизмом осаждения, действующим в ограниченном пространстве. Доказательства, полученные при исследовании активных гидротермальных систем, наряду с результатами полевых и экспериментальных исследований, чётко указывают, что магмы поставляют такие компоненты, как вода, металлы и лиганды в гидротермальные флюиды. Не удивительно, что эти доказательства слабеют по мере удаления от интрузий, метеорные воды начинают преобладать, а минерализация флюидов и их кислотность уменьшаются. Даже в таких условиях имеются свидетельство того, что периодически происходит привнос магматических компонентов в виде высоко параметрических летучих фаз, которые могут оказать решающее воздействие на рудообразующий процесс.

Генетическая связь между магмами и гидротермальными рудными месторождениями хорошо описана во множестве геологических исследований рудной минерализации вблизи магматических интрузий (10,11). Эксперименты и моделирование показали, что металлы и лиганды в таких месторождениях могли бы быть мобилизованы полностью из связанных с ними магм (12, 13). Кроме того, вынос металлов, измеренный из некоторых извергающихся вулканов, показывает, что, при условии значительного времени и механизма концентрации, дегазирующая магма, может выделить достаточное количество металлов, для образования рудного месторождения (таблица 2).

Так, например, Остров Уайт в Новой Зеландии представляет собой островодужный вулкан, связанный с гидротермальной системой, которая была активна, по меньшей мере, в последние 10000 лет. Длительное истечение SO₂ на вулкане Остров Уайт, измеренный методом корреляционной спектрометрии. Составляет около 0.13 х 10⁶ тонн /год (т/г) и сопровождается выделением 1.9 х 10⁶ т/г Н₂О и 0.44 х 10⁶ т/г СО₂. Поскольку измеренное отношение в аэрозолях в ~ 900⁰С пепловой струе составляет ~ 1.7 х 10^-3 (ссылка 14), расчетный вынос Cu составляет 110 т/г (с > 35 кг/г Au). Высокая концентрация Сu и других металлов, таких как Au также наблюдается в аэрозолях, который сопровождает другие извергающиеся вулканы, такие как Августин на Аляске и гора Этна в Италии (таб.2) и в других местах.

Источники металлов в магмах.

Металлы могут попадать в магмы разнообразными путями, включая мантийное плавление, массоперенос из субдуцирующей плиты и плавления в земной коре. Большинство сидерофильных элементов Земли, такие как Sn, Mo, Au и элементы платиновой группы могут быть извлечены из Fe-Ni ядра, что приводит к малой концентрации в земной коре, по сравнению с глобальной массой. Тем не менее, многие из этих элементов также присутствуют в Fe-Ni сульфидах в верхней мантии (18). Во время частичного плавления мантии эти сульфиды частично расходуются и привносят металлы в базальтовую жидкость, которая затем поднимается в земную кору, как вдоль срединно-океанических хребтов (19), так и в субдукционных зонах (рис. 1). В первом случае эти извергаемые базальты, обычно, изменены и наряду со связанными сними осадками, в конечном счёте субдуцируются под континентальную кору побуждая плавление в мантийном клине под вулканической дугой. Многие островодужные магмы имеют четкие доказательства в притоке компонентов, таких как окисленная сера, элементы группы щелочей, воды и Cl из субдуцируемой плиты, переносимые в виде флюидов или кислых расплавов. Отсутствие фаз, содержащих большие концетрации Cl в мантии, в сочетании с высокими содержаниями Cl в островодужных магмах (700 – 2 000 ппм), к тому же подтверждают идею, что Cl привносится во время субдукции измененной морской воды, захваченной океанической корой(20, 23). Субдукция также может содействовать привносу дополнительных металлов, таких как Cu и Zn, в образующиеся островодужные магмы, извлекаемых из гидротермальных минералов субдуцируемого морского дна (20,24,25).

Рудные компоненты могут также привноситься во время миграции магмы через земную кору. Так, например, изотопные метки медно-порфировых месторождений в штате Аризона строго коррелируются с метками местного фундамента. Это позволяет подразумевать, что интрузии содержат значительные количества ассимилированной земной коры (26), тогда как в случае месторождений Sn и W , такие как месторождения Sn и W в юго-западной Англии и юго-восточной Японии, рудоносные магмы могли образоваться полностью в результате плавления земной коры(15). Коровые расплавы, образованные в присутствии или элементарного С или сульфидов Fe могут в природе восстанавливаться и таким образом, являются идеальным аккумулятором Sn (16). Перегрев предварительно расплавленных пород коры может привести к высокой концентрации F в магматическом расплаве разрушения тугоплавких F – содержащих гидратных силикатов. Эти минералы могут также содержать значительные количества Sn и Mо, которые концентрируются с F в некоторых рудных месторождениях. Но исключения в этих взаимоотношениях обычны и источник металлов может быть менее важен, с точки зрения концентрации металлов, чем магматические процессы, которые действуют во время финального подъёма и дифференциации магмы.

Появление рудных месторождений происходит редко по сравнению с широко распространенными свидетельствами бывшей гидротермальной деятельности, указывая на то, что только небольшая часть гидротермальных систем образует руду сейчас или в прошлые эпохи.

Выдающаяся проблема в исследовании гидротермальных рудных месторождений является идентификация факторов, которые отличают системы потенциально рудообразующие – факторы настолько исключительные, чтобы мы ещё имели возможность наблюдать в активных системах. Отсутствие активных рудообразующих систем также может быть объяснено обычными свидетельствами, указывающими на эпизодическую природу гидротермальных месторождений. Флюиды, ответственные за рудообразование могут присутствовать лишь краткие периоды в течение жизнедеятельности гидротермальной системы, возможно во время конкретных тектонических событий или процессов гидравлического дробления . (смотри Приложение).

Таблица 1. Представительные гидротермальные рудные месторождения, связанные с субдукционным магматизмом.