You are in browse mode. You must login to use MEMORY

level: Hidrotermalna rudišča

Questions and Answers List

Mineralne kolokvij

level questions: Hidrotermalna rudišča

Question	Answer
Kaj so hidrotermalna rudišča?	Hidrotermalna rudišča so rudišča, pri nastanku katerih so minerali izločeni iz visokotemperaturnih vodnih raztopin. Glavno topilo je voda– Vodne raztopine (fluidi) lahko imajo zelo visoko slanost (koncentrirane slanice), ki nekajkrat presega slanost morske vode (38.30 ‰) – Fluidi lahko vsebujejo tudi raztopljene pline (npr. CO2, CH4, …) – Temperature fluidov znašajo od 100°C (epitermalna okolja) do magmatskih temperatur (ca. 800°C) Večina hidrotermalnih fluidov ima pri visoki temperaturi in tlaku gostoto v območju med tekočo vodo in vodno paro • Pri temperaturah višjih od kritične točke vode (376°C), voda ne bo zavrela s zniževanjem tlaka ali poviševanjem temperature, ampak se ji bo postopno zniževala gostota – superkritični fluid • Slane vodne raztopine lahko vrejo pri višjih temperaturah, pri čem nastane (1) gosta konecentrirana slanica in (2) manj gost, šibko slan fluid ali para.
Temperaturno-tlačni fazni diagram vode v razponu pogojev pri katerih nastajajo hidrotermalna rudišča. Konture gostote vode v g cm-3	• Svetlo senčeno območje predstavlja polje mogočih felzičnih talin. Gostota vode variira od tekoče pri visokem tlaku in razmeroma nizkih temperaturah do plinaste pri nizkem tlaku. Pri pogojih A bo tekoča voda zavrela v paro, če znižamo tlak. Pri pogojih B tekoča voda ne bo zavrela, temveč se ji bo postopoma zmanjševala gostota z zniževanjem tlaka – to je območje superkritičnega fluida. Temno senčeno območje predstavlja polje soobstoja slanih tekočin in manj slanih par, kjer so NaCl in druge soli v vodni raztopini.
Hidrotermalna rudišča - splošno	Rudni minerali se iz raztopin izločajo v (1) vrzelih, (2) nadomeščanjem drugih mineralov ali (3) na fazni meji med kamnino, vodo ali atmosfero (npr. oceansko dno, …) • Hidrotermalna rudišča so najbolj pomembna kategorija rudišč, saj iz njih pridobivamo večino ekonomsko pomembnih surovin (Cu, Au, Zn, Pb, U, Ag, Sn in Mo)
Hidrotermalni sistemi	Hidrotermalna aktivnost pomeni transport snovi v vodni raztopini v skladovnici kamnin • Naftni sistemi = raziskovanje izvornih kamnin ogljikovodikov, čas maceracije, migracijskih poti in pasti v katerih sta ujeta nafta in zemeljski plin. • Hidrotermalni sistemi = ugotavljanje izvora in ponora fluidov in kemičnih komponent v raztopini, določevanje migracijskih struktur raztopin skozi skorjo ter povezanih geotektonskih procesov in dogodkov (tektonski, magmatski, …), ki so to migracijo povzročili. Določanje temperature in tlaka in njune evolucije tekom aktivnosti hidrotermalnega sistema. Rudišča zajemajo manjši del hidrotermalnega sistema – samo nekaj kilometrov vertikalno in lateralno – običajno okrog magmatskih centrov ali na regionalnem nivoju vzdolž orogenetskih pasov ali sedimentnih bazenov.
Tipi fluidov v hidrotermalnih sistemih	Hidrotermalne raztopine glede na izvor delimo na (1) tiste, ki izvirajo iz globin ter (2) tiste, ki izvirajo iz zemeljskega površja V hidrotermalnem sistemu je lahko prisotnih več tipov fluidov, katerih sestava se lahko postopoma spremeni. • Poleg vodnih raztopin, sta v hidrotermalne sisteme pogosto vključena tudi nafta in zemeljski plin (ne prenašata kovin, vendar reagirata z vodnimi raztopinami in vplivata na njihovo sestavo).
Sestavni deli hidrotermalnega sistema	Ločimo pet komponent rudnega hidrotermalnega sistema: 1. Izvor fluidov in nadzor sestave fluida pri izvoru 2. Vir raztopljenih kovin. Na splošno se kovine raztopijo v fluid pri izvoru in vzdolž toka fluida skozi proces izluževanja in kemičnih reakcij s prikamnino. 3. Pot za migracijo fluida. To sta lahko poroznost in propustnost kamnine. V kristaliničnih kamninah so poti pogosteje planarne nezveznosti v kamninski masi (prelomi, razpoke, strižne cone). Poti fluida so običajno strukture – tako govorimo o konceptu strukturnega nadzora na tvorjenje rudišča. 4. Vir energije za migracijo fluida. Termični ali mehanični viri energije (npr. variacije v tlaku, toplota magmatskega telesa, topografija, …) 5. Kemični dejavniki za precipitacijo mineralov. Precipitacija mineralov je posledica spremembe topnosti rudnih mineralov, na kar vplivajo temperatura, tlak, pH, Eh in sprememba kemične sestave fluida.
Masno-bilančni pogoji za nastanek hidrotermalnih rudišč	Hidrotermalni sistem mora zadostiti dvema pogojema za nastanek hidrotermalnega rudišča: 1. Disolucija-Precipitacija • Raztapljanje – raztopina, ki je podnasičena relativno na mineral • Precipitacija – raztopina, ki je supernasičena relativno na mineral • Precipitacija je sprožena zaradi sprememb fizikalno-kemičnih pogojev (P, T, X; X = mešanje fluidov, reakcija s kamnino, …) 2. Usmerjen in koncentriran tok • Fluid mora biti iz velikega kamninskega volumna skoncentriran na zelo majhen volumen kamnin, da nastane ekonomska koncentracija mineralov. • Rudišča so geokemične anomalije – eden ali več elementov je pomembno obogaten glede na povprečno obilnost v skorji! Kaj to pomeni? • Clarki koncentracij! (ang. Clarke of concentration) - naloga Shematski prikaz hidrotermalnega sistema. Alternativna shema bi lahko denimo imela izvor kovin in fluidov iz istega volumna kamnin, kot je to na primer pri magmatskohidrotermalnih rudiščih
Kemija hidrotermalnih raztopin, vodni kompleksi in mineralna topnost	• Večina mineralov je šibko topnih v čisti vodi pri (geološko) nizkih temperaturah – Topnost kremena pri 25°C je le nekaj ppm, večina silikatov in sulfidov ima topnost v območju ppb – Izjema so alkalne halidne soli (npr. halit) in karbonati • Topnost mineralov se poveča z višanjem temperature in tlaka – Topnost kremena pri 400°C in tlaku 1 kbar 1000 ppm (1.0 g kg-1) • Topnosti večine mineralov so nizke zaradi nizke kemične stabilnosti komponentnih ionov v vodi – r ion << in previsok naboj ioni za elektrostatično vezavo z vodo • Topnost mineralov se drastično poveča pod vplivom fluidov, ki vsebujejo ligande • Ob reakciji z ligandom kovinski ion tvori poliatomske ione ali neutralne poliatomske enote (vodni kompleksi), ki so v vodni raztopini bolj stabilni kot prosti ioni – zelo pomembno pri topnosti tranzicijskih kovin!
Kemija hidrotermalnih raztopin, vodni kompleksi in mineralna topnost	• Večina disolucijskih reakcij se odvije s protonacijo ali deprotonacijo(hidrolizna reakcija) pri kateri ioni v raztopini tekmujejo z OH–za vezavo s protonom, zato njihova prisotnost vpliva na pH raztopine • Ligandi v kompleksih so lahko: (1) baze, (2) anioni, (3) negativno nabiti ionski pari, (4) negativno nabite molekule ali (4) molekule z negativno nabito površinsko pozicijo. • Pogosti ligandi v naravnih vodah in hidrotermalnih fluidih so : F,Cl,Br,I,HS,SO4, HCO3,NH3,OH-,PO4, CN, CH3CO2 • Primeri kovinsko-ligandskih kompleksov, ki nastanejo so: ZnCl2, ZnCl4–, Au(HS)2–, Cu(NH3)4, Zn(CH3CO2)+, itd. Nastanejo lahko tudi molekulske enote z več kovinami: • NaAuCl2 ali NaAu(HS)2 Kovine, kot so Au, Cu, Zn, Pb, U, Ag, Sn in Mo so lahko v vodnih raztopinah prisotne v visokih koncentracijah takrat kot tvorijo komplekse – tvorijo stabilne komplekse • Kovine, ki ne tvorijo močno topnih kompleksov s splošno prisotnimi ligandi se v hidrotermalnih rudiščih redko pojavljajo v velikih koncentracijah (npr. Ni, Ti, Sc in V)
Kateri ligandi so pomembni za transport specifičnih kovin?	• V naravnih sistemih je težko predvideti, kateri kovinsko-ligandski kompleksi bodo nastali v raztopini in oceniti njihovo stabilnost v hidrotermalnem sistemu. • Za ocenjevanje pomena ligandov za transport specifične kovine uporabljamo "hard-soft klasifikacijo za kovine in ligande " Klasifikacija kovin in ligandov glede na njihove hard–soft značilnosti. Kovina bo tvorila kompleks preferenčno z ligandom enake "trdote".Ligandi zapisani odebeljeno so najpogostejši in najpomembnejši v geoloških okoljih.Klorid je dominanten anion v morski vodi in tudi v večinihidotermalnih raztopin – velja, da je večina prehodnih kovin transportiranih s kloridom kot glavnim ligandom. Podobno so mehki kovinski ioni, kot sta Cu+in Au+ transportirani v raztopini kot sulfidna kompleksa. Topnost kovin v hidrotermalnih raztopinah je močno odvisna od sestave hidrotermalnega fluida • Primer: Koncentracija cinkovega dikloro kompleksa ZnCl2 v ravntoežju s sfaleritom se eksponentno poviša s povišanjem Cl– v fluidu. • Pričakujemo, da bodo elementi, ki imajo podobne topnostne karakteristike tudi soobstajali v hidrotermalnih sistemih in rudiščih. Nasprotno, elementi z različnimi topnostnimi lastnosti (npr. Au in La) ne morejo biti obogateni v istem hidrotermalnem sistemu
Interakcija med kamnino in hidrotermalno raztopino	Mineralizacija v obliki hidrotermalnih rud predstavlja zelo majhen del hidrotermalnih sistemov. • Spremljajoče lastnosti toka hidrotermalnih raztopin skozi kamninsko maso: – Hidrotermalne spremembe – Žile – Breče
Hidrotermalne spremembe	Agresivne vroče hidrotermalne raztopine povzročijo mineraloške, kemične in teksturne spremembe v prikamnini rudišča • Nekateri minerali so raztopljeni, na njihovem mestu pa so odloženi drugi minerali – metasomatizem oz. alteracija • Alteracija je lahko: – Pervazivna (zajame celotno kamnino) – Selektivno pervazivna (zajame določen mineral) – Nepervazivna (zajame omejeno območje ob npr. razpokah) • Volumen spremenjenih kamnin mnogo večji od mineralizacije – Alteracija se uporablja kot vektor in indikator bližine raziskovalnega cilja
Mineralna združba hidrotermalno spremenjenih kamnin je odvisna od kombinacije fizikalno-kemičnih pogojev:	– Temperatura – Tlak – Sestava fluida (koncentacije H, CO2, Cl-, B, F, Na+, K+, H2, S, …) – Sestava prikamnine (Pl, Kfs, Qtz, Hbl, …) – Masne bilance kamnine in fluida (razmerje fluid/kamnina) Na podlagi diagnostičnih mineralnih združb določimo Facies hidrotermalnih sprememb
ŽILE	• Žile so tabularna telesa mineralov, ki so se izločili iz hidrotermalne raztopine • V rudni geologiji ločimo dva tipa žil: – Natezne žile – izločanje mineralov v odprtem s fluidom zapolnjenem prostoru. – Žile nastale z nadomeščanjem – planarna telesa hidrotermalno spremenjenih kamnin ob razpoki ali porušeni coni • Razpoke so lahko v kamnini (1) prisotne že pred mineralizacijo,(2) nastanejo kot posledica tektonskih napetosti ali (3) so povzročene zaradi tlaka fluida • Hidrofrakturacija – proces lomljenja kamnine s fluidom, katerega tlak je višji od minimalne tlačne trdnosti kamnine (σ3) – "fracking
Natezna žila	to
Žila nastala z nadomeščanjem	Kateri minerali se bodo oborili v žilah in v kakšnih količinah je funkcija (a) topnosti minerala v hidrotermalnem fluidu in (b) spremembi topnostnih in fizikalno-kemičnih pogojev tekom toka hidrotermalne raztopine vzdolž razpoke • Primer: – Kremen je obilen mineral v žilah ker ima SiO2 visoko topnost pri visokih T in P. Njegova topnost se zniža z nižanjem T in P zato se izloči iz vseh z SiO2 nasičenih raztopin, ki se dvigujejo skozi skorjo. Podobno je s karbonatnimi minerali. • Kremen in kalcit sta najpogostejša jalovinska minerala v žilah v večini hidrotermalnih sistemov.
Breče	Breče različnih tipov so pogost kamninski tip v večini hidrotermalnih sistemov – v njih se pogosto nahajajo rudna telesa • Rudna telesa v brečah so običajno sub-vertikalne cevaste do tabularne oblike • Osnova breč v hidrotermalnih sistemih in prostor med klasti je običajno delno ali v celoti zapolnjen z mineralnimi precipitati kot opisano pri Žilah. • Brečizacija je posledica fragmentacije kamnine v tlačnem gradientu • Pogosti vzroki fragmentacije kamnine v hidrotermalnih sistemih so (tipi breč): – Tektonske breče – Kolapsne breče – Eksplozivne breče
Tektonske breče	Tektonske breče – Nastanejo kot posledica migracije hidrotermalnih raztopin vzdolž prelomov. Ob prelomih se odvija mehansko lomljenje kamnin in fragmentacija krovnine in talnine prelomov.
Kolapsne (disolucijske) breče	– Nastanejo zaradi vdora podzemnih kavern. Kaverne nastanejo zaradi migracije hidrotermalnih raztopin, ki preferečno raztapljajo bolj topne plasti mineralov. Običajno se rast kaverne začne ob prelomu, ki poviša izhodiščno poroznost in propustnost kamnine. Analogno nastanku kraških jam.
Eksplozivne breče	– Nastanejo zaradi eksplozivne razbremenitve fluidov pod visokim tlakom. Tlak hidrotermalnih raztopin je lahko višji od litostatičnega tlaka prikamnine. Ta se ne more izenačiti zaradi počasnega pronicanja raztopine. Majhen padec tlaka lahko v takšnih sistemih povzroči izredno povišanje volumna fluida, še posebej v primerih kjer padec tlaka povzroči hidrotermalno vretje → hipna tranzicija iz tekočega v plinasto stanje, čemu sledi eksplozivna relaksacija. – Nastanek hidrotermalnih erupcij in maar-ov plitvo pod površjem ali hidrofrakturacije v globini.
Hidrotermalna rudišča povezana z magmatskimi centri	Veliko število rudišč različnih kovin je tesno časovno-prostorsko povezanih z magmatizmom srednje do kisle sestave • Magmatski centri v kontekstu ekonomske geologije pomenijo veliko število manjših intruzij (dajki), ki predstavljajo erodirane čoke dolgoživih vulkanov • Majhne intruzije pogosto izvirajo iz večjega plutona v globini • Vsaj dva tipa hidrotermalnih raztopin različnih izvorov bosta prisotna v bližini magmatskih centrov: – Magmatsko-hidrotermalni fluidi – Konvekcijska talna voda
Magmatsko-hidrotermalni fluidi	– So raztopine vode in drugih lahkohlapnih ter topnih kemičnih komponent, ki so bile raztopljene v magmi in tekom dekompresije ali kristalizacije izločene v imiscibilno vodno raztopino. Ta raztopina nato migrira v kamnine nad intruzijo ali celo v hidrosfero in atmosfero – temu procesu pravimo magmatsko razplinjevanje.
• Konvekcijska talna voda	• Konvekcijska talna voda – Magmatsko telo nekaj km pod zemeljskim površjem bo predstavljalo lokaliziran vir toplote za vzpostavitev konvekcije talnih voda v skorji. Te vode so po izvoru lahko meteorne, konatne ali oceanske.
Magmatsko-hidrotermalni fluidi	Silikatne taline lahko vsebujejo do nekaj odstotkov raztopljenih lahkohlapnih komponent. • S terminom lahkohlapno označujemo spojine, ki izhajajo kot hlapi aliplini iz aktivnih vulkanov • Lahkohlapne komponente v talini, ki ne morejo biti vgrajeni v mineraletekom kristalizacije (npr. voda v biotitu), bodo izšle kot ločen fluid (faza) • Gre zlasti za spojine, ki pri standardnih pogojih tvorije tekočine ali pilne • Najbolj pogosta lahkohlapna komponenta v magmatsko-hidrotermalnih fluidih je voda, skupaj s CO2, HCl, CH4, H2S in SO2itd. Topnost vode in drugih lahkohlapnih komponent se v silikatni talini znižuje z upadanjem tlaka, zato pride do izločanja le-teh tekom dvigovanja magmatskega telesa skozi skorjo (prvo vretje). • Sočasno, ali ko se je magma prenehala dvigovati, se eksolucija lahkohlapnih komponent zgodi zaradi povečanja koncentracije le-teh v silikatni talini zaradi kristalizacije magme (drugo vretje). • Magmatsko-hidrotermalna raztopina ima enako temperaturo kot magma. • Izločen fluid bo v magmi izhodiščno tvoril razpršene imiscibilne mehurčke, ki se bodo zaradi svoje relativno nižje gostote dvigali proti vrhu ognjišča. • Če se fluid izločil iz magme v globini < 1 km bo imel gostoto tipičnega plina, kot je to značilno za fumarole, globlje bo imel gostoto podobno tekoči vodi
Tipi rudišč ob magmatskih centrih	• Za rudišča, genetsko povezana z magmatskimi centri, je značilno, da so deloma ali v celoti nastala pod vplivom magmatsko-hidrotermalnih raztopin, ki so izvirale iz magme – torej rudišča so produkt eksolucije in razplinjevanja magmatskih lahkohlapnih komponent.• V okolici magmatskega centra lahko najdemo eno ali več izmed naštetih rudišč, pogosto pa tudi nobenega
• Med magmatsko-hidrotermalna rudišča umeščamo:	1. Porfirska rudišča Cu-Mo-Au--Volumsko velika rudišča z razpršeno siromašno mineralizacijo, povezano z pervazivno hidrotermalno alteracijo v in v bližnji okolici srednjih ali kislih porfirskih kamnin, vtisnjenih v plitvo skorjo. Najpogosteje iz njih pridobivamo Cu, Cu-Au, Cu-Mo, redkeje Mo in Sn-Ag. 2. Rudišča v greisenih----Rudišča Sn in W, skupaj z Mo, F, Li in B v kremenovo-muskovitno spremenjenih (greiseniziranih) granitih na vrhu intruzij, ali v kremenovih žilah v in ob hidrotermalno spremenjenih granitih. 3. Rudišča v skarnih---Rudišča Cu, Au, Fe, W in Pb-Zn, v karbonatnih kamninah, ko so bile intenzivno metasomatsko spremenjene. Ločimo skarne v katerih je metasomatska reakcija povzročila nastanek, visokotemperaturnih kalcijsko-silikatnih mineralov in tiste v katerih je prišlo do pretežnega odlaganja sulfidov. 4. Polimetalne žile---Sistemi žil, ki obdajajo srednje do kisle intruzije, pogosto več kilometrov stran od magmatskega centra. Žile pogosto kažejo prostorsko conacijo kovin. 5. Visoko sulfidizacijska epitermalna rudišča --Nizko-temperaturna rudišča, iz katerih pretežno pridobivamo Au, Ag in Cu. Nastajajo plitvo pod površjem okrog magmatskih centrov ali v geotermalnih poljih. Tesno povezana z vulkanskimi centri, prikamnino predstavljajo intenzivno spremenjene kamnine. 6. Nizko sulfidizacijska epitermalna rudišča Imajo značilno drugačno združbo rudnih mineralov, kot tudi tipov hidrotermalnih sprememb, so pravilnoma v žilah in bolj oddaljena od magmatskih centrov. 7. Rudišča vulkanogenih masivnih sulfidov Volumetrično najpomembnejši fluid je oceanska voda, ki se je konvekcijsko dvigala skozi skorjo pod vplivom toplote iz plitve podmorske intruzije. V teh sistemih so kovine pretežno izlužene iz kamnin oceanskega dna v pogreto hidrotermo, ki je mešanica oceanske vode in magmatskohidrotermalnega fluida. Vloga slednjega je sekundarna.