Чрезвычайно важной для создания полноценной модели многих рудных месторождений любого типа, особенно золотых, является информация о зоне окисления. Последняя представляет собой «лицо» объекта на дневной поверхности и часто является наиболее востребованной частью месторождения (в силу более высокого качества руд, легкой обогатимости, неглубокого залегания). Без умения диагностировать рудную природу выветрелых, обеленных, ожелезненных пород, оценивать их параметры, определять структурную позицию, увязывать их состав с типом эндогенного оруденения, все попытки искать золото и другие металлы глубоким бурением в подавляющем большинстве случаев означают нерациональное использование материальных средств и утрату перспектив объекта. На рудных месторождениях безусловно справедлива аксиома геологоразведчика: не разобравшись детально с поверхностью, не имеет смысла изучать глубокие горизонты.
Поверхностная зона земной коры представляет собой арену постоянных и непрерывных реакций между горными породами литосферы и составными частями гидросферы, атмосферы, биосферы. Эти реакции обуславливают очень сложную систему изменений в самой верхней части литосферы, именуемой корой выветривания. Процесс выветривания сосредоточен обычно в той части геологического разреза, где происходит движение поверхностных вод атмосферного происхождения (так называемых «блуждающих», или вадозных вод), являющихся главным фактором выветривания.
Движение подземных вод (как почвенных, так и грунтовых) приводит к чрезвычайно сложной и интенсивной миграции элементов, в том числе металлических, и приводит к образованию рудных месторождений коры выветривания.
В области разложения горных пород и руд (от поверхности до восстановительного барьера, обычно приуроченного к подошве водоносного слоя) происходит механическое разрушение (дезинтеграция) пород в силу неравномерного расширения минералов под воздействием солнечного тепла и сжатия под воздействием холода. Этот процесс усиливает раскалывающее действие замерзающей воды в холодных климатических обстановках и кристаллизация солей в аридных обстановках, а также разрушительное действие корней растений и бактерий. Поэтому механическое выветривание чрезвычайно активно в зоне тундры, тайги и засушливых степей, полупустынь, пустынь. Механическое разрушение происходит в комплексе с химическим, стимулируемым разностью электрических потенциалов, возникающим при скачке температур (замерзание воды и таяние льда), а также кристаллизации солей. При этом доминирующую роль играет все-таки механическое выветривание. Поэтому в высокоширотных и аридных обстановках не характерны современные им мощные площадные коры химического выветривания. Преобразование пород ограничивается их превращением в глыбы, щебень, дресву, песок, алеврит с подчиненным количеством глинистых минералов. В то же время по зонам дробления пород с сульфидной минерализацией развиты линейные зоны интенсивного окисления, иногда уходящие на глубину в десятки и сотни метров.
Во влажных умеренно теплых и особенно тропических обстановках преобладает химическое выветривание под воздействием кислорода и углекислоты воздуха, гумусных кислот почвы, микроорганизмов (типа ferrooxidance и др.). Мощный дополнительный импульс к выветриванию пород вносят сульфат-ионы, образуемые при окислении сульфидов.
В итоге в коре выветривания остаются лишь те минералы, которые устойчивы в данных физико-химических условиях. К таковым относятся (по мере убывания устойчивости) глиноземистые минералы (составные части бокситов – бемит, диаспор, гиббсит и др.), окислы и гидроокислы железа (гематит, гетит, лимонит), глинистые – каолин, монтмориллонит, галлуазит, гидрослюды; кварц, остаточные силикаты.
В числе первых (даже в условиях полярного климата) разрушаются биотит и флогопит, замещаемые сначала вермикулитом, а затем гидрослюдами и т.д. Более устойчивы светлые слюды (мусковит и др.), хлорит, гранат. В ряду главных породообразующих минералов устойчивость в коре выветривания возрастает в направлении: оливин – пироксены - амфиболы - полевые шпаты - кварц.
В корах химического выветривания характерна вертикальная зональность. Сверху вниз сменяются подзоны различных по интенсивности преобразований пород субстрата, образующие ряд: глиноземистые минералы (латеритные коры выветривания в тропиках) – каолиновые – гидрослюдисто-лимонит-гетит-кварцевые – сульфатно-кварцевые (иногда в низах этой подзоны – кварцевых, баритовых песков и сульфидных сыпучек)– трещиноватых коренных пород с реликтами силикатных и первичных рудных минералов (иногда сцементированные переотложенным рудным веществом) – слабо трещиноватые коренные породы и руды.
В условиях сурового и умеренного климата выветривание не идет дальше образования обычного обломочного (глыбово-щебнисто-дресвяно-песчано-глинистого) элювия. Из элювия выносятся легко подвижные компоненты (катионы щелочных и щелочно-земельных металлов, алевритисто-глинистые частицы, вымываемые талыми и дождевыми водами) и накапливаются наиболее тяжелые и устойчивые при выветривании минералы – золото, платина, касситерит, шеелит, вольфрамит, монацит и др.). Непосредственно над рудным телом образуются элювиальные россыпи таких минералов, в которых содержание металлов нередко намного выше, чем в коренной руде. Таким образом, происходит механическая концентрация минералов и металлов.
При наличии заметного количества сульфидов в рудах и околорудных породах, даже в суровых климатических обстановках, происходит интенсивное химическое преобразование. Из сульфидов самым нестойким является пирротин, далее следуют блеклые руды, галенит, халькопирит, сфалерит, арсенопирит, марказит, пирит. При их окислении образуются с одной стороны серная кислота, с другой стороны – естественная разность потенциалов, которые многократно ускоряют процессы окисления. Сульфиды замещаются окислами, сульфатами и карбонатами. Накопление самого распространенного металла – железа достигает такой концентрации, что окисленные руды превращаются в бурые и красные железняки, почти нацело сложенные окислами и гидроокислами трехвалентного железа (железные шляпы сульфидных месторождений).
Даже такой химически стойкий металл, как золото, в зоне окисления становится активным мигрантом. Золото мигрирует сверху вниз, его частицы укрупняются до образования самородков, нарастают его содержания. Вместе с золотом мигрирует серебро, а также кремнезем с образованием в низах зон окисления кварцевых, барит-кварцевых песков иногда сцементированных опаловидным кварцем в плотную кремнистую плитку. Содержания золота в такой кремнистой породе достигают ураганных значений (до 1 000 г/т и более при содержании в первичной руде 1-4 г/т). Примером многократного укрупнения золота в зоне окисления является железная шляпа Учалинского медноколчеданного месторождения. В первичной руде золотины имеют микронный размер, а в зоне окисления при разработке фиксировались самородки до 80 г. Аналогично ведет себя и серебро. Нередко концентраторами переотложенного золота и серебра является новообразованный барит. Серебро эффективно накапливается также в гипергенных окислах марганца (псиломелане, пиролюзите и др.).
Зоны окисления сульфидных месторождений, помимо окислов и гидрооокислов железа, сложены черными окислами марганца, реже красными - меди (куприт), сложными сульфатами железа (ярко-желто-охристые фиброферрит, ярозит, мелантерит и др.), свинца (вишнево-розовый англезит), кальция (гипс), магния (бледно-розовые квасцы), карбонатами меди (зеленый малахит, синий азурит), цинка (голубоватый церуссит), и др. вторичными минералами. Образуются также сложные фосфаты меди (голубая бирюза), мышьяка и железа (сургучно-оранжевый петтицит), силикаты меди (хризоколла), цинка (смитсонит) и др. вторичные минералы. Весьма разнообразна и сложна минералогия окисленных руд серебра (десятки минералов и их разновидностей).
В низах зоны окисления сульфидных залежей развиты горизонты рыхлых сульфидных песков, сложенных в основном пиритом с значительной примесью ковеллина и других вторичных сульфидов меди. В них также характерны высокие содержания золота и серебра.
Ниже окислительно-восстановительного барьера происходит цементация (вторичное сульфидное обогащение) первичных руд цветных металлов переотложенным сверху вниз рудным веществом. Здесь образуются такие богатые медью минералы, как ковеллин, халькозин, борнит, иногда самородная медь, а также новообразованные блеклые руды, галенит, сфалерит, минералы серебра, в том числе самородное серебро, реже самородные цинк, свинец, ртуть. Содержания золота здесь ниже, чем в кремнистой подзоне, но выше, чем в первичной руде.
Благоприятными условиями для развития зон окисления (и, более широко – кор выветривания в целом) являются: стабильный тектонический режим, умеренное поднятие территории, способствующее развитию и длительному сохранению поверхностей выравнивания (пенепленов) с умеренной расчлененностью рельефа, слабая эрозионная активность, наличие в рудах и вмещающих породах химически активных минералов (в первую очередь сульфидов, а также карбонатов), водонасыщенность пород и руд. Климатическая зональность территории важна, но не является приоритетной (линейные зоны окисления по минерализованным зонам дробления развиваются и в суровом климате). Температурный режим окисления сульфидов и других минералов имеет экзотермический характер, судя по парагенетической ассоциации минералов температура может достигать 80°, т.е. она сопоставима с температурой образования обычных гидротермальных (эпитермальных) месторождений. Контрастность минералообразования в зонах окисления также вполне способна конкурировать с таковой в эндогенных месторождениях.
В целом вышеописанные железные шляпы - зоны окисления по сульфидным рудам, являются наиболее яркой, контрастной разновидностью более масштабных кор выветривания, развитых также и по околорудным метасоматитам сульфидных месторождений, и по малосульфидным рудам, и по безрудным породам. И в том, и другом, и в третьем случае могут развиваться промышленные экзогенные месторождения.
Нередко имеют место сложные взаимоотношения «околорудной» коры выветривания и залежей богатых окисленных руд (пример – кора выветривания Учалинского месторождения). Первая, развитая по метасоматически измененным вмещающим породам, не только окаймляет с боков, но и большей частью перекрывает окисленные руды, предохраняя их таким образом от эрозии. Выход на поверхность бурых железняков из-под глин наблюдался только в центральной части рудной залежи, крылья и фланги которой были «слепыми». Кора выветривания, развитая по рудовмещающим породам с вкрапленностью сульфидов, характеризующаяся разными соотношениями лимонита и глинистых минералов (в зависимости от густоты первичных сульфидов), на удалении от рудной залежи сменялась обычными слабо ожелезнёнными глинами.
Минералого-геохимической особенностью окисленных сульфидных руд нередко является их обогащенность ртутью в форме тонкой вкрапленности киновари. На Учалинском месторождении в 1940-ые годы ртуть извлекалась попутно с золотом. Вещественный обмен между богатыми рудами и корой выветривания привел к заражению коры ртутью на расстоянии до 300 м от рудной залежи. За счет инфильтрации бария, присущего не только окисленным и колчеданным рудам, но и вмещающим породам (в пересчете на BaSO4 – 2,1% в измененных кислых породах и 1,04% - в базальтах), околорудная кора оказалась также насыщенной мелкими зернами барита. Высокие содержания в легко мигрирующих рудничных водах месторождения меди, цинка, свинца, мышьяка, золота и серебра определяют аномальный фон этих элементов также и в коре выветривания. Часть концентраций этих металлов унаследована корой выветривания от первичного их содержания в околорудных метасоматитах.
Весьма многочисленны примеры преобразования в зоне окисления первичных малосульфидных руд. Это прежде всего кварцевые жилы – представители золото-кварцевой рудной формации. В пределах зоны окисления (наличие которой обусловлено не столько собственными сульфидами кварцевых жил, обычно их не более 1-5%, сколько значительно более масштабной пиритизацией вмещающих пород) золото крупное, россыпеобразующее, нередко с самородками. При углублении в зону первичных руд без признаков окисления и содержание золота, и размеры золотин заметно падают. Попытки объяснить такие изменения (обычно в диапазоне глубин 20-30 м) первичной эндогенной вертикальной зональностью оруденения обычно не состоятельны, принимая во внимание частое отсутствие в тех же самых первичных рудах сколько-нибудь заметных вариаций состава и качеств в диапазонах глубин в сотни метров. Кроме того, в зоне окисления нередко происходит повышение пробности самородного золота за счет образования на поверхности золотин высокопробной оторочки.
Также и в зонах малой и умеренной сульфидной вкрапленности (золото-сульфидная формация) происходит заметное нарастание содержаний и укрупнения размеров частиц золота. Пример – месторождение прожилково-вкрапленных руд Муртыкты в Учалинском районе РБ, где в зоне окисления золотины достигают размера в несколько мм и питают многочленные ложковые россыпи на склонах рудоносной возвышенности, а содержания золота в рудных гнездах достигают 1 000 г/т, в то время как в первичных сульфидных рудах размер золотин не превышает 70-100 микрон, а содержания –10-15 г/т.
Таким образом, вслед за крупнейшими знатоками зон окисления золоторудных месторождений М.В. Альбовым и Н.В. Нестеровым можно утверждать – без развитой зоны окисления золоторудных месторождений нет и промышленных россыпей с легко извлекаемым крупным металлом.
Промышленное значение имеют также месторождения бурых железняков и месторождения оксидно-силикатных руд никеля и кобальта в корах выветривания серпентинитов, образующиеся в условиях умеренно теплого, субтропического и тропического климата (Верхне-Уфалейское и Буруктальское месторождения на Южном Урале, крупнейшие месторождения Новой Каледонии, Кубы, Австралии и др.). Главными минералами никеля в них являются гарниерит, ревдинскит, никеленосный нонтронит. Самые богатые руды образуются в карстовых западинах на контакте серпентинитов и известняков.
Наконец, для Башкортостана имеют практическое значение окисленные руды железа, образовавшиеся по железистым карбонатам, не имеющим практического значения (зигазино-комаровский тип).
Таким образом, зоны окисления (или, что практически то же самое) коры выветривания, имеют значение, как самостоятельные объекты поисков, перспективные на выявление окисленных руд золота, меди, никеля, кобальта, железа, марганца, серебра и т.д., особенно интересные в свете быстрого развития эффективных геотехнологий (гидрометаллургических способов обогащения). С другой стороны, они радикально преобразуют состав и строение первичных пород и руд и маскируют их под толщей новообразованных пород. Это обстоятельство, наряду с вышеизложенными особенностями химизма и минералогии зон окисления, определяет приоритетные методы поисков.
Когда геолог имеет дело с бурыми железняками, важно установить характер первичных пород и (или) руд, по которым они развиты. Различие железняков, развитых по сульфидным рудам и по серпентинитам, проявляется в том, что в первых высоки содержания халькофилов (Cu, Zn, Pb, S, иногда Au, Ag, сурьма, мышьяк), а также бария, а во вторых – сидерофилов - Ni, Cr, Co. Железняки, развитые по карбонатам без рудной минерализации (анкерит, сидерит) практически стерильны в отношении металлов, кроме железа и марганца. Следовательно, отбор точечных, бороздовых, керновых проб по железнякам и их химический анализ способен дать материал для диагностики первичных пород и руд. Для экспресс-анализа рыхлых пород и руд зоны окисления весьма эффективны компактные полевые приборы рентгено-радиометрического анализа, которые можно настроить либо на набор халькофилов, либо на набор сидерофилов и получить оперативные данные о перспективах окисленных и первичных руд.
Наличие в сульфидных рудах повышенных содержаний ртути позволяет эффективно применять еще один экспресс-метод – атмортутометрический. Пики содержаний ртути часто совпадают с зонами максимальных содержаний золота, серебра, меди.
Сами железняки, независимо от генезиса, обычно выделяются двух-трехкратным превышением фона радиоактивности. Например, все известные месторождения бурых железняков зигазино-комаровского типа в Белорецком районе создают четкие аномалии, фиксируемые в материалах аэрогаммасъемки. Это позволяет применять дешевый и легкий в исполнении радиометрический способ, как наземный, так воздушный.
При поисках золота важной особенностью зон окисления является укрупнение частиц металла до крупности, позволяющей эффективно применять шлиховое опробование. Опробуются как рыхлые образования элювия и делювия на склонах и водоразделах, так и протолочки ожелезненных, окварцованных, обохренных, оглиненных пород из щебня и коренных выходов. Например, в ожелезненных дресвяно-песчаных образованиях на склоне рудопроявления Северный Юлук (вост. часть Зилаирского района РБ) при таком опробовании отмываются золотины размером до 2-4 мм, что однозначно указывает на перспективность объекта.
При небольшой мощности дальноприносных отложений (наносов), перекрывающих зоны окисления потенциальных месторождений, эффективна обычная металлометрическая съемка по сети 200×20 м – 100×10 м. Геохимическое опробование как грунтов на поверхности, так и материала мелких скважин позволяет определить микроэлементный состав зон окисления (также как и бороздовое, точечное). Наряду с литохимическим опробованием на наличие концентраций меди и других цветных металлов указывает также гидрогеохимическое опробование родников, небольших застойных озер, мочажин, грунтовых вод в скважинах.
Следует помнить о том, что в корах выветривания, сложенных песчано-дресвяно-глинистым материалом, нет четко выраженных границ оруденения (за исключением богатых окисленных медных руд, выделяющихся обильной медной зеленью и синью). Поэтому надежное оконтуривание перспективных участков возможно лишь непрерывным опробованием естественных и искусственных обнажений и керна скважин. Крайне неравномерное распределение металлов, типичное в зонах окисления, делает необходимым отбор и изучение валовых проб.
При бурении и проходке горных выработок в зонах окисления следует иметь в виду нередко выраженную вертикальную зональность гипергенного оруденения, с максимальным накоплением металлов в подошве зоны окисления. Именно здесь документация и опробование должны быть наиболее детальными, тщательными.
Из вышесказанного вытекает, что в зонах окисления важно полностью перебурить весь разрез выветрелых, окисленных пород до входа в неокисленные. Для планирования объемов бурения важно знать типичную для района мощность зон окисления. Для башкирского Зауралья мощность зон окисления обычно не превышает 20-40 м, лишь в единичных наиболее глубоких «карманах» достигает 60-65 м. В то же время на платообразных возвышенностях западного склона Урала (Белорецкий район) глубина подошвы зоны окисления часто превышает 200 м.
Нередко высококачественные окисленные руды развиты по низкокачественным первичным рудам, не имеющим промышленного значения (например, Семеновское месторождение золота в Баймакском районе), либо первичные руды интересны в отношении совсем других компонентов, нежели окисленные.
Выход бурения и горных выработок в неокисленные, неизмененные выветриванием породы крайне важен при поисках декоративного, облицовочного, строительного камня. Опробование выветрелых трещиноватых пород способно резко исказить (занизить), например, истинные показатели прочности камня, его морозостойкости и т.д. С другой стороны, некоторые декоративные камня, например, яшмы, халцедоны, сохраняют наиболее яркую окраску в пределах зоны окисления, теряя её в более глубоких горизонтах.
