Porfirowe złoża Cu
Porfirowe złoża Cu stają się coraz ważniejszym, potencjalnym źródłem miedzi /4/. W przeszłości eksploatowano złoża o zawartości Cu sięgającej nawet 20%. Obecnie eksploatację miedzi porfirowej prowadzi się nawet przy zawartościach 0,5-1%. Porfirowe złoża Cu stanowią obecnie ponad połowę zasobów światowych. Ich znaczenie i udział stale wzrasta wraz z wyczerpywaniem się bardziej zasobnych złóż.
Przez miedź porfirową należy rozumieć olbrzymie złoża o niskiej koncentracji Cu, niezależnie od ich genezy, czy rodzaju skał okruszcowanych. Złoża wykazują wyraźną strefowość oraz są łatwe do eksploatacji.
O znaczeniu miedzi porfirowej decydują duże jej zasoby (liczone w setkach milionów ton), łatwość eksploatacji, która zwykle prowadzona jest metodą odkrywkową, dobre parametry techniczne rudy, łatwość w oddzieleniu składnika użytecznego od skały płonnej poprzez ługowanie i flotację oraz cenne pierwiastki towarzyszące, głównie takie jak: Au, Ag, Mo, Rh i wiele innych.
Porfirowe złoża Cu nie występują na całym świecie. Ich rozmieszczenie ściśle powiązane jest ze środowiskami geotektonicznymi. Złoża te grupują się w strefach aktywnych tektonicznie, a więc głównie na granicach płyt litosferycznych. Występują one w strefach subdukcji np: zachodnie wybrzeże obu Ameryk, na łukach wyspowych np: Papua-Nowa Gwinea, czy w dolinach ryftowych (fig. 1).
Ponad 90% złóż związanych jest z młodymi intruzjami o wieku poniżej 75 milionów lat. Najmłodsze złoże Ok Tedi w Papuii-Nowej Gwineii jest datowane na 1,2 miliona lat. Potwierdza ono to, że złoża takie tworzą się na ziemi do dzisiaj, a ich geneza związana jest z aktywnymi centrami wulkanicznymi.
Miedź porfirowa występuje w intruzjach: od kwaśnych do obojętnych, często związanych z procesami wulkanizmu alkalicznego. Ciało rudne budują skały o teksturze porfirowej takie jak: dacyty, latyty, riolity oraz ich głębinowe odpowiedniki: dioryty, monzodioryty, granity, rzadziej monzonity i sjenity. W obrębie intruzji można wyróżnić skały generowane przez wielokrotne pulsy magmowe. Przy czym okruszcowanie wiąże się z tym najmłodszym pulsem.
Strefy zmineralizowane przyjmują kształt walców o przekrojach eliptycznych, kolistych, pierścieniowych. Z reguły powierzchnia takiego walca w przekroju wynosi 1 - 2 km2. Strefy zmineralizowane ciągną się w głąb do 500 - 1000 m. Strefy przeobrażeń metasomatycznych i hydrotermalnych zajmują powierzchnię 10 - 20 km2.
Obok Cu złoża porfirowe zawierają wiele innych użytecznych pierwiastków: Mo, Au, Ag, Pb, Zn, Mn oraz mniejsze ilości As, Bi, Sn, W, V, Rh, Pd. Głównymi minerałami Cu są chalkopiryt, chalkozyn, bornit, rzadziej valleryt, kubanit, tennantyt, tetraedryt i enargit.
Większość klasycznych złóż Cu można podzielić na różne strefy w zależności od występujących minerałów, przeobrażeń, czy form występowania mineralizacji. Tak jak w każdym złożu, można tutaj wydzielić od spągu strefę pierwotną, cementacyjną i wietrzeniową. Kolejno od centrum walca znajdują się strefy przeobrażeń: potasowa, fyllityzacji*, argilityzacji i propylityzacji. Centrum intruzji stanowi strefa masywna z mineralizacją rozproszoną, natomiast strefy położone płycej są silnie spękane, a siarczki wypełniają szczelinki sztokwerkowe.
W 1970 roku Lowell i Guilbert skonstruowali model klasycznego złoża porfirowego Cu na podstawie ciała rudnego San Manuel - Kalamazoo w Arizonie (fig. 2a). Według tego modelu jądro intruzji odznacza się niskimi koncentracjami Cu i Mo. Z minerałów kruszcowych występuje chalkopiryt, piryt, molibdenit i bornit. Mineralizacja ma charakter rozproszony. Centrum intruzji otoczone jest strefą silnie okruszcowaną i wzbogaconą w pierwiastki użyteczne. Strefa ta obejmuje sztokwerk. W jego obrębie występują złożowe nagromadzenia molibdenitu, chalkopirytu oraz niewielkie ilości pirytu. Mo koncentruje się w częściach bardziej wewnętrznych, a Cu w zewnętrznych. Strefa okruszcowana Cu i Mo otoczona jest przez tzw. halo pirytowe. Halo jest nadzwyczaj bogate w piryt, którego zawartość waha się od 10 do 15% wagowych. Współwystępuje z chalkopirytem oraz z śladowo spotykanym tutaj molibdenitem. Jeszcze dalej od intruzji znajduje się strefa peryferyczna z niską zawartością pirytu. Odznacza się ona okruszcowaniem Au i Ag. Powyżej jest obecna strefa cementacji, szczególnie dobrze rozwinięta w warunkach suchego i gorącego klimatu. Powstaje ona jako efekt migrującej wody z strefy utlenionej, która wynosi jony Cu w dół, aż do zwierciadła wód gruntowych. Na granicy zwierciadła siarczki ponownie strącają się, tworząc wzbogaconą strefę cementacji. Jest to najbogatsza ze stref okruszcowanych, w której koncentracje Cu mogą dochodzić maksymalnie do 15-20%. Strefę tworzy głównie chalkozyn, bornit, a ponadto kowelin, miedź rodzima, digenit, czy djurleit.
Najbardziej przypowierzchniową strefą jest strefa wietrzeniowa (utleniona). Budują ją czapy tlenków Fe, polewy limonitowo-hematytowe, a także tlenki i wodorotlenki Cu (kupryt, tenoryt, melaconit, salesyt, atacamit), siarczany Cu (brochantyt, antleryt, kroehnkit, chalkantyt, kuprocopiapit), węglany, fosforany, jodany, czy chlorany. Wiele z tych minerałów stanowią rzadkości mineralogiczne, występujące tylko w jednym złożu na całym świecie. Minerały cechują wyjątkowe barwy: od zieleni malachitu, poprzez błękit azurytu do czerwieni kuprytu.
Migracja fluidów (kwaśne roztwory wodne oraz składniki lotne) prowadzi do rozpuszczania niektórych składników mineralnych skał pierwotnych oraz wynoszenia ich w inne strefy. Tak krótko można opisać sposób powstawania stref przeobrażeń metasomatycznych i hydrotermalnych, które ogólnie mówiąc różnią się tylko temperaturą roztworu i składem rozpuszczonych w nim składników. Zmiany mają rozprzestrzenienie poziome i pionowe. Klasycznie wykształcone złoże porfirowe Cu zawiera cztery strefy przeobrażeń: dwie metasomatyczne (potasowa, propylitowa) oraz dwie hydrotermalne (fyllitowa, argilitowa) (fig. 2b).
W centrum intruzji znajduje się strefa potasowa. Skład mineralny tworzących ją skał odznacza się występowaniem kwarcu, skalenia potasowego, biotytu oraz niekiedy znacznej ilości serycytu i anhydrytu. Powyżej jest obecna strefa fyllitowa zbudowana z trzech głównych minerałów takich jak: kwarc, serycyt, piryt /2-5/. Na granicy strefy fyllitowej i potasowej znajdują się największe koncentracje Cu. Nad nią niekiedy pojawia się strefa argilitowa zawierająca kwarc, chloryt, kaolinit oraz inne minerały ilaste. W stropie występuje strefa propylitowa z chlorytem, epidotem, węglanami, adularem, albitem /2-5/.
Należy podkreślić, że w wielu złożach nie wszystkie te strefy są obecne. Czasami mogą one występować w innej kolejności. W niektórych złożach powyżej opisane przeobrażenia stanowią wąskie strefy. Natomiast serycytyzacja, karbonatyzacja, pirytyzacja, sylifikacja, gipsyfikacja mogą być rozwinięte na większą skalę.
Interpretacja tych stref przeobrażeń oraz prognozowanie ich wystąpień ma kluczowe znaczenie przy poszukiwaniu tego typu złóż. Jeżeli dobrze ustalimy następstwo przeobrażeń, to możemy powiedzieć w miarę precyzyjnie, gdzie wystąpi okruszcowanie Cu, pomijając kosztowne prace poszukiwawcze.
Wszelkie przeobrażenia i mineralizacje zawdzięczają swe powstanie migrującym roztworom, dlatego tak ważne jest, aby ustalić skąd się te roztwory wzięły i jaki miały skład. Do dzisiaj trwają spory, czy fluidy są pochodzenia magmowego (z głębi ziemi), czy meteorycznego (z powierzchni ziemi np: solanki morskie) /2/. Badania inkluzji oraz stosunków izotopów Sr, O, D/H oraz ? 18O oraz ? D wskazują na oba źródła fluidów. Jedno jest pewne, że procesy migracji są skomplikowane i mogą powtarzać się wielokrotnie.
Genezę złóż porfirowych tłumaczy się umiejscawianiem fluidów magmowych w przepuszczalnych skałach, stosunkowo płytko pod powierzchnią ziemi. Ciepło pochodzące ze stygnącej intruzji wywołuje ruch konwekcyjny roztworów. Fluidy zaczynają się gromadzić w komorze magmowej. Wzrasta ciśnienie, które po przekroczeniu wartości granicznej rozrywa ściany komory. Powstaje system spękań (sztokwerk). Jednocześnie spadek ciśnienia wywołuje wrzenie roztworów. Wrzenie absorbuje duże ilości ciepła. Efektem tego jest to, że w obrębie intruzji pojawiają się znaczne różnice temperatur i ciśnień. Pewne partie komory szybko stygną, zostają pocięte siecią spękań, w których precypitują siarczki. Wytrącają się z roztworów silnie zasolonych (30 - 60 % NaCl) o temperaturze = 250 - 500o C, w obecności jonów S-2. Skały te szybko stygną i dlatego ich tekstury są porfirowe.
Oprócz migrujących fluidów również działalność wulkaniczna może być odpowiedzialna za mineralizację Cu. Powstanie złóż porfirowych Cu, szczególnie w pasie andyjskim tłumaczy się podsuwaniem płyty pacyficznej pod kontynent amerykański. Efektem tego jest wulkanizm alkaliczno-wapniowy, którego powierzchniowym przejawem są liczne stratowulkany (fig. 3). Złoże umieszcza się gdzieś na granicy batolitu i komina wulkanicznego w obrębie utworów silnie zbrekcjonowanych.
* w odniesieniu do tej strefy bywa również używany termin „serycytyzacji”, jednak w opisie złoża modelowego „San Manuel Kalamazoo” użyto nazwy, jak w tekście [przyp. red.]
Uwaga! Jako, że część z przedstawionych w tekście stwierdzeń jest w dalszym ciągu przedmiotem sporów naukowych, przy niektórych stwierdzeniach podano cytowania z literatury.
Słowniczek:
argilityzacja - niskotemperaturowy proces hydrotermalny, będący wynikiem działalności powulkanicznej, polegający na zastępowaniu minerałów pierwotnych skały minerałami ilastymi.
fluidy - składniki lotne (gazy, pary) oraz roztwory o określonej temperaturze i aktywności chemicznej, zawierające pewne pierwiatki lub związki chemiczne.
fyllityzacja - proces na granicy przeobrażeń hydrotermalnych i metamorfizmu regionalnego prowadzący do zwiększenia gęstości skały, rekrystalizacji oraz na przekształceniu minerałów ilastych w serycyt, chloryt, biotyt.
metasomatoza potasowa (alkaliczna) - metasomatyczny proces rozpuszczania pierwotnych minerałów barwnych i na ich miejsce osadzania skaleni potasowych i łyszczyków.
okruszcowanie - proces nagromadzania się minerałów kruszcowych w skałach, niezależnie od ich zawartości i sposobu koncentracji.
procesy hydrotermalne - procesy zachodzące poniżej 500oC i przy ciśnieniu wskazującym na głębokość nie większą niż 4000 m, pod wpływem roztworów hydrotermalnych. Polegają na przekształceniu składu chemicznego, mineralnego oraz tekstury i struktury skały.
procesy metasomatyczne - procesy rozpuszczania pewnych składników mineralnych i zastępowania ich przez inne w określonych warunkach ciśnienia i temperatury, zachodzące w skale w stanie stałym, bez jej przetopienia.
propylityzacja - proces metasomatyczny zachodzący na niewielkich głębokościach pod wpływem działania roztworów zasobnych w CO2 i S, polegający na przeobrażeniu barwnych minerałów w chloryt, epidot i kalcyt, z jednoczesną albityzacją plagioklazu.
sztokwerk (stockwerk) - drobna siateczka spękań wypełniona mineralizacją kruszcową.
sztok - ciało intruzyjne o kształcie zbliżonym do walca, w przekroju koliste, eliptyczne, pierścieniowe, zwykle o powierzchni 1 - 2 km2.
Bibliografia:
1.Bolewski, A. et. al. „Surowce mineralne świata: miedź - Cu”. Warszawa 1977, str 28 - 41
2. Bowen, R., Gunatilaka, A. „Cooper: its geology and economics”. Londyn, 1977, str. 61 - 83
3. Edwards, R., Atkinson, K. „Ore deposit geology”. Nowy Jork, 1986, str. 69 - 92
4. Evans, A. M. „Ore geology and industrial minerals”. Oxford, 1993, str. 171 - 189
5. Guilbert, J. M., Park, Ch. F. Jr. „The geology of ore deposits”. Nowy Jork, 1975, str. 405 - 426