Тайны мира » Хочу все знать » Уголь с сульфидными прожилками

Уголь с сульфидными прожилками

На фото — кусок угля из месторождения Норильск-1 в Красноярском крае (ширина фрагмента, попавшего в кадр, — около 2 см). Трещины в этом куске угля заполнены минералом халькопиритом, он золотистого цвета.

Халькопирит (CuFeS2) — это основной промышленный минерал, из которого добывают медь. Он получил свое название от греческого слова ????o? — «медь, руда» и слова «пирит» (греч. ??????? ????? — «камень, высекающий огонь») — минерал, дисульфид железа (FeS2). Старое его название — медный колчедан. Термин колчедан, служивший для обозначения минералов из классов сульфидов, восходит тоже к греческому: ??????????? — «халкидонский», от названия города Халкидон, греческой колонии в Малой Азии, где раньше добывали многие минералы (отсюда же слово халцедон — название разновидности кварца).

Халькопирит обычно золотисто-желтый или зеленоватый, с металлическим блеском. На его поверхности образуется тонкая оксидная пленка (побежалость), отливающая всеми цветами радуги — их называют цвета побежалости. Этот радужный отлив возникает из-за интерференции световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхности пленки. В природе халькопирит распространен очень широко, он встречается в виде сплошных масс, редко — кристаллов. Халькопирит образуется при гидротермальном, метаморфическом, осадочном и магматическом процессах совместно с галенитом, сфалеритом и другими минералами, это важнейший компонент полиметаллических руд.

A — кристалл халькопирита (желтый), черные скопления — минерал шамозит из группы хлоритов; B — скопления халькопирита с побежалостью на доломите (белый). Изображения с сайта mindat.org

Сосредоточенные на севере Красноярского края месторождение Норильск-1, где был найден кусок угля с халькопиритом, показанный на главном фото, а также месторождения Октябрьское и Талнахское относятся к крупнейшим медным месторождениям в мире. Они уникальны также по своим запасам никеля и металлов платиновой группы. Образование месторождений Норильска связывают с обильными излияниями трапповых магм, которые происходили на границе перми и триаса около 251–250 млн лет назад (см. Норильская мульда). Траппами называют базальты, излившиеся на континенте за короткий промежуток времени и занимающие значительные площади. Сибирские траппы площадью около 7 млн км2 образуют одну из крупнейших трапповых провинций в мире.

Сибирские траппы. Мощность базальтов в некоторых местах достигает 3,5 км. Несмотря на значительный объем материала, излившегося на поверхность, считается, что случилось это за очень короткий по геологическим меркам период (около 1 млн лет). фото с сайта reddit.com

Большинство исследователей связывают формирование месторождений меди, никеля и металлов платиновой группы норильского региона именно с трапповым магматизмом. Хотя точный механизм образования месторождений пока не известен, важную роль в нем, по-видимому, играют процессы сульфидно-силикатной несмесимости (см. Immiscible melts) — распад единой, однородной магмы при понижении температуры и давления на две и более несмешивающиеся магмы. Примерно так капли масла, размешанные в воде, будут образовывать самостоятельную фазу, которая не сможет полностью смешаться с водой. Отличие в том, что распад на две (или более) несмешивающиеся магмы происходит из единого расплава.

Дело в том, что трапповые магмы по составу являются силикатными, их главные компоненты — кислород, кремний, железо, кальций, натрий, калий, магний и некоторые другие элементы. Однако силикатные магмы также содержат некоторое количество серы. На глубине, при высоких давлениях и температуре, магма однородна. Но при ее движении наверх давление и температура падают и растворимость серы в магме также становится меньше. Сера начинает образовывать соединения с металлами (главным образом, с железом, медью, никелем) и обособляться от окружающего силикатного расплава.

Из-за разных физико-химических свойств силикатные и сульфидные соединения не могут смешаться друг с другом. Сульфидный расплав, как капли масла в воде, находится в силикатной магме. Также он обогащается халькофильными элементами, проявляющими сродство к сере, — серебром, мышьяком, висмутом, кадмием, медью, галлием, свинцом, селеном, цинком, теллуром и др. (халькофильные элементы способны в определенных условиях накапливаться, образуя рудные месторождения: слово ????o?, как мы уже знаем, означает не только «медь», но и «руду»). В норильских месторождениях часть капель сульфидного расплава под действием сил гравитации упала ниже и сформировала горизонт массивных руд (их мощность в некоторых местах достигает 50 метров), другая часть застыла во взвешенном состоянии и образовала так называемые вкрапленные руды.

Массивные руды (a) и вкрапленные руды (b) норильских медно-никелевых месторождений. фото © Александр Марфин

Таким образом возникли залежи сульфидов, состоящих в основном из пирротина, халькопирита и пентландита. Так как у сульфидов температура кристаллизации ниже, они дольше оставались в жидком состоянии. И под действием различных факторов (например, литостатического давления) могли течь наподобие жидкости и кристаллизоваться в других местах — трещинах, ослабленных зонах в горных породах. Из-за этого некоторые сульфиды оказались «выжаты» в осадочные породы, которые находятся под покровом базальтов.

Среди осадочных пород в регионе встречаются угли. По трещине в угольном пласте в угли внедрился сульфид. Поскольку температура сульфидного расплава была очень высокой, угли подверглись коксованию, то есть прокаливанию без доступа кислорода. Из-за термической усадки углей образовались характерные полигональные отдельности, между которыми проник сульфид, заполнив каркас «сот». Так и сформировался образец с главного фото — черные угольные соты с золотистыми прожилками халькопирита.

Сульфидные жилы в угле из месторождения Норильск-1 (ширина фрагмента угля в кадре — около 5 см). фото © Александр Марфин

Еще одним интересным примером взаимодействия углей, на этот раз с силикатными расплавами, служит образование самородного железа. Впервые самородное железо было обнаружено на острове Диско у западного побережья Гренландии в 1883 году. Оно встречается в виде вкрапленности в базальте и использовалось местными инуитами для изготовления орудий. Самородное железо встречается редко и практически не образует значительных скоплений, представляя минералогический интерес. Если силикатная магма внедряется в породы, содержащие угли, то происходит реакция восстановления углеродом (углем) оксидов железа (магнетита), который содержится в расплаве. В результате помимо самородного железа образуется когенит (карбид железа). В России находки самородного железа связаны с траппами базальтов, которые во время своего подъема из глубины захватили угли. По сути, это природный металлургический (доменный) процесс.