Осадочные месторождения железа

Осадочные руды железа представляют собой разновидность горных пород с обманчиво простыми составом и структурой и загадочным происхождением. Они имеют огромное экономическое значение и, что особенно важно для нас, являются ключом к пониманию эволюции Земли. Известны две главные минералогические разновидности первичных железных руд: гематитовые руды с изменяющимся количеством осадочных примесей и низкими концентрациями кремнезема и гематит-магнетитовые руды, бедные глиноземом, но обогащенные кремнеземом. Кремнистые руды почти всегда имеют тонкополосчатую текстуру, обусловленную чередованием прослоев с различными содержаниями окиси кремния. Речь идет о железистых кварцитах, на месторождениях которых сосредоточена большая часть мировых запасов железных руд. Бедные кремнеземом гематитовые руды называются железняками. Почти все месторождения железистых кварцитов образовались в докембрии, а почти все залежи железняков имеют фанерозойский возраст.

Считается, что полосчатые железистые кварциты по простиранию постепенно сменяются железистыми карбонатными породами, затем железосодержащими силикатными и, наконец, сульфидоносными фациями, как это предположил в своей классической работе Джеймс. С переходом ко все более восстановленным фациям железосодержащих пород содержание кремнезема в рудах уменьшается, а доля глинозема (в составе примеси обломочного материала) возрастает. Поэтому можно предположить, что в восстановительной среде, существовавшей в глубоководных зонах, процессы образования хемогенных осадков протекали медленнее, чем накопление терригенных толщ.

Месторождения железистых кварцитов в соответствии с их структурными особенностями и тектоническими условиями формирования можно подразделить на две разновозрастные группы. Различия между ними не всегда можно уловить, если имеешь дело со штуфами руд или небольшими обнажениями. Ho в целом архейские месторождения характеризуются не столь правильной и выдержанной полосчатостью руд и имеют не такую значительную площадь, как их протерозойские аналоги. Кроме того, архейские залежи в ряде случаев явно связаны с синхронными им толщами вулканогенных пород. Полосчатые или пятнистые железосодержащие кремнистые породы (яшмы) почти повсеместно встречаются в разрезах морских вулканогенных толщ. Как указывалось ранее, на вулканогенных колчеданных месторождениях они пользуются преимущественным развитием в зонах, удаленных от участков наиболее интенсивного хемогенного осаждения сульфидов. Оруденение такого типа особенно характерно для вулканогенных свит зеленокаменных поясов архея. Поскольку очень многочисленные и крупные залежи железных руд этого типа известны в Канаде, то название одного из них, месторождения Алгома, стало собирательным для всех архейских месторождений полосчатых железистых кварцитов.

Полосчатые железистые кварциты залегают среди самых древних пород планеты. Они встречаются, например, в различных частях стратиграфического разреза серии Исуа в Гренландии. Полевые наблюдения позволяют установить, что эти породы залегают стратиграфически выше гнейсов Амитсок, хотя имеют возраст 3760 ± 70 млн. лет. Аппель подсчитал, что в породах этой серии сосредоточено 2 млрд. т руды при содержаниях железа около 34%. Таким образом, в этом районе имеется древнейшее на Земле рудное месторождение. Руды сложены окислами и карбонатами железа, а также силикатными и сульфидными минералами. В линзах амфиболитов, которые могли сформироваться по туфам базальтового состава, содержатся сульфиды меди. На этом месторождении отношение Cu/Fe в сульфидных минералах выше, чем на более молодых архейских месторождениях того же типа. Хотя промышленных концентраций меди при этом не образуется, можно считать, что мы имеем дело и с самым древним из известных медных месторождений. Интересно, что в данном случае в рудах совершенно отсутствует никель. Сульфиды осаждались вместе с материалом, который, возможно, имел вулканогенное происхождение. Описываемые железистые кварциты являются частью архейского гнейсового комплекса Гренландии, входящего в состав Северо-Атлантического кратона.

Гудвин на примере залежей Северо-Американского (Канадского) щита убедительно продемонстрировал связь месторождений полосчатых железистых кварцитов типа Алгома с вулканизмом. Действительно, в районе Джером месторождения этого типа, хотя и менее крупные, найдены среди протерозойских вулканитов, такие же образования встречаются и вблизи фанерозойских вулканов.

Гораздо более крупные и более распространенные месторождения полосчатых железистых кварцитов типа озера Верхнего не столь явно связаны с вулканогенными породами. Они образовывались в шельфовых или, возможно, дельтовых условиях, и их руды несут множество признаков отложения в мелководных условиях, в частности содержат биогермы строматолитов. Формирование почти всех этих крупнейших в мире месторождений железных руд протекало в течение 200—300 млн. лет в конце раннего протерозоя.

Если бы нам удалось установить, какие именно механические, химические (и биологические?) факторы определяли источник и способы переноса и отложения железа и кремнезема, то стало бы возможным создать довольно детальную модель Земли, какой она была в среднем протерозое. Ho как обычно, даже в случае этих довольно простых и хорошо известных пород сформулированная выше задача содержит слишком много неизвестных. Все еще не ясно, что обеспечивало поступление железа и кремнезема: вулканическая деятельность или эрозия суши? He выяснено до конца, чем обусловлено закономерное чередование кремнистых и железистых прослоев в рудах: деятельностью живых организмов или особенностями неорганической природы? Конечно, выяснению многих вопросов мешает предвзятое мнение, относящееся к простым примерам, когда оруденение локализуется в пределах зон, обрамляющих вулканические центры. Неизвестно, в какой степени оно применимо по отношению к гигантским, глобального масштаба бассейнам, в которых за столь короткий в геологическом понимании срок накопились полосчатые железистые кварциты типа озера Верхнего. Будет интересно еще раз вернуться к этой проблеме в разделе, посвященном тектоническому режиму Земли в среднепротерозойское время.

Гораздо меньшие по масштабам, но все же имеющие промышленное значение месторождения железняков встречаются в толщах фанерозойских образований. Они локализуются в хемогенно-осадочных породах и накапливались там, где поступление обломочного материала было невелико. Привнос железа обеспечивался в одних случаях вулканическими процессами, а в других — деятельностью речных вод, которые характеризовались достаточно низкими значениями pH. Руды отлагались вблизи береговой линии из насыщенной карбонатами морской воды, и в процессе осадконакопления обычно происходило образование оолитов. На таких месторождениях, и особенно на тех из них, которые имеют мезозойский возраст, важными компонентами руд являются и карбонатные минералы, и силикаты (шамозит). Мощность обогащенных железом слоев, как правило, не превышает 10 м. Руды этого типа лучше всего развиты в силурийских породах в Аппалачах. Там они называются железняками клинтонского типа. В Европе железистые осадочные породы особенно хорошо представлены в юрских толщах, которые обнажаются на границе ФРГ и Франции и называются там железняками типа Минетта или лотарингскими рудами. Во всех этих типах руд кремнезем является второстепенным компонентом.

Кимберли принадлежит замечание, что накопление железорудных месторождений в архее протекало в условиях активного вулканизма, в раннем протерозое — на континентальном шельфе и в фанерозое — в пределах внутриконтинентальных морских бассейнов. Таким образом, оказывается, что обстановки, при которых в ходе осадочного процесса происходило осаждение железа, со временем возникали все ближе и ближе к суше. В архее они существовали в глубоководных морях, на месте которых впоследствии сформировались пояса зеленокаменных пород. 2000 млн. лет назад, во время своеобразного «бума» в железонакоплении, такие же условия сложились на континентальном шельфе, а в палеозое и мезозое — в эпиконтинентальных морях. Современные болотные руды образуются прямо на поверхности суши.