Роль организмов и органического вещества в формировании осадочных месторождений докембрия

Литолого-геохимические и фациально-палеогеографические реконструкции рудоносных формаций докембрия позволяют высоко оценить многообразную роль углеродистого вещества в формировании месторождений различных полезных ископаемых. С одной стороны живые организмы (водоросли, фитопланктон, бактерии, более высокоорганизованные формы растений и животных) в ходе редукционно-окислительных процессов, в течение своей жизнедеятельности концентрируют в себе различные элементы: фосфор, ванадий, молибден, барий, железо, марганец, сульфиды железа, титан и др. Концентрация нередко продолжается и после отмирания организмов в условиях диагенетического преобразования осадков. С другой стороны, накопление отмершего углеродистого вещества создает благоприятные для осаждения и накопления элементов восстановительную среду, режим кислорода и углекислоты, а также условия для сорбции рудных компонентов из воды бассейнов и иловых растворов. Наконец, органическое вещество в докембрийских толщах само по себе является полезным ископаемым (шунгит, графит), а десорбированные в процессе метаморфизма элементы — титан, ванадий, германий, бор, редкие земли, галлий и другие или формируют свои собственные минералы и их скопления, или изоморфно концентрируются в метаморфических минеральных фазах.

В настоящее время природа углеродистого вещества рассматривается с точки зрения его биогенного происхождения, вопреки господствовавшим ранее представлениям о их абиогенном начале. Генетическая связь органического вещества с различными полезными ископаемыми обусловливает во многих случаях и их тесные парагенные ассоциации, что придает продуктам его метаморфизации значение поискового критерия рудных месторождений.

Р.В. Бойль, хотя и недооценивает огромной роли древнейших кор выветривания как источника рудного вещества для многих эпигенетических месторождений, но в результате своих обширных наблюдений в Канаде и других регионах справедливо отмечает, что: а) мантийные или еще более глубокие части Земли, как поставщики металлов и нерудных компонентов для месторождений остаются в области гипотез и не подтверждены фактическими данными; б) представление о продуцировании рудного материала кристаллизующимися магмами, хотя и популярно, но встречает ряд серьезных возражений (существование эпигенетических, в том числе жильных и метасоматических месторождений на территориях, лишенных изверженных пород; отсутствие вокруг последних зон гидратации, карбонатизации и сульфидизации, наблюдаемых при магматическом происхождении рудоносных растворов); в) наиболее вероятным источником элементов для эпигенетических месторождений являются вмещающие толщи, причем для последующих концентраций Pb, Zn, Cu, Ag, Au, As, Sb и S благоприятными материнскими породами служат глинистые сланцы и особенно черные графито-пиритовые глинистые сланцы.

Парагенетическая ассоциация (в фациальном профиле) докембрийских углеродистых отложений с сульфидными рудами, железистыми кварцитами, сидеритами, фосфоритами и т. д. свидетельствует о том, что накопление или осаждение рудных элементов происходило, как правило, в резко восстановительной обстановке, в условиях бактериальной сульфатредукции и сероводородного заражения в придонных частях обширных и мелководных бассейнов, благоприятных для развития или накопления органического вещества.

Сульфидные минералы тесно ассоцируют с углеродистыми слоями, обладают четкой стратиграфической и литологической приуроченностью и не обнаруживают признаков связи с ювенильными источниками, но в то же время под влиянием динамотермальных метаморфических процессов, магматических внедрений и палингенеза рассеянные сингенетичные рудные вещества мобилизуются и образуют согласные и секущие эпигенетические крупные промышленные тела.

В древних осадочных толщах широко известна тесная ассоциация углеродистых отложений («черных сланцев») и сульфидов железа. Эта ассоциация распространена, например, в средней части разреза зерендинской серии в пределах Кокчетавского докембрийского массива. Здесь в даулетской свите встречаются прослои графитовых биотит-плагиоклаз-кварцевых черных мелкозернистых сланцев, в которых имеются полосчатые обособления кварца, в небольшом количестве андалузит, гранат, иногда диопсид, а также пирротин, частично замещенный пиритом и марказитом и составляющий до 5% объема породы. Пирротин образует тонкие, до 1 мм, линзочки, ориентированные вдоль слоистости и содержащие единичные зернышки халькопирита. Повсеместно рассеяны тончайшие чешуйки графита (до 1%), образующие тесные срастания с биотитом и другими минералами. Отложения подобного генезиса известны также в ачикташской свите киргизской серии докембрия в Тянь-Шане, где колчеданные руды приурочены к пачкам графитовых сланцев.

Хорошо известны более или менее крупные месторождения сульфидов в ассоциации с углеродистыми отложениями в средней и северной Швеции, в Финляндии, в Карелии, Африке, США и т. д.

В северной Швеции графитсодержащие амфиболиты, графит-биотит-гранатовые сланцы, биотитовые полевошпат-кварцевые гнейсы и известняки распространены на обширной территории в районе Норботтен Лаан в составе мощной толщи, возраст которой значительно превышает 1,6 млрд. лет. Наиболее высокое содержание углерода (от 25 до 45%) отмечается в относительно тонких (несколько метров) слоях, вместе с тем, встречаются участки, где богатые пачки сохраняют мощность около 20 м на протяжении более 1 км и в их состав, помимо графита, микроклина, кислого плагиоклаза, кварца и биотита, всюду входит небольшое количество титанита, а пирит и пирротин в сильно колеблющемся количестве образуют одновременно как рассеянную вкрапленность, так и мелкие жилки. Следуя генетической концепции Д. Уайта, П. Гейер считал, что материнскими породами этих богатых графитом метаморфических толщ были сильно битуминозные доломитовые мергели (или мергелистые сланцы), в образовании которых существенную роль играли остатки древних простейших водорослей. В этих графитовых телах совсем нет апатита, но он отнюдь не редок в переслаивающихся с ними породах (месторождение Нунасвара и др.), состоящих главным образом из олигоклаза с примесью графита и апатита и имеющих, очевидно, осадочное происхождение.

Следует отметить, что концентрация фосфора независимо от его источника (океанического или континентального) шла в докембрийских осадочных месторождениях, вероятно, биогенным путем. Простейшие организмы нижнего протерозоя и архея (водоросли, бактерии) содержали, по-видимому, ощутимое количество фосфора. Так, например, современные перидинеи показывают отношение С:Р в пределах 100:2, а в графитовых сланцах из района Скелефт (свекофенниды северной Швеции) С: P = 100: 2,2. В богатых пиритом углеродистых сланцах Мичигана, являющихся членом железорудной формации, на 38,7% пирита и 7,28% углерода приходится 0,09% фосфора.

Однако мягкие ткани древнейших организмов не сохранили in situ фосфатных продуктов, чем и вызвана относительно редкая встречаемость крупных скоплений фосфатов в докембрийских (и особенно архейских) толщах. С постепенным развитием жизни от раннего к позднему докембрию связано неуклонное нарастание фосфатоносности в осадочных толщах. Появление в конце докембрия и начале фанерозоя благоприятных палеогеографических условий для огромных скоплений биомассы, в особенности твердых скелетных и раковинных форм из фосфата кальция, привело к формированию крупных месторождений фосфоритов почти на всех континентах и во многих регионах (Австралия, Африка, Северная и Южная Америка, Индия, Тува, Монголия, Китай, Средняя Азия и др.).

В частности полосчатые фосфориты Хубсугульского верхнедокембрийского бассейна в Монголии обогащены сгустками, линзочками и слойками органического вещества только в черных фосфатных слоях: перемежающиеся с ними светлые доломитовые прослои органики не содержат. В рифейских толщах Тувы темносерые или черные кремнисто-карбонатно-углеродисто-фосфатные образования содержат до 21% Р2О5 и более 34% Copг.

В углеродисто-кремнистых фосфатоносных докембрийских формациях происходила селективная сорбция редких и малых элементов из морских вод эпиконтинентальных бассейнов: с фосфатами, обогащенными органическим веществом, связывался уран, никель, молибден, а с кремнисто-органическим — ванадий и серебро. Разные типы органического вещества обусловили накопление различных элементов: многие халькофильные и сидерофильные элементы, в том числе галлий, концентрируются главным образом в сопропелевых, а германий — почти исключительно в гумусовых образованиях.

Весьма характерна в генетическом отношении также слоистая местами ритмичная с ленточной текстурой ассоциация разной мощности пластов и пропластков: черных углеродистых сланцев и доломитов с пиритом, родохрозита — с прослойками и линзочками углистых сланцев, сидерита — с гриналитом. Эта ассоциация отмечается в толще типичной органогенно-рудной формации слабо метаморфизованных осадочных протерозойских пород на месторождении марганца Моанда в Габоне, в восточной части Центрально-Африканской платформы. В толще докембрийских парасланцев Гвианского щита (серия Амапа в Бразилии) крупные родохрозитовые линзы приурочены только к графитовым сланцам.

Отчетливая парагенетическая ассоциация с глинисто-сланцевыми породами, обогащенными углеродистым веществом, отмечается и для сидеритовых руд в отложениях верхнего протерозоя Бакало-Саткинского района на Западном склоне Южного Урала. Как показали исследования А.Е. Малахова, 3.М. Старостиной, Н.К. Бургеля, Д.П. Xpaменковой и др., пластовые сидеритовые руды мощностью 50—70 м, приуроченные здесь к нескольким терригенно-карбонатным горизонтам осадочной серии, прослеживаются на 1—3 км. К флангам рудные залежи плавно утоньчаются, расчленяясь на более мелкие прослои, многократно чередующиеся с вмещающими доломитами. Последние фациально переходят в известняки, которые, в свою очередь, сменяются известково-глинисто-графитистыми и далее сильно углеродистыми мергелистыми фациями. При этом только после травления, во внешне массивных и однородных сидеритах выявилась четкая горизонтальная слоистость, обусловленная чередованием тончайших прослойков, обогащенных пиритом (от 8 до 26 вес. %), с кварцем или углеродисто-глинистым материалом.

В Кокчетавском докембрийском массиве в Казахстане пласты сидеритов прослеживаются по простиранию на 250—300 км, а в вертикальном и латеральном направлении фациально замещаются углеродистыми глинистыми сланцами и известняково-доломитовыми породами. В сидеритовых телах этого района всюду наблюдается тонкое ритмичное чередование слойков сидерита и углеродистых сланцев, т. е. образование своеобразного сидеритового флиша. В самих сидеритах количество свободного углерода повышено до 0,5%. Для этой сидеритоносной формации с суммарной мощностью до 750 м характерны четкая стратифицированность, согласное залегание с вмещающими филлитами, алевролитами и песчаниками, а также широкое площадное распространение, большое количество сидеритовых пластов, их значительная мощность (от 0,5 до 3—10 м, изредко до 30 м) и постоянный парагенезис с различными углеродистыми филлитовидными сланцами и известняково-доломитовыми породами. В сидеритах часто присутствуют многочисленные остатки водорослей в виде неправильно-комковатых или сфероидальных карбонатных образований, окаймленных непрозрачным углеродистым веществом. Они содержат пиритную серу (до 1%), фосфор (до 0,25%), марганец (до 2,5%), барий, стронций, бор, ванадий и другие примеси. По своему составу (SiO2 47%, FeO + Fe2O3 оо 12%, CaO+MgO оо 13%) углеродисто-глинистые (мергелистые) сланцы изохимичны магматическим и метаморфическим породам основного состава (базальтам, габбро, амфиболитам и др.), т. е. в условиях более высокой степени метаморфизма они превратились бы в основные кристаллические сланцы, ритмично чередующиеся с магнетитовыми прослоями (за счет сидерита), при этом имитируя метаморфизм тонкослоистой железорудной будто бы вулканогенной серии. Литолого-фациальные и геохимические исследования показывают, что отложение кокчетавских сидеритов происходило, скорей всего, в мелководном, отшнурованном от открытого моря бассейне, вблизи пенепленизированкой суши, претерпевшей химическое выветривание (в условиях теплого и влажного климата) и богатой железистыми минералами. По-видимому, в водоемах шло обильное накопление отмиравшего фитопланктона и водорослей, создававших благоприятную среду для сидеритообразования.

Ассоциация сидерита с углеродистым веществом характерна для раннего докембрия. Например, в киватинских (нижнеархейских) крупнейших железорудных месторождениях района оз. Верхнего (США), тесно связанных с базальтовыми покровами, среди кремнисто-сланцевых пород с магнетит-гематитовыми и силикатными (нередко оолитовыми) рудами часто развиты сидериты, образующие отдельные полосы и тела. С сидеритами и магнетитами местами ассоциирует в большом количестве графит. Следы водорослей и бактерий указывают на то, что при химической седиментации железных руд, кремнистых и других сопутствующих пород существенную роль играли, очевидно, и биологические факторы.

В громадном (500x250 км) нижнепротерозойском железорудном бассейне Западной Австралии (формация Хамерсли, мощность около 4 км) отмечается характерная, весьма правильная и закономерная полосчатость и ритмичность железорудных, кремнистых и силикатных слоев. Характер такой ритмичности допустимо связывать с жизнедеятельностью водорослей, появившихся в процессе колебательных движений дна бассейна. Это тем более вероятно, поскольку в названной провинции встречается большое количество высокоуглеродистых сланцев, а среди рудных минералов, кроме гематита, широко развиты анкерит и сидерит, в кремнистых же прослоях и доломитах в ряде случаев обнаружены структурные скелетные углеродистые формы или даже строматолитовые водоросли. Изотопные исследования углерода из карбонатных вкраплений и прослоев железисто-кремнистых пород формации Брокман (bС13 от -9 до -12%) и из пластов доломитов в железорудном бассейне Хамерсли (bС13 от +2 до -2%) показывают, что источником легкого углерода, скорее всего, было органическое вещество, а железистые образования осаждались в околоокеаническом громадном водоеме и в их генезисе важную роль играла биологическая активность. Анализ приведенного материала позволяет сделать вывод, что независимо от геологического возраста обогащенные органическим веществом и в разной степени метаморфизованные осадочные породы содержат повышенные концентрации U, V, Р, Mo, Ni, TR, Ti и некоторых других элементов. Накопление их связано или с жизнедеятельностью древних морских (главным образом, простейших) организмов, или с избирательной сорбцией этих элементов отмершей органической массой, но зависит также и от геохимических особенностей провинций.

Рудогенерирующая роль метаморфических процессов хорошо может быть прослежена на примере урана, обладающего в растворах (U+6) высокой миграционной способностью и образующего в черных сланцах (U+4) повышенные по сравнению с кларковыми сингенетические накопления. Очевидно, как в докембрийских, так и в фанерозойских осадочных толщах рудообразование имело полигенный характер, а неоднократная мобилизация урана происходила при диагенезе — эпигенезе — метаморфизме. В этой связи интересно отметить, что докембрийские осадочные месторождения урана в районе Рам Джангл практически неотличимы от типичных гидротермальных. Сильно метаморфизованные докембрийские золотоурановые россыпи Витватерсранда (с тухолитом, в котором установлены недавно и аминокислоты) связаны с древнейшими гипергенными процессами накопления рыхлых тяжелых осадков, подвергшихся потом цементирующему действию минерализованных гидротерм (магматических или метаморфогенных). Все это говорит о первично осадочной концентрации урана, фосфора и органического вещества в древних илах. При их метаморфическом преобразовании выкристаллизовались апатит и графит, а в зонах трещин и дробления пород происходила десорбция урана из органического вещества и выделение уранинита.

Широкое распространение углеродистых формаций в докембрийских толщах, а также приуроченность к ним многих месторождений полезных ископаемых свидетельствуют о большой роли живого и отмершего органического вещества в осадочном рудогенезе не только в позднем докембрии и фанерозое, но и на ранних этапах геологического развития Земли.