Физико-химические условия железорудного осадконакопления в докембрии

Одной из интересных особенностей, присущих только или почти исключительно докембрийскому периоду, является образование в это время пластов железистых кварцитов, имеющих глобальное распространение. Еще П.П. Пятницким было отмечено, что железистые кварциты имеют во всех районах мира весьма близкий состав и относятся, несомненно, к однотипным образованиям.

По мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей резко преобладающая часть железистых кварцитов образовалась в стадию седиментогенеза, во время концентрации основных компонентов и, прежде всего, железа и кремнезема, привносившихся в древние бассейны с континентов. В пользу первично осадочного происхождения этих железистых кварцитов свидетельствуют следующие факты: а) закономерное положение их в железорудных формациях (метапесчаники — сланцы — железистые кварциты); б) закономерное положение фациальных разновидностей железистых кварцитов в разрезе железистых горизонтов; в) наличие внутри железистых горизонтов волноприбойных знаков и окатанных галек, свидетельствующих о межрудных размывах и сравнительно небольшой глубине отложения железистых осадков; г) постепенность переходов от железистых кварцитов к сланцам, первично осадочное происхождение которых не вызывает сомнений.

В изучении генезиса железистых кварцитов еще недостаточно используются методы осадочной геологии докембрия, разработанные А.В. Сидоренко и его сотрудниками. В настоящее время имеется очень мало работ, посвященных ритмичности железорудного осадконакопления, природе первичного рудного минерала железистых кварцитов, выяснению первичной природы амфиболитов, ассоциирующих с сильно метаморфизованными железистыми кварцитами и др. Видимо, этим объясняется возрождение в последнее время почти забытых и мало обоснованных гипотез о метасоматическом и даже магматическом происхождении железистых кварцитов. Как известно, сейчас многие исследователи выделяют железисто-кремнисто-метабазитовые и сменяющие их во времени железисто-кремнисто-сланцевые формации. Считается, что железистые кварциты формаций последнего типа имеют гораздо большее пространственное развитие и первично осадочное происхождение. Образование железистых кварцитов в формациях первого типа связывается с процессами вулканизма на основании парагенезиса этих пород с метабазитами. Выделение двух отмеченных выше типов формаций отражает реальную действительность, однако никем из исследователей не предпринималось серьезных попыток выяснить первичную природу амфиболитов, ассоциирующих с сильно метаморфизованными железистыми кварцитами. Если эти породы окажутся не орто-, а параамфиболитами, то выделение вулканогенных железистых формаций будет во многих случаях неоправданным, а количество первично осадочных железистых кварцитов значительно возрастет.

Прежде чем перейти к анализу физико-химических условий железорудного осадконакопления, рассмотрим кратко вопрос о природе главнейших рудных минералов железистых кварцитов — магнетита и карбоната. В течение длительного времени в литературе господствовало мнение о вторичном (метаморфическом) происхождении магнетита железистых кварцитов за счет железистого карбоната, считавшегося сидеритом. Эта традиционная точка зрения подвергалась в последние годы критическому пересмотру, в результате которого многие авторы пришли к заключению о первично осадочном или раннедиагенетическом происхождении обоих рассматриваемых минералов. Основным доказательством первичного (не метаморфического) происхождения магнетита является закономерная приуроченность его скоплений к определенным фациальным разновидностям железистых кварцитов, занимающим строго определенное положение на фациальном профиле железорудной формации. Как показали детальные петрографические исследования, первичным карбонатом железистых кварцитов является не сидерит, а минерал переменного состава ряда сидерит — магнезит. При повышении температуры метаморфизма этот карбонат не превращается в магнетит, а вступает в реакцию с кварцем, образуя силикаты — куммингтонит или грюнерит, широко распространенные в железистых кварцитах средних ступеней метаморфизма, в то время как магнетит является в главной массе «проходящим минералом». О первичном происхождении магнетита и карбоната может свидетельствовать совместное присутствие этих минералов в железистых кварцитах «без следов замещения одного другим». Обычным для железистых кварцитов является очень тонкое переслаивание магнетитовых и карбонатных слойков, что при допущении метаморфического происхождения магнетита «неестественно и трудно объяснимо». Исследования наименее метаморфизованных железистых кварцитов, проведенные автором в Криворожском и Кременчугском районах, показали, что магнетит и карбонат, образующие вместе с кварцем гранобластовую структуру, возникли, по-видимому, в результате собирательной перекристаллизации очень тонкозернистого (тысячные доли миллиметра) шламма из этих же минералов, которые и могли составлять первоначально железистый осадок.

Следует подчеркнуть, что магнезиально-железистый карбонат наблюдается не во всех, а только в наименее метаморфизованных железистых кварцитах хлоритовой и биотитовой зон. Такие железистые кварциты сохранялись в виде островков в окружающих их полях более интенсивного метаморфизма в Кривом Роге, Белозерском районе, КМА, некоторых районах области Верхнего Озера, в Индии, Южной Африке и других местах. Вместе с магнезиально-железистым карбонатом в таких железистых кварцитах иногда наблюдаются хлорит и гриналит. Первичный (подвергшийся перекристаллизации) гематит присутствует в повышенном количестве в центральных частях наиболее мощных пластов железистых кварцитов в Кривом Роге, KMA и области Верхнего озера (США).

Для понимания физико-химических условий железорудного осадконакопления интересно рассмотреть равновесные отношения магнезиально-железистого карбоната с магнетитом и гематитом в системе «древняя атмосфера — водный бассейн — осадок». Разумеется, что такое рассмотрение будет лишь грубым приближением к истинной картине желе-зонакопления. Фактической основой для физико-химических построений послужили исследованные автором наименее метаморфизованные железистые кварциты Украинского кристаллического массива — карбонатномагнетитовые кварциты Криворожского и Белозерского районов, а также несколько более метаморфизованные железистые кварциты Базавлукской зоны УКЩ, в которых сохранились еще реликты магнезиальножелезистого карбоната и хлорита.

Особенно показательная аутигенно-минералогическая зональность выявлена в разрезе пласта железистых кварцитов Кривого Рога (второй горизонт). По направлению от верхнего и нижнего контактов со сланцами к центру пласта наблюдается (рис. 98): а) возрастание железистости карбоната ряда сидерит — магнезит (содержание сидеритовой молекулы монотонно возрастает от 83—85 до 95—97% с одновременным уменьшением содержания молекулы магнезита); б) возрастание содержания магнетита (от 10—20 до 30—40%) и уменьшение содержания карбоната (от 10—20 до 3—7%) и углекислоты; в) уменьшение содержания Cорг (от 0,2—0,3 до 0,05—0,07%); г) возрастание объемного веса (от 3,3 до 3,5 г/см3). Переход от железистых кварцитов к сланцам здесь постепенный и сопровождается увеличением мощности отдельных прослоев (до 6—10 см), а также вытеснением магнетита и карбоната в рудных прослоях хлоритом.

Принимая во внимание закономерное положение пород в железорудных формациях, можно считать, что отмеченное выше монотонное изменение различных констант по направлению к центру пласта железистых кварцитов обусловлено отложением их в результате одного ритма прогибания и воздымания. Иначе говоря, вероятно, существуют закономерные отношения между глубиной бассейна железонаконления и физико-химическими параметрами, определяющими преимущественное развитие и состав минералов.

На основании вышесказанного равновесные отношения между карбонатом и магнетитом можно представить с помощью реакции:

а между карбонатом и гематитом реакцией:

Так как карбонат железистых кварцитов в главной своей массе близок к сидериту, можно с достаточным приближением считать, что изменение свободной энергии в ряду сидерит — магнезит происходит аддитивно. Тогда параметры равновесия карбоната переменного состава с магнетитом и гематитом можно вычислить из уравнений:

Из реакций (1, 2) и соответствующих им уравнений равновесия (1а, 2а) следует, что железистость карбоната является важнейшей физико-химической константой, в которой «отражены» условия железонакопления. Подставляя значения f=0,95; 0,85; 0,8; 0,75 в уравнения (1а, 2а) и приняв активность Mg2+ в растворе равной 10в-2 моль/л, построим обобщенную диаграмму равновесия магнетита, гематита и карбоната (рис. 99).

Активность Mg2+воды не влияет заметным образом на равновесие минералов, так как задаваясь «вилкой» возможных активностей (10в-6—10в-2 моль/л), мы получаем весьма незначительные изменения других параметров равновесия, соизмеримые с толщиной линий. Следовательно, главными, определяющими параметрами равновесия являются Po2 и PСО2.

Полученные выше данные можно интерпретировать двояко в зависимости от:

а) положения разновидностей железистых кварцитов на фациальном профиле;

б) возраста железорудных формаций.

Очевидно, что закономерное изменение минерального состава железистых кварцитов в разрезе (ем. рис. 98) указывает на возрастание Po2:PСО3 по направлению от береговой линии в глубь бассейна. При увеличении указанного отношения должно сдвигаться влево равновесие реакции СО2=С+О2, с чем можно связывать уменьшение содержания элементарного углерода по направлению в глубь бассейна. С другой стороны, повышение парциального давления углекислоты в прибрежных участках древних бассейнов объясняется бурным развитием здесь первой органической жизни.

Физико-химические условия железорудного осадконакопления в докембрии

Геологическая интерпретация полученных данных затрудняется тем, что имеющиеся представления о возрасте железорудных формаций Украинского кристаллического массива противоречивы. Если принять в качестве исходного разделение железорудных формаций по возрасту на основании радиогеологических данных, то можно прийти к любопытным выводам. В изучавшихся автором железистых кварцитах трех районов (Белозерского, Чертомлыкско-Тепловского, Криворожского) с уменьшением геологического возраста (от 3,25—3,47 до 2,3—2,1 и 1,7—1,9 млрд. лет) наблюдается заметное увеличение карбонатов (от 0,75 до 0,8 и 0,85—0,95), отношения магнетит-карбонат (от 1,6 до 4 для первого и последнего районов), а также уменьшение равновесного PСО2 (см. рис. 99). Эти данные хорошо согласуются с представлением о существенно углекислом составе древней атмосферы Земли (содержащей также значительное количество азота) и постепенном накоплении в ней свободного биогенного кислорода. Благодаря последнему, вынос железа с континентов в моря резко сократился начиная с палеозоя, что и объясняет резкое затухание железорудного осадконакопления во времени.

Если базироваться на представлении об одинаковом возрасте железорудных формаций Большого Кривого Рога, включающего все отмеченные выше железистые кварциты, то можно прийти к заключению о том, что железистые кварциты Кривого Рога отлагались в наиболее глубоководных условиях, расположенные восточнее железистые кварциты Чертомлыкского и Тепловского месторождений — в менее глубоководных условиях, а находящиеся еще дальше к востоку железистые кварциты белозерской серии — в прибрежных условиях единого огромного бассейна железонакопления. Таким образом, полученные данные могут быть использованы для палеогеографических реконструкций.

Независимо от решения возникшей альтернативы, характер реакций и уравнений, приведенных выше, свидетельствует о том, что карбонатно-магнетитовое равновесие в процессе железорудного осадконакопления возможно лишь в том случае, если парциальное давление углекислоты значительно превышало парциальное давление кислорода, что хорошо согласуется с другими данными о составе докембрийской атмосферы.