Гигантское месторождение в Томской области могло возникнуть потому, что из нижележащих слоев соединения железа выносились газом.
Фото: Алексей Смирнов, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Алексей Смирнов, Коммерсантъ / купить фото
Железо (Fe) — это один из самых распространенных металлов в земной коре. В истории человечества этот металл занимает особое, ключевое место. С началом его освоения связан переход в историческую эпоху железного века (1–2 тыс. лет до нашей эры). Железные руды возникают как в различных геологических условиях, так и практически во всех геологических эпохах, начиная от протерозоя и заканчивая современным временем. Наибольшие запасы железа сосредоточены в метаморфогенных и осадочных железных рудах.
Метаморфогенные руды — так называемые железистые кварциты — сформировались в самые древние геологические эпохи (докембрий — более 540 млн лет назад) и представляют собой гигантские месторождения с запасами, исчисляемыми миллиардами тонн. К таким известнейшим месторождениям относятся Курская магнитная аномалия (Россия), Криворожский бассейн (Украина), железорудный пояс Лабрадора (Канада), месторождения штата Минас-Жерайс (Бразилия), бассейн Хамерсли (Австралия) и пр.
Другой не менее распространенный тип железных руд — осадочные месторождения так называемых оолитовых железняков. Запасы этих руд, так же как и железистых кварцитов, составляют десятки и сотни миллиардов тонн, однако за счет ряда технологических показателей (содержание железа) они менее востребованы. Известными примерами оолитовых железняков являются месторождения Западно-Сибирского и Керченского бассейнов (Россия), Лотарингского бассейна (Франция), Аятское и Лисаковское (Казахстан), группа Клинтон (США) и др. Эти месторождения формировались в более молодые геологические эпохи, начиная с ордовика (485 млн лет назад), в основном в морских условиях. Уже более 170 лет ученые изучают подобные месторождения в поисках ответов на фундаментальные вопросы их природы. До сих существует несколько гипотез об источниках железа, путей его поступления и условий накопления в древних морях. Этой проблеме и посвящено исследование научного коллектива из Томского политехнического университета совместно с учеными из Индийского технологического института (Бомбей).
Группа ученых исследует одно из крупнейших месторождений оолитовых железняков в мире — Бакчарское железорудное месторождение, находящееся в Томской области. По предварительным оценкам, ресурсы железа на месторождении составляют более 25 млрд тонн, что позволяет с полной уверенностью относить его к категории уникальных в мире. И, как любое уникальное месторождение, для его формирования должны быть отличительные геологические условия и природные процессы. А учитывая, что Бакчарское месторождение — это всего лишь часть гигантского Западно-Сибирского железорудного бассейна, его изучение может пролить свет на фундаментальные проблемы происхождения подобных железных руд. Пытаясь ответить на глобальные вопросы: откуда и как в этом районе происходило накопление колоссального количества металла, ученые из ТПУ и IIT пришли к определенной гипотезе, отличающейся от ранее устоявшихся представлений.
Фрагмент модели формирования Бакчарского месторождения. Общая схема, показывающая физико-химические условия образования железных руд в морской области древнего моря. Гетит образуется при низком уровне моря в прибрежной насыщенной кислородом воде, в то время как лептохлорит (шамозит или бертиерин), сидерит, пирит образуются в морской воде с дефицитом или полным отсутствием кислорода
Фрагмент модели формирования Бакчарского месторождения. Общая схема, показывающая физико-химические условия образования железных руд в морской области древнего моря. Гетит образуется при низком уровне моря в прибрежной насыщенной кислородом воде, в то время как лептохлорит (шамозит или бертиерин), сидерит, пирит образуются в морской воде с дефицитом или полным отсутствием кислорода
В своей недавней статье в журнале Marine and Petroleum Geology исследователи опровергают распространенную теорию, будто железо в месторождениях такого типа поступало в море с размываемых горных областей древних континентов. По их мнению, источником железа могли стать выбросы в придонные морские воды термальных растворов, содержащих железо и циркулирующих через нижележащие мощные осадочные породы Западной Сибири.
Залежи оолитовых железных руд формировались в позднем мелу и раннем палеогене в период от 90 млн до 56 млн лет назад в мелководной и прибрежной обстановке древнего Западно-Сибирского моря. Согласно распространенной теории, принято считать, что железо транспортировалось в море путем размыва древних горных областей речными системами. Но тщательное изучение геологических условий и образцов горных пород с месторождения позволяют не согласиться с этой теорией.
Для начала следует рассмотреть общие геологические факты. Во-первых, на сегодняшний день в районах, которые в период, когда формировалось месторождение, были размываемыми областями, не осталось следов гигантских источников железа. Во-вторых, не обнаружено крупных промежуточных месторождений в районах древних рек, которые должны были бы переносить железо. Хотя примерно в это время подобные месторождения речных условий формировались в Северном Казахстане (ныне разрабатываемое Лисаковское), в районе Пилбара Западной Австралии. В-третьих, береговая линия древнего моря неоднократно смещалась, при этом само Бакчарское месторождение формировалось в конкретной локальной области, хотя его границы также должны были бы смещаться и растягиваться.
Железные руды месторождения сконцентрированы в трех разобщенных во времени горизонтах (пластах), которые залегают друг над другом. Их общая область распространения и является контуром всего Западно-Сибирского железорудного бассейна. И если представить, как изменялась береговая линия моря, в котором происходило накопление руд, то горизонты должны быть разделены в пространстве по воображаемой линии (вектору) от берега к морю. К тому же в латеральном профиле этих горизонтов должна наблюдаться постепенная смена минералов, которые образуются при различных физико-химических условиях морской среды, то есть при различных глубинах моря. В геологии такая особенность (смена) называется «фациальным замещением» (фация — это условия, в которых образуются осадочные породы, в том числе руды).
Фотографии образцов оолитовой железной руды Бакчарского месторождения с их электронными снимками
Фотографии образцов оолитовой железной руды Бакчарского месторождения с их электронными снимками
Но при детальном и комплексном анализе железных руд в различных горизонтах этой смены не наблюдается. Напротив, каждый горизонт отличается от другого некоторой выдержанной спецификой минерального состава (ассоциацией минералов). Складывается впечатление, что железо поступало импульсно в конкретную область древнего моря, а формирование определенных минералов (содержащих железо) зависело от глубины моря и соответствующих показателей: кислотно-щелочность, окислительно-восстановительный потенциал, соленость, температура морской воды, количество и степень разложения органического вещества и пр. Но если источник железа не на древнем континенте, то где? Вероятно, необходимо анализировать глубинные части осадочного бассейна. То есть источник железа мог быть под самим месторождением на момент его формирования, а точнее под древним морем. На это указывает ряд фактов.
Во-первых, в руде регулярно находятся сульфиды железа, свинца, цинка, серебра, меди, минеральные формы мышьяка, ртути и сульфат бария, тесно связанные с железистыми минералами. Эти минералы нестабильны, их не могла принести речная вода: они бы просто растворились при длительной транспортировке. Соответственно, элементы для их кристаллизации должны были поступать в место, где формировалась руда, и не исключено, что они поступали совместно с потоками железа. В геологии уже давно известно, что подобные металлы поступают в морской бассейн с гидротермальными растворами, которые циркулируют в пространстве земной коры, насыщаются металлами и разгружаются на определенных геохимических барьерах. Такими барьерами часто служит зона смешения морской воды и термальных растворов, так как физико-химические показатели морской воды отличаются от выходящих растворов, создавая прекрасные градиенты для минералообразования, вплоть до накопления месторождений. Подобным образом, например, образуются так называемые стратифорные (пластовые) свинцово-цинковые месторождения и месторождения медистых песчаников. Нельзя исключать схожий механизм образования и железорудных пластов Бакчарского месторождения.
Во-вторых, устанавливается особенность распределения и отношения ряда редких металлов — например, никеля, кобальта, свинца, цинка, меди, молибдена, мышьяка, ванадия, которые в других морских железистых осадках на планете наблюдаются в условиях воздействия на них выбросов гидротермальных растворов через морское или океаническое дно.
В-третьих, в руде среди железистого карбоната (сидерита) были обнаружены включения пузырьков метана. Подобное «заточение» пузырьков возможно, если через осадок проходили вверх диффундирующие потоки метана, вырывавшиеся из недр.
Не исключено, что вместе с метаном и водой могли поступать и другие элементы, в том числе железо. Так, мы обнаружили в рудных образцах минеральные формы металлов, которые сопутствуют процессу железонакопления — это сульфиды свинца и цинка (галенит и вюртцит), селенид свинца (клаусталит), арсенид кобальта и никеля (скуттерудит) и другие. И вот их происхождение не вызывает сомнений — они попали в породу через эмиссию газожидкостных флюидов из нижележащих слоев.
Если дальнейшие исследования Западно-Сибирского железорудного бассейна подтвердят теорию ученых, это позволит по-новому взглянуть на методы поиска не только подобных месторождений железа, но и генетически связанных с ними полезных ископаемых. К ним относятся, например, значимые для промышленности месторождения свинца и цинка.
Эти комплексные исследования поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.