Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 490, № 1, стр. 12-16

Бокситоносная латеритная кора выветривания (ЛКВ) представляет собой вертикальный разрез генетически связанных между собой гипергенных пород, состоящий из почвы, латерита, боксита, глины и материнского субстрата. Геохимия железа в латеритном профиле обсуждалась в ряде публикаций [1–3]. Поведение этого металла детально исследовано в железистом покрове (панцире, кирасе, дурикрасте, феррикрете, собственно, латерите), расположенном выше боксита. Как ведет себя железо в более глубоких горизонтах латеритной коры и как оно влияет на бокситоносность коры выветривания, остается малоизвестным.

Нами впервые проведено систематическое исследование обширного геологического материала по местам концентрации железа в более глубоких частях латеритного профиля. В Западной Африке расположена крупнейшая в мире бокситоносная провинция Фута Джалон-Мандинго [4, 5]. В ней более чем в 1130 месторождениях и проявлениях бокситов сосредоточена половина мировых ресурсов этого минерального сырья. Подавляющая часть наиболее крупных месторождений провинции была оценена или разведана с участием авторов. Пробурено более 1.8 млн погонных метров скважин общим количеством более 160 тысяч, пройдено более 200 шурфов.

При документации практически всех скважин ниже бокситового горизонта нами впервые был выявлен горизонт железистых латеритов, залегающий между бокситами и глинами. Неравномерное распределение в латеритных профилях алюминия и железа – главная характерная их черта. Это может отражать особенности газового и гидрологического режимов образования бокситов. Нами предпринята попытка понять причину такого поведения железа на основе новейших результатов изучения ферриплантитов Западной Африки.

На рис. 1 приведены геологические разрезы четырех крупных месторождений различных районов провинции Фута Джалон-Мандиго, в профилях которых повсеместно ниже бокситов залегают железистые латериты. Наличие железистого горизонта четко соответствует гидрогеологической зональности и изменениям газового режима в профиле выветривания [6]. Железистые латериты образуются в гидрогеологической зоне колебания зеркала грунтовых вод. Их мощность меняется от 1–1.5 м до 7–9 м, но чаще всего составляет 3–4 м.

Рис. 1.

Типичное строение бокситоносных латеритных покровов на месторождениях из различных районов бокситоносной провинции Фута Джалон-Мандинго. 1 – кираса (верхний железистый горизонт); 2 – бокситы; 3 – железистые латериты с телами ферриплантитов (нижний железистый горизонт); 4 – глины псевдоморфные; 5 – скважины.

В горизонте железистых латеритов снизу вверх происходит уменьшение содержания каолинита. Последний замещается гиббситом, его агрегаты становятся насыщенными тонкодисперсным гетитом, алюмогетитом и гематитом. Баланс веществ на изоволюметрической основе (в кг/м³), рассчитанный с учетом средних значений по двум десяткам разрезов, указывает на то, что в этой зоне коры выветривания происходит мощный привнос (абсолютное накопление) железа (на 660–670 кг/м³ по отношению к коренным породам) и менее интенсивный – глинозема (на 200–220 кг/м³). Это явление сопровождается очень значительным выносом кремнезема (до 1500 кг/м³). Соответственно, если в нижней части этой зоны содержание SiO₂ составляет еще 10–15%, то в верхней части его остается не более 3–4% [7].

Повышение содержания железа в этой зоне латеритной коры выветривания приводит к образованию плит и линз высокожелезистых пород мощностью от первых сантиметров до полуметра, чаще всего 5–15 см. Эти породы очень крепкие с неясно полосчатой или массивной текстурой табачно-охристого либо сургучно-красного цвета. Для них были определены физико-механические свойства – объемная масса и пористость (32 образца), химический (68 образцов) и минеральный (84 образца) составы.

Объемная масса этих пород изменяется от 2.43 до 3.41 т/м³ и в среднем составляет 2.82 т/м³. Это значение выше объемной массы бокситов (1.92–2.1 т/м³). Они отличаются также низкой пористостью (3.1 до 13.3%), в среднем 8.4%, что значительно ниже средних показателей пористости бокситов (20–30%) [8]. Главное их отличие заключается в очень высоком содержании оксидов и гидроксидов железа (37.5 до 79.4% Fe₂O₃, в среднем 61.5%).

По химическому составу (наличие Fe³⁺) и уплощенной форме тел они были названы ферриплантитами [9]. Пересчет относительных (%) содержаний железа на абсолютные (кг/м³) при максимальных значениях объемной массы показывает, что локальная концентрация Fe₂O₃ достигает 2493 кг/м³. По сравнению с материнскими породами (300 кг/м³ в долеритах и 180 кг/м³ в алевро-аргиллитах) происходит более чем восьмикратное накопление Fe₂O₃. Даже при средних величинах объемной массы и содержаниях в ферриплантитах (2.82 т/м³), концентрация Fe₂O₃ остается очень высокой (1737 кг/м³). Столь интенсивное накопление железа в ферриплантитах и в целом в нижнем железистом горизонте, совпадающем с гидрогеологической зоной колебания зеркала грунтовых вод в профиле коры выветривания, обязано активному окислительному воздействию поверхностных вод. Дождевая вода, которая быстро стекает по многочисленным открытым трещинам и каналам к зеркалу грунтовых вод, не успевает прореагировать с вмещающими породами и израсходовать кислород. Это вызывает повышение его содержания в верхних слоях грунтовых вод в ЛКВ. Поровые же растворы медленно просачиваются вниз по разрезу через зону инфильтрации и аэрации, отдают кислород при взаимодействии с органическим веществом и минералами бокситового горизонта. Как показали специальные исследования [10], в сезон дождей именно поровые растворы являются главным реагентом и транспортной средой, обеспечивающими перераспределение химических элементов в коре выветривания. В частности, содержание железа и многих других элементов (более 30) среди которых: Al, Ti, Ga, Zr, Nb, Sc, Th, REE, в поровых растворах на порядок выше, чем в грунтовых водах коры выветривания.

Таким образом, ферриплантиты являются вполне закономерной зоной коры выветривания, образование которой происходило в зоне колебания зеркала грунтовых вод бокситоносных ЛКВ провинции Фута Джалон-Мандинго. Этот вывод подтверждается большим числом наблюдений: из более чем 160 тысяч пробуренных скважин ферриплантиты отсутствовали в незначительном количестве пересечений (менее 0.1%).

Линзы ферриплантитов повсеместно наблюдаются и выше по разрезу на разных уровнях в бокситах (рис. 2). Это очень наглядный и важный аргумент в пользу непрерывного развития профиля бокситоносной ЛКВ как гипергенной инфильтрационной метасоматической колонки с наступлением каждой зоны горизонта сверху вниз за счет замещения нижележащих пород. Соответственно, в самом верху колонки все минеральные фазы неустойчивые, идет химическое и физическое разрушение коры выветривания. В то же время внизу колонки происходит наращивание коры выветривания. Сама природа создает автоматически поддерживающийся процесс, при котором столь эфемерные геологические тела, маломощные и интенсивно трещиноватые, залегающие на верхних поверхностях склонов, могут существовать миллионы лет.

Рис. 2.

Литологические колонки и геохимические диаграммы главных химических компонентов в латеритных покровах по долеритам (скв. 1) и алевро-аргиллитам (скв. 2): 1 – бокситы; 2 – железистые латериты; 3 – глины псевдоморфные; 4 – тела ферриплантитов.

Плиты и линзы ферриплантитов, в отличие от вмещающих их железных латеритов, имеют высокую плотность, малую пористость и водопроницаемость. Благородя этому при развитии профиля, опускании зеркала грунтовых вод и переходе из гидрогеологической зоны в зону аэрации и инфильтрации – в зону бокситов, они медленнее замещаются глиноземным веществом. Следы этого процесса хорошо проявляются снизу вверх по разрезу. Плиты будинируются, расслаиваются и замещаются бокситом по контактам и трещинам (рис. 3).

Рис. 3.

Фотография ферриплантита: 1 – ферриплантит; 2 – боксит, который замещает ферриплантит.

Таким образом, ферриплантиты, приуроченные в настоящее время к зоне колебания зеркала грунтовых вод (особенно в ее нижней части), являются молодыми образованиями. Те же линзы и плиты, которые расположены выше зоны колебания зеркала грунтовых вод, соответственно, являются более древними. Состав разновозрастных ферриплантитов изменяется: уменьшается количество кремнезёма, каолинит замещается гиббситом (табл. 1).

Цвет ферриплантитов зависит от их минерального состава: табачно-охристые руды сложены гётитом, сургучно-красные – гематитом.

Таким образом, обнаружение ферриплантитов в бокситовых латеритных покровах провинции Фута Джалон-Мандинго позволило выявить направленность развития профилей ЛКВ, особенности химического и минерального составов. Их выявление играет важную роль при эксплуатации бокситовых месторождений, так как ферриплантиты способствуют разубоживанию руд, снижая в них содержание глинозёма. Необходимо учитывать их физико-механические свойства при проектировании оборудования по добыче и измельчению руд. По-видимому, следует также изучить их влияние на концентрацию ряда микроэлементов в переработанных бокситах и красных шламах. В настоящее время экспорт бокситов из провинции Фута Джалон-Мандинго составляет 60 млн т. в год, а в ближайшее время, к 2023 году, достигнет 125 мнл т. в год и выйдет на второе место по добыче после Австралии.