Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 154-157

С Томторским массивом щелочно-ультраосновных пород и карбонатитов, Республика Саха (Якутия), связаны ультрабогатые руды и уникальное месторождение редкоземельных (REE) и редких (Nb, Sc) элементов ([1–4] и др.). По коренным породам массива развита кора выветривания (КВ). Наиболее мощная КВ фиксируется по редкометалльным карбонатитам с 4 горизонтами [1, 2]. Наиболее богатые Nb–REE-руды образуют пластовые залежи во впадинах (участки Буранный, Северный и Южный) [1], а также зоны в КВ [2]. Источники рудного вещества, механизмы переноса и концентрирования редких и REE-элементов, физико-химические условия формирования ультрабогатых руд активно обсуждаются с момента их обнаружения, поскольку эти данные имеют большое научно-практическое значение. Высказывались различные предположения о природе богатых руд (перечень см. в [4]). Ранее, в верхнем рудном горизонте (ВРГ) Томторского месторождения (ТМ) были обнаружены скопления “литифицированных редкоземельным фосфатом остатков нитчатых и коккоидных микроорганизмов”, подобных современным цианобактериям, развивающихся в прибрежно-морской обстановке в зонах литорали-сублиторали [5]. Выявление ископаемых микроорганизмов в древних породах связано с большими проблемами. Главным способом их изучения является сравнительный структурно-морфологический анализ ископаемых и современных микроорганизмов, а также данные δ¹³С_PDB и δ¹⁸О_SMOW. В целом наличие в горных породах биоморфных структур и “биогенных” значений δ¹³С позволяет надежно диагностировать ископаемые биоминералы и микрофоссилии.

В результате комплексных исследований Nb–REE-руд ТМ, залегающих ниже (нижний рудный горизонт, НРГ) и выше (ВРГ) сидеритового горизонта, нами выявлено большое количество микрочастиц (от 0.5 до 5–7 микрон), имеющих биоморфную структуру (рис. 1а–1м), концентрирующих REE, P, Fe, которые в полной мере сопоставляются с современными и древними микроорганизмами [6–8].

Рис. 1.

Биоморфные структуры (данные СЭМ) в богатых Nb–REE-рудах участка Буранный (ВРГ) (а–ж) и рудоносной КВ (НРГ) (з–м) ТМ. а – слоистый литифицированный микробный мат, состоящий из палочковидных трубчатых микрофоссилий (ПТМ) (в нижней части рис. 1), сложенных галлуазит-монацитовым агрегатом (ГМА) и коккоидными микрофоссилиями (КМ) в фоссилизированном гликокаликсе (средняя часть), состоящими из алюмофосфатов; б – фрагмент микробного мата, состоящего из ПТМ (ГМА), округлых одиночных и палочковидных клеток, формирующих агрегаты (алюмофосфаты); в – колонии ПТМ; г – фоссилизированные коккоидные бактерии (алюмофосфаты); д – концентрически-зональный агрегат, состоящий из шаровидных биоморфных частиц пиритового (центр) и алюмофосфатного (серое) состава. ПТМ (справа) концентрируют REE (монацит); е – ПТМ в полостях растительных остатков; Ж – колония (агрегат) ПТФ; з – фоссилии округлых бактерий среди гидроксидов Fe и Mn, концентрирующих REE поверхностью; и – КМ, концентрирующие фосфат REE; к – круглые и овальные фоссилизированные (монацит) клетки; л–м – фоссилизированные биопленки – бактериальные вытянутые агрегаты с дискообразными зональными бактериоморфными структурами, состоящие из монацита.

НРГ связан с КВ ([2] и др.) по редкометалльным карбонатитам с франколитовым и гетитовым горизонтами и формировался в окислительной обстановке. В рудах фиксируются типичные изменения, характерные для элювиального процесса (зональное изменение пород и минералов), но также распространены инфильтрационные явления, образующие колломорфно-слоистые структуры, сложенные гидроксидами Fe и Mn (до 40 мас. % MnO) и обогащенные Nb, REE, Th (до n мас. %). Об участии низкотемпературных гидротермальных процессов (НГП) свидетельствует присутствие в породах КВ флюорита, сульфидов Pb, Cu, Fe и Zn, а также изотопный состав О и Sr. В специфической КВ по карбонатитам (скв. 5625), с горизонтами богатых руд (до 10–15 мас. % Nb₂O₅+REE₂O₃), формирование которой, по многим признакам, происходило в результате сочетания экзогенных и НГП, выявлены агрегаты вытянутой формы, состоящие из округлых клеток и коккоидные микрофоссилии с фоссилизированным гликокаликсом (рис. 1з–1м). Состав образований биоморфной структуры разнообразен – в большинстве случаев встречаются псевдоморфозы фосфата REE (монацита) по клеткам округлой формы (рис. 1л, 1м), а также коккоиды, замещенные гидроксидами Fe и обогащенные по периферии REE. δ¹³С_PDB карбонатов в таких образцах из НРГ соответствует биогенному – от –16 до –75‰.

Формирование ультрабогатых Nb–REE-руд ВРГ происходило в условиях мелководного термального водоема в результате гидротермально-осадочного процесса [4]. Об этом также свидетельствуют одинаковые составы δ¹³С_PDB (от –30 до –32‰) и δ¹⁸О_SMOW (от 7 до 9‰) кальцита в сидеритовом горизонте ТМ и в гидротермально-осадочных (с биотой) отложениях термального котла оз. Фумарольное (Камчатка). Богатые руды ВРГ имеют ряд особенностей: 1. Руды сложены аутигенными, без следов механических воздействий, ультрадисперсными частицами и агрегатами (около 90% частиц <10 мкм) фосфатов REE и редких элементов (монацит, минералы группы крандаллита). В меньшей мере распространены минералы карбонатитов (пирохлор, оксиды Ti и др.) без следов окатывания или деструкции; 2. Руды имеют слоистую текстуру и микрослоистую структуру, обусловленную тонким переслаиванием минералов группы крандаллита, фосфатов редких земель, оксидов Ti–Fe–Nb (с V до 5 мас. %), каолинита, смектита и гидроксидов Fe, Mn; 3. В рудах распространены сульфиды: пирит, халькопирит, галенит, сфалерит, что свидетельствует о восстановительной обстановке; 4. В рудах сохранились бактериоморфные нано- и микроструктуры, остатки микробных сообществ и растительности, которые находятся в тесной взаимосвязи с минералами REE (рис. 1а–1ж). В гётит-сидеритовых рудах обнаружены микрослои, сложенные фрамбоидальным пиритом, который формируется при участии микроорганизмов. В ВРГ широко распространены трубчатые, палочковидные и коккоидные биоморфные структуры (рис. 1б, 1в), которые хорошо сопоставляются с микроорганизмами различной морфологии. Особенно часто встречаются трубчатые палочковидные и коккоидные формы, сложенные микротрубками галлуазита, покрытые плотным слоем наночастиц (20–50 нм) монацита колломорфной структуры [4], а также коккоидные формы, состоящие из алюмофосфатов (крандаллит, гойяцит, флоренсит). Изотопы С и О карбонатов из руд ВРГ варьируют в широких пределах и сопоставляются с гидротермальным трендом и трендом взаимодействия щелочных пород с метеорными флюидами [9].

Морфология биоморфных структур в ВРГ и НРГ существенно различается. В первом случае в концентрировании REE участвуют трубчатые, палочковидные и шаровидные фосфатного и алюмофосфатного состава фоссилизированные микроорганизмы, а в НРГ – агрегаты вытянутой формы и коккоидные формы.

Ранее выявлена решающая роль бактерий при концентрировании P, Fe, Mn в процессах седиментогенеза [6–8]. Экспериментально показана возможность извлечения REE бактериями из растворов [10, 11]. Причем установлено, что REE адсорбируются на поверхности бактериальных клеток совместно с P и в течение короткого времени (~30 дней) преобразуются в наноразмерный монацит [12, 13]. Также определено, что различные микроорганизмы могут преимущественно накапливать легкие или тяжелые REE ([14] и др.).

Полученные данные свидетельствуют о важнейшей роли микроорганизмов в перераспределении REE в КВ (НРГ) и решающей роли в концентрировании REE при формировании руд ВРГ. Поглощение REE осуществлялось сообществом микроорганизмов: фототрофов, метаногенов, метанотрофов и протеобактерий – составляющих основу микробиоценоза данной палеоэкосистемы. δ¹³С_PDB карбонатов во всех изученных образцах соответствует биогенному [15], а изотопный состав δ¹⁸О_SMOW (от 7 до 20‰) свидетельствует об эндогенной (гидротермальной) и, в меньшей мере, экзогенной природе растворов. Этот фактор, а также и низкие значения (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_I карбонатов, составляющие ∼0.704–0.7045, исключают участие морской воды.