Литология и полезные ископаемые, 2022, № 4, стр. 334-343

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Настоящая работа базируется на результатах, полученных авторами в течение многолетних исследований каменного материала, отобранного из керна скважин и стенок карьеров месторождений БЖР и бокситов КМА (более 200 образцов). Выбранные объекты наиболее полно отражают строение разных по морфологии и времени формирования КВ, а также все типы БЖР и бокситов рассматриваемого региона.

Проводилось макроскопическое описание пород. Были построены литологические колонки, разрезы и карты КВ, развитых на железистых кварцитах и бокситах КМА. Лабораторная обработка образцов включала: 1 – изготовление и описание прозрачно-полированных шлифов и аншлифов образцов руд, для рыхлых разностей изготавливались искусственные шлифы на основе эпоксидной смолы; 2 – электронно-микроскопические исследования проводились на растровом сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) марки Jeol 6380LV; 3 – рентгеноспектральный анализ элементного состава в различных точках каждого из образцов выполнен с помощью системы микроанализа INCA 250; 4 – минеральный состав проб изучен методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ARL X’TRA (Thermo Fisher Scientific).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате изучения прецизионными методами минерального состава КВ на джеспилитах (БЖР) и сланцах, установлены типоморфные особенности минералов, слагающих эти два различных типа коры, и условия их образования. Были диагностированы следующие минералы: железная слюдка, мартит, магнетит, кварц, гидрогематит, гетит, гидрогетит, бертьерин, шамозит, сидерит, кальцит, пирит.

Железная слюдка – слюдоподобная разновидность гематита, которая представлена идиоморфными чешуйками и тонкими пластинками размером 0.01–0.03 мм (рис. 2а), и слагает до 60–80% объема железнослюдковых и железнослюдково-мартитовых руд, в подчиненных количествах она часто присутствует в мартитовых рудах. Железная слюдка и мартит часто развиваются вместе и образуют тонкие прослойки, согласные с реликтовой слоистостью кварцитов. Оба минерала обладают сильным металлическим блеском с характерным синеватым оттенком. Цвет кристаллов и плотных масс – от серо-стального до тусклого серо-черного, у рыхлых разновидностей – до красно-бурого. Структура прослоев, обогащенных железной слюдкой – лепидобластовая, а в случае присутствия в них мартита – гранолепидобластовая. Часто железная слюдка образует “ежиковые” структуры, в которых расположена перпендикулярно граням мартита, развитого по магнетиту (см. рис. 2б). В КВ железная слюдка устойчива, и лишь в верхах разрезов элювия края пластинок бывают замещены гидроксидами железа.

Рис. 2.

Формы гипогенных минералов. а, б – электронно-микроскопические снимки железной слюдки (а – пластинчатая, б – “ежиковая” формы, оба – Яковлевское месторождение); в, г – фото аншлифов магнетита (в – крупные остатки, Стойленское месторождение, г – реликтовые включения в мартите, Яковлевское месторождение). Здесь и далее обозначения минералов даны по [Whitney, Evans, 2010]: Cal – кальцит, Mag – магнетит, Hem – гематит, Brt – бертьерин, Gth – гетит, Sd – сидерит.

Магнетит является основным минералом в БЖР Оскольского и Михайловского рудных районов, где образует крупные скопления и рудные залежи (см. рис. 2в). В месторождениях Белгородского района он присутствует в небольших количествах, в виде сильно корродированных мелких реликтов различной формы в мартите (см. рис. 2г).

Кварц ограниченно развит и встречается только в основании залежей БЖР в виде тонких “изъеденных” зерен маршаллита. Выше в результате глубоких химических преобразований в КВ, агрегаты кварца подверглись практически полному замещению или растворению. Его присутствие устанавливается по основному рефлексу 3.34 Å на дифрактограммах.

Мартит, представляющий собой псевдоморфозы гематита по магнетиту, является одним из главных рудных минералов богатых железных руд КМА. Он практически целиком слагает мартитовые руды (рис. 3а) и занимает до 40–60% объема остальных руд, в которых образует тонкие (от 1–2 мм до 2–3 см) прослойки. Интенсивность мартитизации уменьшается сверху-вниз в разрезе КВ (БЖР) на джеспилитах. В нижних частях рудных тел процесс чаще всего не закончен, и мартит здесь развит в виде каймы вокруг реликтов гипогенного магнетита. Окисление магнетита в КВ происходило с сохранением его остаточных кристаллов (0.02–0.1 мм) в сплошных рудных массах (см. рис. 3б).

Рис. 3.

Гематит в виде мартита в богатых железных рудах Яковлевского (а) и Стойленского (б) месторождений, аншлифы. Темные пятнышки на светлых пластинках мартита – реликты магнетита.

Гематит. Минерал серого или серовато-синего цвета. При наблюдении в оптическом микроскопе, в его зернах и в сростках наблюдаются коричневатые в отраженном свете реликты магнетита. Гематит (включая мартит и железную слюдку) диагностируется оптическими методами и методом рентгенофазового анализа (рефлексы 3.67 Å, 2.69 Å, 2.51 Å, 2.21 Å, 1.83 Å, 1.69 Å, 1.49 Å на дифрактограммах) (рис. 4).

Рис. 4.

Дифрактограммы разновидностей БЖР исследованных месторождений: а, б – железнослюдково-мартитовой (а – Яковлевское, б – Стойленское), в – мартит-гидрогематитовой (Стойленское), г – гетит-гидрогематитовой (Яковлевское), д – гидрогематит-гетитовой (Стойленское), е – карбонатизированной гетит-гидрогематитовой (Яковлевское), ж – бертьеринизированной мартитовой (Стойленское).

Гидрогематит является продуктом разложения силикатов исходных железистых кварцитов, а в верхних частях залежей может развиваться по мартиту. Гидрогематит образует землистые массы буровато-красного цвета, но развит не так широко, как другие железистые минералы КВ. На дифрактограммах он практически не отличается от гематита.

Гетит характеризуется желтым цветом или желто-бурыми тонами окраски, слагает натечные концентрические образования (рис. 5); обычно связан постепенными переходами с другими оксидами и гидроксидами железа. При наблюдении в отраженном свете при увеличениях более чем в 20 раз дает внутренние рефлексы коричневого цвета. Наиболее надежно диагностируется по рентгенограммам (см. рис. 4а, б). В нижних горизонтах профиля КВ гетит развивается по железистым силикатам, в верхней части – по железной слюдке и мартиту.

Рис. 5.

Микрофотографии (СЭМ) агрегатов гетита (Яковлевское месторождение).

Гидрогетит встречается в виде охристо-желтых, желто-бурых землистых масс или хлопьевидных образований. В отраженном свете минерал светло-серый, изотропный, дает внутренние рефлексы желтого до бурого цветов, в отличие от коричневых гетита.

Бертьерин (Fe^2+,Fe³⁺,Al)₃(Si,Al)₂O₅(OH)₄ представлен гипергенной и диагенетической разновидностями. Первая появляется уже в нижних частях профиля выветривания в полосчатых БЖР и ассоциирует с мартитом. На дифрактограммах бертьерин, независимо от происхождения, в смеси с другими минералами идентифицируется по основным значениям рефлексов: 7.04 Å, 3.51 Å, 2.51 Å, 2.13 Å, 2.67 Å, 2.39 Å (см. рис. 4).

Руды с гипергенным бертьерином серовато-зеленые, легко разрыхляющиеся. В БЖР бертьерин появляется в прослоях, насыщенных мартитом, вместе с гетитом и сидеритом, причем гетит развивается по краям бертьерина (рис. 6). В минерале Al₂O₃ отмечен в пределах 16.61–27.51 мас. %, SiО₂ 22.56–27.04 мас. %, FeO 36.4–43.94 мас. % и MgO до 1.69 мас. % (табл. 1).

Рис. 6.

Гипергенный бертьерин в мартит-гидрогематитовых рудах Яковлевского месторождения (а) и замещение бертьерина гетитом в гетит-гидрогематитовых рудах Стойленского месторождения (б). Микрофотографии в СЭМ.

Все бертьерины из БЖР по значению кремниевого модуля относятся к типу 1Н. В бертьеринах этого типа пониженное содержание Al₂O₃, и они тяготеют к КВ и осадочным породам, в то время как бертьерины типа 1 М чаще образуются в диагенетических и гидротермальных процессах [Никулин, 2013, 2014].

Диагенетический бертьерин ассоциирует с карбонатами и пиритом, заполняет поры и трещины, а также присутствует в качестве цемента в скальных разновидностях руд. Этот минерал наблюдается в виде бледно-зеленых слюдистых масс. В образцах руд Яковлевского месторождения он представлен микрокристаллической массой (рис. 7), которая заполняет поры и не контактирует с зернистой основной массой руды, что указывает на его образование после основной минеральной матрицы.

Рис. 7.

Диагенетический бертьерин в карбонатизированной руде Яковлевского месторождения. Микрофотографии в СЭМ.

В химическом составе диагенетического бертьерина (см. табл. 1, обр. 4) содержание FeO повышенное и отсутствует MgO. Бертьерин такого состава относится к Fe-бертьерину и описан в работах [Fritz, Toth, 1997]. Во время интенсивного химического выветривания щелочные и щелочноземельные элементы удалялись из исходного субстрата в составе растворов, оставаясь только в устойчивых минералах, где были связаны с Fe, Al, диоксидом кремния и титаном.

Шамозит (Fe₃Al)AlSi₃O₁₀(OH)₈ обнаружен в богатых железных рудах Стойленского месторождения, он характеризуется зеленой окраской и цементирует зерна мартита, образуя крепкие “каменистые” руды. В верхней части профиля КВ по шамозиту развиваются оксиды железа. Этот минерал, по-видимому, может быть диагенетическим, поскольку встречается в ассоциации с сидеритом и сульфидами железа.

Сидерит слагает цемент плотных руд в верхних частях залежей и образует различные по размерам и формам минеральные агрегаты – от микрокристаллических скоплений неправильной формы до крупных идиоморфных кристаллов. Образованию и кристаллизации сидерита способствуют восстановительные условия диагенеза.

Кальцит приурочен, как правило, к кровле КВ; мелкозернистые агрегаты выполняют полости, трещины и поры в железных рудах. Характер взаимоотношений кальцита с минералами БЖР свидетельствует об его более позднем, эпигенетическом происхождении. Образование кальцита было связано с поступлением инфильтрационных вод из вышележащей карбонатной толщи каменноугольного возраста, перекрывающей БЖР.

Пирит латунно-желтой и золотисто-желтой окраски тяготеет к кровле БЖР, образует идиоморфные кристаллы (0.01–1 мм) с квадратными и шестиугольными сечениями (кубические и октаэдрические, осложненные гранями куба и/или пентрагондодекаэдра) и встречается в виде сплошной массы, цементирующей другие минералы железа. Он также широко распространен и в перекрывающих, особенно углистых породах (переслаивание песков, алевритов, глин, углей) в основании карбонатной толщи [Савко, 2002].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Установлено, что минеральный состав БЖР полигенетический. Минералообразование происходило в несколько этапов. Главными минералами руд являются: 1 – гипогенные, унаследованные от материнских пород, 2 – образованные в результате выветривания джеспилитов, 3 – диагенетические, образовавшиеся при погружении КВ в условиях гидроморфного режима; 4 – эпигенетические, связанные с инфильтрацией растворов из перекрывающей карбонатной толщи в КВ. К гипогенным минералам относятся магнетит, железная слюдка (слюдоподобная разновидность гематита) и кварц. Гипергенные минералы включают мартит, образованный за счет окисления магнетита, а также оксиды и гидрооксиды железа (гетит, гидрогетит, гидрогематит) и бертьерин. В процессах диагенеза и эпигенеза образовались игольчатый бертьерин, шамозит, сидерит, кальцит, пирит.

В бокситоносных КВ, развитых по межрудным сланцам, также выделяются гипогенные, гипергенные, диагенетические и эпигенетические минералы. К гипогенным относятся гематит и кварц; к гипергенным – бемит, гиббсит, бертьерин, иллит, каолинит, гетит, гидрогематит; к диагенетическим – новообразованные каолинит, бертьерин, шамозит, сидерит, пирит; к эпигенетическим – кальцит и сидерит.

Как показано выше, основными минералами БЖР являются мартит, железная слюдка, гидроксиды железа, магнетит и бертьерин. Магнетит широко развит в БЖР Михайловского, меньше Оскольского рудных районов; в виде редких реликтов он присутствует в мартитах Белгородского рудного района. Гипергенный бертьерин формировался за счет силикатов исходных пород, а затем переходил в гетит. Предполагается, что образование гипергенного бертьерина происходило в результате выветривания железосодержащих силикатов исходных джеспилитов, уже на стадии гидролиза.

Сингенетический бертьерин БЖР формировался по высокожелезистым породам в результате осаждения непосредственно из растворов, циркулировавших в КВ. В диагенезе и на эпигенетической стадии руды были сцементированы новообразованными бертьерином, сидеритом и шамозитом, а трещины и расколы заполнялись карбонатами и сульфидами. В Михайловском рудном районе основная масса БЖР сложена мартитом, железной слюдкой и магнетитом, редко встречаются гидрооксиды железа. В Оскольском районе зона мартитизации имеет большую мощность, и остаточный магнетит встречается значительно реже. Здесь плотные руды существенно преобладают над рыхлыми, что объясняется широким развитием эпигенетических и диагенетических процессов. Интенсивная проработанность экзогенными процессами КВ в Белгородском рудном районе, обусловлена благоприятным для формирования латеритного профиля теплым влажным климатом и активным участием в этих процессах органического вещества [Меркушова, Жегалло, 2019].

В бокситоносных КВ, сформировавшихся по межрудным сланцам, выделяются гипогенные, гипергенные, диагенетические и эпигенетические минералы [Савко, Овчинникова, 2020]. К первым относятся гематит и кварц; вторым – бемит, гиббсит, бертьерин, иллит, каолинит, гетит, гидрогематит; третьим – новообразованные каолинит, бертьерин, шамозит, сидерит, сульфиды, и к последним – кальцит и сидерит.

Преимущественно гиббситовые бокситы тяготеют к северной части Белгородского района КМА, а бемитовые – к его южной части. Это объясняется более расчлененным рельефом и более интенсивным дренированием профиля КВ на севере, что привело к образованию здесь пизолитовых бокситов, сложенных тригидратом алюминия. Моногидрат алюминия слагает распространенные южнее бемитовые разности, сохранившие реликтовые сланцеватые текстуры. Вне гряд железистых кварцитов, на архейских гнейсах, занимавших пониженные формы рельефа, в позднетурнейско-ранневизейское время формировалась каолиновая КВ. Таким образом, для образования бокситов, помимо состава материнских пород, климата и обилия органического вещества, важнейшее значение имел палеогеоморфологический фактор.

Проведенное сопоставление зональности КВ на джеспилитах и межрудных сланцах показано в табл. 2. Из нее видно, что типы руд определяются составом исходных пород, степенью их выветрелости, а также диагенетическими и эпигенетическими процессами. Образование БЖР начиналось уже в зоне гидратации (Михайловское), продолжалось в зоне гидролиза (Стойленское) и достигло своего максимума в раннекаменноугольное время при формировании латеритного профиля, характеризующегося обогащением верхней зоны и профиля свободными оксидами и гидр-оксидами Fe и Al. В этом же направлении увеличиваются мощности, разнообразие БЖР, содержание в них железа, а также появление бокситов, но только в пределах полей развития сланцево-джеспилитовой формации.

В девонское время на межрудных сланцах одновременно с образованием БЖР формировался иллит-каолинитовый профиль КВ, аллитная зона с бокситами появилась на межрудных сланцах в позднетурнейско-ранневизейское время только в Белгородском районе КМА. В раннем карбоне эта территория была расположена в экваториальной зоне [Зинчук и др., 2008], где господствовал влажный тропический климат, благоприятный для формирования аллитов. В бокситах минералы глинозема образуются непосредственно по иллиту, а также каолиниту и бертьерину. Эпигенетические процессы, наложенные на уже сформированные бокситы привели к их силицификации и карбонатизации. Образование тех или иных минералов контролировалось условиями корообразования, а также диагенетическими и эпигенетическими процессами. Одной из основных особенностей бокситов является широкое развитие в зоне гидролиза бертьерина, столь характерного для БЖР, который в основной своей массе является сингенетическим минералом КВ.

При формировании раннекаменноугольных КВ на породах сланцево-джеспилитовой формации определена ведущая роль биогенного фактора [Меркушова, Жегалло, 2016; Овчинникова, Жегалло, 2019; Боева, 2016], его возрастающая с с течением геологического времени роль при выветривании. Формирование додевонских и девонских КВ происходило при ограниченной роли биогенного фактора, тогда как в начале карбона он играл определяющую роль в образовании латеритного профиля, что выразилось в появлении зоны свободного глинозема в КВ на сланцах и резком увеличении мощности богатых железных руд.

Обнаруженные в бокситах микроорганизмы представлены фрагментами нитчатых и коккоидных бактерий, трихомов цианобактерий, гифов микрогрибов, а также продуктами их жизнедеятельности (гликокаликс и биопленки). Микроорганизмы выполняли деструктивную функцию, выраженную в разрушении минералов материнских пород, и выступали в роли накопителя рудного вещества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный историко-генетический анализ КВ, развитой на породах сланцево-джеспилитовой формации показал различную историю их формирования в трех рудных районах КМА. Наиболее древними, маломощными и малопродуктивными являются гипергенные образования Михайловского района, перекрытые эйфельскими отложениями девона. В составе БЖР значительный объем занимают гипогенные железная слюдка и магнетит, а также труднообогатимые полуокисленные джеспилиты мощностью до 10 м. На сланцах развит иллитовый, реже каолинит-иллитовый профили выветривания. В Оскольском районе, где КВ перекрыты живетскими и франскими образованиями девона, степень выветривания, качество, мощности БЖР выше, а на сланцах развиты каолинитовый и охристо-каолинитовый профили. Наиболее мощные и интенсивно проработанные процессами гипергенеза – раннекаменноугольные латеритные КВ, в которых сосредоточены все бокситы и основная масса богатых железных руд КМА.

Эволюция состава КВ в палеозое на КМА заключается в последовательной смене в ней минеральных ассоциаций, сформировавшихся в результате тектонических, климатических и биосферных изменений, а также наложения диагенетических и эпигенетических процессов, определивших конечный состав выветрелых образований и связанных с ними полезных ископаемых.

Результаты исследования показали, что БЖР формировались во все этапы образования КВ в палеозое, и их можно прогнозировать на всей территории КМА, тогда как бокситы – только в Белгородском районе, под визейскими отложениями в пределах гряд развития джеспилитов. Полученные данные по вещественному составу БЖР и бокситов позволят при проведении работ по гидроскважинной добыче руд классифицировать тела полезных ископаемых по минеральному составу и физическим свойствам – то есть по прочности, определяющей возможности гидромеханического разрушения пород и результативность воздействия химических реагентов.