20.07.2018
В ходе возведения частного жилого здания и разработке интерьера, необходимо принимать во внимание все требования, которые...


20.07.2018
Биметаллическими радиаторами называют батареи, созданные из нескольких сплавов: стального и алюминиевого. Сталь применяют с целью...


19.07.2018
Гибка металла, в особенности, листового, считается технологичной процедурой, в ходе которой из прокатного листа можно получить ту...


18.07.2018
Металлические изделия самой разной функциональности для краткости называются метизы. Группа охватывает широчайший ассортимент,...


18.07.2018
Сегодня на рынке выбор покрытий для пола является попросту колоссальным, среди самых востребованных вариантов следует отметить...


17.07.2018
Инверсионная крыша является «кровлей наоборот». Если говорить простыми словами, то основным её отличием, сравнивая со стандартной...



Осадочные железорудные месторождения

11.07.2018
Некоторые типы железорудных месторождений образуются непосредственно как химические осадки. Среди них, вероятно, наибольшим распространением пользуется железистая формация, известная в районе озера Верхнее как таконит, в Бразилии как итабирит, в Австралии как джеспилит, а в Великобритании как полосчатый железняк. К осадочным рудам железа относятся также скопления оолитов (например, руды месторождения Клинтон на востоке США и Минетта в Эльзас-Лотарингии), болотные железные руды и пласты железного карбоната (известные еще как черные полосчатые руды).

Железистая формация


Термином железистая формация геологи пользуются широко, хотя применяют его и не всегда правильно. Месторождения железистой формации обычно обладают общими чертами, но, к сожалению, каждое месторождение имеет некоторые характерные особенности, отличающие его от месторождений других районов. Вследствие этих отличительных особенностей возникают существенные неувязки в определении и различное понимание данного термина. Джеймс попытался внести ясность, введя обобщающее определение. Он предложил под железистой формацией понимать «хемогенный осадок, обычно тонкослоистый или полосчатый, содержащий 15 или более процентов железа осадочного происхождения, обычно, но не обязательно, включающий кремнистые пропластки». Поскольку это определение достаточно полно характеризует так называемую железистую формацию, мы его принимаем. Однако в большинстве случаев железистая формация содержит железо в количестве от 25 до 35%, а поэтому некоторые геологи считают 15-процентный предел слишком низким. Кроме того, многие рассматривают наличие тонких про-пластков и нодулей кремнистого вещества как существенный признак железистой формации (фиг. 17.1). Железо в железистой формации содержится в виде нескольких соединений: магнетита, мартита, лимонита, сидерита, хлорита, гриналита [(Fe+2, Fe+3)6 Si4O10(OH)8], миннесотаита [(Fe+2, Mg, H2)3(Si, Al, Fe+3)4O10(OH)2], спекулярита, мягкого красного гематита, стильпномелана [K(Fe+2, Fe+3, Al)10Si12O30 (О, OH)12], грюнерита [(Fe, Mg)7Si8O22 (OH)2], фаялита [Fe2SiO4] и пирита.

В железистых формациях по большей части нет окаменелостей, за исключением редко встречаемых отпечатков водорослей или недиагностируемых и сомнительных органических остатков. Долгое время считалось, что все месторождения железистой формации имеют докембрийский возраст, однако недавно появились сообщения о палеозойском возрасте отдельных месторождений. Многие гипотезы относительно происхождения железистой формации основаны на предположении, что эти руды формировались только в докембрийское время. Однако вне зависимости от того, являются ли эти месторождения докембрийскими или палеозойскими, все они очень древние. Столь древние породы обычно отличаются сложной тектонической историей, поэтому легко деформируемые породы тонкослоистой железистой формации бывают сильно дислоцированы и интенсивно метаморфизованы (фиг. 17.2). На основании явного отсутствия подобных образований в породах более молодых геологических периодов исследователи пришли к выводу, согласно которому колоссальное накопление минералов железа произошло в результате специфических условий, господствовавших в докембрии, которые с тех пор не повторялись. Лепп и Голдич, например, предположили, что в докембрийской атмосфере содержание кислорода было относительно низким, в результате чего большая часть железа переходила в раствор в записном состоянии. Однако большинство геологов полагает, что подобное объяснение нельзя считать ни необходимым, ни достоверным, если имеются железистые формации палеозойского возраста. Возможно, что более длительные периоды стабильного состояния земной коры и более глубокая пенепленизация в докембрии и нижнем палеозое приводила к более высокой степени химического выветривания. Речные воды переносят огромные массы железа, поставляя необходимый материал для химического осаждения. Поскольку в земной коре железо содержится в большем количестве, нежели кальций, осадочные соединения железа при благоприятных условиях могли быть развиты столь же широко, как и известняк.

Для объяснения происхождения железистой формации выдвинуто пять теорий:

1. Накопление кремнезема и железа связано с вулканической деятельностью; они, вероятно, выносились на морское дно магматогенными водными источниками.

2. Железо и кремнезем переносились в растворенном состоянии с ближайших континентальных участков и ритмически отлагались в воде как осадочные образования. Такое отложение, возможно, зависело от сезонных колебаний в составе воды. Способ отложения объясняется различно. Большая часть объяснений сводится к предположению о непосредственном осаждении кремнезема и железа или же о влиянии одного из соответствующих биохимических процессов.

3. Первоначально пласты формировались в виде тонкозернистых железистых туфов и других обогащенных железом осадочных пород; такие осадки быстро окислялись и силифицировались, что происходило более или менее одновременно с их отложением под воздействием растворов, имевших отчасти магматическое происхождение. Согласно Данну, в процессе силификации возникали полосчатые кремнистые породы и джаспероиды, переслаивающиеся с пропластками, более богатыми железом.

4. Месторождения железистой формации в Родезии, по-видимому, образовались в результате супергенного выщелачивания, силификации и ожелезнения карбонатизированных фельзитов.

5. Образование железистой формации обусловлено аккумуляцией в частично замкнутом бассейне, причем осаждение и характер осадков контролировались окислительно-восстановительными условиями среды, в которой протекало осадконакопление.

Первой теории, согласно которой железистая формация является прямым результатом вулканической деятельности, до сих пор придерживаются многие геологи. Сторонники этой теории указывают на обычную близость районов вулканических проявлений и мест развития железистых формаций. Действительно, во многих местах вулканическая деятельность происходила одновременно с процессом образования железистой формации. Логично предположить, что горячие воды, связанные с интрузивной деятельностью, могли обеспечивать необходимое поступление железа в раствор. Однако такая взаимосвязь между железистой формацией и вулканической деятельностью устанавливается не повсеместно, следовательно, нужно искать другие объяснения. В частности, это относится к месторождению Морру-ду-Урукум в западной Бразилии — обширному району, в котором вулканических проявлений, по-видимому, нет.

На основании своих работ в Индии Данн предположил, что кремнистые слои в железистой формации — это не осадочные образования, а продукт вторичного окремнения породы, ныне представленной железистыми, хлоритовыми или углистыми сланцами и филлитами, из которых многие первоначально были туфами. Полагают, что процесс окремнения отчасти протекал одновременно с отложением этих пластов и был следствием термальной активности, сопровождавшей вулканическую деятельность. О низкой температуре процесса судят по тонкозернистой структуре кремнистых образований. Однако родезийские железные руды связываются с выщелачиванием вулканогенных пород циркулирующими водами метеорного происхождения.

Спорными представляются два вопроса: 1) где находится источник железа и 2) чем можно объяснить полосчатую текстуру этих образований. В трех из перечисленных выше пяти теорий предполагается существование прямого магматического источника железа. Его видят либо в термальных вулканических водах, либо в выщелачивании вулканогенных пород, почти одновременном с их образованием. Полосчатые текстуры объясняют ритмической пульсацией вод вулканического происхождения, силификацией, параллельной зеркалу грунтовых вод, и сезонными колебаниями при отложении осадков. Вероятно, некоторые эти теории имеют значение для отдельных месторождений, но ни одну из них, связывающую образование подобных руд с вулканизмом, нельзя признать универсальной.

Джеймс и его сотрудники, проводившие исследования в районе озера Верхнее, заставили усомниться в существовании магматогенного источника железа и кремнезема. Они связали обогащенные железом породы и проявления вулканизма с геосинклинальным развитием региона в гуронское время. Эти авторы пришли к заключению, что главное условие отложения железистой формации заключается в замкнутости или ограниченности бассейна. Это условие совпадает во времени с нормальной стадией эволюции геосинклинали, т. е. со структурным оформлением прибрежных прогибов или поднятий, которые в дальнейшем превращаются в островные дуги с характерным для них вулканизмом.

В железистой формации (таконите) района озера Верхнее на основании преобладающего железосодержащего минерала выделены четыре фации: сульфидная, окисная, карбонатная и силикатная. Отложение каждой фации контролировалось главным образом величинами Eh и pH среды, особенно окислительновосстановительным потенциалом (фиг. 17.3). Низкие значения pH и Eh благоприятствуют отложению пирита, а высокие значения этих показателей способствуют образованию окисных минералов; в условиях средних значений Eh — pH формируются карбонаты и силикаты. Отложение таконита происходило в замкнутых бассейнах, отделенных от океана порогами, которые препятствовали свободной циркуляции и способствовали образованию необычных окислительно-восстановительных условий.

Хок предположил, что обстановка, благоприятная для отложения железистой формации, складывается из следующих условий: обширные, глубокие пресноводные озера; годичный климатический цикл, аналогичный субтропической или жаркой климатической зоне; водораздел, находящийся в стадии зрелого геоморфологического развития. Глубина озер должна быть достаточной, чтобы могли быть обеспечены условия для стратификации воды по плотности. Летом нижняя зона воды изолируется от атмосферы и, следовательно, становится кислой и слабо восстановительной, что способствует сохранению железа в растворенном состоянии. В зимнее время конвекционное перемешивание воды вызывает смену среды на окислительную и щелочную, что обусловливает осаждение железа. Биохимическим осаждением объясняется обогащение осадка кремнеземом в летний период, но прямое химическое осаждение также может контролироваться временем года, что особенно характерно для докембрия, когда поверхностные воды, возможно, были насыщены кремнеземом. Другой причиной может явиться дифференцированное выветривание в районе источника сноса, когда поступление железа увеличивается зимой, а вынос кремнезема летом.

Сульфидные фации, развитые в районе озера Верхнее, представлены черными сланцами, включающими до 40% пирита. Содержание свободного углерода в этих сланцах, как правило, колеблется в пределах от 5 до 15%, что служит указанием на чрезвычайно застойные условия, преобладавшие в период отложения. Отдельные кристаллы пирита имеют микроскопические размеры, такие же, как зерна сланца, вследствие чего определить содержание железа в образце на глаз нельзя. В чистом виде карбонатные фации представлены чередующимися прослоями сидерита или богатого железом анкерита и кремнистого вещества. Именно такая порода образуется, когда концентрация кислорода достаточно высока, чтобы большая часть органического вещества разрушилась, но недостаточно высока для образования соединений окисного железа. В зоне окислов выделяются две субфации, одна из которых характеризуется развитием гематита, а другая — магнетита. Оба эти минерала имеют первично-осадочное происхождение. Весьма распространенная в районе озера Верхнее магнетитовая фация состоит из прослоев магнетита, перемежающихся с кремнистым веществом, карбонатами, силикатами железа или пластами, состоящими из различных смесей этих минералов. Такой минеральный состав и ассоциации заставляют предположить, что осаждение происходило в слабо окислительных или умеренно восстановительных условиях. Гематитовая порода представлена тонкокристаллическим гематитом, переслаивающимся с роговиком или джаспероидом; для этой фации обычны оолитовые текстуры. Очевидно, гематитовая фация формировалась в сильно окислительной прибрежной обстановке, аналогичной среде, в которой формировались молодые железистые породы типа Клинтонской формации, развитой в восточной части США. В силикатной фации в виде ее главной составляющей содержится один или несколько водных силикатов железа — гриналит, миннесотаит, стильпномелан или хлорит. Наиболее обычна ассоциация силикатной фации с карбонат- или магнетитсодержащими породами. Это означает, что оптимальные условия для отложения данной фации создавались в слабо окислительной или слабо восстановительной обстановке. Соотношение зон осадконакопления для рассмотренных фаций, по Джеймсу, схематически представлено на фиг. 17.4.

Убедительное доказательство, свидетельствующее в пользу теории Джеймса, получили Гостил и Ноулс в результате работ, проведенных ими в районе Уобаш-Лейк в восточной Канаде. Они обнаружили, что фации, аналогичные рассмотренным, располагаются в определенной последовательности, означающей, что их отложение контролировалось степенью насыщения среды кислородом в зависимости от глубины водного бассейна или расстояния от береговой линии. На фиг. 17.5 ясно показаны подобные соотношения, судя по которым мы должны предполагать, что береговая линия находилась северо-западнее.

Многие геологи считают, что в обычных речных водах могут растворяться и переноситься значительные массы железа, необходимые для накопления железистой формации в огромных объемах; эта гипотеза подтверждается соответствующими полевыми и лабораторными данными. Важный вклад в решение этой проблемы несколько десятков лет назад внесли Myp и Мейнард, обнаружившие, что обильное органическое вещество способствует извлечению и переносу железа и кремнезема холодной водой в количествах, необходимых для образования крупных месторождений железистой формации. Они считали, что железо и кремнезем переносятся и осаждаются в виде коллоидов, защищенных органическим веществом. Myp и Мейнард своими экспериментами показали, что смешение таких золей приводит к выпадению полосчатого осадка, в котором слой, обогащенный железом, оказывается внизу, а почти чистый кремнезем — наверху. Однако результаты исследований Краускопфа бросили тень сомнения на коллоидную природу подобного кремнезема.

Считается, что железистая формация представляет собой эпиконтинентальный осадок, образовавшийся путем химического осаждения из речных вод, вливавшихся в соленые озера или какие-либо иные замкнутые бассейны. Отсутствие посторонних кластических компонентов означает, что развитие рельефа уже приблизилось к стадии пенепленизации. Сочетание замкнутых бассейнов и пенепленов, вероятно, явление редкое, поэтому отложение железистой формации могло происходить только в период полного выравнивания рельефа. Согласно результатам исследования, проведенного Сакамото в Манчжурии, существование мелководных озер в бассейне, вовлеченном в колебательные движения в условиях муссонного климата, и явилось тем фактором, который обусловил формирование полосчатых железорудных залежей. Периодические изменения величины pH в водах этих озер проявились в циклическом отложении окислов железа и кремнезема в виде серии переслаивающихся пропласт-ков. Сакамото отнес накопление железа и кремнезема на счет глубокого выветривания в соседних районах. Он отметил, что железо и кремнезем должны были транспортироваться по отдельности в зависимости от времени года подобно тому, как развиваются разные почвы во влажном и сухом климатах. Сакамото предположил, что железо привносилось в озера во влажное время года, когда воды были кислыми; засушливые периоды способствовали осаждению железа и вследствие резкого возрастания pH одновременно обусловливали перенос кремнезема. Отсюда следует, что в условиях устойчивого климата полосчатая железистая формация образовываться не будет.

Пропластки и нодули кремнезема в железистой формации состоят из кремнистого вещества, но во многих местах, особенно в районах, претерпевших метаморфизм, а позднее и тропическое выветривание, это вещество напоминает кварцит или песчаник, на которые его часто и принимают. На основании изучения многочисленных образцов кремнезема пришли к заключению, что этот материал не является механическим осадком. В некоторых районах кремнезем имеет мозаичную структуру, а тяжелых акцессорных минералов, которые должны присутствовать в обломочных осадочных породах, в железистой формации вообще нет. Как и следовало ожидать, в любой серии осадочных образований имеются локальные участки механического осадконакопления; следовательно, химические осадки иногда могут постепенно переходить в кластические отложения. Однако подавляющая масса кремнезема железистой формации все же представлена хемогенным осадочным кремнистым веществом.

Важную роль в образовании железорудных месторождений могут играть бактерии и вообще биохимические процессы. В то же время количественное значение этих факторов нельзя оценить, поскольку их действительная роль пока еще полностью не выяснена. Бактерии, накапливающие железо, существуют; вероятно, они существовали и в докембрии. При благоприятных условиях эти микроорганизмы могут быть ведущим фактором процесса накопления железа, но в таком предположении нет необходимости. Бактерии могут ускорять ход неорганических реакций, которые привели бы к таким же результатам, но за более продолжительное время. Оба эти процесса, несомненно, осуществляются в одинаковой обстановке. Итак, вопрос о том, в результате каких процессов — органических или неорганических — произошло накопление главной массы железа любого данного месторождения, остается нерешенным.

История освоения железистой формации блестяще подтверждает известное положение, согласно которому «пустая порода для одного поколения оказывается рудой для последующего». Вплоть до конца второй мировой войны железистая формация не считалась рудой; содержание железа в ней слишком мало, а кремнезема чересчур много. Железистую формацию могли разрабатывать как руду лишь на тех участках, где кремнезем был выщелочен в результате выветривания или каких-либо иных процессов. Ho после изобретения методов огневого и гидравлического бурения, а также разработки экономически выгодных методов обогащения и агломерации железа, убогие такониты почти сразу оказались рудой. В результате подобного технического прогресса даже начались затруднения со сбытом бедных руд, не требующих обогащения (около 50% железа). Однако в большинстве своем залежи железистой формации следует считать рудными только в тех случаях, если их можно дешево и легко разрабатывать. Другими словами, руды должны залегать неглубоко, находиться недалеко от места потребления, и, кроме того, процесс обогащения должен быть несложным.

Во многих районах развития железистой формации выявлены удлиненные или линзообразные тела богатых руд, запасы которых измеряются миллионами тонн. Такие концентрации создались в результате процессов выщелачивания кремнезема или замещения с привносом железа, причем все эти процессы связаны с метаморфизмом, гидротермальной деятельностью или с выветриванием. В большинстве районов, где первичная порода представлена итабиритом или таконитом, разрабатываются только такие богатые руды.

Во многих странах разрабатываются железные руды, также имеющие несомненное осадочное происхождение, но отличные от железистой формации. Среди них, вероятно, наибольшую ценность представляют месторождения оолитовых руд. Характер этих руд не везде одинаков: на одних месторождениях оолиты слагают основную массу руды, на других — они рассеяны в глинистой породе или известняке. Состав оолитов также изменчив: они бывают сложены гематитом, лимонитом, сидеритом или шамозитом.

Оолитовые железные руды


Одно из наиболее крупных в мире месторождений оолитовых железных руд установлено в формации Клинтон, которая спорадически обнажается на обширной территории от штата Нью-Йорк на севере до Алабамы на юге, где она перекрывается осадочными породами свиты Коустел-Плейн. Формация Клинтон имеет силурийский возраст; она представлена тонкослоистыми ожелезненными песчаниками, глинистыми сланцами и оолитовым гематитом. Местами толща обызвесткована; иногда она постепенно переходит в чистые известняки. Часто встречаются окаменелости, в большинстве случаев нацело замещенные гематитом. Максимальная мощность гематитовых пластов установлена в районе Бирмингема, штат Алабама, где она достигает 20 футов.

В районе Бирмингема добываются руды трех типов: оолитовые, флексидные (flax-seed — льняное семя, т. е. мелкооолитовые.— Ред.) и ракушечные. Как показывают сами названия, в оолитовой руде гематит образует оолиты, заключенные обычно в гематитовой, кальцитовой, а иногда и кремнистой основной массе; во флексидной руде гематит присутствует в виде маленьких плоских зерен или уплощенных оолитов; в ракушечной руде гематит замещает бесчисленные органические остатки — в основном моллюсков и мшанок. В результате супергенного выщелачивания кальцитовой основной массы руды верхних горизонтов месторождений, как правило, представлены рыхлыми разностями; с глубиной руды становятся более твердыми и кремнистыми. В твердых рудах содержание железа относительно низко в основном из-за наличия кальцита. Ho, поскольку кальцит необходим как флюс, а коксующийся уголь добывается поблизости (на угольных копях Уорриор), железорудные месторождения Бирмингема успешно конкурируют с другими, более богатыми месторождениями. С глубиной бирмингемские руды становятся все более кремнистыми и тугоплавкими.

Формация Клинтон имеет мелководное, морское происхождение. Для нее характерны косая слоистость, трещины усыхания, следы жизнедеятельности организмов, оолитовые текстуры и прочие особенности мелководных отложений. Местами в ней встречаются линзы конгломерата. Гематит, по-видимому, имеет и первичное, и диагенетическое происхождение, о чем свидетельствуют случаи замещения органических остатков и концентрические слои в известковых оолитах. Железо, привнесенное в мелководные морские бассейны, медленно окислялось и осаждалось одновременно с накоплением прочих осадков. Кастаньо и Гаррелс экспериментально показали, что аэрированные речные воды с pH около 7 или чуть ниже способны переносить в растворенном состоянии закисное железо в значительном количестве. Если такой раствор попадает в морскую среду, где твердый карбонат кальция находится в равновесии с морской водой, железо осаждается в виде окиси либо в самой воде, либо путем прямого замещения карбоната кальция. Именно такой механизм осадко-накопления и принимается большинством исследователей клинтонских руд. Другими словами, эти руды рассматриваются как результат раннего диагенетического замещения известковых илов, органических остатков и оолитов, которое происходило наряду с прямым химическим осаждением железа.

Оолитовые лимонитовые руды Эльзас-Лотарингии и Люксембурга залегают в среднеюрских глинистых сланцах, песчаниках и мергелях. Содержание железа в этих рудах колеблется от 30 до 35%, нерудная часть представлена карбонатом кальция и кремнеземом. Подобные руды обеспечивают значительную долю железа, производимого странами Западной Европы. Оолиты преимущественно состоят из лимонита; кроме того, в них имеется сидерит, хлорит и гематит. Согласно Кайо, эти минералы заместили первичные кальцитовые оолиты.

Помимо рассмотренных двух примеров месторождений оолитовых руд (клинтонских и эльзас-лотарингских), приведем еще один — район Уобана на побережье острова Ньюфаундленд. Месторождения данного района представлены пластами оолитовых руд мощностью от нескольких дюймов до 30 футов, залегающими в верхней 400-футовой пачке песчанико-сланцевой толщи ордовичского возраста. Промышленное значение имеют всего три пласта максимальной мощности. Мелководные, до субаэральных, условия осадконакопления подтверждаются следами дождевых капель, оолитами, косой слоистостью, трещинами усыхания, а также мелководной морской фауной — брахионодами и трилобитами. Оолиты состоят из концентрических оболочек гематита и шамозита, местами заключенных в основной массе сидерита. И оолиты, и основная масса пронизаны ходами червей, на основании чего делается вывод, что эти руды перед захоронением под более молодыми осадочными породами имели облик, близкий к современному. Период отложения окислов железа, по-видимому, окончился внезапно, о чем свидетельствуют находки в перекрывающих граптолитовых сланцах оолитов пирита. Месторождения выходят на поверхность вдоль северо-западного берега острова Белл, где породы падают на север-северо-запад в сторону залива Консепшен под углом примерно 9°. Рудные пласты отрабатываются на расстоянии 2,5 мили по падению, причем самые глубокие горные выработки находятся далеко под дном залива. В рудах в среднем содержится 51,5% железа, 11,8% кремнезема, 0,9% фосфора при 1,5% влажности. Потенциально продуктивная площадь превышает 50 кв. миль, из которой пока отработана едва ли одна десятая часть.

Сидеритовые месторождения


Осадочные породы с сидеритом распространены по всему миру; обычно они известны под названием черных полосчатых руд. Попытки разрабатывать такие месторождения, как правило, кончались неудачей из-за низкого содержания железа, но все же осадочный сидерит добывается в Германии и на Британских островах. В колониальный период США карбонаты железа в небольшом количестве добывались из морских осадков в штатах Огайо, Пенсильвания и в некоторых других районах.

Болотные руды и месторождения водных источников


Болотные руды железа встречаются в виде небольших бедных залежей при высоком содержании фосфора, воды, глины и прочих примесей. Они интересны главным образом тем, что некоторые из них представляют собой отличный пример биохимического способа осаждения минералов железа. Содержание железа в болотных водах более высокое, нежели в прочих поверхностных водах, поскольку железо стабилизируется гумидными комплексами. Осаждение окислов и гидроокислов железа из разрушенных гумидножелезных комплексов и бикарбоната двухвалентного железа вызывается бактериями. В болотные воды железо поступает с поверхностными водами и из подземных источников. Эти реакции можно наблюдать на некоторых ледниковых озерах в северных районах. В настоящее время болотные руды имеют ничтожное промышленное значение.

Специфические условия среды можно предположить для случаев локального возникновения концентраций карбоната кальция и окислов железа. В этом отношении можно провести аналогию с отложениями водных источников. Если воды источника насыщены карбонатом кальция, то на выходе образуются травертины, а залежи окисного железа формируются из сильно железистых вод. Например, на руднике «Кучан» (остров Хоккайдо, Япония) добыто около 5 млн. т лимонита, отложившегося из вод одного холодного источника, который выходил на склоне холма. Растворенное в воде закисное железо окислялось, как только вода приходила в соприкосновение с воздухом, а образующаяся залежь лимонита принимала форму террасы.

Район озера Верхнее


Район озера Верхнее — богатейшая железорудная провинция мира — распространяется на север центральной части США и захватывает южную часть Канады (фиг. 17.6). С 1884 г., т. е. с начала разработки, по 1956 г. на рудниках этого района добыто более 3 млрд. т руды. Хотя к настоящему времени наиболее доступные и самые богатые залежи уже отработаны, высококачественные руды будут добываться в этом районе еще в течение многих лет, правда, все в уменьшающемся количестве. Будущее района гарантируется непрерывным введением новых экономических методов отработки высокопрочных магнетитовых таконитов в восточной части хребта Месаби и «яшмоидных» руд хребта Mapкетт.

Район озера Верхнее, в той части, которая приходится на территорию США, имеет шесть основных горнорудных округов или, как их здесь называют, «хребтов». Это Месаби, Вермильон и Куйюна в штате Миннесота; Пеноки-Гогибик, пересекающий границу штатов Висконсин и Мичиган, а также Маркетт и Меномини в штате Мичиган. Округ Меномини в свою очередь подразделяется на районы Айрон-Ривер, Кристал-Фолс и Айрон-Маунтин. Из этих шести округов наибольшая добыча производится в пределах хребта Месаби. Железные руды поступают также и из некоторых небольших месторождений, в частности хребта Ганфлинт, прогиба Репаблик, из округа Амаса, хребта Барабу и округа Флоренс, но там они добываются в количествах, значительно меньших, чем в шести главных горнорудных округах. В Канаде выделяются два крупнейших месторождения — хребет Мичипикотен и округ Стип-Рок-Лейк.

Литература, посвященная месторождениям озера Верхнее, чрезвычайно обширна. Из более значительных трудов по геологии региона в целом, вероятно, можно назвать монографию Ван-Хайза и Лейта, но многие вопросы геологии района и отдельных месторождений обстоятельно рассмотрены и в других публикациях.

Обширные пространства между отдельными хребтами заняты ледниковыми отложениями и покрыты растительностью. Отсутствие обнажений осложняет проведение геологических исследований и весьма затрудняет корреляцию между отдельными изолированными хребтами. Тем более привлекательной представляется задача обнаружить новые месторождения под ледниковыми отложениями и проследить известные рудные хребты в пределах территорий, перекрытых наносами. Обширные, весьма детальные поисково-разведочные работы отчасти оказались успешными. Помимо обычных геологических методов, широко используются геофизические методы разведки. Наиболее популярна магнитная съемка с применением различных магнитометров; в последние годы большая часть района закартирована с поисковыми целями с применением аэромагнитной аппаратуры. Помимо прочего, с помощью магнитной съемки удается картировать структуры фундамента под ледниковыми наносами. Благодаря тому что высокосортные руды в большинстве случаев связаны с определенными особенностями структуры — обычно со складками, — применение магнитной съемки непосредственно приводит к открытию богатых рудных залежей.

Стратиграфия докембрия в районе озера Верхнее существенно меняется от одного рудного района к другому. Вероятно, наиболее удовлетворительная корреляция была проведена Лейтом и его сотрудниками в 1935 г. Их корреляционная схема с некоторыми уточнениями приведена в табл. 17.1. Характерной особенностью стратиграфической колонки является большая роль глинистых сланцев, связанных с железистой формацией. Многие из разновидностей сланцев литологически сходны и с трудом различаются в поле. Местами к тому же они интенсивно перемяты. По большей части сланцы характеризуются монотонным серым или черным цветом, но в отдельных пластах обнаружена слоистость, напоминающая ленточные текстуры. В других пластах в небольшом количестве содержатся обломки сланца несколько иного цвета, местами встречаются песчанистые или даже конгломератовые пропластки. В сланцах присутствуют в заметном количестве тонкие включения углистого вещества и пирита. В районе Меномини многие типы сланцев, соприкасаясь с воздухом, самовозгораются, а по этой причине при горных работах по мере возможности их стараются не вскрывать.



В породах широко распространен вулканогенный материал, особенно в толщах гуронского и кивиноуского возрастов. Среди изверженных пород преобладают основные породы, претерпевшие зеленокаменное изменение; часто встречаются и отдельные интрузивные тела. Обнаружено много даек мафического состава, причем на месторождении Гогибик вдоль них концентрируются наиболее высококачественные руды. Габбро Дулут слагают западный берег озера Верхнее и срезают восточное продолжение хребта Месаби. К северу от этого хребта широко развиты гранитоиды (граниты Гайентс-Рендж).

Почти на всей площади рассматриваемого региона в железистой формации содержится от 25 до 35% железа. Это плотная, вязкая порода, которая с трудом раскалывается и обогащается. Железо в ней присутствует в виде гематита, магнетита, сидерита, пирита или в одном из силикатов железа. В районе озера Верхнее добываются руды, не требующие обогащения; это руды из тех участков месторождений, на которых кремнезем был выщелочен какими-либо природными процессами. Лишь за последние годы были разработаны новые методы, позволяющие вести добычу и обогащение рядовых таконитов. В восточной части хребта Месаби железистая формация содержит магнетит; эту высокопрочную породу дробят, обогащают магнитным способом и спекают в агломерат с высоким содержанием железа, пользующийся большим спросом в промышленности. Подобный же процесс применен на рудниках хребта Маркетт в отношении прочных яшмоидно-гематитовых руд; правда, здесь обогащение железом осуществляется методом флотации. По-видимому, в будущем добыча рядовых таконитов будет все более расширяться.

Большие противоречия возникли при рассмотрении причины выщелачивания кремнезема из железистой формации, которое приводит к образованию залежей богатых руд. Правильное решение этого вопроса имеет жизненно важное значение, а по мере углубления рудников оно становится все более и более настоятельным. Если кремнезем выщелачивался холодными водами, то руды должны были концентрироваться как около современной поверхности, так и вдоль поверхностей несогласия, где выветривание происходило в прошедшие геологические периоды. Если выщелачивание вызывалось гидротермальными водами, возможно связанными с вулканической деятельностью, большие запасы руд скорее всего будут обнаружены на глубине. Этот вопрос не решен до сих пор. Некоторые из выдвигаемых доказательств противоречивы, что вполне объяснимо, так как еще не установлены многие основные геологические соотношения. Ниже перечисляются основные аргументы в пользу представлений о выщелачивании как холодными, так и горячими водами.

А. Фактические данные и доводы в пользу представления о выщелачивании кремнезема холодными водами


1. Богатые руды залегают близ земной поверхности — либо современной, либо древней, существовавшей в докембрийское время. Сторонники гипотезы выщелачивания холодными водами особенно обращают внимание на несколько несогласий, установленных в стратиграфической колонке и генетически связываемых с богатой рудой.

2. Большие массы руд концентрируются в синклиналях. Считается, что этот факт свидетельствует о выщелачивании, производимом нисходящими водами.

3. С глубиной богатые рудные тела постепенно переходят в невыщелоченные породы железистой формации, подобно тому как это установлено на других месторождениях, образованных обычными процессами выветривания. Возможность образования залежей богатых руд в течение гипергенного выщелачивания железистой формации показана на примере других районов. Так, итабириты, развитые на большой площади в республике Габон (Африка), выщелачивались поверхностными агентами, причем местами вынос кремнезема установлен на глубинах, превышающих 300 футов.

4. Минеральный состав богатых руд простой, какой и следует ожидать для метеорных условий.

5. Проводится сравнение с условиями формирования боксито-бёмитовых месторождений, когда поверхностные воды выщелачивают кремнезем в огромном количестве.

6. На месторождении Пеноки-Гогибик богатые руды залегают как выше, так и ниже относительно непроницаемых даек. В этом случае выщелачивание связывается с метеорными водами, циркулировавшими вдоль древней эрозионной поверхности. Объяснить залегание руды над этими дайками с точки зрения о восходящем движении вод затруднительно.

Б. Фактические данные и доводы в пользу представления о выщелачивании кремнезема горячими водами


1. В районе имеются многочисленные дайки, а около и вдоль них обычно развивается богатое оруденение.

2. Глубина распространения процессов выщелачивания железистой формации, особенно на месторождении Пеноки-Гогибик, достигает 3000—4000 футов. Такая глубина выщелачивания слишком большая, чтобы этот процесс можно было связывать с поверхностными водами; убедительных доказательств о связи выщелачивания с древней эрозионной поверхностью нет.

3. В тех местах, где дайки падают под пологими углами, богатые руды предпочтительно концентрируются со стороны лежачего бока даек; такое соотношение типично для месторождения Пеноки-Гогибик. (Очевидно, это доказательство находится в прямом противоречии с шестым доводом гипотезы холодноводного выщелачивания.)

4. На отдельных участках были выявлены богатые руды вдоль гребней антиклинальных складок, что свидетельствует против выщелачивания кремнезема холодными водами (согласно этому доводу, нисходящие воды селективно выщелачивали кремнезем из синклиналей).

5. Для выщелачивания кремнезема горячими водами требуются воды в значительно меньшем объеме, нежели в случае выщелачивания холодными водами.

6. Трубообразные тела марганцевых руд с гаусманитом Mn3O4, минералом шпинелевого ряда, служат доказательством того, что в районе проявлялась гидротермальная деятельность.

В районе озера Верхнее ведущее место по добыче железных руд принадлежит месторождениям хребта Месаби. Руды его по большей части представлены рыхлым красновато-бурым агрегатом гематита и лимонита, из которого выщелочен весь или почти весь кремнезем. Строение железорудной толщи хребта Месаби не сложно. За исключением Z-образного искривления в центре обнаженного участка, рудное тело простирается в восток-северо-восточном направлении и падает на юго-восток под углом 4—7° в западной части хребта и под углом 6—12° (тоже на юго-восток) в восточной его части. На глубине в несколько сот футов руды постепенно переходят в невыщелоченную и неокисленную толщу железистой формации, отчасти сложенную карбонатом железа. На восточном погружении хребта рудное тело представлено высокопрочным магнетитовым таконитом; на западном окончании хребта развиты рыхлые выветрелые такониты, в которых кремнезем еще сохраняется. В средней части хребта развиты высокосортные руды, не требующие обогащения. Разрабатываются и рыхлые такониты западной части хребта; эти руды обогащаются до промышленного концентрата промывкой, при которой из руды вымывается кремнезем.

В отличие от простой структуры хребта Месаби тектоника большей части железорудных районов сложная. Толща железистой формации интенсивно смята в складки и разбита разрывными нарушениями, в результате чего для эксплуатации необходимо знать детали стратиграфии и структуры.

Иные проблемы встали перед геологами на месторождении Стип-Рок-Лейк в Онтарио. Там руды имеют массивное сложение, но четкой слоистости нет. К открытию этого месторождения привели рудные валуны, обнаруженные на берегу озера; между 1938 и 1942 гг. месторождение было оконтурено разведочными скважинами, пройденными со льда озера Стип-Рок. Однако прежде чем начать отработку месторождения, пришлось изменить русло реки и осушить озеро. Оруденение локализовано вдоль контакта известняков и вулканогенных пород, которые, казалось бы, замещаются рудами. Такие соотношения привели первых исследователей к выводу о том, что железо привносилось гидротермальными агентами. Плотные руды Стип-Рок-Лейк напоминают такие же руды хребтов Вермильон и Маркетт, а это заставляет предполагать, что формирование всех трех месторождений происходило в результате сходных процессов. Площадь месторождения Стип-Рок-Лейк была заново закартирована Джолифом; после того как здесь были проведены значительные горные работы, этот исследователь пришел к заключению, что оруденение возникло не путем замещения. В его интерпретации месторождение представляет собой осадочный пласт лимонита, переработанный гидротермальными флюидами. В пользу этого представления говорит стратиграфическое положение рудной зоны, которая залегает на эрозионной поверхности. Об этом же свидетельствуют и переходные фации несомненно осадочного происхождения, минеральный состав рудной залежи и парагенезисы. Джолиф особенно подчеркивает тот факт, что преобладающий рудный минерал, гётит, выделился одним из первых в общей последовательности минералообразования. Это отнюдь не характерно для гидротермальных руд, но зато вполне обычно для осадочных образований, впоследствии переработанных гидротермальными растворами.

Вообще говоря, минеральный состав руд района озера Верхнее несложен. Гематит является главным минералом как для рыхлой красновато-бурой разности руд, развитой, например, в хребте Месаби, так и для плотных массивных руд месторождений Маркетт и Вермильон. Обычно присутствует магнетит, который на отдельных участках даже преобладает. В хребтах Меномини и Куйюна руды сложены рыхлым желто-бурым лимонитом и отчасти рыхлым гематитом. В некоторых пластах хребта Куйюна содержится до 8% марганца; поэтому цена на эти руды более высокая, чем на обычные железные.