К геохимии оолитовых и болотных железных руд Томской области

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

№ 341 Декабрь 2010

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 553.31

Е.М. Асочакова, С.И. Коноваленко К ГЕОХИМИИ ООЛИТОВЫХ И БОЛОТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры

инновационной России» на 2009-2013 гг.

Проанализировано распределение элементов-примесей в осадочных железных рудах Томской области. Установлено, что геохимической спецификой железных руд является обогащенность 7п, 8г, Ьа, а также элементами группы железа Сг, Ті, N1, Мп и V. Различия и вариации содержаний микроэлементов в рудах связаны с особенностями их минерального состава.

Ключевые слова: осадочные железные руды; элементы-примеси; Томская область.

Осадочные железные руды известны во многих странах мира, где они связаны с породами фанерозой-ского и кайнозойского возраста [1—4]. Наиболее известными осадочными месторождениями железных руд на территории бывшего СССР являются месторождения Керченского бассейна и ряд месторождений Центральной России. Наряду с ними крупные скопления осадочных железных руд были обнаружены на Урале в Северном Приаралье, Тургайском районе, а в 50-е гг. XX в. - в Западной Сибири [5]. Западно-Сибирский железорудный бассейн имеет северо-восточное простирание, что согласуется с основными чертами строения доюрского фундамента Западно-Сибирской плиты. Юго-восточная её часть сложена байкальско-каледонскими складчато-глыбовыми сооружениями, которые с запада окаймляются герцинскими образованиями Ко-лывань-Томской складчатой области [6].

Объектами исследования являлись мезо-кайнозой-ские железные руды Бакчарского месторождения и рудопроявлений Томского Приобья.

Самые крупные запасы железных руд Томской области связаны с Западно-Сибирским железорудным бассейном, простирающимся с севера на юг более чем на 1,5 тыс. км. В пределах томской части бассейна выделяются пять рудных узлов - Бакчарский, Колпашев-ский, Парабельский, Чузикский и Парбигский. Бакчар-ский узел с одноименным месторождением приурочен к верхнемеловым и палеогеновым отложениям, перекрытым довольно мощной толщей (160-200 м) неоген-четвертичного возраста. Железные руды данного объекта связаны с несколькими горизонтами: нарымским, колпашевским, тымским и бакчарским. Мощность продуктивных пластов колеблется от 2 до 40 м. Железорудные горизонты прослеживаются на всей площади месторождения, а также за ее пределами, разделяясь безжелезистыми или слабожелезистыми породами и нередко с размывом перекрывая друг друга. По своим структурным особенностям, химическому и минералогическому составу руды месторождения подразделяются на шесть типов: 1) плотные гётито-гидрогётитовые руды с сидеритовым цементом; 2) рыхлые гётито-гидрогётитовые руды; 3) лептохлоритовые руды с хло-рито-сидеритовым цементом; 4) конгломератовидные лептохлоритовые руды с крупными оолитами; 5) сиде-ритовые руды; 6) глауконитовые руды с сидеритовым

цементом. Среднее содержание железа в указанных типах руд меняется от 30 до 46% [7, 8].

Руды, отобранные из скважины Полынянского участка Бакчарского месторождения, представлены бурыми сцементированными оолитовыми гётит-гидрогёти-товыми железняками, зеленовато-серыми глинистохлоритовыми микролитовыми и темно-бурыми, переходными между оолитовыми гётит-гидрогётитовыми и глинисто-хлоритовыми типами. По последним данным, установленные два типа руд (зеленовато-серые глини-сто-микроолитовые и темно-бурые, бурые сцементированные оолитовые гётит-гидрогётитовые железняки) являются исходными генетическими типами железных руд месторождения, а между ними располагаются промежуточные (переходные) разновидности или подтипы в разной степени (от интенсивной до частичной), затронутые наложенными преобразованиями (выветриванием, окислением, разрушением волновой эрозией и др.), которые послужили источниками оолитового материала для формирования сыпучих (перемытых) железных руд месторождения [9].

Бурые сцементированные гётито-гидрогётитовые руды с разным соотношением оолитов и цемента слагаются оолитами и бобовинами гидрогётита, обломочным материалом и цементом. Это плохо отсортированный концентрат, сформированный как бы отполированными оолита-ми и бобовинами гётита и гидрогётита. Сами оолиты очень разнообразны по форме и цвету. По форме отмечаются в основном округлые, сплюснутые и угловатые; по цвету - черные блестящие, коричневые (бурые) блестящие и матовые. Руды довольно мягкие и легко растираются руками. Текстура руд массивная, вкрапленная. Явной слоистости не наблюдается. Есть участки с наибольшим количеством оолитов, что выражается в неравномерной окраске наподобие слоистости. Оолиты и рудные бобовины составляют 60-70%, терригенный материал -15-25% от всей рудной массы, остальное цемент.

Глинисто-микроолитовые руды отличаются зеленовато-серым цветом и нередко хорошо выраженной слоистостью. Руда состоит из черных и темнокоричневых гётитовых и гидрогётитовых оолитов, легко рассыпается. Зеленовато-серый хлорито-глинистый цемент покрывает оолиты и ооиды корками.

Переходные (промежуточные) разновидности руд между оолитовыми гётит-гидрогётитовыми и глини-

стыми глауконит-хлоритовыми типами отличаются буроватым цветом, различными соотношениями ооли-тов, гётит-гидрогётитовой и глинисто-хлоритовой составляющих.

По гранулометрическому составу в рудах Бакчар-ского месторождения преобладает фракция 0,50,25 мм, представленная рудными оолитами, сгустками оолитов с цементом и незначительной примесью зерен кварца (около 10%). По данным рентгенофлуоресцентного анализа оолитовых железных руд, среднее содержание Бе203общ 42,52%. Наиболее высокие концентрации характерны для фракции 0,5-0,25 мм и достигают 56%.

Вторым источником железных руд в Томской области являются континентальные проявления болотных руд на правом берегу р. Оби. Наиболее известные проявления среди них - Поздняковское, Казанское, Кире-евское и др. Эти объекты Томского Приобья слабо изучены, поскольку не имеют сегодня промышленного значения, но еще в XVII в. делалась попытка освоения именно пойменно-болотных железных руд. Они приурочены к палеоген-неогеновым толщам, перекрытым четвертичными отложениями. Руды залегают в отложениях надпойменной террасы в виде линз и жил двух минеральных разновидностей - лимонитовой и сидери-товой [10].

На Поздняковском месторождении выявлено 12 рудных жил небольших размеров, в среднем 13^100 м при мощности от 0,2 до 0,6 м. Выделено три основные разновидности: плитчатые, бобовые и землистые лимонитовые руды, для которых подсчитанные запасы составляют около 10 тыс. т, при содержании Бе203 - 51,3%, потери при прокаливании - 30,1%, БЮ2 - до 23%, Мп - до 10% [11].

Сидеритовые руды Казанского проявления залегают в палеогеновых отложениях виде пластовых тел мощностью до 4,2 м. Среднее содержание Бе0 35% и Бе203 5,5%, потери при прокаливании 23,5%, 8Ю2 - до 30% и ТЮ2 - 0,62% [12].

На Киреевском проявлении в песках, залегающих среди коричневых глин, прослеживается пласт «разборной» сидеритовой руды мощностью от 0,2 до 0,5 м, содержание Бе203 достигает 58,6%. Первое упоминание о Киреевском проявлении в специальной литературе принадлежит В.А. Хахлову, который отметил «горизонты сидеритов в палеогеновых отложениях у с. Киреевского» [13]. Более поздними работами был установлен четвертичный возраст этих отложений, а сами они отнесены к кочковской свите [14]. В районе проявления эти отложения соответствуют верхнекочковской подсвите и выходят на поверхность в обрывах р. Оби в цокольной части первой надпойменной террасы и представлены глинами синевато-серого и серого цвета. Глины песчанистые, иногда слюдистые с желваками глинистого сидерита, линзами коричневатой глины, обломками лигни-тизированной древесины и многочисленными отпечатками листьев. Видимая мощность их составляет 3,5 м, а по данным бурения достигает 20 м [10].

Обломки железных руд, взятые как с коренных выходов, так и в аллювии на правом берегу р. Оби, представляют собой мелкие конкреции сидерита и их фрагменты. Конкреции имеют уплощенную эллипсовидную

форму. Размер их достигает нескольких сантиметров по длинной оси. С поверхности они, как правило, покрыты желто-коричневой коркой оксидов и гидрооксидов железа переменной мощности, являющейся продуктом окисления сидерита. Неизмененный сидерит внутренних участков конкреций представлен скрытокристаллическим агрегатом светло-серого, зеленоватосерого и буровато-серого цвета с редкими включениями относительно крупных (до 1 мм) угловатых зерен аллотигенного кварца. В самостоятельных обломках, кроме конкреций сидерита, среди собранных образцов встречаются только различные по форме и размерам куски бурого железняка - лимонита. Их слагает преимущественно гидрогётит, довольно переменного состава (из-за разной степени гидратации) с незначительной примесью собственно гетита, а также кварца и глинистых минералов. Окрашены бурые железняки в желтые, желто-коричневые, бурые и темно-бурые цвета. Агрегаты их плотные скрытокристаллические, а во внутренних частях под наружной коркой часто порош-коватые, землистые.

Содержание главного компонента в железных рудах Томского Приобья (Бе203общ) по данным рентгенофлуоресцентного анализа варьирует от 43,62 до 50,85%. Максимальные количества железа характерны главным образом для лимонитовых (гётит-гидрогётитовых) руд или сильноокисленных сидеритовых руд.

Исследование вещественного состава оолитовых железных руд с помощью рентгенофазового и термического анализов показало, что главными минералами всех руд являются гётит, гидрогётит, причем в рудах Томского Приобья обычно присутствует сидерит, а в оолитовых рудах - лептохлориты (таблица).

По данным количественного спектрального анализа руд Бакчарского месторождения и проявлений Томского Приобья элементный состав примесей весьма разнообразен. Установлено, что геохимической спецификой железных руд является обогащенность 2п, 8г, Ьа, а также элементами группы железа Сг, Т1, N1, Мп и V. Указанные элементы по имеющимся сегодня данным не образуют собственных минеральных фаз и присутствуют, скорее всего, в адсорбированном состоянии и частично в виде изоморфной примеси (8г, Ьа) в фосфатах, карбонатах и других экзогенных минералах.

Для континентальных сидеритовых и лимонитовых руд Томского Приобья характерны повышенные концентрации Мп, Си, Со, 2г, Ьа по сравнению с рудами Бакчарского месторождения (рис. 1).

Выделим основные элементы, содержание которых в обоих типах руд имеет отличительные особенности.

Марганец в осадочных рудах обычно связывают с железом. Считается, что основная часть его осаждается вместе с ним, но характер распределения Мп по фракциям говорит о том, что кроме изоморфной примеси марганца в железосодержащих минералах, он может присутствовать в рудах и в собственной минеральной форме, и данные рентгенофазового анализа выявили характерные рефлексы псиломелана и вернадита. Среднее содержание Мп в Бакчарских рудах составляет 419 г/т, в болотных рудах - 11051 г/т.

Содержание ванадия в оолитовых рудах достигает 120 г/т, что значительно превышает содержание его в

болотных рудах до 60 г/т. Этот элемент присутствует в Ванадий легко переносится в растворах и адсорбирует-

рудах в основном в виде изоморфной примеси, но не ся гидроксидами железа, алюминия и органическим

отрицается наличие собственных минеральных форм. веществом.

Среднее содержание минералов в железных рудах Томской области по данным синхронного термического анализа

Месторождение Тип руд Температурный интервал

30-360°С 320-500°С

Гётит, гидрогётит, % Сидерит

Бакчарское Гётит-гидрогётитовые 48,90 -

Глинисто-хлоритовые 35,63 -

Переходные 39,23 -

Томского Приобья Сидеритовые 27,41 70,71%

Окисленные сидеритовые 75,41 24,50%

100000 10000 1000 100 10 1

РЬ Си Мп Оа V Со Сг № гг Ті гп У Ьа 8о Ва

Морские руды

Континентальные руды

Й

і

Рис. 1. Диаграмма средних содержаний микроэлементов в железных рудах, г/т

Титан относится к «семейству железа» и в то же время характеризуется отчетливыми литофильными свойствами, а в условиях выветривания и осаждения обнаруживает геохимическое сродство с А1 и концентрируется в бокситах кор выветривания, а также в морских глинистых осадках, что вполне согласуется с повышенными концентрациями Т1 в рудах Бакчарского месторождения (2500 г/т).

Распределение N1 в оолитовых рудах весьма однородно и в среднем составляет 59,4 г/т. В болотных же рудах распределение этого элемента весьма неравномерно. Отмечаются резко повышенные содержания (до 290 г/т), а в целом они колеблется от 10 до 30 г/т. Аналогичным является и распределение содержаний Со. Максимальное количество его в болотных рудах доходит до 163 г/т, а в среднем около 20 г/т, что характерно для обоих типов руд. Подобная ситуация неудивительна, т.к. эти два элемента геохимически родственны, но Со по сравнению с N1 геохимически ближе к Бе. В осадочных породах концентрация Со низкая и только в глинистых отложениях приближается к кларку (30 г/т), а вот в осадках, содержащих гидроксиды железа и марганца, в ряде случаев она достигает 0,1-2,0%, что и наблюдается в болотных рудах, где концентрация Мп заметно больше, чем в оолитовых рудах.

Сг вместе с Бе, Т1, N1, Со, V и Мп составляют одно геохимическое семейство, поэтому его содержание в рудах двух типов закономерно повторяет картину распределения этих элементов.

Основным источником Ва для морских железных руд служит выветривание пород континентов, но не исключается и роль подводного вулканизма. Тот Ва, который поступал в морскую воду, геологически быстро извлекался из нее в результате адсорбции глинистыми илами. Важнейшим геохимическими барьерами для Ва выступает биогеохимический (поглощение живым веществом) и адсорбционный, локальное значение приобретает сульфатный барьер (в морях, подземных водах) [15]. В рудах Бакчарского месторождения количество Ва превышает 220 г/т, а в континентальных рудах оно лишь чуть более 100 г/т.

Бе и Мп, а также V, Т1, ва, У, УЪ поступали с континента за счет разрушения коренных пород суши [16], а также размыва кор выветривания. Элементы группы титана (Т1, 2г), алюминия (А1, ва),УЪ, У, Бс, №, Бп и другие ионы с высокой валентностью почти полностью отсутствуют в природных водах и мигрируют в форме взвеси. Эти элементы переходят в осадок почти в тех же концентрациях, в которых они были в выветриваемых исходных породах, в то же время N1 и V достаточно подвижны [17].

Рассматривая происхождение оолитовых железных руд, подавляющие большинство исследователей считали, что они возникли в обстановке чрезвычайно мелководных и прибрежных частей моря, в области заливов, бухт, лиманов, куда поступало значительное количество обломочного материала и где огромную роль играла гидродинамика водоёма (волнения, течения, размыв и переотложение), причем все ее участки были теснейшим образом связаны с близлежащей сушей. В качестве главного фактора оолитообразования предполагали смешение пресных речных вод с солеными водами морей, окисление двухвалентного железа и его выпадение в осадок в обстановке интенсивного перемешивания вод [7, 8, 16].

По данным Н.М. Страхова [16], В.И. Холодова, Г.Ю. Бутузова [18], континентальные сидеритовые и лимонитовые руды образовывались в пределах болотных систем. Кислые болотные воды, сформированные в нижней части торфяников, выносили с почвенным стоком в ручьях и небольших протоках огромное количество двухвалентного железа в ионной форме и в виде

железоорганических соединений, что в настоящее время наблюдается в террасах не только Оби, но и других сибирских рек - Томи, Яи, Чулыма. Вместе с железом мигрировали глинозем, кремнезем и фосфор. Источником железа в болотных водах, с одной стороны, являются подстилающие породы, а с другой - тот терри-генный материал, который поступает в область заболачивания со стороны в виде взвеси.

В пределах болотных систем прослеживается мине-ралого-геохимическая зональность. Внутри торфяных болот образуются линзовидные залежи сидеритов, анкеритов, вивианитов и разнообразных гидрооксидов железа, реже - марганца. По их периферии (на континенте) накапливаются гидрооксидные железорудные проявления - охристые и конкреционные руды, сложенные гё-титом, гидрогётитом и рентгеноаморфными гидрооксидами железа, содержащие примесь Р205. Наконец, на далеких флангах заболоченных областей, там где реализуются обстановки речных долин и морского мелководья, концентрируются морские оолитовые гидрооксид-но-хлорит-сидеритовые руды [18].

ЛИТЕРАТУРА

1. Стахович В.А. Рифтогенез и юрские оолитовые железные руды Европы // Советская геология. 1986. № 9. С. 41-52.

2. Sturesson U., Heikoop J.M., Riskc M.J. Modern and Palaeozoic iron ooids - a similar volcanic origin // Sedimentary Geology. 2000. № 136. Р. 137-

146.

3. MUckeaA., FarshadF. Whole-rock and mineralogical composition of Phanerozoic ooidal ironstones: Comparison and differentiation of types and

subtypes // Ore Geology Reviews. 2005. № 26. Р. 227-262.

4. Рейхард Л.Е. Влияние гидродинамического фактора на процессы образования оолитовых железных руд // Литодинамика донной контактной

зоны океана. М.: ГЕОС, 2009. Режим доступа: http://coruna.coastdyn.ru/longinov/pub/033_036.pdf

5. Князев Г.Б. Формация осадочных железных руд и место в ее составе железных руд Западно-Сибирского бассейна // Проблемы и перспекти-

вы развития минерально-сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири: Материалы межрегион. науч.-практ. конф. и «круглых столов». Томск: ЦНТИ, 2009. С. 180-187.

6. Гринев О.М. Геологическая изученность и проблемы освоения железных руд Бакчарского месторождения // Проблемы и перспективы разви-

тия минерально-сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири: Материалы межрегион. науч.-практ. конф. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 7281.

7. Николаева И.В. Бакчарское месторождение оолитовых железных руд АН СССР. Новосибирск, 1967. 129 с.

8. Западно-Сибирский железорудный бассейн. Новосибирск: РИО СО РАН СССР, 1964. 447 с.

9. Гринёв О.М. Григорьева Е.А., Булаева Е.А., Тюменцева Е.П. Геолого-геохимические особенности основных типов руд Бакчарского железо-

рудного месторождения // Нефть. Газ. Геология. Экология: современное состояние, проблемы, новейшие разработки, перспективные исследования: Материалы круглых столов. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. С. 129-149.

10. Иванов К.В. Чернышев Г.А., Смоленцев Ю.К. Геологическое строение и полезные ископаемые листа 0-45-XXXI (Окончательный отчет Киреевской геолого-съемочной партии за 1958-1959 гг.). Томск: Томская комплексная экспедиция, 1959 (фондовая).

11. Сидоров А.Ф. Поздняковское месторождение болотных железных руд (отчет о работах Поздняковской геолого-разведочной партии за 1942 г.). Томск, 1943 (фондовая).

12. Артемьева Е.Л. Отчет о поисках месторождений железных болотных руд в Шегарском, Кожевниковском и Томском районах Томской области. Томск, 1962 (Томская комплексная экспедиция) (фондовая).

13. Хахлов В.А., Рагозин Л.Л. Объяснительная записка к Государственной геологической карте листа О-45 масштаба 1:1000 000. М.; Л.: Госгео-

лтехиздат, 1949 (фондовая).

14. Государственная геологическая карта Российской Федерации масштаба 1:200 000. 2-е изд. Серия Кузбасская. Лист О-45-XXXI (Томск). Объяснительная записка (Г.М. Татьянин, А.Д. Котельников, С.В. Максиков, Ю.Н. Никонов). СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2008. 141 с.

15. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972. 228 с.

16. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. М.: АН СССР, 1960. Т. 1; 1962. Т. 2, 3.

17. Голубовская Е. В. Фациальные и геохимические особенности железорудного комплекса Керченских месторождений // Литология и полезные ископаемые. 2001. № 3. С. 259-273.

18. Холодов В.И., Бутузова Г.Ю. Проблемы сидеритообразования и железорудные эпохи. Сообщение 2: Общие вопросы фанерозойского и докембрийского железорудного процесса // Литология и полезные ископаемые. 2004. № 6. С. 563-583.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 23 июля 2010 г.