Роль микробиоты и органического вещества в процессах эндогенного и экзогенного рудообразования (на примере отдельных месторождений Забайкальского края)

Науки о Земле

УДК 553.061.15/571.54/55

Барабашева Елена Евгеньевна Elena Barabasheva

Стремецкая Елена Олеговна Elena Stremetskaya

РОЛЬ МИКРОБИОТЫ И ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССАХ ЭНДОГЕННОГО И ЭКЗОГЕННОГО РУДООБРАЗОВАНИЯ

MICROBIOTA AND ORGANIC SUBSTANCE ROLE IN ENDOGENOUS AND EXOGENOUS PROCESSES OF ORE GENESIS

Рассмотрена роль биогеохимических процессов в осадкообразовании и концентрировании рудных компонентов биосом. Дан анализ ранее выполненных исследований по определению участия палеомикробиоты и органического вещества в процессах эндогенного и экзогенного рудообразавания. На примере Удоканского месторождения Забайкальского края показано непосредственное участие цианобактериальных матов в формировании рудных залежей. Статья представляет интерес для широкого круга специалистов-геологов

Ключевые слова: биогеохимические процессы, цианобактериальные маты, процессы рудообра-зования, органическое вещество

The article touches upon the problem of biochemical processes in sediment genesis and ore components concentration by bios. It contains the analysis of earlier made investiga-tions on determination of paleomicrobiota and organic substance involvement in the processes of endogenous and exogenous ore genesis. The direct involvement of cyano-bacterial mats in ore lodes formation is shown by the example of Udokan Deposit in Transbaikalian Region. The article is of interest for geologists

Key terms: biochemical processes, cyanobacterial mats, ore genesis processes, organic substance

О роли биохимических процессов в осадкообразовании и концентрировании рудных компонентов биосом было изложено еще В.И. Вернадским в теории наложенного литогенеза. В конце XIX столетия Н.И. Андрусов также обращал внимание на накопление железа и серы серо- и железобактериями. Практически одновременно с ним С.И. Виноградский открыл способность

нитрофицирующих бактерий и некоторых других бактерий окислять неорганические соединения и использовать выделяющую -ся при окислении неорганических веществ энергию на усвоение углекислоты, марганца, железа для построения своего тела. В дальнейшем такой способ усвоения и концентрации вещества был выявлен у силиконовых, сульфатредуцирующих, метаокис-

ляющих и других бактерий. В 1943 г. А.Г. Вологдиным впервые были описаны тельца железобактерий из железистых кварцитов Курской магнитной аномалии.

В последнее десятилетие резко возрос интерес к исследованиям роли микроорганизмов, особенно бактериальных сообществ, в процессах рудообразования. Основой этому послужили результаты работ по металлогении вулканогенно-осадочных, гидротермально-осадочных, гидротермальных образований современных бассейнов на примере металлоносных илов и гидротермальных построек «черных курильщиков». Бактериальные системы вносят значительный вклад в виде продуктов бактериального хемосинтеза в общий пул органического вещества донных отложений гидротермальных полей. Механизмы хемосинтеза при этом сводятся к процессам сорбции, гетерокоагуляции, сульфатредук-ции, биогенного концентрирования золота и других металлов.

В современных бассейнах обнаружены сульфидсодержащие и пленочно-бактериальные корковые обрастания подводных гидротермальных построек с температурой рудообразующих растворов 100...300 0С, что позволяет сделать вывод о формировании сульфидных минералов донных осадков на стадии раннего диагенеза в условиях бактериального преобразования органики осадочного вещества. Кроме того, из современных водоемов выделено и идентифицировано одно семейство, 19 новых родов и около 50 новых видов бактерий, участвующих в процессах рудогенеза. Среди них фототрофные, сероокисляющие, железо -марганецокисляющие и редуцирующие, а также бактерии, восстанавливающие окислы тяжелых металлов, включая радионук-леиды. В результате многолетней работы установлена роль микроорганизмов в миграции редких элементов — кадмия, таллия, селена и мн. др. Раскрыт перекисный механизм процессов окисления серы, железа и марганца у бесцветных серобактерий и железобактерий, не связанный напрямую с получением энергии в метаболизме.

Еще в конце прошлого столетия были

описаны случаи сохранения микроорганизмов в карбонатах и кремнях древних докембрийских пород, часть которых была признана цианобактериями. При этом произошел серьезный прорыв, когда с помощью электронного микроскопа начали изучать древние фосфориты и высокоуглеродистые породы (черные сланцы, битуминозные карбонаты), буквально «напичканные» микроорганизмами. Основой этих ассоциаций были цианобактерии и пурпурные бактерии, составляющие подавляющую массу цианобактериальных матов. Одновременно с электронно-микроскопическим изучением пород были начаты уникальные исследования по искусственной фоссилизации (литификации) ныне живущих цианобактерий. Эксперименты, проведенные в Институте микробиологии РАН, подтверди -ли, что цианобактерии, осаждая карбонат или фосфат, фоссилизируются с огромной скоростью. Всего несколько часов требуется, чтобы чехлы нитей цианобактерий окаменели. Чаще бактерии не являются элементоспецифическими, а способствуют накоплению тех или иных элементов или соединений как катализаторы или фильтры. Железобактерии образуют породы, богатые окислами железа. Для деятельности анаэробных бактерий характерно образование пирита.

Образование практически всех осадочных пород связывают с деятельностью микробов. Автотрофные и литотрофные бактерии, кроме способности накапливать в своей оболочке минеральное вещество, создают условия, способствующие осаждению на своей поверхности рудного вещества.

Особенным является вопрос о значении микробных сообществ в формировании месторождений полезных ископаемых. Бактериальные сообщества могут выступать в виде цианобактериальных матов в качестве своеобразного фильтра, осаждая на себе определенные компоненты. Известно, что руды с содержанием более 10% редкоземельных элементов, включая ниобий, соединения урана, меди, а также золотые псевдоморфозы, обязаны своим происхождением цианобактериальным матам, ко-

торые в условиях мелководных бассейнов увеличивали концентрации РЗЭ из вод, поступающих с окружающей суши.

В раннем протерозое обитали цианобактериальные сообщества, практически не отличающиеся от современных. По-видимому, они успешно существовали и раньше в архее, но появившиеся в середине раннего протерозоя более благоприятные условия позволили им распространиться крайне широко и сохраниться до наших дней в виде кремниевых псевдоморфоз или как органостенные мумифицированные оболочки. При отсутствии конкуренции цианобактериальные маты в докембрийских бассейнах занимали все экологические ниши от мелководных участков до акваторий открытого моря.

В протерозое и, вероятно, в позднем архее отложения карбонатов в виде доломитов соответствовали развитию цианобактериального сообщества, образующего слоистые биогенно-осадочные породы — строматолиты. В протерозое в основном формировались кислотоустойчивые формы карбонатов в виде доломитов СаМ§(С03)2 с соотношением Са/М§=1/1. Образование доломитов и их связь с цианобактериальными сообществами объясняется физико-химическими условиями гидросферы протерозоя, благоприятными и для цианобактерий, и для осаждения доломита, либо тем, что благоприятные для образования доломитов условия создавало циано-бакте-риальное сообщество.

На глинистом субстрате цианобактериальная пленка не успевает разложиться либо из-за быстрого захоронения, либо вследствие медленного анаэробного распада в отсутствие серы. Индикатором восстановительных условий служит отношение Fe(II)/Fe(III).

Специфика древних бассейнов севера Забайкалья способствовала широкому развитию микроорганизмов и строматоли-товых построек, которые в условиях мелководья распространялись на огромных площадях. Уникальным объектом с точки зрения моделирования рудообразующих систем с их участием является Удоканское

месторождение меди, представленное горизонтами медистых песчаников в составе верхнесакуканской подсвиты, входящей в кеменскую подсерию удоканской серии. Выше- и нижележащие стратифицированные подразделения удоканской серии содержат многочисленную мягкотелую фауну и цианобактериальные маты в качестве строматолитов и онколитов.

Представленная модель рудогенеза Удоканского месторождения предполагает двунаправленное поступление рудного вещества в бассейн седиментации. Часть его поступала с берега в виде тиосульфатов золота и серебра и сульфатов меди и железа в составе поверхностных водотоков, размывающих гипергированную поверхность Чарской глыбы. Другая часть в виде глубинных гидротерм, несущих сульфидные комплексы меди и железа, поступала в бассейн в результате формирования Чинейского дайкового комплекса. Поступающее рудное вещество осаждалось, концентрировалось и перерабатывалось в условиях биогеохи-мического барьера в виде строматолитовых построек.

По морфологии цианобактериальные маты Удокана представляют собой плотные структурные образования с ясно выраженными слоями, окраска которых определяется образуемыми между ними минералами. Верхняя зона мата, занятая цианобактериями и фототрофными бактериями (термофильные маты), имеет желтовато-сероватую окраску. Ниже располагается черная ( анаэробная) зона развития сульфидоге-нов, мощных генераторов сероводорода, которые, соединяясь с железом, образуют пирит, окрашивающий зону в черный цвет. Для нижних слоев анаэробной зоны характерна сложная цепь реакций, осуществляемых различными функциональными группами организмов. Сульфатредукция под матом создавала сероводородный барьер на пути минерализованных гидротерм и обуславливала отложение сульфидов в виде пирита. Ряд рудоносных минералов в матах осаждался хемогенным путем. Цианобактерии Удокана концентрировали, в основном, медь, железо, кобальт, никель. Воз-

можно, что в данном случае мы имеем дело с древними бактериями, сходными с современными ТЫоЬаеШиБ Аеггосшёап!, которые в процессе гипергенеза способствовали растворению, переводу в подвижную форму с последующим накоплением железа и меди, как основных рудных составляющих. Цианобактериальные маты Удокана могли служить своеобразным фильтром, осаждая на себе из проходящих гидротерм медь и железо, или сорбировать и осаждать их на своей поверхности.

В намингинской свите, кроме строма-толитовых, широко распространены осадочные текстуры микробиального происхождения, приуроченные к границе слоев тонкозернистых песчаников и алевролитов. Текстуры микробиального происхождения образованы в результате биостабилизации песчаного осадка — склеивания частиц слизью, выделяемой теми же цианобактериями. Здесь распространены дисковидные отпечатки, интерпретируемые как микробные сообщества. Подобные отпечатки были обнаружены как в кеменской, так и нижележащей чинейской подсериях. Все дисковидные отпечатки удоканской серии интерпретируются как колонии одноклеточных организмов (бактерий, протистов, грибов).

Модели формирования древних углеродистых черносланцевых формаций, с которыми пространственно и генетически связаны многие рудные месторождения Забайкальского края, разработаны в результате геомикробиологических исследований процессов современного океанического ру-дообразования. Широкое распространение природных соединений углерода во всех породах ( осадочных, изверженных, метаморфических), в продуктах гидротермальной деятельности свидетельствует об участии этого элемента практически во всем многообразии геологических процессов, включая эндогенное и экзогенное рудооб-разование. Углерод присутствует в породах в виде литифицированных растительных или животных остатков, самостоятельных минералов, изоморфных модификаций в других минералах, продуктов сорбции, га-

зовожидких включениях и т.д. Органическое вещество создает геохимические барьеры, вызывающие выпадение из растворов и концентрацию многих металлов: цинка, свинца, меди, железа, урана, молибдена, золота и др. По химической активности и роли в процессах литогенеза и рудообразо-вания трудно найти другие соединения, которые могли бы соперничать с соединениями органического углерода.

Флюидные потоки, при подъеме из мантийных очагов, окислялись с нарастанием щелочности, растворением и переносом кремнезема ( вероятно с ураном, золотом, сульфидами различных металлов) . Рудное вещество, поступающее с эксгаляциями мантийных и коровых очагов в зарождающиеся бассейны седиментации, имеющие первоначально мелководный характер, благодаря интегрирующей деятельности суль-фатредуцирующих бактерий в застойных условиях седиментогенеза, локализовалось в виде металлоорганических соединений.

Общий анализ металлоносности и количественного соотношения отдельных разновозрастных углеродистых горизонтов месторождений Забайкальского края позволяет сделать вывод о том, что для уг-леродисто-глинисто-терригенных и углеродисто-карбонатно-вулканогенных пород характерно золото - сульфидно - кварцевое (Дарасун, Талатуй, Итака, Александровское), золото-серебро-кварцевое (Балей, Тасеевское), золото-урановое (Стрельцов-ское, Антей), золото-полиметаллическое (Любавинское, Хапчеранга), золото - мо -либденовое (Жирекен, Бугдая), вольфрамовое (Спокойнинское, Бом-Горхон) и другие оруденения. Кроме того, определяющим фактом рудоносности является приуроченность крупнейших золоторудных, золотоурановых и медно-уран-золото-серебряных месторождений к древнейшим глубинным разломам и рифтовым структурам. Эффузивный и интрузивный магматизм играл при этом преимущественно транспортную роль перемещения металлоносных флюидов. Начальное накопление металлов происходило в мелководных, прогреваемых солнечной энергией бассейнах, в форме

металлоорганических соединений, как продуктов вулканизма, биоса и седиментогене-за, преимущественно в придонных «черных илах».

Все главнейшие преобразования органического вещества и связанной с ними химической активности происходят в той части литосферы, где минимальны процессы метаморфизма. Здесь концентрируется подавляющее большинство месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых. Предполагается, что образование золотоносных углеродистых формаций, уникальных по масштабам минерализации месторождений мира (Витватерсранд, Сухой Лог, Мурунтау и др.), а также Балейского, Дарасунского и Ново-Широкинского месторождений Забайкальского края, связано с коллоидно-биогенным концентрированием металла.

Как показал ряд проведенных анализов на отдельных месторождениях Забайкальского края (Удоканское, Орловское, Балейское, Кличкинское, Ара-Илинское, Ново-Широкинское), резко повышенные, по сравнению с фоновыми, содержания органического углерода в черных сланцах внутри рудных залежей показывают, что черные сланцы активно участвуют в формировании промышленных концентраций золота и цветных металлов, создавая благоприятные условия для их осаждения.

Для разрезов нижнего кембрия в районе с. Георгиевка (Нерчинско-Заводской район) весьма характерно обилие органических остатков в фосфоритах и вмещающих отложениях. В их числе брахиоподы, трилобиты, губки, иглокожие, остракоды и др. Фосфатоносные терригенно-карбонат -ные породы Георгиевки сильно выветрены, заметно изменены, перекристаллизованы в результате частичного окварцевания, что негативно сказывается на изучении первичности их структуры. Только образцы, которые не подверглись этим изменениям, дают необходимую природную картину, что необходимо учитывать при последующих исследованиях.

Верхняя терригенно-карбонатная фосфатоносная (процентное содержание Р205

в отдельных слоях, по Ю.В. Павленко, достигает 10 %), толща представлена двумя мощными пачками известняков (350 и 150 м) и двумя пачками переслаивания органогенных известняков и кремнистых алевролитов. Органогенные известняки состоят из поперечных сечений археоциат АМапоеуаШш и др., фрагментов панцирей трилобитов Sajanaspis, ИеёИеЫа, РгоегЫа, Ыошпа, онколитов 0sagia. В кремнистых и известковистых алевролитах обычны спи-кулы протогубок Pгotospongia, микроске-летной фауны Micгodictyon, СЬапееПопа, Stellaгia и др., многочисленные двуствор-ки и гастроподы Pelagiella, БгаЬеЬапеИа, Ме1оре§ша, Ilsanella, хиолиты НуоШеПш, биокласт тех же трилобитов, острако-ды Bгadoгia, Indota, брахиподы Вicia, Ма§шеапаШ, образующие «ракушняковый накат», проблематичная трубчатая фауна. В отдельных слоях верхней толщи можно говорить о том, что и цементирующая органические остатки масса представлена отчасти фосфатизированными скоплениями микробиальных матов.

Сходный родовой набор, биоразнообразие и повышенная фосфатизация встреченной в кембрийских разрезах Георгиевки первой скелетной фауны планеты установлены в одновозрастных разрезах среднего течения р. Лена, в Казахстане (фосфоритоносный бассейн Каратау), в Монголии (Хубсугульский фосфоритоносный бассейн), Китае (фосфоритоносный бассейн платформы Янцзы), на северо-западе австралийского континента ( бассейн Джорджина в штате Квинсленд) и др. Важнейшая роль в процессах фосфатизации отводится биохимическим процессам, которыми определяется распределение фосфора в осадках. При этом большое значение имеют поставки фитопланктона, его распад и переход образующегося свободного фосфора в водной колонне в осадок. Значительная роль принадлежит океаническим бескислородным соединениям, с которыми в целом связывается фосфатогенез. Происхождение фосфатных зерен рассматривается как результат разрушения скелетных частей беспозвоночных и первичных бесструктурных

фосфоритов. Важное значение при этом имели обстановки циано-бактериальных матов, участвующих в процессах фосфати-зации. Фосфатные строматолиты или хард-граунды широко распространены во многих фосфатоносных бассейнах перечисленных местонахождений, где играли связующую роль в качестве микробиальных матов.

Фосфатные зерна, образующие основную массу фосфоритов, могли поступать в область их конечного накопления из биоэкологически различных, но пространственно сближенных областей. Это мелководные и отчасти замкнутые части акватории при-

ливно-отливной зоны томмот-атдабанского времени. В них формировались строматолиты, онколиты, реже ракушняки брахиопод и биокластический детрит, которые, как правило, не образуют мощных залежей.

Изучение метаболизма (обмена веществ) бактерий и механизмов, влияющих на осаждение тех или иных элементов, находится в начальной стадии, поэтому можно только предположительно говорить об участии бактерий в накоплении того или иного химического элемента в процессе ру-догенеза.

Литература

1. Терлеев А.А. Раннепротерозойская биота из удоканской серии западной части алданского щита (Россия) // Эволюция биосферы и биоразнообразия: сб. науч. тр. — М., 2006. — С. 271281.

2. Барабашева Е.Е. Биота как показатель фосфатоносности отложений в Георгиевском национальном парке // Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Современное минералообразование: Труды II Всерос. симпозиума с междунар. участием и VIII Всерос. чтений памяти акад. А.Е. Ферсмана 24-27 ноября 2008 г. — Чита: ЗабГПУ, 2008. — С. 144-145.

3. Ручкин Г.В. Черные сланцы докембрийских стратиформных месторождений цветных металлов // Углеродистые отложения докембрия и нижнего палеозоя и их рудоносность: тезисы докладов Всесоюзного семинара г. Фрунзе, 11-13 октября 1978. — С. 254-255.

4. Нарсеев В.А. Основные типы золоторудных концентраций в углеродсодержащих толщах // Углеродистые отложения докембрия и нижнего палеозоя и их рудоносность: тезисы докладов Всесоюзного семинара г. Фрунзе, 11-13 октября 1978. — С. 255-256.

5. Татаринов А.В. Микроорганизмы и проблема эндогенного рудообразования в Забайкалье // Геологической службе Бурятии — 50 лет: матер. регион. науч.-пр. конф. — Улан-Удэ: Бурятского гос. ун-та, 2003. — С. 111-113.

6. Секисов А.Г. [и др.] Ядерно-геохимические и биогеохимические критерии оценки перспектив поисков оруденения с дисперсным золотом // Кулагинские чтения: IX Всерос. науч.-пр. конф. — Чита: ЧитГУ, 2009. — Ч. VII. — С. 147-151.

7. Архангельская В.В. Удоканское медное и Катугинское редкометалльное месторождения в Читинской области России: монография / В.В. Архангельская. — Чита: ЧитГУ, 2004. — 520 с.

Коротко об авторах______________________________

Барабашева Е.Е., канд. геол.-минер. наук, доцент кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, ст. научный сотрудник Геологического научного центра ЧитГУ

Раб. тел.: 8(30-22)35-58-56

Научные интересы: геоэкология, биогеохимия, охрана геологической среды, музееведение

____________________Briefly about the authors

E. Barabasheva, Senior Research Assistant of Chita State University Geological Sci-entific Centre, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Profes-sor

Areas of expertise: geoecology, biogeochemistry, geological environment protection, museology

Стремецкая Е.О., аспирантка, старший научный сотрудник Геологического научного центра ЧитГУ Раб тел.: 8(30-22) 35-58-56

Научные интересы: геоэкология, охрана геологической среды, музееведение

E. Stremetskaja, Senior Research assistant of Chita State University Geological Sci-entific Centre, postgraduate student

Areas ofexpertise: geoecology, geological environment protection, museology