Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История исследований магнезитоносных осадочных комплексов кайнозоя 12
1.1. Исследования магнезитоносных осадочных комплексов кайнозоя за рубежом 12
1.2. Исследования магнезитоносных осадочных комплексов кайнозоя в России 16
Глава 2. Генетическая классификация кайнозойских осадочных месторождений магнезитов 24
Глава 3. Литогенетическая модель процессов магнезитообразования в кайнозойских осадочных комплексах (источник, транспортация и аккумуляция магнезитоносных компонентов) 43
3.1. Апомагматические процессы становления материнского субстрата магниеносного вещества 43
3.2. Форма и пути транспортации рудного материала 104
3.3. Формирование аккумулятивных структур (типы седиментационных бассейнов магнезитонакопления в кайнозое) 110
3.3.1. Озерный тип магнезитоносного бассейна 112
3.3.2. Речной тип магнезитоносного бассейна 180
Глава 4. Критерии магнезитоносности кайнозойских комплексов 187
4.1. Региональные критерии 187
4.2. Локальные критерии 190
Глава 5. Методические основы выявления магнезитоносных осадочных толщ в кайнозойских комплексах 211
5.1. Региональный уровень 211
5.2. Локальный уровень 215
Глава 6. Перспективы выявления кайнозойских магнезитоносных толщ на территории Российской Федерации 219
Заключение 247
Литература 250
- Исследования магнезитоносных осадочных комплексов кайнозоя в России
- Форма и пути транспортации рудного материала
- Локальные критерии
- Перспективы выявления кайнозойских магнезитоносных толщ на территории Российской Федерации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Магнезит широко применяется во многих сферах промышленного производства. Основной потребитель -огнеупорная промышленность (до 90%), а также - химическая, строительная и другие отрасли.
В России госбалансом учитываются более 2,5 млрд. т разведанных запасов магнезита, представленных одним геолого-промышленным типом – кристаллическим магнезитом древних осадочных толщ. Формирование их проходило в миогеосинклиналях во внешнем обрамлении кратонов. Магнезиты приурочены к морским мелководно-лагунным фациям и терригенно-доломитовым формациям. Распределение запасов магнезита по России крайне неравномерно: основная их часть (94,3%) сосредоточена в Сибири, меньшая на Урале (5,3%), на Дальний Восток приходится 0,4%. Практически полностью погашены запасы для открытой отработки на Саткинском месторождении (основной сырьевой объект), а подземная отработка ведет к удорожанию добычи и продуктов передела магнезита. В связи с неблагоприятным геолого-экономическим расположением большинства месторождений, отсутствием инфраструктуры, низким качеством сырья 90% запасов находятся в нераспределенном фонде недр.
Всё это вызывает необходимость выявления перспективных осадочных комплексов, которые могли быть новым источником магнезиального сырья. Такие высоко рентабельные объекты, приуроченные к кайнозойским депрес-сионным структурам, широко распространены за рубежом (Австралия, Греция, Турция и др.). Кайнозойский тип магнезитов имеет ряд преимуществ: приповерхностное залегание рудных тел, рыхлый характер рудной массы, добыча открытым способом и т.д. В России до последнего времени они не были известны. В настоящей работе рассматриваются кайнозойские осадочные комплексы (КОК), как источник нового вида огнеупорного сырья, позволяющий экономически выгодно проводить его добычу и переработку.
Для этого необходимо выявить закономерности образования магнезитов в терригенно-карбонатных КОК, условия их локализации, создать геологическую модель магнезитообразования в кайнозое, определить критерии магнезитонос-ности и на их основе оценить перспективность территории России на данный тип оруденения, особенно в районах, приближенных к металлургическим центрам Урала, Сибири и Дальнего Востока. Это позволит расширить сырьевую базу за счет прироста рентабельного магнезита.
Степень разработанности темы исследования. Данные по изучению кайнозойских месторождений магнезита Америки Австралии, Турции, Греции, Кубы опубликованы в работах Longwell, Faust, Иоксимович, Ваганяц, Pavlovic, Polachek, Frost, Christ, Borch, Ilic, Wetzenstein, Schmid и др. Эти работы в
значительной мере являлись опорными исследованиями по отдельным объектам и представляли фактические материалы по структурно-формационному положению, вещественному составу и другим особенностям магнезитоносных толщ. В значительной части исследования по отдельным объектам охватывали узко специализированные области и не представляли полную картину магнези-тонакопления. В трудах этих ученых не рассматриваются параметры источника-субстрата, путей переноса и механизм формирования магнезиальных карбонатов. Сравнительный анализ месторождений отмечается только в работе Schmid (1987), где показаны некоторые генетические сходства магнезитов оз. Салда (Турция) и месторождений Австралии.
Одним из путей решения проблемы по генерализации целостной системы, которая отражала бы источник магнезиального материала, способы транспор-тации его, типы аккумулятивных бассейнов, роль микробиологического фактора в процессе рудообразования и другие генетические аспекты; является литогенетическая модель магнезитообразования в КОК.
Цель работы заключается в создании литогенетической модели формирования магнезита в кайнозойских осадочных толщах, комплексном изучении вещественного состава серпентинитовых и терригенно-карбонатных пород магнезитоносных объектов, установление закономерностей их образования для выявления магнезитоносных осадочных комплексов, как источника нового для России вида минерального сырья.
Задачи работы:
1. Выявление минералого-петрографических и литогенетических
особенностей магнезитоносных кор выветривания (КВ) серпентинитов и
осадочных комплексов.
2. Установление роли микробиологической деятельности в
магнезитообразовании в корах выветривания серпентинитов и в осадочных
современных отложениях.
3. Установление системы непрерывных процессов, способствующих
магнезитонакоплению в кайнозойских осадочных комплексах.
-
Разработка и научное обоснование критериев магнезитообразования по закономерностям образования и условиям локализации полезного ископаемого.
-
Выявление магнезитоносных осадочных комплексов на перспективных площадях в Российской Федерации по литогенетической модели.
Научная новизна:
1. Установлена литогенетическая модель магнезитообразования от
источника-субстрата через механизм транспортации к формированию
аккумулятивных структур.
2. По литогенетической модели впервые выявлены кайнозойские
магнезитсодержащие осадочные комплексы, как источник нового для России вида магнезиального сырья.
3. Установлены минералого-петрографические особенности гипергенных
процессов по серпентинитам в аспекте их потенциальной магнезитоносности.
4. Установлена роль микробиологической активности в корах
выветривания серпентинитов и в осадочных современных отложениях, как
деструктора силикатных природных соединений.
-
Установлены природные разновидности полезного ископаемого по литологическому и минеральному составу кайнозойских магнезитоносных отложений.
-
Разработаны и обоснованы региональные и локальные критерии магнезитоносности кайнозойских осадочных комплексов, позволяющие выявлять перспективные площади и локализацию в них магнезитоносных тел.
Теоретическая и практическая значимость. Комплексные исследования автора обосновали литогенетическую модель магнезитообразования в КОК, которая раскрывает сущность и механизм развития процессов, основные критерии магнезитоносности в континентальных структурах, вещественный состав магнезитоносных отложений, и является базой для постановки ГРР в перспективных районах России.
Литогенетическое моделирование магнезитообразования в КОК и
критерии магнезитоносности использованы автором при проведении
прогнозно-минерагенических работ на магнезит в период 2007-2016 г.г. по
госконтрактам: № ПС-02-07/1813, № АВ-11-03/31, № 1-98/07, № ВБ-39/4, №
ВБ-35/1, № ВБ-46/4, № 195 (142/2015-ЮЛ) и другим. В результате выделены
перспективные площади с апробированными прогнозными ресурсами и области
развития магнезитоносных комплексов на территории РФ. Прогнозные ресурсы
служат основой для долгосрочного и текущего планирования
геологоразведочных работ на кайнозойский магнезит, используются при проектировании прогнозно-поисковых и оценочных работ.
На выделенных площадях автором выявлены магнезитсодержащие КОК -аллювиальные магнезитовые толщи в долине р. Ларги (Забайкальский край), аллювиально-озерные магнезиты в межгорных долинах Халиловского массива (Оренбургская область). В настоящее время на Халиловской площади по рекомендации автора проводятся поисковые работы.
Автором получен Патент на изобретение «Способ прогноза и поиска хемо-кластогенных магнезитов в кайнозойских депрессионных структурах» в 2016г.
Методология и методы исследования. Методологической основой послужили труды известных зарубежных и российских ученых в исследованиях процессов магнезитообразования в КВ серпентинитов и КОК.
В работе использован современный комплекс методов решения геологических задач: методы полевого изучения КОК (документация горных выработок, маршрутные исследования), лабораторные методы изучения магнезитоносных пород для определения их вещественного состава, уточнения условий образования, определения структурно-текстурных и прочих особенностей (спектральный, рентгенографический, гранулометрический, химический, микробиологический анализы, электронная микроскопия, петрографические исследования). Полученные характеристики являются основой для выявления генетических аспектов магнезитонакопления. Разработаны методические основы выявления магнезитоносных толщ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Продукты гипергенных преобразований серпентинитовых массивов с
развитой зоной магнезиальнокарбонатной минерализации в коре выветривания
и магнезитоносных зон разного генетического типа являются источниками
химических и минеральных компонентов для формирования магнезитовых
месторождений (проявлений) в кайнозойских осадочных комплексах.
2. Известные мировые и отечественные месторождения (проявления)
высокомагнезиальных карбонатов в кайнозойских осадочных комплексах
формируются хемогенным, кластогенным и хемокластогенным способами.
-
Депрессионные структуры, выполненные магнезитоносными осадочными комплексами континентальных озерно-речных фаций, имеют унаследованное от питающих субстратов (кор выветривания серпентинитов и магнезито-носных зон разного генетического типа) литологическое строение разрезов.
-
В магнезитообразовании важную роль в мобилизации магния выполняет микробиологическая активность, обусловленная развитием аэробных гетеротрофов, являющихся деструкторами силикатных и алюмосиликатных соединений как в КВ серпентинитов, так и в осадочных комплексах кайнозоя.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность
полученных результатов подтверждается достаточным количеством наблюде
ний, современными методами исследования, которые соответствуют поставлен
ным в работе цели и задачам. Сформулированные научные положения,
рекомендации и выводы подкреплены фактическими данными по
магнезитоносным объектам и экспериментальными работами, выполненными на сертифицированном оборудовании, представленными в таблицах и рисунках. Подготовка, анализ и интерпретация полученных результатов проведены современными методами обработки информации.
Фактический материал собран лично автором в 1984-2016 г.г. Полевые работы проведены на площади Кимперсайского массива (Казахстан), Беден-ского массива (КЧР), на Халиловском массиве серпентинитов (Оренбургская
область), а также других регионов Урала, Поволжья и Забайкалья. Фактический материал по озерным и речным КОК собран во время поездки на озеро Салда (Турция), в Оренбургской области, Забайкальском крае. Отобрано свыше 1500 проб и образцов, задокументировано 2000 п.м. керна скважин при полевых исследованиях. Выполнены лабораторные анализы: спектральный (500), химический (300), рентгенофазовый (РФА - 350), электрономикроскопический (60), гранулометрический (55), дифференциально-термический (100) в аттестованных на техническую компетентность лабораториях ФГУП «ЦНИИ-геолнеруд»; петрографическое изучение (250 шлифов); микробиологический анализ (80) в лабораториях ЦАИ ГНУ «ТатНИИСХ» РАСХН и кафедры микробиологии ИФМиБ КФУ.
Апробация работы. Основные результаты работ докладывались на Экспертном Совете секции черных металлов и нерудного сырья для металлургии МГ СССР, на Международных, Всесоюзных, Российских, региональных научно-практических конференциях и совещаниях по литологии, прогнозу и поискам, минерагении осадочных комплексов и магнезиального сырья (Сатка, 1987; ИГЕМ, Москва, 1988; Иркутск, 1989; Москва, 2007, 2008, 2015, 2016; ВГУ, Воронеж, 2008; КФУ, Казань, 2009, 2011; ЦНИИгеолнеруд, Казань, 2015; ТГУ, Томск, 2010, 2013), проведенных в ведущих сырьевых институтах, ВУЗах, организациях.
Внедрены «Рекомендации…» на оценку кайнозойских комплексов Украины (ПГО «Укргеология», Киев, 1988), Читинской области (ПГО «Читагеоло-гия», Чита, 1989), Западного Казахстана (ПГО «Запказгеология», Актюбинск, 1989) на магнезит, по которым проводились тематические работы. Результаты работы отражены в отчетах по 12 госконтрактам (2008-20016). Исследования проводились в рамках федеральной программы «…изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России…» и Подпрограммы 1 «Воспроизводство МСБ, геологическое изучение недр» по разделу «Неметаллы» (постановление Правительства РФ № 322 от 15.04.2014).
Результаты исследований автора отражены в работе «Выявление и оценка перспективных объектов неметаллов новых для России геолого-промышленных типов», являющейся Лауреатом премии РОСГЕО и Роснедра в номинации «За достижения в решении фундаментальных и прикладных проблем геологии, способствующих развитию минерально-сырьевой базы» в 2014 г.
Личный вклад автора. Автор лично участвовала в проведении работ на всех этапах научных исследований: постановка цели и задач, выбор оптимального комплекса методов, проведение полевых работ с отбором каменного материала, обработка, интерпретация и систематизация полученных результатов. Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в
том числе: 11 статей в ведущих рецензируемых российских научных журналах из Перечня ВАК, 19 статей и тезисов в российских журналах и научных сборниках, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 266 страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Она включает
Исследования магнезитоносных осадочных комплексов кайнозоя в России
В конце 70-х и начале 80-х годов представилась возможность советским исследователям посетить некоторые месторождения для изучения кайнозойских магнезитов зарубежных стран. Советские исследователи – В.П. Петров (1979, 1991), В.И. Финько (1973, 1991, 1994), А.И. Шевелев и другие при посещении объектов в Сербии, Кубе проводили исследования, материалы которых по структурно-тектоническому положению, фациальной приуроченности, вещественному составу магнезитоносных отложений публиковались в отечественной литературе. Наиболее полно дана характеристика магнезитового месторождения Реденсион на Кубе. В.И. Финько (1991) показал связь магнезитоносности осадочных толщ озерного типа с корами выветривания серпентинитов, структурное положение рудных тел и питающих площадей, минеральный и химический состав рудного материала.
Проявления магнезиальных минералов в осадочных породах, насыщение водоемов магниевыми солями и другие вопросы, касающиеся магнезитового оруденения, изучались В.П. Петровым (1979, 1991).
В начале 90-х годов отмечается новый этап по изучению кайнозойских магнезитов в стране. Имея достаточно обеспеченную минерально-сырьевую базу магнезита в СССР, добыча сырья оставалась на неудовлетворяющем промышленность уровне. Основным производителем магнезитовой продукции являлся «Комбинат «Магнезит», чью сырьевую базу необходимо было расширять. Размещение разведанных запасов имело крайне невыгодное положение. Встал вопрос о выявлении нового геолого-промышленного типа магнезитового оруденения – кайнозойских магнезитов озерных фаций, объекты которых на территории СССР не были известны, но за рубежом успешно эксплуатировались во многих странах.
Специалистами ВНИИгеолнеруд (А.И. Шевелев, Т.А. Щербакова) собирался литературный материал по структурно-формационному положению, вещественному составу и другим особенностям кайнозойских магнезитоносных толщ (Шевелев, 1986; Шевелев, Щербакова, 1991). В результате обобщения сведений и проведения анализа данных выделены прогнозно-поисковые критерии магнезитоносности в кайнозойских комплексах, которые в дальнейшем дополнялись, уточнялись и совершенствовались. В процессе выполнения работ основные результаты исследований были доложены авторами на союзных и региональных совещаниях, в том числе: по высокомагнезиальному сырью в ИГЕМ АН СССР (Москва, 1988 г), по геологии и прогнозированию месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири (Иркутск, 1989 г), по проблемам прогноза, поисков и разведки месторождений неметаллических полезных ископаемых (Казань, 1986 г) и другие, а также опубликованы. При изучении и анализе геологического строения территорий страны выявлен ряд наиболее перспективных площадей для проведения мелкомасштабных прогнозно-минерагенических работ, к ним были отнесены районы Днепровско-Донецкой впадины (Украина), Кимперсайского антиклинория и Тургайского прогиба (Казахстан), Бийско-Барнаульской впадины (Алтайский край), в бассейне среднего течения р. Шилка (Читинская обл.), в бассейне рек Пенжина и Майна (Магаданская область), в молодых депрессиях о. Сахалин. Даны рекомендации на проведение соответствующих работ в ПГО «Укргеология», «Запказгеология», «Читагеология», «Запсибгеология», где они были одобрены и приняты к внедрению. Тематическая работа в ПГО «Запказгеология» по теме «Обобщение материалов геолого-разведочных работ по Западному Казахстану с целью выяснения перспектив обнаружения месторождений магнезита» (с 1989 г.) выполнялась по рекомендации ВНИИгеолнеруд (соавтор Т.А. Щербакова). В соответствии с решением Экспертного совета по обеспеченности огнеупорной промышленности магнезитами (г. Сатка, октябрь, 1987г) работа проведена в связи с острым дефицитом в стране и, в том числе в Казахской ССР, магнезитового сырья, пригодного для производства огнеупоров, применяемых при плавке специальных сталей. В рамках тематических работ были исследованы магнезитоносные коры выветривания Кимперсайского массива ультрамафитов (Казахстан) на проявлениях магнезита Миллионный и Донской. На территориях других ПГО начали проводить тематические работы по предложенным рекомендациям ВНИИгеолнеруд по изучению кайнозойских структур и литологических комплексов в них на предмет магнезитоносности.
В связи с распадом СССР и дестабилизации экономики и производства в стране и республиках работы на магнезитовое сырье в указанных регионах были остановлены. На рубеже нового XXI столетия, в период подъема промышленного потенциала и восстановления экономики России появилась необходимость в развитии и расширении сырьевой базы металлургического (огнеупорного) сырья. Актуальным становится изучение и прогнозирование кайнозойских магнезитов, которые имеют некоторые преимущества -депрессионные структуры с развитой гидросетью, а вместе с этим и развитым народнохозяйственным комплексом, не скальный (рыхлый) рудный материал, потенциально миллионные запасы и прочее (Шевелев, Щербакова,1989, 1991).
Вопросами прогнозно-минерагенической оценки территории России на кайнозойский магнезит занимались специалисты ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» (Т.А. Щербакова, А.И. Шевелев) в рамках федеральной темы «Обосновать перспективы развития ресурсного потенциала неметаллических полезных ископаемых и первоочередные направления геологоразведочных работ по его освоению» (2005 - 2006 г.г.). К числу первоочередных объектов по магнезитам в кайнозойских комплексах рекомендованы южная и юго-восточная площади Бийско Барнаульской впадины (Алтайский край), где развиты потенциально-перспективные отложения миоцена (Шевелев, Щербакова, 2007б). Кроме того, проводились исследования магнезитоносных серпентинитов Беденского массива (Сев. Кавказ) и процессов их гипергенеза (Шевелев, Щербакова, 2007а) в рамках федеральной программы по Южному федеральному округу РФ, по теме: «Геолого-экономическая и аналитико-технологическая оценка минерально-сырьевых ресурсов неметаллических полезных ископаемых Южного федерального округа с разработкой программы и рекомендаций по геологическому изучению и реализации инвестиционного потенциала региона». Магнезитоносность серпентинитов в зоне гипергенеза связана с физико-химическими процессами преобразования исходных гарцбургитов и дунитов (Грицкевич, 1970ф). Выветрелые и дезинтегрированные магнезит-серпентинитовые руды с содержаниями MgO – 38-42% рекомендованы для производства форстеритовых огнеупоров в регионе.
Генетическая связь магнезитообразования в осадочных континентальных комплексах кайнозоя с корами выветривания по офиолитам акцентировала исследования автора на анализ и обобщение опыта изучения кор выветривания Урала, Казахстана, Средней Азии и других регионов (Гинзбург, 1946,1958; Михайлов, 1977; Добровольский, 2007). Образующийся тип коры выветривания характеризуется своеобразной подвижностью химических элементов, специфическим минералообразованием и соответственно определенным набором полезных ископаемых. Наукоемкие исследования принадлежат латеритным бокситоносным, никеленосным и другим типам кор выветривания, тогда как магнезитоносные коры выветривания по серпентинитам имеют сравнительно низкую изученность, в том числе как источник и питающий субстрат для формирования магнезитоносных осадочных комплексов. В 2007 году автору представилась возможность посетить месторождение магнезита озера Салда (Турция). При этом проведены рекогносцировочные работы с опробованием современных магнезитоносных отложений, как озерного комплекса, так и магнезитсодержащих серпентинитов и амфиболитов питающего субстрата, опоясывающего рудовмещающую структуру (межгорную впадину). Выполнено описание литологических разрезов по западному и южному берегам озера Салда, где выделены две озерные террасы, источники подземных (родниковых) вод (опробованы), текстурно-структурные разновидности магнезита и выделены минеральные разновидности карбоната магния. По пробам рудного материала, вмещающих пород и воды (подземных источников и поверхностных вод с прибрежной части) проведен комплекс аналитических испытаний, включающий минералого-петрографический, химический, фазовый, геохимический, электронно-микроскопический и другие анализы (Щербакова, 2008б).
В последующие годы прогнозом и поисками кайнозойского оруденения магнезитов в нашей стране занималась группа магнезиального сырья в отделе неметаллических полезных ископаемых ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» (Шевелев А.И., Щербакова Т.А.). По результатам мелкомасштабных прогнозных исследований выделены перспективные районы (Щербакова, 2009), где проводились прогнозно-ревизионные исследования в рамках гос. контрактов (Ахманов, Щербакова, 2008ф, 2009ф, 2012ф). Одним из таких объектов являлась Среднеуральская площадь, включающая офиолитовые комплексы в бассейне рек Салда, Емех и др. (Свердловская область). Объект выделен на основании мелкомасштабных минерагенических научно-исследовательских разработок (2003-10 г.г.). Площадь расположена на восточных отрогах Среднего Урала в пределах Верхотурско Верхисетского мегантиклинория (Щербакова, 2008а). Включает крупные палеозойские массивы гипербазитов дунит-гарцбургитовой формации, сложенные апоперидотитовыми серпентинитами, перидотитами, а также дунитами и пироксенитами, в разной степени серпентинизированными, и прилегающие к ним территории развития кайнозойских комплексов (неоген-четвертичного возраста). Площадь имеет меридиональное простирание и составляет в длину 130 км (в среднем) при ширине от 19 км (на юге) до 21 км (на севере), в среднем – 20 км.
Потенциально перспективная Среднеуральская площадь предполагает нахождение нового для российской сырьевой базы магнезита геолого-промышленного типа – хемокластогенных магнезитов кайнозойских депрессий. Перспективны на магнезитоносность речные и озерные фации кайнозойских отложений на отдельных участках, в бассейнах рек Лобва, Тура, Ляля, Турья, Сосьва (Вафин, Щербакова, 2007ф-а,б). На этих участках отмечается развитие глин, суглинков и песков, которые могут являться продуктами сноса с эродированных гипербазитов. Прогнозные ресурсы Среднеуральской площади методом аналогии с австралийскими месторождениями магнезита оцениваются в 300 млн. т по кат. Р3. На площади рекомендуется проведение прогнозно-минерагенических работ, при которых будут локализованы наиболее перспективные участки и литологические комплексы для поисков кайнозойских магнезитов.
Форма и пути транспортации рудного материала
Транспортация магнезита и других высокомагнезиальных карбонатов от источника (области сноса) до бассейна рудонакопления является следующим этапом в генерализованной модели кайнозойского магнезитообразования. Здесь можно выделить два способа переноса вещества: подземный и поверхностный, которые отличаются как по форме, так и по содержанию (Шевелев, Щербакова, 2008б, 2010б).
Поверхностная транспортация магнезитового вещества связана с водными потоками долговременными (речная гидросеть) и кратковременными (сезонные и суточные осадки).
Первые из них развиты наиболее широко, имеют площадной характер и некоторую временную стабильность и постоянство, тогда как кратковременные водотоки проявляются переменно и локально. Поверхностные водотоки транспортируют, главным образом, терригенный материал, содержащий гипергенный магнезит, с ультрабазитового субстрата и формируют кластогенный тип месторождения магнезитов среди кайнозойских комплексов. При этом насыщенность поверхностных вод ионами магния (учитывая, что площадь поверхностного водосбора приходится на развитие магнезит-серпентинитовых пород) является умерено повышенной (59,8 мг/л) по сравнению с другими речными потоками прилегающих территорий (площади водосбора их не связаны с гипербазитами), где состав ионного магния является незначительным (1,2 мг/л). Возможности хемогенного образования магнезита (высокомагнезиальных карбонатов) крайне ограничены.
Особенно активный площадной снос происходит в интенсивно-эродированных районах, где отмечаются периоды обильных дождей (месторождения Австралии, Турции). Форма гравиметрических фракций кластогенного магнезита весьма разнообразна: от глыб и гравия (м-е Неваде, Сербия и м-я Сервия и Аяни, Греция) до пелитоморфной разности (м-е Салда, Турция и др). Параметры водного потока имеют большое значение при переносе и отложении рудного вещества: рельефные превышения предопределяют скоростное течение рек, что приводит к наибольшей удаленности терригенного магнезита от источника до мест его локализации, и наоборот – равнинные реки со спокойным и ламинарным течением переносят этот материал на незначительные расстояния, аккумулируя магнезитовый материал более концентрированно, с наименьшим рассеиванием. Скрытокристаллическая структурная особенность гипергенного магнезита с плоскими морфологическими формами (листовато-чешуйчатыми) имеет мобильное поведение в водном потоке и хорошие транспортирующие свойства.
Подземная форма транспортировки магнезиального вещества связана, главным образом, с химическими процессами. Химический способ переноса предполагает магний-ионную форму рудного вещества и пространственно-проходящую водную среду самого разного происхождения. Здесь принимают участие неглубокие Ca – Mg бикарбонатные подземные воды (остаточные озера лагуны Куронг), гипогенные растворы и холодные метеорные воды, обогащенные ионами Mg (месторождение Карент-Крик) и другие инфильтрационные потоки, которые, проходя через толщи, богатые магнием, обогащаются им (Сербская группа месторождений, озеро Салда в Турции) с последующей аккумуляцией в наиболее благоприятных условиях мелководных озер. В этих случаях происходит формирование хемогенных месторождений магнезита в кайнозойских комплексах.
Гидрологические исследования озера Салда По западному и южному берегам озера по пляжной зоне эпизодически встречаются родниковые источники, которые увлажняют «глинистые» и «песчаные» гидромагнезиты до очень вязкого, топкого состояния и питают озерный водоем. Вокруг родниковых источников формируются ореолы кругообразной и кольцевой формы, которые визуально проявляются за счет распределения по концентрам алевро-глинистого гидромагнезитсодержащего материала. Активность источников разная: «молодые» - интенсивно фонтанируют (высота струй до 10 см), более «зрелые» - слабо просачиваются сквозь глинистые отложения, некоторые почти полностью заилили их. Химический анализ воды (таблица 18) показал на повышенную минерализацию (сухой остаток) - до 950 мг/л и магний-гидрокарбонатный состав воды с щелочным балансом (рН – 8,8) и общей жесткостью – 10,7 Мг-экв/дм3. Насыщение подземных вод ионами магния и гидрокарбоната проходило, вероятно, за счет инфильтрации ее по развитой системе трещиноватости ультрабазитовых пород, окружающих озеро (Lippman, 1973). Химическое осаждение магнезиальных карбонатов (в данном случае гидромагнезита) идет по уравнению карбонатного равновесия:
5Mg+2 + 5 HCO3-1 + 5 OH-1 = Mg5(CO3)4(OH)2 4H2O + CO2 раствор гидромагнезит
Для того, чтобы осаждался гидромагнезит по данному уравнению необходимо:
- увеличение концентрации ионов магния в растворе,
- уменьшение парциального давления CO2 в среде,
- увеличение концентрации гидрокарбонатного аниона в воде.
Величина OH-1 в растворе этой реакции регулирует кислотно-щелочной баланс водной среды. Наличие группы OH-1 в левой части уравнения свидетельствует о влиянии щелочности на протекание реакции, то есть о щелочной среде системы «вода-осадок». Увеличивая щелочность среды, система будет «отрабатывать» так, чтобы ее понизить, тогда реакция пойдет слева направо: из минерализованных вод осаждается гидромагнезит. Реакция позволяет в явном виде производить оценку pH среды осаждения гидромагнезита. Величина изменения энергии Гиббса реакции в стандартных условиях (при температуре 250 и давлении в 1 атм.) составляет – 243,15 кДж/моль, отрицательное значение правой части уравнения необходимо для того, чтобы реакция протекала слева направо с осаждением гидромагнезита в седиментационном бассейне.
Зоной разгрузки являлись прибрежно-озерные области. Аналогичные источники встречались неоднократно по западному и южному побережью (рисунок 53), и вероятность того, что они имеются и в придонных, подводных частях бассейна достаточно велика.
Таким образом, инфильтрационное питание водоема водами с повышенными содержаниями магния и гидрокарбоната приводит к насыщению озерных вод данными ионами, которые являются основными в процессе магнезитообразования. Повышенный ионный потенциал магния и гидрокарбонатов соответствует углемагниевым водам содового типа начального этапа развития бассейна (Страхов, 1962).
С южной части озера в мелководной зоне была взята проба воды (поверхностная). Химический анализ этой пробы (таблица 19) показал общую минерализацию до 2220 мг/л, натрий-магниевый хлорид-гидрокарбонатный состав воды, щелочной баланс среды (рН 9,2) и общую жесткость 27,3 мг-экв/дм3. Сравнивая подземные и поверхностные воды по химическому составу, щелочности, жесткости и пр. можно отметить, что процентные содержания химических компонентов и параметров поверхностных вод превосходят в 2,5-3 раза таковые значения для подземных вод. Насыщение (а также временные периоды пересыщения) поверхностных вод ионами Mg и гидрокарбонатов приводит к осаждению магнезиальных карбонатов в озерной обстановке. К минералам, способным осаждаться в водных бассейнах, можно отнести: гидромагнезит – Mg5(CO3)4(OH)2х4H2O, гидроталькит -Mg6Al2(OH)16CO3х4H2O, гунтит (хантит) - Ca Mg3(CO3)4, несквегонит - MgCO3х3H2O, магнезит - MgCO3 и доломит – CaMg(CO3)2. Примером такого осаждения для озера Салда служат образцы амфиболитов, взятые со дна западного мелководья: окатанная галька из темно-серого, почти черного актинолита покрыта с поверхности тонким скорлуповатым слоем белого скрытокристаллического гидромагнезита (анализ проведен в лаборатории АТСИЦ ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» методом рентгенофазового анализа – РФА). Таким образом, можно достоверно говорить о химическом осаждении магнезиального карбоната на данном объекте.
Локальные критерии
Микробиологический критерий. В процессе карбонатообразования в условиях зоны гипергенеза серпентинитовых массивов и осадочных аккумулятивных континентальных структур большое значение имеет микробиологическая деятельность, от активности которой зависит скорость и степень формирования карбонатных минералов. Биоминерализация в естественной среде на магниеносных объектах проходит в условиях аэральной (воздушной) и субаквальной (переменно - водной и воздушной) среды, щелочного баланса с pH от 8.5 до 9.0, с переменным положительным температурным режимом (20-400С) и развитием микробиологических колоний группы гетеротрофов, способствующих расщеплению неорганических соединений (Щербакова, 2011).
В полевых условиях в естественных обнажениях проявление микробиологической деятельности можно выявить по характерным признакам: это локальные участки в ландшафте местности, где отсутствует растительность (или очень скудная, в угнетенных формах), каменный материал дезинтегрирован до мелкообломочных фракций, порода интенсивно трещиновата (система трещин создает пути для инфильтрационных и других водных потоков), щелочная среда проходящих растворов и прочим.
Изучение процессов биоминерализации является очень важным аспектом в общей геологической модели магнезитообразования, процесс выявляет генетический механизм формирования магнезиальных руд.
Изучением бактериального состава современных гидромагнезитов и магнезитов занимались многие исследователи – Howell E. G. M., Moody C. D., Newton E. M., Villar S. E. J., Russell M. J. (2005), Miller A.G., Colman B. (2005), Thompson J.B., Ferus F.G. (1990), Treiman A.H., Amundsen H.E.F., Blake D.F., Bunch T. (2000), Burne R.V. (1987), Defarge C. (1996). Авторы уделяли большое внимание биохимическому составу цианобактерий, широко развитых в магнезиальных карбонатах, сформированных в разных климатических обстановках современных озер. Объектами исследования являлись магнезиты (МgCO3), гидромагнезиты (Мg5(CO3)4(ОН)24Н20) и артиниты (Мg2СО3 (ОН)2ЗН20) Турции (оз. Салда), Антарктиды (сухие долины Мак Мардо у побережья моря Росс, засушливые почвы острова Александр), метеоритов (серия АLH84001 - интерпретация компьютерного моделирования показала на их марсианское происхождение) (Howell, 2005; Thompson, 2000) и др. Исходный материал магнезиальных карбонатов во всех случаях представлял собой глобуле- и шаровидные образования белого цвета скрытокристаллической структуры, размерность сферических агрегатов варьировала от микро- до крупных (десятки сантиметров) форм. Биохимический анализ микробиальной массы (цианобактериальных колоний) показывает количество хантофило-, протеино-, каротино- и других групп, их модификации (-, - и др.) и поведенческий характер форм. Эти данные характеризуют широкое развитие микробиологических колоний на магнезиально-карбонатном субстрате. На их основе исследователи доказывают наличие жизни (на микробиогенном, бактериальном уровне) в 192 суровых климатических низкотемпературных условиях нашей планеты (Антарктида) и на других планетах (Марс).
Исследованиями микробиологической деятельности в процессе магнезитообразования автор занимался многие годы, совместно со специалистами-микробиологами ЦАИ ГНУ «Татарский НИИСХ» РАСХН (г. Казань) и кафедры микробиологии Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета.
Микробиологические исследования магнезитов разных генетических типов проведены в центре аналитических исследований (ЦАИ) ГНУ «Татарский НИИСХ» РАСХН (г. Казань) совместно с к.б.н. Р.А. Шурхно, методом классического микробиологического посева с использованием ряда разведения на плотных селективных питательных средах. Объектами изучения были гидромагнезиты осадочных отложений (озеро Салда), а так же гипергенные магнезиты (Кимперсайский серпентинитовый массив) и гидромагнезиты (Беденский серпентинитовый массив).
Осадочные магнезитоносные отложения в акватории озера Салда, расположенные на прибрежных участках, локализуются под уровнем воды (водная среда), на поверхностных обрывистых положениях (воздушная среда) и приближены к воде, где происходят сезонные колебания водного уровня (переменная среда).
Анализируемые магнезиальные карбонаты находились в аэральных (воздушных и сухих) и субаквальных (переменно - водных и воздушных) условиях (Щербакова, 2010а).
Гидромагнезит «коралловидный» белого цвета, скрытокристаллической структуры, коралловидной текстуры, литифицированный. Содержание MgO составляет 42 %. Находится в аэральной среде (рисунок 62).
Гидромагнезит «песчаный» белого цвета, скрытокристаллической структуры, массивной текстуры. Гранулометрический состав рыхлого материала соответствует преобладанию крупнозернистой песчаной фракции. Содержание MgO составляет 42%. Находится у кромки воды, в сезонно-переменной (субаквальной) среде.
Гидромагнезит «песчано-глинистый» серовато-белого цвета, скрытокристаллической структуры, псевдо-коралловидной (полиповой) текстуры. Гранулометрический состав рыхлого материала соответствует глинистой и песчаной фракциям (в равной доле). В естественных условиях на поверхности данный тип образует коралловидные и сфероидальные формы, которые легко рассыпаются при физическом воздействии. Отложения не литифицированы. Содержание MgO составляет 38 %. Находится в аэральной среде (рисунок 78).
Кимперсайский серпентинитовый массив с развитой корой выветривания содержит мощную зону карбонатизации, которая представлена магнезитом (проявления Миллионное и Донское) и находится под вскрышей выветрелых и измененных пород. Беденский серпентинитовый массив с маломощной корой выветривания имеет участки карбонатизации, которые представлены гидромагнезитом и расположены на приповерхностных уровнях.
Магнезиты гипергенные – белого цвета, скрытокристаллической структуры, почковидной текстуры. Содержание MgO составляет 44 %. Образования литифицированы.
Гидромагнезиты гипергенные – белого цвета, скрытокристаллической структуры, нодулевидной (гороховой) текстуры. Содержание MgO составляет 42 %. Образования литифицированы.
При отборе проб на микробиологический анализ использовался метод точечного отбора с весом проб до 200 г, что является достаточным объемом для контрольных замеров.
Для чистоты эксперимента пробы, отбираемые в естественных обнажениях береговой зоны озера Салда, консервировались с целью исключения попадания бактерий извне.
Подготовка испытуемого препарата также проходила в стерильных условиях микробиологической лаборатории.
Микробиологические исследования проведены методом классического посева с ряда предельных разведений на плотные питательные среды с последующим культивированием в течение 4-7 суток при температуре 280С. Численность микроорганизмов выражается в количестве колониеобразующих единиц (КОЕ/г сухого образца). Спорообразующие бактерии (Вacillus sp.) культивировали на агаризованной смеси мясо-пептонного бульона и неохмеленного сусла (1:1; 30С по Баллингу), псевдомонады – на агаризованной среде LB нитрифицирующие бактерии – на голодном агаре.
Данные эксперимента (таблица 28) на выявление микробиологического состава магнезитового материала показали характер поведения определенных видов бактериальных колоний в зависимости от разных климатических, петрохимических и гидрологических условий нахождения магнезиальных карбонатов. Выделяются группы аэробных гетеротрофов, которые обладают ростостимулирующим действием и способствуют расщеплению неорганических соединений, деструкции сложных силикатных (алюмосиликатных) соединений. К ним относятся колонии бактерий – p. Вacillus, и p. Pseudomonas, которые существуют и развиваются в почвенных и приповерхностных осадочных рыхлых отложениях в воздушной среде, насыщенной кислородным потенциалом. В результате жизнедеятельности бактерии выделяют активный углерод, который, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, участвующий в процессе карбонатообразования (в данном случае - магнезиальных карбонатов).
Перспективы выявления кайнозойских магнезитоносных толщ на территории Российской Федерации
В нашей стране разрабатываются месторождения магнезита только одного геолого-промышленного типа – кристаллические магнезиты древних осадочных толщ, за рубежом кроме них и хемокластогенные магнезиты кайнозойских осадочных комплексов. На территории России месторождения кайнозойского магнезита до последнего времени не были обнаружены, но имеются перспективы их выявления.
На основании разработанных региональных (прогнозно-минерагенических) и локальных (поисковых) критериев формирования месторождений магнезита в кайнозойских терригенно-карбонатных комплексах можно выделить потенциально перспективные территории (площади) на выявление объектов данного оруденения.
К перспективным регионам, благоприятным на обнаружение кайнозойских магнезитов в палеоген-неогеновых и четвертичных комплексах, относятся складчатые области, в которых развиты офиолитовые комплексы: Уральская, Алтае-Саянская, Монголо-Охотская, Беломорская, Анадыро-Корякская (рисунок 118). Данные регионы выделены на основе металлогенического районирования территории страны масштаба 1:10000000, выполненного ВСЕГЕИ (Ильин, 1974). Совокупность критериев магнезитоносности в кайнозойских отложениях позволяют определить перспективность и потенциал кайнозойских структур, расположенных в межгорных впадинах и прогибах. На основании ранее проведенных региональных геологических работ автором выполнен анализ территории России с выделением площадей, где отмечаются прогнозно-минерагенические признаки потенциальной магнезитоносности. Совокупность источника-субстрата (серпентинизированные гипербазиты) и прилегающих депрессионных структур кайнозойских комплексов являются исходным параметром для детализации и локализации предполагаемого оруденения.
Уральский регион
На восточных отрогах Среднего Урала (в пределах Свердловской области) широко развиты кайнозойские депрессии, сложенные аллювиально-озерными отложениями. Они мощным чехлом перекрывают гипербазитовые массивы, апикальные части которых выходят на поверхность, образуя офиолитовый пояс северо-восточного направления. Кайнозойские континентальные отложения развиты в непосредственной близости от гипербазитовых массивов. В разрезах аллювиально-озерных комплексов палеогена, неогена и четвертичных отложений отмечаются полимиктовые глины, илы, алевриты с органическими включениями (Щербакова, 2008а).
Гипербазиты поздне-силурийского возраста представлены гарцбургитами, пироксенитами и дунитами, которые практически нацело превращены в серпентиниты. Серпентиниты прослеживаются по меридианной полосе и структурно приурочены к зонам глубинных разломов. По минеральному составу серпентиниты подразделяются на лизардитовые, хризотил-лизардитовые и антигоритовые. В эндоконтактах и зонах тектонических нарушений ультрабазиты превращены в тальк-карбонатные породы. Процессы гипергенеза в разной степени проявляются по серпентинитовым породам. Зоны карбонатизации развиты повсеместно. Площади распространения кайнозойских отложений, прилегающие к офиолитовым массивам, являются перспективными на выявление высокомагнезиальных карбонатов.
К перспективным объектам в данном регионе можно отнести (рисунок 118):
1. Кайнозойские толщи, перекрывающие Устейский, Колинский, Вагранский, Серебрянский ультрабазитовые массивы (рисунок 119). Серпентиниты (условный знак на всех рисунках - ГБ) образуют единое круто падающее на запад тело, структурно приуроченное к зоне глубинного разлома. По минералогическому составу серпентиниты подразделяются на хризотил-лизардитовые и антигоритовые, с подчиненным развитием серпофита. В зонах разрывных нарушений и рассланцевания серпентиниты хлоритизированы, оталькованы, карбонатизированы или превращены в тальк-карбонатные породы, подверглись дроблению с образованием многочисленных прожилков карбоната и порфиробластов тремолита (Плюснин, 1974).
Окружающие массивы гипербазитов со всех сторон осадочные отложения кайнозоя имеют широкое распространение. Среди них мощные толщи палеогена, неогена и четвертичных образований (условный знак на всех рисунках - KZ), в разрезах которых неоднократно встречаются серые, зеленовато-серые и желтовато-белые глины и аргиллиты, полимиктовые песчаники.
2. Кайнозойские комплексы, перекрывающие Актайско-Туринский, Лобвинский, Вагранский ультрабазитовые массивы. Восточнотагильский комплекс раннесилурийского возраста представлен альпинотипными ультрабазитами дунит-гарцбургитовой ассоциации, слагающими крупные массивы – Актайско-Туринский (А), Лобвинский (Б) и Вагранский (В), общей площадью около 280 км2 (рисунок 120). Ультрабазиты фиксируют зону Серовско-Маукского глубинного разлома и слагают линейно-вытянутые пластообразные тела с вертикальным или крутым западным падением (Грачев, 1985). Развитые в районе серпентиниты представлены аподунитовыми, апоперидотитовыми разностями и неустановленной первичной природы. Минеральный состав их переменчив и представлен лизардитом, антигоритом и хризотилом (с промежуточными разностями). Серпентиниты (ГБ) обычно рассланцованы с параллельно-полосчатыми выделениями агрегатов талька, карбоната, магнетита. Широко развиты тальк-карбонатные породы в восточном эндоконтакте Актайско-Туринского массива, сложены агрегатами талька, карбоната, тремолита, хлорита. Кайнозойские континентальные отложения развиты в непосредственной близости от гипербазитовых массивов. В разрезах аллювиально-озерных комплексов палеогена, неогена и четвертичных отложений отмечаются полимиктовые глины, илы, алевриты (KZ) с органическими включениями.
3. Кайнозойские отложения, перекрывающие Восточно-Тагильский, Емехский, Салдинский гипербазитовые массивы.
Площадь расположена на границе увалистой полосы восточного склона Среднего Урала и Западно-Сибирской низменности. Интрузивные образования в районе представлены серпентинизированными ультрабазитами, которые образуют различные по размерам и формам тела. На площади выделяются три участка с группами массивов – Восточно-Тагильский (А), в восточном борту одноименного мегасинклинория, Емехский (Б), на север от предыдущего, и Салдинский (В), расположен несколько изолировано на удалении (рисунок 121). Формы массивов линзовидные или пластообразные, контакты тел с вмещающими породами тектонические. В зонах контактов и тектонических нарушений отмечаются оталькование, лиственизация и карбонатизация серпентинитов (ГБ).