Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика и методология исследований 15
1.1. Методика полевых исследований 16
1.2. Методика лабораторных исследований 18
1.3. Элементы системного анализа в определении объекта исследования 24
Глава 2. Краткий очерк геологического строения курской магнитной аномалии 29
2.1. Архейская и протерозойская акротемы 29
2.2. Фанерозойская эонотема 33
2.3. Эпохи железорудного гипергенеза 36
Глава 3. История изученности геологии гипергенных железных руд кма 46
Глава 4. Морфогенетические особенности месторождений гипергенных железных руд 53
4.1. Месторождения площадных кор выветривания 55
4.2. Месторождения контактово-площадных кор выветривания 92
4.3. Месторождения линейных кор выветривания 105
4.4. Месторождения закарстованных кор выветривания 118
4.5. Железорудные делювиальные отложения 140
4.6. Железорудные пролювиальные и озёрно-болотные отложения 142
4.7. Железорудные прибрежно-морские отложения 145
Глава 5. Литология богатых железных руд 149
5.1. Богатые железные руды кор выветривания 150
5.2. Переотложенные богатые железные руды 170
Глава 6. Минеральные особенности гипергенного рудообразования 177
6.1. Исходный состав материнских пород 177
6.2. Минеральный состав железорудных кор выветривания
6.2.1. Морфологические разновидности гематита 189
6.2.2. Гётит 200
6.2.3. Магнетит 205
6.2.4. Карбонаты 207
6.2.5. Кварц 216
6.2.6. Хлориты 216
6.2.7. Бертьерин 227
6.2.8. Каолинит 238
6.2.9. Сульфиды 240
6.3. Минеральный состав осадочных богатых железных руд 243
Глава 7. Распределение химических элементов в гипергенных железных рудах 249
7.1. Породообразующие элементы кор выветривания 249
7.2. Породообразующие элементы осадочных руд 264
7.3. Малые элементы а богатых железных рудах 265
7.4. Литохимический корреляционный анализ разновидностей пород профиля выветривания 270
7.5. Многомерный анализ геохимических данных по профилям железорудных кор выветривания 279
Глава 8. Генезис гипергенных богатых железных руд 282
8.1. Условия образования богатых железных руд Курской магнитной аномалии 283
8.2. Сравнительный анализ особенностей образования богатых железных руд Курской магнитной аномалии и Криворожского бассейна 299
8.3. Стадиальный анализ гипергенных преобразований пород докембрийской железисто-кремнисто-сланцевой формации в фанерозое 323
Глава 9. Прикладное значение изучения железорудных кор выветривания КМА 340
9.1. Аспекты прогнозирования залежей рыхлых богатых железных руд 341
9.2. Геологические критерии при разведке месторождений богатых железных руд 355
9.3. Обоснование минерально-сырьевой базы бассейна КМА для разработки месторождений рыхлых глубокозалегающих богатых железных руд 366
Заключение 371
Литература
- Методика лабораторных исследований
- Фанерозойская эонотема
- Месторождения закарстованных кор выветривания
- Морфологические разновидности гематита
Методика лабораторных исследований
Основным лабораторным методом исследования фактического материала рудных районов КМА был минерально-петрографический, который включал в себя: 1) макроскопическое изучение образца; 2) первичное определение минерального состава рентгенографическим, термографическим, инфракрасным и другими методами; 3) изучение элементов структуры под бинокуляром; 4) микроскопическое изучение сколов в естественном состоянии под электронным микроскопом; 5) микроскопическое изучение в шлифах и аншлифах под электронным микроскопом; 6) определение минерального состава концентратов рентгенографическим методом.
Микроскопически изучались строение и состав пород в прозрачных шлифах в режиме проходящего и отраженного света (NIKON Microphot FX-A и Leica Wild MPS52, Полам Р-312 с компьютеризированным комплексом OLYMPUSBX51) и бинокуляром (NIKON SMZ-U). Вначале исследовалась недезинтегрированная порода для выяснения характера цемента и взаимоотношений основной тонкодисперсной массы с обломочным материалом алевропесчаного размера и с аутигенными образованиями. Затем, изучались отдельно взятые фракции, в особенности тонкая, мельче 0,01 мм. Всё сводилось к выявлению минерального состава фракций путём применения органических красителей (метиленовым голубым, 0,01 %-ный раствором; бесцветным насыщенным раствором солянокислого бензидина) и иммерсионных препаратов. Оптические данные постоянно контролировались фазовым анализом.
Минералогическим исследованиям предшествовали подготовительные работы: наладка, настройка, запуск оборудования, подбор материала для исследований. В лабораторный период осуществлено разноплановое изучение каменного материала. При этом был использован комплекс лабораторных исследований. Большинство образцов из КВ подвергалось фракционному разделению со сбором тонких (мельче 0,01 мм и 0,001 мм) фракций.
В первую очередь, исследуемая проба проходила разделение в полиэтиленовом сите диаметром 0,5 мм. Далее проводилось отмучивание полученной фракции мельче 0,5 мм в химической полиэтиленовой либо кварцевой посуде с использованием дистиллированной воды. Полученная фракция мельче 0,001 мм (либо мельче 0,01 мм) в необходимом количестве вместо воздушной сушки проходила центрифугирование в прозрачных полиэтиленовых колбах. При высокоскоростном центрифугировании достигается максимальная скорость коагуляции слоистых силикатов без применения дополнительных средств воздействия на суспензию, в том числе, что очень значимо, химических. Этот экспресс-метод получения тонкодисперсных фракций (мельче 0,01 мм), позволяет экономить значительное количество времени, что учитывается при больших объемах такого рода работ [152]. Применялись методики, изложенные в широко известных руководствах [104, 190] для сопоставления минерального и количественного содержаний глинистой составляющей в разных типах пород. Применение гранулометрического анализа позволило получить представление как, в общем, о размерах частиц, так и об особенностях распределения рыхлого материала в зависимости от класса крупности.
Детальным исследованиям концентратов отдельных фракций или мономинеральных проб предшествовали отбор вручную и пофракционное ситование. Отбор вручную подразумевал выделение мономинеральных фракций путем высверливания или выковыривая под бинокуляром с помощью игл с расплющенным кончиком или при помощи инструментов дантистов. Ситование проводилось всухую с коэффициентами отверстий фи 1 и 1,5 от 3 мм до 0,063 мм.
При изучении разновидностей литологических типов главное внимание было обращено на вещественный состав, цвет, структуры, текстуры, формы и сохранность материнских минералов, строение, состав и количество цемента, поскольку все эти признаки в различной степени могут быть использованы в качестве дополнительных критериев при решении поставленных задач. В значительной степени изучались особенности наложенных процессов, так как они практически развиты неравномерно, но повсеместно. Сформированная последовательность в изучении обеспечивала целенаправленное исследование минерального состава отдельных элементов структуры БЖР и подбор участков для выделения концентратов или монофракций минералов. Для расшифровки минерального состава, в частности тонких фракций (мельче 0,001 мм), применялись рядом методов [170, 217, 234]: рентгено дифрактометрия, термографический, микрозондовый, ИК-спектральный, спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) и электронно-микроскопический (РЭМ). Первостепенным значением в ходе исследований имел метод рентгенографического анализа на: – на приборах ДРОН–2 (отечественного производства, модифицированный, с двумя независимыми гониометрическими приставками Гур-5 и Гур-9) и дифрактометре DMAX 2400 (японской фирмы «Rigaku») в лаборатории НИГП АК «АЛРОСА» (г. Мирный Республики Саха); – на рентгеновских дифрактометрах Shimadzu и Siemens D-500 (ИФТТ РАН, г. Черноголовка Московской области) с использованием Со К-альфа излучения. Химический состав отдельных образцов определялся на X-Ray масс-спектрометр PW 2400 Philips и спектрометре последовательного действия Axios производства компании PANalytical (Нидерланды); – дифрактометре ARL X`TRA (Со К-альфа излучение) (Воронежский гос. университет, г. Воронеж); – дифрактометре Rigaku Ultima IV (CuK, К фильтр – Ni) (Наноцентр БелГУ, г. Белгород) с однокоординатным полупроводниковым детектором D/TeX. Этим методом выполнялись в основном идентификация и полуколичественный подсчет содержания минерала в составе различных горных пород по серии рефлексов и поведению их при различных обработках (насыщению глицерином, прокаливанию) [120, 296]. При этом в исследовании учитывалось, что без знания количественного содержания того или иного минерала становится невозможным даже приближенное решение конкретных генетических вопросов
Фанерозойская эонотема
Западное крыло имеет простое строение, оно наклонено на восток под углом 60–80о. Восточное крыло синклинали осложнено складками более высокого порядка и разломами. Падение крыла в основном на запад, меняется от 80 до 90о, по некоторым данным частично опрокинуто. Шарнир синклинали ундулирует: глубина его от поверхности докембрия по подошве стойленской свиты меняется от 300 до 750 м, достигая наибольшего погружения (1,5 км) на участке геологоразведочного профиля V. Периклинальный замок синклинали имеет простое простирание, осложнённое небольшой антиклиналью. К северу от поперечного разлома синклиналь имеет простирание 315–320о. Здесь сохранилось только её западное крыло, полого падающее на северо-восток под углом 35–45о. Восточное крыло срезано надвигом северо-западного простирания, поэтому сланцевая подсвита коробковской свиты, слагающая осевую часть синклинали, контактирует по этому разлому с породами архея.
Кора выветривания мощностью от 3,5 до 87 м полого развита на магнетитовых и силикатно-магнетитовых джеспилитах нижней подсвиты коробковской свиты курской серии, которые несогласно залегают на породах архея. В подошве метаморфических пород курской серии отмечены чёткие признаки наличия, возможно архейской, метаморфизованной коры выветривания мощностью до 15 м по архейским породам. В профиле выветривания выделяются на три зоны: верхняя, средняя и нижняя.
Нижняя зона сложена сильнооксиленными железистыми кварцитами. В ней в большей степени наследуется минеральный состав материнских пород; сохраняются текстурные особенности материнских пород при частичном замещении магнетита мартитом, хлоритизации силикатов и маршаллитизации кварца.
Средняя зона окисления мощностью 1,5–26,0 м представлена мартитовыми, железнослюдково-мартитовыми и тонкодисперсно-гематит мартитовыми разновидностями пород. Повсеместно отмечено наличие примеси магнетита (0,1–15,0%). Кварц образует округло-изометричные зёрна (маршаллит).
Верхняя зона полного выщелачивания кремнезёма представлена магнетито-мартитовыми и мартитовыми породами. Её мощность ограничена первыми десятками метров (до 50 м). Среди пород в подчинённых количествах встречены тонкодисперсно-гематит-мартитовые, тонкодисперсно-гематитовые и железнослюдково-мартитовые разновидности.
Рыхлые породы мощностью до 5 м приурочены к центральным частям профиля коры выветривания. В сидерит-гематитовых разновидностях количество карбонатных минералов достигает 20–45%. Они выполняют промежутки между зёрнами рудных минералов, частично их замещая. Сильносцементированные, сидеритизированные породы составляют около 70% всего объёма коры выветривания железистых кварцитов.
Салтыковское месторождение
Месторождение приурочено к сильно сжатой Салтыковской синклинали, которая отчленяется от юго-восточного замка Тим-Ястребовской синклинали. Синклиналь ориентирована по азимуту 335о в северной части и 315о в южной. Ядро сложенно железистыми кварцитами и сланцами. По обе стороны от неё распространены более древние породы протерозоя и архея. Породы верхней свиты (K3) курской серии здесь встречены лишь в ядре синклинали зажатыми среди железистых кварцитов в виде небольших вытянутых участков. Полоса Салтыковской синклинали осложнена складками высоких порядков, её борта срезаны разломами и имеют крутые углы падения (75–85о), а восточное крыло опрокинуто на юго-запад.
На выходах железистых кварцитов развита КВ в пределах всей Салтыковской полосы (рис. 4.7) сразу под осадочным чехлом и имеет плащевидную морфологию мощностью от 2–3 до 55 м (рис. 4.8), образуя цепочку разобщённых между собой горизонтальных узких залежей, которые обычно вытянуты в юго-восточном направлении. В профиле выветривания выделяются три зоны: верхняя, средняя и нижняя.
Нижняя зона сложена оксиленными железистыми кварцитами. В ней большая часть минералов унаследована от материнских пород; сохраняются текстурные особенности материнских пород при частичном замещении магнетита мартитом, хлоритизации силикатов и маршаллитизации кварца.
Средняя зона окисления мощностью 1,0–16,0 м представлена мартитовыми, железнослюдково-мартитовыми и тонкодисперсно-гематит мартитовыми разновидностями пород. Повсеместно отмечено наличие примеси магнетита (0,1–12,0%). Кварц образует округло-изометричные зёрна (маршаллит). геологическая схема развития коры выветривания Салтыковского месторождения (по В.А. Полищуку и др., 1983). 1 – остаточная кора выветривания; 2 – тектоническое нарушение; 3 – магматическое тело; 4 – железистые кварциты; 5 – кварцито-песчаники; 6 – комплекс верхнеархейских образований; 7 – геологоразведочный профиль.
Верхняя зона полного выщелачивания кремнезёма представлена магнетито-мартитовыми и мартитовыми породами. Её мощность ограничена первыми десятками метров (до 27 м). Среди пород в подчинённых количествах встречены тонкодисперсно-гематит-мартитовые, тонкодисперсно-гематитовые и железнослюдково-мартитовые разновидности.
Сильносцементированные образования коры выветривания составляют почти 45% всего объёма железных руд месторождения. Рыхлые разновидности залегают в виде мелких разрозненных линз в основании коры или среди сильносцементированных. Наиболее распространёнными считаются мартитовые породы, в подчинённом количестве находятся железнослюдково-мартитовые и ещё реже тонкодисперсно-гематит-мартитовые.
Месторождения закарстованных кор выветривания
Западная залежь тонкодисперсно-гематит-мартитовых и мартит тонкодисперсно-гематитовых руд мощностью 170 м имеет протяжённость 16,3 км и ширину 200–430 м с расширением до 700 м на северо-западе. В разрезе отмечаются прослои сильновыветрелых межрудных сланцев мощностью до 8 м.
Центральная залежь железнослюдково-мартитовых и мартитовых руд мощностью 210 м прослежена на 20,5 км при ширине от 270 м (в северной части) до 870 м (в южной) развита на контакте гематитовых и магнетитовых железистых кварцитов. Весьма ограниченно распространены мартит-тонкодисперсно-гематитовые и тонкодисперсно-гематитовые БЖР мощностью до 20 м, которые приурочены к контакту железистых кварцитов со сланцами.
Восточная залежь мартитовых и железнослюдково-мартитовых руд мощностью 120 м простирается на 9,1 км с шириной 200–460 м. Она частично расщеплена сланцами яковлевской свиты шириной 170–230 м. На контактах БЖР с вмещающими их сланцами они сменяются тонкодисперсными разностями мощностью 3–12 м.
В профиле залежей выделяются четыре зоны: 1) верхняя – сильносцементированных карбонатизированных БЖР с мощностью до 13 м; 2) переходная – зона бертьеринизации мощностью 2-53 м, плавно переходящая в верхнюю; 3) выщелачивания – рыхлые и слабоуплотненные пористые БЖР; 4) нижняя – БЖР с маршаллитом мощностью до 5 м.
Мартитовые и железнослюдково-мартитовые БЖР развиты по магнетитовым кварцитам нижней железорудной (PR11kr1) и верхней железорудной подсвиты (PR11kr3) коробковской свиты, частично окисленных до железнослюдково-магнетитовых, а также нижней подсвиты яковлевской свиты оскольской серии (PR11ja1). Красноцветные мартит-тонкодисперсногематитовые и гётит-тонкодисперсногематитовые по силикатно-магнетитовым кварцитам нижней железорудной подсвиты (PR11kr1) и нижней подсвиты яковлевской свиты (PR11ja1).
Все БЖР имеют косую (субвертикальную) полосчатость, обусловленную различной размерностью рудных минералов, несколько повторяющую угол контакта материнских железистых пород с вмещающими их сланцами. По сланцам подошва КВ выполаживается и имеет незначительную по мощности (1,5– 15 м) плащеобразную морфологию.
Между Западной и Центральной залежами БЖР на пачке сланцев развиты маломощные бертьерин-бёмитовые бокситы, содержащие значительное количество каолинита [187].
В восточной части месторождения по двум скважинам (скв. 2765, 3124) установлен останцово-карстовый профиль в кварц-серицитовых сланцах яковлевской свиты оскольской серии (по данным В.И. Сиротина, 1977).
Таким образом, значительную мощность коры данного типа достигают на контактах двух перемежающихся разнородных по составу пород (пачек джеспилитов с пачками сланцев) или вдоль ослабленных зон (трещин скола), явившихся впоследствии при благоприятных условиях выветривания местом действия грунтовых вод и формированию внутри площадных кор выветривания линейных форм гипергенеза.
Михайловский рудный район
Контактово-площадная кора выветривания выделена на Михайловском месторождении. Михайловское месторождение является наиболее приподнятым участком района. Абсолютные поверхности железистых кварцитов превышают +170 м (максимально установленная абс. отм. +178 м). Они постепенно снижаются (70 м на 1 км) в направлении западного контакта и более быстро падают (170 м на 1 км) в сторону восточного контакта.
Михайловское месторождение
Породы курской метаморфической серии образуют здесь довольно простую, но значительных размеров Михайловско-Курбакинскую синклинальную складку третьего порядка (мощность в западном крыле 2–3 км), вытянутую в субмеридиональном направлении. Западное крыло складки сложено Жигаевско-Михайловской полосой железистых кварцитов, восточнее – Курбакинской. В ядре синклинали обнажаются породы верхней эффузивно-сланцевой свиты докембрия. К породам, лежащим в основании структуры, относятся биотитовые гнейсы и метабазиты. В восточном борту Михайловское месторождение пересекается двумя продольными разломами северо-западного и меридионального простирания взбросового и сбросового характера, один из которых рассекает юго-западный фланг месторождения. Южный участок месторождения разбит на блоки серией небольших поперечных разломов субширотного и северо-восточного простирания, образуя периклинальное замыкание Веретенинской складки.
В пределах месторождения зафиксирован ряд небольших поперечных и продольных разрывных нарушений крутого залегания, не выразивших смещения блоков, но с зонами интенсивной трещиноватости с глубоким (до 500 м) проникновением зоны окисления железистых кварцитов в виде узких участков.
Железистые кварциты, слагающие западное крыло синклинали, смяты в изоклинальные (антиклинальные и синклинальные) складки четвертого и более высоких порядков. Шарниры также вытягиваются в субмеридиональном направлении с погружением к северу.
Гипергенные залежи БЖР плащеобразно вытягиваются по простиранию пластов железистых кварцитов с юга на север. По морфологическим особенностям отнесены к площадному типу с незначительными элементами линейных форм в пределах Веретенинского участка. Перекрываются толщей осадочных пород девона или юры, которые залегают на них с резким угловым и эрозионным несогласием. Форма залежей БЖР преимущественно линзообразная с рудными языками в подошве коры выветривания, уходящими на глубины более 30 м (рис. 4.30).
Верхняя граница коры выветривания слабоволнистая и фиксируется на различных гипсометрических уровнях. Подошва тоже неровная, и в некоторых случаях зафиксированы «карманы» и «языки», которые заходят в зону слабоокисленных кварцитов на глубину до 70 м.
Морфологические разновидности гематита
Делювиальные отложения, сложенные БЖР, были сформированы на склонах палеоводоразделов в результате гравитационного смыва в период тектонических перестроек Воронежского кристаллического массива (ВКМ) (рис. 4.51). В пределах исследуемых рудных районов они встречаются не часто. Их морфология зависит от очертаний питающего источника и характера склона. Длина железорудного делювия достигает километра, ширина – до первых сотен метров, средняя мощность 15 м. По петрографическому составу отличается от подстилающих его коренных пород, обнаруживая связь с таковыми, выступающими на поверхность кровли докембрия выше по склону и расположенными на вершинах возвышенностей. Делювий имеет разнообразный состав (от глин и гематитовых песков до крупных брекчий), и характеризуются слабой сортированностью. Среди делювиальных отложений выделены два литологических типа: 1) глинистые гематитовые брекчии и 2)
Глинистые гематитовые брекчии верхних частей склонов Этот тип отложений встречается в верхних частях палеосклонов, слагая плащеобразные тела. Их длина достигает километра, ширина – до первых сотен метров, мощность 10 м. Породы, выполняющие данную фацию, имеют пёструю окраску. Различие цветовых гамм обусловлено обломочными частицами материнских пород (унаследованная) и степенью их выветрелости. Обычно характерны зеленоватые цвета с различной интенсивностью жёлтых оттенков; вблизи областей размыва выветрелых сланцев они более красноватые. Иногда наблюдается окраска, связанная с процессами сидеритизации, в виде осветления (вплоть до обеления). Контакты таких образований с породами других фаций довольно резкие и отчётливые. Текстура отложений своеобразна – беспорядочная и пятнистая за счёт включений из различных по генезису исходных пород. Иногда она нарушенная, осложнённая оползнями, неоднократным кратковременным перемывом и переотложением осадков. Цементирующая масса представлена тонкодисперсным глинистым материалом с примесью карбонатов.
Конгломератовидные брекчии БЖР на Стойленском месторождении распространены в виде мелких косых линз мощностью 4–7 м (реже 10 м) на кровле КВ железистых кварцитов и сланцев. В пределах Чернянского месторождения железорудные конгломераты образуют три залежи мощностью 0,6–10,0 м на КВ и частично на выветрелых сланцах.
Лимонитизированные гематитовые брекчии Переотложенные БЖР, сложенные лимонитизированными брекчиями, встречаются в виде лент, окаймляющих нижние части палеосклонов. Они имеют самые максимальные мощности среди осадочных образований БЖР в пределах КМА. На Яковлевском месторождении мощность их залежей достигает 30 м, а размеры обломков 13 см. Обломочная часть представлена мартитовыми и мартит-железнослюдковыми брекчиями, составляя в среднем не более 40% общего объёма. Глинисто-тонкодисперсно-гематитовый и лимонитовый цементы пёстрых окрасок (красновато-бурые и кирпично-красные) преимущественно базальный, контактовый и поровый, в разной степени подвергнутые карбонатизации или хлоритизации.
Отложения брекчированных БЖР в южной части Висловского месторождения достигают по мощности 12 м. В них встречаются роговиковые конгломераты и бокситовые прослои. Мартитовые обломки, иногда бокситовые и аллитовые, с округлыми ребрами, сцементированы шамозит-сидеритовым и ещё чаще сидерит-лимонитовым или гётит-тонкодисперсно-гематитовым материалом. Размеры обломков достигают 10 см. Цемент базальный, реже контактный.
На Тетеривино-Мелиховском месторождении железорудные брекчии имеют мощность 5–8 м, иногда достигающую 13 м, в среднем она равна 7 м. Пролювиальные отложения встречаются в палеоложбинах, слагая извилистые вытянутые тела конусов выноса, а в разрезе выполняя форму линзы (рис. 4.53). Длина обычно превышает километр, ширина – первые сотни метров, мощность может достигать 12 м. Они представлены обломками агрегатов гематита (брекчиями, щебнем, дресвой и гравием) с небольшими признаками окатанности на слабом тонкодисперсно-гематитовом или тонкодисперсно-гематитово-гётитовом цементе, реже глинистыми конгломератами. На некоторых участках пролювий сложен песчанистыми мелкими и крупными конгло-брекчиями.
Заболоченные пролювиальные отложения имеют несколько более широкий конус выноса и содержат значительное количество глинистого и органического материала. Мощность заболоченных конусов выноса достигает 50 м. Они отнесены к озёрно-болотным отложениям, сформированным во время кратковременных подъёмов уровней визейского моря. Рассматриваемые образования выполняли аккумулятивные пологие депрессии материалом ближнего сноса (рис. 4.54).