Основы учения о полезных ископаемых

Проектные задания по теме 13

Изучить материалы по рудоносным корам выветривания.

Вопросы для самоконтроля знаний:

1. Дать определение коры выветривания;

2. Что такое остаточная кора?

3. Чем отличается инфильтрационная кора?

4. Как образуются латеритные коры, и какие полезные ископаемые с ними связаны?

5. В каких условиях формируются глинистые коры выветривания, и какие полезные ископаемые с ними связаны?

6. Что такое «рудные шляпы» и как они образуются?

7. Какие полезные ископаемые накапливаются в зонах окисления металлических месторождений?

Лекция 14 (2 часа). Россыпные месторождения

Важнейшие характеристики. Генетические типы и предпосылки образования. Рудные формации россыпей.

Вопрос 1. Важнейшие характеристики россыпных месторождений. Месторождения россыпей возникают благодаря концентрации ценных компонентов среди обломочных отложений в процессе разрушения и переотложения вещества горных пород и ранее существовавших месторождений полезных ископаемых, претерпевших физическое и химическое выветривание. По различным классификациям россыпные месторождения выделяют в виде самостоятельной группы или включают в осадочную группу как механический класс.

По условиям образования среди россыпных месторождений выделяют элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные (или речные), литоральные (или прибрежные), гляциальные и эоловые.

Механизм формирования россыпей заключается: в сортировке обломочного материала (по крупности, плотности и форме частиц), в истирании и окатывании обломков, в дифференциации материала (по степени механической прочности и химической устойчивости) и в процессе транспортировки.

По времени образования россыпи могут быть современными и древними (ископаемыми), по условиям залегания они делятся на открытые и погребенные, по форме среди них различают плащеобразные, пластовые, линзовидные, лентовидные и гнездовые. Размеры россыпей колеблются в широких пределах. Косовые и русловые россыпи верховьев рек имеют протяженность до 10-15 км. Долинные россыпи протягиваются на сотни километров.

Россыпи концентрируют только те минералы, для которых характерны высокая плотность, химическая устойчивость в зоне окисления, физическая прочность. Это золото, платина, киноварь, колумбит, танталит, вольфрамит, касситерит, шеелит, монацит, магнетит, магнетит, ильменит, циркон, корунд, рутил, гранат, топаз, алмаз.

Ворос 2. Генетические типы россыпей. Элювиальные россыпи возникают на месте залегания коренных пород, контуры их примерно совпадают. Россыпи могут быть необогащенными, если представляют собой развалы вещества полезного ископаемого, и обогащенными, если «пустые» породы частично вымыты водами плоскостного стока.

Делювиальные россыпи формируются при сортировке обломочного материала в процессе его плоскостного смыва. Строение россыпи зависит от угла склона, мощности делювия, параметров обломков (формы, размеров, плотности), климатических, гидрогеологических и инженерно-геологических факторов. Длина россыпей достигает десятки - первые сотни метров. Максимальное содержание ценных минералов - в вершинах россыпей.

Пролювиальные россыпи редки. Они развиваются за счет смывания обломочного материала со склонов временными потоками. Обломки слабо окатаны и плохо сортированы с уменьшением их крупности на периферии конусов выноса.

Аллювиальные россыпи образуются за счет дифференциации и отложения перемещаемых донных осадков. Накопление материала происходит в них только в определенные моменты при оптимальном режиме перемещений аллювия по дну реки, которое зависит от соотношения скоростей течения реки в разных её частях и фракционного состава аллювия. Аллювиальные россыпи делятся по месту их расположения на косовые, русловые, долинные, террасовые и дельтовые. В поперечном разрезе россыпей различают плотик, пески (или пласт), торфа (песчано-глинистые осадки) и почвенный слой (отсутствует в русловых россыпях). Плотик бывает коренной, сложенный коренными породами дна речной долины, и ложный, подстилающий верхние залежи сложных россыпей, и представленный обычно глиной. Пески (пласт) состоят из валунно-галечных образований, содержащих в качестве связующего материала песчаную и глинистую фракции, и концентрирующих основную массу тяжелых минеральных частиц. Торфа представляют собой песчано-глинистые осадки, обедненные тяжелыми минералами. Граница между торфами и песками постепенная.

Аллювиальные россыпи могут размещаться в непосредственной близости от коренных источников. Они протягиваются вдоль реки на различное расстояние - в зависимости от гидрогеологического режима, богатства коренного источника, глубины его эрозионного среза и поведения сростков зерен ценного минерала в речном потоке. Распределение минералов в россыпи обычно неравномерное - линзами, струями и др.

Прибрежные россыпи формируются под влиянием приливов и отливов, волн и береговых течений. Абразионные и аккумулятивные берега неблагоприятны для образования прибрежных россыпей. Оптимальные условия - у стабильных по степени развития профиля равновесия берегов, вдоль которых происходит непрерывное возвратно-поступательное перемещение обломочных масс, их измельчение, сортировка и переотложение. Прибрежные россыпи локализуются в пляжной зоне, при этом тяжелые минералы накапливаются в верхней части отложений, подверженных постоянному перемыву морскими волнами. Прибрежные морские и океанические россыпи располагаются узкой полосой между линиями прилива и отлива или в зоне прибоя в закрытых бассейнах. Для них характерны хорошо отсортированные равномернозернистые скопления ценных минералов с высоким их содержанием. Протяженность россыпей значительна, а мощность не превышает 1 м. Обычно такие россыпи залегают в самой верхней части песчаных отложений или перекрыты маломощным (до 1 м) слоем песка.

Рудные формации россыпей. Россыпные месторождения являются важным источником ряда полезных ископаемых. Они дают около половины мировой добычи алмазов, титана, вольфрама и олова, 10-20% добычи золота и платины. Немалое значение имеют россыпи в добыче тантала, ниобия, монацита, магнетита, граната, горного хрусталя. Выделяют следующие типы россыпных метрождений.

Золотоносные (аллювиальные) - в России это долины рек Алдана, Колыма, Бодайбо (Восточная Сибирь) а также Австралия (Калгурли), США (Аляска, Калифорния), Бразилия, Южная Африка.

Платиноносные (элювиальные и аллювиальные) - Россия (Урал, Кондерское месторождение на южном Алдане), Заир, Зимбабве, Эфиопия, США (Аляска), Колумбия.

Алмазоносные (все генетические типы россыпей) - Якутия, Урал, Индия, ЮАР, Намибия, Ангола, Танзания, Заир, Австралия, Венесуэла.

Касситерит-вольфрамитовые (делювиальные и аллювиальные) - Северо-восток России (Иультин, Пыркакай), Якутия (Депутатское), Забайкаль (Шерловогорское), Казахстан (Богуты), Китай, Индонезия, Бирма, Конго, Австралия, США (Атолия в Калифорнии), Бразилия.

Монацитовые и цирконовые (литоральные) - Индия, Шри-Ланка, Австралия, Бразилия.

Колумбит-танталовые - Россия, Конго, Заир, Бразилия.

Магнетит-ильменитовые (литоральные) - Западная и Восточная Сибирь, Средняя Азия, Индия, Австралия, США, Бразилия.

Проектные задания студентам по самостоятельной работе по теме 14

Изучить генетические особенности россыпей.

Вопросы для самоконтроля знаний:

1. Что такое россыпь?

2. Какие ценные минералы накапливаются в россыпях?

3. Какие свойства минералов являются определяющими для накопления в россыпях?

4. Как формируются элювиальные россыпи, делювиальные и пролювиальные россыпи?

5. На какие подклассы разделяются аллювиальные россыпи?

6. Как распределяются ценные минералы в россыпях?

7. Что такое плотик?

8. Как переносится и откладывается материал в аллювиальных россыпях?

9. Какие геоморфологические, тектонические, структурные, литологические и др. признаки являются благоприятными для локализации аллювиальной россыпи?

10. Что такое литоральная россыпь, и какие особенности она имеет (типичные минералы, степень окатанности обломочного материала, протяженность, форма россыпей)?

Лекции 15, 16 (4 часа). Осадочные месторождения

Общая характеристика осадочных месторождений, классификация. Механогенные месторождения. Хемогенные месторождения. Седиментационно-диагенетические концентрации металлов в черных сланцах.

Биохимические месторождения, общая характеристика. Генетические особенности месторождений фосфоритов. Осадочные месторождения горючих полезных ископаемых Месторождения карбонатных и кремнистых пород.

Вопрос 1. Общая характеристика осадочных месторождений, классификация. Осадочные месторождения возникают в процессе осадконакопления на дне водоёмов. По месту образования они различаются на речные, болотные, озерные и морские. Процесс формирования осадочных толщ и связанных с ними полезных ископаемых протекает в три стадии - седиментогенез, диагенез и катагенез.

Тела полезных ископаемых осадочных месторождений имеют сингенетичный характер, залегают согласно с вмещающими породами, так как сами первоначально представляют собой осадки. Они обычно занимают строго определенную стратиграфическую позицию и имеют форму пластов, плоских линз. Но вследствие последующих деформаций могут приобретать более сложные очертания.

Среди осадочных месторождений известны современные, но более распространены древние полезные ископаемые, которые формировались во все периоды геологической истории от докембрия до кайнозоя. Размеры осадочных образований, особенно морских, как правило, большие. Отдельные пласты могут протягиваться на десятки километров и более. Мощность различна - от 0,5 м для угольных пластов Донбасса до 500 м (соли Соликамска).

Осадочные месторождения имеют огромное промышленное значение, так как к ним относятся крупнейшие месторождения строительных материалов, солей, фосфоритов, карбонатного сырья, руд железа, марганца алюминия, цветных, радиоактивных, редких и благородных металлов (меди, урана, ванадия, серебра и др.). К ним принадлежат все месторождения горючих ископаемых - угля, нефти, газа.

Группа осадочных месторождений разделяется на четыре класса:механических, химических, биохимических и вулканогенных образований. Вулканогенно-осадочные образования были рассмотрены ранее на примере колчеданных месторождений.

Вопрос 2. Механогенные месторождения. Механогенные месторождения представлены месторождениями гравия, песка, глины.

Среди гравийных месторождений различаются образования временных горных потоков и конусов выноса, отложения рек, отложения ледников, прибрежные морские и озерные.

Месторождения песка подразделяются по условиям образования на элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, флювиогляциальные, озерные, морские и океанические, эоловые. Наибольшее промышленное значение имеют аллювиальные, морские и озерные пески.

Месторождения глин по условиям образования различаются на месторождения кор выветривания, делювиальные, аллювиальные, озерные, морские, ледниковые, лессовые. Главные глинообразующие минералы: каолинит, галлуазит, монтмориллонит, пирофиллит, аллофан и гидрослюды. Наиболее распространены четвертичные и третичные глины, но известны мезозойские и палеозойские месторождения.

Вопрос 3. Хемогенные месторождения. Хемогенные месторождения включают месторождения солей и рассолов, образованные из истинных растворов, месторождения железа, марганца, алюминия, образованные из коллоидных растворов. Рудные формации хемогенных осадочных месторождений (гипс-ангидрит-галитовая, галит-карналлитовая с солями магния, содовая, рассолы с бором, йодом, бромом, щелочными и щелочноземельными металлами, бурых железняков, псиломелан-пиролюзитовая с родохрозитом, железомарганцевых конкреций, бокситовая, хемогенных известняков и доломитов).

Месторождения солей - галогенные или эвапоритовые состоят из хлоридов и сульфатов натрия, калия, магния и кальция с примесью бромидов, йодидов, боратов. По условиям образования выделяются:

1) Природные рассолы современных соляных бассейнов,

2) Соляные подземные воды,

3) Ископаемые или древние залежи солей.

Большинство геологов полагают, что ископаемые соляные месторождения формировались в обстановках аридного климата в процессе испарения относительно изолированных лагун и палеоморей. Примером являются крупные соляные месторождения в Предуралье, в Донбассе, Прикаспии.

Осадочные месторождения железа, марганца, алюминия формируются из суспензий и коллоидных растворов на дне рек, озер, морских водоемов в сходных геологических условиях. Источником материала для их формирования являются продукты континентальной коры выветривания или подводные эксгаляции вулканогенного происхождения. Отложение соединений всех трех металлов происходит в прибрежной зоне озер, морей, главным образом под воздействием электролитов, растворенных в водах этих водоемов, каогулирующих коллоиды металлических соединений и переводящих их в осадок. В ходе дифференциации соединений металлов с разной геохимической подвижностью вначале, ближе к берегу накапливаются бокситы, в верхней части шельфа - железные руды, а еще дальше, в нижней части шельфа - марганцевые руды. Дифференциация минеральной массы происходит в пределах области формирования отдельных месторождений. Это проявляется в изменении минерального состава руд по направлению от берега в глубь водоёма. Например, для железных руд в этом направлении намечается переход от оксидов (гематит, гётит, гидрогётит) к карбонатам (сидерит) и затем к силикатам железа (хлорит типа шамозита и тюрингита).

Примером являются Керченское месторождение железа (Украина), Никопольское (Украина) и Чиатурское (Грузия) месторождения марганца, месторождения бокситов Северо-Уральского бокситоносного района (СУБР), Тихвинского района, месторождения марганца и железа на дне современных океанов (железо-марганцевые конкреции).

Вопрос 4. Седиментационно-диагенетические концентрации металлов в черных сланцах. В настоящее время большая группа промышленно важных металлов обнаруживается в так называемых черных сланцах. Формирование таких рудных скоплений связывается с различными и часто комплексными процессами, среди которых реальную роль играет их осадочное образование.

Черные сланцы битуминозной формации часто содержат рассеянную вкрапленность сульфидов железа, меди, молибдена, оксидов урана и ванадия, иногда достигающую промышленной концентрации. Кроме того, в их состав входят никель, хром, титан, кобальт, цинк, свинец, серебро, золото, цирконий, лантан, скандий, бериллий, торий и другие элементы.

Ураноносные углеродсодержащие черные сланцы известны среди осадков различного возраста от протерозойских до альпийских. Первичная концентрация урана в них низкая и составляет тысячные, - сотые доли процента. Однако огромные массы таких сланцев нередко сосредотачивают грандиозные запасы урана. Уран в них находится в формах уран-органических комплексов, сорбированных ионов и изоморфного замещения кальция в коллофане. Пример - формация Чаттануга в США (запасы урана 5 млн. т при содержании урана в 0,066%).

Примером месторождения меди служит Мансфельд в Германии. Пласт битуминозных мергелистых сланцев мощностью 20-40 см прослеживается на расстояние нескольких километров и в нем рассеяны борнит, сфалерит, халькопирит, реже пирит, галенит, блеклая руда, самородное серебро. Руда содержит также повышенные количества молибдена, ванадия, никеля, платину, палладий, рений. В образовании таких руд также большую роль играют биохимические процессы. Руда рассматривается как продукт взаимодействия морской воды, содержащей металлы с десульфурирующими бактериями сапропелевого ила на дне моря.

Концентрация металлов, первично рассеянных в черных сланцах, существенно возрастает в результате их диагенетических преобразований. Подобные образования частично имеют биохимический генезис, так как в этих осаждении большую роль играло органическое вещество.

Первичное рассеянное накопление металлов в черных сланцах характерно и для золоторудных месторождений, которых часто называют «черносланцевыми». Однако формирование месторождений из рассеянного осадочного золота происходит только после катагенетических, метаморфических или гидротермальных преобразований золотоносных толщ, когда происходит мобилизация рудных компонентов и их вторичная концентрация в благоприятных физических и химических условиях.

Литература к вопросам 1-4: [1], с. 209-211, 239-277; [2] с. 230-247; [3], с 186-195

Вопрос 5. Биохимические месторождения, общая характеристика. Образование биохимических осадков, включающих полезные ископаемые, обусловлено способностью некоторых животных и растительных организмов концентрировать при жизнедеятельности большие количества тех или иных химических элементов. В некоторых морских организмах содержания определенных элементов во много раз превышает кларковое. Например, фтора, бора, калия, серы в организмах может быть выше кларковой в десятки раз, брома, стронция, железа, мышьяка, серебра - в сотни раз, кремния, и фосфора - в тысячи раз, а цинка и марганца - в сотни тысяч раз. Кроме того организмы накапливают редкие и рассеянные элементы. Например, в золе углей, по сравнению с литосферой, содержание германия выше в 70-120 раз, бериллия в 30-150 раз, кобальта в 30 раз, скандия в 10-20 раз, молибдена в 13 раз.

Биохимическое осадочное происхождение имеют месторождения известняков, доломитов, мергелей, диатомитов, фосфоритов, урана, ванадия, серы, а также твердых, жидких и газообразных каустобиолитов.

Главными типами биохимических осадочных месторождений являются фосфоритовый, горючих полезных ископаемых, карбонатных и кремнистых пород.

Вопрос 6. Генетические особенности месторождений фосфоритов.

Среди фосфоритов выделяются морские и континентальные. Это типичные биохимические образования. Морские фосфоритовые залежи имеют пластовую форму и обычно большую протяженность. Например, на месторождениях Каратау в Западном Казахстане зона распространения фосфоритовых пластов вытянута на 100 км при ширине 40-50 км содержит от одного до семи пластов.

Источником фосфора для фосфоритовых месторождений служит сравнительно легко растворимый апатит магматических пород. Фосфор, сносимый в морские водоемы, усваивается животными и растительными организмами. По мнению некоторых геологов, основным источником фосфора, растворенного в морской воде, является фосфор, привносимый подводными вулканическими эксгаляциями.

Отложение фосфатных соединений может осуществляться двумя способами - биологическим и биохимическим. В первом случае в результате отмирания морских организмов и скопления их на дне моря сначала происходит разложение органического вещества с образованием углекислого аммония и фосфорнокислого кальция. Затем взаимодействие этих соединений приводит к выделению фосфорнокислого аммония. Далее фосфорнокислый аммоний реагирует с известковистыми раковинами, образуя фосфорит. Данная схема приложима в основном для платформенных фосфоритов, примером которых являются Вятско-Камские месторождения, Егоревское месторождение в Подмосковье.

Более сложным биохимическим путем накапливается фосфор в области шельфа платформенных морей и океанов. Фосфоритовое месторождение может образоваться при наличии глубинного течения, направленного из глубокой части к берегу водоема. Когда глубинные холодные воды, насыщенные CO₂ и P₂О₅, подводятся глубоководными течениями в область материкового шельфа, уменьшается парциальное давление CO₂. Этому способствует уменьшение гидростатического давления, нагрев восходящих вод, диффузия избытка CO₂ в обедненные углекислотой поверхностные зоны фитопланктона, а также возможное добавочное растворение этими восходящими «агрессивными» водами известковых осадков. Вследствие уменьшения парциального давления CO₂ в этих восходящих слоях морской воды система ранее установившегося равновесия нарушается, и воды становятся перенасыщенными по отношению к СаСО₃ и 3Сa₃(PO₄)₂CaF₂². Так возникают условия для химической садки кальцита и фосфорита, их концентрации на склоне шельфа. Пример - месторождения Каратау (Казахстан), Фосфория в США.

Такую модель предложил А.Казаков (1950). В настоящее время существуют и другие гипотезы образования фосфоритов. Их рассмотрение будет необходимо, если придется непосредственно работать на фосфоритовых объектах или проводить специальные научные исследования.

Вопрос 7. Осадочные месторождения горючих полезных ископаемых. К ним относятся, прежде всего, месторождения сапропеля, торфа, угля, горючих сланцев).

Месторождения углей представляют самотоятельный раздел учения о м инеральном сырье, который рассматривается в специальном курсе. Мы рассморим лишь основные генетические особенности углей, которые принадлежат к фитогенным образованиям, связанным с жизнедеятельностью древних растений. В хлорофильных зернах этих растений под влиянием световой энергии происходил синтез первичного органического вещества из углекислого газа и воды. При неполном разложении отмерших растений происходило постепенное накопление органической массы - исходного материала для образования углей.

Захоронение органической массы под перекрывающими осадками, диагенез, катагенез и последующий метаморфизм приводили к её углефикации и образованию ископаемых углей. При этом происходило уплотнение, обезвоживание, цементация и полимеризация исходного рыхлого и влажного осадка. Вследствие этого исходная растительная масса сапропеля и торфа претерпевала следующий ряд постепенного и необратимого изменения: бурый уголь, каменный уголь, антрацит, шунгит и графит.

Вопрос 8. Месторождения карбонатных и кремнистых пород. К карбонатным породам, используемым в качестве полезных ископаемых, относятся известняки, доломиты и мергели. Наиболее типичной органогенной породой является мел, состоящий из кальцитовых остатков морских планктонных водорослей - кокколитофорид. Особенности образования карбонатных пород детально рассматриваются в курсе «Литология».

Кремнистые породы. Источником кремния является кремнезем, находящийся в морской воде, который усваивается различными организмами. Среди кремнистых пород, представляющих интерес как полезные ископаемые различают диатомиты, трепелы, опоки.

Диатомит - тонкозернистая пористая порода, состоящая главным образом из мельчайших панцирей диатомовых водорослей, накопившихся вследствие их массовой гибели.

Трепел - также тонкозернистая порода, состоящая из мельчайших округлых телец опала, и халцедона с остатками радиолярий, спикул губок и фораминифер.

Опоки - более плотные кремнистые породы, состоящие их аморфной массы кремнезема в смеси со скелетами диатомей, радиолярий и губок; они рассматриваются как частично преобразованные диатомиты и трепела. В докембрии и раннем палеозое преобладали хемогенные кремнистые осадки, затем они все более и более вытеснялись биогенными осадками, питательной средой которых является как кремнезем, привносимый поверхностными водами в моря, океаны, так и кремнезем подводных вулканических эксгаляций.

Литература к вопросам 5-8: 1], с. 278-310; [2] с. 247-261

Проектные задания студентам по самостоятельной работе по темам 15, 16.

Изучить теорию седиментационно-диагенетического образования месторождений.

Вопросы для самоконтроля знаний:

1. В результате каких процессов происходит отложение осадков и связанных с ними компонентов полезных ископаемых?

2. Что такое механическое осаждение, и какие полезные ископаемые с ним связаны?

3. Как происходит физико-химическое осаждение (из коллоидных растворов)?

4. Для каких соединений характерно химическое осаждение?

5. Что такое биологическое и биохимическое образование осадков?

6. Какое влияние оказывает органическое вещество на образование осадочных полезных ископаемых?

7. В чем проявляются диагенетические изменения осадков?

8. Какие факторы являются решающими в формировании седиментационно-диагенетических месторождений осадочных бассейнов?

9. Привести примеры механических, химических, биохимических осадочных полезных ископаемых.

Лекция 17 - проблемная (2 часа). Эпигенетические и осадочно-катагенетические месторождения: современные генетические гипотезы

Дискуссионная природа эпигенетических месторождений. Основные термины и понятия. Общая характеристика осадочно-катагенетических месторождений. Схема формирования газоводных флюидов в элизионных бассейнах и рудогенез. Примеры месторождений.

Вопрос 1. Дискуссионная природа месторождений. Эпигенетические и осадочно-катагенетические месторождения относятся к объектам, генетическая природа которых дискуссионная. В литературе их называют анагенными (амагматогенными гидротермальными или телетермальными) стратиформными, элизионными, гидрогенно-эксфильтрационными, экзогенно-гидротермальными. К данному классу относятся месторождения нефти, газов, подземных вод, полиметаллов, целестина, меди, урана, ванадия, стронция, рения, селена, скандия, редких земель, серы, барита, магнезита, сидерита и других полезных ископаемых. Многие из этих месторождений рассматривались до недавнего времени как осадочные образования, а некоторые из них как гидротермальные амагматогенные. Исследованиями последних десятилетий установлено, что данные месторождения необходимо выделить в особую группу полезных ископаемых - эпигенетических и осадочно-катагенетических, сформированных потоками поверхностных грунтовых и артезианских подземных вод и углеводородных флюидов и низкотемпературными гидротермальными растворами различного происхождения с преобладающим использованием собственных ресурсов осадочно-породного бассейна.

В связи с тем, что в общедоступной учебной литературе (Смирнов В.И. «Геология полезных ископаемых», 1989. Смирнов В.И. и др. «Курс рудных месторождений», 1981; Яковлев П.Д. «Промышленные типы рудных месторождений», 1986; Вольфсон Ф.И., Дружинин А.В. «Главнейшие типы рудных месторождений», 1986; Вольфсон Ф.И., Некрасов Е.М. «Основы образования рудных месторождений», 1986) практически не освещаются вопросы генезиса осадочно-катагенетических месторождений, возникла необходимость обсудить данную проблему в специальной лекции с привлечением новых научных данных ведущих ученых в области литологии, нефтяной и газовой геологии, геотектоники и геологии рудных месторождений (В.Н.Холодова, В.Е.Хаина, Б.А.Соколова, П.П.Тимофеева, А.Г.Коссовской, Н.В.Логвиненко, Н.Б.Вассоевича, Л.В.Анфимова, О.В.Япаскурта, В.И.Старостина и многих других), а также собственных исследований автора. Основная используемая литература приводится в конце лекции.

Необходимость прочтения данной проблемной лекции также связана с тем, что в связи с появлением в 80-90 г.г. новых аспектов в теории литогенеза и катагенетического рудогенеза, во многих регионах нашей страны были открыты и переоценены многие месторождения и рудопроявления как рудного, так и нерудного сырья. В особенности это касается постановки поисковых и оценочных работ на золото в терригенных и карбонатно-терригенных комплексах с целью открытия большеобъемных промышленных объектов. Такие работы проводятся в местах прохождения производственных практик студентов Ростовского госуниверситета. Предлагаемая лекция предназначена для студентов 3 курса специальности «Геология» в рамках дисциплины «Геология полезных ископаемых», однако она также будет полезна студентам всех геологических специальностей и аспирантам, занимающимся вопросами рудогенеза в осадочных формациях.

Вопрос 2. Основные термины и понятия. Геологическая история каждого осадочного образования включает ряд последовательных стадий: зарождения рыхлого осадка, затем его литификации («окаменения»), то есть превращения в породу, и более или менее длительного (вплоть до первых миллиардов лет) бытия последней внутри земных недр. Находясь там, перемещаясь тектоническими движениями на разные глубины и подвергаясь при этом воздействиям различных температур, давлений и газово-жидких флюидов, осадочная порода претерпевает постседиментационные преобразования, или «вторичные изменения».

Термины, определяющие различные стадии литификации осадков, по-разному трактуются геологами (Н.М.Страховым, Н.Б.Вассоевичем, Н.В.Логвиненко, А.Г.Коссовской, П.П.Тимофеевым, В.Н.Холодовым и др.). Мы рассмотрим лишь наиболее общепринятые трактовки этих понятий.

Так, Н.Б.Вассоевич, объединяя мнение большинства литологов, предлагал называть литогенезом совокупность процессов образования осадков (седиментогенез), превращения осадков в осадочные горные породы (диагенез) и последующего изменения осадочных пород до превращения их в метаморфические породы (катагенез), а также процессов гипергенеза.

По Н.М.Страхову диагенез понимается как стадия биохимического и физико-химического уравновешивания компонентов осадка, представляющего собой, как правило, обводненную и неравновесную систему, в той или иной мере насыщенную органическим веществом - живым (бактерии, грибки и др.) и мертвым. Нижняя граница диагенеза определяется разными исследователями по-разному. Большинство отечественных геологов принимают её на малых глубинах под поверхностью накапливающихся осадков: в пределах единичным метров либо десятков метров, максимально 150-300 м, по Н.М.Страхову, а в осадках океанических глубин по новейшим данным А.Г.Коссовской и др. вплоть до многих сотен метров. Одним из признаков завершения диагенеза служит исчезновение живого органического вещества.

По завершении диагенеза (в том случае, если сформированная за счет осадка порода не была поднята в зону гипергенеза, а продолжала своё погружение вглубь стратисферы) начинается следующая стадия литогенеза, которая у исследователей именуется двояко. Первое и наиболее ёмкое определение ей дал А.Е.Ферсман в 1922 году, назвавший катагенезом всю совокупность преобразований осадочной породы после того, как она оказалась отделенной от водного бассейна новым слоем осадка и вплоть до момента, когда эта порода снова становилась земной поверхностью на границе с атмосферой, исключая отсюда только метаморфические изменения, обусловленные воздействием на породу особо высоких температур и давлений. Также представлял эту стадию Л.В.Пустовалов, назвавший её иначе - эпигенезом. Последний термин укоренился в трудах многих отечественных геологов (А.Г.Коссовкой, А.В.Копелиовича, Г.Ф.Крашенинникова, Л.Б.Рухина, Т.М.Сиановича и др.). Однако он со временем стал вытесняться термином «катагенез», употребляемым ныне значительно чаще (Н.Б.Вассоевичем, Н.В.Логвиненко, Б.А.Соколовым, В.Н.Холодовым, О.В.Япаскуртом и др.). Оба термина трактуются сейчас большинством исследователей практически с одинаковым смысловым содержанием. Но дискуссионными остаются границы, стадийность, диагностические признаки данной стадии преобразования осадков.

Усиленный интерес литологов к катагенетическим преобразованиям привел к необходимости широких комплексных исследований крупных природных объектов. В результате возникло представление об осадочно-породных бассейнах как о целостных автономных системах, в которых благодаря преобладанию нисходящих тектонических движений осадочные и осадочно-вулканогенные толщи проходят все стадии постседиментационных измегнений от диагенеза и катагенеза до метаморфизма. Внутри такой породной системы, которая часто пространственно совпадает с тектоническими впадинами или депрессиями, реализуются все процессы формирования нефтяных и газовых месторождений, различных рудных скоплений. В гидрогеологии осадочно-породные бассейны иногда называют артезианскими.

В соответствии с представлениями ряда ведущих гидрогеологов - Д.С.Соколова, А.А.Карцева, И.К.Зайцева т др. - среди осадочно-породных бассейнов континентального блока можно выделить три группы: элизионные, инфильтрационные, смешанные.

Для элизионных бассейнов типично резкое и длительное преобладание нисходящих отрицательных движений, в результате которых во впадинах накопились мощные (до 10 км) осадочные толщи. Положительные движения были кратковременны и начались в поздние геологические эпохи. Как следствие такого развития в центральных частях депрессии каждый последующий пласт перекрывает предыдущий, а в целом песчано-глинистая толща становится источником газоводных флюидов, в ней глины уподобляются пористой резине, насыщенной морской водой, рассеянным органическим веществом (РОВ) и разнообразными газами. По мере погружения они сжимаются и отдают газоводные растворы в жесткие пласты-коллекторы и дренирующие зоны разломов. Как следствие в подобных регионах элизионный этап резко преобладает над инфильтрационным, а отжимающиеся седиментационные флюиды обычно мигрируют в них от центра к периферии. Этому способствуют высокие геотермические градиенты, обеспечивающие температуру до 100С на сравнительно небольшой (2-3 км) глубине. Здесь очень часто возникают аномально высокие пластовые давления, которые в глубоких частях бассейнов, в зоне затрудненного водообмена, сохраняются на протяжении длительного геологического времени.

Для инфильтрационных бассейнов характерны относительно небольшие (2-3 км) мощности осадочного чехла, что обусловлено слабой тектонической активностью региона и замедленными нисходящими движениями. Благодаря тому, что в периферической части осадочный чехол такой «тектонической чаши» оказывается вскрытым эрозией, в наиболее проницаемые пласты-коллекторы с дневной поверхности поступают вадозные воды, которые по закону гидростатического напора мигрируют по ним в направлении от областей питания к областям разгрузки.

Смешанные артезианские бассейны занимают промежуточное положение. Часто отмечается преобладание элизионных процессов на ранних этапах погружения и инфильтрационных на поздних этапах, после поднятия и частичной денудации водоносных пород на периферии бассейна.

По данным В.Н.Холодова двум первым типам осадочно-породных бассейнов соответствуют два типа катагенеза на континентальном блоке.

Первый тип - элизионный катагенез - характеризуется перераспределением газоводных флюидов, отжимающихся из глин в песчаники или тектонические трещины. Это в свою очередь вызывает реакции, идущие на границе двух разных геохимических сред, где нередко формируются самые разнообразные аутигенные минералы, в том числе и промышленно важные. Второй тип - инфильтрационный катагенез - отличается тем, что в этом процессе пласты коллекторы (песчаники и карбонатные породы) становятся главной ареной разнообразных химических реакций; разделяющие их глины слабее отражают изменения, которые возникают в коллекторах под воздействием пластовых вод.

Вопрос 3. Общая характеристика осадочно-катагенетических месторождений. В осадочных формациях заключено большое количество стратифицированных полезных ископаемых, генезис которых невозможно объяснить только осадочной моделью. Помимо пластообразной формы рудных тел, приуроченности полезной минерализации к определенным литолого-стратиграфическим горизонтам, отсутствия (или несущественного развития) рудогенерирующих магматических комплексов, локализации оруденения в слабодислоцированных породах осадочного чехла, данные месторождения имеют признаки вторичного минералообразования, поэтому их часто называют эпигенетическими. Наличие рудной вкрапленности и прожилков, метасоматические структуры руд, повышенные температуры минералов (до 100-250С), нехарактерные для осадочного минералообразования, тупое выклинивание рудных тел в пределах осадочных слоев - свидетельствуют об участии относительно горячих растворов в процессе рудогенеза. Изотопный состав ряда минералообразующих элементов указывает в большинстве случаев на их осадочную природу, но частично и эндогенную. Не всегда удается четко разграничить инфильтрационные, диагенные, катагенные, низкотемпературные гидротермальные процессы с участием эндогенных флюидов по имеющимся спорным диагностическим признакам. И все же эти месторождения имеют много общего для выделения их в особый класс - осадочно-катагенетический , в который можно включать или особо выделять инфильтрационные образования.

Среди рудных формаций и типов месторождений, относящихся к рассматриваемому генетическому классу, включая инфильтрационные, выделяют (по В.И.Старостину, П.А.Игнатову,1997):

1) стратиформные полиметаллические в карбонатных породах; 2) медистые песчаники в терригенных красноцветных формациях, 3) медистые песчаники палеорусел пестроцветных толщ; 4) урановые и битумно-урановые в палеорусловых песчаниках пестроцветных толщ; 5) урановые и ванадий-урановые в зонах окисления черносланцевых комплексов; 6) ванадий-урановые в калькретах; 7) металлоносные угли и торфяники; 8) редкометально-урановые в зонах выклинивания внутрипластового оруденения; 9) битумно-урановые в карбонатных и терригенных породах; 10) битумно-ванадиевые в терригенных толщах; 11) стратиформные целестиновые и баритовые в гипс-карбонатных породах; 12) самородной серы в гипс-карбонатных породах; 13) ийдобромные и металлоносные рассолы.

При участии катагенных флюидов образуются месторождения золота в углеродистых терригенных и карбонатно-терригенных формациях. Смешанным элизионным и инфильтрационным процессами объясняется генезис ряда месторождений сидеритов и бурых известняков, магнезитов, фосфоритов.

Во многих осадочно-породных бассейнах имеется пространственная связь стратиформных рудных месторождений со скоплениями углеводородного сырья. Стратиформные рудные месторождения располагаются в краевых частях нефтегазовых бассейнов или в примыкающих к ним депрессиям.

Вопрос 4. Схема формирования газоводных флюидов в элизионных бассейнах и рудогенез. Одной из выдающихся работ, показавшей механизм формирования катагенных флюидов и основанной на огромном фактическом материале, явилась монография В.Н.Холодова «Постседиментационные преобразования в элизионных бассейнах» (1983).

Главное геохимическое отличие элизионных и инфильтрационных осадочно-породных бассейнов заключается в том, что в первых на протяжении значительного времени активной силой, определяющей состав газов и вод, являются глинистые толщи. Именно в них по мере погружения на разные глубины осуществляются физико-химические преобразования, формирующие накопление газоводных флюидов, которые затем отжимаются из этих пластичных пород и попадают в жесткие и более ёмкие пласты песчаников-коллекторов.

Такое перераспределение газов и вод не проходит бесследно и, с одной стороны, сопровождается различными реакциями минералообразования на границе глина-песчаник, а с другой - способствует изменению состава флюидов, заключенных в песчаном коллекторе, определяет возможность формирования в нем новых по составу пластовых вод, залежей нефти, катагенетических минералов и текстур. При этом песчаники играют относительно пассивную роль. Они принимают отжимающиеся из глин флюиды, а формирующиеся в них жидкие и газовые фазы являются лишь геохимическим отражением вертикальной катагенетической зональности в глинах.

Наоборот, в инфильтрационных системах наиболее активная геохимическая жизнь сосредоточивается именно в относительно проницаемых пластах-коллекторах. Сюда внедряются вследствие подъема смежных площадей вадозные поверхностные воды, здесь в результате взаимодействия инфильтрационных вод и вмещающих пород осуществляются сложные геохимические преобразования твердой и жидкой фаз, здесь формируется эпигенетическая зональность отложений, преобразуются скопления нефти и газов, создаются и исчезают разнообразные рудные скопления. Глины в области активных геохимических процессов приповерхностной зоны являются более пассивными и как бы меняются ролями с более проницаемыми песчаниками и карбонатными породами.

В целом последовательность формирования термальных газоводных растворов в элизионных системах осадочно-породных бассейнов можно представить в следующем виде.

В зоне диагенеза и в верхней зоне катагенеза, от поверхности осадка на дне палеоводоёма и до глубины 2 км, в составе газовой фазы будут повсеместно преобладать СО₂ и Н₂S, возможно присутствие газообразных углеводородов. В илах оба газа имеют биохимическое происхождение, но ниже все большую роль начинают играть абиогенные СО₂ и Н₂ S, причем к нижней границе зоны в районах, где глинистая покрышка недостаточно проницаема, доминирует СО₂, возникшая за счет рассеянных карбонатов. В жидкой фазе отжимаются Н₂О и битумоиды. Термобарические параметры, в которых формируются газоводные растворы этой зоны, достигают 100-120С и 420-500 атм. В породах-коллекторах, а также зонах повышенной трещиноватости из растворов осаждаются сульфиды и карбонаты.

При большем погружении нефтематеринских толщ на глубины от 2 до 4 км, ведущим процессом становится отторжение из РОВ жидкой нефти, растворенных в воде углеводородов, газообразных углеводородов. Область, в которой реализуются процессы формирования битумно-нефтяных скоплений, ограничивают температуры от 120 до 200С и давлении от 500 до 1000 атм. Главным геохимическим процессом является эмиграция углеводородов в пласты-коллекторы и разломы и формирование в них залежей нефти и газа.

На глубинах от 4 до 5 км протекают процессы гидрослюдизации глин и дегидратации. Примерно в этом же интервале из РОВ формируются газообразные углеводороды, а также СО₂ и Н₂S. Эта стадия осуществляется при температурах 200-250С и давлениях 1000-1200 атм.

Наконец, на глубинах 5-7 км пласты сильно преобразованных и измененных глин вновь становятся поставщиками СО₂, Н₂S, SiО₂ , отчасти газообразных углеводородов.

Приведенная выше зональность генерации газоводных растворов в осадочно-породных бассейнах элизионной группы не имеет четкой глубинной привязки; мощность различных зон находится в тесной связи с термической характеристикой конкретных регионов и плотностью пород, слагающих их разрезы. Интенсивность тех или иных преобразований, а иногда и их глубина зависят также от проницаемости глинистых покрышек, от первичного литолого-фациального состава осадочных пород. Так, формирование преимущественно монтмориллонитовых глин на катагенетической стадии порообразования будет стимулировать интенсивные процессы дегидратации; присутствие в разрезе глин, содержащих рассеянные карбонаты или сульфиды, будет способствовать интенсивному развитию углекисло-сероводородных явлений. Генерации разнообразных газов способствует преобразования органического вещества. Если в разрезах присутствуют горючие сланцы и породы, обогащенные седиментогенным органическим веществом в количестве С_орг 1 %, то при их катагенезе на глубинах от 2 до 6 км согласно представлениям многих геологов генерируется нефть и газ. Такие отложения называют нефтематеринскими.

Формирование термальных растворов в ряде случаев может привести к мобилизации рудных компонентов из вмещающих глинистых пород и переотложению в пласты-коллекторы и зоны повышенной трещиноватости. Этот механизм особенно типичен для тех компонентов, которые растворяются при избытке СО₂ или Н₂О и выпадают из растворов при их дефиците. Такими элементами являются, например, Fe и Mn; первый легко мигрирует в виде бикарбоната двухвалентного железа и осаждается при потере СО₂, тогда как второй хорошо растворим в сероводородной обстановке.

Минерализованные воды и рассолы натриевого и кальциевого типов, относящиеся к захороненным вместе с осадками седиментационным морским водам, могут нагреваться в платформенных областях до 150-200С. Они являются хорошими растворителями для многих элементов (Fe, Mn, Ni, Cu, Pb, Zn, Sr, Li, Cs, Au, Ag и др.). Металлоносные хлоридные термальные рассолы встречаются в современных артезианских бассейнах на глубинах 3-5 км и по составу могут соответствовать вулканогенным гидротермальным растворам.

В случае накопления больших масс монтмориллонитовых глин в аридных условиях и в континентальной окислительной обстановке, высвобождающиеся растворы могли быть окислительными (по ряду элементов, в частности меди), пресными и гидрокарбонатными. Такие воды должны были опреснять минерализованные захороненные воды, что способствовало растворению и переносу ряда микроэлементов (J, B, Br, F, As, U, Sb и Hg).

В зонах глубокого катагенеза и газонефтеобразования могли формироваться рассолы, обогащенные металлоорганическими соединениями. Так например, известны хорошо растворимые уран- и золотогуминовые комплексы, металл-хелатные, углеводородно-газортутные соединения и др. В местах интенсивного окисления, перепада рН, снижения давления и температуры они могут распадаться и формировать битумно-металлическое оруденение. Широко известны урано-битумные руды, ванадиеносные битумы, золотосодержащее керогеноподобное органическое вещество. В битумах отмечены концентрации U, Mo, V, Cr, Hg, Se, Pb, As, Cu, Ni, TR, крупные скопления галенита, сфалерита, марказита и киновари.

Вопрос 5. Примеры месторождений. Месторождения, связанные с грунтовыми водами. С деятельностью грунтовых вод связывают образование месторождений меди, редких земель, урана, легированных железных руд, марганца, бокситов, каолина, магнезита, талька, малахита, бирюзы, хризопраза и других полезных ископаемых. Во многих учебниках эти месторождения рассматриваются как переотложенные и вместе с инфильтрационными включены в группу кор выветривания. Главными факторами такого рудообразования являются: наличие крупных источников полезных компонентов в области питания грунтовых вод, развитие жаркого гумидного климата, а предрудный этап, с которым связано интенсивное химическое выветривание и поступление больших масс полезных компонентов в грунтовые воды, медленные положительные конседиментационные движения крупных стабильных блоков земной коры, определявших постоянное понижение уровня грунтовых вод; значительный объем грунтовых вод, большая протяженность и высокая контрастность геохимически барьерных условий.

Примером крупномасштабного осадочно-диагенетического рудообразования могут служить медные рудные тела Удоканского месторождения, локализованные в раннепротерозойской молассоидной толще. Здесь согласные с вмещающими осадочными горизонтами рудные тела, повторяют размещение рукавов подводной дельты и располагаются в заливно-лагунных отложениях.

Осадочно-катагенетические месторождения. В качестве примера можно привести месторождения углеводородов (нефтегазоносные бассейны:Волго-Уральский, Днепрово-Донецкий, Северо-Каспийский, Западно-Сибирский, Ферганский, Азово-Кубанский, Сахалинский и др.), Джесказганское месторождение медистых песчаников (Казахстан), полиметаллические руды Мирлимсайского месторождения (Казахстан) и рудного района Миссури (США), сидеритовые руды Бакальской группы и Саткинское магнезитовое месторождение (Ю. Урал), золоторудное месторождение Кумтор (Киргизия), месторождения самородной серы, барита (в Уральской и Новоземельской провинциях).

Осадочно-катагенетические элизионные и инфильтрационные месторождения имеют важное промышленное значение. Этому способствует их большеобъемность, простая морфология рудных тел (пласты, линзы), часто небольшая глубина залегания. Эти месторождения имеют определяющее экономическое значение в энергетике и водоснабжении. Помимо этого более половины мировых запасов свинца и около 40 % цинка, связывается с осадочно-катагенетическическим генезисом. Инфильтрационные месторождения урана составляют около 50 % мировых запасов.

Несмотря на многие дискуссионные аспекты их генезиса, для большинства исследователей очевидно, что при формировании данного типа месторождений используется собственный потенциал осадочно-породного бассейна - флюидный, вещественный и энергетический.

Литература: [1] с. 312-370; [7], с. 4-16.

Дополнительная литература к проблемной лекции

Анфимов Л.В. Литогенез в рифейских осадочных толщах Башкирского мегантиклинория (Ю. Урал). Екатеринбург: Изд-во УО РАН. 1997. С.174-274.

Вассоевич Н.Б. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти (исторический обзор и современное состояние) // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1967. № 11. С. 135-156.

Хаин В.Е., Соколов Б.А. Роль флюидодинамики в развитии нефтегазоносных бассейнов // Вестник МГУ. Сер. геол. 1994. № 5. С. 3 -12.

Грановский А.Г., Грановская Н.В. Термобарогеохимический анализ процессов катагенеза среднерифейских отложений Башкирского мегантиклинория // Закономерности строения осадочных толщ: Материалы третьего Уральского литологического совещания. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1998. С. 105 - 108.

Коссовская А.Г., Шутов В.Д. Типы регионального эпигенеза и их связь с тектонической обстановкой на материках и в океанах // Геотектоника. 1976. № 2. С. 15-30.

Курило М.В. Стадиальные минералого-геохимические изменения в породах угленосной формации Донбасса // Литология и полезные ископаемые. 1993. № 2. С. 44-55.

Логвиненко Н.В., Шванов В.Н. К характеристике границы между осадочными и метаморфическими породами // Изв. АН СССР. Сер геол. № 3. 1973. С. 36-45.

...