Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Алюминиевые, железистые и марганцевые породы

Общая характеристика

Алюминиевые, железистые (железные) и марганцевые породы взаимосвязаны единством климатических условий, необходимых для их формирования. Н.М.  Страхов назвал эти породы триадой Al-Fe-Mn, которая служит надежным индикатором гумидных условий палеоклимата.

Алюминиевые породы

Алюминиевые породы — это породы, состоящие более чем на 50% из минералов свободного глинозема – Al2O3

Минеральный состав

Минералы глинозёма:
гидраргиллит (гиббсит) Al(ОН)3,
бёмит, диаспор AlO(OH);
спорогелит – гель гидроксида Al

алюмосиликаты:
каолинит,
галлуазит,
бертьерин и др.,

гидрооксиды и оксиды железа:
гётит,
гематит,
маггемит,

и титана:
анатаз,
рутил и др.

Минералы алюминия белые, но часто окрашены примесями – соединениями железа, органическим и другими веществами – в красные и темно-серые цвета.

Палеозойские бокситы преимущественно диаспоровые и бёмит-диаспоровые, а мезозойско-кайнозойские – гиббситовые и спорогелитовые.

Красный боксит

Серый боксит

Номенклатура пород

Главные представители:
аллиты (от слов: алюминий и (от греч. λιθοσ – камень) – (Harrasovitz, 1926),
бокситы (от названия французского департамента Beaux) – (Bertier, 1820),
латериты (от лат. later – кирпич-сырец) – (Buchanan, 1807).

Г.И. Бушинский, С.Г. Вишняков, Д.Г. Сапожников и др. дали градации алюминиевых пород по кремневому модулю
Км = Al2O3/SiO2 в весовых %
и железистости.

Разновидности алюминиевых пород (С.Ф. Малявкин, 1937):
бокситы – при Км > 2,6;
аллиты – Км от 2,6 до 1;
сиаллиты – Км <>

Структуры бокситов

пелитоморфные
1) аморфные
2) коллоидально-волокнистые
3) микрозернистые

зернистые
1) оолитовые
2) бобовые
3) желваковые
4) обломочные

Оолитовый боксит

Бобовый боксит

Обломочный боксит

Петротипы бокситов
(В.Т. Фролов, 1992)

  1. А 1. Боксит белый, пелитоморфный, неслоистый, чистый по составу, бёмитовый или диаспор-бёмитовый, сравнительно мягкий, не жирный на ощупь, слабопористый и плотный, залегает пластами и линзами толщиной в дециметры и первые метры, Тихвинский район, С1.
  2. А 2. Боксит белый с розовыми пятнами, землистый, порфировидный, с пизолитами (30%) и пелитоморфной основной массой, неслоистый, чистый по составу, в остальном аналогичный А 1. Там же.
  3. А 3. Боксит красный, пелитоморфный, землистый, в остальном аналогичный А 1. Там же.
  4. А 4. Боксит красный, пизолито-бобовый, землистый, с пизолитами (3—5 мм) и бобовинами (5—10 мм), являющимися часто сросшимися пизолитами, средне- и слабосортированный, с пелитоморфным глиноземным цементом, по составу чистый, в остальном сходный с А 1 и А 2. Там же.
  5. А 5. Боксит вишнево-красный, пелитоморфный до почти афанитового, яшмо- или аргиллитовидный, неслоистый, довольно чистый по составу, скорее всего диаспоровый, плотный, крепкий, с раковистым изломом, кремнистый, пласты и линзы в дециметры и первые метры, средний девон, СУБР.
  6. А 6. Боксит серый и темно-серый, пелитоморфный и по слоям обломочный от дресвяной до тонкопесчаной структуры, плохо сортированный, из неокатанных обломков, тонкослоистый, вероятно, диаспоровый, с примесью обломочного кварца, крепкий, плотный, участками обесцвечивающийся, залегает пластами 0,1—1,0&ndsp;м и более, СУБР.
  7. А 7. Бокситы окатанно-зернистые, серые и темно-серые, песчаной структуры, со средней и довольно хорошей сортировкой, горизонтально- и косослоистые, по составу смешанные, диаспорово-ильменито-кварцевые, по качеству бедные, крепкие, с халцедоно-кварцевым и глинистым цементом, плотные, залегают пластами и линзами (0,04—0,5 м и более) среди бокситов А 6 и других литотипов, D2, СУБР.
  8. А 8. Боксит светло-серый до белого, оолитовый и бобово- пизолитовый, землистый, пелитоморфный, неслоистый, по составу чистый, гидраргиллитовый и спорогелитовый, с пелитоморфным бокситовым заполнителем, слабой крепости, пористый, залегает линзами и пластами (0,5—3 м) в верхней части третичной и современной коры выветривания по триасовым и пермским песчаникам и глинам в Австралии.
  9. А 9. Боксит розово-красный, бобовый и желваково-конкреционный, землистый, неслоистый, с плотным их расположением, с пелитоморфным бокситовым цементом, вероятно, в основном гидраргиллитовый и спорогелитовый, аморфный, мощностью 1,5 м, образует часть железоглиноземного панциря над белыми бокситами типа А 8. Там же.
  10. А 10. Боксит светло-розовый, крупножелваково-конкреционный, землистый, из неправильных изометричных стяжений (1 — 15 см), неслоистый, с красным бокситово-лимонитово-глинистым заполнителем, аналогичным вышележащим красноземным почвам, штат Квинсленд, Австралия.

Происхождение алюминиевых пород

Термин «латериты» теперь используется только для названия верхних горизонтов кор выветривания в тропиках. Они представляют собой конечные продукты химического выветривания магматических и метаморфических пород в жарком тропическом климате с переменной влажностью.
Гипотезу формирования латеритов одним из первых сформулировал в начале XX в. английский геолог Фокс. Латеритный профиль формируется в жарком климате с чередованием периодов ливней и засух, в обстановках холмисто-овражных ландшафтов.

Б.А. Богатырев в 1999 г. подразделил бокситы на две генетические группы:

  1. выветривания (остаточный тип);
  2. седиментогенныe.

Группа выветривания включает два класса:

А — элювиальный, или латеритный; Б — латеритно-карстовый.

Группа седиментогенная включает классы:

В — осадочный; Г — диагенетический; Д — катагенетический.

Классический разрез латеритного профиля:

1) неизмененные магматические породы; 2) те же породы, дезинтегрированные и каолинизиованные; 3) каолиновая глина; 4) зона окремненного каолинита («кремнистый литомарж», по Фоксу); 5) латеритный боксит; 6) твердая корка («кираса», или «панцирь») гидроксидов железа.

Процессы латеритизации реализуются чрезвычайно медленно, на протяжении многих десятков и сотен тысяч лет. Очень важным условием является стабильность климата и тектонических обстановок.
Класс латеритно-карстовых бокситов возникает также в тропическом гумидном климате из алюмосиликатного материала, скопившегося на закарстованной поверхности рифогенных известняков. Такие руды кайнозойского возраста известны на поверхностях современных атоллов океанов.

Латериты

Латериты

Латериты

Разрез бокситовых залежей в глинистых латеритах базальтового плато в Западной Индии (по В.И. Синякову, 1987, с изменениями): 1 – базальты; 2 – литомарж (кремнистая глиноподобная, обычно тонкослоистая или листоватая порода, как правило, залегающая под латеритами); 3 – боксит (алюминиевая руда, состоящая в основном из гидроксидов Al, оксидов и гидроксидов Fe и глинистых минералов; главные минералы – гиббсит, бёмит и диаспор); 4 – высоко-железистый латерит (богатый Al и Fe продукт выветривания горных пород; состоит из каолинита, гётита, гематита, гиббсита и кварца); 5 – красные глины с обломками латерита.

Железистые породы

Железистые (железные) породы сложены:

  1. гидроксидами железа
    1. гётитом FeOOH;
    2. гидрогётитом, или лимонитом FeO · ОН · хН20, при х = от 1 до 4;
  2. оксидами железа
    1. гематитом Fe2O3,
    2. а в метапородах магнетитом Fe3O4;
  3. реже фосфатами
    1. вивианитом Fe3[PO4] · 8H2O,
    2. керченитом Fe32+Fe63+(OH)6[PO4] · 18Н2O;
  4. а также силикатами
    1. шамозитом (Fe2+,Mg,Al,Fe3+)6(Si,Al)4O10(OH,O)8
    2. или бертьерином (Fe2+,Fe3+,Al)3(Si,Al)2O5(OH)4.

Примеси:

  1. аутигенные карбонаты (сидерит, анкерит и др.),
  2. сульфиды,
  3. фосфаты,
  4. глинозем,
  5. кремнезем,
  6. аллотигенные глинистые и кварцево-силикатные частицы.

Различаются железистые породы континентальных (включая окраинно-морские) и океанических блоков земной коры.
К континентальным относятся:

  1. 1) генетически связанные с вулканизмом;
  2. 2) чисто осадочные фанерозойские железняки;
  3. 3) осадочные глубокометаморфизованные докембрийские (так называемые джеспилиты, или железистые кварциты).

Чисто осадочные руды бывают приурочены: к корам выветривания (некоторые обогащенные Fe3+ латериты причисляют к железной руде), но чаще — к отложениям болотно-озерных, аллювиально-дельтовых, лагунных и мелководно-морских фаций гумидного климата (не обязательно тропического). Они отличаются преимущественно оолитовым строением. Оолиты состоят в основном из гётита, бертьерина или обоих этих минералов. В виде редких тонких слойков может присутствовать сидерит.

Сидерит-шамозитовый оолитит, средняя юра. Центральная Англия (по Дж. Гринсмиту, 1981)

Лимонитовый железняк с оолитовой структурой

Песок из мелких лимонитовых бобовин, пос. Взвад, оз. Ильмень

Четвертичные лимонитовые бобовины, пос. Взвад, оз. Ильмень

Типичные представители таких руд: Керченские (Крым) и Приаральские (Казахстан) железняки соответственно миоценового и олигоценового возраста, залежи юрского возраста на северо-западе ФРГ, Франции и в Великобритании, девонского возраста в Ливии, силурийского – в Аппалачском бассейне и ордовикского возраста в бассейне Вабана, на востоке Ньюфаундленда (Канада) и др.

Разрез через Эльтиген-Ортельскую и Камыш-Бурунскую мульды Керченского месторождения (по М.В. Муратову, Г.А. Лычагину и др.): 1 – надрудные и верхнекиммерийские глины и пески; 2 – рудные слои; 3 - нижнекиммерийские глины и ракушечники; 4 – понтический известняк-ракушечник; 5 – мэотис (глины, мергели, пески); 6 - сармат

Происхождение железняков

Большинство фанерозойских железняков образовывались в эпиконтинентальных морях в периоды длительного высокого стояния уровня моря (с ордовика по девон и с юры по палеоген) с наложенными частыми колебаниями уровня моря (Van Houten and Arthur, 1989). В эти периоды климат был теплым и влажным, терригенный снос – низким, а глубинные воды – слабо насыщенными кислородом. Следовательно, близко одновременно с железняками отлагались черносланцевые толщи.
Оолитовые железняки зачастую являются отличными маркирующими горизонтами.

Образование железняков (по Einsele, 2000). Железо поставляется в море либо реками в виде взвеси из сильно выветрелых почв, либо подземными водами, богатыми двухвалентным железом. Затем происходят неоднократный перемыв и переработка оолитов железа на мелководье и окончательное осаждение их при самом низком уровне моря в ходе трансгрессивно-регрессивных циклов.

Реконструкция условий образования железняков Вабана (по Рейнджеру; из кн. Дж. Мейнарда, 1985): А — прибрежный бар; Б — лагуна (накопление осадков в условиях низких значений Eh); В — приливно-отливная зона; Г— надлиторальные водорослевые болота (низкие значения Eh и высокие Рсо2); Д — старые русла рек. Железо выщелачивается из осадков в болотных условиях (Е), выносится подземными водами в лагуну и осаждается в виде бертьериновых оолитов (Ж), которые впоследствии переотлагаются в зонах береговых валов и среди осадков приливно-отливной зоны (3)

Железистые кварциты

Метаморфизованные осадочные железные руды докембрия – железистые кварциты (джеспилиты) имеют в основном либо кварцево-гематитовый, либо кварцево-магнетитовый составы и крупнозернистые гранобластовые структуры. Они состоят из чередующихся тонких слойков кремня и красных железистых слойков, сложенных гематитом, магнетитом, сидеритом и железистыми силикатами. Признаки седиментогенных структур у них совершенно утрачены, однако текстуры сохранились отчетливо.

Джеспилит

Совместное нахождение кремня, железистого карбоната, железистых силикатов и гидроксидов Fe (предшественников гематита и магнентита) предполагает осаждение из щелочного, попеременно окислительно-восстановительного раствора, богатого растворенным SiO2 и Fe. Тонкослоистые протерозойские железняки, вероятно, отлагались в обширных мелководных морях, частично, в приливной зоне. Большинство исследователей согласны в том, что ранний океан был расслоен, с хемоклином между окислительными поверхностыми и аноксическими глубинными водами, богатыми двухвалентным железом. Гидроксиды Fe осаждались вдоль хемоклина или в зонах апвеллинга.

Железо-марганцевые конкреции

Железосодержащие породы дна океанских водоемов – железо-марганцевые конкреции (ЖМК) – будут рассмотрены в следующем разделе.

Марганцевые породы

Марганцевые породы сложены более чем на 50% агрегатами различных минеральных видов:

  1. оксидами четырехвалентного Mn4+
    1. пиролюзитом МnO2,
    2. псиломеланом (Ва,К,Мn2+,Со)6Мn8O16,
    3. тодорокитом (Na,Ca,K,Ba,Mn2+)Mn3O7·nH2O,
    4. бёрнесситом (Ca,Na)(Mn2+Mn4+)7O14·nH2O и др.;
  2. гидрооксидами –
    1. пирохроитом Мn(ОН)2,
    2. манганитом МnО(ОН) и др.;
  3. карбонатами –
    1. родохрозитом МnCO3,
    2. кутнагоритом Ca(Mn,Fe,Mg)(CO3)2;
  4. и силикатами –
    1. браунитом Mn7SiO12 и др.

На континентах марганцевые породы представлены следующими категориями.
1. Осадочно-диагенетические пластовые тела, с микроструктурами бактериального происхождения; залегают в большинстве своем среди отложений шельфа эпиконтинентальных морских бассейнов. Это кайнозойские Никопольское месторождение (Украина), Чиатурское месторождение (Грузия); мезозойские руды Марокко, раннекембрийские – в Южных Аппалачах (США), а также марганцеворудное поле Калахари (ЮАР), месторождение Грут Айленд (Австралия) и др.
2. Метаморфизованные первично-осадочные и вулканогенно-осадочные руды докембрия, преимущественно
а) оксидного браунитового и гаусманитового состава (ЮАР – Блэк Рок, Хотазель, Глория и др.); б) силикатного (родонит (CaMn4Si5O15) и спессартин (Mn3Al2(SiO4)3)) состава.
3. Образования латеритных кор выветривания по первичным марганцевым и марганцовистым породам. (Габон, Бразилия, Индия, Усинское и Парнокское – Россия и др.) и заполнение полостей карстовых воронок (Вуди-Вуди, Австралия).

В истории Земли марганцевые породы известны с архея вплоть до современных отложений.Однако образование месторождений марганца происходило эпизодически; выделяется несколько марганцеворудных эпох. Главнейшей из них является раннепротерозойская.

Гигантские потенциальные запасы рудных веществ представляют собой железомарганцевые конкреции океанского дна (ЖМК). Железо-марганцевые конкреции встречаются обычно в красных глинах глубоководных котловин северной части Тихого океана. Так как конкреции растут очень медленно, для их развития благоприятны условия нулевой или даже отрицательной седиментации. В юго-восточной части Индийского океана, где имеют место интенсивные движения придонных вод, мостовая из конкреций занимает площадь порядка нескольких миллионов квадратных километров. Железо-марганцевые корки и конкреции встречаются также на многих подводных горах. Конкреции растут путем выпадения гидроксидов железа и марганца из разбавленного раствора морской воды. По генезису они резко отличаются от гидротермальных образований центров спрединга. Железо-марганцевые отложения подводных гор обладают специфическими геохимическими признаками. Высокое содержание Со и нередко Ва, Рb, V, редких земель YЬ и Lu отличает обычно конкреции подводных гор от более глубоководных конкреций, более богатых Ni и Сu.

Разрез ЖМК из красных пелагических глин

Строение ЖМК и марганцевых корок: микрослоистая текстура (1), колломорфно-столбчатый (или радиально-дендритовый в ЖМК) слой (2), сгустково-обломочный слой рудный (3), глобулярный колломорфный (4), колломорфно-слоистый (5), микросгустково-обломочный (6), дендритово-рудный (7)

Практическое значение

Все перечисленные разновидности пород являются рудами соответствующих металлов. Алюминиевые породы служат также для производства искусственного корунда и абразивных инструментов из него, а также огнеупорных материалов.

 

Выводы

  1. Алюминиевые, железистые и марганцевые породы взаимосвязаны единством климатических условий, необходимых для их формирования. Они служат надежным индикатором гумидных условий палеоклимата.
  2. Алюминиевые породы – это породы, состоящие более чем на 50% из минералов свободного глинозема – Al2O3.
  3. По кремневому модулю (Км = Al2O3/SiO2 в весовых %) выделяются следующие разновидности алюминиевых пород: бокситы – при Км > 2,6; аллиты – Км от 2,6 до 1; сиаллиты – Км <>
  4. Латериты представляют собой конечные продукты химического выветривания магматических и метаморфических пород в жарком тропическом климате с переменной влажностью.
  5. Железистые породы сложены гидроксидами и оксидами Fe, реже фосфатами, а также силикатами Fe.
  6. Чисто осадочные руды Fe относятся к отложениям болотно-озерных, аллювиально-дельтовых, лагунных и мелководно-морских фаций. Они отличаются преимущественно оолитовым строением и состоят в основном из гётита, бертьерина или обоих этих минералов.
  7. Метаморфизованные осадочные железные руды докембрия (джеспилиты) имеют в основном либо кварцево-гематитовый, либо кварцево-магнетитовый составы и крупнозернистые гранобластовые структуры. Признаки седиментогенных структур у них совершенно утрачены, однако текстуры сохранились отчетливо.
  8. Марганцевые породы сложены более чем на 50% агрегатами различных минеральных видов: оксидами и гидрооксидами, карбонатами и силикатами Mn.
  9. Железо-марганцевые конкреции встречаются обычно в красных глинах глубоководных котловин. Железо-марганцевые корки и конкреции встречаются также на многих подводных горах. Конкреции растут путем выпадения гидроксидов железа и марганца из разбавленного раствора в морской воде.
  10. Алюминиевые, железистые и марганцевые породы имеют большое практическое значение.

Вопросы для самопроверки

  1. Какие породы относятся к группе алюминиевых?
  2. Каковы основные породообразующие минералы алюминиевых пород?
  3. Каковы основные типы бокситов?
  4. Каково происхождение бокситов?
  5. Какие породы относятся к группе железистых?
  6. Каковы основные породообразующие минералы железистых пород?
  7. Каково происхождение железистых пород?
  8. Каковы основные породообразующие минералы марганцевых пород?
  9. Как образуются ЖМК?
  10. Каково практическое значение алюминиевых, железистых и марганцевых пород?