Химические осадочные месторождения

Среди хемогенных осадочных месторождений различают образованные из истинных растворов, к которым принадлежат соли, гипс, ангидрит, бораты и барит, и возникшие из коллоидных растворов, к которым относятся руды железа, марганца, алюминия, а также некоторых цветных и редких металлов.

Месторождения солей

Галогенные, или эвапоритовые, месторождения минеральных солей 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) залежи солей современных бассейнов, 3) соляные подземные воды, 4) ископаемые или древние залежи солей.

Природные рассолы и залежи современных бассейнов приурочены к депрессиям морских побережий и континентальных впадин. В первом случае они формируются в лагунах морей при выпаривании воды в условиях сухого и жаркого климата с образованием лиманов, сивашей и прибрежных соляных озер. Их примерами могут служить Данузлав в Крыму, Сиваш у Азовского моря, Кора-Богаз-Гол у Каспийского моря, Джаксыклыч у Аральского моря.

Во втором случае они возникают в плоских бессточных котловинах сухих и жарких областей при систематическом выпаривании поступающих в них поверхностных и подземных вод. Они известны в Волго-Урало-Эмбенском районе, в Западно-Сибирской и Туркменской низменностях и в других местах.

Соляные подземные воды образуются при фильтрации подземных вод по породам, содержащим в своем составе различные соли.

Ископаемые залежи минеральных солей формировались в обстановке аридного климата в процессе испарения относительно изолированных лагун и палеоморей.

В среднем содержание солей в воде современного Мирового океана равно 3,5 %, или 35 г на 1 кг воды, повышаясь в морях с затрудненным водообменом до 3,9 % (Средиземное море) и даже 4,2 % (Красное море). При интенсивном разбавлении реками содержание солей снижается, например в Финском заливе Балтийского моря до 0,35 %.

Все известные крупные соляные месторождения формировались в обстановке жаркого и сухого климата в предгорных прогибах или синклинальных прогибах платформ. Их плавное и устойчивое прогибание обеспечивало, с одной стороны, длительное испарение и концентрацию солей, а с другой — накопление крупных соляных масс, формирующих залежи большой мощности. Такие соляные месторождения известны в Предуральском, Предкарпатском, Закарпатском, Донецком, Предпиренейском, Предатласском, Предкордильерском и других передовых прогибах, а также в Прикаспийской, Днепровско-Донецкой, Московской, Ангаро-Ленской, Вилюйской, Польско-Германской, Северо-Германской, Внутриамериканской и других синеклизах, поперечных прогибах и краевых впадинах платформ.

Формирование соляных месторождений происходило неравномерно в истории осадконакопления, с максимальным расцветом галогенеза в конце рифейского, каледонского, герцинского, киммерийского и альпийского этапов геологического развития.

Многие соляные месторождения отличаются специфической «соляной тектоникой», обусловленной низкой плотностью и высокой пластичностью солей. Выжимание соляных масс приводит к возникновению соляных куполов.

Некоторые соляные месторождения содержат бор в виде рассеянного калиборита. В рассолах некоторых соляных озер накапливается литий; в соляных водах некоторых озер фиксируются бром и йод.

Руды железа, марганца и алюминия

Осадочные месторождения железа, марганца и бокситы формируются из суспензий и коллоидных растворов на дне рек, озер и морских водоемов в сходных геологических условиях и рассматриваются совместно.

Источником материала для образования этих месторождений одни геологи считают континентальную кору выветривания, другие — подводные эксгаляции вулканогенного происхождения.

Месторождения железа имеют форму пластов и пластообразных залежей. Размеры их достигают крупных величин — в длину отдельные пласты протягиваются на десятки, а их свиты на сотни километров; ширина их несколько километров, мощность до десятков метров.

По минеральному составу руды осадочных месторождений железа разделяются на три группы: оксидные, карбонатные и силикатные. Оксидные руды бурых железняков состоят в основном из лимонита, гидрогётита, гётита, гематита, иногда магнетита с примесью других минералов. Основным рудообразующим минералом карбонатных руд является сидерит. В состав силикатных руд входят железистые хлориты типа шамозита и тюрингита. Для осадочных месторождений железа необычайно типична оолитовая текстура руд.

Месторождения марганца, так же как и железа, имеют форму пластообразных залежей. По минеральному составу руд А. Бетехтин среди осадочных и метаморфизованных осадочных марганцевых руд различает гидроксидные, оксидные, карбонатные и силикатные образования. Гидроксидные руды состоят из псиломелана, пиролюзита, лимонита, глинистых минералов и опала. В состав оксидных руд входит, кроме того, в качестве ведущего минерала манганит. Карбонатные руды состоят из родохрозита, манганкальцита, опала, марказита, пирита, глауконита и барита. В состав силикатных руд входят родонит, бустамит, марганцовистые гранаты, обычно в смеси с кварцем, гематитом, магнетитом.

Среди осадочных месторождений марганца И. Варенцов, В. Рахманов и другие выделяют четыре фациальные разновидности: 1) прибрежно-морские платформенные (Никопольское на Украине, Чиатурское в Грузии), 2) прибрежно-морские субплатформенные (Усинское в Кузнецком Алатау), 3) миогеосинклинальные (Малый Хинган), 4) эвгеосинклинальные (Магнитогорский синклинорий на Урале).

Месторождения алюминия (бокситы) разделяются на три группы:

1) остаточные кор выветривания, или латеритные,

2) осадочные платформенные,

3) осадочные геосинклинальные.

Залежи бокситов имеют форму пластов, линз, лентовидную и гнездообразную. Они достигают длины и ширины нескольких километров при мощности до первых десятков метров. Для многих из них характерна сложная, раскарстованная поверхность почвы залежей. По структуре различают метасоматические бобовые, бобово-оолитовые, брекчиевые, песчаниковые и афанитовые бокситы. Они бывают каменистые, кавернозные и рыхлые. В состав боксита входят:

1) глинозем, преимущественно свободный,

2) оксиды железа, преимущественно в форме гематита, гидрогематита, гётита и гидрогётита,

3) кремнезем, связанный главным образом с каолинитом, реже с галлуазитом и хлоритом,

4) оксиды титана.

По минеральным формам обособления глинозема различают две главные разновидности бокситов: 1) моногидратную, состоящую из бёмита или его кристаллической разновидности — диаспора; 2) тригидратную, состоящую из гиббсита.

Руды цветных и редких металлов

Реальными месторождениями цветных и редких металлов осадочного происхождения представляются месторождения урана, меди, ванадия, молибдена, стронция, германия. Они приурочены в основной массе к четырем группам осадочных пород:

1) так называемым черным сланцам битуминозной формации ранней стадии геосинклинального развития, встречающимся также среди платформенных образований,

2) фосфорсодержащим породам,

3) пестроцветным отложениям поздней стадии геосинклинального развития,

4) обломочным толщам делювиально-пролювиальных фаций предгорных условий посторогенной стадии.

Черные сланцы 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.

Примером месторождения меди может служить Мансфельд в ГДР. Примером месторождений ванадия являются кембрийские металлоносные углеводородисто-кремнисто-глинистые сланцы в Казахстане (В. Холодов).

Фосфорсодержащие породы часто содержат повышенное количество урана, местами сопровождаемого ванадием, серебром, свинцом, хромом, молибденом и другими элементами. Хорошо известным примером их является фосфоритовый пояс Скалистых гор формации Фосфория пермского возраста в США. Этот пояс протягивается на 1500 км при мощности фосфорсодержащей ураноносной формации от 100 до 300 м. Крупные размеры пояса даже при очень убогом содержании урана (сотые и тысячные доли процента) обеспечили накопление в пределах формации Фосфория 600 тыс.т урана.

Пестроцветные отложения содержат осадочные месторождения меди, урана, стронция. Первичная рудная минерализация локализуется в серо-зеленых пачках, сформированных в восстановительных условиях и разделенных пластами красного цвета, свидетельствующими о режиме окисления. На фоне обширных площадей убогого оруденения пестроцветных толщ местами возникают локальные скопления богатых руд, обусловленные перегруппировкой рудных минералов при позднейшем воздействии пластовых вод.

Обломочные толщи обычно имеют ритмичное строение с грубообломочным материалом в основании ритмов и мелкообломочным, обогащенным гумусовой органикой и углефицированными растительными остатками в верхней части. К последним приурочены залежи урановых руд. Уран в них находится в сорбированном состоянии в виде урано-органических соединений, а также уранинита и коффинита. Уран в этих месторождениях фиксируется в процессе осадкообразования, при диагенетических преобразованиях, а также под воздействием пластовых вод, приводящих к его инфильтрации и перегруппировке.

Осадочные месторождения германия связаны с повышенным содержанием этого элемента в золе некоторых углей.

Предположительно осадочные и вулканогенно-осадочные месторождения вольфрама (шеелита) и олова (касситерита) установлены в докембрийских комплексах Швеции, Австрии, Франции, Турции, ГДР. Предположительно к вулканогенно-осадочным относятся месторождения серебра типа Сильвер Риф в США.

Биохимические осадочные месторождения

Формирование биохимических осадочных месторождений может быть проиллюстрировано на примере фосфоритов, карбонатных и кремнистых пород, а также каустобиолитов.

Фосфориты

Среди фосфоритов выделяются платформенные и геосинклинальные месторождения.

Фосфоритовые залежи обычно имеют пластовую или пластообразную форму и обладают значительными размерами. Так, например, зона распространения фосфоритовых пластов геосинклинального месторождения Каратау в Западном Казахстане, вытянута на 100 км при ширине 40-50 км, содержит от одного до семи пластов.

Платформенные месторождения менее значительны по размерам. По степени концентрации фосфора, литологическим признакам и текстурным особенностям среди фосфоритов, согласно С. Риггсу и другим, можно выделить 1) глинистые с рассеянным фосфоритом, 2) песчано-глинистые с рассеянным зернистым фосфоритом, 3) песчанистые с желваковым фосфоритом, 4) массивные фосфориты. Первые три разновидности относятся к платформенным, а массивные фосфориты принадлежат к геосинклинальным образованиям.

Минеральный состав фосфоритовых месторождений опреде­ляется фосфоритом, сложным соединением фосфорнокислого, фтористого и углекислого кальция.

Источником фосфора для фосфоритовых месторождений служит сравнительно легко растворимый апатит магматических пород. Фосфор, сносимый в морские водоемы, усваивается животными и растительными организмами. Концентрация фосфора в костях, панцирях, тканях и крови морских организмов достигает значительных размеров. Содержание фосфорнокислого кальция в костях позвоночных животных достигает 60%, в раковинах некоторых разновидностей лингул и оболусов 80-91,5%.

Обычно фосфор жадно усваивается морскими организмами в приустьевых частях рек, создающих своеобразный биофильтр, не пропускающий растворенные фосфаты в центральные части водоемов. Фосфор поступает туда исключительно в биомассе, из которой он и может накапливаться на дне бассейнов.

По мнению некоторых геологов, основным источником фосфора, растворенного в морской воде, является фосфор, привносимый подводными вулканическими эксгаляциями.

Отложение фосфатных соединений на дне моря 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.

Эта схема приложима в основном для образования платформенных фосфоритов, таких, как Вятско-Камские, Егорьевское подмосковное, Полпинское близ Брянска, эстонские близ Таллинна и другие месторождения.

Более сложным биохимическим путем накапливался фосфор в области шельфа платформенных морей и в геосинклинальных бассейнах. Таковы месторождения Каратау в Западном Казахстане, многочисленные месторождения формации Фосфория в США, месторождения МНР, Северной Африки и др.

Карбонатные породы

К карбонатным породам, используемым в качестве полезных ископаемых, относятся известняки, доломиты и мергели.

Известняки состоят в основном из кальцита (56% СаО), доломиты из доломита (34,4% СаО, 21,9% MgO), мергели — из карбонатов в смеси с глиной. Переходные по составу породы называются доломитовыми известняками, известковистыми доломитами, доломитовыми известковистыми мергелями и т. п.

Доломиты в протерозое и рифее при высоком давлении углекислоты атмосферы и повышенном значении рН морской воды могли выпадать на дне моря в виде химического осадка. Начиная с палеозоя при изменившихся условиях атмосферы и гидросферы формирование доломитов идет в основном в результате доломитизации известнякового осадка в процессе диагенеза. Известны также вторичные доломиты и доломитизированные породы, связанные с гидротермальным изменением известняков.

Кремнистые породы

Среди осадочных кремнистых пород различают диатомиты, трепелы и опоки.

Диатомит представляет собой тонкозернистую пористую породу, состоящую главным образом из мельчайших панцирей диатомовых водорослей, накопившихся вследствие их массовой гибели.

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

Опоки — более плотные кремнистые породы, состоящие из 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 образования. Затем они все более и более вытеснялись биогенными осадками, питательной средой которых является как кремнезем, привносимый поверхностными водами в эпиконтинентальные и геосинклинальные моря, так и кремнезем подводных вулканических эксгаляций геосинклинальных морей. В связи с последними наблюдается периодический расцвет кремнистого осадкообразования, следующий за вспышками вулканической активности.

Месторождения углей

Месторождения углей принадлежат к образованиям фитогенным, связанным с жизнедеятельностью древних растений. В хлорофильных зернах этих растений под влиянием световой энергии происходил синтез из углекислого газа и воды первичного органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию. При последующем неполном разложении отмерших растений, осуществлявшемся при дефиците кислорода, происходило постепенное накопление органической массы, представляющей собой исходный материал для углеобразования. Первичная органическая масса ископаемых углей разделяется на сапропелевую и гумусовую.

Сапропелевые осадки формировались при накоплении на дне водоемов отложений простейших, главным образом планктонных водорослей, ткани которых состоят преимущественно из белков и жиров при незначительном количестве клетчатки.

Гумусовые осадки возникали при накоплении и последующем преобразовании на дне водоемов отмерших высших растений. Эти растения накапливались автохтонно на месте их произрастания или аллохтонно, сносясь в пониженные части рельефа водными потоками. Если такими депрессиями были озера, то возникали лимнические, а если прибрежные части морей, то паралические месторождения угля.

Захоронение органической массы под перекрывающими осадками, диагенез и последующий метаморфизм приводили к ее 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. Такое изменение достигает наибольшей степени в геосинклинальных условиях и слабее проявляется на платформах.

В составе углей различаются органическая и минеральная массы. Органическая масса углей состоит из углерода (60-96%), водорода (1-12%), кислорода (2-20% и более), азота (1-3%), незначительного количества серы и фосфора. В состав минеральной массы входят кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калий, натрий и другие элементы. В некоторых углях отмечается повышенная концентрация бериллия, никеля, кобальта, молибдена, урана, галлия, германия, иттрия и других редких и рассеянных элементов. Известны случаи промышленного скопления в углях урана, германия и ванадия.

Структура углей определяется вхождением в их состав четырех ингредиентов — двух матовых и двух блестящих. Матовые составные части называются фюзен и дюрен, а блестящие—витрен и кларен.

Угленосные отложения обычно состоят из перемежающихся терригенных песчано-глинистых осадков. Непосредственно в почве и кровле пласта чаще всего находятся тонкозернистые глинистые или алевролитовые породы. По мере удаления от пластов крупность зерна осадков плавно возрастает. Чередование таких гранулометрических переходов обусловливает ритмическое строение многопластовых угленосных толщ.

Толщу парагенетически связанных между собой угленосных отложений ритмического строения принято называть угленосной формацией. По условиям образования они разделяются на формации геосинклинальные и платформенные.

Месторождения угля известны в осадках земной коры от силурийских до четвертичных. На поверхности земного шара выделяются следующие три площади угленакопления: 1) каменноугольного, 2) пермского и юрского, 3) позднемелового и третичного.

Месторождения горючих сланцев

Месторождения горючих сланцев состоят из глинистых, песчанистых и известковистых горных пород, содержащих значительное количество продуктов разложения органических веществ и обладающих вследствие этого горючими свойствами. Содержание органического компонента не превышает 60%, поэтому горючие сланцы отличаются от углей более значительной зольностью и меньшей теплотой сгорания. По происхождению органических веществ различают гумусовые, битуминозные и сапропелевые сланцы; используются промышленностью только последние.

Среди месторождений горючих сланцев известны образования всех периодов — от кембрийского до третичного.