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