Литохимия коры выветривания железо-кремнисто-сланцевой формации Большетроицкого месторождения

Геологический очерк

Большетроицкое месторождение богатых железных руд (БЖР) расположено в юго-западной части Курской магнитной аномалии, в 35 км юго-восточнее г. Белгорода (рис. 1). Богатые железные руды слагают кору выветривания, развитую по породам железисто-кремнисто-сланцевой формации: роговикам, джеспилитам и сланцам [1, 2]. Поскольку БЖР здесь залегают на значительной глубине, отработ- 26

ка их карьерами или шахтами считается затратной, в связи с чем возникла идея разработки месторождения методом подземной гидродобычи [4, 5]. Железорудная кора выветривания (КВ) месторождения залегает под палеоген-каменноугольным осадочным чехлом мощностью 425— 510 м (рис. 2). Её вполне плавная поверхность местами осложнена локальными депрессиями, где в основании карбона прослеживаются переотложенные железные руды в пластах мощностью до 20 м, реже бокситы (1—9 м). Абсолютные отметки кровли меняются от —200 до —350 м. Мощность КВ варьирует от 80 до 300 м на железистых кварцитах и до 50—70 м на сланцах. Под осадочным чехлом часто залегают выве-трелые надрудные сланцы коробков-ской свиты, преобразованные в бокситы, железо глиноземистые руды и каолины мощностью до 60—70 м. В целом КВ характеризуется плащеобразной формой при соотноше-

Рис. 1. Обзорная схематическая карта месторождений богатых железных руд Белгородского района КМА. Составил И. И. Никулин. Месторождения: 1 — Яковлевское, 2  — Гостищевское,

3 — Ольховатское, 4 — Висловское, 5 — Разуменское, 6 — Олимпийское, 7 — Соловьёвское, 8 — Мелихово-Шебекинское, 9 — Таволжанское, 10 — Большетроицкое, 11 — Шемраевское

Fig. 1. Schematic map of rich iron ore deposits of Belgorod region of KMA. Compiled by 1.1.Nikulin. Deposits: 1 — Yakovlevskoe 2 — Gostischevskoe, 3 — Olhovatskoe, 4 — Vislovskoe, 5 — Razumenskoe, 6 — Olimpiyskoe, 7 — Solovyevskoe, 8 — Melihovo-Shebekinskoe, 9 —Tavolzhanskoe, 10 — Bolshetroitskoe, 11 —Shemraevskoe.

ним ширины к мощности около 1:6. Вдоль двух поперечных зон КВ приобретает черты «фальшкиля» с увеличением мощности в 1.5—3 раза (рис. 2).

БЖР сложены гематитом, псевдоморфозой гематита по магнетиту (мартитом) и в меньшей степени магнетитом. Мартит отличается от гематита внешним видом; под бинокуляром — это почковидные образования с высоким содержанием Fe2O3. Минералы, слагающие цемент скальных разновидностей железных руд, представлены эпигенетическими

Рис. 2. Схематический разрез коры выветривания по профилю V+400 Большетроицкого месторождения. Составил И. И. Никулин. 1 — переотложенные железные руды, 2 — бокситоносные выветрелые сланцы, 3 — богатые железные руды, 4 — метаморфическая железисто-кремнисто-сланцевая формация, 5 — разведочная скважина

Fig. 2. Schematic section of weathering crust on V+400 of Bolshetroitskoe deposit. Compiled by 1.1. Nikulin. 1 — redeposited iron ores, 2 — bauxite weathered shales, 3 — rich iron ores, 4 — metamorphicferruginous-siliceous shale formation, 5 — exploration well

сидеритом и кальцитом. Минералами-примесями в железных рудах являются эпигенетический бертьерин, реликтовый шамозит и кварц, реже встречаются сульфиды.

Анализы

В процессе геологоразведочных работ выполнялись сокращенные силикатные анализы (без щелочей и СО2) так называемых «керновых проб» длиной от 0.4 до 29.2 м. Ввиду большой неоднородности разреза КВ эти пробы далеко не всегда представляли один литотип; нередко в пробу попадало несколько литотипов, что весьма затрудняет интерпретацию химических анализов. Все анализы (спектральный, атомно-адсорбционный, титрометрический) выполнялись по стандартным аттестованным методикам, обеспечивающим получение результатов III категории точности количественного анализа по ГОСТ РФ 41-08-205-99.

Вариация химического состава пород по разрезу Анализ графиков распределения основных породообразующих оксидов в профилях кор выветривания показывает весьма сложный характер поведения Fe, Al и Si.

Содержание Fe ₂ O ₃ изменяется от 36 % в гематитово-магнетитовых кварцитах до 95 % в мартитовых разновидностях; оно несколько ниже в мартитовых с тонкодисперсным гематитом, силикатно-мартитовых и гематито-мартитовых разновидностях (80—85 %).

Распределение FeO в разрезе сложное, хотя и с четким трендом (рис. 3). В гематитово-магнетитовых кварцитах оно в среднем составляет 11.5 % (почти всё — в магнетите), в силикатно-магнетитовых кварцитах — 20 %. Попадая в зону окисления, магнетит начинает замещаться мартитом с интенсификацией процесса по мере приближения к поверхности КВ; здесь содержание FeO может убывать до убогого значения 1.5 %. В рыхлых мартитовых породах содержание FeO несколько выше (4.0—6.0 %), что является следствием присутствия в них продуктов выветривания первичного шамозита. При эпигенетической цементации пород сидеритом и бертьерином содержание FeO может возрастать до 23.9 %.

Содержание Fe _o6w_ во всех профилях растет от неизменённых и сла- 28

боокисленных кварцитов к сильно выветрелым, увеличиваясь примерно вдвое. В кровле профиля КВ оно уменьшается за счет процессов эпигенетической бертьеринизации. Снижение Feобщ в разрезе происходит также при наличии прослоев вы-ветрелых сланцев. На фоне увеличения Feобщ снизу вверх флуктуации по профилям происходят вследствие литологической неоднородности КВ; содержание Feобщ может колебаться от 28 % (в материнских породах, при среднем содержании 34.5 %) до 69.3 % (в БЖР, при среднем содержании 62.5 %).

Содержание SiO ₂ в общем убывает от 40 % (в джеспилитах) до почти полного отсутствия (0.3 %) в БЖР.

Содержание Aip ₃ в первичных джеспилитах составляет в среднем около 0.5 %, в мартитизированных разностях снижается до следовых величин (0.35—0.4 %), но в рыхлых мартитовых БЖР вновь увеличивается до 1.5 %. Кроме того, возрастание Al₂O₃ происходит в процессах бокситизации сланцевого субстрата с формированием бёмита и гиббсита.

Кластеризация

Породообразующие химические компоненты КВ Большетроицкого месторождения разделены на две литохимические группы (см. таблицу): (1) породы, сопутствующие и переходные к БЖР, с содержанием Feобщ менее 50 %; (2) собственно БЖР с содержанием Feобщ более 50 %.

Первая группа соответствует ожелезнённым сланцам, аллитам и бокситам, для её классификации использована модульная диаграмма в координатах АМ (алюмокрем-ниевый модуль) — ЖМ (железный модуль): АМ = Al2O3/SiO2; ЖМ = = (Fe2O3 + FeO + MnO)/(TiO2 + Al2O3) [6] — (рис. 4, а) Ввиду убогих содержаний марганца и низких — титана, модули определяются соотношениями только трёх компонентов — кремнезема, глинозёма и оксидов железа. Вследствие «обозримых» (т. е. сравнительно умеренных) вариаций АМ (0.1—14) и ЖМ (0.3— 2.6) для осей диаграммы использован нормальный масштаб величин. В данной группе выделены 6 кластеров: I — железистые аллиты (32 керновые пробы), II — железистые суббокситы (8), III — железистые бокситы (2), IV — слабо ожелезнённые (мартитизированные) метаморфи- ческие породы (39), V — хлоритовые ожелезнённые сланцы с карбонатами (16), VI — ожелезнённые брекчи-рованные сланцы с карбонатами (6). Литохимическая аттестация пород дана согласно [6].

Кластер I. Породы характеризуются как нормогидролизаты (ГМ = 0.92) с минимальной железистостью: ЖМ в среднем — 0.44 и FeO + Fe₂O₃ = 12.5 %. Содержание глинозема повышенное, Al₂O₃ достигает 27.8 %, что при среднем содержании SiO₂ 44.4 % определяет АМ = 0.63 (каолинитовая норма — 0.85). Хотя для всех данных пород такое значение АМ минимально, оно всё же гораздо выше среднего для стратисферы (0.24), что позволяет определить породы как коры выветривания. Очевидно, что в этих аллитах всегда имеется примесь каолинита.

Кластер II. Породы представляют собой супергидролизаты (ГМ = 8.36), гиперглиноземистые и норможелезистые (ЖМ = 0.40) со средним FeO + Fe₂O₃ = 20.3 %. На диаграмме при практически той же средней железистости, что и в кластере I, этот кластер сильно смещен вправо по оси АМ. Содержание глинозёма высокое, Al₂O₃ = 49.6 %, что при среднем содержании SiO₂ 8.5 % определяет очень высокий АМ = 5.83. Поэтому, несмотря на несколько повышенное содержание титана (TiO₂ = 1.2 %), титановый модуль сохраняется на низком уровне (ТМ = 0.024) — таком же, как и в предыдущем кластере. Очевидно, что эти бокситы образовались по первичному сланцевому субстрату.

Кластер III. Породы являются гипергидролизатами (ГМ = 19.24), гиперглиноземистыми (АМ = 12.83) и норможелезистыми (ЖМ = 0.47). На диаграмме при несколько повышенной средней железистости в сравнении с кластером II этот кластер занимает крайне правое положение вследствие экстремального АМ, обусловленного не глинозёмом, которого здесь столько же, как в кластере II (Al₂O₃ = 49.4 %), а сильно пониженным содержанием кремнезёма (SiO₂ = 3.85 %). Очевидно, что эти две пробы — это самые высококачественные бокситы.

Кластер IV. К данному кластеру относятся преимущественно гидролизаты (ГМ 1.32—5.74), супержелезистые (ЖМ 1.16—1.38), нормо- и супер глиноземистые. На диаграмме

Химический состав сопровождающих пород и железных руд Большетроицкого месторождения, мае. %

Рис. 3. Распределение FeO в корах выветривания по разрезу скважин Большетроицкого месторождения. Составил И. И. Никулин

Fig. 3. FeO distribution in weathering crusts in boreholesof Bolshetroitskoe deposit. Compiled by 1.1. Nikulin.

при более высокой средней железистости в сравнении с глиноземистыми кластерами I—III этот кластер распадается на два перекрывающихся подкластера IVa (28 проб) и IVb (11 проб) с FeO+Fe2O3 соответственно 26.2 и 40.6 %. Содержания глинозема умеренные и близкие Al2O3 (22.1 и 28.7 %), что при резко различном среднем содержании SiO2 (37.1 и 12.2 %) дает совершенно разные значения АМ (0.60 и 2.35). Таким образом, породы подкластера IVa — это слабо ожелезнённые кварцито сланцы со слабой карбонатизацией, они гораздо беднее железом и существенно более кремнисты. Породы подкластера IVb — это более ожелезнённые выветрелые сланцы с проявлением бокситизации.

Кластер V. В среднем представлен супергидролизатами (ГМ = 2.55), гипержелезистыми (ЖМ = 2.33), нормоглиноземистыми со средним FeO + Fe₂O₃ = 42.5 %. Содержание глинозема низкое (Al₂O₃ = 17.7 %), что при среднем содержании SiO₂ = 23.8 % определяет значение АМ = 0.74. Очевидно, что субстратом этих пород послужили в основном силикатные сланцы. При выветрива- 30

нии происходило разложение железистых силикатов с выносом SiO2 и менее интенсивным выносом Al2O3, с накоплением железа и мартитиза-цией первичного магнетита. Породы этого кластера по высокому среднему значению ЖМ являются переходными к богатым железным рудам.

Кластер VI . Это гипергидролизаты (ГМ = 32.0), гипержелезистые (ЖМ = 2.26), гиперглиноземистые (АМ = 9.55). Они более ожелезнённые в сравнении с породами кластера V и по FeO + Fe₂O₃ = 59.6 % являются БЖР. Однако при сравнительно невысоком содержании глинозема (Al₂O₃ = 25.6 %) убогое содержание SiO₂ = 2.7 % дает очень высокое значение АМ, свойственное бокситам. Возможно, первичным субстратом таких пород послужили сланцы, силикаты которых были представлены серицитом.

Для кластеризации пород второй группы использованы две модульные диаграммы (рис. 4, б, в ): диаграмма АМ-ЖМ и ГМ-ЖМ, где ГМ — гидролизатный модуль (ГМ = = (TiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ + FeO + MnO)/SiO₂) [6]. Вследствие огромных вариаций АМ (0.002—4.5), ЖМ

(3—600) и ГМ (0.8—230) для осей обеих диаграмм использован логарифмический масштаб величин. Как видно (рис. 4, б) между модулями ГМ и ЖМ нет никакой связи, тогда как между АМ и ЖМ (рис. 4, в) виден отчетливый тренд — значения АМ растут по мере убывания ЖМ. Вероятно, этот тренд в основном обусловлен составом субстрата железных руд: по мере убывания в нем доли джеспилитов возрастает доля сланцев. Породы второй группы разделяются на 6 кластеров: VII — переотложенные руды, кварциты и ожелезнённые (гематитовые) сланцы, VIII — окисленные кварциты, IX — слабо окисленные кварциты с карбонатами, X — сиде-ритизированные БЖР, XI — переходные БЖР, XII — собственно БЖР с незначительной примесью силикатов и карбонатов.

Кластер VII. Породы этого кластера выделены по сравнительно низким средним значениям ЖМ (1.2—17.4), которые отчетливо разделяются на два подкластера: «нерудный» VIIa (5 керновых проб) с FeO + Fe2O3 = 43 % и «рудный» VIIb (11 проб) с FeобЩ. = 69 %. Помимо этого, подкластеры отличаются средней глиноземистостью (AM 0.31 и 2.76), но при одинаковых средних содержаниях Al2O311 — 12 %. Породы подкластеров Vila и VIIb являются соответственно нормо- и гипергидролизатами (ГМ 1.5 и 20.1), нормои суперглиноземистыми, супер- и гипержелезистыми. Таким образом, подкластер Vila из всех пород второй группы тяготеет по своим характеристикам к первой группе.

Кластер VIII. Породы данного кластера представляют собой зону слабоокисленных роговиков, джеспилитов и сланцев со средними содержаниями FeO + Fe₂O₃ = 56 %, SiO₂ = 37.1 %. Это нормогидролиза-ты (ГМ = 1.56) гипержелезистые и гипоглиноземистые, характеризуемые высокой железистостью (в среднем ЖМ = 31.4) за счёт материнского гематита, гидролизатность сопоставима с «породной» в кластере Vila (ГМ = 1.56), а глиноземистость выражается убогим значением AM = 0.05.

Кластер IX. К нему относятся породы с общим содержанием железа таким же, как в кластере VIII (FeO + Fe₂O₃ = 55—57 %) и средним содержанием SiO₂ = 41 %, то есть еще более высоким, чем в кластере VIII. Средние содержания глинозема ничтожно низкие, Al₂O₃ = 0.33—0.09 %, что при высокой кремнеземистости и обусловливает убогие значения AM (AM = 0.01 и даже меньше); здесь самые высокие показатели средней железистости (ЖМ = 157—549). На обеих диаграммах этот кластер занимает крайнее левое положение как нормо-гидролизаты (ГМ = 1.3—1.4) гипержелезистые и гипоглиноземистые. Кластер имеет два подкластера: IXa (56 проб) и IXb (3 пробы), отличающиеся в основном по параметру ЖМ (IXb более железистый и менее глиноземистый).

Кластер X. Обьединяет породы, являющиеся супергидролизатами (ГМ = 6.54) гипержелезистыми и гипоглиноземистыми, с более высоким средним содержанием железа (FeO + Fe₂O₃ = 79.6 %) и низким средним содержанием SiO₂ =12 %. При средней железистости, в общем сопоставимой с кластерами IXa и IXb (ЖМ = 71), породы отличаются всё же чуть более высокой глинозёми-стостью (АМ = 0.09, Al₂O₃ = 1.06 %). Вполне вероятно, что эти породы образовались путем выветривания (мартитизации) джеспилитов, а в дальнейшем подверглись эпигене -тическим сидеритизации и кальци-

Рис. 4. Модульные диаграммы для пород КВ Большетроицкого месторождения: а — сопутствующие и переходные породы; б, в — для БЖР

1 — аллиты; 2 — бокситы; 3, 4 — ожелезнённые породы подошвы коры выветривания по субстрату кварцитов и сланцев; 5 — бедные железные руды; 6 — богатые железные руды; 7, 8 — направления процессов: 7 — гипергенеза, 8 — эпигенеза

Fig. 4. Modular diagrams for WC rocks of Bolshetroitskoe deposit: a) accompanying and transitional rocks; б, в) for rich iron ores

1 — allites; 2 — bauxites; 3, 4: ferriferous rocks of base of weathering crust on substrate of quartzites and shales; 5 — poor iron ores; 6 - rich iron ores; 7, 8: directions of processes: hypergenesis (7) and epigenesis (8).

тизации. Отсутствие в анализах СО2 не позволило выделить здесь подкластер карбонатизированных пород.

Кластер XI. Представляет собой породы-гипергидролизаты (ГМ = = 16.8) гипержелезистые и нормоглиноземистые. По сравненению с предыдущим, в этом кластере породы отличаются меньшей железистостью (ЖМ = 17.8) и гораздо большей глиноземистостью. Хотя средние содержания алюминия невысокие (Al₂O₃ = 4.37 %), при низких содержаниях кремнезема (SiO₂ = 5.02 %) у них повышенный алюмокремние-вый модуль АМ (0.87), превосходящий каолинитовую норму. Общее содержание железа FeO + Fe₂O₃ = = 79.8 %. Очевидно «промежуточное» положение этого кластера. В керновых пробах помимо выветре-лых сланцев с прослоями руды и ожелезнённых кварцитов здесь отмечены существенно мартитовые разновидности пород с бертьерином, иногда карбонатизированные (с сидеритом или с кальцитом).

Кластер XII. Породы почти нацело сложены оксидами железа, поэтому общее среднее содержание железа здесь максимальное (FeO+Fe₂O₃ = 92 %). Являются гипергидролизатами (ГМ = 64.27), гипержелезистыми и нормоглиноземистыми. Характеризуются высокой средней железистостью (ЖМ = 130) и довольно заметной средней глиноземистостью (АМ = 0.49). Но основная черта кластера — максимальная гидролизатность, что характеризует самые богатые железные руды. Она обусловлена максимальными содержаниями железа и минимальными содержаниями кремнезема (SiO₂ = 1.95 %). На рис. 4 в кластер заметно перекрывается с кластерами Х и XI, что доказывает отсутствие резких границ между разновидностями железных руд.

Вопросы генезиса пород формирующих кору выветривания

Эволюция преимущественно сланцевых пород, которые отнесены нами к первой группе , происходила в двух направлениях. Межкварцитовые сланцы подверглись наименьшему выносу кремнезёма. Их слабое ожелезнение происходило за счёт растворения слоистых силикатов. Филлитовидные сланцы, частично в своём современном 32

состоянии перекрывающие БЖР, были выведены на поверхность в до-визейское время. Здесь они подверглись латеритизации — вплоть до бокситообразования. Это подтверждается несколькими участками коры выветривания, уцелевшими от размыва.

Богатые железные руды Большетроицкого месторождения — наиболее типичные гипергенные продукты коры выветривания железо-кремнисто-сланцевой формации Курской магнитной аномалии [2]. Начиная с позднего ордовика до конца раннего девона и частично в эйфельское время в пределах Воронежской антекли-зы преобладал аридный климат, о чем свидетельствуют толщи эвапоритов — доломитов с включениями гипса, ангидрита, а также залежи галита. В жи-ветско-раннефранское время формировались маломощные гётитовые образования. На этом этапе эпигенез КВ был связан преимущественно с заболачиванием, что привело к образованию кальцита. В елховско-бобри-ковское время, по-видимому, происходила латеритизиция и дальнейшее окисление пород КВ.

Наиболее полную картину преобразований отражает профиль железорудной КВ, которую представляет вторая группа . Породы субстрата в период формирования довизейской КВ претерпели окисление магнетита и интенсивное выщелачивание кварца с накоплением железа. Далее, в позднетульское время, гипергенез приобретает черты метасоматического, секреционного и общего перекристаллизационного минерало -образований [2].

Погружение КВ привело к бер-тьеринизации и сидеритизации БЖР перед перекрытием её новыми осадками. На границе тульского и алексинского времени происходит замедление опускания территории в пределах Белгородского района, а на отдельных участках водоразделов с латеритным покровом — кратковременные малоамплитудные поднятия, которые привели к осушению уже частично преобразованной КВ и её частичному переотложению (отмечены появления бёмита вместо гиббсита и второй генерации сидерита).

Эпигенетическая бертьериниза-ция [3], по-видимому, происходила по двум сценариям. В первом бертье-рин мог формироваться по субстрату почти идентичного ему по соста- ву первичного (метаморфогенного) шамозита. Во втором — по субстрату структурно близкого ему каолинита [7]; такой бертьерин приурочен к верхним частям первичного (остаточного) профиля выветривания и к бокситоносным сильно вы-ветрелым сланцам. Значения Si/Al в нем не превышают 1.7. Содержание Mg2+ в октаэдрических позициях достигает почти 2 % [3]. Два процесса, протекавшие в КВ — формирование первичной (остаточной) КВ по докембрийскому субстрату и поздняя эпигенетическая цементация КВ карбонатами и бертьерином — показаны на рис. 4 двумя видами стрелок. Даже это схематичное изображение демонстрирует большую сложность (многоэтапность) процессов формирования современных литотипов на Большетроицком месторождении.

Выводы

• 1.    На основании более 1000 анализов керновых проб Большетроицкого месторождения железных руд, полученных из 45 поисковых и разведочных скважин, произведена литохимическая группировка (кластеризация) пород мощной рудоносной коры выветривания (КВ) с помощью трех литохимических модулей: ги-дролизатного (ГМ = (TiO₂ + Al₂O₃ + + Fe₂O₃ + FeO + MnO)/SiO₂), алюмо-кремниевого (АМ = Al₂O₃/SiO₂) и железного (ЖМ = (Fe₂O₃+FeO+MnO)/ (TiO₂+Al₂O₃)).

• 2.    С помощью модульных диаграмм АМ-ЖМ и ГМ-ЖМ удалось выделить в образованиях КВ 12 кластеров, в основном отвечающих определенным литотипам. Среди выделенных кластеров 6 аттестуют -ся как «вмещающие и сопровождающие породы», т. е. в разной степени измененные железистые сланцы и кварциты с содержанием общего железа (Fe_общ) менее 50%, и 6 — как железные руды с содержанием общего железа более 50 %.

• 3.    Анализ имеющихся минералогических и геохимических данных позволяет заключить, что исходный джеспилито-сланцевый докембрийский субстрат за сотни миллионов лет претерпел ряд глубоких изменений, связанных с формированием первичной (остаточной) КВ в до-эйфельское время и ее эпигенетическими изменениями в раннем карбоне и в последующее время. В этих сложных процессах можно выделить не менее четырех этапов: 1) собст-

  
  
  

венно выветривание, 2) погружение сильно окисленных сланцев и джеспилитов, 3) карбонатизация и бер-тьеринизация в условиях позднего диагенеза, 4) уплотнение и формирование современного облика образований КВ в условиях начального катагенеза. Силикатные сланцы пре