Железистые породы: виды, распространенность и практическое использование

Железистые породы распространены в земной коре крайне неравномерно и не относятся к числу доминирующих типов осадочных пород. Однако такое утверждение справедливо, скорее, лишь для фанерозоя, т.к. в протерозое железистые породы формировались на земной поверхности повсеместно. Их распространенность и мощность в начале протерозоя были таковы, что в настоящее время даже выделяется самостоятельный период геологической истории, получивший название сидерий. Железистые породы — это осадочные образования, которые на 50% и более сложены железо-содержащими минералами, включая магнетит, гематит, гетит, гидрогетит, лимонит, сидерит и шамозит. Здесь следует отметить, что в тех случаях, когда в осадочной породе железо содержится в промышленных концентрациях, то такая порода будет называться железной рудой. Железные породы и железные руды не являются тождественными понятиями. Более того, в разных регионах мира и разных странах их соотношение будет различным вследствие различных кондиций, утвержденных для железных руд. Если в России промышленную ценность имеют породы, содержащие всего около 30% железа (а на Качканарском месторождении эксплуатируются руды с содержанием лишь 16% железа), то во многих других странах этот показатель соответствует 60%. Таким образом, в России все железистые породы являются железными рудами, тогда как в других странах некоторые породы с содержанием железа выше 50%, но ниже установленных кондиций, к железным рудам не относятся. С другой стороны, в России железные руды целого ряда месторождений железистыми породами не являются и соответствуют другим типам осадочных (и не только) образований.

Рассмотрим основные породообразующие минералы железистых пород.

Магнетит Fe²⁺Fe³⁺₂O₄ (кубический) образует октаэдрические, реже ромбододекаэдрические и кубические кристаллы. Агрегаты зернистые, друзовые, радиально-лучистые, почковидные, оолитовые, сажистые. Минерал обладает сильными магнитными свойствами. Цвет черный, иногда с синеватой побежалостью. Твердость 5,5−6,0, удельный вес 4,8−5,3.

Гематит Fe₂O₃ (тригональный) образует кристаллы пластинчатые, ромбоэдрические, редко призматические и скаленоэдрические. Агрегаты листоватые («железная слюдка», «железная роза»), зернистые, чешуйчатые, плотные скрытокристаллические, почковидные, натечные, землистые, оолитовые. Минерал черного или стально-серого цвета, однако землистые агрегаты могут быть от матовых до ярко-красных. Твердость 5−6, удельный вес 5,256. железистый минерал геологический петрографический Гетит FeOOH (ромбический) образует кристаллы призматического и пластинчатого габитуса. Агрегаты плотные, почковидные, гроздевидные, сталактитовые, чешуйчатые, охристые, землистые, оолитовые, пизолитовые, известны конкреции. Минерал черного, темно-бурого, желтоватои красновато-бурого цвета. Твердость 5−5,5, удельный вес 4,3.

Гидрогетит (лепидокрокит) FeOOH (ромбический) образует кристаллы таблитчатого и пластинчатого до волокнистого габитуса. Агрегаты в виде розетки табличек, а также землистые, зернистые. Минерал красного до бурого цвета. представляет собой скрытокристаллические образования лепидокрокита или гетита, которые содержат разнообразные механические и химические примеси. Часто используется для полевого обозначения природных водных окислов железа. Агрегаты сталактитовые, гроздевидные, смолоподобные, землистые, порошковидные, хлопьевидные, охристые, ноздреватые, лакоподобные пленки, пизолиты и оолиты. Цвет бурый различных оттенков, а также черный и охристо-бурый. Твердость 4−5,5, удельный вес 2,7−4,3.

Сидерит FeCO₃ (тригональный) образует кристаллы ромбоэдрические, таблитчатые, призматические, скаленоэдрические. Агрегаты землистые, гроздевидные, шаровидные, землистые, оолитовые. Цвет минерала желтовато-, серовато-, черноватои красновато-коричневый, пепельно-, желтоватои зеленовато-серый. Твердость 4−4,5, удельный вес 3,96.

Шамозит (Fe²⁺, Fe³⁺)₃[(OH)₂AlSi₃O₁₀]*{(Fe, Mg)₃(O, OH)₆} является минералом со структурой хлорита и по сути представляет железистую разность окисленного хлорита. Агрегаты землистые и оолитоые. Цвет минерала зеленый до черного. Твердость 3, удельный вес 3−3,4. В латеритно-глинистых отложениях шамозит слагает оолиты и промежуточную массу железистой руды, ассоциируясь с сидеритом и каолинитом.

Основными петрографическими типами железистых пород являются

массивный массивно-слоистый оолитовый латеритный Массивный тип железистых пород характеризуется большой мощностью, огромными площадями распространения, всегда высокими содержаниями железа, а также обычно сильной степень метаморфизованности. То же самое относится и к массивно-слоистому типу, который отличается более четким проявлением в породе слоистости. Оолитовый петрографический тип железистых пород отличается меньшей распространенностью, оолитовыми, псевдооолитовыми, органогенно-детритовыми структурами, а также относительно невысоким содержанием железа. Латеритный тип характерен для кор выветривания, причем для верхний их частей. Несмотря на высокое качество пород этого типа для использования в качестве руды (высокая концентрация железа), они пользуются небольшим распространением и имеет крайне малую мощность.

Железистые породы встречаются в 5 основных видах формаций:

кварцевые джеспилиты железистые сланцы оолитовые железистые породы латеритные коры выветривания россыпные руды Кварцевые джеспилиты (итабириты, полосчатые и гранулярные железистые формации) пользуются среди железистых пород наибольшим распространением. Они представляют чередование тонких слойков, сложенных гематитом и кварцем. Формирование этих пород имело место в раннем протерозое. Дискуссии относительно их происхождения продолжаются до настоящего времени. Проблема заключается в необходимости объяснения высокой концентрации кислорода, необходимого для окисления железа. Некоторые авторитетные специалисты достаточно убедительно доказывают, что высокие концентрации кислорода в атмосфере, сопоставимые с современными, существовали в атмосфере изначально. Однако большинство специалистов обращают внимание на массовое распространение эукариотов, которое произошло около 2 млрд л. Именно это событие параллелизовалось с резким скачком концентрации кислорода. В это же время имело место увеличение потока железа в океан (из недр или со стороны континента). Все это способствовало массовому накоплению окисленного железа в морских бассейнах. Однако есть и альтернативное объяснение происхождения кварцевых джеспилитов, которое связывает последнее со специфическими диагенетическими процессами. В настоящее время предлагается еще одна модель, которая показывает, что накопление кварцевых джеспилитов вообще не было связано с концентрацией кислорода. Циркуляция высокотемпературных гидротерм на океаническом дне в вулканических породах и эвапоритах приводила к их обогащению металлами (в т.ч. железом) и серой. При выходе на дно растворы быстро перемешивались с морской водой, имевшей иную соленость. Более того, эта вода содержала достаточное количество кислорода. В зависимости от концентрации последнего формировались оксиды и гидроксиды железа, сидерит или пирит. Сразу после прекращения гидротермальной деятельности в морском бассейне устанавливались условия эвксинии, что было связано с деятельностью сульфат-редуцирующих бактерий и обогащенностью воды сульфатами. В это время железо связывалось в форме сульфидов. Постепенно снижение интенсивности накопления кварцевых джеспилитов объясняется снижением температуры в недрах планеты. Однако такая модель подтверждается далеко не полностью. Например, ранее уже обращалось внимание на то, что в до-протерозойское время высокие концентрации железа, поставляемого гидротермальными растворами, существовали ниже пикноклина. Изменение уровня Мирового океана, равно как и локальное изменение глубины бассейнов седиментации также могло выступать важным фактором, контролирующим накопление кварцевых джеспилитов. Лишь в последние 5 лет были получены достоверные реконструкции континентов для начала протерозоя. Наличие крупного суперконтинента Кенория показывает реальность усиления потока железа с размываемой суши в океан. На территории России крупнейшим проявлением кварцевых джеспилитов является район Курской магнитной аномалии (КМА).

Железистые сланцы аналогичны кварцевым джеспилитам. Однако они имеют значительно менее метаморфизированный глинистый субстрат. Для них характерна четко выраженная слоистость, меньшие площади распространения. Эти породы менее крепкие, а потому лучше поддаются переработке. В качестве примера можно указать железистые сланцы в районе Кривого Рога (Украина).

Важно обратить внимание на тот факт, что железистые формации докембрия принято разделять на полосчатые и гранулярные в зависимости от их текстурных особенностей и характера проявления слоистости. Более того, установлен тот факт, что гранулярные формации стали накапливаться значительно позднее полосчатых, четкого объяснения чему не существует.

Оолитовые железистые породы, наоборот, известны из значительно более молодых (как правило, кайнозойских) отложений. Они отличаются слабой литификацией, постоянным присутствием форменных элементов в виде оолитов и пизолитов, а также наличием большого количества обломков ископаемых организмов. Формирование этого типа железистых пород связано с шельфовыми условиями и специфической гидрохимической (pH-Eh) и гидродинамической обстановкой. Обычно считается, что железо в растворенном состоянии или в виде коллоидов поступает со стороны суши. Однако такое объяснение не учитывает очень быстрое связывание железа и, следовательно, невозможность его длительной транспортировки. В настоящее время обосновываются новые модели, которые принимают во внимание источники железа на морском дне. Оолитовые железистые породы пользуются широким распространением на Керченском и Таманском полуостровах.

Латеритные коры выветривания формируются во влажном жарком (как правило, экваториальном) климате, когда интенсивно развиваются процессы глубокого химического разложения (включая окисление) почвы и подстилающих пород с повышенным содержанием алюмосиликатных минералов. Латериты имеют красный цвет, твердое каменистое (на воздухе), сильно пористое или землистое сложение, иногда бобовую структуру и состоят из каолинита, окислов железа, двуокиси титана, гиббсита, магнетита и галлуазита. Наиболее характерные латеритные коры выветривания известны в Австралии, Индии и Южной Америке.

Россыпи минералов железа встречаются очень редко в силу быстрого окисления. Однако они известны в ископаемом состоянии среди отложений, которые накапливались в эпохи, характеризовавшиеся пониженной концентрацией кислорода.

Необходимо также отметить, что формирование небольших прослоев железистых пород происходит в застойных озерах и в болотах при избыточном поступлении железа со стороны окружающей суши.

Практическое использование железистых пород связано с получением из них собственно железа, а также с изготовлением окислов и гидрокислов железа в качестве натуральных красителей.