Особенности формирования лимногенных полезных ископаемых

Полный текст

Введение Проблемы формирования осадочного вещества лимногенного (озерного, озерно-болотного, озерно-аллювиального и т. д.) происхождения, его роли в континентальном литогенезе и формировании месторождений полезных ископаемых исследовались долгое время сравнительно мало, но сегодня именно с ним связывают образование широкого спектра осадочных полезных ископаемых, некоторые из которых практически не формируется в иных фациальных обстановках [1]. Целью данной работы является характеристика основных видов лимногенных полезных ископаемых, как современных, так и древних, выявление их генетических особенностей, сравнение с аналогичными видами минеральных ресурсов осадочного происхождения, накопившихся в других фациальных условиях. 1. Полезные ископаемые современных озер Озера являются важнейшим источником пресной воды на планете, которая является наиболее ценным полезным ископаемым современных озер. В пресных озерах мира сосредоточено около 90 тыс. км3 воды, что в 40 раз больше, чем единовременный объем воды во всех реках планеты. Запасы пресной воды в озерах потенциально велики, однако интенсивность ее изъятия и загрязнения в отдельных районах планеты столь высока, что качество озерных вод непрерывно ухудшается. Озерным водам посвящена обширная литература, анализ которой требует отдельного рассмотрения. В настоящем разделе остановимся на твердых полезных ископаемых, добываемых из современных озер. Диатомит - легкая тонкопористая горная порода, состоящая из кремнистых скелетов диатомовых водорослей. Диатомиты имеют очень малую плотность, низкую тепло- и звукопроводность, обладают тугоплавкостью и химической стойкостью и используются в качестве строительных и теплозвукоизоляционных материалов, фильтровальных порошков и адсорбентов. Современные и древние озерные диатомиты встречаются на планете реже, чем морские, образуют меньшие по запасам залежи, но выгодно отличаются от них более высокой чистотой, поскольку в меньшей степени загрязнены терригенными осадками. Континентальные (озерные) диатомиты являются отложениями областей холодного гумидного типа литогнеза и формируются в зонах выхода кристаллических пород на щитах и в областях развития кислого вулканизма. Хорошо изучены и разведаны голоценовые диатомиты малых озер Северо-Запада России, однако значительная конкуренция сапропелевого и диатомового типа седиментации в озерах региона определяет их относительно локальное развитие. В частности, для накопления диатомитов необходимо повышенное содержание доступного для растворения кремнезема, что возможно при достаточно ограниченном сочетании геолого-геоморфологических и ландшафтных условий на водосборах (рис. 1). Сапропель представляет собой коллоидный осадок пресноводных водоемов, состоящий из остатков планктона и бентоса, а также отмерших частей макрофитов и гумусовых частиц почвы. Сапропелевые отложения образуются в условиях гумидного типа литогенеза и преобладают в лесной зоне с моренным типом рельефа (см. рис. 1). Сапропелевые отложения выполняют дно современных озер или залегают на месте исчезнувших озер в виде горизонтов и линз, перекрытых торфяниками. Мощность сапропелевых залежей обычно не превышает 10 м, но в отдельных случаях может достигать 40 м. Все промышленные месторождения сапропеля образовались в голоцене на протяжении последних 10 тыс. лет. Сапропель используется как органоминеральное удобрение, при приготовлении питательных смесей, в качестве витаминно-кормовых добавок, лечебных грязей для терапии, как сорбент. Озерная известь представляет собой рыхлый осадок, состоящий из биогенного и хемогенного CaCO3. Карбонат кальция может осаждаться непосредственно из растворенного в озерной воде гидрокарбоната кальция Ca(HCO3)2 при удалении из нее CO2, или при помощи водных растений и водорослей, например Potamogeton и Chara. Мировые запасы озерной извести сосредоточены в озерных отложениях лесной зоны Евразии, накопившихся в раннем голоцене. В настоящее время осаждение карбонатов в озерах этой зоны практически не происходит. Рис. 1. Схема формирования залежей диатомитов и сапропелей в малых озерах Карелии: I - зандровые равнины на мощных песчаных толщах; II - моренная равнина; 1 - коренные породы, 2 - пески, 3 - морена, валунная супесь, 4 - диатомиты, 5 - сапропели, 6 - подзолы, 7 - торф, 8 - поверхностноподзолистые почвы, 9 - грунтовые воды с низким содержанием органического вещества, переносящие растворенный кремнезем, 10 - обедненные кремнеземом кислые гумусированые грунтовые воды. По И.Н. Демидову, Т.С. Шелеховой [2] Figure 1. Diatomite and sapropel deposits formation scheme in small lakes of Karelia: I - outwash plains on thick sandy strata; II - moraine plain; 1 - bedrocks, 2 - sands, 3 - moraine, boulder sandy loam, 4 - diatomites, 5 - sapropels, 6 - podzols, 7 - peat, 8 - surfacepodzolic soils, 9 - groundwater with a low content of organic matter, carrying dissolved silica, 10 - silica-depleted acidic humus groundwater. According to I.N. Demidov, T.S. Shelekhova [2] Рассолы и осадок (рапа) соленых озер аридных областей являются ценным источником минеральных солей, Br, I, B, Li, Rb. По мере роста засушливости климата формируются сначала карбонатные (степи), затем сульфатные (полупустыни) и, наконец, хлоридные озера (пустыни), при этом катионный состав рассолов и осадка переходит из кальциевой группы в магниевую и натриевую. В соленых озерах каждой группы выпадение минеральных фаз в осадок происходит в определенной последовательности, связанной с физико-химическими законами растворимости. Содовые эвапориты используются для извлечения каустической и кальцинированной соды, буры, лития. Из озер сульфатного класса добываются гипс, мирабилит, тенардит, астраханит, галит. Основным полезным продуктом хлоридных озер является галит, а на завершающих стадиях галогенеза в них откладываются бишофит, а иногда калийные соли (сильвинит, карналлит). Железомарганцевая руда - разновидность бурожелезняковых (лимонитовых) руд осадочного происхождения. Гидроксиды железа и марганца, поступающие в озера с грунтовыми водами, откладываются на их дне в виде оолитов округлой или бобовидной формы. Скопления железомарганцевых бобовин (гидрогетит, псиломелан и др.) образуют на дне ряда северных озер залежи так называемой озерной бобовой железной руды. Рудные тела представляют собой линзы и пласты, состоящие из зимних прослоев гидрооксидов и летних песчано-глинистых слойков. В прошлом бедные лимонитовые руды являлись практически единственным источником железа, так как залегают они неглубоко и могут добываться кустарным способом. В настоящее время их залежи практически не разрабатываются. 2. Полезные ископаемые современных озер Залежи строительных материалов, главном образом, песков и глин, очень часто формируются в современных озерных обстановках, однако их промышленно значимые месторождения, как правило, связаны со слаболитифицированными комплексами древних (чаще четвертичных) озер. Поэтому эти полезные ископаемые мы относим к категории древних. Пески озерного происхождения по сравнению с континентальными песками аллювиального и флювиогляциального генезиса отличаются средней и хорошей сортировкой песчаной фракции и присутствием заметного количества загрязняющих алевритовых и глинистых частиц. Озерные пески, в отличие от морских, не содержат глауконита, однако их минералогические составы сильно различаются и во многом определяются тектоническим режимом территории в период осадконакопления. Пески озерного генезиса обладают хорошими качествами не только строительных смесей, заполнителей бетонов и формовочных материалов, но и сырья для производства керамики и стекла (кварцевые пески) [3]. Глины в озерах формируются в результате переотложения тонкодисперсных продуктов выветривания кристаллических пород или выпадения аутигенных коллоидных частиц. Минеральный состав глин определяется типом выветривания горных пород и pH водной среды. В озерах гумидных областей формируются каолинитовые или гидрослюдистые глины, которые сохраняются благодаря кислой реакции пресных вод. Каолинитовые глины используются в керамической, огнеупорной, бумажной промышленности. Образование гидрослюдистых глин происходило преимущественно в озерах холодного и умеренного климата. Их пластичные и однородные разности применяются для изготовления неогнеупорной керамики. В озерах аридных областей с щелочной реакцией среды формируются монтмориллонитовые (смектитовые) и палыгорскит-сепиолитовые глины, область применения которых определяется их хорошими абсорбционными и ионообменными свойствами. Мергели и известняки в ископаемых лимногенных комплексах встречаются относительно редко и не образуют крупных месторождений. Они залегают обычно в виде маломощных линз, вложенных в песчано-глинистые терригенные отложения. В озерных обстановках формируются также фосфориты, однако по экономическому значению они значительно уступают фосфатным рудам морского генезиса. Фосфатоносность, связанная с озерными диатомитовыми илами в вулканических областях, выявлена в Закавказье а также в Танзании. Практически единственное крупное месторождение лимногенных фосфоритов приурочено к плейстоценовым озерным осадкам, залегающим в южной части котловины озера Маньяра, расположенного недалеко от вулкана Килиманджаро. Кроме того, в верхнемеловых отложениях Амуро-Зейской впадины описаны фосфориты, связанные с микробной и фитогенной компонентой осадков пойменных и старичных озер, существовавших в условиях умеренно теплого гумидного климата [4]. Лимногенные сапропели являются исходным органическим материалом для формирования сапропелитовых углей, которые слагают линзы в пластах гумулитовых углей. Последние формируются не только из остатков наземной автохтонной древесной растительности, но и из переотложенного в озерных водоемах гумуса. Сапропелиты, претерпевшие буроугольную либо начальные этапы каменноугольной стадии метаморфизма, представляют ценное химическое сырье, но раздельно от гумолитов, как правило, не добываются. Поэтому угли правильнее считать не собственно полезными ископаемыми древних озер, а накоплениями озерно-болотных комплексов, т. е. они являются лимногенными в широком смысле этого термина. Горючие сланцы - твердые высокозольные каустобиолиты, содержащие битуминоидные вещества из водорослевого детрита с участием гумуса. Для накопления горючих сланцев необходимо сочетание высокой биопродуктивности водоемов с низкой хемогенной и терригенной седиментацией, поэтому горючие сланцы ассоциируются с карбонатными и глинистыми породами. Литологические особенности месторождений горючих сланцев позволяют сделать вывод, что их накопление происходило не только в глубоких стратифицированных озерах, но и в мелководных водоемах плайевого типа. В первом случае литификации органического вещества способствовала восстановительная (бескислородная) среда статичных придонных вод, а во втором - регулярное (сезонное) высыхание и обезвоживание органических илов, препятствующее их разложению. С эоценовой формацией Грин-Ривер на западе США связаны крупнейшие мировые запасы горючих сланцев и троны (содовый эвапорит). Отложения этой формации накапливались в нескольких самостоятельных озерных бассейнах, возникших во впадинах палеорельефа (рис. 2). Их фациальная структура связана с изменениями климата, в ходе которых озера из мелководных пересыхающих (в аридные эпохи) становились глубоководными стратифицированными (в плювиальные эпохи), и наоборот. Битуминоидный карбонатно-глинистый материал накапливался в центральной части палеоозер обоих типов. Залежи углеводородов, связанные с ископаемыми озерными комплексами, представляют собой отдельную генетическую группу месторождений и имеют весьма высокое экономическое значение, обеспечивая порядка 20 % мировой добычи углеводородов [6]. Генетической особенностью нефтегенного органического вещества озерного генезиса является его высокая геохимическая гетерогенность по сравнению с морскими и аллювиально-болотными фациями, при этом общее высокое содержание в нем планктоногенного вещества способствует образованию качественных углеводородов с высоким содержанием водорода. В озерных бассейнах накапливаются преимущественно нефтематеринские отложения, реже газоматеринские, причем последние формируются в пресноводных водоемах в сочетании с аллювиально-болотными угленосными фациями. Нефтематеринские породы и резервуары озерного происхождения играют значительную роль в формировании месторождений углеводородов платформенных рифтогенных бассейнов, нижних (синрифтовых) комплексов пассивных окраин, межгорных и предгорных впадин. Нефти озерного генезиса по сравнению с углеводородами морского и дельтового генезиса имеют улучшенные физико-химические свойства - меньшую сернистость и большую парафинистость, однако их скопления отличаются глубоким залеганием (особенно в рифтогенных осадочных бассейнов), что осложняет эксплуатацию месторождений этого сырья. Рис. 2. Схематический разрез лимногенной формации горючих сланцев и троны Грин-Ривер. I-IV - фации: I - битуминоидные мергели, отложенные в пресноводном озере; II - фации солоноватоводного озера; III - битуминоидные сланцы (фации сублиторали содового бассейна); IV - эвапориты (фации пелагиали содового бассейна). Литологический состав толщи Уилкинс-Пик: 1 - битуминоидные сланцы; 2 - трона; 3 - доломиты; 4 - строматолитовые известняки; 5 - алевролиты; 6 - песчаники. По Х. Редингу [5], с дополнениями Figure 2. Schematic section of the limnogenic oil shale formation and the Green River Thrones. I-IV - facies: I - bituminous marls deposited in a freshwater lake; II - facies of a brackish water lake; III - bituminous shales (facies of the sublittoral zone of the soda basin); IV - evaporites (facies of the pelagic zone of the soda basin). Lithological composition of the Wilkins Peak sequence: 1 - bituminous shales; 2 - throne; 3 - dolomites; 4 - stromatolite limestone; 5 - siltstones; 6 - sandstones. According to H. Reading [5], with additions В процессах накопления лимногенных каустобиолитов на протяжении фанерозоя четко прослеживаются эволюционные трансформации, которые отражают изменение физико-химических условий на поверхности суши, развитие растительности и почв на водосборах, увеличение продуктивности и сложности организации озерных экосистем. Так, в озерах раннего палеозоя накапливались планктоногенные осадки, продуцирующие только горючие сланцы и жидкие углеводороды с общей тенденцией к росту интенсивности накопления сапропелевого вещества на протяжении всего фанерозоя. В позднем палеозое с развитие макрофитной растительности на водосборах озер стало возможным прогрессирующее накопление гумусового вещества и широкое углеобразование в аллювиально-озерных и озерно-болотных системах. Древние эвапориты, как и минеральные соли современных озер, можно разделить на карбонатный, сульфатный и хлоридный типы, однако их соотношение на протяжении фанерозоя заметно менялось. Докайнозойские эвапориты формировались чаще в условиях галогенеза хлоридного типа с отчетливо выраженной калийной фазой и были связаны в большей степени с водами морского генезиса и приморскими озерами. Накопление молодых эвапоритов происходило все чаще во внутриконтинентальных соленых озерах, причем в кайнозое в них начал преобладать сульфатный галогенез. Сульфатовая эволюция озерных эвапоритов является результатом возрастания роли окислительных процессов в корах выветривания, продуцирующих оксиды серы. Цеолиты - большая группа водных алюмосиликатов из подкласса каркасных силикатов. Кристаллическая решетка цеолитов отличается наличием полостной структуры [AlSi]O4- с отрицательным зарядом, компенсируемым катионами, что определяет наличие у них ряда полезных физико-химических свойств, позволяющих использовать цеолиты в качестве адсорбентов, ионообменников, молекулярных сит [7; 8]. Обычно цеолитовые отложения формировались в соленых и солоноватых озерах карбонатного типа при взаимодействии их щелочных вод или рассолов (рН=9-10) с кислым (трахитовым) вулканическим стеклом. Подробно изучены обстановки озерного цеолитообразования в Монголии, а также Индокитае, где был сделан прогноз новых месторождений этого сырья [9]. 3. Рудные Ископаемые железомарганцевые образования известны в лимногенных комплексах Урала, однако большого практического применения они не имеют. Большинство месторождений бурого железняка раннемелового возраста (Средний Урал), кайнозойских оолитовых руд и части олигоценовых железомарганцевых отложений (Южный Урал) принадлежат озерным комплексам посторогенного этапа развития Урала. Их образование относится к периоду разрушения толстого слоя элювиальных пород (ранний мел) с последующим отложением этих пород в узких грабенообразных озерных структурах [10; 11]. Бокситы являются основной алюминиевой рудой, состоящей из смеси гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и глинистых минералов. Бокситы в озерных обстановках накапливаются в результате переотложения продуктов латеритовых кор выветривания, образующихся в результате глубокого физико-химического выветривания алюмосиликатных пород в условиях влажного тропического климата. На посто рогенном этапе развития Урала сформировалось Южно-Уральское месторождение бокситов, в котором линзообразные рудные тела связаны с древними карстовыми озерами, развитыми в кровле девонских отложений. Относительно небольшие залежи бокситов воронкообразной морфологии распространены в Средиземноморье и развиты в кровле закарстованных морских известняков (рис. 3). Рудные месторождения формировались в приморских карстовых озерах, в которых концентрировались алюмосиликатные продукты растворения карбонатных пород. В озерных обстановках формируются медные руды медистых песчаников и сланцев. Например, в Джезказганском стратиформном месторождении в Центральном Казахстане сульфидная медь накапливалась в сероцветных фациях подводных дельт средне-верхнекаменноугольного возраста, переходящих в линзовидные слои озерных песков и алевритов, причем рудные тела выдержаны по простиранию и приурочены к определенным стратиграфическим горизонтам [13]. Каждый цикл осадконакопления продуктивной толщи начинается с накопления более крупнозернистых пород и заканчивается мелкообломочными. Озера, на литорали которых накапливались рудные компоненты, по-видимому, были мелководными и периодическими. Рис. 3. Залежь бокситов в приморской карстовой воронке, образовавшейся при морской регрессии в интервале «верхний мел - нижний эоцен». Район г. Вишняна, п-ов Истрия, Хорватия: 1 - известняк, нижний эоцен; 2 - боксит; 3 - бокситовая глина и глинистый боксит; 4 - вмещающий бокситы известняк, сенон. По Д. Бардошши [12] Figure 3. Bauxite deposit in a coastal sinkhole formed during marine regression in the Upper Cretaceous - Lower Eocene interval. Region of Vishnjana, Istria Peninsula, Croatia: 1 - limestone, Lower Eocene; 2 - bauxite; 3 - bauxite clay and clayey bauxite; 4 - enclosing bauxite limestone, Senonian. According to D. Bardoshshi [12] С озерными обстановками связаны россыпные залежи, образующие небольшие месторождения регионального значения. Дифференциация россыпных минералов в озерах сравнительно мала, поэтому появление озерных россыпей промышленного значения происходит сравнительно редко. В озерах россыпные минералы (высокоплотные и стойкие к истиранию) накапливаются при разгрузке потоков речных наносов; в результате размыва прибоем коренных месторождений или древних россыпей. Известны промышленные пляжевые озерные россыпи золота, шеелита, касситерита и тантало-ниобатов, алмазов, а также янтаря, причем последние связаны не с пляжевыми, а с глубоководными озерными фациями. При разработке черносланцевых лимногенных толщ попутно извлекаются такие цветные, рассеянные и радиоактивные металлы, как молибден, свинец, цинк, ванадий, рений, германий, уран. Заключение В современных и древних озерных обстановках формируются многие виды нерудных и рудных полезных ископаемых, имеющих важное практическое значение. С озерными отложениями связаны месторождения строительных песков, россыпных руд, цементных и керамических (в том числе огнеупорных) глин, мергелей, диатомитов, эвапоритов (трона, тенардит, гипс, эпсонит, галит, карналлит, сильвин, бишофит и др.) и каустобиолитов. Биогенный осадок, который накапливался в древних озерах, может преобразовываться в битуминоидные (горючие) сланцы, которые при катагенезе способны генерировать нефть и газ. Анализ эволюции процессов озерного литогенеза позволяет сделать вывод об увеличении интенсивности накопления каустобиолитов на протяжении фанерозоя. Также отмечена тенденция большего образования сульфатных минералов в озерных структурах кайнозойского возраста по сравнению с более древними формациями, в которых преобладают мощные толщи хлоридных эвапоритов. Таким образом, наиболее значительные трансформации затронули процессы накопления лимногенных полезных ископаемых биогенного и хемогенного происхождения. Что касается формирования рудных полезных ископаемых в лимногенных структурах, то для этих процессов характерна схема рудогенеза, при которой озерные комплексы играют роль концентраторов и обогатителей рудного вещества. Вода, сапропель, озерная известь, диатомит и минеральные соли являются основными полезными ископаемыми, добываемыми из современных озер. Меньшее разнообразие полезных ископаемых современных озер по сравнению с древними озерными комплексами объясняется незавершенностью процессов их образования в современных областях континентального осадконакопления. Особенностью исследований на современном уровне изученности процессов озерного литогенеза является возможность анализа и прогноза большого количества как нерудных, так и рудных полезных ископаемых, что особенно актуально в связи с большим ресурсным значением лимногенного типа осадочных полезных ископаемых.

Об авторах

Андрей Андреевич Рассказов

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: rasskazo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9508-1576

профессор департамента недропользования и нефтегазового дела, инженерная академия, доктор геолого-минералогических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Евгений Сергеевич Горбатов

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: e.s.gor@mail.ru
SPIN-код: 7474-4881

старший научный сотрудник лаборатории палеосейсмологии и палеогеодинамики, кандидат геолого-минералогических наук

Российская Федерация, 123242, Москва, ул. Б. Грузинская д. 10, стр. 1

Александр Евгеньевич Котельников

Российский университет дружбы народов

Email: kotelnikov-ae@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0622-8391

доцент департамента недропользования и нефтегазового дела, инженерная академия,кандидат геолого-минералогических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы