Как образуется месторождения осадочных полезных ископаемых

ОСА́ДОЧНЫЕ МЕСТОРОЖДЕ́НИЯ, фор­ми­ру­ют­ся в про­цес­се се­ди­мен­та­ции пре­им. в во­до­ёмах и по­сле­дую­ще­го ли­то­гене­за осад­ков. Пo мес­ту об­ра­зо­ва­ния О. м. раз­де­ля­ют на кон­ти­нен­таль­ные (реч­ные, бо­лот­ные, озёр­ные) и океа­ни­че­ские (мор­ские). О. м. за­ле­га­ют со­глас­но с вме­щаю­щи­ми их оса­доч­ны­ми по­ро­да­ми, обыч­но за­ни­ма­ют стро­го оп­ре­де­лён­ное стра­ти­гра­фи­че­ское по­ло­же­ние и име­ют фор­му пла­стов или пло­ских линз (не­ред­ко вслед­ст­вие ме­та­мор­физ­ма и тек­то­нич. дви­же­ний они де­фор­ми­ру­ют­ся и при­об­ре­та­ют бо­лее слож­ные очер­та­ния). O. м., осо­бен­но мор­ские, обыч­но име­ют круп­ные раз­ме­ры: отд. пла­сты про­тя­ги­ва­ют­ся на де­сят­ки км, a пач­ки пла­стов – на сот­ни км и бо­лее. Ха­рак­тер­ные тек­сту­ры гор­ных по­род в О. м. – се­ди­мен­та­ци­он­но-об­ло­моч­ные, слои­стые, кон­кре­ци­он­ные и др. В за­ви­си­мо­сти от кли­ма­тич. зо­наль­но­сти фор­ми­ру­ют­ся разл. О. м. Гу­мид­ные ус­ло­вия, наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные в про­шлые гео­ло­гич. эпо­хи, осо­бен­но ха­рак­тер­ны для об­ра­зо­ва­ния O. м. уг­лей, бок­си­тов, же­лез­ных и мар­ган­це­вых руд, плат­фор­мен­ных (кон­ти­нен­таль­ных) фос­фо­ри­тов и из­вест­ня­ков. Aрид­ная об­ста­нов­ка соз­да­ёт пред­по­сыл­ки для кон­цен­тра­ции при­род­ных рас­тво­ров и во­вле­че­ния в оса­доч­ное по­ро­до­об­ра­зо­ва­ние лег­ко­рас­тво­ри­мых со­лей, при этом фор­ми­ру­ют­ся ме­сто­ро­ж­де­ния ка­мен­ной со­ли, ка­лий­ных и маг­ние­вых со­лей, гип­са, a так­же мор­ских фос­фо­ри­тов и до­ло­ми­тов. Ле­до­вые ус­ло­вия при­во­дят к на­ко­п­ле­нию пло­хо сор­ти­ро­ван­ных ме­ха­нич. осад­ков, мес­та­ми ис­поль­зуе­мых для стро­ит. це­лей. В об­лас­тях под­вод­ной вул­ка­нич. ак­тив­но­сти фор­ми­ру­ют­ся вул­ка­но­ген­но-оса­доч­ные ме­сто­ро­ж­де­ния.

Пo ха­рак­те­ру осад­ко­на­ко­п­ле­ния вы­де­ля­ют 3 клас­са: ме­ха­но­ген­ные, хе­мо­ген­ные (в т. ч. вул­ка­но­ген­но-оса­доч­ные ме­сто­ро­ж­де­ния, вы­де­ляе­мые ча­стью ис­сле­до­ва­те­лей в от­д. класс О. м.), био­хи­ми­че­ские.

Mеханогенные O. м. пред­став­ле­ны об­ло­моч­ны­ми фрак­ция­ми осад­ков, от­ла­гаю­щи­ми­ся в вод­ной сре­де; ис­клю­че­ние со­став­ля­ют эо­ло­вые пес­ки. К ним от­но­сят реч­ные, при­бреж­но-мор­ские и океа­нич. рос­сып­ные ме­сто­ро­ж­де­ния (зо­ло­та, пла­ти­ны, ал­ма­зов, ми­не­ра­лов ти­та­на, оло­ва, вольф­ра­ма и др.), а так­же ме­сто­ро­ж­де­ния пес­ча­но-гра­вий­но-ва­лун­но­го ма­те­риа­ла (Вя­зем­ское, Ор­шан­ское, Рос­сия), пес­ка (Лю­бе­рец­кое, Рос­сия; Ав­деев­ское, Ук­раи­на), глин (Сы­чёв­ское, Рос­сия).

Xемогенные O. м. об­ра­зу­ют­ся из ис­тин­ных и кол­ло­ид­ных рас­тво­ров на дне во­до­ёмов, вклю­ча­ют ме­сто­ро­ж­де­ния со­лей (Верх­не­кам­ское, Рос­сия; Ста­ро­бин­ское, Бе­ло­рус­сия), гип­са (Но­во­мо­с­ков­ское, Рос­сия), ан­гид­ри­та, бо­ра­тов (Би­га­дич, Тур­ция; Кра­мер, США), ба­ри­та (Хой­лин­ское, Рос­сия; Чи­га­нак, Ка­зах­стан), оса­доч­ных руд же­ле­за (Ан­га­ро-Пит­ский же­ле­зо­руд­ный бас­сейн, Рос­сия; ме­сто­ро­ж­де­ние Клин­тон, США), мар­ган­ца (Ни­ко­поль­ское, Ук­раи­на; Чиа­тур­ское, Гру­зия), а так­же алю­ми­ния – оса­доч­ных бок­си­тов (Тих­вин­ская груп­па ме­сто­ро­ж­де­ний, Рос­сия) и не­ко­то­рых др. цвет­ных, ред­ких и ра­дио­ак­тив­ных ме­тал­лов (медь, мо­либ­ден, ва­на­дий, уран).

Био­хи­ми­че­ские O. м. фор­ми­ро­ва­лись в ре­зуль­та­те хи­мич. про­цес­сов, свя­зан­ных с жиз­не­дея­тель­но­стью ор­га­низ­мов в во­дах и на дне во­до­ёмов и про­дук­та­ми их раз­ло­же­ния, к ним от­но­сят ме­сто­ро­ж­де­ния го­рю­чих га­зов, неф­ти, са­про­пе­ля (оз. Мут­ное, Рос­сия; оз. Су­доб­ля, Бе­ло­рус­сия; оз. Ба­би­тес, Лат­вия), тор­фа (Та­ти­щев­ское, Рос­сия; Тен­же, Лит­ва), бу­ро­го (Кан­ско-Ачин­ский бас­сейн, Рос­сия; Лат­роб-Вал­ли, Ав­стра­лия), а так­же ка­мен­но­го уг­ля и ан­тра­ци­та (Куз­нец­кий бас­сейн, Рос­сия; Пен­силь­ван­ский бас­сейн, США), го­рю­чих слан­цев (Волж­ский бас­сейн, Рос­сия; бас­сейн Грин-Ри­вер, США), чёр­ных слан­цев (Ни­го­зер­ское ме­сто­ро­ж­де­ние шун­ги­тов, Рос­сия) и свя­зан­ных с ни­ми мед­но-по­ли­ме­тал­лич. суль­фат­но-суль­фид­ных руд (ме­сто­ро­ж­де­ния ме­ди­стых слан­цев с C, Pb, Zn, Ag, пла­ти­нои­да­ми – Манс­фельд, Гер­ма­ния; Пред­су­дет­ское, Поль­ша), оса­доч­ных фос­фо­ри­тов (Егорь­ев­ское, Рос­сия; Чи­ли­сай­ское, Ка­зах­стан), ор­га­но­ген­ных кар­бо­нат­ных (Бод­рак­ское ме­сто­ро­ж­де­ние из­вест­ня­ков, Ук­раи­на) и крем­ни­стых по­род (Алек­се­ев­ское, Воль­ское, Рос­сия).

О. м. име­ют круп­ное пром. зна­че­ние. Из них до­бы­ва­ют по­лез­ные ис­ко­пае­мые, ис­поль­зуе­мые в ка­че­ст­ве энер­ге­тич. и хи­мич. сы­рья, в про­из-ве удоб­ре­ний, стро­ит. ма­те­риа­лов и сы­рья для их по­лу­че­ния.

Осадочные месторождения возникают в водной и воздушной средах. Материал для формирования этих месторождений или привносится механическим путем потоками жидкой воды, льда, воздуха, или выпадает из воды, содержащей ряд растворенных в ней продуктов. В ряде случаев большую роль в образовании месторождений играют животные и растения, которые предварительно сконцентрировали в себе те или иные вещества, рассеянные в водной среде или на суше. Существенное значение в возникновении месторождений могут иметь материалы, поступающие из вулканических очагов. Это и твердые продукты в виде пепла, шлака, пемзы и др., и растворенные в горячих вулканических водах и газах различные полезные компоненты (металлы, сера и др.). Вероятно, небольшое количества материалов поступает из космоса в виде пыли и более крупных частиц. Материал, вносимый в реки, озера, моря и океаны с суши, может привноситься в истинных и коллоидных растворах, а также в виде более крупных частиц, взвешенных в потоке воды или воздуха.

На формирование осадочных месторождений большое влияние оказывает климат. Н. М. Страхов, учитывая климат, выделяет три типа литогенеза:

1. гумидный,
2. аридный
3. ледовый.

Кроме того, в отдельный тип он выделяет так называемый азональный тип литогенеза, эффузивно-осадочный. Гумидные условия характеризуются повышенной влажностью, при этом количество метеорных осадков превышает испарение. В этих условиях возникали осадочные месторождения алюминия, железа, марганца, каменного угля и др. В аридных условиях масса воды, удаляемая из верхних частей земли путем испарения, превышает массу, привносимую осадками (пустынные условия). В таких условиях образуются месторождения калийно-магниевых солей, поваренной соли, гипса, доломита, ряд месторождений фосфора и др. В условиях ледового типа литогенеза накапливаются продукты в основном механического выветривания.

Пример — месторождения моренных глин и суглинков, а также валунногравийного материала. Эффузивно-осадочные месторождения представлены залежами кратерно-озерной самородной серы, озерных отложений и рапы озер, содержащих бор, литий, калий, магний. К этой группе относятся некоторые месторождения железного и медного колчедана, оксидов железа и марганца, отложения вулканических пеплов, а если учесть некоторые дополнительные изменения, происходящие на стадии диагенеза вулканогенно-осадочных пород, то и залежи цеолитов и бентонитовых глин. Кроме климата на процессы формирования осадочных месторождений большое влияние оказывают тектонический фактор, обусловливающий специфику образования месторождений па платформах и в геосинклиналях и ряд других особенностей, а также характер (в первую очередь состав) размывающихся толщ, из которых поступает материал для месторождений, рельеф, среда осадкообразования, в том числе и степень удаленности от берега, рельеф дна, соленость воды, наличие гуминовых и других органических кислот и т. д.

В процессе переноса материала, поступающего на участке седиментогенеза из областей размыва, происходит его сортирование, или, как это назвал Л. В. Пустовалов, механическая и химическая дифференциация. Механическая дифференциация способствует разделению осадков по крупности материала (гранулометрическому составу), по их плотности и прочности (механически слабые частицы истираются быстрее). В результате подобной дифференциации, проходящей нередко с неоднократным перемывом уже сформировавшихся осадков, возникают высококачественные месторождения почти мономинеральных кварцевых песков, используемых в стекольной промышленности; залежи гранатсодержащих песков и других видов сырья. В процессе химической дифференциации решающую роль играют миграционная способность элементов и их соединений, а также физико-химическая характеристика среды осадкообразования, влияющие на эту способность. Примером такой дифференциации может служить последовательное осаждение руд алюминия, железа и марганца, отмеченное Н. М. Страховым.

Среди осадочных месторождений с учетом характера процессов выделяют следующие классы:

• механический,
• химический,
• биохимический,
• вулканогенно-осадочный.

К механическому классу, месторождения которого возникают при ведущей роли переотложения продуктов механического выветривания и иного механического разрушения горных пород, относятся ледниковые образования, например моренные глины, флювио-гляциальные, песчано-гравийные и другие образования, эоловые пески, аллювиальные пески и глины, озерные и озерно-болотные глины, озерные пески и песчано-гравийные отложения, морские глины, пески и песчано-гравийные образования, пролювиальные и делювиальные суглинки, глины и пески. Следует подчеркнуть, что на высокое качество огнеупорных озерно-болотных глин влияет присутствие гумусовых кислот, способствующих удалению из зоны седиментогенеза соединений железа. Большинство осадочных месторождений глин формируется при переносе глинистых частиц из зон выветривания или иного разрушения исходных пород в виде коллоидных растворов.

В класс химических месторождений входят такие, генезис которых зависит от тех или иных химических или физико-химических процессов, а также месторождения, на образование которых могли оказать влияние биологические факторы, но установить их роль трудно. К первым относятся месторождения калийно-магниевых солей, поваренной соли, гипсов и др., ко вторым — некоторые месторождения марганца, железа, трепелов и др. Одни месторождения хемогенного генезиса возникли из истинных растворов — месторождения солей, гипса, ангидрита и др., другие из коллоидных растворов — месторождения алюминия, железа и др.

Отложения солей формируются в бассейнах с повышенной соленостью. Надо иметь в виду, что содержание солей в воде Мирового океана в настоящее время составляет в среднем 3,5%. Однако в отдельных морях (например, Красном) оно повышается до 4,2%, в Средиземном до 3,9%. Повышенная соленость морей объясняется затрудненным водообменом с Мировым океаном, а пониженная — интенсивным притоком пресных вод, привносимых в основном реками (в Финском заливе Балтийского моря соленость снижена до 0,35%).

По данным А. А. Иванова, в сухом остатке воды современного океана содержится (в %): КаС1 77,7, MgCl2 10,9, М§Э04 4,7, СаЭ04 3,6, Кг304 2,5, СаСОз 0,3, М£Вг2 0,2. Концентрированный рассол, из которого выделяются твердые соли, назван рапой. Рапа может быть поверхностная, расположенная над выделившейся из иее твердой фазой, и погребенная. В последней различают межкристальную и иловую. Как показывают элементарные расчеты, простого испарения морской воды в том или ином изолированном водоеме для формирования имеющихся в настоящее время мощных залежей солей недостаточно. В связи с этим еще в прошлом столетии немецкий исследователь К. Оксениус предложил гипотезу баров. Согласно этой гипотезе, солеродные участки представляют собой водоемы типа бухт, отделенных от океана или моря подводным барьером, или баром. В этих бухтах идет в условиях аридного климата интенсивное испарение воды, что понижает ее уровень, и вследствие этого происходит постоянный приток в бухты новых порций морской воды. Испарение морских вод приведет к повышенным концентрациям воды в бухтах — формированию маточного раствора.

Из маточного раствора последовательно выпадают:

1. карбонаты
2. галит с гипсом
3. гипс
4. калий-магниевые соли.

На третьей стадии, по мнению К. Оксениуса, уровень поверхности маточного раствора, ввиду большей плотности расположенного у дна бассейна, достигает уровня бара. Отложения калийных солей происходят в условиях, когда поднявшийся над уровнем воды бар полностью отделит лагуну от моря. Примером гипотезы баров считали залив Кара-Богаз-Гол, который был мощнейшим испарителем Каспийского моря. Однако, несмотря на то что идеей затрудненного водообмена лагуны с более обширным водоемом-источником солей логично объясняется концентрация солей на сравнительно ограниченных площадях, теория баров в варианте К. Оксениуса заслуживает и критических замечаний.

залив Кара-Богаз-Гол

Во-первых, ею не учтено прогибание солеродного бассейна, благодаря которому мощность толщ солей может достигнуть значительных величин. Во-вторых, в связи с весьма крупными горизонтальными размерами залежей ископаемых солей, отложение их происходило в ряде случаев не в лагунах, а в достаточно крупных солеродных водоемах, отвечающих по параметрам морям. В-третьих, порядок соленакопления не совсем такой, как предполагал К. Оксениус. Этот порядок был намечен еще в середине прошлого века итальянским химиком Г. Узильо, затем изучался Я. Вант-Гоффом и другими исследователями. Экспериментальные работы Н. С. Курнакова позволили уточнить последовательность выпадения солей из морской воды при солнечном испарении. По «солнечной диаграмме» Н. С. Курнакова осаждение протекает в следующем порядке:

1. гипс
2. галит
3. эпсомит
4. гексагирит (водный сульфат магния)
5. карналлит
6. бишофит.

Для характеристики солеродных водоемов Н. С. Курнаков ввел понятие о коэффициенте метаморфизации рассолов, определяемом отношением МдЭ04: МёС12. Метаморфизация рассола связана с потерей им сульфат-иона. Бессульфатность калийных месторождений объяснена А. Е. Рыковсковым еще в 1930 г. метаморфизацией рапы на стадии седиментогенеза. К Верхнекамскому месторождению эта идея была применена Ю. В. Морачевским и Г. Г. Уразовым. В данном случае метаморфизация рапы протекала следующим образом: из рапы удалялся сульфатчион, в связи с чем к моменту образования калий-магниевых солей он полностью исчезал из нее и поэтому залежи калий- магниевых солей сложены только хлоридами.

Наоборот, в месторождениях Северо-Германского калий-магниевого бассейна имеются сульфаты этих металлов, т. е. залежи там формировались из неметаморфизованной рапы. По М. Г. Валяшко, по мере приближения солености рапы к насыщению калиевыми солями объем твердых выпавших соляных фаз становится примерно равным объему оставшегося маточного рассола. С учетом рыхлости строения твердых фаз солеродных водоемов, при условии примерно равных объемов рапы и твердой фазы, солеродный водоем имеет вид «сухого» озера, т. е. рапа не формирует существенно мощного слоя выше твердой фазы солей, а носит межкристальный характер. Поэтому образование залежей калийных солей осуществлялось по данной гипотезе в остаточных от ранних более обширных морских водоемах, озерных бассейнах, в которые стекала богатая калием рапа из более приподнятых участков, сложенных рыхлой твердой фазой галита с межкристальной рапой.

В условиях аридного климата известен ряд соляных озер, среди которых М. Г. Валяшко выделены следующие типы:

1. карбонатный
2. сульфатный
3. хлоридный

По особенностям расположения рапы в озере среди них отмечены рапные, сухие и подпесочные. В рапных озерах рапа формирует поверхностный слой в течение всего года. В сухих озерах поверхностная рапа сохраняется только во влажный период года, а в подпесочных озерах вообще нет поверхностной рапы (только межкристальная и иловая). Само название «подпесочные» связано с перекрытием поверхностного слоя солей озер песчаным или глинистым материалом. Озера, в которых происходит садка солей, называются «самосадочными. Садка солей связана с повышением концентрации рапы (обычно в летний период) или с падением растворимости (обычно в зимний период). Например, в зимний период может происходить садка соды в содовых (карбонатных) озерах. Слой соли, отложившийся в течение одпого сезона, называется новосадкой. Новосадка в последующее время может целиком или частично раствориться. Оставшаяся часть новосадки в условиях последующего цикла седиментогенеза может перекрытия новой порцией соляного осадка и в таком случае она перейдет в старосадку. Старосадку, перекрытую слоем ила, называют корневой залежью. Питание соляных озер водой осуществляется поверхностным и подземным путем. В ряде мест известны цепочки соляных озер, соединенных реками, причем в озерах, расположенных ниже по течению, концентрация солей выше, чем в более верхних. Концентрация солей возрастает при испарении воды с поверхности озер, а также, как это доказал Л. М. Гроховский, в результате испарения подпочвенных вод, при их подсасывании к поверхности земли по капиллярам. Вокруг соленых озер развита так называемая соровая полоса — это полоса с неглубоким залеганием подземных вод. Выцветы солей, возникшие при испарении подземных вод, подсасывающихся к поверхности, — отличительная черта соровых полос.