Литология и полезные ископаемые, 2021, № 1, стр. 54-61

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В основу работы положены результаты исследования бокситов (34 образца), отобранных в Яковлевской шахте, а также в керне скважин Висловского, Ольховатского и Мелихово-Шебекинского месторождений. Все образцы были изучены традиционными петрографическими и аналитическими методами. Выполнены электронно-микроскопический (Jeol 6380LV), порошковый рентгенофазовый (дифрактометр ARL X’TRA), синхронный термический (прибор Netzsch STA 449 F1) анализы, а также локальный рентгеноспектральный микроанализ (РСМА, система OXFORDINS). При этом для одного и того же образца при необходимости выполнялось несколько определений. Месторождения, из которых были отобраны образцы, и глубина их отбора в керне скважин указаны на рисунках и в подрисуночных подписях.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

С помощью электронной микроскопии в бокситах КМА впервые были установлены две кристалломорфологические разновидности бертьерина – сингенетический и наложенный.

Сингенетический бертьерин-1 выделяется по морфологическим признакам. Он был обнаружен в виде скрытокристаллической массы, выполняющей в породе тонкие прослои серовато-зеленой окраски (рис. 3). При петрографических исследованиях установлено, что бертьерин-1 замещает мусковит и биотит, которые образуют отдельные слои в кристаллических сланцах. Местами в породе сохранились остатки овоидов или псевдобобовин с реликтами бертьерина-1 в центральных частях. Бертьерин окружен замещающими этот минерал бемитом и гетитом, что связано с процессами латеритизации (рис. 4а, б).

Рис. 3.

Фото бертьерин-бемитового боксита с реликтовой микрослоистостью. В светлых слойках – бемит, в темных – бертьерин, развитый по мусковит-биотитовым прослоям. Скважина 6, глубина 462 м. Большетроицкое месторождение [Сиротин, Белявцева, 2016].

Рис. 4.

Бертьерин в бокситах Яковлевского месторождения КМА (СЭМ). а, б – бертьерин-1 (светлое) в существенно бемитовом боксите: а – петельчатые выделения бертьерина-1 в бемите и каолините, б – крупный план взаимоотношения бертьерина-1 и бемита; в, г –бертьерин-2 в бемит-бертьериновом боксите: в – бертьерин-2 выполняет трещину между каолинитом и бемитом, г – агрегат игольчатых кристаллов бертьерина-2. Изображения в отраженных электронах. Сокращения: Brt – бертьерин, Bhm – бемит, Kln – каолинит, Zrn – циркон.

По данным РСМА, химический состав бертьерина-1 бокситов следующий: SiO₂ 17.52–30.98 мас. %, Al₂O₃ 23.5–33.37 мас. %, FeO 14.45‒44.83 мас. %, MgO 0.77–1.39 мас. %.

Диагенетический бертьерин-2 светло-зеленой окраски обнаружен в верхней части бокситового профиля, где присутствует в виде округлых образований, цемента, развитого между зернами других минералов, а также в виде тонких прожилков, пересекающихся под разными углами. Размер кристаллов бертьерина-2 около 1 мкм (см. рис. 4в, г). В основании профиля коры выветривания бертьерин-2 не был обнаружен. Здесь также отсутствуют признаки замещения бертьерином-2 окружающих его минералов, что позволяет предполагать образование бертьерина-2 в пострудную стадию [Damyanov, Vassileva, 2001]. Нередко он наблюдается в ассоциации с фрамбоидами пирита, а также может замещать зерна бемита и гетита. Дебокситизация залежей высокоглиноземистых пород привела к образованию вторичного каолинита, сидерита, шамозита. Последний развит эпизодически и определяется по базальным рефлексам 14.0 и 7.0 Å.

В бертьерине-2 содержание основных компонентов заметно варьирует (мас. %): Al₂O₃ 26.61–31.5, FeO 24.51–35.63 SiO₂ 22.22–30.97 MgO 2.1–2.92. По сравнению с бертьерином-1, этот минерал характеризуется более высоким содержанием кремнезема и магния, но содержит существенно меньше FeO и Al₂O₃ по сравнению с сингенетическим бертьерином богатых железных руд [Никулин, Савко, 2015]. В бертьерине-1 бокситов содержится значительно меньше SiO₂, и для него характерны несколько более высокие содержания FeO (рис. 5).

Рис. 5.

Диаграмма составов бертьерина кор выветривания.

Синхронный термический анализ выявил широкий раздвоенный эндотермический эффект с максимумами 680 и 750°С. Появление этих пиков мы связываем с процессами обезвоживания бертьерина. Температура, при которой происходит обезвоживание, зависит от размера минеральных частиц [Боева, 2016]. В связи с этим сначала происходит дегидроксилизация скрытокристаллического бертьерина-1, и позднее – более крупных игольчатых кристаллов бертьерина-2. Таким образом, полученный эндотермический эффект может служить подтверждением присутствия двух генераций бертьерина в исследуемых бокситах, различающихся по термическим свойствам.

В результате изучения бокситов КМА рентгеноспектральным и рентгенофазовым методами установлено, что специфической их особенностью является широкое развитие бертьерина. Бертьерин идентифицируется на дифрактограммах по интенсивным рефлексам 7.07–7.04 и 3.547–3.53 Å; каолинит – 7.19–7.17 и 3.58 Å; бемит – 6.14–6.1 и 3.17–3.16 Å, гиббсит ‒ 4.85 и 4.38 Å, гематит – 2.7 и 2.52 Å (рис. 6).

Рис. 6.

Дифрактограммы бокситов. а – существенно бемитовый с каолинитом (Мелихово-Шебекинское месторождение); б – кавернозный бертьерин-бемитовый (Висловское); в – каолинит-бертьерин-бемитовый (Яковлевское); г – бурый каменистый гидрогематит-бертьерин-бемитовый (Мелихово-Шебекинское), д – гиббситовый (Ольховатское).

В работах предыдущих исследователей по текстурным признакам и минеральному составу выделялось до 12 типов бокситов [Сиротин, Белявцева, 2016]. При изучении распределения породообразующих минералов в основных типах бокситов, по соотношению основных минералов (бемит, гиббсит, бертьерин, каолинит, гематит) нам удалось установить 5 минеральных типов бокситов. Тонкопористые, существенно бемитовые бокситы содержат бемита 70–80%, бертьерина и каолинита по 10–15%; в макропористых бертьерин-бемитовых разностях: бертьерина – 30–40%, бемита – 60–70%; в каолинит-гидрогематит-бертьерин-бемитовых; основных минералов – 5%, 5–10%, 10–15%, 70–80% соответственно; в псевдобобовых, существенно гиббситовых разностях бокситов: бертьерина 10–15%, гетита 5–10%. Количество остальных второстепенных минералов, присутствующих в разных сочетаниях, не превышает первых процентов. Таким образом, на территории КМА развиты очень своеобразные бертьериновые бокситы (см. рис. 6).

Проведенное изучение вещественного состава КВ, развитой по докембрийским сланцам, позволило выявить зональность формирования латеритного профиля (табл. 1), для которой характерны нерезкие границы и вариации мощности отдельных зон. Минеральный состав верхней зоны полигенный и формировался при участии сингенетических, диагенетических и эпигенетических процессов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В имеющейся литературе присутствие в КВ бертьерина, который является железистым аналогом каолинита, обычно связывается с наложенными процессами, поскольку считается, что он не может формироваться в субаэральных условиях [Сиротин, Белявцева, 2016, с. 68]. По нашим данным, сингенетический бертьерин-1 образуется в тесной ассоциации с БЖР, при насыщении железом среды выветривания, и является естественной промежуточной сингенетической минеральной фазой при образовании бокситов. Наиболее значительные количества бертьерина-1 тяготеют к средним частям бокситовых залежей. Диагенетический бертьерин-2, развитый в зоне дебокситизации вместе с каолинитом, сидеритом, пиритом и другими вторичными минералами, формировался при подтоплении кор выветривания, перед ее перекрытием морскими осадками карбона. Бертьерин-2, в отличие от бертьерина-1, не имеет практического значения в качестве источника глинозема при прогнозе и оценке бокситоносности кор выветривания, развитых на сланцах.

Принятая ранее модель формирования бокситового профиля [Сиротин, Белявцева, 2016; Никитина, 1983; Клекль и др., 1991], согласно которой сначала образуются гиббситовые бокситы, а все остальные типы бокситов являются их производными при проточном гидролизе, нуждается в серьезной корректировке. Фактические данные свидетельствуют о непосредственном развитии бемита по бертьерину-1 и остаточному каолиниту с сохранением реликтовой слоистости. В аллитовой зоне, где основным минералом является бемит, уже начиналось формирование псевдобобовых текстур, характерных для гиббситовых бокситов. Последние развиты преимущественно в северной, самой приподнятой части визейского палеорельефа, характеризующейся наиболее интенсивным водообменом.

Наложенные процессы, действовавшие перед перекрытием коры выветривания морскими осадками, проявлены в верхних частях бокситовых залежей. На повышенных участках рельефа под верховыми болотами происходило обеление бокситов с выносом железа в пониженные участки. Но перед фронтом наступающего моря в основном происходили процессы оглеения аллитов с образованием бертьерина-2 и каолинита по минералам глинозема, шамозиту. После перекрытия коры выветривания известняками нижнего карбона, ведущим процессом эпигенетического преобразования бокситов стала карбонатизация верхних частей аллитного профиля. Наложенные на бокситы процессы привели к ухудшению их качества.

Широкое развитие бертьерина в бокситах установлено также в палеозойских месторождениях Среднего Тимана [Вахрушев и др., 2012] и Северной Онеги [Сиротин, Белявцева, 2008]. Латеритный профиль обычно развит на “зрелых” осадочных породах, близких по минеральному составу к выветрелым сланцам КМА. Во всех этих месторождениях бертьерин появляется уже в нижних частях коры выветривания, а затем наряду с гидроксидами глинозема (реже – железа), становится породообразующим минералом аллитов. Таким образом, условия формирования бокситов были близкими на всей территории Восточно-Европейской платформы. Они формировались на возвышенных участках болотистых приморских равнин в условиях обильного насыщения влагой и органическим веществом. В частности, на КМА образованию бокситов и БЖР на возвышающихся грядах, сложенных джеспилитами и сланцами, по времени соответствовало накопление угленосной формации на остальной части приморской равнины, а также в соседней Днепровско-Донецкой впадине. По сравнению с кайнозойскими, специфика выветривания в обстановке визейских ландшафтов характеризуется менее благоприятными условиями бокситообразования, связанными с затрудненным промывным режимом при выветривании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение авторами настоящей работы полного разреза бокситоносных кор выветривания, в том числе зоны литомаржа, показало, что бертьерин в них является породообразующим минералом. Полученные новые данные заметно меняют имеющиеся представления об условиях образования и технологических характеристиках бокситов КМА.

Нам удалось установить, что существует две генерации бертьерина, ранняя из которых является естественной промежуточной минеральной фазой, которая образуется в процессе формирования бокситов при насыщении железом среды выветривания. Это позволило обосновать определенный этап в эволюции процессов бокситообразования в истории Земли, в течение которого формировались палеозойские месторождения.

Формирование коры выветривания сланцев, также как и богатых железных руд, происходило в 4 этапа [Никулин, 2013; Никулин, Савко, 2015; Никулин, 2017; Савко, 1984; Савко, Хожаинов, 1975]. Первый этап, дотурнейский, был связан с образованием иллит-каолинитового профиля. На втором, позднетурнейском‒ранневизейском этапе, сформировался латеритный профиль на уцелевших от размыва, выветрелых докембрийских сланцах. В это время образовались основные минералы бокситов – бемит, гиббсит, сингенетический бертьерин, оксиды железа. Остаточные образования дотурнейской коры выветривания представлены каолинитом, иллитом, гематитом, гетитом и устойчивыми к выветриванию акцессорными минералами. На последующих двух этапах, когда происходили диагенетические и эпигенетические преобразования КВ, сформировались наложенные бертьерин, каолинит, шамозит, сидерит, кальцит, пирит. Эти минералы слагают зону дебокситизации мощностью от 10 см до 1.5 м.

Проведенные исследования позволили обосновать специфический тип бертьериновых бокситов, формировавшихся в платформенных обстановках позднего палеозоя. Аллиты этого времени отличаются от более поздних разновидностей аллитов геосинклинального (средиземноморского) типа (“терра-росса”), развитых в терригенно-карбонатных толщах триаса‒неогена, и от латеритных покровов эоцен-четвертичного возраста тропических стран меньшими масштабами и пониженными содержаниями глинозема. Палеозойские месторождения бокситов, приуроченные к присклоновым частям угленосных бассейнов, тяготеют к широкой полосе, протягивающейся от Эршайра (Шотландия), через Восточно-Европейскую платформу, Урал, юг Сибири и весь Китай вплоть до его юго-восточного окончания [Зинчук и др., 2005, 2007, 2008]. На всей этой территории, расположенной в раннем карбоне в экваториальной зоне, господствовал влажный тропический климат, благоприятный для формирования аллитов. Бертьериновая разновидность аллитов представляет специфическое звено в эволюции процессов бокситообразования в истории Земли.