К вопросу о Генезисе железорудной формации кольского полуострова

УДК 553.1

Они образуют вытянутый в северо-западном направлении овал размахом около 20 км и шириной 8-10 км, центр которого сложен серыми плагиогнейсами (тоналитами). По краям этой купольной гранито-гнейсовой структуры залегает рудовмещающая (или продуктивная) толща, относимая к кольской серии. Ее края представлены амфиболитами и амфиболовыми гнейсами, далее к середине зоны - биотитовыми гнейсами, и, наконец, железистыми кварцитами в ассоциации с алюмосиликатными (мусковит-биотитовыми, ± силлиманит) гнейсами. Морфологически железистые кварциты залегают в виде линз: либо одной большой, как Оленегорское или Комсомольское месторождения, либо в виде линзовых ассоциаций, образующих сложную иерархическую структуру с фрактальными свойствами, как на Кировогорском месторождении (рис. 2).

Наиболее распространенная на сегодня концепция генезиса докембрийских ПЖФ – осадочная. Действительно, многие протерозойские ПЖФ содержат остатки фауны и типоморфных осадочных структур. Тем не менее, существуют и достоверно метасоматические железистые кварциты (и на Кольском полуострове в том числе), сходные с осадочными как текстурами (тонкой полосчатостью руд), так и вещественным составом. Применительно же к ПЖФ Кольского полуострова прямых доказательств их осадочного (вулканогенно-осадочного) происхождения не известно. Так, хотя текстуры железистых кварцитов района Оленегорска и напоминают внешне осадочные, их полосчатость является метаморфической, так как сложена метаморфическими минералами (перекристаллизованным кварцем, магнетитом и гематитом), которые секут пироксены и амфиболы (рис.3). Сторонники осадочных концепций генезиса предполагают, что эта метаморфическая полосчатость наследует раннюю осадочную, однако на сегодняшний день это предположение не имеет фактологического обоснования.

Ранее в литературе качестве геохимического индикатора седиментогенности ПЖФ предлагался германий, однако при сравнении кларка германия в железистых кварцитах Кольского полуострова (2.4 г/т) значимого различия с содержанием его в ассоциирующих амфиболитах (2.6 г/т) не обнаруживается.

Различные части рудных линз Оленегорского и Комсомольского месторождений контактируют с разными литологическими типами пород [6], что говорит об их дискордантном залегании, и, соответственно, противоречит представлениям о первично-осадочной природе рассматриваемых месторождений.

Рудные тела имеют в первом приближении зональность: концентрация железа, как правило, снижается от центра к краю. Закономерность эта не является универсальной, и в ряде случаев наблюдается контакт магнетит-гематитовых зон с высоким содержанием железа в руде непосредственно с вмещающими породами. Однако на контакте с железистыми кварцитами почти всегда наблюдаются алюмосиликатные кислые гнейсы: из 400 разрезов скважин Кировогорского месторождения закономерность эта выдерживается в 97 %. Эта общая закономерность: железистый кварцит алюмосиликатный гнейс биотитовый гнейс - соблюдается весьма строго. При этом такое зональное строение присуще каждой отдельной линзе, что также ставит под сомнение осадочные концепции, так как вынуждает новые дополнительные предположения о большом количестве отдельных бассейнов седиментогенеза и загадочной устойчивой ассоциации железо- и алюминий-содержащих осадков.

В настоящей работе обосновывается положение: образование железистых кварцитов железорудной формации Кольского полуострова есть результат стресс-сдвигового метаморфизма первичных высокожелезистых основных вулканитов in situ, при подчиненном значении привноса-выноса вещества в масштабах рудовмещающей кольской серии в целом. От предлагаемых ранее метасоматических концепций генезиса данная отличается в первую очередь предполагаемым источником рудного вещества. В.В.Ждановым и Т.П.Малковой [6] выдвигалась гипотеза масштабного мантийного метасоматоза, однако этой концепции противоречат как полученные нами совместно с И.Л.Каменским и С.В.Икорским данные по изотопному составу гелия в магнетитах и кварце железистых кварцитов (отношение ³He/⁴He в них 2*10^-7, что соответствует 1% мантийной компоненты во флюиде), так и объем месторождений: для переноса миллиарда тонн железа (а его совокупное количество в формации значительно больше) потребуются десятки кубических километров флюида, то есть обезвоживание огромных объемов мантии в геологически короткий интервал времени.

Рассмотрим идеализированный петрохимический разрез железорудной формации Кольского полуострова, представленный в виде вариаций содержаний элементов относительно состава амфиболита (рис. 4): видно, что фактически все породообразующие элементы в железистых кварцитах и вмещающих их гнейсах имеют противоположные знаки вариаций относительно состава амфиболита, и образуют закономерный петрохимический тренд.

Как биотитовые, так и алюмосиликатные гнейсы в разном количестве содержат реликты и резисторы меланократового субстрата (основные ядра в плагиоклазах, темные пятна реликтовой роговой обманки, эпидот-сфеновые скопления; [1, 6]). Среди железистых кварцитов также встречаются реликты основных пород и гнейсов. Последовательность минералообразования в железистых кварцитах соответствует ряду: диопсид  актинолит  магнетит (рис. 3).

Петрохимически составу амфиболита в первом приближении соответствуют 1 часть железистого кварцита и 3 части алюмосиликатного гнейса. Проведенные нами ранее [3] более строгие масс-балансовые пересчеты свидетельствуют, что для сегрегации тел железистых кварцитов нет необходимости привлекать отдаленные источники железа. При переходе от амфиболита к гнейсо-железорудной ассоциации наблюдается привнос в первую очередь кремния, при выносе кальция и магния, что соответствует процессу метаморфической гранитизации.

Расчеты методом минимизации свободной энергии Гиббса [4] показывают, что для условий амфиболитовой фации метаморфизма ассоциация минералов железистых кварцитов и гнейсов энергетически более устойчива, нежели аналогичный по химическому составу амфиболит.

Перейдем к анализу изотопно-геохимической информации, полученной в последнее время при совместных исследованиях с Т.Б.Баяновой. U-Pb датирование габбро-норитовых даек, секущих породы Кировогорского месторождения железорудной формации Кольского полуострова (в том числе железистые кварциты), дало результат 2.74±0.01 Ga.

Rb-Sr датирование валовых проб железистых кварцитов, амфиболитов и гнейсов дает в пределах ошибки тот же возраст (рис. 5), что соответствует концепции единого протолита для всех этих пород.

В породах железорудной формации Кольского полуострова широко распространены признаки тектонического течения. Это структуры типа "снежного кома" в мегакристаллах, динамосланцы-тектониты, вихревые складки волочения [9]. В то же время датированные нами основные дайки не несут на себе признаков деформаций. Указанное тектоническое течение мы связываем с диапиризмом гнейсовых куполов. Альтернативной гипотезе о связи тектонического течения пород кольской серии со сдвигами северо-западного простирания противоречит согласное с породами гнейсового купола северо-восточное простирание пород железисто-кремнистой формации в юго-восточном фланге структуры (см. рис. 1).

Как показано Ф.А.Летниковым [7], диапиризм гнейсовых куполов, как правило, связан с процессом региональной гранитизации, признаки которой наблюдаются и в гнейсо-железорудной толще. Временную близость и вероятную когенетичность процессов диапиризма гнейсовых куполов, тектонического течения окружающих их пород и образования железистых кварцитов подтверждают и Pb-Pb изотопные данные (рис. 6): на одной изохроне с возрастом 2.75±0.04 Ga лежат как валовые пробы тоналитов фундамента, так и пробы железистых кварцитов и вмещающих гнейсов. В то же время диопсид из железистых кварцитов Оленегорского месторождения, который, естественно, имеет тот же возраст, как и сами тела железистых кварцитов, лежит ниже изохроны (см. рис. 6). Этот факт не может быть объяснен с позиции осадочной гипотезы (ибо в этом случае единая линза железистых кварцитов должна иметь 2 значимо различающихся по _Pb источника, что маловероятно), в то время как при метаморфо-метасоматическом воздействии весьма вероятна контаминация преобразуемых пород свинцом (который, как несовместимый элемент, будет преимущественно выноситься из нижележащих пород). Тогда более примитивный изотопный состав диопсида можно рассматривать как реликт протолита, что подтверждается нахождением его на одной эррохроне со свинцом плагиоклазов, выделенных из амфиболитов (т.е. предполагаемого протолита).

Однако каков мог быть конкретный механизм процесса? Если предполагать мобилизацию железа из вмещающих пород в процессе функционирования рециклинговой инфильтрационной системы, то требуется, чтобы она возникала для каждой отдельной линзы (ибо фактически каждая линза обладает зональностью). В этой связи важны данные по упорядоченному фрактальному мотиву строения рудных тел железорудной формации Кольского полуострова. Проведенное измерение фрактальной размерности рудных тел Кировогорскго месторождения в объемном варианте (это важно с методической точки зрения, так как фрактальный объект может иметь нефрактальные сечения, и наоборот, поэтому работа по фрагментарной информации, то есть 1- и 2-мерным сечениям объемных объектов в общем случае дает только оценочный, а не строгий результат) показало, что рудные тела действительно являются фракталами с размерностью 2.14 (рис. 7), и непонятно, какой геологический процесс мог создать многопорядковый упорядоченный рециклинг. В то же время предположение о межзерновой диффузии как ведущем генетическом процессе метаморфо-метасоматической дифференциации наталкивается на ограничения, связанные с ее малой скоростью. Согласно последним экспериментальным данным, полученным в Институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН [10], порядок коэффициентов межзерновой диффузии компонентов D составляет 10^-16 м²/с. Такие величины D допускают метаморфическую дифференциацию, исчисляемую масштабами менее метра, в нашем же случае мы имеем дело с линзами мощностью до сотен метров, что требует увеличения D минимум на 6-10 десятичных порядков. Кроме того, чтобы термодинамически допустимое метаморфическое преобразование железистых пироксенов и амфиболов в магнетит действительно реализовалось, требуется преодолеть потенциальный барьер энергии активации (который для данного перехода достаточно велик). Эти вопросы требуют разрешения в рамках предлагаемой генетической модели.

Физические процессы, при которых резко увеличивается скорость переноса вещества, действительно существуют. Как показано в последних работах по трибохимии [5], при высоком давлении в сочетании с деформацией сдвига:

1. 
   “Коэффициенты” диффузии (кавычки поставлены ввиду того, что перенос вещества в стресс-сдвиговых процессах не является, строго говоря, диффузионным) растут на 10-15 десятичных порядков по сравнению с таковыми в твердом теле без применения давления и сдвига.
   
2. 
   Скорости химических реакций растут на 3-8 десятичных порядков по сравнению с жидкой фазой.
   
3. 
   Все процессы протекают без энергии активации.
   

Важными для дальнейшего изложения являются также полученные В.И.Молчановым [8] экспериментальные результаты по вытеснению водорода из воды уже при комнатной температуре природными соединениями двухвалентного железа (с образованием магнетита) при активации их посредством тонкого измельчения.

Таким образом, при стресс-сдвиговом метаморфизме масштаб дифференциации может увеличиваться с первых сантиметров до сотен метров, и становится возможным разложение железосодержащих силикатов с образованием магнетита. Как обсуждалось ранее, именно такие условия тектонического течения были реализованы при образовании железистых кварцитов железорудной формации Кольского полуострова.

Простейшая модель этого процесса представлена на рис. 8: в зонах прохождения флюидного потока происходит окисление железа с образованием магнетита (который в силу высокой прочности и плотности будет в условиях стесненного сдвига наиболее стабильным); соответственно, образуется недостаток двухвалентного железа, которое начинает диффундировать из окружающих активную зону участков; все остальные породообразующие элементы в соответствии с балансом масс вытесняются и выносятся. Плагиоклаз, как типичный антистресс-минерал [15] разрушается интенсивнее, чем пироксены и амфиболы, при этом алюминий, как наиболее инертный элемент в метаморфо-метасоматическом процессе, откладывается в непосредственной близости от образующихся рудных тел, образуя алюмосиликатные гнейсы, обрамляющие линзы железистых кварцитов. При этом флюид рассматривается не как транспортный агент (предполагается твердофазовый процесс в АВС вещества), а как окислитель железосодержащих минералов.

При численном моделировании [4] стресс-сдвигового метаморфизма высокожелезистого амфиболита с принимаемым рядом относительной подвижности: Fe3  Ca, Mg  Al  K, Na достаточно легко получаются профили распределения породообразующих элементов, соответствующие реально наблюдаемому петрографическому тренду (рис. 9). В этом случае фрактальность рудных тел представляется как унаследованная фрактальность дислокаций.

Тем не менее, модель эта не объясняет всех реалий процесса. В зоне тектонического течения вещества с атом-вакансионным (твердоплазменным) его состоянием флюидный поток будет, по-видимому, заполнять все пространство, вовлеченное в тектоническое течение. Возникает вопрос, за счет каких эффектов в этом случае возможна сегрегация рудных тел?

Такая модель может быть построена в рамках нового междисциплинарного научного направления “Синергетика”[7, 14]. Математическим описанием синергетических систем подобного рода являются нелинейные параболические уравнения типа “реакция-диффузия”:

(1) dU/dt=F(U)+DU,

U - вектор состояния элементарного объема возбудимой среды (для химической системы компоненты вектора состояния - это концентрации реагентов), матрица D определяет коэффициенты переноса (диффузии, инфильтрации), а нелинейная функция F(U) задает скорость химических реакций в элементарном объеме (заметим, что рассмотренный ранее процесс диффузии с переходом двухвалентного железа в трехвалентное есть частный случай системы (1), но без нелинейных членов). Тогда возможно возникновение предельных циклов в фазовом пространстве решений системы, что в реальном пространстве выглядит как попеременное увеличение и уменьшение концентраций веществ [14]. Кроме волновых режимов, в химических возбудимых средах возможно образование периодических в пространстве и неизменных во времени распределений концентраций - стационарных периодических структур. Условия их существования определяются соотношениями D и F(U) в системе (2). Так, если при изотропной диффузии имеются колебательные решения, то наличие предподчтительного направления переноса вещества создает условия для образования стационарной периодической структуры [12].

Нами проведено численное моделирование системы, описывающей перераспределение железа с извлечением его из ферросилита (Fs) и переотложением его в форме магнетита (Mt). Реально в моделируемом процессе должна образовываться масса разнообразнейших соединений железа с очень сложным составом; естественно, рассматриваемая модель в значительной степени - идеализация, однако, на наш взгляд, она отражает основные черты возможного протекания исследуемого процесса. В дальнейшем изложении мы обозначаем все комплексы, в которые входит блок [Fe²⁺2Fe³⁺] - Х, [Fe²⁺Fe³⁺] - Y, Fe²⁺ - Z, Fe³⁺ - R.

Ниже представлена модельная схема реакций; в скобках - кинетические константы прямой и обратной (если она предусмотрена схемой) реакций соответственно:

(2) Fs Z (k₁)

Z R (k₂ k₃)

Z+RY (k₄ k₅)

Y+RX (k₆ k₇)

XMt (k₈)

X3R (k₉)

Mt Z+2R (k₁₀).

Принципиально возможность существования стационарных диссипативных систем в земной коре на основе железа обоснована В.Л.Русиновым и В.В.Жуковым [12]; ими показано, что геологические стационарные периодические структуры могут образовываться как при малых скоростях (u) линейного переноса вещества (фильтрации раствора) относительно скорости диффузии (D): u < 10D, так и в инфильтрационном приближении.

Предполагая, что все реакции комплексообразования равновесные, концентрации X и Y мы можем выразить через соответствующие константы равновесия и концентрации Z и R, тем самым упрощая схему (2). При этом вводятся новые кинетические константы:

k₈^*=(k₄/k₅)(k₆/k₇)k₈;

k₉^*=(k₄/k₅)(k₆/k₇)k₉.

Для предложенной схемы записываются следующие кинетические уравнения (для реакций, протекающих на поверхности минералов, кинетика пропорциональна степени 2/3 - отношение поверхности к объему):

dMt/dt= [k₈^* Z R² - k₁₀]Mt^2/3

dFs/dt= -k₁Fs^2/3

dZ/dt=k₁Fs^2/3-k₂ Z+k₃ R -k₉^* Z R² - [k₈^* Z R² - k₁₀]Mt^2/3 +D_fe2 Z-u(Z/х)

dR/dt=k₂ Z-k₃ R + k₉^* Z R² -2[k₈^* ZR² - k₁₀]Mt^2/3 + D_fe3R--u(R/х).

Рассматриваемая система численно исследовалась в одно- и двумерном варианте. Для численного исследования рассматриваемая система была приведена к безразмерному виду введением характерного времени Т и характерного размера L: =t/Т, r=x/L, u=uT/L, D_i=D_iT/L², и с соответствующей заменой Mt, Fs, Z, R, k_i на их безразмерные аналоги Mt,Fs,Fe²⁺,Fe³⁺, k_i.

На рис. 10 приведены результаты численного эксперимента в одномерном варианте с начальными условиями: =0, r0 (0-30): Mt=0.1,Fs=0.9,Fe²⁺=1,Fe³⁺ =0; граничные условия: >0, r=0: Fe²⁺=0,Fe³⁺=1; значения безразмерных констант: D_Fe2=0.1, D_Fe3=0.085, u=10, k₁ =20, k₂=1, k₃=40, k₈^*=1, k₉^* =3, k₁₀ =0.002. Видно, что с течением процесса из первоначально равномерного распределения всех переменных образуется стационарная периодическая структура концентраций R и Z (Fe²⁺ и Fe³⁺), что приводит к волновому характеру распределения образующегося магнетита.

Соответствие безразмерного пространства r пространству реальному задается скоростями взаимодействий и скоростью переноса вещества. Поэтому в условиях стресс-сдвиговой активации скоростей метаморфических процессов мы обоснованно можем предположить увеличение характерного размера взаимодействий от первых сантиметров до сотен метров (пропорционально корню квадратному от приращения D_i, k_i), что будет соответствовать образованию в реальном геологическом пространстве рудных тел.

При переходе от одномерных моделей к двумерным сложность системы существенно возрастает. Объемная диффузия может способствовать появлению хаотических колебаний (и, как следствие, нерегулярных фрактальных структур) в системах, где без 2D-3D эффектов возможны только периодические волны. В численных экспериментах на двумерной сетке с течением времени развивается структура распределения магнетита с неоднородностями не только вдоль вектора переноса вещества, но и перпендикулярно ему, причем распределение минимумов и максимумов концентраций не является периодическим, а масштабы флуктуаций значительно превышают заданные первоначальным распределением магнетита. При этом влияние первоначальных возмущений распространяется в пространстве; возможна потеря устойчивости процесса.

Рассмотренные нами численные эксперименты являются качественным описанием явления; это связано с тем, что на данном этапе развития науки мы можем только предполагать реальные значения констант, использованных при моделировании. Тем не менее, если автоволновые режимы детектируются в численных экспериментах, то, как правило, они реализуются в широком диапазоне констант [14]. Таким образом, за счет синергетических эффектов самоструктурирования может происходить сегрегация рудных тел и при равномерной инфильтрации окисляющего флюида, причем первоначальные малые флкуктуации будут усиливаться, служа центрами роста рудных тел. Это соответствует модели роста ограниченных диффузией фрактальных агрегатов, что и демонстрирует измеренная объемная фрактальность рудных тел (см. рис. 7).

Значение предлагаемой модели твердофазовой метаморфической дифференциации при стресс-метаморфизме, на наш взгляд, выходит за рамки проблемы генезиса железорудной формации Кольского полуострова. Так, Б.М.Чиков [15] трактует как результат сдвигового стресс-структурирования многое полиметаллические, золоторудные и редкометалльные месторождения Казахстана, Рудного Алтая и других регионов. С учетом ограничений, которые накладывают на процессы, традиционно трактуемые как регионально-метасоматические, скорости диффузии в межзерновом пространстве и требующиеся для инфильтрации огромные массы флюида, процессы в атом-вакансионном состоянии вещества должны быть распространены в природе очень широко.

В заключение, как итог обсуждения конкретного механизма исследуемого процесса, формулируем следующий тезис: на примере железорудной формации Кольского полуострова предлагается петрологическая модель метаморфогенного рудообразования в зонах стресс-сдвиговых деформаций: при резком увеличении скоростей твердофазовых реакций с участием поливалентных химических элементов и водосодержащего флюида возникают геохимические стационарные диссипативные макро-структуры. Результатом этого является метаморфическая дифференциация с образованием зональной рудовмещающей породной ассоциации и объемно-фрактальных рудных тел.

1. 
   Горяинов П.М. Самоорганизация как возможный механизм образования структурных ансамблей железистых кварцитов (на примере Кировогорского месторождения) // Структурные исследования в области раннего докембрия. Л.: Наука, 1989. С. 112-127.
   
2. 
   Гранитоиды древнее 2800 млн. лет на Кольском полуострове / Пушкарев Ю.Д., Шестаков Г.И., Рюнгенен Г.И., Шуркина Л.К. // Древнейшие гранитоиды восточной части Балтийского щита. Апатиты: Изд. Кольского филиала АН СССР, 1979. С. 18-43.
   
3. 
   Егоров Д.Г. Структурно-вещественные признаки самоорганизующихся систем в железорудных месторождениях Кольского полуострова // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геол.- минер. наук. С-Пб, 1994.
   
4. 
   Егоров Д.Г. Железорудные месторождения Кольского полуострова как пример метаморфогенно-синергетической системы // Науки о Земле на пороге 21-го века: новые идеи, подходы, решения. М.: Научный мир, 1997. Тезисы докладов. С. 59.
   
5. 
   Ениколопян Н.С., Мхитарян А.А., Карагезян А.С. Сверхбыстрые реакции разложения в твердых телах под давлением // ДАН СССР, 1986, т. 288, № 3. С. 657-660.
   
6. 
   Жданов В.В., Малкова Т.П. Железорудные месторождения зон региональной базификации (петрология и вопросы генезиса). Л.: Недра, 1974.
   
7. 
   Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. Новосибирск, Наука, 1992.
   
8. 
   Молчанов В.И. Генерация водорода в литогенезе. Новосибирск: Наука, 1981.
   
9. 
   Никитин И.В. Некоторые общие особенности геодинамического стиля Кировогорского железорудного месторождения // Геология и генезис железорудных месторождений раннего докембрия. Апатиты, 1988. С. 38-43.
   
10. 
    Основные результаты научно-исследовательских работ Объединенного института геологии, геофизики и минералогии за 1991-1995 гг. Новосибирск, 1996.
    
11. 
    Пушкарев Ю.Д. Мегациклы в эволюции системы кора-мантия. Л.:Наука, 1990. 217 с.
    
12. 
    Русинов В.Л., Жуков В.В. Модель образования ритмично-полосчатых текстур в экзогенных и гидротермально-метасоматических системах // Геология рудных месторождений, 1994. Том 36. № 6. С. 520-535.
    
13. 
    Структурные уровни деформации твердых тел / Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. // Изв. ВУЗов. Физика, № 6, 1982. С. 5-27.
    
14. 
    Хакен Г. Синергетика. М.:Мир, 1980.
    
15. 
    Чиков Б.М. Сдвиговое стресс-структурообразование в литосфере: разновидности, механизмы, условия // Геология и геофизика, № 9, 1992. С. 3-39.
    

Глубокоуважаемые члены редколлегии!

Реликты основных пород в железистых кварцитах наблюдались Д.А.Михайловым (1983).

Искренне Ваш,