Помощь студентам в учебе
МЕСТОРОЖДЕНИЯ ОСАДОЧНЫХ ЖЕЛЕЗНЯКОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ: УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ ПОПУТНЫХ КОМПОНЕНТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 16
1. ФАЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ И МОРФОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОРСКИХ ЖЕЛЕЗНЯКОВ 16
1.1. Краткая геологическая характеристика Западно-Сибирского бассейна железняков 16
1.2. Фации 18
1.3. Морфометрические особенности ооидовых структур 20
1.4. Условия седиментации 23
1.5. Источники терригенного материала 28
1.6. Периодизация осаждения железняков 28
1.7. Выводы: первое защищаемое положение 30
2. ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЯКОВ 32
2.1. Характеристики и механизмы формирования основных рудных компонентов (ооидов, пелоидов и
микроонкоидов) 32
2.1.1. Классификация хемогенных форм, морфология и минеральный состав железистых сфероидов 32
2.1.2. Геохимия минералов ооидов и пелоидов 34
2.1.3. Роль абиогенных и микробиальных процессов при формировании основных железорудных
компонентов 35
2.2. Цемент и матрикс осадочных пород бассейна железняков 37
2.2.1. Карбонатный цемент 31
2.2.2. Глинистый матрикс 40
2.2.3. Минеральная зональность цемента пород 40
2.3. Второстепенные аутигенные минералы и последовательность минералообразования 42
2.3.1. Сульфиды в железняках 43
2.3.2. Последовательность минералообразования 48
2.4. Выводы: второе защищаемое положение 50
3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ
ЖЕЛЕЗНЯКОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 51
3.1. Геохимические особенности 51
3.1.1. Геохимические особенности морских железняков Западной Сибири 51
3.1.2. Геохимические особенности континентальных железняков Западной Сибири и Тургайского прогиба 56
3.2. Рудоконтролирующие факторы 58
3.3. Выводы: третье защищаемое положение 59
4. ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МОРСКИХ ЖЕЛЕЗНЯКОВ ЗАПАДНОЙ
СИБИРИ: ОТ ПОПУТНЫХ МЕТАЛЛОВ ДО НАНОМАТЕРИАЛОВ 60
4.1. Глауконит 60
4.1.1. Глауконит как самостоятельное минеральное удобрение 61
4.1.2. Глауконит как источник калийных солей 63
4.1.3. Глауконит как материал для создания нанокомпозитных удобрений 64
4.2. Редкоземельные элементы 67
4.3. Титан 68
4.4. Выводы: четвертое защищаемое положение 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 73
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 79
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 16
1. ФАЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ И МОРФОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОРСКИХ ЖЕЛЕЗНЯКОВ 16
1.1. Краткая геологическая характеристика Западно-Сибирского бассейна железняков 16
1.2. Фации 18
1.3. Морфометрические особенности ооидовых структур 20
1.4. Условия седиментации 23
1.5. Источники терригенного материала 28
1.6. Периодизация осаждения железняков 28
1.7. Выводы: первое защищаемое положение 30
2. ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЯКОВ 32
2.1. Характеристики и механизмы формирования основных рудных компонентов (ооидов, пелоидов и
микроонкоидов) 32
2.1.1. Классификация хемогенных форм, морфология и минеральный состав железистых сфероидов 32
2.1.2. Геохимия минералов ооидов и пелоидов 34
2.1.3. Роль абиогенных и микробиальных процессов при формировании основных железорудных
компонентов 35
2.2. Цемент и матрикс осадочных пород бассейна железняков 37
2.2.1. Карбонатный цемент 31
2.2.2. Глинистый матрикс 40
2.2.3. Минеральная зональность цемента пород 40
2.3. Второстепенные аутигенные минералы и последовательность минералообразования 42
2.3.1. Сульфиды в железняках 43
2.3.2. Последовательность минералообразования 48
2.4. Выводы: второе защищаемое положение 50
3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ
ЖЕЛЕЗНЯКОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 51
3.1. Геохимические особенности 51
3.1.1. Геохимические особенности морских железняков Западной Сибири 51
3.1.2. Геохимические особенности континентальных железняков Западной Сибири и Тургайского прогиба 56
3.2. Рудоконтролирующие факторы 58
3.3. Выводы: третье защищаемое положение 59
4. ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МОРСКИХ ЖЕЛЕЗНЯКОВ ЗАПАДНОЙ
СИБИРИ: ОТ ПОПУТНЫХ МЕТАЛЛОВ ДО НАНОМАТЕРИАЛОВ 60
4.1. Глауконит 60
4.1.1. Глауконит как самостоятельное минеральное удобрение 61
4.1.2. Глауконит как источник калийных солей 63
4.1.3. Глауконит как материал для создания нанокомпозитных удобрений 64
4.2. Редкоземельные элементы 67
4.3. Титан 68
4.4. Выводы: четвертое защищаемое положение 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 73
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 79
Актуальность темы исследования
Осадочные железняки широко распространены в фанерозойских осадочных бассейнах (Petranek and Van Houten, 1997; Van Houten, 1992; Van Houten and Hou, 1990) и за редким исключением отмечаются в докембрийских толщах (Lechte et al., 2024). Это осадочные породы, отличающиеся повышенной долей железа (более 15% валового Fe2O3) в виде аутигенных минералов, которые зачастую образуют ооидовую, реже пелоидовую структуру (Kimberley, 1979; Young, 1989a). Благодаря широкому распространению и достаточно простым условиям залегания, эти породы пользовались высоким промышленным спросом в прошлые индустриальные эпохи. Это привело к их классификации как отдельных промышленных типов железорудных месторождений: осадочных морских и осадочных континентальных. Палеогеографические условия накопления железняков, соответствующие промышленной классификации, позволяют выделить два основных геолого-генетических типа месторождений и залежей: морские и континентальные.
В числе морских осадочных бассейнов железняков, пользующихся длительным научным вниманием, можно отметить следующие уникальные геологические объекты: Лотарингский бассейн в Европе и его «минеттовые» руды (Siehl and Thein, 1989; Teyssen, 1984), бассейн Аппалачи (Matheson and Pufahl, 2021) и бассейн Вабана в Северной Америке (Hayes, 1929; Pollock, 2019; Todd et al., 2019), а также Западно-Сибирский бассейн в России (Rudmin et al., 2022b, 2019c; Белоус et al., 1964) и др. Более подробно распространение ооидовых железняков освещается в обзорных статьях Франклина Ван Хоутена (Van Houten, 1992) и Майкла Кимберли (Kimberley, 1994). Важный вклад в научной повестке генезиса и освоения осадочных железняков внесло несколько поколений ученых, среди которых следует подчеркнуть фундаментальные труды Н.М. Страхова, Л.Н. Формозовой, Е.Ф. Шнюкова, Д.И. Павлова, В.Н. Холодова, Ф.Б. Ван Хоутена, Дж. Мейнарда, М. Кимберли, Т. Янга, К. Тейлора (Kimberley, 1979; Maynard, 1986; Taylor, 1996; Taylor et al., 2002; Van Houten, 1985; Van Houten and Bhattacharyya, 1982; Young, 1992, 1989a; Павлов, 1989; Павлов et al., 1991; Страхов, 1960, 1947; Формозова, 1973; Холодов et al., 2014) и многих других .
Накапливаемые знания о палеогеографии, распространенности, минералогии и геохимии этих отличительных осадочных пород способствовали развитию дискуссий, касающихся различных аспектов их генезиса. Среди основных спорных моментов можно подчеркнуть три основных фундаментальных вопроса: (1) источники железа и связанных металлов, (2) механизмы мобилизации и транспортировки металлов, (3) условия и механизмы концентрирования и образования минералов (Kimberley, 1994, 1989; Matheson and Pufahl, 2021; Rudmin et al., 2019c; Sturesson, 2003; Todd et al., 2019; Van Houten, 1990; Павлов, 1989; Страхов, 1947). Наличие этих проблем привело к тому, что на сегодняшний день в геологическом обществе сосуществует несколько концепций генезиса бассейнов морских ооидовых железняков (Kimberley, 1994, 1979; Knox, 1970; Mucke and Farshad, 2005; Reiners and Turchyn, 2018; Rudmin et al., 2019c; Todd et al., 2019; Young, 1989a; Страхов, 1947).
Первая концепция «континентального стока» или «речного сноса» заключается в (а) выносе железа и связанных металлов (Al, Mn) при выветривании магматических и метаморфических провинций питающих, горных регионов (Salama et al., 2014; Young, 1992; Белоус и др., 1964; Страхов, 1947; Формозова, 1959; Холодов и др., 2012; Шнюков и др., 1976), (б) переносе металлов в форме истинных или коллоидных растворов поверхностными и подземными водотоками от области выветривания до прибрежной зоны морского бассейна, и (в) интенсивном осаждении поступающего материала, главным образом железа, в зоне смешения относительно кислых речных вод с нейтральными или щелочными морскими водам (Guerrak, 1988; Han et al., 2023; Hayes, 1929; Knox, 1970; Powell, 2010; Siehl and Thein, 1989; Taylor et al., 2002; Teyssen, 1984; Van Houten and Purucker, 1984; Young, 1989b). Во многом эта теория опирается на научные основы школы нептунизма.
Вторая, оппозиционная концепция, связана с поступлением гидротермальных металлоносных флюидов в морской бассейн (Kimberley, 1989, 1979; Pavlov, 1989; Pavlov et al., 1991; Rudmin et al., 2022c, 2018b; Sturesson et al., 2000, 1999). Выщелачиваемые гидротермальной циркуляцией глубокозалегающие толщи, а также магматические очаги предлагаются как основные генеративные источники железа и ассоциируемых металлов (Afify et al., 2018; Heikoop et al., 1996; Kimberley, 1979; Rudmin et al., 2020a; Павлов, 1989). Эта теория выдвигалась на основе изучения преимущественно мезозойских и кайнозойских бассейнов (Afify et al., 2015 a, 2015b; Rudmin et al., 2022b, 2019c).
Третья концепция дополняет вторую, смещая гидротермальную «разгрузку» в более глубинные части моря или океана (в зоны гидротермальных просачиваний рифтовых систем) относительно бассейна железняков, и переносом металлоносного плюма за счёт апвеллинга в мелководную или прибрежную область (Pufahl et al., 2020; Todd et al., 2019). Эта модель применяется преимущественно для ордовик-силурийских бассейнов железняков, которые были вовлечены в изменения термохалинной циркуляции соответствующих бассейнов (Dunn et al., 2021; Matheson et al., 2024; Matheson and Pufahl, 2021). Аноксические плюмы, богатые Fe-P-S, перемещаемые на большие расстояния в условиях стратифицированной водной толщи от рифтовых зон (подобных срединно-океаническим хребтам) до литоральных обстановок рассматриваются как основные источники металлов железняков (Matheson et al., 2022; Todd et al., 2019). Во многом вторая и третья концепции опираются на научные основы школы плутонизма.
«Гармоничное» сосуществование этой триады концепций генезиса морских железняков объясняется отсутствием должной пассионарности в решении вышеобозначенных ключевых вопросов. При этом нельзя исключать реалистичности каждой из теорий. Однако, учитывая современные наблюдения (Rudmin et al., 2022c, 2022b, 2020a, 2019c, 2018b; Павлов, 1989; Рудмин et al., 2017), применимость комплексной теории затрудняет объяснение геологических и вещественных особенностей морских железняков Западно-Сибирского бассейна. В связи с этим в рамках защищаемой исследовательской работы была поставлена задача определения природы подобных месторождений в пределах Западной Сибири в сопоставлении со схожими объектами из смежных территорий (Тургайский прогиб, Казахстан) и другими объектами как России, так и мира. Активации обсуждения спорных генетических моментов этих пород определяется не только научным «азартом» к решению философской дискуссии школ нептунизма и плутонизма, но и актуальными ответвлениями изучения железистых ооидов в поисках (а) понимания природы минералообразования во внеземных средах (Di Bella et al., 2021), (б) восстановления эволюции состава гидросферы и атмосферы (Galili et al., 2019; Pufahl and Hiatt, 2012), (в) объяснения происхождения докембрийских железистых кварцитов (Chi Fru et al., 2018; Lechte et al., 2024; Mohanty and Mishra, 2023; Wang et al., 2022) и другими вопросами.
Дополнительной мотивацией защищаемой работы является исследование другого генетического типа железняков - континентального. Среди континентальных железняков широко известны месторождения в районе Пильбара (Yandi, Robe, Caliwingina, etc.) в Западной Австралии (Haest et al., 2012a, 2012b; Morris and Ramanaidou, 2007; Ramanaidou et al., 2003) и в районе Тургайского прогиба в Северном Казахстане (Golubovskaya, 2003; Формозова, 1959). Образование известных континентальных месторождений (CID - channel ironstone deposits) ограничивается кайнозоем, то есть они имеют возраст моложе 65 млн лет (Macphail and Stone, 2004; Ramanaidou et al., 2003; Ramanaidou and Wells, 2014). К наиболее близким современным аналогам CID относятся осадки железняков в дельте Махакама на реке Калимантан в Индонезии (Allen et al., 1979), озера Малави (Muller and Forstner, 1973; Williams and Owen, 1990) и озера Чад (Lemoalle and Dupont, 1973) в восточной Африке, озера Этив в Шотландии (Rohrlich, 1974; Rohrlich et al., 1969). Более «искусно» природа речных месторождений железняков на примере залежей в Западной Австралии описывается следующими вариативными моделями: непосредственное (прямое) осаждение в речных и озёрных водах (Dalstra et al., 2010), замещение обломков в русловых отложениях (Heim et al., 2006; Macphail and Stone, 2004), механическое накопление железорудных обломков подобное россыпям, преимущественно педогенное образование ооидов и пелоидов (Morris and Ramanaidou, 2007). Наличие спорных теорий мотивирует исследование условий формирования континентальных проявлений железняков, особенно в географии распространения бассейнов морских железняков.
Среди бассейнов морских железняков мезозойского возраста практически всегда распространены залежи глауконитовых отложений. Глауконит - это диоктаэдрический калийсодержащий филлосиликат (Drits et al., 1997; McRae, 1972; Odin and Matter, 1981) широко распространённый среди прибрежно-морских пород, включая морские железняки (Rudmin et al., 2017a), реже встречается среди вулканических формаций (Rudmin et al., 2023a). За счет повышенного содержания K2O (до 8-9%), отличительных ионно-обменных свойств и сорбционных способностей, он может служить нетрадиционным сырьём для производства различных материалов, включая удобрения, сорбенты и др. Минерал изучается уже давно и частично используется в качестве калийного удобрения. Почвы, которые содержат в себе глауконитовые породы, известны своей высокой плодородностью (McRae, 1972). Крупные месторождения глауконита известны в Бразилии, России, США, Австралии, Аргентине, Дании, Египте, Новой Зеландии, Украине, Индии и т. д. К примеру, в США в штатах Нью-Джерси, Делавэре и Мэриленде добываются глауконитовые зеленые пески, залегающие в средней части Приатлантической низменности и используются для оплодотворения почв (Heckman and Tedrow, 2004). Сегодня активно разрабатываются глауконит-содержащие породы в Бразилии компанией VERDE Agritech (Santos et al., 2015; Veloso, 2019).
Пользуясь широким распространением среди осадочных пород, глауконит России изучается уже на протяжении более 50 лет. Первыми отечественными исследователями, которые заложили фундаментальные основы классификации, номенклатуры, кристаллической структуры глауконитовых и закономерностей разнообразия глауконитовых минералов являются В.А. Дриц (Drits et al., 1997) и И.В. Николаева (Николаева, 1981, 1977). Однако, индустриальное применение глауконита носит эпизодический или локальный характер, что провоцирует необходимость его детального исследования. Потенциальная возможность его попутного извлечения из отложений железняков может повысить инвестиционную привлекательность подобных рудных бассейнов и минерала как нетрадиционного сырья для разнопланового использования.
Цель и задачи работы
Основная цель работы заключается в разработке концептуальной модели генезиса морских железняков Западной Сибири и выявлении их новых перспектив как источников попутных минеральных ресурсов на основе комплексного подхода, объединяющего геологические, минералого-геохимические исследования и экспериментальные испытания.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.
(1) Выявление и интерпретация фациальных условий осадконакопления железняков, и разработка нового подхода к их морфометрическому изучению.
(2) Исследование физико-химических условий и процессов образования минералов при литификации железняков, учитывая влияние стадий диагенеза, и определение минеральной зональности пород.
(3) Установление основных факторов, контролирующих физико-химические режимы минералообразования в бассейнах железняков.
(4) Изучение закономерностей и взаимосвязей между органической, макро- и микроэлементной, изотопной геохимией железняков.
(5) Выявление и обоснование новых видов минеральных ресурсов в бассейнах железняков.
(6) Изучение механизмов активации глауконита как нетрадиционного сырья и оценка эффективности новых минеральных материалов на основе лабораторных и полевых испытаний.
(7) Качественная переоценка промышленной ценности попутных компонентов железняков Западной Сибири.
Научная новизна
В представленной работе обосновывается флюидно-литогенный генезис морских железняков Западной Сибири, предполагающий функционирование скрытой гидротермально-осадочной системы, а также предлагаются варианты задействования второстепенных минералов и вмещающих пород в индустрии.
Комплексными исследованиями была разработана фундаментальная генетическая модель, составленная на серии аргументов, включающих геологическое положение залежей, специфические структуры пород, отличительный минеральный состав и геохимические особенности железняков. На основе рутинного подхода к изучению морфометрических параметров ооидов, предложены кумулятивные индексы, свидетельствующие о сохранности седиментации ооидовых пород, что интегрировано в новую фациальную модель бассейна. Кроме того, детализированы трансгрессивные циклы в разрезе бассейна морских железняков на основе анализа обломочной фракции, морфологии и химического состава глауконита, а также геохимических индикаторов.
Определены механизмы формирования основных аутигенных компонентов пород: абиогенные для ооидов и пелоидов, биогенные для микроонкоидов. Впервые доказано, что особенности глинистого матрикса и карбонатного цемента, наряду с редкой сульфидной минерализацией (пирротин, грейгит, вюртцит, галенит и др.) являются свидетельствами низкотемпературной флюидной активности через древние морские отложения. Последнее отражается в специфических геохимических характеристиках пород и железистых ооидов в виде повышенных содержаний редких металлов, таких как Zn, Pb, As, Cu, Mo и др. На основе аутигенной минерализации и корреляционных связей классифицированы источники связанных попутных металлов.
Выдвинута теория, что периоды интенсивного накопления морских железняков связаны с региональными и глобальными геологическими событиями, такими как океаническая аноксия, палеоцен-эоценовый термический максимум и др. Предложена парагенетическая связь бассейна морских железняков с погребённым рифтовыми системами в восточной части Западной Сибири, объясняющая функционирование скрытой гидротермальной циркуляции как результат пострифтовых процессов.
Дополнительно научная новизна выражена в изучении потенциальных попутных компонентов - преимущественно глауконита, а также редкоземельных элементов (РЗЭ) и ильменит- магнетитовых. Перспективность РЗЭ подчёркивается их тесной связью с фосфором, что проявляется в виде постоянных минеральных включений в кортексе ооидов. Сделано предположение, что технологии удаления фосфора можно оптимизировать за счёт извлечения дополнительных концентратов редкоземельных металлов при обогатительных работах.
Доказано, что глауконит из месторождений морских железняков Западной Сибири перспективен в качестве сырья (а) для прямого применения как нетрадиционных удобрений, (б) для получения калийных солей и (в) для создания слоистых полифункциональных нанокомпозитов. Экспериментально показана высокая эффективность глауконитовых нанокомпозитов для стимуляции роста растений, благодаря разноуровневой сорбции нутриентов в микро- и макропорах минерала. Этот вариант предполагает разносторонние варианты задействования минерала для инновационной области создания слоистых материалов контролируемого действия, где автором было впервые доказаны возможности глауконита к управляемой сорбции добавляемых ионов.
Теоретическая и практическая значимость работы
С одной стороны, достигнутые результаты расширяют представления о формировании залежей железняков, с другой - указывают на потенциальную промышленную привлекательность подобных руд как комплексного сырья. Выдвигаемая «флюидно-литогенная» модель, рассматривающая морские железорудные месторождения как часть более крупной гидротермально-осадочной системы, открывает перспективы поиска сингенетичных эксгаляционных руд, включая полиметаллические залежи, в пределах этой системы. Дополнительное фундаментальное влияние отводится палеогеографической роли железняков в осадочной летописи многих бассейнов, за счёт их связей с геологическими катаклизмами, такими как океаническая аноксия и другие глобальные события.
Практический контекст результатов разбирается по следующим направлениям. Во-первых, это исчерпывающее понимание вещественного облика потенциальных концентратов железных руд, которые объясняются особенностями их формирования. Во-вторых, это прямая возможность разнородного вовлечения дополнительного сырья из вмещающих осадочных отложений, например, глауконитовых пород в качестве как самостоятельных продуктов, так и востребованного нетрадиционного сырья для создания полифункциональных нанокомпозитов. В авторских исследованиях последнее подтверждается лабораторными и полевыми испытаниями, которые базируются на активизации ионно-обменных и сорбционных характеристик слоистых минералов.
Фактический материал и методы исследований
Основным материалом для данной работы послужили осадочные разрезы и каменные материалы из различных российских и зарубежных месторождений. Ключевым объектом выступал ЗападноСибирский железорудный бассейн и наиболее изученное в его пределах Бакчарское месторождение. Дополнительно по российским залежам исследовались естественные обнажения морских железняков юрского возраста в пределах Лабино-Малкинской зоны (Северный Кавказ), а также континентальных железняков Чулымо-Енисейской котловины (одновозрастные морские Западно-Сибирского бассейна из прилегающей территории) и Киреевского проявления. Остальной изученный материал приходился на следующие зарубежные объекты: железняки «голден оолиты» из юрских толщ бассейна Катч (Индия); железняки юрского возраста Лотарингского бассейна (Франция); железняки среднеюрской формации Динцзе (Южный Тибет, Китай); меловые ооидовые железняки Аятского бассейна в Тургайском прогибе (Северный Казахстан); железняки из нижнемеловых отложений Формации Клариссия в районах Венимилье, Люсераме и Туэ-де-эль-Эскарене (северо-западная часть Италии и юго-восточная часть Франции); железняки кайнозойских толщ марганцевого месторождения Вани (о. Милос, Греция); континентальные олигоценовые железные руды Лисаковского месторождения (Северный Казахстан). В итоге была собрана коллекция образцов достаточная для расширения географии изучаемых объектов и их использования для сравнения и сопоставления с основными результатами по рудным месторождениям Западной Сибири. В рамках исследования нетрадиционного минерального сырья дополнительно вовлекались образцы из различных российских месторождений.
Аналитических работы включали в себя следующие методы: каппаметрия, оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) с локальным рентгеноспектральным энергодисперсионным анализом (ЭДС), рентгенодифракционный анализ (РДА), термогравиметрический и дифференциальный термический анализы (ТГ-ДТА) с адаптированной масс-спектрометрией (ТГ-ДТА-МС), ИК-спектрометрия, метод Брунауэра- Эммета-Теллера (БЭТ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), микротермометрия, Раман-спектроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), Rock-eval пиролиз, изотопная масс-спектрометрия, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС), масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС).
Для оценки различных геологических условий содержания макро- и микроэлементов в породах были нормированы на содержания алюминия как неподвижного элемента в осадочных породах. Основные геохимические индексы так называемые факторы обогащения (enrichment factors - EF) рассчитывались для каждой пробы по зарекомендовавшим себя формулам (Brumsack, 2006; Tribovillard et al., 2006): X EF = (X/Al)проба/(X/Al)pAAs. Al EF высчитывался следующим образом: Al EF = Alпроба/AlpAAS (PAAS - это стандарт пост-архейского австралийского сланца). В качестве индексов (а) редокс-условий изучались Mo EF, U EF, V EF, V/Cr, U/Th, (б) палеосолёности - Sr/Ba, Ca/(Ca+Fe), (в) палеоклимата - Sr/Cu (Tribovillard et al., 2006; Zhang et al., 2020), CIA, (г) палеопродуктивности - P EF и (д) терригенного приноса - Ti EF, Al EF. Индекс химического выветривания (chemical index alteration - CIA) определялся по следующей формуле (Nesbitt and Young, 1982; Price and Velbel, 2003): CIA = 100x(Al2O3/(AhO3 + CaO + Na2O + K2O)). Ce*, Eu*, Ysn/Hosn были получены из нормированных концентраций редкоземельных элементов (РЗЭ) на стандарт PAAS. Цериевая аномалия высчитывалась по формуле Ce* = 2*Cesn/(Lasn + Prsn), европиевая аномалия - Eu* = Eusn/(%Smsn + %Gdsn), где sn - нормированные значения.
Экспериментальный комплекс исследований заключался в следующих опытах: электромагнитное обогащение минерального сырья; последовательное селективное выщелачивание образцов железняков; опыты по обжиг-выщелачиванию глауконитового сырья; лабораторные опыты со сбором фильтратов из почв; лабораторные агрохимические эксперименты и полевые аграрные испытания.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Латеральная смена отложений морских железняков Западной Сибири на примере Бакчарского месторождения выражается в замещении хемогенных фаций терригенными или в смене терригенных фаций - песчаников на песчано-глинистые породы. Интенсивность поступления железонасыщенных флюидов и физико-химические условия придонного слоя определяются как ключевые факторы разнообразия хемогенных фаций. Акты поступления рудного вещества в бассейн седиментации выявляются по слоям железняков с автохтонной ооидовой фракцией и сопоставляются с несколькими возрастными интервалами. Перекрытие этих слоев отложениями с признаками скрытого размыва характеризуется повышенным уровнем параавтохтонных компонентов.
2. Механизмы формирования рудных компонентов морских железняков Западной Сибири контролируются преимущественно абиогенными процессами, зависящими от физикохимических условий среды минералообразования, при минимальном участии микробиальной активности. Железистые ооиды и пелоиды формируются посредством иммобилизации железа при варьирующих уровнях кислородной доступности: гётитовые ооиды характерны для кислородных условий, бертьериновые (хлоритовые) - для субоксических, а редкие сидеритовые - для аноксических, сопровождающихся продуцированием углекислотных ионов. Пространственная зональность рудообразующих процессов проявляется в изменении минеральной ассоциации цемента и матрикса: от проксимальной зоны с нонтронит-каолинит- хлоритовой ассоциацией и сидеритом, обогащённым лёгкими изотопами углерода, до дистальной зоны с иллит-монтмориллонитовой ассоциацией и сидеритом более тяжёлого изотопного состава углерода. Этап минералообразования включает несколько стадий: ранний аутигенез, ранний диагенез и диагенез под воздействием металлоносных флюидов. Постседиментационное воздействие на железняки проявляется в структурно-текстурных особенностях пород наряду с редкой сульфидной минерализацией.
3. Геохимические особенности морских железняков Западной Сибири характеризуются повышенными уровнями Zn, Mo, Pb, As, Co, V, Cr и РЗЭ, которые варьируют в пределах рудовмещающих слоев в зависимости от физико-химических условий осадкообразования. Слои с повышенными концентрациями Mo, V, As и Zn ассоциированы с морфоструктурными особенностями пород, специфическим набором аутигенных минералов и отклонениями в изотопном составе карбонатного углерода. Эти факторы свидетельствуют о гипоксических условиях осадочной среды. Смена геохимических режимов формирования железняков объясняется флюидно-литогенной моделью их генезиса, где ключевым процессом поступления железа и попутных металлов выступает гидротермальная циркуляция в пределах осадочного бассейна.
4. Перспективы месторождений морских осадочных железняков Западно-Сибирского бассейна связаны не только с крупнейшими ресурсами железа, но и с возможностью освоения попутных компонентов, таких как глауконит, редкоземельные металлы и ильменит-магнетитовые пески. Доказана эффективность использования глауконита в сельском хозяйстве в качестве калийного удобрения, сырья для производства калийных солей и сырья для создания нанокомпозитных удобрений с контролируемым высвобождением нутриентов. Слоистая структура глауконита и поровое пространство способствуют разнотипной сорбции веществ, обеспечивая их пролонгированное и контролируемое высвобождение.
Публикации и апробация работы
За последние 10 лет по диссертационной тематике автором опубликовано 35 статей (40 с учётом статей, находящихся на рецензировании) в журналах первого и второго квартилей по международным базам данных, а также 16 статей в журналах, индексируемых RSCI. Всего статей, опубликованных в журналах Scopus/WoS/ВАК - 61 (67 с учётом статей на рецензировании на момент подачи работы). Общее количество статей в журналах Q1-2 по Scopus/WoS с участием соискателя за последние 10 лет составляет 54.
На разных этапах результаты исследований были апробированы в нескольких вариантах. Во- первых, это многочисленные выступления для экспертных аудиторий на научных мероприятиях, а именно: 61 доклад на 53 конференциях всероссийского или международного уровней за последние 10 лет. На 9 конференциях презентация авторских исследований была удостоена дипломами лауреата или первой степени (г. Москва, г. Санкт-Петербург, г. Апатиты, г. Петрозаводск, г. Уфа, г. Томск, г. Улан-Удэ). Среди основных конференций, на которых соискатель докладывал результаты исследований, можно перечислить следующие: 16th SGA (Society for Geology Applied to Mineral Deposits) Biennial Meeting (г.Роторуа, Новая Зеландия), the 21st International Sedimentological Congress (г.Пекин, Китай), International Conference of European Clay Groups Association - EUROCLAY 2023 (г.Бари, Италия), 15th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM; Китай), International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa (г.Яундэ, Камерун), Российские Совещания по глинам и глинистым минералам (г.Москва и г.Санкт-Петербург), Молодежные научные школы «Металлогения древних и современных океанов» (г.Миасс), российская молодёжная научно-практическая школа «Новое в познании процессов рудообразования» (г.Москва) и мн. др.
За достигнутые результаты соискатель был награждён дипломом Лауреата премии Законодательной думы Томской области 2020 года в номинации «Молодые ученые».
Цели, задачи и результаты исследований был поддержаны грантовыми проектами Российского Фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Российского научного фонда (РНФ), Совета по грантам Президента РФ, Государственного задания «Наука». В рамках диссертационных исследований соискатель успешно реализовал в качестве руководителя 7 грантовых проектов:
• РНФ 22-77-10002 «Нанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые
экологически безопасные удобрения контролируемого действия»,
• РНФ 17-77-10042 «Глауконитовые породы - источник экологически чистого
минерального удобрения в Западной Сибири»,
• РНФ 20-77-00007 «Генезис континентально-осадочных железняков: связь
биогеохимического цикла железа с региональными и глобальными геологическими процессами»,
• РФФИ 19-55-45002 ИНД_а «Исследование глинистых минералов как экологически чистых удобрений пролонгированного действия» (совместный проект с Департаментом науки и технологии правительства Индии),
• РФФИ 19-45-703002 «Процессы образования железистых сфероидов Бакчарского месторождения»,
• РФФИ 18-35-00022 «Изучение ферромагнитных сульфидов в осадочных отложениях древнего Западно-Сибирского моря»,
• Грант Президента РФ МК-1825.2022.1.5 «Активация глауконита для создания полифункциональных нанокомпозитных удобрений»,
• Грант Президента РФ МК-213.2020.5 «Структурно-минералогические изменения и технология активации монтмориллонита для создания современных удобрений контролируемого действия»,
а также принимал участие в качестве исполнителя в 3 грантовых проектах:
• РНФ 21-17-00019 «Биогеохимические циклы, источники металлов и эволюция вещества в мел-палеогеновых морских железорудных месторождениях»,
• РФФИ 18-05-00302 «Минералого-геохимическое исследование условий эволюции болотных экосистем (на примере Западной Сибири)»,
• РФФИ 16-45-700090 «Исследование глауконита как попутного компонента при освоении железных руд Бакчарского месторождения (Томская область)».
Научные результаты по вовлечению в индустрию глауконитового сырья апробировались в виде тематических работ «Экологичное удобрение для растительных культур на основе глауконита» для молодого предприятия ООО «НПК Глауконит» (г.Томск), созданного в формате стартап- студии. Также на текущий момент реализуется два грантовых проекта под руководством соискателя: РНФ 22-77-10002 «Нанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые экологически безопасные удобрения контролируемого действия» и ГЗ Наука FSWW-2023-0010 «Комплексные исследования на базе природных геологических лабораторий».
Часть прикладных результатов была апробирована на нескольких сельскохозяйственных предприятий (Акт внедрения нанокомпозитных глауконитовых удобрений от 30.10.2022 г., ООО «КДВ-Агро», Кемеровская область; Акт внедрения нанокомпозитных удобрений на основе глауконита от 30.09.2023 г., ООО «Агрофирма РАССВЕТ» Республика Мордовия) и
инновационной компании по производству удобрений (Акт внедрения нанокомпозитных глауконитовых удобрений от 2024 г., ООО «НПК Глауконит», Томская область).
Личный вклад автора
Автор проявил непосредственное участие во всех сегментах представленной работы от постановки многосторонних научных задач, проектирования, планирования и организации исследований, проведения отдельных аналитических и экспериментальных работ, поиска, апробации и постановки новых методических подходов, до интерпретации широкого комплекса мультидисциплинарных результатов. Постановка исследований определялась регулярным и рутинным поиском направлений развития двух областей - осадочных железняков, глауконита и других слоистых минералов. В первой области формулировались вопросы касательно поиска вариантов получения результатов для обсуждения генезиса и палеогеографического значения, во второй - для понимания фундаментальных принципов использования минерального сырья. Львиная доля аналитических и экспериментальных работ были выполнены автором лично, либо с непосредственным участием.
Благодарности
В первую очередь автор посвящает свою работу семье - жене и дочери, за их поддержку и безграничное понимание, что стало неизменным источником вдохновения и опорой на всех этапах научного пути.
Особая признательность выражается научному консультанту и наставнику, д.г.-м.н., профессору отделения геологии ТПУ Мазурову А.К., за неоценимый вклад в становление автора как учёного и переданный опыт, который стал прочной основой для представленной работы и будущих начинаний.
Автор благодарит к.г.-м.н., доцента отделения геологии Рубан А.С. (ТПУ), неравнодушная поддержка и заинтересованность которого сыграли важнейшую роль в проведённых исследованиях. Искренняя благодарность выражается коллегам и соавторам: к.г.-м.н. Якич Т.Ю. (ТПУ), к.г.-м.н. Шалдыбину М.В. (ТомскНИПИнефть, ТПУ), д.г.-м.н. Рихванову Л.П. (ТПУ), д.г.- м.н. Кучеренко И.В. (ТПУ), Банержи С. (IIT Bombay, Индия), Мэтьюсон Э. (CBU, Канада), Бальдерманн А. (TU Graz, Австрия), Макарову Б.И. (ТПУ), Мартемьянову Д.В. (ТПУ), Максимову П.Н. (ТПУ), Максимовой (Калининой) Н.А. (ТПУ), Даси Э. (ТПУ), д.г.-м.н. Сокол Е.В. (ИГМ СО РАН), к.г.-м.н. Белоусову П.Е. (ИГЕМ РАН), к.г.-м.н. Крупской В.В. (ИГЕМ РАН), Лопес-Кириос А. (UGR, Испания), Робертс А. (ANU, Австралия) и многим другим. Их сотрудничество стало важным вкладом в достижение результатов работы.
Отдельная признательность отводится научным сообществам - Российской группе по глинам и глинистым минералам (Russian Clay Group) и Международной ассоциации седиментологов (IAS) - за содействие научным инициативам и организацию ключевых мероприятий, способствующих апробации и развитию исследований соискателя. Автор благодарен Российскому научному фонду, Российскому фонду фундаментальных исследований, Совету по грантам Президента РФ за поддержку и рецензирование исследовательских проектов соискателя, что способствовало достижению результатов диссертационной работы.
Осадочные железняки широко распространены в фанерозойских осадочных бассейнах (Petranek and Van Houten, 1997; Van Houten, 1992; Van Houten and Hou, 1990) и за редким исключением отмечаются в докембрийских толщах (Lechte et al., 2024). Это осадочные породы, отличающиеся повышенной долей железа (более 15% валового Fe2O3) в виде аутигенных минералов, которые зачастую образуют ооидовую, реже пелоидовую структуру (Kimberley, 1979; Young, 1989a). Благодаря широкому распространению и достаточно простым условиям залегания, эти породы пользовались высоким промышленным спросом в прошлые индустриальные эпохи. Это привело к их классификации как отдельных промышленных типов железорудных месторождений: осадочных морских и осадочных континентальных. Палеогеографические условия накопления железняков, соответствующие промышленной классификации, позволяют выделить два основных геолого-генетических типа месторождений и залежей: морские и континентальные.
В числе морских осадочных бассейнов железняков, пользующихся длительным научным вниманием, можно отметить следующие уникальные геологические объекты: Лотарингский бассейн в Европе и его «минеттовые» руды (Siehl and Thein, 1989; Teyssen, 1984), бассейн Аппалачи (Matheson and Pufahl, 2021) и бассейн Вабана в Северной Америке (Hayes, 1929; Pollock, 2019; Todd et al., 2019), а также Западно-Сибирский бассейн в России (Rudmin et al., 2022b, 2019c; Белоус et al., 1964) и др. Более подробно распространение ооидовых железняков освещается в обзорных статьях Франклина Ван Хоутена (Van Houten, 1992) и Майкла Кимберли (Kimberley, 1994). Важный вклад в научной повестке генезиса и освоения осадочных железняков внесло несколько поколений ученых, среди которых следует подчеркнуть фундаментальные труды Н.М. Страхова, Л.Н. Формозовой, Е.Ф. Шнюкова, Д.И. Павлова, В.Н. Холодова, Ф.Б. Ван Хоутена, Дж. Мейнарда, М. Кимберли, Т. Янга, К. Тейлора (Kimberley, 1979; Maynard, 1986; Taylor, 1996; Taylor et al., 2002; Van Houten, 1985; Van Houten and Bhattacharyya, 1982; Young, 1992, 1989a; Павлов, 1989; Павлов et al., 1991; Страхов, 1960, 1947; Формозова, 1973; Холодов et al., 2014) и многих других .
Накапливаемые знания о палеогеографии, распространенности, минералогии и геохимии этих отличительных осадочных пород способствовали развитию дискуссий, касающихся различных аспектов их генезиса. Среди основных спорных моментов можно подчеркнуть три основных фундаментальных вопроса: (1) источники железа и связанных металлов, (2) механизмы мобилизации и транспортировки металлов, (3) условия и механизмы концентрирования и образования минералов (Kimberley, 1994, 1989; Matheson and Pufahl, 2021; Rudmin et al., 2019c; Sturesson, 2003; Todd et al., 2019; Van Houten, 1990; Павлов, 1989; Страхов, 1947). Наличие этих проблем привело к тому, что на сегодняшний день в геологическом обществе сосуществует несколько концепций генезиса бассейнов морских ооидовых железняков (Kimberley, 1994, 1979; Knox, 1970; Mucke and Farshad, 2005; Reiners and Turchyn, 2018; Rudmin et al., 2019c; Todd et al., 2019; Young, 1989a; Страхов, 1947).
Первая концепция «континентального стока» или «речного сноса» заключается в (а) выносе железа и связанных металлов (Al, Mn) при выветривании магматических и метаморфических провинций питающих, горных регионов (Salama et al., 2014; Young, 1992; Белоус и др., 1964; Страхов, 1947; Формозова, 1959; Холодов и др., 2012; Шнюков и др., 1976), (б) переносе металлов в форме истинных или коллоидных растворов поверхностными и подземными водотоками от области выветривания до прибрежной зоны морского бассейна, и (в) интенсивном осаждении поступающего материала, главным образом железа, в зоне смешения относительно кислых речных вод с нейтральными или щелочными морскими водам (Guerrak, 1988; Han et al., 2023; Hayes, 1929; Knox, 1970; Powell, 2010; Siehl and Thein, 1989; Taylor et al., 2002; Teyssen, 1984; Van Houten and Purucker, 1984; Young, 1989b). Во многом эта теория опирается на научные основы школы нептунизма.
Вторая, оппозиционная концепция, связана с поступлением гидротермальных металлоносных флюидов в морской бассейн (Kimberley, 1989, 1979; Pavlov, 1989; Pavlov et al., 1991; Rudmin et al., 2022c, 2018b; Sturesson et al., 2000, 1999). Выщелачиваемые гидротермальной циркуляцией глубокозалегающие толщи, а также магматические очаги предлагаются как основные генеративные источники железа и ассоциируемых металлов (Afify et al., 2018; Heikoop et al., 1996; Kimberley, 1979; Rudmin et al., 2020a; Павлов, 1989). Эта теория выдвигалась на основе изучения преимущественно мезозойских и кайнозойских бассейнов (Afify et al., 2015 a, 2015b; Rudmin et al., 2022b, 2019c).
Третья концепция дополняет вторую, смещая гидротермальную «разгрузку» в более глубинные части моря или океана (в зоны гидротермальных просачиваний рифтовых систем) относительно бассейна железняков, и переносом металлоносного плюма за счёт апвеллинга в мелководную или прибрежную область (Pufahl et al., 2020; Todd et al., 2019). Эта модель применяется преимущественно для ордовик-силурийских бассейнов железняков, которые были вовлечены в изменения термохалинной циркуляции соответствующих бассейнов (Dunn et al., 2021; Matheson et al., 2024; Matheson and Pufahl, 2021). Аноксические плюмы, богатые Fe-P-S, перемещаемые на большие расстояния в условиях стратифицированной водной толщи от рифтовых зон (подобных срединно-океаническим хребтам) до литоральных обстановок рассматриваются как основные источники металлов железняков (Matheson et al., 2022; Todd et al., 2019). Во многом вторая и третья концепции опираются на научные основы школы плутонизма.
«Гармоничное» сосуществование этой триады концепций генезиса морских железняков объясняется отсутствием должной пассионарности в решении вышеобозначенных ключевых вопросов. При этом нельзя исключать реалистичности каждой из теорий. Однако, учитывая современные наблюдения (Rudmin et al., 2022c, 2022b, 2020a, 2019c, 2018b; Павлов, 1989; Рудмин et al., 2017), применимость комплексной теории затрудняет объяснение геологических и вещественных особенностей морских железняков Западно-Сибирского бассейна. В связи с этим в рамках защищаемой исследовательской работы была поставлена задача определения природы подобных месторождений в пределах Западной Сибири в сопоставлении со схожими объектами из смежных территорий (Тургайский прогиб, Казахстан) и другими объектами как России, так и мира. Активации обсуждения спорных генетических моментов этих пород определяется не только научным «азартом» к решению философской дискуссии школ нептунизма и плутонизма, но и актуальными ответвлениями изучения железистых ооидов в поисках (а) понимания природы минералообразования во внеземных средах (Di Bella et al., 2021), (б) восстановления эволюции состава гидросферы и атмосферы (Galili et al., 2019; Pufahl and Hiatt, 2012), (в) объяснения происхождения докембрийских железистых кварцитов (Chi Fru et al., 2018; Lechte et al., 2024; Mohanty and Mishra, 2023; Wang et al., 2022) и другими вопросами.
Дополнительной мотивацией защищаемой работы является исследование другого генетического типа железняков - континентального. Среди континентальных железняков широко известны месторождения в районе Пильбара (Yandi, Robe, Caliwingina, etc.) в Западной Австралии (Haest et al., 2012a, 2012b; Morris and Ramanaidou, 2007; Ramanaidou et al., 2003) и в районе Тургайского прогиба в Северном Казахстане (Golubovskaya, 2003; Формозова, 1959). Образование известных континентальных месторождений (CID - channel ironstone deposits) ограничивается кайнозоем, то есть они имеют возраст моложе 65 млн лет (Macphail and Stone, 2004; Ramanaidou et al., 2003; Ramanaidou and Wells, 2014). К наиболее близким современным аналогам CID относятся осадки железняков в дельте Махакама на реке Калимантан в Индонезии (Allen et al., 1979), озера Малави (Muller and Forstner, 1973; Williams and Owen, 1990) и озера Чад (Lemoalle and Dupont, 1973) в восточной Африке, озера Этив в Шотландии (Rohrlich, 1974; Rohrlich et al., 1969). Более «искусно» природа речных месторождений железняков на примере залежей в Западной Австралии описывается следующими вариативными моделями: непосредственное (прямое) осаждение в речных и озёрных водах (Dalstra et al., 2010), замещение обломков в русловых отложениях (Heim et al., 2006; Macphail and Stone, 2004), механическое накопление железорудных обломков подобное россыпям, преимущественно педогенное образование ооидов и пелоидов (Morris and Ramanaidou, 2007). Наличие спорных теорий мотивирует исследование условий формирования континентальных проявлений железняков, особенно в географии распространения бассейнов морских железняков.
Среди бассейнов морских железняков мезозойского возраста практически всегда распространены залежи глауконитовых отложений. Глауконит - это диоктаэдрический калийсодержащий филлосиликат (Drits et al., 1997; McRae, 1972; Odin and Matter, 1981) широко распространённый среди прибрежно-морских пород, включая морские железняки (Rudmin et al., 2017a), реже встречается среди вулканических формаций (Rudmin et al., 2023a). За счет повышенного содержания K2O (до 8-9%), отличительных ионно-обменных свойств и сорбционных способностей, он может служить нетрадиционным сырьём для производства различных материалов, включая удобрения, сорбенты и др. Минерал изучается уже давно и частично используется в качестве калийного удобрения. Почвы, которые содержат в себе глауконитовые породы, известны своей высокой плодородностью (McRae, 1972). Крупные месторождения глауконита известны в Бразилии, России, США, Австралии, Аргентине, Дании, Египте, Новой Зеландии, Украине, Индии и т. д. К примеру, в США в штатах Нью-Джерси, Делавэре и Мэриленде добываются глауконитовые зеленые пески, залегающие в средней части Приатлантической низменности и используются для оплодотворения почв (Heckman and Tedrow, 2004). Сегодня активно разрабатываются глауконит-содержащие породы в Бразилии компанией VERDE Agritech (Santos et al., 2015; Veloso, 2019).
Пользуясь широким распространением среди осадочных пород, глауконит России изучается уже на протяжении более 50 лет. Первыми отечественными исследователями, которые заложили фундаментальные основы классификации, номенклатуры, кристаллической структуры глауконитовых и закономерностей разнообразия глауконитовых минералов являются В.А. Дриц (Drits et al., 1997) и И.В. Николаева (Николаева, 1981, 1977). Однако, индустриальное применение глауконита носит эпизодический или локальный характер, что провоцирует необходимость его детального исследования. Потенциальная возможность его попутного извлечения из отложений железняков может повысить инвестиционную привлекательность подобных рудных бассейнов и минерала как нетрадиционного сырья для разнопланового использования.
Цель и задачи работы
Основная цель работы заключается в разработке концептуальной модели генезиса морских железняков Западной Сибири и выявлении их новых перспектив как источников попутных минеральных ресурсов на основе комплексного подхода, объединяющего геологические, минералого-геохимические исследования и экспериментальные испытания.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.
(1) Выявление и интерпретация фациальных условий осадконакопления железняков, и разработка нового подхода к их морфометрическому изучению.
(2) Исследование физико-химических условий и процессов образования минералов при литификации железняков, учитывая влияние стадий диагенеза, и определение минеральной зональности пород.
(3) Установление основных факторов, контролирующих физико-химические режимы минералообразования в бассейнах железняков.
(4) Изучение закономерностей и взаимосвязей между органической, макро- и микроэлементной, изотопной геохимией железняков.
(5) Выявление и обоснование новых видов минеральных ресурсов в бассейнах железняков.
(6) Изучение механизмов активации глауконита как нетрадиционного сырья и оценка эффективности новых минеральных материалов на основе лабораторных и полевых испытаний.
(7) Качественная переоценка промышленной ценности попутных компонентов железняков Западной Сибири.
Научная новизна
В представленной работе обосновывается флюидно-литогенный генезис морских железняков Западной Сибири, предполагающий функционирование скрытой гидротермально-осадочной системы, а также предлагаются варианты задействования второстепенных минералов и вмещающих пород в индустрии.
Комплексными исследованиями была разработана фундаментальная генетическая модель, составленная на серии аргументов, включающих геологическое положение залежей, специфические структуры пород, отличительный минеральный состав и геохимические особенности железняков. На основе рутинного подхода к изучению морфометрических параметров ооидов, предложены кумулятивные индексы, свидетельствующие о сохранности седиментации ооидовых пород, что интегрировано в новую фациальную модель бассейна. Кроме того, детализированы трансгрессивные циклы в разрезе бассейна морских железняков на основе анализа обломочной фракции, морфологии и химического состава глауконита, а также геохимических индикаторов.
Определены механизмы формирования основных аутигенных компонентов пород: абиогенные для ооидов и пелоидов, биогенные для микроонкоидов. Впервые доказано, что особенности глинистого матрикса и карбонатного цемента, наряду с редкой сульфидной минерализацией (пирротин, грейгит, вюртцит, галенит и др.) являются свидетельствами низкотемпературной флюидной активности через древние морские отложения. Последнее отражается в специфических геохимических характеристиках пород и железистых ооидов в виде повышенных содержаний редких металлов, таких как Zn, Pb, As, Cu, Mo и др. На основе аутигенной минерализации и корреляционных связей классифицированы источники связанных попутных металлов.
Выдвинута теория, что периоды интенсивного накопления морских железняков связаны с региональными и глобальными геологическими событиями, такими как океаническая аноксия, палеоцен-эоценовый термический максимум и др. Предложена парагенетическая связь бассейна морских железняков с погребённым рифтовыми системами в восточной части Западной Сибири, объясняющая функционирование скрытой гидротермальной циркуляции как результат пострифтовых процессов.
Дополнительно научная новизна выражена в изучении потенциальных попутных компонентов - преимущественно глауконита, а также редкоземельных элементов (РЗЭ) и ильменит- магнетитовых. Перспективность РЗЭ подчёркивается их тесной связью с фосфором, что проявляется в виде постоянных минеральных включений в кортексе ооидов. Сделано предположение, что технологии удаления фосфора можно оптимизировать за счёт извлечения дополнительных концентратов редкоземельных металлов при обогатительных работах.
Доказано, что глауконит из месторождений морских железняков Западной Сибири перспективен в качестве сырья (а) для прямого применения как нетрадиционных удобрений, (б) для получения калийных солей и (в) для создания слоистых полифункциональных нанокомпозитов. Экспериментально показана высокая эффективность глауконитовых нанокомпозитов для стимуляции роста растений, благодаря разноуровневой сорбции нутриентов в микро- и макропорах минерала. Этот вариант предполагает разносторонние варианты задействования минерала для инновационной области создания слоистых материалов контролируемого действия, где автором было впервые доказаны возможности глауконита к управляемой сорбции добавляемых ионов.
Теоретическая и практическая значимость работы
С одной стороны, достигнутые результаты расширяют представления о формировании залежей железняков, с другой - указывают на потенциальную промышленную привлекательность подобных руд как комплексного сырья. Выдвигаемая «флюидно-литогенная» модель, рассматривающая морские железорудные месторождения как часть более крупной гидротермально-осадочной системы, открывает перспективы поиска сингенетичных эксгаляционных руд, включая полиметаллические залежи, в пределах этой системы. Дополнительное фундаментальное влияние отводится палеогеографической роли железняков в осадочной летописи многих бассейнов, за счёт их связей с геологическими катаклизмами, такими как океаническая аноксия и другие глобальные события.
Практический контекст результатов разбирается по следующим направлениям. Во-первых, это исчерпывающее понимание вещественного облика потенциальных концентратов железных руд, которые объясняются особенностями их формирования. Во-вторых, это прямая возможность разнородного вовлечения дополнительного сырья из вмещающих осадочных отложений, например, глауконитовых пород в качестве как самостоятельных продуктов, так и востребованного нетрадиционного сырья для создания полифункциональных нанокомпозитов. В авторских исследованиях последнее подтверждается лабораторными и полевыми испытаниями, которые базируются на активизации ионно-обменных и сорбционных характеристик слоистых минералов.
Фактический материал и методы исследований
Основным материалом для данной работы послужили осадочные разрезы и каменные материалы из различных российских и зарубежных месторождений. Ключевым объектом выступал ЗападноСибирский железорудный бассейн и наиболее изученное в его пределах Бакчарское месторождение. Дополнительно по российским залежам исследовались естественные обнажения морских железняков юрского возраста в пределах Лабино-Малкинской зоны (Северный Кавказ), а также континентальных железняков Чулымо-Енисейской котловины (одновозрастные морские Западно-Сибирского бассейна из прилегающей территории) и Киреевского проявления. Остальной изученный материал приходился на следующие зарубежные объекты: железняки «голден оолиты» из юрских толщ бассейна Катч (Индия); железняки юрского возраста Лотарингского бассейна (Франция); железняки среднеюрской формации Динцзе (Южный Тибет, Китай); меловые ооидовые железняки Аятского бассейна в Тургайском прогибе (Северный Казахстан); железняки из нижнемеловых отложений Формации Клариссия в районах Венимилье, Люсераме и Туэ-де-эль-Эскарене (северо-западная часть Италии и юго-восточная часть Франции); железняки кайнозойских толщ марганцевого месторождения Вани (о. Милос, Греция); континентальные олигоценовые железные руды Лисаковского месторождения (Северный Казахстан). В итоге была собрана коллекция образцов достаточная для расширения географии изучаемых объектов и их использования для сравнения и сопоставления с основными результатами по рудным месторождениям Западной Сибири. В рамках исследования нетрадиционного минерального сырья дополнительно вовлекались образцы из различных российских месторождений.
Аналитических работы включали в себя следующие методы: каппаметрия, оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) с локальным рентгеноспектральным энергодисперсионным анализом (ЭДС), рентгенодифракционный анализ (РДА), термогравиметрический и дифференциальный термический анализы (ТГ-ДТА) с адаптированной масс-спектрометрией (ТГ-ДТА-МС), ИК-спектрометрия, метод Брунауэра- Эммета-Теллера (БЭТ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), микротермометрия, Раман-спектроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), Rock-eval пиролиз, изотопная масс-спектрометрия, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС), масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС).
Для оценки различных геологических условий содержания макро- и микроэлементов в породах были нормированы на содержания алюминия как неподвижного элемента в осадочных породах. Основные геохимические индексы так называемые факторы обогащения (enrichment factors - EF) рассчитывались для каждой пробы по зарекомендовавшим себя формулам (Brumsack, 2006; Tribovillard et al., 2006): X EF = (X/Al)проба/(X/Al)pAAs. Al EF высчитывался следующим образом: Al EF = Alпроба/AlpAAS (PAAS - это стандарт пост-архейского австралийского сланца). В качестве индексов (а) редокс-условий изучались Mo EF, U EF, V EF, V/Cr, U/Th, (б) палеосолёности - Sr/Ba, Ca/(Ca+Fe), (в) палеоклимата - Sr/Cu (Tribovillard et al., 2006; Zhang et al., 2020), CIA, (г) палеопродуктивности - P EF и (д) терригенного приноса - Ti EF, Al EF. Индекс химического выветривания (chemical index alteration - CIA) определялся по следующей формуле (Nesbitt and Young, 1982; Price and Velbel, 2003): CIA = 100x(Al2O3/(AhO3 + CaO + Na2O + K2O)). Ce*, Eu*, Ysn/Hosn были получены из нормированных концентраций редкоземельных элементов (РЗЭ) на стандарт PAAS. Цериевая аномалия высчитывалась по формуле Ce* = 2*Cesn/(Lasn + Prsn), европиевая аномалия - Eu* = Eusn/(%Smsn + %Gdsn), где sn - нормированные значения.
Экспериментальный комплекс исследований заключался в следующих опытах: электромагнитное обогащение минерального сырья; последовательное селективное выщелачивание образцов железняков; опыты по обжиг-выщелачиванию глауконитового сырья; лабораторные опыты со сбором фильтратов из почв; лабораторные агрохимические эксперименты и полевые аграрные испытания.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Латеральная смена отложений морских железняков Западной Сибири на примере Бакчарского месторождения выражается в замещении хемогенных фаций терригенными или в смене терригенных фаций - песчаников на песчано-глинистые породы. Интенсивность поступления железонасыщенных флюидов и физико-химические условия придонного слоя определяются как ключевые факторы разнообразия хемогенных фаций. Акты поступления рудного вещества в бассейн седиментации выявляются по слоям железняков с автохтонной ооидовой фракцией и сопоставляются с несколькими возрастными интервалами. Перекрытие этих слоев отложениями с признаками скрытого размыва характеризуется повышенным уровнем параавтохтонных компонентов.
2. Механизмы формирования рудных компонентов морских железняков Западной Сибири контролируются преимущественно абиогенными процессами, зависящими от физикохимических условий среды минералообразования, при минимальном участии микробиальной активности. Железистые ооиды и пелоиды формируются посредством иммобилизации железа при варьирующих уровнях кислородной доступности: гётитовые ооиды характерны для кислородных условий, бертьериновые (хлоритовые) - для субоксических, а редкие сидеритовые - для аноксических, сопровождающихся продуцированием углекислотных ионов. Пространственная зональность рудообразующих процессов проявляется в изменении минеральной ассоциации цемента и матрикса: от проксимальной зоны с нонтронит-каолинит- хлоритовой ассоциацией и сидеритом, обогащённым лёгкими изотопами углерода, до дистальной зоны с иллит-монтмориллонитовой ассоциацией и сидеритом более тяжёлого изотопного состава углерода. Этап минералообразования включает несколько стадий: ранний аутигенез, ранний диагенез и диагенез под воздействием металлоносных флюидов. Постседиментационное воздействие на железняки проявляется в структурно-текстурных особенностях пород наряду с редкой сульфидной минерализацией.
3. Геохимические особенности морских железняков Западной Сибири характеризуются повышенными уровнями Zn, Mo, Pb, As, Co, V, Cr и РЗЭ, которые варьируют в пределах рудовмещающих слоев в зависимости от физико-химических условий осадкообразования. Слои с повышенными концентрациями Mo, V, As и Zn ассоциированы с морфоструктурными особенностями пород, специфическим набором аутигенных минералов и отклонениями в изотопном составе карбонатного углерода. Эти факторы свидетельствуют о гипоксических условиях осадочной среды. Смена геохимических режимов формирования железняков объясняется флюидно-литогенной моделью их генезиса, где ключевым процессом поступления железа и попутных металлов выступает гидротермальная циркуляция в пределах осадочного бассейна.
4. Перспективы месторождений морских осадочных железняков Западно-Сибирского бассейна связаны не только с крупнейшими ресурсами железа, но и с возможностью освоения попутных компонентов, таких как глауконит, редкоземельные металлы и ильменит-магнетитовые пески. Доказана эффективность использования глауконита в сельском хозяйстве в качестве калийного удобрения, сырья для производства калийных солей и сырья для создания нанокомпозитных удобрений с контролируемым высвобождением нутриентов. Слоистая структура глауконита и поровое пространство способствуют разнотипной сорбции веществ, обеспечивая их пролонгированное и контролируемое высвобождение.
Публикации и апробация работы
За последние 10 лет по диссертационной тематике автором опубликовано 35 статей (40 с учётом статей, находящихся на рецензировании) в журналах первого и второго квартилей по международным базам данных, а также 16 статей в журналах, индексируемых RSCI. Всего статей, опубликованных в журналах Scopus/WoS/ВАК - 61 (67 с учётом статей на рецензировании на момент подачи работы). Общее количество статей в журналах Q1-2 по Scopus/WoS с участием соискателя за последние 10 лет составляет 54.
На разных этапах результаты исследований были апробированы в нескольких вариантах. Во- первых, это многочисленные выступления для экспертных аудиторий на научных мероприятиях, а именно: 61 доклад на 53 конференциях всероссийского или международного уровней за последние 10 лет. На 9 конференциях презентация авторских исследований была удостоена дипломами лауреата или первой степени (г. Москва, г. Санкт-Петербург, г. Апатиты, г. Петрозаводск, г. Уфа, г. Томск, г. Улан-Удэ). Среди основных конференций, на которых соискатель докладывал результаты исследований, можно перечислить следующие: 16th SGA (Society for Geology Applied to Mineral Deposits) Biennial Meeting (г.Роторуа, Новая Зеландия), the 21st International Sedimentological Congress (г.Пекин, Китай), International Conference of European Clay Groups Association - EUROCLAY 2023 (г.Бари, Италия), 15th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM; Китай), International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa (г.Яундэ, Камерун), Российские Совещания по глинам и глинистым минералам (г.Москва и г.Санкт-Петербург), Молодежные научные школы «Металлогения древних и современных океанов» (г.Миасс), российская молодёжная научно-практическая школа «Новое в познании процессов рудообразования» (г.Москва) и мн. др.
За достигнутые результаты соискатель был награждён дипломом Лауреата премии Законодательной думы Томской области 2020 года в номинации «Молодые ученые».
Цели, задачи и результаты исследований был поддержаны грантовыми проектами Российского Фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Российского научного фонда (РНФ), Совета по грантам Президента РФ, Государственного задания «Наука». В рамках диссертационных исследований соискатель успешно реализовал в качестве руководителя 7 грантовых проектов:
• РНФ 22-77-10002 «Нанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые
экологически безопасные удобрения контролируемого действия»,
• РНФ 17-77-10042 «Глауконитовые породы - источник экологически чистого
минерального удобрения в Западной Сибири»,
• РНФ 20-77-00007 «Генезис континентально-осадочных железняков: связь
биогеохимического цикла железа с региональными и глобальными геологическими процессами»,
• РФФИ 19-55-45002 ИНД_а «Исследование глинистых минералов как экологически чистых удобрений пролонгированного действия» (совместный проект с Департаментом науки и технологии правительства Индии),
• РФФИ 19-45-703002 «Процессы образования железистых сфероидов Бакчарского месторождения»,
• РФФИ 18-35-00022 «Изучение ферромагнитных сульфидов в осадочных отложениях древнего Западно-Сибирского моря»,
• Грант Президента РФ МК-1825.2022.1.5 «Активация глауконита для создания полифункциональных нанокомпозитных удобрений»,
• Грант Президента РФ МК-213.2020.5 «Структурно-минералогические изменения и технология активации монтмориллонита для создания современных удобрений контролируемого действия»,
а также принимал участие в качестве исполнителя в 3 грантовых проектах:
• РНФ 21-17-00019 «Биогеохимические циклы, источники металлов и эволюция вещества в мел-палеогеновых морских железорудных месторождениях»,
• РФФИ 18-05-00302 «Минералого-геохимическое исследование условий эволюции болотных экосистем (на примере Западной Сибири)»,
• РФФИ 16-45-700090 «Исследование глауконита как попутного компонента при освоении железных руд Бакчарского месторождения (Томская область)».
Научные результаты по вовлечению в индустрию глауконитового сырья апробировались в виде тематических работ «Экологичное удобрение для растительных культур на основе глауконита» для молодого предприятия ООО «НПК Глауконит» (г.Томск), созданного в формате стартап- студии. Также на текущий момент реализуется два грантовых проекта под руководством соискателя: РНФ 22-77-10002 «Нанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые экологически безопасные удобрения контролируемого действия» и ГЗ Наука FSWW-2023-0010 «Комплексные исследования на базе природных геологических лабораторий».
Часть прикладных результатов была апробирована на нескольких сельскохозяйственных предприятий (Акт внедрения нанокомпозитных глауконитовых удобрений от 30.10.2022 г., ООО «КДВ-Агро», Кемеровская область; Акт внедрения нанокомпозитных удобрений на основе глауконита от 30.09.2023 г., ООО «Агрофирма РАССВЕТ» Республика Мордовия) и
инновационной компании по производству удобрений (Акт внедрения нанокомпозитных глауконитовых удобрений от 2024 г., ООО «НПК Глауконит», Томская область).
Личный вклад автора
Автор проявил непосредственное участие во всех сегментах представленной работы от постановки многосторонних научных задач, проектирования, планирования и организации исследований, проведения отдельных аналитических и экспериментальных работ, поиска, апробации и постановки новых методических подходов, до интерпретации широкого комплекса мультидисциплинарных результатов. Постановка исследований определялась регулярным и рутинным поиском направлений развития двух областей - осадочных железняков, глауконита и других слоистых минералов. В первой области формулировались вопросы касательно поиска вариантов получения результатов для обсуждения генезиса и палеогеографического значения, во второй - для понимания фундаментальных принципов использования минерального сырья. Львиная доля аналитических и экспериментальных работ были выполнены автором лично, либо с непосредственным участием.
Благодарности
В первую очередь автор посвящает свою работу семье - жене и дочери, за их поддержку и безграничное понимание, что стало неизменным источником вдохновения и опорой на всех этапах научного пути.
Особая признательность выражается научному консультанту и наставнику, д.г.-м.н., профессору отделения геологии ТПУ Мазурову А.К., за неоценимый вклад в становление автора как учёного и переданный опыт, который стал прочной основой для представленной работы и будущих начинаний.
Автор благодарит к.г.-м.н., доцента отделения геологии Рубан А.С. (ТПУ), неравнодушная поддержка и заинтересованность которого сыграли важнейшую роль в проведённых исследованиях. Искренняя благодарность выражается коллегам и соавторам: к.г.-м.н. Якич Т.Ю. (ТПУ), к.г.-м.н. Шалдыбину М.В. (ТомскНИПИнефть, ТПУ), д.г.-м.н. Рихванову Л.П. (ТПУ), д.г.- м.н. Кучеренко И.В. (ТПУ), Банержи С. (IIT Bombay, Индия), Мэтьюсон Э. (CBU, Канада), Бальдерманн А. (TU Graz, Австрия), Макарову Б.И. (ТПУ), Мартемьянову Д.В. (ТПУ), Максимову П.Н. (ТПУ), Максимовой (Калининой) Н.А. (ТПУ), Даси Э. (ТПУ), д.г.-м.н. Сокол Е.В. (ИГМ СО РАН), к.г.-м.н. Белоусову П.Е. (ИГЕМ РАН), к.г.-м.н. Крупской В.В. (ИГЕМ РАН), Лопес-Кириос А. (UGR, Испания), Робертс А. (ANU, Австралия) и многим другим. Их сотрудничество стало важным вкладом в достижение результатов работы.
Отдельная признательность отводится научным сообществам - Российской группе по глинам и глинистым минералам (Russian Clay Group) и Международной ассоциации седиментологов (IAS) - за содействие научным инициативам и организацию ключевых мероприятий, способствующих апробации и развитию исследований соискателя. Автор благодарен Российскому научному фонду, Российскому фонду фундаментальных исследований, Совету по грантам Президента РФ за поддержку и рецензирование исследовательских проектов соискателя, что способствовало достижению результатов диссертационной работы.
Работа посвящена комплексному исследованию месторождений осадочных железняков Западной Сибири. Изучены условия формирования, геохимические и минералогические особенности, а также перспективы освоения попутных компонентов железняков. Были получены важные результаты, которые расширили понимание происхождения и вещественного состава данных месторождений, а также дали возможность разработать апробированные предложения по их комплексному освоению. Ключевые результаты работ заключаются в обосновании флюиднолитогенной модели формирования месторождений морских железняков как части гидротермально-осадочной системы, и в создании новых принципов и подходов использования глауконита в индустрии.
Разработана фациальная модель для бассейнов морских железняков Западной Сибири. Латеральная смена отложений в дистальном направлении от береговой линии выражена в замещении хемогенной фации на терригенную, или терригенной фации средне- и мелкозернистых песчаников на фацию песчано-глинистых отложений. Хемогенные фации не характеризуются латеральным замещением в масштабах одновозрастных толщ. В разрезе Бакчарского месторождения акты мобилизации рудного вещества совпадают со слоями железняков с однородной ооидовой фракцией, что заверяется разработанными индексами автохтонности в следующих возрастных слоях: средний сантон, поздний сантон, средний кампан, граница кампан-маастрихт, средний маастрихт, поздний маастрихт и граница палеоцен-эоцена. Часто эти слои перекрываются отложениями со следами размыва, выраженными в повышении доли параавтохтонных компонентов пород.
Формирование основных рудных компонентов железняков контролируются физико-химической обстановкой среды минералообразования и частично микробиальными процессами. Железистые ооиды и пелоиды являются результатом абиогенной иммобилизации ионов железа в условиях, зависящих от доступности кислорода. Гетитовые ооиды концентрируются преимущественно в обстановке нормальной кислородной доступности, бертьериновые (или хлоритовые) - при ограниченной доступности кислорода, сидеритовые - в редких условиях дефицита кислорода, сопровождающихся продуцированием углекислотных ионов. Морфологические особенности (наличие филаментов) и химический состав (изоморфные примеси серы) микроонкоидов указывают на значительную роль микробиальной активности в процессе их минерализации. Выделены ряд структурных и минералого-химических признаков цемента осадочных пород, которые отражают активность и пространственную зональность для морских ооидовых железняков Западно-Сибирского бассейна относительно рудообразующей гидротермальной циркуляции. Эти признаки включают морфологию и состав сидерита, минеральную ассоциацию цемента и матрикса, а также ассоциацию и состав глинистого матрикса.
Проксимальная зона этого процесса отличается нонтронит-каолинит-хлоритовой ассоциацией глинистого матрикса с сидеритом, состоящим из изотопно-лёгкого углерода (613C от -39.5 до - 30%о), промежуточная зона - монтмориллонит-иллит-сапонит-нонтронитовой с сидеритом, отличающимся изотопно-тяжелым углеродом (S13C от -28 до -12 ^), дистальная - иллит- монтмориллонитовой (иллит-смектитовой) с редкими включениями раннедиагенетического сидерита.
Аутигенные минеральные ассоциации цемента ооидовых железняков в маломощных интервалах маркируют смену геохимических зон: от метановой через сульфидную (сульфат-метановая транзитная зона) до железистой (зона редукции железа). Наличие слоёв с подобной вертикальной зональностью аутигенных минералов указывает на проксимальные зоны, которые отражают периоды и области флюидных просачиваний, венчающей фазой которых иногда выступала метановая эмиссия. Основными специфическими признаками глинистого матрикса в проксимальной зоне являются увеличение доли каолинита в валовом составе и увеличение содержания железа в октаэдрических позициях минералов группы смектита.
Разнообразие минералов морских железняков в Западно-Сибирском бассейне позволяет выделить последовательность их формирования, связанную с постепенной эволюцией осадочных отложений. Этот процесс включает следующие этапы: (1) осаждение терригенного материала, такого как кварц, полевые шпаты, реже циркон, ильменит, магнетит и монацит; (2) аутигенное формирование минералов, таких как гётит, гидрогётит, бертьерин, глауконит, фосфат лёгких РЗЭ, реже апатит, гидроксилапатит, вивианит и шамозит; (3) ранний диагенез, включающий образование сидерита-I, фрамбоидального пирита (пирит-I) и барита; и (4) прогрессивный диагенез, сопровождаемый формированием сидерита-II, идиоморфного пирита (пирит-II), пирротина, грейгита, вюртцита и галенита под воздействием металлоносных флюидов. Постседиментационное воздействие на железняки проявляется в структурнотекстурных особенностях, таких как наличие прожилкового или сплошного сидеритового цемента, ассоциации сидеритового цемента с пирротином или вюртцитом, а также в следах инъекции преимущественно сульфидов (реже сульфатов) в форменные элементы.
Микроэлементный облик морских железняков Западной Сибири отличается повышенными уровнями Zn, Mo, Pb, As, Co, V, Cr и РЗЭ, которые варьируют в рудовмещающих слоёв в зависимости от физико-химических условий осадкообразования. Слои месторождения с повышенными уровнями геохимических индексов Mo, V, As и Zn соотносятся с морфоструктурными особенностями пород, специфическим набором аутигенных минералов и отклонениями в изотопном составе карбонатного углерода. Эти факты указывают на гипоксию осадочной среды. Смена геохимических режимов и уровней формирования железняков объясняется предложенной флюидно-литогенной моделью их генезиса, где основным процессом поступления железа и попутных металлов была многоактная низкотемпературная гидротермальная активность через морские осадки.
Комплексный потенциал месторождений морских железняков Западно-Сибирского бассейна определяется не только крайне высокими ресурсами железа, но и перспективами извлечения и использования ряда попутных компонентов. К числу последних относятся глауконит, редкоземельные металлы преимущественно лёгкой группы, а также ильменит-магнетитовые пески. Доказано, что глауконит может использоваться в сельскохозяйственной индустрии тремя способами: как самостоятельное калийное удобрение, как сырье для производства калийных солей и как материал для создания полифункциональных нанокомпозитных удобрений с контролируемым действием. Последний вариант обусловлен слоистой структурой минерала, которая обеспечивает сорбцию и последующую диффузию нутриентов в почвенных условиях. Различные поровые пространства глауконитовых зерен и механизмы взаимодействия веществ на минеральных поверхностях способствуют сорбции контактируемых веществ на разных уровнях, что приводит к их различным кинетическим характеристикам. Эти принципы служат фундаментальной основой для развития материалов с контролируемыми функциями на основе глауконита и схожих слоистых минералов.
Разработана фациальная модель для бассейнов морских железняков Западной Сибири. Латеральная смена отложений в дистальном направлении от береговой линии выражена в замещении хемогенной фации на терригенную, или терригенной фации средне- и мелкозернистых песчаников на фацию песчано-глинистых отложений. Хемогенные фации не характеризуются латеральным замещением в масштабах одновозрастных толщ. В разрезе Бакчарского месторождения акты мобилизации рудного вещества совпадают со слоями железняков с однородной ооидовой фракцией, что заверяется разработанными индексами автохтонности в следующих возрастных слоях: средний сантон, поздний сантон, средний кампан, граница кампан-маастрихт, средний маастрихт, поздний маастрихт и граница палеоцен-эоцена. Часто эти слои перекрываются отложениями со следами размыва, выраженными в повышении доли параавтохтонных компонентов пород.
Формирование основных рудных компонентов железняков контролируются физико-химической обстановкой среды минералообразования и частично микробиальными процессами. Железистые ооиды и пелоиды являются результатом абиогенной иммобилизации ионов железа в условиях, зависящих от доступности кислорода. Гетитовые ооиды концентрируются преимущественно в обстановке нормальной кислородной доступности, бертьериновые (или хлоритовые) - при ограниченной доступности кислорода, сидеритовые - в редких условиях дефицита кислорода, сопровождающихся продуцированием углекислотных ионов. Морфологические особенности (наличие филаментов) и химический состав (изоморфные примеси серы) микроонкоидов указывают на значительную роль микробиальной активности в процессе их минерализации. Выделены ряд структурных и минералого-химических признаков цемента осадочных пород, которые отражают активность и пространственную зональность для морских ооидовых железняков Западно-Сибирского бассейна относительно рудообразующей гидротермальной циркуляции. Эти признаки включают морфологию и состав сидерита, минеральную ассоциацию цемента и матрикса, а также ассоциацию и состав глинистого матрикса.
Проксимальная зона этого процесса отличается нонтронит-каолинит-хлоритовой ассоциацией глинистого матрикса с сидеритом, состоящим из изотопно-лёгкого углерода (613C от -39.5 до - 30%о), промежуточная зона - монтмориллонит-иллит-сапонит-нонтронитовой с сидеритом, отличающимся изотопно-тяжелым углеродом (S13C от -28 до -12 ^), дистальная - иллит- монтмориллонитовой (иллит-смектитовой) с редкими включениями раннедиагенетического сидерита.
Аутигенные минеральные ассоциации цемента ооидовых железняков в маломощных интервалах маркируют смену геохимических зон: от метановой через сульфидную (сульфат-метановая транзитная зона) до железистой (зона редукции железа). Наличие слоёв с подобной вертикальной зональностью аутигенных минералов указывает на проксимальные зоны, которые отражают периоды и области флюидных просачиваний, венчающей фазой которых иногда выступала метановая эмиссия. Основными специфическими признаками глинистого матрикса в проксимальной зоне являются увеличение доли каолинита в валовом составе и увеличение содержания железа в октаэдрических позициях минералов группы смектита.
Разнообразие минералов морских железняков в Западно-Сибирском бассейне позволяет выделить последовательность их формирования, связанную с постепенной эволюцией осадочных отложений. Этот процесс включает следующие этапы: (1) осаждение терригенного материала, такого как кварц, полевые шпаты, реже циркон, ильменит, магнетит и монацит; (2) аутигенное формирование минералов, таких как гётит, гидрогётит, бертьерин, глауконит, фосфат лёгких РЗЭ, реже апатит, гидроксилапатит, вивианит и шамозит; (3) ранний диагенез, включающий образование сидерита-I, фрамбоидального пирита (пирит-I) и барита; и (4) прогрессивный диагенез, сопровождаемый формированием сидерита-II, идиоморфного пирита (пирит-II), пирротина, грейгита, вюртцита и галенита под воздействием металлоносных флюидов. Постседиментационное воздействие на железняки проявляется в структурнотекстурных особенностях, таких как наличие прожилкового или сплошного сидеритового цемента, ассоциации сидеритового цемента с пирротином или вюртцитом, а также в следах инъекции преимущественно сульфидов (реже сульфатов) в форменные элементы.
Микроэлементный облик морских железняков Западной Сибири отличается повышенными уровнями Zn, Mo, Pb, As, Co, V, Cr и РЗЭ, которые варьируют в рудовмещающих слоёв в зависимости от физико-химических условий осадкообразования. Слои месторождения с повышенными уровнями геохимических индексов Mo, V, As и Zn соотносятся с морфоструктурными особенностями пород, специфическим набором аутигенных минералов и отклонениями в изотопном составе карбонатного углерода. Эти факты указывают на гипоксию осадочной среды. Смена геохимических режимов и уровней формирования железняков объясняется предложенной флюидно-литогенной моделью их генезиса, где основным процессом поступления железа и попутных металлов была многоактная низкотемпературная гидротермальная активность через морские осадки.
Комплексный потенциал месторождений морских железняков Западно-Сибирского бассейна определяется не только крайне высокими ресурсами железа, но и перспективами извлечения и использования ряда попутных компонентов. К числу последних относятся глауконит, редкоземельные металлы преимущественно лёгкой группы, а также ильменит-магнетитовые пески. Доказано, что глауконит может использоваться в сельскохозяйственной индустрии тремя способами: как самостоятельное калийное удобрение, как сырье для производства калийных солей и как материал для создания полифункциональных нанокомпозитных удобрений с контролируемым действием. Последний вариант обусловлен слоистой структурой минерала, которая обеспечивает сорбцию и последующую диффузию нутриентов в почвенных условиях. Различные поровые пространства глауконитовых зерен и механизмы взаимодействия веществ на минеральных поверхностях способствуют сорбции контактируемых веществ на разных уровнях, что приводит к их различным кинетическим характеристикам. Эти принципы служат фундаментальной основой для развития материалов с контролируемыми функциями на основе глауконита и схожих слоистых минералов.
