3.2.2. Транспортировка и накопление вещества

Транспортировка малоподвижного элемента – железа осуществляется различными способами: в виде механической взвеси железных пород и минералов; в виде коллоидов гидроокиси железа; в виде сульфатов и бикарбонатов закисного железа, в виде гуматов, а также сложных биохимических соединений в живых и растительных организмах. Не исключается перенос обломочного материала разрушенных ранее железистых пород.

Перенос железа в виде механической взвеси значительный. Изучен он лишь в последнее время. Оказывается, что мигрирующее во взвесях железо, вовсе не является однообразным по химической форме и реакционоспособности. Во взвеси имеется значительное количество реакционно способных форм в виде Fe3+, а также в виде Fe2+, входящего в хлориты, и что, особенно важно, в сульфиды.

Перенесенные во взвесях компоненты распределяются на путях миграции в водоемах по законам механической дифференциации согласно с гидродинамикой бассейна седиментации.

Миграция большей части железа осуществляется в коллоидной форме. Этому способствует наиболее высокая степень его коллоидальности в ряду других петрогенных элементов (Fe>Al>P>Mg, Mn>K>Ti>Si>S>Са). Коллоидная миграция особенно характерна для континентальных районов влажного климата и кислых вод, богатых кислородом и органическим веществом. Железо в этих условиях образует гидрозоли окислов железа, стабилизированные коллоидным органическим веществом.

Коллоидные частицы имеют положительный заряд и могут переноситься на большие расстояния без осаждения при условии, что концентрация электролитов низкая, а в водах отрицательно заряженные коллоиды не присутствуют в таких количествах, которые могли бы привести к осаждению этих частиц.

Миграция железа в условиях, обедненных кислородом, в частности, в грунтовых водах с низкими Eh и рН, вероятно, осуществляется в виде солей закисного железа. К ним относятся легко растворимые соединения сульфатов и бикарбонатов железа таких, например, как Fe(НСО3)2. Однако такие соединения неустойчивы в присутствии кислорода и склонны к быстрому гидролизу и разрушению.

В меньшей степени железо транспортируется в форме солей органических кислот, в адсорбированном виде на органических коллоидах или глинистых частицах.

Миграция железа возможна также живыми и растительными организмами. Такая миграция позволяет перенести железо даже в весьма удаленные от береговой линии части океана. При отмирании организмов железо из сложных биохимических соединений переходит в более простые, а затем гидролизуется и коллоидизируется. По мере погружения мелкие железистые частицы укрупняются до хлопьевидных и на пути ко дну из вод сорбируют такие элементы, как Со, Ni, Cu, Pb, Zn и др.

Осаждение железа происходит при изменении гидродинамических и физико-химических параметров транспортирующей среды.

Взвесь железистых нереакционноспособных компонентов осаждается в зависимости от гидродинамической активности транспортирующей среды. Распространение осаждаемой взвеси тяготеет к континентальным переходным и мелководно-морским обстановкам.

Осаждение коллоидных форм железа осуществляется в присутствии электролитов и маргинальных фильтров, роль которых часто выполняют морские и океанические воды, в которые стекают континентальные пресноводные потоки. Коллоиды коагулируют, а в присутствии органических веществ коагулируют и в виде постепенно укрупняющихся частиц осаждаются.

В пресноводных озерах и болотах, в которых обычно слишком много стабилизирующих коллоидов, а концентрации электролитов низки, эффективное осаждение коллоидов осуществляется, в основном, в результате жизнедеятельности бактерий и растительности. Окисное железо в гидрозолях в этом случае восстанавливается до двухвалентного, и в осадок выпадает сидерит.

Важно подчеркнуть, что химически растворенные формы железа могут осаждаться в виде солей при смене физико-химических параметров окружающей среды. Однако они могут на пути к осаждению вовлекаться и в сложные соединения, в том числе и органоминеральные, как это имеет место в осадках современных вулканических эксгаляций «черных курильщиков» в Мировом океане.

Рис. 3.2.2. Зависимость минеральных форм осаждаемого железа от режима Eh и pH (по Дж. Петтиджону(1981))

Форма, в которой осаждается железо, не зависит от способа переноса материала и является функцией местных условий аккумуляции. Состав осаждаемого железа зависит от рН и от окислительно-восстановительного потенциала аккумулирующей среды (рис. 3.9). При наиболее низком потенциале Eh образуется только сульфат железа, при несколько более высоком потенциале – стабильным является закисный карбонат. В условиях полного окисления образуются гидроокислы железа. Для кристаллизации магнетита требуется, по-видимому, более низкий потенциал Eh, чем для других окислов. Железистые силикаты стабилизируются в широком интервале значений Eh. Хлориты железа возникают в нейтральной и слабо восстановительной зоне, тогда как для образования глауконита требуется слабо окислительная обстановка (рис. 3.9).

Накопление железистых минералов происходит в континентальных, морских и океанических обстановках.

На континентах концентрирование железистых минералов осуществляется в корах выветривания, преимущественно латеритового типа, в озерно-болотных условиях, а также в речных долинах и дельтах.

В корах выветривания источником железа являются основные или ультраосновные магматические породы, а также обогащенные железистыми минералами осадочные, часто сульфидные и метаморфические, обычно окисные породы. Мобилизованное в процессах выветривания железо образует коллоиды, гуматы, органоминеральные комплексы, которые вместе с поверхностными водами проникают в нижние зоны кор выветривания. При смене физико-химических параметров среды происходит коагуляция и осаждение коллоидов. Накапливаясь, они образуют бурые железняки. Характерными особенностями которых являются сложные текстуры с элементами натечности, пористости, трещиноватости. Типичной особенностью их является и наличие реликтовых от исходных пород текстурно-структурных и минералогических особенностей.

В озерно-болотных условиях накопление железа происходит, в основном, за счет привноса его с областей выветривания грунтовыми водами. Слабая насыщенность таких вод кислородом и низкая величина рН благоприятны для переноса растворимых форм железа таких, например, как Fe(HCO3)2. При выходе на поверхность в зонах разгрузки, в озерах или болотах, соли закисного железа оказываются неустойчивыми в присутствии кислорода и склонными к гидролизу и осаждению.

Не исключен привнес железа в виде гуматов и гидрозолей окисного железа, стабилизированного органическими коллоидами или в адсорбированном органическими коллоидами виде. Извлечение железа из таких форм предполагает жизнедеятельность микроорганизмов.

Характерными особенностями озерно-болотных железистых породявляются следующие:

• землистые, слабослоистые текстуры;

• пелитовые, оолитовые, желваковые структуры;

• уплощенный, дисковидный облик стяжений;

• лимонитовый состав оолитов, часто смешанный с шамозитом;

• наличие карбонатов в основной массе породы.

Характерны для этих пород также текстуры спокойного водного бассейна: тонкая слоистость, отсутствие крупных обломков, а также детрита морской фауны и флоры.

В речных долинах и дельтах накопление железа происходит преимущественно за счет взвесей и лишь частично за счет коллоидных и растворенных форм переноса железа. Особенности накопления железа в этих условиях определяются гидродинамическим режимом транспортирующей среды.

Характерной особенностью железных пород описываемых обстановок накопления является обилие и разнообразие сопровождающего обломочного материала, часто разубоживающего концентрированный агрегат.

В морских обстановках условно можно выделить две группы фаций накопления железных пород: прибрежно-морские фации, включающие приморские лагуны, заливы, мелководный шельф, а также фации открытого, часто более глубоководного моря.

Железные породы прибрежно-морских фаций – это окисные, преимущественно гематитовые породы. Основным источником железа для их формирования являются разрушающиеся коллоиды, наименее устойчивые из транспортируемых в морской бассейн компонентов. Их разрушению способствуют электролитические свойства морской воды. Накоплению железа транспортируемого, в виде взвесей, способствует и более низкая гидродинамическая активность морских вод по сравнению с речными.

Характерной особенностью мелководных морских железных пород является их оолитовое строение: преимущественно окисный гематитовый состав оолитов; косослоистые текстуры; знаки ряби; связь с мелкообломочным сортированным материалом, с морскими окаменелостями; следы турбулентности (перемешивания) среды.

Железные породы фации открытого моря – это преимущественно закисные породы: сидеритовые, шамозитовые, сульфидные. Основным источником железа в них являются: устойчивые коллоидные и нерастворенные формы, соли органических кислот, сложные биохимические соединения, а также адсорбированные на органических коллоидах и глинистых частицах формы железа, превращенные в маргинальные фильтры.

Характерными особенностями таких пород являются: тонкослоистые и горизонтальнослоистые текстуры; равномерная тонкая зернистость; отсутствие или слабое проявление оолитов, скелетного детрита, обломочного материала; чередование железистых компонентов с кремнистыми, глинистыми, органическими, карбонатными.

Описанные особенности пород свидетельствуют о стабильной, спокойной, слабоаэрируемой обстановке осадконакопления при общем восстановительном характере окружающей среды. Чередование прослоев разного состава свидетельствует об изменениях ее физико-химических параметров. Изменения носят чисто ритмический характер, указывающий на возможную связь с сезонными изменениями в окружающей среде или ритмическим поступлением вулканических эксгаляций из вулканических аппаратов. Вероятно, в таких условиях формировались древние железистые породы – джеспилиты.

Отложение и накопление того или иного железистого минерала зависит не только от рН и Eh среды, но и от особенностей микрофауны и флоры, и от типа захороненного органического вещества.

Так для сидеритсодержащих пород характерна стилолитовая текстура с проявлениями сапропелевого битуминозного органического вещества.

Для сульфидных железистых пород характерно также чередование пирита с органическим, но углистым веществом растительного происхождения. Вероятно, именно оно служило источником серы для пирита, а возможно, оно было средой питания сульфат редуцирующих организмов, добывающих серу из сульфат-иона морской воды.

Для силикатных железистых пород характерно слабое развитие органического вещества, что указывает на его разрушение в условиях, переходных от окислительных к восстановительным и, наоборот.

Накопление конкреционно-железистых пород происходит в зонах халистаза Мирового океана. Это зоны наиболее спокойного состояния океанических осадков. Транспортировка железа в эти зоны обусловлена, частично, биомиграцией.

Отмирание живых организмов, разносящих железо в своей крови, тканях и скелетах, приводит к его накоплению даже в самых удаленных частях океанических бассейнов. Железо отмирающих организмов входит в сложные органические соединения. Их химическая эволюция в океанических водах плохо изучена. Однако известно, что сначала они образуют гелевые микросгустки и хлопья, медленно опускающиеся через толщу воды к океаническому ложу. Затем хлопья образуют сгустки, которые накапливаются в иловом материале. На крупных органических остатках часто наблюдаются корочки, налеты, натеки такого железистого материала.

Концентрирование железистого материала в иловом осадке в виде железо-марганцевых конкреций происходит на стадии диагенеза, как это будет описано в разделе 3.3.