А. И. Брусницын

Санкт-Петербургский государственный университет

brusspb@yandex.ru

 

 

Биккуловское месторождение расположено в 40 км к западу от Магнитогорска в 3 км северо-западнее одноименного поселка. Среди многочисленных гидротермально-осадочных месторождений Южного Урала данный объект привлекает особое внимание. Это редкий для региона пример, где марганцевоносные отложения представлены не кремнистыми породами, а интенсивно преобразованными гидротермальными процессами туффитами. Предполагается, что в данном случае разгрузка рудоносного источника с формированием отложений железа и марганца происходила не только на поверхности дна палеобассейна, но также ниже этого уровня – в толще подстилающих вулканогенных пород.

Разведка месторождения с попутной добычей и складированием руд проведены под руководством В. Н. Разумовой в 1941- 42 гг. Позднее геологические исследования осуществлялись А. А. Гавриловым [1] и некоторыми другими авторами. В 2003- 2004 гг. большая часть изъятой ранее руды была вывезена для переработки на Магнитогорский комбинат. В настоящее время рассматривается вопрос возможности разработки месторождения. В данной статье приводятся результаты исследований 2000−2004 гг.

Геологическое строение. Месторождение приурочено к палеоостроводужным комплексам Западно-Магнитогорского палеовулканического пояса. Вмещающими породами являются туффиты среднего и кислого состава верхней толщи улутауской свиты (D₂zv−D₃fr₁).

Рудоносные отложения слагают четко стратифицированную пачку. В ее основании залегают железистые тонко- и среднеобломочные туффиты. В отличие от обычных (безжелезистых) аналогов, в которых вулканомиктовые частицы скреплены терригенным, карбонатным или кремнистым материалом, в железистых туффитах цемент представлен тонкозернистой кварц-гематитовой массой. Железистые туффиты прослеживаются по всему месторождению в виде пласта мощностью около 5 м. Его однородное строение нарушается наличием в верхней части, а также непосредственно на контакте с вышележащими рудами, мелких (мощностью не более 50 см и до 5 м по протяженности) линзовидных тел грубообломочных марганцовистых туффитов. Последние представляют собой темно-вишневую породу, в которой интенсивно замещенные парсеттенситом, марганцевым пумпеллиитом, титанитом и кальцитом обломки вулканитов сцементированы агрегатом кварца и марганцевого эпидота.

В южной части месторождения на железистых туффитах залегают джаспериты. Это гематит-кварцевые (± андрадит) породы, которые по современным преставлениям [2] являются литифицированными аналогами кремнисто-железистых отложений, образующихся на месте просачивания на морское дно низкотемпературных растворов. На Биккуловском месторождении джаспериты формируют небольшую холмообразную постройку с видимыми размерами 10 м по простиранию и мощностью до 2.5 м.

Выше по разрезу располагается пласт марганцевых руд. Его южный фланг залегает на джасперитах, а в северном направлении, после быстрого выклинивания джасперитов, рудный пласт перекрывает железистые туффиты. Протяженность марганцевого тела составляет 420 м при мощности от 1 до 3 м.

Завершает разрез рудоносной пачки тонкий (мощностью около 0.5 м) слой ярко-красных железо-кремнистых туффитов (яшмо-туффитов).

Химический состав пород. Типичные химические анализы пород Биккуловского месторождения приведены в таблице. Содержание Fe₂O₃ в подстилающих рудный пласт железистых туффитах примерно в пять раз выше, чем в других вулканомиктовых породах месторождения. Кроме того, в железистых туффитах почти десятикратно увеличивается концентрация марганца. Еще большие содержания MnO

 

Примечание. Анализы выполнены в лаборатории спектрального анализа ВСЕГЕИ рентгеноспектральным флюоресцентным методом на спектрометре ARL- 9800 (Швейцария); аналитик Б. А. Цимошенко.

Разновидности вмещающих пород: Бк-29 – туффит, вмещающий рудоносные отложения; Бк-22 и Бк-105 – джаспериты (Бк-22 – гематит-кварцевый, Бк-105 – гематит-андрадит-кварцевый); Бк-20 – подстилающий руды железистый туффит; Бк-100 – подстилающий руды марганцовистый туффит; Бк-26 и Бк-27 – перекрывающий руды железо-кремнистый туффит (Бк-26 – порода вблизи джасперитов, Бк-27 – порода в 50 м от джасперитов).

Разновидности марганцевых пород: Бк-1 – гематит-кальцит-андрадит-кариопилитовая; Бк-6 и Бк-60 – андрадит-родонитовая; Бк-50, Бк-70 и Бк-76 – родонит-кварц-андрадитовая; Бк-32 – родохрозит-кариопилит-тефроитовая; Бк-72 – пумпеллиит-пьемонтит-андрадит-кариопилитовая; Бк-31 – парсеттенсит-гематит-кварц-андрадитовая. Анализы 8–15 – породы южного участка месторождения, 16 – северного.

При расчетах литолого-петрохимических индикаторов содержания элементов в мас. % были переведены в атомные количества.

Таблица

Типичный химический состав (мас. %) пород Биккуловского месторождения

 

характерны для марганцовистых туффитов. По соотношению индикаторных элементов (Fe, Mn, Al и Ti) обе разновидности туффитов соответствуют морским металлоносным осадкам.

Для джасперитов типично высокое содержание “гидротермальных компонентов” – кремния и железа, а для андрадитовой разновидности пород, еще и кальция. Концентрации всех других элементов очень низкие.

Состав марганцевых руд закономерно изменяется по мере удаления от джасперитов. На южном, примыкающем к джасперитам, участке залежи установлены значительные колебания содержаний главных компонентов. Состав пород здесь изменяется от слоя к слою, а также в пределах одного слоя. Однако, уже на удалении 100 м от выхода джасперитовой линзы ситуация меняется. Руды быстро становятся очень однородными, в них падают содержания марганца, но увеличиваются железа, а также литогенных компонентов (Al, Ti и др.). По составу руды северного участка месторождения сходны с подстилающими их железистыми туффитами, с которыми они местами образуют постепенные переходы. Различия между этими породами заключаются, главным образом, в более высоком содержании в рудах марганца.

Быстрое нарастание концентраций вулканогенного материала (с юга на север) прослеживается и в составе перекрывающих руды железо-кремнистых туффитах.

Минеральный состав руд. Рудный пласт сложен окисленными с поверхности оксидно-карбонатно-силикатными марганцевыми породами. Это мелкозернистые образования с неясно-полосчатыми, линзовидными, массивными или пятнистыми текстурами. Главными минералами являются андрадит, родонит, кариопилит, парсеттенсит, гематит, кальцит и кварц; второстепенными и акцессорными − тефроит, пьемонтит, марганцевый эпидот, пумпеллиит-Mn, ильваит, йогансенит, широзулит, неотокит, родохрозит, гаусманит, барит, апатит и самородная медь.

Минералогия руд закономерно изменяется в соответствии с вариациями химического состава пород. На южном фланге залежи по распределению главных минералов выделяются как минимум пять разновидностей руд, связанных между собой постепенными переходами. Наиболее распространенными являются гематит-кальцит-андрадит-кариопилитовая, андрадит-родонитовая, родонит-кварц-андрадитовая. Здесь же встречаются максимально обогащенные марганцем родохрозит-кариопилит-тефроитовые породы с второстепенным гаусманитом. Участки, обогащенные вулканомиктовым материалом, сложены пумпеллиитом-Mn, пьемонтитом, андрадитом и кариопилитом. В северном направлении одновременно с уменьшением химического разнообразия руд, однородной становится и их минералогия. В рудах резко снижается количество родонита, и порода приобретает монотонный парсеттенсит-гематит-кварц-андрадитовый состав.

Обобщение результатов. Приведенные материалы показывают, что рудоносные отложения обладают хорошо выраженной латеральной и вертикальной зональностью.

Вертикальная зональность продуктивного горизонта выражается в смене снизу вверх по разрезу обогащенных железом пород (железистых туффитов и джасперитов) существенно марганцевыми (марганцовистыми туффитами, рудами), которые, в свою очередь, перекрываются железо-кремнистыми отложениями (яшмо-туффитами). Количественно железистые породы резко преобладают над марганцевыми. Причем, основной объем железистых отложений сконцентрирован стратиграфически ниже марганцевых руд, а выше располагается лишь тонкий пласт яшмо-туффитов. Такие взаимоотношения пород характерны для подавляющего большинства марганцевых месторождений Магнитогорского пояса. Но, в отличие от многих других объектов, железистые породы Биккуловского месторождения представлены, преимущественно, туффитами, а джаспериты образуют относительно небольшое тело, залегающее над железистыми туффитами. Обычно же наблюдается обратная ситуация, когда доминирующей разновидностью железосодержащих пород являются джаспериты или яшмы.

Латеральная зональность продуктивной пачки проявляется в постепенном изменении состава рудоносных отложений по мере увеличения расстояния от джасперитов (с юга на север): руды становятся беднее, однороднее по составу, в них снижается величина Mn/Fe, возрастает доля литогенных компонентов. Последнее характерно также для перекрывающих яшмо-туффитов.

Подобное строение и химический состав в целом характерны для железо-марганцевых осадков, образовавшихся в области разгрузки субмаринных гидротермальных источников. Очевидно также, что минералогия пород сформировалась на постседиментационных этапах становления месторождения, охватывающих диапазон условий от диагенеза до низкоградного метаморфизма (Т ≈ 250 °С, Р ≈ 2−3 кбар), а затем и гипергенеза.

Модель генезиса. Рассмотренные факты хорошо интерпретируются в рамках модели гидротермально-осадочного рудогенеза. Как известно, в зоне просачивания гидротермального раствора по мере смешения его с морской водой происходит дифференциация элементов. Первыми переходят в осадок железо и кремний, а марганец, как более подвижный металл, осаждается в самой верхней, наиболее разбавленной части потока. В результате образуются зональные залежи с железо-кремнистым основанием и марганцевыми породами на периферии. Поскольку содержание железа и кремния в растворе, как правило, существенно выше, чем марганца, то и в рудоносных отложениях железо-кремнистые породы обычно резко преобладают над марганцевыми.

Состав рудоносных отложений зависит от среды разгрузки гидротермы. В природе широко распространены месторождения, сформированные прямо на поверхности морского дна. Они сложены гидротермальными компонентами с незначительной примесью литогенного материала. Современным примером таких построек могут служить гидротермальные марганец-железо-кремнистые холмы бассейна Вудларк [3] и многие другие. Древние аналоги подобных объектов в большом количестве известны на Южном Урале (месторождения Уразовское, Кызыл-Таш, Казган-Таш, Янзигитовское и др.), Калифорнии, Кубе, Австралии, Омане и других регионах. Всех их отличает наличие крупного джасперитового холма, в кровле которого локализуются небольшие марганцевые линзы.

Формирование биккуловских отложений, по всей видимости, происходило несколько иначе. Восходящие гидротермальные растворы здесь просачивались сквозь толщу рыхлых, обводненных вулканомиктовых песчаников и гравелитов, вследствие чего, взаимодействие флюид–морская вода и осаждение железа начинались уже в приповерхностной толще осадка. В этой зоне формировалась пачка ожелезненных вулканогенно-осадочных пород – протолит подрудных туффитов. При этом, в месте наиболее интенсивного гидротермального потока на поверхность дна, все же проникали относительно слабо измененные флюиды. Тут шло образование небольшого по размеру и почти не содержащего литогенных компонентов железо-кремнистого (протоджасперитового) холма, а на удалении от источника – марганцевых илов. В современном эрозионном срезе данному узлу соответствует южный фланг месторождения. Но на остальной (большей) территории гидротермального поля поверхности дна достигали лишь “истощенные” растворы, уже лишенные большей части железа, но обогащенные марганцем. Смешиваясь с порцией свежей морской воды они окончательно теряли металлы: железо и марганец переходили в осадок, давая начало рудному пласту. Таким способом появилась стратиграфически расслоенная пачка с железистыми туффитами в нижней части разреза и марганцевыми породами − в верхней.

Как и железистые отложения, марганцевые осадки содержали переменное количество вулканомиктового материала. Естественно, что доля его была выше в основании пласта и на флангах месторождения. Именно для этих участков характерны маргановистые туффиты, а также руды с повышенным содержанием пумпеллиита, эпидота и титанита.

Согласно рассмотренной модели, максимальное разнообразие пород должно наблюдаться в эпицентре гидротермального потока, где реализовывались оба способа разгрузки растворов: 1) полностью на поверхности дна; 2) начало в толще осадка, завершение на поверхности дна. На флангах продуктивность гидротермы иссякала, осаждение вещества осуществлялась только по второму механизму, дифференциация железа и марганца проявлялась менее контрастно, а доля вулканогенного материала в составе рудоносных отложений возрастала. Строение Биккуловского месторождения полностью соответствует этим представлениям. Близкую структуру имеют марганцевые проявления района Ватсон Бич в Новой Зеландии [5]. Современными примерами подобных объектов могут служить гидротермальные холмы Галапагосского рифта, в которых разгрузка гидротем также частично происходит в толще осадка [4].

После отмирания гидротермальной системы протоджасперитовый холм был частично размыт придонными течениями. Железо-кремнистый материал скапливался в понижениях рельефа, где смешивался с вулканогенными частицами, создавая протолит для перекрывающих руды яшмо-туффитов. Дальнейшие процессы захоронения, метаморфизма и гипергенеза определили современную структуру и минералогию месторождения.

Благодарности. В организации и проведении полевых работ на месторождении большое содействие оказали сотрудник ИМин УрО РАН к. г.-м. н. И. Г. Жуков, а также аспиранты СПбГУ Т. А. Семкова и М. А. Папчинская. В минералогических исследованиях принимали участие магистранты СПбГУ О. В. Гаврютченкова и Ю. С. Балашова. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.

Исследования поддержаны РФФИ (проект 04-05-64333).

 

Литература

1. Гаврилов А. А. Эксгаляционно-осадочное рудонакопление марганца. М.: Недра, 1972. 215 с.

2. Зайкова Е. В., Зайков В. В. Признаки придонного гидротермального происхождения железисто-кремнистых построек Магнитогорско-Мугоджарской островодужной системы Урала // Металлогения древних и современных океанов − 2003. Формирование и освоение месторождений в островодужных системах. Миасс: ИМин УрО РАН, 2003. С. 208−215.

3. Bogdanov Yu. A., Lisitzin A. P., Binns R. A. et al. Low-temperature hydrothermal deposits of Franklin seamount, Woodlark basin, Papua New Guinea // Marine Geology, 1997. Vol.142, № 1/4. P. 99−117.

4. Honnorez J., Von Herzen R. P., Barrett T. J. et al. Hydrothermal mounds and young ocean crust of the Galapagos: preliminary deep sea drilling results // Initial Reports of Deep Sea Drilling Project, 1983. Vol. 70. P. 459−481.

5. Kawachi Y., Grapre R. H., Coombs D. S., Dowsf M. Mineralogy and petrology of a piemontite-bearing schist, western Otago, New Zeland // J. Metamorphic Geol. 1983. Vol. 1. P. 353−372.