8. Пески с пиритом, уранинитом и ильменитом

Отложения, о которых говорилось в предыдущем разделе, представляют собой древние конгломераты и пески, сцементировавшиеся в очень твердую породу, залегающую в виде "рифов". Кроме кварца в них содержится много пирита (FeS₂), ильменита (РеТiO₃) и урановой смолки, образовавшейся из первичного минерала уранинита (UO₂). Эти породы обладают признаками, характерными для отложений, накапливавшихся в виде гравия и песков в руслах рек и в озерах. Поскольку такие породы богаты ценными минералами, их называют россыпями. Окатанность отдельных зерен, очень хорошая отсортированность по размеру зерна, различия между пластами по минеральному составу и размеру зерна свидетельствуют о том, что это именно озерные и речные отложения. Рамдор [21] нашел следы эрозии в более древних пластах, а также признаки переотложения обломков более древних песчаников и конгломератов вместе с отдельными зернами минералов в более молодые пласты. Значит, цикл выветривание - эрозия - перенос - отложение повторялся несколько раз и, следовательно, данные породы неоднократно приходили в контакт с атмосферой.

Таким образом, эти древние отложения содержат зерна очень разного минерального состава - кварц, пирит, урановая смолка - а значит, и разной удельной массы. Физические процессы сортировки отдельных зерен при отложении этих пород происходили гораздо активнее, чем при образовании позднейших отложений песка и гравия, состоящих почти исключительно из зерен кварца. В древних отложениях одного горизонта более легкие кварцевые зерна всегда гораздо крупнее тяжелых зерен пирита, а зерна самого тяжелого минерала - урановой смолки - самые мелкие.

По своему залеганию эти древние пески и гравии очень похожи на отложения более молодых осадочных бассейнов. В качестве примера рассмотрим бассейн Витватерсранд в Южной Африке [27] (фиг. 71). Это блюдцеобразная впадина размером примерно 300 на 100 км, расположенная на гораздо более древнем основании. В центре бассейна в результате позднейшего поднятия и эрозии породы основания обнажились (купол Вредефорт).

Фиг. 71. Схематическая карта бассейна Витватерсранд (Южная Африка). Крестики - древние породы основания (возраст около 3 млрд. лет), окружающие бассейн и обнажающиеся также в области купола Вредефорт; белым обозначена система Витватерсранд; пунктирная линия - граница между вышележащими в нижними частями системы. Все более молодые породы не отмечены. Точками отмечены области золотых месторождений - районы, в которых содержание золота в конгломератах достаточно высоко для его добычи

Максимальная мощность осадочной серии Витватерсранд составляет около 8 км, но это не означает, что здесь когда-то был постепенно заполнявшийся отложениями бассейн глубиной 8 км. Отложения эти материковые или прибрежные (или только прибрежные); возможно, они сформировались в дельтах и аналогичных образованиях, существовавших на протяжении всего времени образования системы Витватерсранд. Мы можем представить себе медленно опускающийся бассейн, в котором осадконакопление преобладало над опусканием. Поверхность суши всегда оставалась вблизи уровня моря, независимо от того, насколько низко опускалось основание. Лишь много времени спустя после того, как осадконакопление прекратилось, дальнейшее опускание коры создало знакомый нам блюдцеобразный "бассейн", в котором серия Витватерсранд почти на всем своем протяжении перекрыта молодыми породами.

В процессе отложения этой серии кластических осадков вследствие изменений в скорости опускания коры и скорости седиментации возникла так называемая ритмичность осадочных пород (фиг. 72 и 73), вполне сходная с ритмичностью, обнаруженной в более молодых осадочных бассейнах.

Фиг. 72. Стратиграфическая колонка системы Витватерсранд вблизи Иоганнесбурга, Южная Африка [27]. Представлены основные осадочные толщи (черным показаны сланцы, белым - песчаники, пунктиром - конглоиераты. Доминиони-Риф, образующий основание системы, в данном районе не развит. Мощность указана в футах

Фиг. 73. Стратиграфическая колонка серии пород Кимберли, входящей в систему Витватерсранд, Южная Африка [27]. Черным и косой штриховкой показаны сланцы, образовавшиеся из глин, белым - кварциты, образовавшиеся из песков, точками - конгломераты, образовавшиеся из гравия. MK1 - русло реки. Различная зернистость осадков, видимо, объясняется в основном изменениями скорости движения коры. Когда движения медленны, эрозия ослаблена, возникают тонкозернистые сланцы. В результате сильных движений коры происходит быстрое поднятие тыловой области складчатости, которая подвергается сильной эрозии, и идет отложение конгломератов. UK1 - UK9 - верхний Кимберли; МК2 - МК3 - средний Кимберли; LK1 - LK3 - нижний Кимберли

Итак, по способу отложения, переработки и переотложения эти древние гравий и пески поразительно похожи на более новые. Различие только одно, но оно крайне важно: все более молодые пески и гравии состоят главным образом или даже исключительно из кварца, тогда как в этих древних осадочных породах содержатся в больших количествах другие минералы - сульфиды и уранинит, которые в условиях современной атмосферы нестабильны.

Сравнить строение древних и современных песков можно по фото 30 и 31. Первый снимок - шлиф древнего песчаника системы Витватерсранд, возраст более 2 млрд. лет (ср. с фиг. 69). Второй снимок - современный магнетитовый песчаник с побережья к северу от Буэнос-Айреса. Древний песчаник состоит главным образом из пирита, современный - из магнетита; оба минерала имеют сходные удельные массы. Сходство структуры, как мы видим, совершенно очевидно.

Фото 30. Микрофотография древнего песчаника (возраст более 2 млрд. лет) из системы Витватерсранд, Южная Африка (×70) (гл. XIII, [21]). Зерна пирита белые, зерна разных окислов - серые, зерна кварца - черные

Фото 31. Микрофотография современного песка с побережья Аргентины (× 45) (гл. XIII, [21]). Зерна магнетита - белые, зерна кварца - серые. Сравните со структурой древнего пиритового песчаника (фото 30)

На фото 32 также показан древний песчаник из системы Витватерсранд. Он состоит в основном из кварца и пирита. Здесь мы тоже замечаем множество зерен сульфида. Пирит наряду с кварцем - важнейший компонент этого песчаника. В верхней части снимка виден переотложенный крупный обломок более древнего песчаника, состоящий почти целиком из пирита. Кроме того, можно различить округлые границы сцементированных зерен пирита, образующих более древний пиритовый песчаник.

Фото 32. Микрофотография докембрийского пиритово-кварцевого песка из системы Витватерсранд, Южная Африка (× 45) (гл. XIII, [21]). Зерна пирита - белые, зерна кварца - темные. Вверху - обломок переотложенного более древнего пиритового песка. В этом древнем песчанике еще различимы округлые очертания зерен пирита

Такое вовлечение в новый круговорот старых осадочных пород не является исключением. Об этом свидетельствуют, в частности, подробные седиментологические исследования рифов Кимберли на месторождении золота Ист-Рэнд, проведенные Армстронгом [1]. Он сделал даже вывод, что основная часть породы верхнекимберлийских рифов 9А - продукт эрозии более древних верхнекимберлийских рифов 9В, а те в свою очередь могли произойти из различных пластов среднекимберлийской серии.

На фото 33 виден осадочный ритм, во всех отношениях сравнимый с ритмичностью в отложениях более молодых песков и гравиев. Порода, состоящая почти целиком из зерен кварца, покрыта тонким слоем из зерен пирита и урановой смолки; затем опять следует почти чистый кварцевый песок. Границы кварцевых зерен не видны на фотографии, воспроизведенной типографским способом, но на оригинальной микрофотографии они выступают явственно и хорошо видно, что зерна кварца не менее чем в 2 раза превосходят по размеру зерна пирита. Зерна урановой смолки мельче остальных и, кроме того, лучше других минералов отсортированы по размеру.

Фото 33. Микрофотография осадочного ритма (кварц - пирит) / (кварц - урановая смолка) в докембрийском песчанике Блайд-Ривер, Канада (× 22,5) (гл. XIII, [21]). Кварц - черный, границы отдельных зерен на фотографии не видны; пирит - белый; мелкие зерна урановой смолки - серые

Зерна уранинита, как видно при большем увеличении, тоже имеют округлую форму, что характерно для кластических зерен, переносившихся с потоками воды и утративших при этом угловатость, присущую исходным кристаллам (фото 34).

Фото 34. Зерна уранинита (1-3) с округлыми очертаниями, характерными для обломочного материала, переносившегося реками или силой прибоя в озерах и морях. Риф Бейзел, система Витватерсранд (× 315) (гл. XIII, [28]). Основная масса кварца показана черным, уранинит - серым, PbS - белым. Этот свинец имеет радиогенное происхождение, он образовался в результате распада атомов урана, соединился с серой и был отложен в микроскопических пустотах и трещинах исходного минерала. Сравнив количества уранинита и свинцового блеска, можно получить приблизительное значение абсолютного возраста последнего метаморфизма, которому подвергалось зерно и при котором терялся свинец (гл. XIII, [22]). Как правило, получаемые этим способом оценки значительно выше 2,15 млрд. лет - принятый возраст системы Витватерсранд. Очевидно, в зернах уранинита какая-то доля радиогенного свинца имелась уже во время цикла выветривание - эрозия - перенос - седиментация, в ходе которого возникли осадочные отложения системы Витватерсранд

Большинство геологов согласны с выводом Рамдора [21], что эти отложения возникли в условиях первичной бескислородной атмосферы, когда не могло идти химическое выветривание сульфидов, уранинита и других подобных минералов, неустойчивых в кислородной атмосфере.

Однако не все геологи принимают этот вывод. Наиболее резкой критике подверг предположения Рамдора покойный проф. Дэвидсон [6, 7]. Но он сам выразительно и кратко изложил аргументы в пользу гипотезы Рамдора: "Я могу лишь сказать, что мы не знаем геологического образования, из которого могли бы произойти россыпи золота, уранинита и пирита без примеси других тяжелых минералов. Если бы кто-нибудь мог предположить, каким образом сингенетически возникли такие отложения в Доминион-Риф, на юго-востоке Финляндии, в Блайнд-Ривер и т. д., - если бы кто-нибудь мог предположить, из какого геологического образования могли сформироваться сингенетически такие ассоциации, то мы бы сделали большой шаг вперед" [7, стр. 1205]. Но ведь именно это и сделал Рамдор, предположив, что такие золото-урановые месторождения возникли путем осадкообразования в условиях бескислородной атмосферы.

Этим еще раз подчеркивается фундаментальность различия между примитивной и современной атмосферами, различия, о котором я уже много раз говорил и о котором не раз напомню еще. Эти две атмосферы различны как день и ночь. Все мы, привыкшие к современной кислородной атмосфере, лишь с трудом представляем себе те химические, физические и биологические процессы, которые происходили в условиях первичной бескислородной атмосферы.

Вопрос о том, имеют ли руды системы Витватерсранд древнее осадочное происхождение или уран и золото были принесены в эти пласты позже эндогенными растворами, очень важен для дальнейшей разработки руд. Поэтому для его решения привлечены и более тонкие методы, с помощью которых были получены данные, свидетельствующие в пользу первичной осадочной природы этих минералов. Для примера расскажу о двух подходах к проблеме. Изучалось отношение стабильных изотопов серы [8, 17]. В изверженных породах и в залежах серы, образовавшихся из гипогенных растворов, отношение стабильных изотопов серы довольно однообразно для каждой массы породы. Видимо, это объясняется неким процессом фракционирования, шедшим в магме. В осадочных же породах отношение изотопов серы варьирует гораздо сильнее, так как сера, содержащаяся в них, принесена из самых разных источников. Оказалось, что пириты системы Витватерсранд по изотопному составу своей серы попадают в разряд осадочных пород. Разброс значений слишком велик для изверженной породы.

Проводилась, кроме того, оценка возраста отдельных зерен уранинита путем определения количества в них уранинита и свинцового блеска визуальным путем (фото 34) и методом электронного микрозонда. Оказалось, что "возраст" разных зерен сильно различается, чего и следовало ожидать в осадочной породе, представляющей собой смесь зерен изверженных пород разного возраста. Более того, возраст отдельных зерен уранинита, как правило, выше возраста системы Витватерсранд, значит, возможность их образования из более молодых гипогенных растворов исключена.

Итак, хотя здесь невозможно слишком глубоко вдаваться в эту проблему, я думаю, можно считать доказанным, что пиритно-уранинитные отложения раннего и среднего докембрия являются осадочными породами, сформировавшимися в бескислородной атмосфере.