13. Происхождение докембрийских железорудных формаций

Авторы, изучавшие железорудные формации типа формации Верхнего озера, конечно, расходятся во мнении о подробностях образования этих отложений. Но существуют и некоторые общепринятые заключения об условиях возникновения таких формаций. Материал этих осадков, вероятно, сносился с материков, рельеф которых находился в стадии зрелости, т. е. характеризовавшихся обширными низменностями, без выраженных горных хребтов. Материал, из которого сложились железорудные формации, выщелачивался на низменностях и затем сносился и осаждался в больших озерах или мелководных морях.

Этот тип выветривания - выщелачивание на плоских обширных низменностях - сходен с тем выветриванием, в результате которого сейчас создаются латеритные почвы. В современных латеритных почвах под зоной выщелачивания лежит так называемая зона цементации, в которой под влиянием рельефа и других факторов внешней среды могут накапливаться элементы, вымытые из верхних слоев. Так могут создаваться железо-латеритные и алюминиево-латеритные (бокситовые) отложения, имеющие экономическое значение и часто называемые латеритами (или латеритами в узком смысле слова). Но нас сейчас интересует активное латеритное выветривание, выщелачивание верхних слоев [11]. В ходе дальнейшей эрозии материков оно продвигается глубже и захватывает, наконец, лежащие ниже зоны цементации, имеющие, таким образом, временный характер.

Латеритное выветривание развивается в тропических и субтропических климатах, как правило там, где есть смена засушливого и дождливого сезонов. Кроме дождевой воды, важным фактором выщелачивания является сейчас гуминовая кислота, продукт разложения растительных остатков. В результате такого выветривания образуются латеритные почвы. Здесь важно вспомнить, что в железорудных формациях часто встречаются тонкие прослои графита [19]. Как мы узнаем из гл. XV и XVI, в раннем и среднем докембрии, в условиях бескислородной атмосферы, на суше не могла существовать никакая, даже самая примитивная растительность, так как атмосфера не задерживала жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всякой жизни. С другой стороны, это же излучение, как нам уже известно, способствовало неорганическому синтезу "органических" молекул, а для выветривания безразлично, каким путем образовались органические кислоты - биогенным или абиогенным. Присутствие графита в железорудных формациях свидетельствует о некотором сходстве между докембрийским выветриванием, происходившим на этих огромных плоских низменностях, и современным латеритным выветриванием.

Лепп и Голдич [19] предложили следующее объяснение механизма отложения железорудных формаций. В результате выветривания растворы, содержащие железо, кремний, кальций и натрий, переносились в море, а другие элементы, особенно алюминий и фосфор, оставались в районе выветривания в виде нерастворимого остатка. В условиях бескислородной атмосферы кремний и железо должны были осаждаться примерно в одних и тех же районах, а кальций, магний и натрий выносились в открытое море (фиг. 78). В условиях кислородной атмосферы совместно должны осаждаться железо и кальций, а кремний и натрий сносятся в море.

Фиг. 78. Схема латеритного выветривания на материковой низменности и образования железорудной формации в мелководном море в условиях бескислородной атмосферы. Толстые стрелки - устойчивые остаточные образования и отложения, тонкие стрелки - перенос. Al, Ti и Р остаются в виде остаточных месторождений в исходном районе. В осадочном бассейне формируются разные промежуточные продукты, но в конце концов Са, Mg, К и Na выносятся в открытое море, а Fe и Si отлагаются в бассейне

Но эта простая гипотеза не объясняет, однако, появления слоистости, чрезвычайно тонких чередующихся прослоек железосодержащих минералов и кремнистого сланца, столь типичных для многих докембрийских железорудных формаций. Такая структура могла возникнуть в том случае, если отложение шло не в мелководных морях или лагунах, а в больших, сравнительно глубоких озерах [16]. В таких изолированных водных массах (фиг. 79) существует сезонный цикл интенсивности перемешивания воды. Видимо, слоистость, характерная для железорудных формаций, может быть связана с тем, что в разные сезоны осаждение шло по-разному, в зависимости от перемешивания.

Фиг. 79. Схема циркуляции воды в глубоких озерах так называемого мономикстного типа, распространенных в субтропиках и в теплом климате

Озера, в которых период перемешивания составляет 1 год, называются мономикстпыми, а те, в которых этот период равен полугоду, т. е. перемешивающиеся дважды в год, - димикстными. Димикстные озера встречаются сейчас только в умеренной зоне и севернее, где сильно влияние смены сезонов и зимнего замерзания водоемов. Мономикстные озера находятся в субтропиках и в теплых районах умеренной зоны. Для нашей проблемы в общем неважно, сколько раз в год складываются условия, благоприятные для перемешивания, однако, поскольку во время образования докембрийских железорудных формаций в районах их образования, по-видимому, воздействие по-настоящему холодного климата можно исключить, нам больше подходит мономикстный тип.

В мономикстных озерах летом сильно выражена стратификация - разделение на верхний слой теплой и легкой воды (эпилимнион) и нижний, холодный слой - гиполимнион. Температура воды в гиполимнионе может составлять около 4°С - это температура, при которой пресная вода обладает максимальной плотностью. Зимой поверхностная вода, охлаждаясь ниже 4°С, приобретает плотность, примерно равную плотности глубинной воды, и течения, возникающие под действием ветра и волн, перемешивают воды озера на всю его глубину.

Летом верхние слои воды хорошо аэрируются и насыщаются кислородом, а в глубинной, застойной воде весь кислород быстро расходуется на разложение опускающихся сверху органических (а в далекие геологические эпохи - "органических") веществ, и в этом слое царят восстановительные условия. Зимой, когда стратификация исчезает, хорошо аэрируется вся водная масса. Вспомним теперь, что при восстановительных условиях железо растворяется гораздо лучше, чем при окислительных. Растворимость железа определяется целым рядом факторов, но в восстановительных условиях она может увеличиться более чем в 100000 раз по сравнению с окислительными условиями [16].

Как только благодаря циркуляции глубинные слои воды начнут насыщаться кислородом, железо выпадет в осадок. Эта реакция начинается уже при невысокой концентрации кислорода. Выделяющийся нерастворимый осадок железа сравнительно тяжел. Он слабо вовлекается в циркуляцию озерной воды и довольно быстро опускается на дно.

Глубинный слой воды пресноводного озера - гиполимнион - будет, таким образом, служить как бы ловушкой для всего растворенного железа, приносимого в озеро. И что очень важно - отложение железа будет идти не постоянно в течение всего года, а будет иметь сезонный характер. Поведение кремния мало изучено, но вполне вероятно, что этот элемент будет отлагаться поочередно с железом.

На основе этих идей была разработана несколько более сложная гипотеза, в детали которой мы не можем здесь вдаваться [13]. Нам важно, что для осаждения окисленного железа при перемешивании воды в глубоком озере достаточно уже очень небольшого количества кислорода. Теперь понятно, каким образом в сходных атмосферных условиях могли возникать железорудные формации, в которых железо частично окислено, и пиритовые пески, в которых железо восстановлено. Первые сформировались в результате химического цикла выветривание - перенос - осаждение, в котором преобладало выщелачивание исходных пород и химическое осаждение в осадочных бассейнах, а вторые - в условиях преобладания физических процессов: физического выветривания, быстрого переноса в осадочный бассейн и механического осадкообразования.

Наконец, вспомним, что докембрийские полосчатые железорудные формации отличаются от всех более новых. Это различие не только внешнее, оно связано и со способом образования. Молодые железорудные формации никогда не бывают слоистыми; к ним всегда приурочены только морские формы ископаемых остатков. Следовательно, они сформировались не в озерах. Стратификация воды, сезонный ритм перемешивания, от которого, по-видимому, зависело образование полосчатых железорудных формаций - все эти процессы характерны сейчас только для озер, но не для моря.

Еще один аспект генезиса полосчатых железорудных формаций - возможность участия биохимических реакций в образовании кремнистых сланцев. Как мы узнаем из следующей главы, считается, что большая часть фанерозойских кремнистых сланцев возникла именно во время отложения данного пласта, а не позднее, в результате диагенеза, как думали раньше. Теперь полагают, что кремнистые сланцы образовались на морском дне, непосредственно или в результате окремнения уже существовавших отложений. Из предыдущей главы мы знаем, что в полосчатых железорудных формациях среднего, а может быть, и раннего докембрия встречаются органические остатки. Более того, не раз отмечалось наличие в этих породах графита, иногда даже в макроскопических количествах. Это может свидетельствовать об участии биохимических процессов в отложении кремнистого сланца полосчатых железорудных формаций. С другой стороны, мы уже не раз говорили, что преджизнь могла в период образования этих формаций сосуществовать с ранней жизнью (гл. XII, разд. 12 и гл. XVIII, разд. 2). В таком случае трудно сказать, участвовали ли в образовании кремнистых сланцев органические или "органические" соединения (или же и те и другие вместе). Иными словами, неясно, какие происходили при этом процессы - биохимические или чисто неорганические, и получить однозначный ответ на этот вопрос пока невозможно.