30.04.2019

Подтверждается магматическое происхождение железных руд типа Кируна

Уже полтора столетия продолжается дискуссия о том, как образовались железные руды типа Кируна. За это время были высказаны уже, пожалуй, все возможные гипотезы происхождения этих гигантских по запасам залежей руд апатит-магнетитового состава, которые и сегодня обеспечивает более 90% объемов производства железа в Европе. Недавнее объемное исследование изотопного состава железа и кислорода магнетита руд типа Кируна из месторождений трех континентов вносит некоторую определенность в один из самых спорных вопросов рудной геологии, подтверждая магматическую версию их происхождения.

Впервые богатые железом апатит-магнетитовые руды были обнаружены (в XVII веке) на самом севере Швеции вблизи города Кируна, поэтому все открытые позднее в разных точках земного шара подобные руды называют рудами типа Кируна. Сегодня шведские месторождения в Кируне и Малмбергете (Malmberget) — крупнейшие и наиболее важные источники железа в Европе, а месторождения типа Кируна имеют глобальное значение. Запасы руды только на месторождении Кируна превышают 2 млрд тонн (для сравнения: подтвержденные запасы железной руды во всем мире составляют около 200 млрд тонн). Месторождения типа Кируна также обладают большим потенциалом с точки зрения получения весьма востребованных и критических для многих отраслей промышленности редкоземельных элементов, а также фосфора.

В зарубежной литературе руды типа Кируна часто называют «апатитовыми железными рудами» (apatite-iron ores). Связано это с тем, что в этих рудах часто присутствует апатит (Са₅[PO₄]₃(F, Cl, ОН)), хотя его содержание обычно небольшое (доля в химическом составе руд редко превышает 5%, составляя обычно от 0,02 до 2%), а основной объем руд сложен рудными минералами железа: в основном это магнетит и, в меньшей степени, гематит. Благодаря этому такие руды чрезвычайно богаты железом: содержание Fe в них составляет 50–70%.

Рудные тела, как правило, представлены пластовыми залежами среди вулканических и метаморфических пород. Так, рудное тело месторождения Кируна локализовано на контакте сиенитовых и кварцевых порфиров — субвулканических пород среднего и кислого состава, которые образуются на небольших глубинах и занимают промежуточное положение между плутоническими магматическими породами и излившимися на поверхность лавами. Сами сиенитовые порфиры при этом также содержат магнетит, который образует вкрапленность в породе (магнетит-сиенитовый порфир), неправильные округлые обособления и прожилки. На других месторождениях магнетитовые руды залегают среди метаморфизованных вулканогенных образований типа туфов. Иногда встречаются и магнетитовые жилы, секущие все перечисленные породы.

Такое морфологическое разнообразие рудных образований вызвало появление многочисленных гипотез образования руд типа Кируна. Первые геологи, изучавшие эти руды в конце XIX — начале XX века, считали их метаморфизованными осадочными образованиями. Потом появилась магматическая гипотеза происхождения руд месторождения Кируна, которая со временем стала господствующей. Сторонники этой гипотезы, в том числе и крупные российские ученые А. Н. Заварицкий, В. А. Обручев, С. А. Вахрамеев, рассматривали рудное тело Кирунавары как пластовую интрузию, образовавшуюся при внедрении богатого летучими и рудными компонентами позднего продукта дифференциации кислой щелочной магмы. Некоторые гипотезы объясняли образование пластовых рудных залежей гравитационной дифференциацией магмы или образованием их в результате пневматолитических процессов (изменения магматических пород более поздними растворами из того же магматического очага). Достаточно весомые аргументы приводились сторонниками гипотезы вулканогенно-осадочного происхождения, согласно которой апатит и магнетит осаждались при подводных излияниях магмы, а также сторонниками эксгаляционно-осадочного происхождения — процесса, при котором вулканические возгоны (эксгаляции), отделившиеся от магмы, пропитывают осадочные толщи, отлагая в них рудные элементы. До сих пор остается сильной и гипотеза низкотемпературного гидротермального образования руд типа Кируна, в соответствии с которой магнетит осаждался из горячих растворов постмагматического происхождения.

Чтобы распутать весь этот клубок гипотез, важно для начала определиться с источником рудного вещества, что и попыталась сделать международная группа ученых из Швеции, Финляндии, Индии, Ирана, Великобритании и Южной Африки во главе с Валентином Троллем (Valentin R. Troll) из шведского Университета Уппсалы. Для этого они проанализировали изотопный состав железа и кислорода из магнетита (Fe3O4) руд типа Кируна из месторождений Швеции, Чили, США и Ирана. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Сравнив полученные значения δ⁵⁶Fe и δ¹⁸О с глобальными справочными данными по слоистым интрузиям и вулканитам, содержащим в своем составе магнетит, а также по достоверно установленным низкотемпературным гидротермальным железным рудам, авторы пришли к выводу, что примерно 80% магнетита из изученных руд типа Кируна имеют изотопные отношения, которые перекрываются с вулканическими и плутоническими эталонными породами, образование которых происходило при температуре более 800°С. Оставшиеся 20% результатов, которые приходятся на рассеянный и жильный магнетит, соответствуют значениям, характерным для гидротермальных образований с температурой менее 400°С.

Руды типа Кируна имеют преимущественно магматическое происхождение, но могут содержать также магнетит гидротермального происхождения, отложившийся, судя по всему, из растворов поздней стадии функционирования того же магматического очага. В поле низкотемпературных гидротермальных магнетитов не попал ни один из исследованных образцов, включая жильный магнетит месторождений Кируна и Гренгесберг. То есть, весь магнетит в рудах типа Кируна связан с первично магматическим источником.

На главной магматической стадии при температурах 1000–800°С происходит выделение магнетита из самого магматического расплава. На поздней магматической стадии (800–400°С) магнетит осаждается из высокотемпературных магматических растворов высокого давления. Поздняя генерация магнетита образуется уже из гидротермальных (400–150°С) постмагматических растворов низкого давления, завершающих активность магматической системы. Из низкотемпературных (ниже 150°С) гидротермальных растворов, смешивающихся с поверхностными водами, осаждения магнетита уже не происходит. Плавный характер изменения значений δ¹⁸О говорит о том, что магнетит различных генераций осаждался из эволюционирующих и остывающих растворов, имеющих один и тот же магматический источник.

Таким образом, данные об изотопах кислорода и железа для массивных апатит- магнетитовых руд типа Кируна указывают на первичный магматический источник железа в них. При этом картина не зависит от возраста и степени метаморфизма месторождений. Она примерно одинакова для руд раннепротерозойских месторождений Швеции, для палеозойских руд Ирана и для более молодых (юрских и неогеновых) месторождений Чили.

Несмотря на то, что авторы говорят о подтверждении магматической гипотезы происхождения магнетитовых руд типа Кируан, это не значит, что массивный магнетит, образующий пластовые залежи, образовался непосредственно из магматического расплава. Скорее надо говорить о том, что эти руды, судя по результатам изотопных исследований, образовались в субвулканических условиях под действием высокотемпературных постмагматических растворов.

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru