Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия и статистические особенности прямолочастости железистых кварцитов Кольского полуострова

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия и статистические особенности прямолочастости железистых кварцитов Кольского полуострова"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

г С. ^

БАЗАЙ Айя Валериевна

МИНЕРАЛОГИЯ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ [ОЛОСЧАТОСТИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КОЛЬСКОГО

ПОЛУОСТРОВА

Специальность 04.00.20: минералогия, кристаллография

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в Геологическом институте Кольского научного центра РАН

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук профессор П.М.Горяинов

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минерапогических наук профессор А.Г.Булах (Санкт-Петербургский государственный университет)

кандидат геолого-минерапогических наук Ю.Л.Гульбин (Санкт-Петербургский горный институт)

Ведущая организация:

АО «Олкон» (Оленегорский ГОК, г. Оленегорск)

ЛЬ »

ОС

¡а кат о

_19б8 г. в часов в ауд. 44 на заседании

Защита состоится

диссертационного совета Д 063.57.27 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора геолого-минерапогических наук в Санкт-Петербургском государственном университете (199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, геологический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им А.М.Горького при Санкт-Петербургском государственном университете.

Автореферат разослан

« »(Я^сВа ^ъ

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.Ф.Семенова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и цели исследований. За более чем полувековую историю «учения месторождений полосчатой железорудной формации Кольского полуострова был скоплен огромный объем информации о тектонике, геохимии и минералогии железоруд-<ых толщ. Однако, ни он, ни обилие генетических гипотез так и не позволили выработать :акой-нибудь общеприемлемой модели формирования данных пород. Причиной этого, >чевидно, является наличие признаков, в той или иной степени отвечающих как осадочной, ■ак и метасоматической или магматической гипотезам рудообразования. Проблема обост->яется появлением многочисленных теоретических работ о возможности образования по-юсчатых текстур железных руд за счет инфильтрации (Ortoleva, 1993; Русинов, Жуков, 994), электрохимических (Jacob et al., 1994) и механохимических (Devers, Ortoleva, 1990) )еакций. К началу 80-х годов дискуссия о происхождении железистых кварцитов региона жончательно зашла в тупик, для выхода из которого П.М.Горяинов предпринял попытку >ассмотреть накопленные данные с позиций теории самоорганизации - междисциплинар-юго направления, изучающего поведение сложных систем вдали от равновесия (Николис, Пригожин, 1990). В рамках этого подхода были изучены геологическое строение отдельных месторождений (Goryainov, 1990 и др.), особенности минералогии магнетита (Бапабонин, 1ванюк, 1996 и др.), текстурные особенности кварцитов (Базай, Иванюк, 1996 и др.) и сде-1аны некоторые общие выводы об эволюции железорудных систем региона (Горяинов и ip., 1992; Иванюк и др., 1996). Данная работа должна была обобщить в рамках указанного юдхода имеющиеся и вновь полученные данные о закономерностях распределения минеров в железорудных толщах, т.е. связать такие особенности железорудных ансамблей, :ак полосчатость, складки, линзы и зональность рудных тел с возможными механизмами IX совместного образования в процессе самоорганизации докембрийской железорудной :истемы. При изучении вышеперечисленных особенностей возникла необходимость в бо-iee детальном, чем было до сих пор, изучении слагающих железистые кварциты минера-юв. Это заставило меня обобщить данные, собранные ранее Н.Л.Балабониным, "Ш.Горяиновым, Г.Ю.Иванюком и Д.В.Орсоевым, равно как вновь полученные сведения, в ;пециальной главе. В результате структура работы выглядит следующим образом.

Объем и структура работы. В первой главе приведены почерпнутые из литера-урных источников сведения о положении и геологическом строении основных железоруд-(ых месторождений региона, приведена краткая петрографическая характеристика главных ■ипов пород и руд, обобщены данные о соотношениях разновидностей кварцитов в зависимости от набора вмещающих пород и размера месторождений. Вторая, основная по объему лава посвящена анализу минералогических особенностей кварцитов с более или менее

подробным описанием морфологии, состава и физических свойств 30 породообразующих и акцессорных минералов. Третья глава посвящена изучению особенностей организации минералов в горной породе (изучены мультифрактальные свойства железорудных толщ и их зависимость друг от друга, от типа руд и интенсивности складчатости; приведены результаты Фурье-анализа полосчатости, обсуждается их соответствие модельным периодической, квазипериодической, детерминированно-хаотической и шумовой последовательностям слоев; рассмотрены информационные свойства полосчатости и возможность кодировки последовательностей слоев при помощи гиперсимволов). Четвертая глава посвящена рассмотрению возможных механизмов рудогенеза. Показано, что прямополосчатая текстура кварцитов вполне могла быть результатом осадконакопления в условиях детерминированно-хаотической климатической динамики и продуктом хаотических химических реакций при инфильтрации растворов сквозь породу, содержащую вкрапленность минералов двухвалентного железа. Связь же полосчатости со складкообразованием заставила уделить особое внимание процессам реорганизации минерального вещества в результате механохимических реакций. Объем работы 277 страниц, 28 таблиц, 163 рисунка. Список цитированной литературы содержит 192 наименования.

Защищаемые положения

1. В прямополосчатых кварцитах положение векторов намагниченности зерен магнетита и осей [0001 ] кварца совпадает с линейностью породы, а в плойчатых кварцитах указанные векторы располагаются под углом порядка 45° к слоистости. Этот эффект в случае магнетита обусловлен одновременным действием пластической деформации и термонамагничивания, а в случае кварца — вращением зерен в соответствии с упругими свойствами минерала, контролируемым их пластической деформацией.

2. Состав породообразующих силикатов существенным образом контролируется буферными реакциями, в результате чего в наиболее богатых магнетитовых и гематит-магнетитовых рудах получили распространение исключительно высокомагнезиальные силикаты с повышенным соотношением Ре^^е2*, а в сульфидно-магнетитовых кварцитах - наоборот.

3. Полосчатость железистых кварцитов является мультифрактальной, т.е. характеризуется совокупностью взаимозависимых фрактальных свойств слоев, складок и линз. Связь состава и свойств кварцитов и слагающих их минералов с интенсивностью складчатости свидетельствует о значительной роли процессов тектонохимической дифференциации пород при образовании железорудных месторождений.

Научная новизна. Подробно описаны морфология, состав и свойства 30 породообразующих и акцессорных минералов. Установлено сходство микроструктурных ориентировок кварца и магнетита, контролируемых интенсивностью касательных напряжений

при формировании породы. Выявлены закономерности распределения минералов в пространстве, в первую очередь - детерминированно-хаотическое чередование их зерен и мультифрактальное строение железорудных толщ. Установлена самая непосредственная связь текстурно-структурных и геохимических особенностей железистых кварцитов с интенсивностью складчатости. Постулируется важная роль механохимических реакций в формировании современного облика этих пород.

Практическая значимость работы состоит в возможности широкого использования ее результатов как в геологических исследованиях, так и в промышленном производстве. В частности, сведения о составе и свойствах минералов могут быть использованы при разработке более эффективных методов переработки руд. Данные о фрактальных свойствах железорудных месторождений должны учитываться при подсчете запасов месторождений, равно как при интерпретации геофизических данных. Строгая взаимозависимость свойств минералов и пород с размером месторождений и качеством руд поставляет ряд перспективных поисковых признаков.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на ЗО-м международном геологическом конгрессе (Пекин, КНР, 1906), 3-м международном симпозиуме «Фракталы и динамические системы в науках о Земле» (Стара Лесна, Словакия, 1997), 3-м международном совещании «Синергетика природных и социальных систем» (Алма-Ата, Казахстан, 1995), на международной конференции «Закономерности эволюции земной коры» (С.-Петербург, 1996), международной конференции «Геология и XXI век» (Москва, 1997), на IV Всероссийском симпозиуме по экспериментальной тектонике и структурной геологии (Москва, 1997) и на 8-й и 9-й конференциях молодых ученых, посвященных памяти К.О.Кратца (Петрозаводск, 1994 и Апатиты, 1995). Основные результаты опубликованы в 9 печатных работах.

Благодарности. Исследования проводились в рамках научной темы «Эволюция динамических рудных систем с позиций теории самоорганизации» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 94-05-16232а). При анализе минералогических особенностей кварцитов использованы данные Н.Л.Балабонина, А.В.Барабанова, П.М.Горяинова, Г.Ю.Иванюка и Д.Н.Орсоева. Полевые исследования проведены при неоценимой помощи В.Н.Яковенчука. Микрозондовые анализы минералов в полной мере выполнены С.А.Реженовой. Ряд программ для компьютерной обработки данных был предоставлен Д.Г.Егоровым, А.В.Перликовым и В.Э.Асмингом. Всем названным лицам автор выражает искреннюю признательность. Особую благодарность я хочу выразить моим научным руководителям - профессору П.М.Горяинову и к.г.-м.н. Г.Ю.Иванюку,-чье постоянное внимание в значительной степени определило направленность и результаты данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1. Основные черты геологии железорудных месторождений

Ареал развития пород полосчатой железорудной формации Кольского полуострова насчитывает более 400 рудопроявлений и месторождений железистых кварцитов, но лишь Приимандровская его часть с 4 эксплуатируемыми месторождениями (Оленегорское, Кировогорское, Бауманское, Октябрьское) является крупным горнопромышленным районом. Все породные комплексы мегаблока представляют собой ультраметаморфические образования амфиболитовой и гранулитовой фаций. Среди них отчетливо выделяются овально-линзовые блоки серых гнейсов (мигматит-тоналит-гранодиоритов), между которыми согласно залегают породы собственно кремнисто-железорудной формации: амфиболиты, биотитовые и глиноземистые гнейсы, лептиты, карбонатные сланцы, диопсид-магнетитовые породы и железистые кварциты. Размер тоналитовых блоков составляет в среднем 500-1000 км2, очертания от почти изометричных до почти пластовых, причем породы железисто-кремнистой формации никогда не пересекаются с контурами серогнейсо-вых блоков - они строго соподчинены (Горяинов, Балабонин, 1988). Примечательная особенность продуктивной толщи - ее симметрично-зональное строение, при котором последовательность пород в разрезе: тоналиты - амфиболиты - лептиты - железистые кварциты - лептиты - амфиболиты - тоналиты не меняется ни при изменении рудной мощности, ни при расчленении, диспергировании рудного тела на множество более мелких.

При изучении минерального состава железистых кварцитов было установлено, что значительная их часть состоит всего из трех минералов. Четырехминеральные параге-незисы в большинстве своем являются переходными между трехминеральными. Породы, состоящие из большего, чем четыре, числа минералов, получили распространение в мета-соматически измененных породах и в обогащенных гранатом, роговой обманкой и гипер-стеном высокометаморфизованных кварцитах. Сравнение мощностей рудного тела и слагающих его разновидностей кварцитов в разрезах Оленегорского, Кировогорского, Печегуб-ского и Комсомольского месторождений показало, что с увеличением мощности рудного тела мощности рудных магнетитовых кварцитов экспоненциально возрастают. Максимальное количество слаборудных кварцитов содержат 140-160 метровые рудные тела, тогда как мощности наиболее богатых гематитсодержащими кварцитами линз лежат в пределах 240260 м. Гематит-магнетитовые кварциты появляются в составе рудных тел только тогда, когда мощность последних достигает 100-150 м, а слаборудные, наоборот, практически отсутствуют в крупных телах. При этом их ядерные части обычно сложены гематит-магнетитовыми кварцитами с участками богатых руд, затем идет зона магнетитовых кварцитов и, по периферии, - рудных и слаборудных сульфидно-магнетитовых кварцитов.

Глава 2. Минералогическая характеристика железисто-кремнистых пород

При более или менее детальном изучении морфологии, химического состава и физических свойств 30 минералов из железистых кварцитов региона самые интересные результаты принесло изучение магнетита, гематита, кварца, моноклинных пироксенов, амфиболов рядов куммингтонит-грюнерит, тремолит-ферроактинолит и роговой обманки, фанатов и сульфидов.

В частности, весьма не тривиальные данные были получены при микроструктурном анализе железистых кварцитов. В его рамках проводились измерения ориентировки векторов намагниченности зерен магнетита при помощи нематических жидких кристаллов (Tomilin, Ivanyuk, 1993) и оптических осей зерен кварца на столике Федорова. Как оказалось, в прямополосчатых кварцитах ориентировка осей [0001] кварца и векторов намагниченности магнетита (одной из осей [111]) обычно контролируются направлением растяжения as, совпадающим с линейностью породы (рис. 1 а,б). В плойчатых кварцитах эти оси располагаются в плоскостях максимальных касательных напряжений п (рис. 1в). В случае магнетита такая переориентировка связана с перераспределением ионов Fe под действием внешнего магнитного поля, возможность чего обеспечивается окислением минерала по плоскостям скольжения {111}, наиболее близким к п. В случае кварца она является результатом вращения зерен в соответствии с упругими свойствами минерала, контролируемого пластическим скольжением по базопинакоиду на площадках п (благодаря анизотропии упругости, под давлением зерна кварца стремятся развернуться таким образом, чтобы ось [0001] располагалась под углом 71° к направлению максимального сжатия оч (Brace, 1960). Однако, как только плоскости {0001} зерен приближаются к площадкам is, по ним начинается пластическое скольжение и зерно, изменяя форму, ориентировку [0001] ±ъ уже не меняет).

При складкообразовании одновременно со сменой типа магнитной анизотропии происходит окисление магнетита по схеме (Балабонин, Иванюк, 1985):

[Fe'YjDJwtFe2*!^ Fe3Yjoct 04 - «голубоватый» -»

[Fe3%4Fe2,Fe3*bc( 04-«серый» ->

[Fe3*i.JHr]iei [Fe2*i-3w Fe3+i»3^XlJod 04- «коричневатый»,

в результате чего голубоватый цвет минерала в отраженном свете становится коричневатым.

о

а"

а

б

в

Рис. 1. Изменение микроструктурных ориентировок магнетита (а) и кварца (б) при складкообразовании и положение площадок максимальных касательных напряжений ъ при деформации изотропного твердого тела (в), 0S<05<<T1.

Повышение фугитивности кислорода при складкообразовании подтверждается результатами изучения амфиболов ряда куммингтонит-грюнерит. Зерна этих амфиболов макроскопически имеют коричневато-желтую, зеленовато-желтую или зеленую окраску. Зеленый куммингтонит получил преимущественное распространение в прямополосчатых кварцитах, а желтый - в плойчатых. Спектроскопическими исследованиями установлено, что вызывающая зеленую окраску полоса поглощения в области 600-680 нм исчезает после непродолжительного отжига минерала при 500 °С ввиду перехода Ре2*-»Ге3* в катионной позиции М(2) (Ершова, 1973) и оптический спектр становится неотличимым от спектра желтого куммингтонита.

• Актинапит а Диопсид

образующих силикатов в первую очередь обращает на себя внимание его строгая зависимость от состава породы (фактически, от количества и соотношения рудных минералов): рис. 2.

При изучении состава породо-

Рис. 2. Изменение состава актинолита и диопсида при увеличении степени окис-ленности кварцитов.

По-видимому, это обусловлено буферными свойствами железорудной системы, способной поддерживать постоянный состав межзернового флюида до полного исчерпания конкретного железосодержащего минерала в результате реакций типа:

ЗРе203 ^ 2Ре304 + 1/202Т, 2Рез04 + ЗвЮг ^ ЗРе2БЮ4 + 021\ Ре2вЮ4 ^ 2Ре + вЮ2 + 021\

смещающимися вправо при повышении температуры. Первой из них полностью отвечают гематит-магнетитовые кварциты, со второй и третей можно сопоставить соответственно силикатно-магнетитовые и сульфидсодержащие кварциты. Действие буфера и его емкость не зависят от относительных количеств твердых минеральных фаз - они сохраняются до тех пор, пока не исчерпаются ресурсы минерала, содержащего железо в более окисленной (восстановленной) форме. Это означает, что при метаморфизме наиболее богатых железом гематит-магнетитовых кварцитов в межзерновом флюиде будет превалировать трехвалентное железо. Вполне естественно, что при относительном недостатке ионов Ре2* силикаты будут существенно магнезиальными, но одновременно возможно вхождение в их структуру несколько повышенного количества ионов Ре3*. Поэтому, в пределах гематитовых кварцитов получили распространение высокомагнезиальные тальк, тремолит и магнезио-горблендит, в богатых магнетитовых рудах - куммингтонит, актинолит и диопсид, в суль-фидно-магнетитовых кварцитах - грюнерит, геденбергит и феррогорблендит.

Гранаты изучаемых пород представлены альмандином, андрадитом и гроссуля-ром, причем в гематит-магнетитовых и рудных магнетитовых кварцитов преимущественно встречаются гроссуляр и андрадит, в сульфидсодержащих - альмандин. Содержание пи-ропового минапа, экспоненциально увеличивается при переходе от андрадита к альмандину, а максимальное количество спессартиновой составляющей (до 16%) приурочено к гранатам с примерно равными соотношениями главных миналов. В кварцитах, метаморфи-зованных в условиях гранулитовой фации часто встречаются зерна альмандина, внутренние части которых содержат многочисленные мелкие округлые выделения магнетита. Изучение состава граната посредством микрозондирования показало хотя и незначительное, но постоянное возрастание содержания Ре в краевых частях зерна, что вслед за А.Бреарлеем и П.Чампнэссом (Вгеаг1еу, СЬатрпеБЗ, 1986) позволяет предположить эволюционную природу такого магнетита: Рез(А11.98,Ре%о2)2оо[8Ю4]з-> 0.01Ре304 + О.ЭЭРезАувЮчЬ + О.С)2РеО + О.ОЗЗЮ2.

Глава 3. Главные закономерности распределения минералов в железистых кварцитах

Сложная многопорядковая слоистость, обусловленная послойными вариациями минерального состава, количественного соотношения минералов, их свойств, размера зерен и т.д., безусловно, является самой характерной чертой железистых кварцитов, что и нашло свое отражение в одном из названий этих пород - «полосчатая железорудная формация». Изучение железистых кварцитов из различных месторождений Кольского полуострова показало, что характер полосчатости закономерно меняется в зависимости от типа руд: в обогащенных силикатами кварцитах средняя мощность слойков превышает 5 мм, в рудных магнетитовых она равна 2-4 мм, а в существенно гематитовых уменьшается до 0.52.0 мм. Сопоставление мощностей сосуществующих магнетитовых, кварцевых и силикатных слойков обнаружило, что кварциты характеризуются ненамного большей мощностью магнетитовых слоев в сравнении с кварцевыми, тогда как мощность силикатных слойков обычно в 3-4 раза больше мощности магнетитовых. В гематит-магнетитовых кварцитах увеличение мощности магнетитовых слоев сопровождается уменьшением мощности гематитовых прослоев.

Железистые кварциты, состоящие из ритмично чередующихся магнетитовых, кварцевых и силикатных слойков, являются одним из типичных примеров сложнослоистой геологической толщи. Слоистость этих пород является многопорядковой: макрослои, состоящие из микрослойков, в свою очередь составляют ритмы; ритмы, объединяясь, дают пачки ритмов и т.д. Распределение какого-либо одного минерала, скажем, магнетита (рис. За), в таком случае наглядно демонстрируется при помощи простой математической модели - множества Кантора. Его построение производится следующим образом: возьмем единичный отрезок [О, 1], разделим его на три равные части и выбросим средний интервал; каждый из двух оставшихся отрезков снова разделим на три части и так далее (рис.

а б

Рис. 3. Железистый кварцит Баумановского месторождения (а) и множество Кантора (б)

36). В пределе суммарная длина выброшенных частей: 1/3 + 2(1/9) + 4(1/27) + ...= 1, - т.е. инторово множество не имеет собственной длины и его топологическая размерность равна нулю. Количественную оценку степени заполнения этой фигурой пространства дает размерность Хаусдорфа-Безиховича или более легко определяемая ёмкостная размерность О: если для того, чтобы покрыть некоторое множество «/-мерного пространства тре-Зуется N(1) ¿-мерных фигур (отрезков, квадратиков, кубиков и т.д.) размера г, причем:

Ы(1)~г° прил-»0, (1)

го О - емкостная размерность этого множества (Мап<1е1ЫсЛ, 1983). В случае канторова иножества для того, чтобы покрыть оба имеющихся после первого разбиения подмноже-:тва, требуется два отрезка длиной 113, после второго - 4 отрезка длиной 1/9 и т.д., т.е. в п-зм поколении канторово множество состоит из N = 2" отрезков длиной п = (1/3)", / = 1, 2,... V. Тогда, согласно (1),

1п2" 1п2 0 =-— = — = 0.6309...

1п(1/(1/3 )) 1пЗ

Этот результат означает, что множество Кантора является промежуточным между точкой Р = 0) и линией (0 = 1). Такие объекты, состоящие из частей, подобных целому (причем это подобие может быть как геометрическим, так и статистическим), и получили название фракталов (от латинского "фрактус" -дробный.

Из формулы (1) напрямую вытекает процедура экспериментального определения О: исследуемое множество последовательно плотно покрывается все более мелкими ячейками размера л и подсчитывается количество Л/, таких ячеек, потребовавшихся для полного покрытия объекта. Если при изменении г величина Л/ изменяется по степенному закону, то показатель степени 0 есть фрактальная размерность. Для распределения магнетита в кварците, изображенном на рис. 1а. Л/ ~л159, т.е. 20 = 1.59 ± 0.01 и рассматриваемая порода действительно может быть представлена в виде «вставленных друг в друга» мономинеральных фракталов. Очевидно, что мы можем рассматривать даже не двумерные, а одномерные сечения кварцитов вкрест слоистости. В этом случае ёмкостная размерность 10 изменяется в пределах от 0.59+0.03 в контрастно-полосчатом кварците до Э.87±0.02 в богатой, почти "сливной" руде. В случае прямополосчатой породы для оценки полной фрактальной размерности магнетитового агрегата к полученному значению 10 нужно лишь прибавить 2. Однако в плойчатых кварцитах все не так просто, ибо складки фрак-тапьны сами по себе.

Интенсивная плойчатость весьма обычна для железистых кварцитов и также имеет многопорядковый характер: крупные складки осложнены более мелкими, те - еще более мелкими и т.д. (рис. 4з). Геометрическим аналогом складчатых слоев может служить кривая фон Кох. Построить ее можно бесконечным повторением следующей операции: единичный отрезок [0,1] разбивают на три части и, вынув центральную, заменяют ее на два отрезка длины 1/3, как показано на рис. 46. В пределе получается троичная кривая Кох, топологическая размерность которой, как и любой линии, равна единице. При первом разбиении для покрытия этой кривой потребуется четыре отрезка длиной 1/3, при втором -16 отрезков длиной 1/9, при третьем - 64 отрезка отрезка длиной 1/27 и т.д; при л-ом преобразовании необходимо 4" отрезка длиной 1/3". Имеем:

Рис. 4. Складка в кварците Урагубского месторождения (а) и кривая фон Кох (б).

1п4

In4

D >

= 1.2618...

1п(1/1/3 )) 1пЗ т.е. данное множество промежуточно между линией и поверхностью.

Определить размерность какого-либо слойка можно при измерении его длины при помощи циркуля с последовательным уменьшением раствора I. Если при этом длина L возрастает по степенному закону, то измеряемая кривая фрактальна, а ее размерность равна показателю степенной зависимости (Mandelbrot, 1983):

= (2)

■де а - масштабный коэффициент. В нашем случае длина слойков в среднем увеличивает-;я по закону L ~ Io м мм, т.е. складка фрактальна с размерностью 1.26 ± 0.04.

Таким образом, распределение какого-либо минерала в данной породе подобно [анторову множеству размерности D\ ~ 0.6, составленному из фрактальных поверхностей <ох с Оз« 2.3 (рис. 5). Интересен и тот факт, что размерность полосчатости закономерно уменьшается при возрастании размерности складок, так что складкообразование никогда не приводит к перемешиванию породы в некую нетекстурированную массу - наоборот, юроды становятся все более тонко- и контрастно-полосчатыми. В одном измерении - в направлении падения пород - кварциты не фрактальны и D3 = 1. Но только в пределах нескольких метров. Далее проявляется еще один фрактальный мотив - иерархия разнопо-зядковых линз. Ярким примером иерархии линз разного порядка является Кировогорское келезорудное месторождение, на котором отдельные линзы железистых кварцитов сгруп-чированы в три обособленных тела - гломеры (рис. 6а). Густая сеть дизъюнктивных нарушений, развитая внутри гломер, никоим образом не влияет на их плавные очертания, а тишь подчеркивает делимость на элементарные линзы. Если плотно покрывать это или цругие сечения месторождения квадратными ячейками, то зависимость числа таких ячеек эт их размера хорошо аппроксимируется степенной функцией с показателем 1.50-1.56 (рис. 36). На разрезах строение рудных тел существенно не меняется - это по-прежнему достаточно плотно упакованные линзовые ассоциации с размерностью порядка 1.6. Соответст-зенно, общая фрактальная размерность линзового ансамбля Кировогорского месторождения D3» 20з + 0.520з» 2.3.

Рис. 5. Погориэонтные планы Кировогорского месторождения (а) и зависимость числа квадрагти-<ов размера гхг, потребовавшихся для полного покрытия сечений, от величины г (б). D=1.50-1.56.

5 ...........................—

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Inr

a

б

Помимо макроскопического изучения полосчатости железистых кварцитов, был проведен Фурье-анализ последовательностей зерен вкрест слоистости этих пород. Он также выявил масштабное самоподобие кварцитов: части спектра до и после периода в 4 зерна по количеству и соотношению интенсивностей максимумов подобны друг другу. Кроме того, исследования показали отчетливое увеличение числа интенсивных максимумов в спектрах Фурье в естественной последовательности пород в рудных телах: гематит-магнетитовые кварциты -> магнетитовые кварциты -» сульфидно-магнетитовые кварциты -» магнетит-пироксеновые породы -» карбонатные сланцы. Поскольку переход от периферических зон к ядрам рудных тел сопровождается уменьшением количества гармоник большой амплитуды в распределении минералов, мы можем говорить о текстурной самоорганизации железорудных толщ.

При Фурье-анализе полосчатости лишь в одном единственном образце была обнаружена почти периодическая последовательность зерен: ...МЮ-О-а-ЛЖ-О-О-О-О-О-

мю-ш-о-а-а-а-а-а-а-мю-о-ш-а-мю-о-ш-а-мю-мю-о-а-а-о-а-мю-а-м»-....

Ее исследование методом Мэйна-Джеймса показало, что хотя она может быть полностью представлена в виде последовательности гиперсимволов: а= О-О, у£=0-М, ^О-О-ГМ, 0-0, ¿¿=0-0-0-0 (длина гиперстроки составляет 52% от длины анализируемой цепочки): ...хр^ррмарургррцууарплухрр^мррррарррррц...,- но никак не сводится к одному единственному из них. Вместе с тем, частота встречаемости 0-1М пары составляет 50%, что действительно много выше таковой ближайшего «соперника» - квадруплета 0-0-0-0 (19%). Как оказалось, этот случай уникален еще и потому, что ни в одном другом образце (из более чем 50 проанализированных) последовательность зерен вкрест слоистости не удается полностью представить при помощи гиперсимволов. Это говорит о хаотичности данных последовательностей, хотя довольно высокая степень их сжимаемости позволяет предполагать детерминированный характер их образования. Наконец, необходимо отметить, что степень сжатия информации методом гиперсимволов оказалась связанной с прочими текстурными показателями железистых кварцитов, такими как фрактальная размерность слоев и складок, угол раскрытия складок.

Глава 4. Тектоно-химическая дифференциация железорудных толще позиций теории самоорганизации

Изучение статистических свойств полосчатости железистых кварцитов Кольского полуострова привело нас к заключению о фрактальном характере последней и о возможной ее связи с детерминированно-хаотическими процессами. В настоящее время известно по крайней мере три способа формирования такого рода полосчатых железных руд, отве-

ющих в первом приближении осадочной, метасоматической и метаморфогенной гипоте-м их происхождения.

Значительная часть сторонников осадочного генезиса железистых кварцитов в честве основного механизма формирования их полосчатости рассматривает периодиче-ие климатические явления. В ряде работ (Трендалл, 1975; Murthy, 1990 и др.) для под-«рждения этого даже приводятся некие статистические закономерности, якобы позво-1юо)ие соотнести формирование полосчатости о флуктуациями солнечной активности, днако, в последнее время появился ряд публикаций (Nicolis and Nicolis, 1984 и др.), в торых на основе изотопных исследований доказывается детерминированно-хаотический ipaicrep климатической динамики, вообще лишенный какой бы то ни было явной регуляр->сти. В этой связи хотелось бы упомянуть, что изучение крупномасштабного распределе-1Я магнетита на месторождениях Кольского полуострова также выявило наличие в дина-ике рудогенеза фрактальных аттракторов малой размерности (Горяинов и др., 1997). На эрвый взгляд, это подтверждает возможность осадочного формирования указанных пород условиях хаотических изменений климата, но похожие структуры могут возникнуть за счет ютических реакций при протекании растворов сквозь породу, содержащую равномерную (рапленность минералов двухвалентного железа (Жуков, 1986; Ортолева, Шмидт, 1988).

Согласно данным В.В.Жукова, в сложных реакциях окисления-восстановления инерапов железа обычно имеется автокаталитическая стадия, которой и принадлежит тределяющая роль в формировании автоколебательного режима. Численное моделиро-ание показало, что при определенных условиях происходит потеря автоколебаниями ус-зйчивости и переход системы в хаотическое состояние, когда в распределениях концен-заций компонентов появляются осложняющие максимумы второго и более высоких по-ядков и образующаяся попосчатая текстура становится фрактальной. В работах .Л.Русинова (1994, 1996) этот механизм образования полосчатости проиллюстрирован 1Ногочисленными геологическими примерами.

Вместе с тем, в случае рассматриваемых железистых кварцитов все не так про-то уже ввиду наличия явного организующего влияния пликативной тектоники (Базай, Ива-юк, 1996; Егоров, Иванюк, 1996; Иванюк и др., 1996). В этом аспекте несомненный инте-ес представляют теоретические разработки П.Ортолевы (Dewers, Ortoleva, 1989; 1990; irtoleva at al., 1982), анализирующие пространственные структуры, которые возникают в апряженных породах за счет различия механических свойств минералов. Поскольку в зотропно-пластичном полиминеральном образце эффективный модуль пластичности озрастает с увеличением содержания более пластичного минерала, а общая напряжен-ость этого минерала уменьшается с возрастанием его доли в окружающем элементе объ-ма, то свободная энергия системы оказывается минимальной при образовании мономи-

неральных слоев. Соответственно, если две области горной породы, имеющие разньк количественные соотношения минералов, связаны друг с другом диффузией компонентов то падение градиентов химических потенциалов последних обеспечивается переотложени ем высокопластичного минерала из области, изначально им обедненной, в область, изна чально им обогащенную (Dewers and Ortoleva, 1990). Численное моделирование, проведен ное этими авторами, показало, что через достаточно длительное время распределени< минералов становится периодическим в направлении сжатия. Одновременное пластиче ское течение «оформляет» конечную полосчатую текстуру.

Учитывая, что повсеместно отмечаемая связь полосчатости со складками с точ ки зрения седиментогенеза выглядит, по крайней мере, вторичной, а для образования ме тасоматических слоистых структур турбулентность и вовсе «противопоказана», так ка неминуемо приведет к перемешиванию диффузионного фронта, по-видимому, имее смысл признать полосчатость железистых кварцитов Кольского полуострова в ее сего дняшнем виде метаморфогенной. Иными словами, вполне возможно, что метаморфизуе мые толщи уже имели ту или иную слоистую текстуру осадочного или метасоматическоп происхождения, которая в конечном итоге была существенно (если не нацело) переработа на механохимическими реакциями.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Bazai A.V., Goryainov P.M., Ivanyuk G.Yu. Yegorov D.G. On Genesis of Banded Iron Formation of the Kola Peninsula (Russia) II Abstracts of 3rd International symposium on frac tais and dynamic sistems in geoscience. Stara Lesna, Slovakia, 1997. P. 33-34.

2. Bazai A.V., Ivanyuk G.Yu.. Muitifractalness of the Banded Iron-Formations//Abstracts с 30th International Geological Congress, 1996. Vol. 2. P. 529.

3. Базай A.B., Егоров Д.Г., Иванюк Г.Ю. Происхождение полосчатости железистых квар цитов Кольского полуострова // Вопросы геологии Карело-Кольского региона. Петроза водск: Изд. Карельского НЦ РАН, 1996. С. 3-6.

4. Базай A.B., Иванюк Г.Ю. Механо-химическая дифференциация железистых кварцито с позиций теории самоорганизации IIЗВМО. 1996. № 5. С. 67-82.

5. Базай A.B., Иванюк Г.Ю. Механо-химическая дифференциация железистых кварцито с позиций теории самоорганизаци // Тезисы докладов совещания "Синергетика приро; ных и социальных систем", Алма-Ата, 1995. С. 33-34

6. Базай A.B., Иванюк Г.Ю. Мультифрактальность архейских железорудных толщ // Тезк сы докладов международной конференции «Закономерности эволюции земной коры> С.-Петербург: Изд. АО «Пик», 1996. С. II-34.

7. Базай A.B., Иванюк Г.Ю. Фрактальные свойства докембрийских железорудных ансамЕ

лей // Геология Балтийского щита и других докембрийских областей России. Апатиты: Изд. Кольского НЦ РАН, 1995. С. 44-51.

Иванюк Г.Ю., БазвО A.B. Статистические свойства полосчатости железистых кварцитов как свидетельство детерминированно-хаотической динамики рудогенеза // Тезисы докладов международной конференции «Науки о Земле на пороге XXI века: новые идеи, подходы, решения». М.: Научный мир, 1997. С. 76.

Базай A.B., Иванюк Г.Ю. Сравнительный анализ микроструктурной ориентировки кварца и магнетита из железистых кварцитов Кольского региона //ЗВМО. 1997. №6. С. 116124.

Автореферат Базай Айя Валериевна

МИНЕРАЛОГИЯ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛОСЧАТОСТИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

Подписано к печати 26.12.1997

Формат бумаги 60x841/17. Усл. печ. л. 1.16. Уч.-изд. л. 0.94. Тираж 100 экз. Бесплатно.

Ордена Ленина Кольский научный центр Российской академии наук 184200, Апатиты, Мурманская обл., ул. Ферсмана 14.