Рис. 1. Апатит-магнетитовая железная руда из месторождения Кируна (гора Кирунавара в Шведской провинции Норрботтен). Основным минералом железа является магнетит (черные вкрапления). Также присутствуют апатит (светло-зеленые), кальцит (белые) и актинолит (темно-зеленые). Кируна — крупнейшее железорудным месторождение в Европе, но детали происхождения его руд все еще плохо изучены. Ширина образца — 14 см. Фото с сайта sandatlas.org

Дискуссия о том, как образовались железные руды типа Кируна, продолжается уже полтора столетия. 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 (рис. 2). Оставшиеся 20% результатов, которые приходятся на рассеянный и жильный магнетит, соответствуют значениям, характерным для гидротермальных образований с температурой менее 400°С.

Рис. 2. Распределение изотопных значений Fe и O магнетита по генетическим группам: оранжевый прямоугольник — типичный магматический магнетит; розовый — ортомагматический магнетит (напрямую связанный своим происхождением с обогащенными железом и фосфором магмами или производными от них высокотемпературными растворами); серый — магнетит, образовавшийся из гидротермальных растворов в процессе замещения или переотложения; светло-серый — низкотемпературный гидротермальный магнетит. Образцы, использованные в исследовании и эталонные образцы: 1 — апатит-магнетитовые руды месторождения Кируна (Швеция); 2 — апатит-магнетитовые пластовые руды месторождения Гренгесберг (Швеция); 3 — жильный и вкрапленный магнетит месторождения Гренгесберг (Швеция); 4 — апатит-магнетитовые руды месторождения Эль-Лако (El Laco, Чили); 5 — апатит-магнетитовые руды месторождения Бафк (Иран); 6 — апатит-магнетитовые руды Чилийского железного пояса и месторождений Пи-Ридж и Пайлот-Кноб (США); 7 — эталонные образцы плутонических пород; 8 — эталонные образцы вулканических пород; 9 — эталонные образцы низкотемпературного гидротермального магнетита. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Как видно из рисунка 2, 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, а общая схема образования руд выглядит так, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Стадии рудообразования железных руд различных месторождений руд типа Кируна: I — первичная магматическая стадия (железо находится в жидкой фазе); II — главная магматическая стадия (кристаллизация из магмы); III — поздняя магматическая стадия (кристаллизация из магмы и магматических газово-жидких растворов); IV — гидротермальная стадия (осаждение из гидротермальных растворов и замещение). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

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.

Источник: Valentin R. Troll, Franz A. Weis, Erik Jonsson, Ulf B. Andersson, Seyed Afshin Majidi, Karin Högdahl, Chris Harris, Marc-Alban Millet, Sakthi Saravanan Chinnasamy, Ellen Kooijman, Katarina P. Nilsson. Global Fe–O isotope correlation reveals magmatic origin of Kiruna-type apatite-iron-oxide ores // Nature Communications. 2019. V. 10. DOI: 10.1038/s41467-019-09244-4.

Владислав Стрекопытов

Источник elementy.ru