Қабатты темір кен пайдалы қазбалары және Жердің оксигендену тарихы

Кіріспе

Темірге бай шөгінді жыныстардың ерекше қабатты бірліктері, олар көбінесе кембрийге дейінгі кезеңге жатады. Жолақты темір формациялары (ЖТФ; сондай-ақ жолақты темір тасты формациялары деп те аталады) – темір оксидтері мен темірге кедей шерт қабаттарының кезектесіп орналасуынан тұратын шөгінді жыныстардың ерекше бірліктері. Олардың қалыңдығы бірнеше жүз метрге дейін жете алады және көлденеңінен бірнеше жүз шақырымға созылады. Осы формациялардың дені кембрийге дейінгі кезеңге жатады және Жер мұхиттарының оттегіленуін көрсетеді деп саналады. Жердегі ең көне тау жыныстары, шамамен (Ma) бұрын пайда болған, жолақты темір формацияларымен байланысты. Жолақты темір формацияларының теңіз суында фотосинтездік цианобактериялардың оттегі өндіруі нәтижесінде пайда болғаны айтылады. Оттегі Жер мұхитындағы еріген темірмен қосылып, ерімейтін темір оксидтерін түзді, олар мұхит түбінде жұқа қабат түзеп шөгінді. Әр жолақ, өндірілген оттегінің циклдық өзгерулерінен туындаған варваға ұқсас. Жолақты темір формациялары алғаш рет 1844 жылы Солтүстік Мичиганда табылды. Жолақты темір формациялары әлемдік темір қорының 60% астамын құрайды және қазіргі кезде өндірілетін темір кенінің көп бөлігін қамтамасыз етеді. Олардың көп бөлігі Австралия, Бразилия, Канада, Үндістан, Ресей, Оңтүстік Африка, Украина және АҚШ-та кездеседі.

Сипаттама

Типтік жолақты темір түзілімі қайталанған, жұқа қабаттардан (қалыңдығы бірнеше миллиметрден бірнеше сантиметрге дейін) күміс түсті немесе қара темір оксидтерінен – магниттен (Fe3O4) немесе гематиттен (Fe2O3) тұрады, олар темірге кедей, көбінесе қызыл түсті, ұқсас қалыңдығы бар шерт қабаттарымен кезектеседі. Бір жолақты темір түзілімі бірнеше жүз метрге дейін қалыңдыққа ие болуы мүмкін және жүздерше шақырымға созылуы мүмкін. BIF-тегі темір шамамен тең үлесте тотыққан темір (Fe(III)) және тотыққан емес темір (Fe(II)) нысандарында болады, сондықтан Fe(III)/Fe(II+III) қатынасы әдетте 0,3-тен 0,6-ға дейін өзгереді. Бұл магниттің (қатынасы 0,67) гематитке қарағанда (қатынасы 1) басымдығын көрсетеді. Жақсы сақталған жолақты темір түзілімі әдетте бірнеше метрлік макроқабаттардан тұрады, олар жұқа тақтатас қабаттарымен бөлінген. Макроқабаттар өз кезегінде бірнеше миллиметрден бірнеше сантиметрге дейін қалыңдығы бар, шерт пен темір оксидтерінің ерекше кезектесетін қабаттарынан – мезоқабаттардан құралған. Көптеген шерт мезоқабаттарында бір миллиметрден кем қалыңдығы бар темір оксидтерінің микроқабаттары бар, ал темір мезоқабаттарында ерекше белгілер байқалмайды. BIF өте қатты, берік және тығыз болады, сондықтан олар эрозияға өте төзімді және ұзақ қашықтықтарда қабатталудың ұсақ бөлшектерін көрсетеді, бұл олардың өте төмен энергиялы ортада – яғни, салыстырмалы түрде терең суда, толқындардың немесе ағыстардың бұзбауымен шөгіндірілгенін көрсетеді. BIF басқа тау жыныстарымен сирек араласады, көбінесе басқа тау жыныстарымен біртіндеп өте алмайтын, жақсы шекараланған дискретті бірліктерді құрайды. Жолақты темір түзілімдерінің көп бөлігі архелік немесе палеопротерозойлық дәуірге жатады. Алайда, аз ғана BIF неопротерозойлық дәуірге жатады және көбінесе, егер жалпылай айтсақ, мұздық шөгінділермен байланысты, көбінесе мұздық түйіршіктерді қамтиды, ал жұмсақ шөгінді деформациялық құрылымдары жиі кездеседі, бұл өте жылдам шөгіндіргенін көрсетеді. Жолақты темір түзілімдері фанерозойлық темір кендерінен ерекшеленеді. Темір кендері салыстырмалы түрде сирек кездеседі және теңіздегі оттегісіз оқиғаларда шөгіндірген деп есептеледі, онда шөгінді алабындағы бос оттегі азайған. Олар темір силикаттары мен оксидтерінен тұрады, бірақ оларда BIF-те жоқ маңызды фосфор мөлшері бар. Бұл жіктеме кеңінен қабылданды, бірақ оның BIF-тің литологиясына емес, шөгінді алабының ерекшеліктеріне негізделгенін түсінбеу шатастыруға әкелді, ал кейбір геологтар оны тастауды ұсынды. Алайда, Алгома және Көлік Көлі типтеріне жіктеу әлі де қолданылады.

A typical banded iron formation consists of repeated, thin layers (a few millimeters to a few centimeters in thickness) of silver to black iron oxides, either magnetite (Fe3O4) or hematite (Fe2O3), alternating with bands of iron poor chert, often red in color, of similar thickness. A single banded iron formation can be up to several hundred meters in thickness and extend laterally for several hundred kilometers. The iron in BIFs is divided roughly equally between the more oxidized ferric form, Fe(III), and the more reduced ferrous form, Fe(II), so that the ratio Fe(III)/Fe(II+III) typically varies from 0.3 to 0.6. This indicates a predominance of magnetite, in which the ratio is 0.67, over hematite, for which the ratio is 1. A well preserved banded iron formation typically consists of macrobands several meters thick that are separated by thin shale beds. The macrobands in turn are composed of characteristic alternating layers of chert and iron oxides, called mesobands, that are several millimeters to a few centimeters thick. Many of the chert mesobands contain microbands of iron oxides that are less than a millimeter thick, while the iron mesobands are relatively featureless. BIFs tend to be extremely hard, tough, and dense, making them highly resistant to erosion, and they show fine details of stratification over great distances, suggesting they were deposited in a very low energy environment; that is, in relatively deep water, undisturbed by wave motion or currents. BIFs only rarely interfinger with other rock types, tending to form sharply bounded discrete units that never grade laterally into other rock types. The great majority of banded iron formations are Archean or Paleoproterozoic in age. However, a small number of BIFs are Neoproterozoic in age, and are frequently, if not universally, associated with glacial deposits, often containing glacial dropstones. and soft sediment deformation structures are common. This suggests very rapid deposition. Banded iron formations are distinct from most Phanerozoic ironstones. Ironstones are relatively rare and are thought to have been deposited in marine anoxic events, in which the depositional basin became depleted in free oxygen. They are composed of iron silicates and oxides without appreciable chert but with significant phosphorus content, which is lacking in BIFs. This classification has been more widely accepted, but the failure to appreciate that it is strictly based on the characteristics of the depositional basin and not the lithology of the BIF itself has led to confusion, and some geologists have advocated for its abandonment. However, the classification into Algoma versus Lake Superior types continues to be used.

Пайда болуы

Таспалы темір формациялары негізінен кембрийге дейінгі дәуірге жатады, олардың көпшілігі архейдің соңғы кезеңінен (2800–2500 млн жыл бұрын) басталып, палеопротерозойдың орозириан кезеңінде (1850 млн жыл бұрын) қайтадан жинақталған. Архейдің басында және неопротерозойда (750 млн жыл бұрын) шамалы мөлшерде кездеседі. Темагами жолақты темір кен орны 50 миллион жыл ішінде, 2736–2687 млн жыл аралығында қалыптасып, қалыңдығы белгілі бір деңгейге жеткен. Ерте архейлік BIF-тің басқа мысалдары Абитибидің көк тасты белдеулерінде, Yilgarn және Pilbara кратондарының көк тасты белдеулерінде, Балтық қалқанында, Амазонка, Солтүстік Қытай, Оңтүстік және Батыс Африка кратондарында табылды. Бұл BIF-тер көбінесе түйіршікті темір формацияларынан тұрады. Таспалы темір формациялары Ұлы тотығу оқиғасының уақытын анықтауға алғашқы дәлелдердің бірін ұсынды, ол 2400 млн жыл бұрын болған. Престон Клауд 1968 жылғы Жердің ерте атмосферасы мен мұхиттары туралы еңбегінде BIF-тердің қалыптасуын түсінуге қатысты кеңінен қабылданған, бірақ барлық жағдайда бірдей емес, жалпы негізді қалады. 1800 млн жылдан кейін қалыптасқан аз ғана формациялар атмосфералық оттегінің төмен деңгейін көрсетеді, ал шағын шыңы гипотетикалық «Жер-шар мұзы»мен байланысты болуы мүмкін.

Құрылу процестері

Шерт қабаттарындағы микрожолақтар, ең болмаса, оттегі өндірісінің жылдық өзгерістерінен туындаған варвалар болып табылады. Күндізгі микрожолақтану жылына 2 метр немесе 5 км/млн жылдық жиналу деңгейін қажет етеді. Әртүрлі жиналу модельдеріне негізделген жиналу деңгейінің бағалаулары және байланысты туф қабаттарының жасын анықтау үшін жоғары ажыратымдылықты иондық микропробы (SHRIMP) деректері, әдеттегі BIF-терде 19-270 м/млн жылдық жиналу деңгейін көрсетеді, бұл жылдық варвалармен немесе толқындық циклдардан туындаған ритмиттермен сәйкес келеді. Дәнді темір формацияларында мезожолақтар, жай судағы шөгінділердің іріктелуіне байланысты пайда болады, онда толқын әрекеті әртүрлі өлшемдегі және құрамындағы бөлшектерді бөліп шығарады. Алгома типіндегі BIF-тер негізінен Архей дәуірінде қалыптасқан. Бұл ескі BIF-терде темірдің гидротермальдық көзіне сәйкес келетін оң еуропий аномалиясы байқалады. BIF-тердегі фосфор мен іздік металдардың концентрациясы, темірді тотықтыратын бактериялардың әрекеті арқылы шөгіндіге түсуімен сәйкес келеді. Гренландиядағы Исуадағы ең көне жолақты темір формацияларындағы (3700-3800 млн жыл бұрын) темір изотоптарының арақатынасы, өте төмен оттегі деңгейі (<фототикалық аймақтағы қазіргі O2 деңгейінің 0,001%) және Fe(II) фотосинтездік тотығуы арқылы жақсы түсіндіріледі.

Бұл үшін микроорганизмдердің азотты бекітуі де белсенді болуы керек. Жолақты формацияларындағы көміртек, биологиялық тектің көрсеткіші – 12C жеңіл изотопымен байытылған. Егер бастапқы темір оксидтерінің көп бөлігі гематит түрінде болса, онда шөгінділердегі кез келген көміртек декарбонизация реакциясы арқылы тотығуы мүмкін: немесе бассейндік судың жылдық айналымы, қабатталған мұхитта темірге бай судың көтерілуімен біріктірілген. Тағы бір абиогендік механизм – күн сәулесі арқылы темірдің фотототығуы. Зертханалық тәжірибелер бұл жағдайда рН және күн сәулесінің ықтимал жағдайларында жеткілікті жоғары жиналу деңгейін тудыруы мүмкін екенін көрсетеді. Алайда, егер темір жай гидротермальдық көзден келсе, басқа зертханалық тәжірибелер темірдің карбонаттар немесе силикаттар түрінде шөгіндіге түсуі, фотототығумен күшті бәсекелесе алатынын көрсетеді.

Үлкен тотығу оқиғасы

[[Сурет:Oxygenation atm 2.svg|thumb|upright=2|Жер атмосферасында оттегінің (O2) жиналуы. Қызыл және жасыл сызықтар миллиардтаған жылдар бұрын (Га) өлшенген уақыт бойынша бағалаулар диапазонын көрсетеді. Сирек кездесетін, кейінгі (жас) жолақты темір кендері жергілікті жағдайда оттегінің жетіспеуімен байланысты ерекше жағдайларды білдіреді деп есептелді. Темірге бай сулар оқшауланып, кейіннен оттегі бар сумен қарым-қатынасқа түседі. «Қар шары Жер» гипотезасы осы жас кендеріне басқаша түсіндірме берді. «Қар шары Жер» жағдайында континенттер және төменгі ендіктегі теңіздер шамамен 750-580 миллион жыл бұрын суық мұз дәуіріне ұшырап, еркін оттегінің жартылай немесе толық жойылуына себеп болды. Еріген темір оттегі аз мұхиттарда жиналды (мүмкін, теңіз түбіндегі гидротермальдық жерлерден). Жер мұзы ерігеннен кейін теңіздер қайтадан оттегімен толып, темірдің шөгіндіге түсуіне әкелді, бұл мұздықтардың термиялық айналысының нәтижесі болды. 1956 жылы Питер Митчелл кенішінің жанындағы Баббит, Миннесота штатында BIF-тен ірі көлемде коммерциялық өндіріс басталды. 2016 жылы Миннесота штатында жылына кен концентраты өндірілді, бұл АҚШ-тың жалпы өндірісінің шамамен 75% құрайды. Темір кені Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін жаһандық тауарға айналды, ал 1960 жылы Австралиядан темір кенін экспорттауға қатысты эмбарго тоқтатылғаннан кейін Хамерсли жотасы маңызды кен өндіру айманына айналды. Мұндағы жолақты темір формациялары әлемдегі ең қалың және кең таралғандары болып табылады. Жыл сайын осы аймақтан темір кенінің 100 миллион тоннадан астам мөлшері өндіріледі. Бразилияның Итабарит жолақты темір формациялары кем дегенде жабады және қалыңдығына жетеді. Темір төртбұрышының өндірісі Бразилияны Австралиядан кейін темір кенінің екінші ірі өндірушісіне айналдырды, ал 2007 жылдың желтоқсанынан 2018 жылдың мамырына дейінгі айлық экспорт орташа есеппен құрады. Қытайдың солтүстігіндегі Аньшань қаласында жолақты темір формацияларынан кен өндіру 1918 жылы басталды. 1931 жылы Жапония Солтүстік-Шығыс Қытайды басып алған кезде, бұл зауыттар жапондық монополияға айналды, ал қала Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде маңызды стратегиялық өнеркәсіптік орталыққа айналды. Маньчжурияда өңделген темірдің жалпы өндірісі 1931-1932 жылдары жетті. 1942 жылы Аньшаньнің Шова болат зауытының жалпы өндірістік қуаты жылына жетті, бұл оны әлемдегі ірі темір және болат орталықтарының біріне айналдырды. 1945 жылы Маньчжурияны Кеңес Одағы басып алған кезде және одан кейінгі Қытай Азамат соғысы кезінде өндіріс қатты бұзылды. Алайда 1948 жылдан 2001 жылға дейін болат зауыттары 290 миллион тонна болат, қара темір және болаттан жасалған металл өндірді. 2006 жылғы жағдай бойынша жылдық өндірістік қуат - шикізат, болат және қалың болат. Қытайдың темір кенінің жалпы қорларының төрттен бірі, шамамен, Аньшанда орналасқан.

[[Image:Oxygenation atm 2. svg|thumb|upright=2|Oxygen (O2) build up in the Earth's atmosphere. Red and green lines represent the range of the estimates while time is measured in billions of years ago (Ga). it was assumed that the rare, later (younger) banded iron deposits represented unusual conditions where oxygen was depleted locally. Iron rich waters would then form in isolation and subsequently come into contact with oxygenated water. The Snowball Earth hypothesis provided an alternative explanation for these younger deposits. In a Snowball Earth state the continents, and possibly seas at low latitudes, were subject to a severe ice age circa 750 to 580 Ma that nearly or totally depleted free oxygen. Dissolved iron then accumulated in the oxygen poor oceans (possibly from seafloor hydrothermal vents). Following the thawing of the Earth, the seas became oxygenated once more causing the precipitation of the iron. due to glacially driven thermal overturn. By 1956, large scale commercial production from the BIF itself began at the Peter Mitchell Mine near Babbitt, Minnesota. Production in Minnesota was of ore concentrate per year in 2016, which is about 75% of total U. S. production. Iron ore became a global commodity after the Second World War, and with the end of the embargo against exporting iron ore from Australia in 1960, the Hamersley Range became a major mining district. The banded iron formations here are the thickest and most extensive in the world, Over of iron ore is removed from the range every year. The Itabarite banded iron formations of Brazil cover at least and are up to thick. Production from the Iron Quadrangle helps make Brazil the second largest producer of iron ore after Australia, with monthly exports averaging from December 2007 to May 2018. Mining of ore from banded iron formations at Anshan in north China began in 1918. When Japan occupied Northeast China in 1931, these mills were turned into a Japanese owned monopoly, and the city became a significant strategic industrial hub during the Second World War. Total production of processed iron in Manchuria reached in 1931–1932. By 1942, Anshan's Shōwa Steel Works total production capacity reached per annum, making it one of the major iron and steel centers in the world. Production was severely disrupted during the Soviet occupation of Manchuria in 1945 and the subsequent Chinese Civil War. However, from 1948 to 2001, the steel works produced 290 million tons of steel, of pig iron and of rolled steel. Annual production capacity as of 2006 is of pig iron, of steel and of rolled steel. A quarter of China's total iron ore reserves, about , are located in Anshan.