Введение

Различимые слоистые единицы железобогатых осадочных пород, которые почти всегда относятся к докембрийскому периоду. Полосатые железные формации (BIF; также называемые полосатыми железокаменными формациями) – это характерные единицы осадочных пород, состоящие из чередующихся слоев оксидов железа и кремнистого материала, бедного железом (херт). Они могут достигать нескольких сотен метров в толщину и простираться латерально на несколько сотен километров. Почти все эти формации относятся к докембрийскому периоду и, как считается, отражают насыщение океанов Земли кислородом. Некоторые из самых древних скальных образований Земли, сформировавшиеся около (Ma), связаны с полосатыми железными формациями. Предполагается, что полосатые железные формации образовались в морской воде в результате производства кислорода фотосинтезирующими цианобактериями. Кислород соединялся с растворенным железом в океанах Земли, образуя нерастворимые оксиды железа, которые осаждались, формируя тонкий слой на дне океана. Каждая полоса аналогична варве, что является результатом циклических изменений в производстве кислорода. Полосатые железные формации были впервые обнаружены в северном Мичигане в 1844 году. На полосатые железные формации приходится более 60% мировых запасов железа и они обеспечивают большую часть железной руды, добываемой в настоящее время. Большинство формаций можно найти в Австралии, Бразилии, Канаде, Индии, России, Южной Африке, Украине и Соединенных Штатах.

Описание

Типичная полосатая железная формация состоит из повторяющихся тонких слоев (толщиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) серебристых до черных оксидов железа, либо магнетита (Fe3O4), либо гематита (Fe2O3), чередующихся с полосами железобедного херта, часто красного цвета, аналогичной толщины. Отдельная полосатая железная формация может достигать нескольких сотен метров в толщину и простираться латерально на несколько сотен километров. Железо в BIF распределено примерно поровну между более окисленной формой Fe(III) и более восстановленной формой Fe(II), так что отношение Fe(III)/Fe(II+III) обычно варьируется от 0,3 до 0,6. Это указывает на преобладание магнетита, в котором это отношение составляет 0,67, над гематитом, для которого оно равно 1. Хорошо сохранившаяся полосатая железная формация обычно состоит из макрополос толщиной в несколько метров, разделенных тонкими сланцевыми прослоями. Макрополосы, в свою очередь, состоят из характерных чередующихся слоев херта и оксидов железа, называемых мезополосами, толщиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Многие чертные мезополосы содержат микрополосы оксидов железа толщиной менее миллиметра, в то время как железные мезополосы относительно однородны. BIF, как правило, чрезвычайно твердые, прочные и плотные, что делает их очень устойчивыми к эрозии, и демонстрируют мелкие детали стратификации на больших расстояниях, что позволяет предположить, что они отлагались в среде с очень низкой энергией; то есть, в относительно глубокой воде, не подверженной воздействию волн или течений. BIF редко перекрываются с другими типами горных пород, образуя четко ограниченные, дискретные единицы, которые не переходят латерально в другие типы пород. Подавляющее большинство полосатых железных формаций имеют археийский или палеопротерозойский возраст. Однако небольшое количество BIF имеют неопротерозойский возраст и часто, если не всегда, связаны с ледниковыми отложениями, часто содержащими ледниковые обломки. Деформационные структуры в рыхлых отложениях также распространены, что указывает на очень быстрое осадконакопление. Полосатые железные формации отличаются от большинства фанерозойских железных руд. Железные руды относительно редки и, как считается, отлагались во время морских аноксических событий, когда осадочный бассейн обеднел свободным кислородом. Они состоят из железосиликатов и оксидов железа без значительного количества херта, но с заметным содержанием фосфора, которого нет в BIF. Эта классификация получила более широкое признание, но неспособность понять, что она строго основана на характеристиках осадочного бассейна, а не на литологии самой BIF, привела к путанице, и некоторые геологи выступают за ее отмену. Однако классификация на типы Алгома и Озеро-Супериор продолжает использоваться.

Возникновение

Полосовые железные образования почти исключительно докембрийского возраста, причем большинство отложений датируется поздним архейским периодом (2800–2500 млн лет назад) с вторичным пиком отложения в оросирийский период палеопротерозоя (1850 млн лет назад). Небольшие количества были отложены в раннем архейском периоде и в неопротерозое (750 млн лет назад). Залежи полосчатого железа Темагами формировались в течение 50 миллионов лет, с 2736 по 2687 млн лет назад, и достигли толщины. Другие примеры раннеархейских полосчатых железных образований встречаются в зеленокаменных поясах Абитиби, зеленокаменных поясах кратонов Йилгарн и Пилбара, Балтийском щите, а также в кратонах Амазонки, северного Китая, южной и западной Африки, с максимальной толщиной более чем. Эти полосчатые железные образования преимущественно гранулярные. Полосчатые железные образования предоставили одни из первых доказательств времени Великого окислительного события, 2400 млн лет назад. В своей статье 1968 года о ранней атмосфере и океанах Земли Престон Клауд заложил общую основу, которая была широко, если не повсеместно, принята для понимания процесса отложения полосчатых железных образований. Небольшое количество образований, отложенных после 1800 млн лет назад, может указывать на периодические низкие уровни свободного атмосферного кислорода, в то время как небольшой пик может быть связан с гипотезой «Земля-снежный шар».

Процессы формирования

Микрополосы внутри херт-слоев, вероятнее всего, являются варвами, образовавшимися в результате годовых колебаний в производстве кислорода. Суточная микрополосатость потребовала бы очень высокой скорости осаждения – 2 метра в год или 5 км/млн лет. Оценки скорости осаждения, основанные на различных моделях осадконакопления и высокочувствительных ионных микрозондах (SHRIMP), указывают на скорость осаждения в типичных БЖО от 19 до 270 м/млн лет, что согласуется либо с годовыми варвами, либо с ритмитами, вызванными приливными циклами. В случае гранулярных железных формаций мезополосы объясняются выносом осадка в мелководье, где волновое воздействие способствовало разделению частиц разного размера и состава. БЖО типа Алгома формировались преимущественно в архейский период. Эти более древние БЖО обычно демонстрируют положительную аномалию европия, что соответствует гидротермальному источнику железа. Концентрации фосфора и микроэлементов в БЖО согласуются с осаждением, происходящим в результате деятельности железоокисляющих бактерий. Соотношение изотопов железа в древнейших полосатых железных формациях (3700-3800 млн лет назад) в Исуа, Гренландия, лучше всего объясняется предположением об экстремально низких уровнях кислорода (<0,001% современных уровней O2 в фототической зоне) и аноксигенном фотосинтетическом окислении Fe(II): альтернативный путь – окисление анаэробными денитрифицирующими бактериями. Это требует одновременной активности фиксации азота микроорганизмами. Углерод, присутствующий в полосатых железных формациях, обогащен легким изотопом 12C, что указывает на биологическое происхождение. Если значительная часть исходных оксидов железа была в форме гематита, то любой углерод в осадках мог быть окислен реакцией декарбонизации: или годовой циркуляцией воды в бассейне в сочетании с апвеллингом богатой железом воды в стратифицированном океане. Другой абиогенный механизм – фотоокисление железа солнечным светом. Лабораторные эксперименты показывают, что это могло бы обеспечить достаточно высокую скорость осаждения в вероятных условиях pH и освещенности. Однако, если железо поступало из неглубокого гидротермального источника, другие лабораторные эксперименты показывают, что осаждение железа в виде карбонатов или силикатов могло бы серьезно конкурировать с фотоокислением.

Большое окислительное событие

Накопление кислорода (O2) в атмосфере Земли. Красные и зеленые линии представляют диапазон оценок, при этом время отсчитывается в миллиардах лет назад (млрд лет). Предполагалось, что редкие, более поздние (молодые) полосатые железные формации соответствовали необычным условиям, при которых кислород локально был истощен. Богатые железом воды затем формировались изолированно и впоследствии контактировали с насыщенной кислородом водой. Гипотеза о Земле-снежке предложила альтернативное объяснение этим более молодым отложениям. В состоянии «Земли-снежка» континенты и, возможно, моря в низких широтах подверглись сильному оледенению примерно 750–580 млн лет назад, которое почти или полностью истощило свободный кислород. Растворенное железо затем накапливалось в океанах, бедных кислородом (возможно, из гидротермальных источников на дне океана). После оттаивания Земли моря вновь насытились кислородом, что привело к осаждению железа в результате термического переворота, вызванного оледенением. К 1956 году крупномасштабное коммерческое производство из самой полосатой железной формации (BIF) началось на руднике Питера Митчелла недалеко от Баббитта, штат Миннесота. В 2016 году в Миннесоте было произведено рудного концентрата в год, что составляет около 75% от общего объема производства в США. Железная руда стала глобальным товаром после Второй мировой войны, а с отменой эмбарго на экспорт железной руды из Австралии в 1960 году район Хэммерсли стал крупным горнодобывающим районом. Здесь находятся самые толстые и обширные полосатые железные формации в мире, из которых ежегодно добывается более 100 миллионов тонн железной руды. Полосатые железные формации Итабарит в Бразилии покрывают площадь не менее и достигают толщины . Производство в «Железном квадрангле» помогает Бразилии стать вторым по величине производителем железной руды после Австралии, со средним ежемесячным экспортом в период с декабря 2007 года по май 2018 года. Добыча руды из полосатых железных формаций в Аншане, на севере Китая, началась в 1918 году. Когда Япония оккупировала Северо-Восточный Китай в 1931 году, эти металлургические заводы были превращены в японскую монополию, а город стал важным стратегическим промышленным центром во время Второй мировой войны. Общее производство обработанного железа в Маньчжурии достигло в 1931–1932 годах. К 1942 году общая производственная мощность сталелитейного завода «Сёва» в Аншане достигла в год, что сделало его одним из крупнейших центров производства железа и стали в мире. Производство было серьезно нарушено во время советской оккупации Маньчжурии в 1945 году и последовавшей за ней гражданской войны в Китае. Однако с 1948 по 2001 год сталелитейный завод произвел 290 миллионов тонн стали, чугуна и проката. Ежегодная производственная мощность по состоянию на 2006 год составляет чугуна, стали и прокатной стали. Четверть всех запасов железной руды Китая, около , находится в Аншане.