ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2004, № 6, с. 3-8
УДК 552.6
ОБРАЗОВАНИЕ МАГНЕТИТА И СИДЕРИТА ТЕРМОФИЛЬНЫМИ ЖЕЛЕЗОРЕДУЦИРУЮЩИМИ БАКТЕРИЯМИ
© 2004 г. Д. Г. Заварзина
Московский государственный университет, Институт микробиологии РАН Поступила в редакцию 24.04.2003 г.
Принята к печати 10.07.2003 г.
В рамках актуалистического подхода рассматривается возможность участия термофильных желе-зоредуцирующих микроорганизмов в образовании магнетита докембрийских железистых кварцитов. Лабораторными экспериментами установлено, что образование биогенных магнетита или же сидерита определяется физико-химическими условиями среды. Образованию магнетита способствуют низкое парциальное давление углекислоты, избыток аморфной гидроокиси железа и отсутствие в среде органических гелей. Сидерит образуется при высоком парциальном давлении углекислоты и недостатке гидроокиси железа, а также в присутствии таких органических гелей, как агар или слизистые чехлы железобактерий, и органических восстановителей.
Растущий интерес геологов к гипотезе о возможной роли микроорганизмов в образовании железных руд связан с накоплением знаний микробиологов о биогенном цикле железа и успехами бактериальной палеонтологии докембрия. Железистые кварциты - единственные из осадочных руд железа, в образовании которых активно обсуждается участие железоредукторов.
ДОКЕМБРИИСКИЕ ЖЕЛЕЗИСТЫЕ КВАРЦИТЫ И УЧАСТИЕ В ИХ ОБРАЗОВАНИИ ДИССИМИЛЯТОРНЫХ ЖЕЛЕЗОРЕДУКТОРОВ
Формационное разделение осадочных руд железа в истории Земли на два этапа - докембрий-ский и фанерозойский - большинство исследователей связывает с изменением состава атмосферы и гидросферы, с резкой сменой условий осадкообразования, вследствие чего в начале фа-нерозоя исчезли железисто-кремнистые формации докембрия и стали накапливаться озерно-бо-лотные и оолитовые руды (Страхов, 1962). Процесс образования докембрийских железорудных формаций по своим масштабам намного превышает фанерозойский, а железистые кварциты, известные на всех материках, являются обязательной составной частью основных метаморфических комплексов всех древних щитов. В фане-розое, в условиях современного состава атмосферы и гидросферы, образование этой формации прекратилось, что свидетельствует о принципиально иных условиях осадконакопления в докембрии. Впервые появившись в архее, железистые кварциты максимально развиваются в протерозое, а затем исчезают. Указанная особенность развития во времени, а также характерная тонкая
слоистость и ритмическая повторяемость параге-незисов с резкими различиями значений равновесной летучести кислорода, не имеют аналогов среди метаморфических пород.
Несмотря на значительное число публикаций, посвященных изучению железистых кварцитов и обоснованию различных точек зрения на их образование, дискуссионными остаются основные вопросы их генезиса. До сих пор недостаточно выяснены источники и пути переноса железа и кремнезема, формы их миграции, причины и условия осаждения минералов, состав первичных осадков и характер диагенетических изменений, истинный вклад процессов метаморфизма в образование этой формации.
Железистые кварциты - это тонкопереслаиваю-щиеся породы осадочного происхождения, содержащие более 15% железа. Все они имеют сходный основной минеральный состав, представленный кварцем (SiO2), магнетитом (Fe3O4), гематитом (Fe2O3), сидеритом (FeCO3), членами доломит-анке-ритового ряда (CaMg(CO3)2CaFe(CO3)2), кальцитом (CaCO3), грюнеритом ((Fe2+,Mg)6Si4O10(OH)8), стильпномеланом (K06(Mg,Fe2+,Fe3+)6Si8Al(O,OH)27 ■
■ 4H2O), рибекитом (Na2 Fe^+Fe^ (Si8O22)(OH)2), пиритом (FeS2), пирротином (Fe1 _xS) (Trendall, Morris, 1983). Для железистых кварцитов характерны тонкая слоистость, образованная перемежаемостью кремнистых и рудных слойков, не превышающих 1-2 мм по толщине, отсутствие в их составе уловимых следов обломочного материала и глин. В настоящее время большинство исследователей считает, что железистые кварциты можно разделить на две категории: небольшие месторождения типа Алгома, явно ассоциирующиеся с вулка-
нитами, и месторождения типа оз. Верхнего, отличающиеся крупными размерами и локализующиеся в узком стратиграфическом интервале (Холодов, 1993).
Из всего многообразия гипотез образования железистых кварцитов все больше сторонников приобретают терригенно-осадочная и вулканоген-но-осадочная гипотезы. Основными вопросами, по-разному решаемыми в рамках этих гипотез, являются источники железа, пути и формы транспортировки железа и кремнезема в бассейны седиментации, способы их осаждения, приводящие к образованию характерной тонкой слоистости.
В классическом варианте терригенно-осадоч-ной гипотезы источником железа и кремнезема предполагаются выветриваемые породы древней суши. Бассейнами седиментации, по версиям разных авторов, служили либо узкие, глубокие, тро-гообразные впадины, либо довольно обширные, но ограниченные водоемы (Мельник, 1973; Дроз-довская, 1990). По их мнению, продукты континентального выветривания в ходе транспортировки к областям отложения испытывали глубокую дифференциацию, а железо и кремнезем мигрировали в виде коллоидных растворов и осаждались за пределами зоны накопления тер-ригенных осадков под действием электролитов морской воды или вследствие взаимной коагуляции. Полосчатость железистых кварцитов, согласно этой теории, формировалась за счет различной скорости коагуляции и осаждения гидроокиси железа и кремнезема из растворов. Однако странным представляется отсутствие известных случаев реализации такого простого механизма в последующие геологические эпохи.
Сторонники вулканогенно-осадочной гипотезы полагают, что поступление железа и кремнезема осуществлялось при подводной вулканической деятельности. В первичных осадках карбонаты и силикаты железа и гели кремневой кислоты осаждались из морской воды, дополнительно минерализованной вулканическими эманациями. Наряду с силикатами и карбонатами железа в условиях сидеритовой и шамозитовой фаций происходило отложение и оксидов железа на участках, где ЕИ воды повышался. Именно эта смена режима кислорода и углекислоты и обуславливала ритмичное чередование кремнисто-сидеритовых слоев, с одной стороны, и железисто-силикатных с кремнистыми прослоями - с другой (Дроздов-ская, 1990; Железисто-кремнистые формации докембрия..., 1991). В последнее время все чаще рассматривается гипотеза гидротермального источника железа, поступающего из срединно-оке-анических хребтов, располагавшихся на гораздо меньшей глубине, чем сейчас, в мелководные участки океана. В качестве аргументов в пользу этой гипотезы приводятся очень высокие скоро-
сти отложения железистых кварцитов, которые нельзя объяснить только процессами континентального выветривания. Пик отложения кварцитов приходится на период 2.3-2.4 млрд. лет, а средняя скорость основного периода образования кварцитов (1.8-2.7 млрд. лет) составляла 1012 г/год. Предполагается, что скорость гидротермального цикла в 3 раза превышала современную, что и обеспечивало необходимое количество выщелачиваемого железа (Ыеу, 1995). В.Н. Холодов и Г.Ю. Бутузова (2001) также пришли к выводу о важной роли гидротермальных процессов в образовании докембрийских руд. Сочетание невысоких содержаний редкоземельных элементов, состав которых сходен для месторождений типов Алгома и оз. Верхнее, с положительной аномалией европия, по мнению авторов, свидетельствует в пользу гидротермального привноса химических элементов, по крайней мере, до 2.3 млрд. лет, а также заставляет думать, что оба типа месторождений формировались под действием как эндогенных, так и экзогенных источников.
В железистых кварцитах существует ряд особенностей, которые не могут быть объяснены только химическими и механическими процессами их образования без привлечения биологического фактора. Исследование метаморфизованных железистых формаций, проведенное В.И. Фонаре-вым (1987), позволило выявить даже во внешне однородных прослоях железистых кварцитов заметные флуктуации железистости минералов, химического состава пород и значений летучести кислорода, аналогичные ритмическому переслаиванию литологических разностей в менее метаморфизованных и неметаморфизованных породах. Такие колебания трудно объяснить сменой окислительно-восстановительных условий и рН среды осадконакопления. Данные Фонарева по летучести кислорода согласуются с результатами, полученными Ю.П. Мельником (1973) по изотопному составу кислорода для минералов железа в железистых кварцитах. Этот автор выявил ряд характерных особенностей, трудно объяснимых чисто химическими процессами осаждения оксидов железа: 1) наблюдается первичная гетерогенность изотопных составов оксидов железа по 518О; 2) оксиды железа образуют непрерывный ряд изотопных составов с близкими изотопными составами магнетита и гематита, однако в пределах одного слоя на расстоянии в несколько десятков сантиметров изотопные составы магне-титов значимо варьируют (различаются на 1-2%е, а 518О гематитов и магнетитов варьируют в пределах от + 1.3%е до -6.8%е); 3) оксиды железа с наиболее легким и по 518О составами приурочены к слоям, образовавшимся в восстановительных условиях с высокой фугитивностью СО2.
Все вышеперечисленные особенности изотопного распределения кислорода указывают на воз-
можность участия бактерий в образовании железистых кварцитов. Однако при этом сразу необходимо ввести ряд ограничений. Участие бактерий в образовании железных руд проявляется в их способности концентрировать элементы из сред и преодолевать кинетические барьеры, являясь, таким образом, катализатором химического процесса. Очевидно, что сколько-нибудь значимая деятельность микроорганизмов проявляется на самых ранних этапах образования и диагенеза осадков. Целый ряд вопросов генезиса железистых кварцитов _ источник железа, пути транспортировки, условия его осаждения совместно с кремнеземом _ в настоящее время не решен и вряд ли может быть решен путем привлечения биогенной гипотезы.
Для современных цианобактериальных матов, которые рассматриваются как полные аналоги докембрийских сообществ, сохранившихся в виде строматолитов (Заварзин, 1989), сл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.