Железистые кварциты

Железистые кварциты — это метаморфические горные породы, состоящие преимущественно из кварца (SiO₂) и оксидов или гидроксидов железа (гематита, магнетита, мартита, гётита). Являются главным промышленным типом железных руд, из которых в мире добывается более 90 % железа. Характеризуются высоким содержанием железа (обычно 25–40 %), тонкой полосчатой текстурой и высокой прочностью.

Происхождение и геологическая история

Железистые кварциты (также известные как джеспилиты, итабириты или такониты) относятся к группе железистых формаций (BIF — Banded Iron Formations). Их образование происходило в докембрии, преимущественно в архейскую и протерозойскую эры (от 3,8 до 1,8 млрд лет назад). В этот период в океанах Земли существовали уникальные геохимические условия: высокая концентрация растворённого двухвалентного железа, поступавшего из гидротермальных источников, и низкое содержание свободного кислорода в атмосфере.

Хемогенное осаждение

Основная гипотеза формирования железистых кварцитов — хемогенное осаждение. Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) в процессе фотосинтеза выделяли кислород, который окислял растворённое железо до нерастворимых трёхвалентных форм. Оксиды железа выпадали в осадок, чередуясь с кремнистыми слоями (кремнезёмом), что создавало характерную полосчатую текстуру. Цикличность осадконакопления связывают с сезонными изменениями активности микроорганизмов или с периодическими изменениями уровня океана.

Метаморфизм

Впоследствии толщи осадочных пород были погружены на глубину, подверглись воздействию высоких температур (до 500–700 °C) и давления (до 3–5 кбар). В результате метаморфизма произошла перекристаллизация: первичные кремнистые осадки превратились в кварц, а гидроксиды железа — в плотные оксиды (гематит, магнетит). Образовались прочные, массивные породы с чётко выраженной полосчатостью.

Состав и структура

Минеральный состав

Основные минералы железистых кварцитов:

• Кварц (SiO₂) — 40–60 % объёма породы. Образует зёрна размером от 0,01 до 0,5 мм, часто с волнистым погасанием.
• Магнетит (Fe₃O₄) — главный рудный минерал. Содержит до 72,4 % Fe. Встречается в виде кубических кристаллов, зернистых агрегатов, вкрапленников.
• Гематит (Fe₂O₃) — содержит до 70 % Fe. Образует пластинчатые, чешуйчатые, оолитовые формы. Часто развивается по магнетиту (мартитизация).
• Гётит (FeOOH) — вторичный минерал, продукт выветривания. Содержит до 62,9 % Fe.

Второстепенные минералы: сидерит (FeCO₃), пирит (FeS₂), хлорит, амфиболы (куммингтонит, грюнерит), пироксены, гранат, карбонаты (кальцит, доломит).

Структура и текстура

Характерная особенность — полосчатая текстура: чередование тонких (от долей миллиметра до нескольких сантиметров) светлых кварцевых и тёмных рудных прослоев. Количество прослоев может достигать нескольких сотен на метр. Структура — мелко- и тонкозернистая, гранобластовая, лепидогранобластовая.

Классификация

Железистые кварциты классифицируют по нескольким признакам:

По преобладающему рудному минералу

• Магнетитовые — основная промышленная разновидность. Магнетит легко обогащается магнитной сепарацией.
• Гематитовые — менее распространены, требуют более сложных методов обогащения (флотация, гравитация).
• Магнетит-гематитовые — смешанные руды.
• Гётитовые — окисленные, часто залегают в зоне выветривания.

По содержанию железа

• Богатые (Fe > 50 %) — могут использоваться без обогащения (прямая плавка). Встречаются редко, обычно в зонах гипергенеза.
• Рядовые (Fe 25–40 %) — требуют обогащения.
• Бедные (Fe < 25 %) — экономически нерентабельны для разработки.

По тектоническому положению

• Кратонные — приурочены к древним платформам (щитам). Примеры: Криворожский бассейн, Курская магнитная аномалия (КМА), Канадский щит.
• Складчатые — залегают в пределах подвижных поясов. Примеры: месторождения Урала, Казахстана.

Месторождения

Крупнейшие месторождения железистых кварцитов расположены в России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, США, Канаде, ЮАР.

Россия

• Курская магнитная аномалия (КМА) — крупнейший железорудный бассейн мира. Расположен в Белгородской, Курской, Воронежской областях. Общие запасы — около 100 млрд тонн. Основные месторождения: Лебединское, Михайловское, Стойленское, Яковлевское. Содержание Fe в рудах 25–40 %.
• Кольский полуостров — месторождения Оленегорское, Ковдорское.
• Карелия — Костомукшское месторождение.
• Урал — Качканарское, Бакальское, Высокогорское месторождения.

Украина

• Криворожский железорудный бассейн — разрабатывается с XIX века. Запасы — около 20 млрд тонн. Содержание Fe 30–60 %. Основные месторождения: Ингулецкое, Северное, Южное, Новокриворожское.

Другие страны

• Австралия — бассейн Хамерсли (Западная Австралия). Содержание Fe до 64 %.
• Бразилия — месторождения «Железный четырёхугольник» (штат Минас-Жерайс). Запасы — около 30 млрд тонн.
• Индия — месторождения в штатах Одиша, Джаркханд, Чхаттисгарх.
• США — месторождения в районе озера Верхнее (штаты Миннесота, Мичиган). Известны как такониты.
• Канада — месторождения Лабрадорского прогиба (Квебек, Ньюфаундленд и Лабрадор).

Добыча и обогащение

Добыча

Железистые кварциты добываются преимущественно открытым способом (карьеры). В карьерах КМА глубина достигает 300–400 м. Подземная добыча (шахты) применяется на Яковлевском месторождении (КМА) и в Кривбассе. Вскрышные породы удаляются буровзрывным способом, руда транспортируется автосамосвалами и железнодорожным транспортом.

Обогащение

Поскольку рядовые руды содержат 25–40 % Fe, их необходимо обогащать до концентратов с содержанием 65–70 % Fe. Основные методы:

• Магнитная сепарация — для магнетитовых руд. Измельчённая руда пропускается через магнитные сепараторы, где магнетит притягивается, а кварц и другие немагнитные минералы удаляются.
• Флотация — для гематитовых и смешанных руд. Используются реагенты, избирательно прикрепляющие частицы оксидов железа к воздушным пузырькам.
• Гравитационное обогащение — на винтовых сепараторах, отсадочных машинах.
• Комбинированные схемы — магнитная сепарация + флотация, флотация + гравитация.

Полученный концентрат окомковывается (окатыши) или агломерируется для последующей плавки в доменных печах.

Применение

Основное применение — чёрная металлургия. Железистые кварциты являются сырьём для производства:

• Чугуна — в доменных печах.
• Стали — в конвертерах, мартеновских печах, электропечах.
• Прямого восстановления железа (DRI) — технология, позволяющая получать губчатое железо без доменного передела.

Побочные продукты обогащения (кварцевые хвосты) используются в строительстве (щебень, песок, для производства бетона, асфальта).

Экономическое значение

Железистые кварциты — основа мировой железорудной промышленности. На их долю приходится более 90 % мировой добычи железной руды. Крупнейшие производители: Австралия, Бразилия, Китай, Индия, Россия, Украина, США. Цены на железорудный концентрат и окатыши являются важным индикатором состояния мировой экономики.

Экологические аспекты

Добыча и обогащение железистых кварцитов сопряжены с рядом экологических проблем:

• Нарушение земель — карьеры занимают большие площади, требуют рекультивации.
• Водопотребление — обогащение требует значительных объёмов воды (до 10–15 м³ на тонну концентрата).
• Хвостохранилища — отходы обогащения (кварцевые пески, шламы) складируются в специальных хранилищах, которые могут представлять опасность при прорывах дамб.
• Пылегазовые выбросы — при добыче, транспортировке, окомковании выделяется пыль, содержащая оксиды железа и кремния.

В последние десятилетия внедряются технологии замкнутого водооборота, сухого обогащения, рекультивации отработанных карьеров.

Интересные факты

• Название «джеспилит» происходит от английского «jasper» (яшма) и греческого «lithos» (камень) — из-за внешнего сходства с яшмой.
• Полосчатая текстура железистых кварцитов используется в геологии как индикатор древних океанических условий.
• Крупнейший в мире карьер по добыче железистых кварцитов — Лебединский (Белгородская область, Россия). Его глубина — около 600 м, диаметр — 5 км.
• Возраст древнейших железистых кварцитов (Австралия, Западная Гренландия) достигает 3,8 млрд лет.

Источники

• Геологический словарь / под ред. К. Н. Паффенгольца. — М.: Недра, 1978.
• Смирнов В. И. Геология полезных ископаемых. — М.: Недра, 1982.
• Железистые кварциты / под ред. В. А. Глебовицкого. — Л.: Наука, 1988.
• Курская магнитная аномалия: геология, минералогия, экология / под ред. В. И. Старостина. — М.: Наука, 2005.
• Trendall A. F., Morris R. C. Iron-Formation: Facts and Problems. — Amsterdam: Elsevier, 1983.