geology

سنگ های رسوبی وجود دارد، ولی به طور غیر معمول،  در جایی که مقدار آن بیش از 15 درصد باشد نهشته های آهن دار را تشکیل می دهد. بخش عمده کانسنگ آهن تولید شده در دنیا برای تولید فولاد فرآوری می شود. از این رو نیازهای صنعت فولاد، تاثیرشگرفی بر نوع کانسنگ استخراج شده دارد.

عنصرآهن: آهن از فلزات واسطه و لیتوفیل است و اغلب به عنوان یک عنصر اصلی در کانی های پوسته یافت می شود. عنصر آهن به دو شکل دو ظرفیتی (آهن فرو) و سه ظرفیتی (آهن فریک) دیده می شود. Fe⁺²  تحت شرایط احیایی و اسیدی بیشتر پایدار است درحالی که Fe⁺³  درشرایط اکسیدی و قلیایی بیشتر پایدار می باشد. رفتار ژئوشیمیایی آهن را می توان توسط قوانین گلدشمیت (1958) خلاصه نمود؛

شرایط اکسیدی باعث ته نشینی آهن و شرایط احیایی باعث انحلال آن می شود.

شرایط قلیایی باعث ته نشینی آهن و شرایط اسیدی باعث انحلال آن می شود.

انواع کانسارهای آهن:

کانسارهای آتشفشانی آهن

کانسارهای اسکارن آهن

کانسارهای لاتریتی آهن

کانسارهای ماگمایی آهن

کانسارهای رسوبی - شیمیایی آهن

انواع کانسارهای رسوبی آهن:

کانسارهای آهن نواری پرکامبرین

کانسارهای االیتی آهن

 کانسارهای آهن مردابی

تفکیک سنگ های غنی ازآهن، به دو گروه سازندهای آهن دار پرکامبرین و سنگ های آهن دار فانروزوئیک، تا حدی قرار دادی و مرسوم است ولیکن تفاوت های را در کانی شناسی، ژئوشیمی، رسوب شناسی وچینه شناسی آنها وجود دارد.

کانی های آهن در سنگ های رسوبی: کانی های آهن در سنگ های رسوبی به چهار دسته کلی رده بندی می شوند:

Ø     اکسیدها

Ø     سیلیکات ها

Ø     کر بنات ها

عوامل کنترل کننده تشکیل کانی های اصلی آهن

q    Eh و PH محیط های طبیعی

q    اکتیویه غلظت موثر یونهای کربناته که می تواند به وسیله فشار نسبی دی اکسید کربن اندازه گیری شود.

q    اکتیویته گوگرد که اغلب باPs^-2 نمایش داده می شود وعبارت از لگاریتم منفی اکتیویته یون سولفید است (برنر، 1971).

محیط های فاقد اکسیژن:

محیط های فاقد اکسیژن را می توان به دو نوع تقسیم کرد:     

q    محیط فاقد اکسیژن سولفیدی

q    محیط فاقد اکسیژن غیرسولفیدی

Ø     محیط بعد اکسیژنی( post-oxic environment )    

Ø     محیط متانی    

پیدایش و پتروگرافی کانی های آهن

هماتیت (Fe₂O₃ )

هماتیت هم در سازندهای آهن دار پرکامبرین و هم در سنگ های آهن دار فانروزوئیک وجود دارد. در پرکامبرین، عمدتاً به صورت لایه های نازک و لامینه ای با تناوبی از چرت دیده می شود (به اشکال توده ای، پلوئیدی و االیتی نیز یافت می شود). در سنگ های آهن دار فانروزوئیک هماتیت عمدتاً به صورت اائید و آغشتکی ها و جانشینی در فسیل ها یافت می شود.

االیت های هماتیتی

اائیدها دارای هسته کواتزی و یک پوسته ی هماتیتی می باشند، فسیل ها نیز به هماتیتی آغشته شده اند. زمینه یک سیمان کلسیت آهن دار است.( نور معمولی. االیت کلینتون، سیلورین، آپالاچ در آمریکا).

شرایط پایداری هماتیت

هماتیت تحت شرایط اکسیداسیونی متوسط تا قوی یک کانی پایدار است و می تواند به صورت یک کانی اولیه از طریق یک اکسید فریک آبدار بی شکل ته نشین شود، ولی اغلب شواهد پتروگرافی وجود دارد که نشان می دهد  این اکسید توسط جانشینی در برتیرین تشکیل شده است.

گوتیت

گوتیت در سازند های آهن دار پرکامبرین وجود ندارد اما یکی از تشکیل دهنده های اصلی سنگ های آهن دار فانروزوئیک است. این کانی می تواند به صورت اولیه، همزمان با رسوب گذاری و هوازدگی سایر کانی های آهن دار، به شکل اائید و پیزوئید در محیط های خشکی، دریاچه ای و دریایی یافت شود. شرایط پایداری گوتیت مانند هماتیت است.

ائولیت گوتیتی

ائولیت گوتیتی، با یک زمینه گوتیتی و کلسیتی. (نور معمولی. سنگ آهن دار کلاسبای، کرتاسه تحتانی. لینکلن شایر، انگلستان ).

مگنتیت مگنتیت، در سازندهای آهن دار پرکامبرین جائی که با چرت به صورت بین لایه ای می باشد فراوان بوده ولی جزء فرعی سنگ های  آهن دار فانروزوئیک است که بیشتر به صورت دانه یا بلورهای کوچک جانشینی یافت می شود. تشکیل مگنتیت  در شرایط اکتیویته کم سولفید و اکتیویته کم کربنات، همراه با Eh  منفی و PH خنثی انجام می شود. چنین شرایطی در طبیعت نادر است و بنابراین ته نشینی مگنتیت متداول نیست.

کربنات های آهن

سیدریت (FeCO₃ )

سیدریت، جزء اصلی رسوبات غنی از آهن هم در پرکامبرین و هم در فانروزوئیک است. این کانی سیمان بسیاری از االیت های برتیرین – شاموزیتی فانروزوئیک بوده و می تواند جانشین اائیدها و دانه های اسکلتی شود.

شرایط پایداری سیدریت

سیدریت در جایی که اکتیویته کربنات زیاد و اکتیویته سولفیدها کم است و تحت شرایط Eh منفی و PH قلیایی ته نشین می شود.

شرایط پایداری سیدریت

اکتیویته کم سولفید در آب های درون حفره ای رسوبات دریایی به دلیل فراوانی سولفات های محلول به ندرت حاصل می شود با این وجود، اگر تمام SO₄^-2   احیا شود (همانند محیط های دیاژنتیکی فاقد اکسیژن متانی ) آنگاه سیدریت ته نشین خواهد شد. بنابراین سیدریت در رسوبات غیر دریایی فراوان است، هرچند در بسیاری از سنگ های آهن دار دریایی، عمدتا به صورت سیمان یافت می شود. این کانی در گل ها و یا گل سنگ های سرشار از مواد آلی (باتلاق های دشت دلتایی، بین جزرومدی و محیط های دریاچه ای ) یافت می شود. سیدریت می تواند از نظر ترکیب شیمیایی، با جانشینیCa⁺²   ، Mg⁺²   و Mn⁺²   یا Fe⁺²   تا بیش از ده درصد بطور قابل ملاحظه ای تغییر می کند.

سیلیکات های آهن

برتیرین ((Fe₄⁺² Al₂) (Si₂Al₂)O₁₀ (OH)₈  ) 

 شاموزیت ((Fe₅⁺² Al) (Si₃Al)O₁₀ (OH)₈)

برتیرین، یک سیلیکات سرشار از آهن، از گروه سرپانتین است. این کانی به صورت پلوئید، اووئید، اینتراکلاست و ماتریکس و به رنگ سبز کمرنگ دیده می شود. برتیرین در واقع  یک کانی رسوبی مراحل اولیه دیاژنز است که در دمای 120 تا 160 درجه سانتی گراد یا عمق بیش از سه کیلومتر به شاموزیت تبدیل می شود.  از این رو بیشتر سنگ های آهن دار ژوراسیک دارای برتیرین، در حالیکه بیشتر سنگ های قدیمی تر، حاوی شاموزیت هستند.

محدوده پایداری برتیرین

از نظر تئوری محدوده پایداری برتیرین نشان می دهد که باید تحت شرایط احیایی و اکتیویته کم سولفید تشکیل شود، با این وجود محیط های دریایی، مقدار بالایی so₄^-2    محلول دارند که منجر به اکتیویته بالای سولفید می شود. از طرفی برخی از سنگ های آهن دار برتیرین غنی از فون های دریایی کف زی بوده که شرایط اکسیدی نرمال در کف دریا را نیاز دارند. پیشنهاد شده است که برتیرین به صورت یک ژل مخلوط ازFe(OH)₃ ، Al(OH)₃ ، nH₂O، SiO₂ ، که در Eh مثبت پایدارند، ته نشین می شود. تبدیل این ژل به برتیرین، باید بعد از دفن در منطقه احیایی و زیر حدفاصل آب -  رسوب صورت گیرد.

شرایط پایداری برتیرین

نرخ رسوبگذاری کم و حرکت مجدد وسیع که خاص سنگ های آهن دار برتیرین است سبب تکرار تغییرات اکسیژنی – نیمه اکسیژنی در آب های درون حفره ای می شود که در مجموع ممکن است اجازه دهند شرایط اکتیویته کم S^-2    و Eh منفی به وجود آید که برای ته نشینی برتیرین لازم است.

در حال حاضر، بیشتر عقیده بر این است که بریترین مستقیماً در رسوب در یک رژیم دیاژنتیکی، از آب های منفذی سرشار از آهن فرو و در شرایط قلیایی میانه،  فاقد اکسیژن – غیر سولفیدی – بعد اکسیژنی (کمی احیایی)  ته نشین می شود.

بافت اووئیدهای برتیرین

اووئیدهای برتیرین دارای اشکالی هستند که آنها را از اووئیدهای آراگونیتی – کلسیتی متمایز می کند، شواهدی هست که نشان می دهد آن ها در زمان فشردگی نرم بوده اند از این رو پهن شده و پیچ خورده اند و بافت های عجیبی به شکل خرطوم تا دم فیلی را تشکیل داده اند.

گرینالیت ((Fe, Mg)₆ Si₄O₁₀ (OH)₈ )

سیلیکات آهن آبدار پیچیده ای است که در کانسارهای آهن پرکامبرین و پالئوزوئیک به صورت پلت های گرد شده تا نیمه زاویه دار،  با کمی ساختمان داخلی یافت می شود و به عنوان یک کانی اولیه در سازندهای آهن دار بررسی می شود ولی قطعی نیست که یک ته نشست اولیه باشد. گرینالیت ممکن است از ژل سیلیکات آهن دار یا در اثرجانشینی دیاژنتیکی اولیه در ذرات تخریبی غنی ازآهن یا برتیرین تشکیل شود. همچنین این کانی به مقدار زیاد در اثر دگرسانی رسوبات سرشار از آهن رخساره های شیست سبز درجه پایین به وجود می آید.

گلاکونیت (KMg (Fe Al) (SiO₃)₆ . 3H₂O)

یک سیلیکات آلومینیوم آهن – پتاسیم با نسبت بالای Fe⁺³  به Fe⁺²   است که در اثر جانشینی یون های Al توسط یون های Fe به وجود می آید. این کانی در بیشتر ماسه سنگ ها وجود داشته که در شرایط امروزین و کهن در کرانه های فلات دریایی (ژرفای دهها تا صدها متر) در حفرات و شکستگی های دانه های میزبان (دانه های اسکلتی یا پلت های مدفوعی) تشکیل یافته است.

به احتمال زیاد گلاکونیت در محیط دیاژنتیکی کمی احیایی، غیرسولفیدی فاقد اکسیژن، بعد اکسیژنی تشکیل می شود (برنر، 1981). گلاکونیت معمولاً با مواد آلی همراه است که به طور موضعی شرایط احیایی را  ایجاد می کند، ولی در مجموع محیط هوازی می باشد.

سولفیدهای آهن

پیریت( FeS₂ ) و مارکاسیت ( FeS₂  )

سولفیدهای آهن، به ویژه پیریت، از اجزای بسیاری از رسوبات غنی از آهن هستند ولیکن به ندرت بخش مهمی را تشکیل می دهند. پیریت به صورت دانه ها و بلورهای کوبیک پراکنده در رسوبات وجود دارد و ممکن است جانشین خرده های اسکلتی شود. پیریت و پیشروهای نیمه پایدار آن در داخل رسوبات خلیجی و پهنه های جزرومدی غنی از مواد آلی و نیز در کف دریای سیاه در حال تشکیل می باشد. مارکاسیت شکل دیگری از پیریت است که به ندرت در سنگ های آهن دار یافت می شود ولیکن ندول هایی را در گل سفیدها و رسوبات تا حدی زغالی تشکیل می دهد.

شرایط پایداری سولفیدهای آهن

سولفید برای ته نشینی پیریت عمدتاً از احیای باکتریایی سولفات های محلول در آبهای درون حفره ای به دست می آید. این فرآیند تولید H₂S کرده که با  Fe⁺²   واکنش انجام می دهد.

آب دریا حاوی سولفات محلول بیشتری است و بنابراین پیریت کانی درجازای تیپیک گل های دریایی غنی از مواد آلی است که در محیط دیاژنتیکی سولفیدی فاقد اکسیژن تشکیل می شود. به دلیل فراوانی کم سولفات محلول در آب های شیرین، پیریت در رسوبات غیر دریایی فراوانی کمی دارد.

تشکیلات آهن دار (Iron – Formations)

کلی ترین واژه کاربردی، طبق سیستم نامگذاری ایکلر (1976) برای نهشته های غنی از آهن پرکامبرین تشکیلات آهن است که عمدتاً به سنگ های آهن دار چرتی پرکامبرین دلالت دارد و در سپرهای کریتونیکی بیشتر قاره ها وجود دارد. واژه تشکیلات آهن لایه ای برای آن دسته از کانسارهای آهن پرکامبرین بکار می رود که به وضوح دارای یک لایه بندی یا لامیناسیون (در مقیاس متوسط 1 تا 5 سانتی متر) از کانی های آهن و چرت می باشند.

تقیسم بندی تشکیلات آهن دار پرکامبرین

در مطالعه سازندهای آهن دار کانادا، دو گروه شناخته شده است:

Ø     نوع آلگوما (algoma – type)

Ø     نوع سوپریور (superior – type)

نوع آلگوما

نهشته های عدسی شکل نسبتاً نازک و باریک که مرتبط با سنگ های ولکانیکی و گری وکی هستند. به جز استثناهایی نامعلوم سن آرکئن را دارند و در کمربندهای سنگ سبز یافت می شوند. میزان ذخایر این ها 11 تا 3000 میلیون تن با عیار 30 تا 65 درصد است.

نوع سوپریور

ضخیم تر و با گسترش منطقه ای خیلی بیشتر که در فلات های پایدار و حوضه های پهناور رسوب کرده اند و دارای سن پروتروزوئیک میانی تا پسین می باشند. این ذخایر با سنگ های کم عمق و متوسط نظیر کوارتزیت، شیل و دولومیت همراه می باشند. محیط تشکیل آن ها بخش پایدار سواحل قاره ای و حوضه های درون قاره ای است. میزان ذخایر غالباً از 11 تا 3000 میلیون تن و گاهی بیشتر نیز است. عیار آهن در این کانسار 30 تا 40 درصد و در حالت هوازده تا 60 درصد گزارش شده است. دریاچه سوپریور – لابرادور در امریکای جنوبی و حوضه هامونسکی در استرالیا و ترانسوال افریقای جنوبی مناطقی هستند که ذخایر آهن نوع سوپریور در آن ها کشف شده است.

پتروگرافی سازندهای آهن دار نواری

از نظر پتروگرافی، سازندهای آهن دار نواری اشتراکات زیادی با سنگ های کربناتی دارند. دیمورت و شاول (1973) سه مولفه بافتی را در سازندهای آهن دار نواری شناسایی کرده اند که عبارتند از ماتریکس، سیمان و دانه های آلوکم. براساس نسبت این اجزا هفت نوع بافت را در سازندهای آهن نواری تعریف کردند. بیشترین تفاوت را دو نوع بافت لایه ای که می بایست در محیطی آرام رسوب کرده باشد و انواع دانه ای (مقدار زیادی آلوکم) دارند. شاول و دیمورت (1974) چنین نتیجه گیری می کنند که انواع دانه ای در یک محیط کم عمق زیر جزرومدی و انواع لایه ای در آب های عمیق تر و قاعده ای رسوب کرده اند.

پتروگرافی سازندهای آهن دار نواری

بهترین رخساره شناخته شده در سازندهای آهن دار، رخساره لامینه ای است. این رخساره ها در حوضه آبی عمیق، زیر موجسار روی فلات قاره، و در مرداب ها رسوب کرده اند، و لامیناسیون احتمالاً منعکس کننده تغییرات فصلی در محیط است. حفظ لامیناسیون نازک به نبود موجودات گل خوار در این دوره نسبت داده شده است.

رسوبات آبهای کم عمق متلاطم، از اووئیدها (هماتیت و چرت)، پلوئیدها و اینتراکلاست ها تشکیل شده و منجر به ساخت رخساره های آهن داری می شود که کاملاً قابل مقایسه با همان نوع از سنگ های آهکی است. این رخساره ها با انواع مختلف کوارتز سیمانی شده و دارای انواع ساخت های رسوبی (طبقه بندی مورب، کانال ها، ریپل ها و استروماتولیت ها) هستند.

موقعیت چینه شناسی و توالی عمودی سازندهای آهن دار

توالی عمودی سازندهای آهن دار نواری همرسلی و ترانسوال، توسط بوتون (1976) و توالی لیک سوپریور و لابرادورتراف توسط مینارد توصیف شده اند.

تئوریهای منشاء سازندهای آهن دار پرکامبرین

نکات مورد بحث در سازندهای آهن دار پرکامبرین، بر روی منشاء آهن، مکانیسم ته نشینی آهن، منشاء چرت و محیط رسوبگذاری آهن متمرکز است. یک منشاء ولکانیکی برای آهن به ویژه برای انواع آلگوما در آرکئن که کاملاً با سنگ های ولکانیکی همزمان همراه است، پیشنهاد شده است. آهن ممکن است از رگه های هیدروترمالی کف دریا، با رخساره های سولفیدی – کربناته نزدیک رگه ها و رخساره های اکسیدی خیلی دورتر سرچشمه گرفته باشد (گراس، 1983).

تئوریهای منشاء سازندهای آهن دار پرکامبرین

منشاء ذخایر لیک سوپریور بسیار بحث انگیز هستند در واقع ابعاد وسیع و توزیع زمانی محدود آن ها، دو ویژگی هستند که توضیح آنها به سختی میسر است.

دو منبع آهن برای ذخایر لیک سوپریور در نظر گرفته می شود:

Ø     هوازدگی شدید سنگ های قاره ای و حمل توسط رودخانه ها

Ø     بروندم های آتشفشان ها

  هر دو مدل آتشفشانی و رودخانه ای دارای یک سری اشکالات کمیتی هستند.

تئوریهای منشاء سازندهای آهن دار پرکامبرین

گل و کلین (1981) معتقدند که ذخایر نوع آلگوما و سوپریور  هر دو دارای منشاء آتشفشانی هستند.

اما سوال اصلی این است که چرا باید چنین حجم عظیمی از آهن در فاصله زمانی 1.8 تا 2.6 میلیارد سال پیش بیرون ریخته باشد؟

یک منبع اقیانوسی برای آهن نوع لیک سوپریور توسط هولاند (1973) و درور (1974) پیشنهاد شده است. آنها در مدلشان یک سطح متوسط  اکسیژن را دراتمسفر در نظر گرفتند که تحت این شرایط منبع عظیمی از آهن می توانست در اعماق اقیانوس بصورت محلول وجود داشته باشد در حالی که در همان زمان در محیط های کم عمق و اکسیدان، آهن می توانست رسوب کند

توصیف منبع اقیانوسی سازندهای آهن نواری

آبهای چنین اقیانوسی می توانست از طریق آهن فریک جذب شده در سطح ذرات آواری و یا با آهن فرو آزاد شده از سیستم های هیدروترمالی پشته های میلان اقیانوسی، غنی از آهن شود. بواسطه عدم حضور موجودات ترشح کننده سیلیس این آبها می بایستی غنی از سیلیس محلول بوده باشد. بالا آمدن این آب ها بر روی فلات های قاره ای کم عمق عاری از مواد آواری، منجر به رسوبگذاری آهن و سیلیس در اثر اکسیداسیون وتبخیر خواهد شد. نوسانات فصلی در میزان تبخیر یا نوسانات در میزان ورود آب تازه دریا به چنین محیطی می تواند علت اصلی در ایجاد بافت های لامینه ای باشد.

رخساره های کانی شناسی مشاهده شده در بیف ها می تواند در نتیجه ارتباط این آب های بالا رو با مواد آلی رو به افزایش باشد. از این رو کانی های یافت شده در ارتباط با مقدار کربن اولیه رسوب کرده به همراه رسوبات خواهند بود. اگر مقدار Fe⁺³  بیش از مقدار کربن باشد مقداری مگنتیت تشکیل می شود، اگر مقدار آنها برابر باشد سیلیکات   Fe⁺²  تشکیل می شوند و اگر مقدار کربن خیلی زیاد باشد سیدریت حاصل می شود. مشتق شدن سیدریت از مواد آلی در حال تجزیه از نظر ایزوتوپی نیز تأیید می شود بطوریکه سیدریت های یافت شده در ذخایر سوپریور دارای کربن سبک هستند.

این مدل می تواند حجم آهن، عدم حضور مواد آواری و آتشفشانی، بافت های مشابه کربنات ها، لایه بندی فصلی و الگوهای رخساره ای را توضیح دهد. بعلاوه این مدل می تواند تمرکز این ذخایر را در یک دوره زمانی خاصی از تاریخ زمین، موقعیکه مقدار اکسیژن اتمسفر حد واسط مقادیر خیلی کم آرکئن و مقادیر فعلی فانروزوئیک بوده، توضیح دهد. 

مسائل موجود در مورد مدل بالاآمدگی آب های عمیق اقیانوسی

طبعاً مسائلی در مورد این مدل وجود دارد که عبارتند از:

q    مسئله گوگرد

q    مسئله فسفر

q    غیاب پدیده سیلیسی شدن در اکثر کربنات های پروتروزوئیک

مدل بالارو، یک نوع فرضیه آتشفشانی است یعنی آهن و سیلیس در نهایت دارای منشاء آتشفشانی هستند اما از مناطق دوردستی به محل های رسوبگذاری حمل شده اند، یعنی فاصله بین محل وارد شدن آنها به آب دریا و محل رسوبگذاری، زیاد است و این می تواند علت شباهت کانی شناختی و شیمیایی، و نیز اختلاف در محط رسوبی بین انواع ذخایر نوع لیک سوپریور و آلگوما باشد. 

سنگ های آهن فانروزوئیک

سنگ های آهن دار فانروزوئیک (مانند کانسارهای ژوراسیک در فرانسه و انگلیس  کانسارهای سیلورین کلینتون در آمریکای شمالی) بیشتر از نوع ائولیتی هستند. این سنگ های آهن دار توسط یک سری مشخصات کلی از قبیل نبود چرت، وجود بافت های ائولیتی به جای نواری و کانی شناسی از تشکیلات آهن دار نواری متمایز می شوند. مقدار آلومینیوم این سنگ ها نسبت به سازندهای پرکامبرین بیشتر بوده و معمولا دگرکون نشده هستند و حاوی بقایای فسیلی فراوان می باشند.

کانی شناسی سنگ های آهن دار فانروزوئیک

از نظر کانی شناسی سنگ های آهن دارائولیتی در پالئوزوئیک هماتیتی – شاموزیتی در مزوزوئیک گوتیتی – برتیرینی و مقدار بسیار کمی سیلیکات آهن کم آلومینیم مثل گرینالیت و مینه سوتائیت می باشد. به طور کلی کانی شناسی سنگ آهن ها نسبتاً ساده است. اکسیدها و هیدرواکسیدهای آهن بهمراه سیدریت و شاموزیت تقریبا کل نمونه های آهن دار فانروزوئیک را تشکیل می دهند. گلاکونیت در داخل سنگ آهن ها وجود ندارد اما در سنگ هایی که همراه سنگ آهن ها هستند فراوان است. سایر کانی های رایج شامل کائولینیت، کلسیت، فسفات ها، کوارتزآواری و گاهی سیلیس بی شکل می باشد.    

ویژگی های مهم کانسارهای آهن نوع االیتی

Ø     وجود بافت االیتی

Ø     نبود چرت به دلیل محدود بودن سیلیس و فعالیت های موجودات دریایی

Ø     مقادیر جزئی مگنتیت

Ø     وجود سیلیکات های آهن از نوع Al دار

Ø     مقادیر کم Al در اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن

Ø     نبود سنگ های آتشفشانی

شرایط مناسب برای تشکیل سنگ آهن ها

Ø     عمق کم

Ø     دمای بالا

Ø     شرایط پیشروی آب دریا و با میزان کم پسروی

ژئوشیمی سنگ آهن ها

ژئوشیمی سنگ آهن ها را می توان با بررسی سه مسئله توصیف نمود که عبارتند از:

Ø     ارتباط بین سیدریت و پیریت

Ø     ارتباط بین گلاکونیت و شاموزیت

Ø     ارتباط بین هیدروکسیدها و اکسیدهای آهن

ارتباط بین پیریت و سیدریت

روابط Eh-pH بین پیریت و سیدریت نشان می دهد که پیریت تنها کانی پایدار آهن فرو در حضور سطح گوگرد دریاهای فعلی می باشد از این رو وجود سیدریت در سنگ های قدیمی، وجود آب های با گوگرد پایینی را همانند دریاچه های آب شیرین و باتلاق ها پیشنهاد می کنند. از سوی دیگر سیدریت با منشأ دریایی هم در شیل ها و هم در سنگ آهن ها یافت می شود.

سیدریت چگونه در این محیط ها تشکیل می شود؟

مسئله غیاب سیدریت در دیاگرام های Eh-pH رسوبات دریایی را می توان با درنظر گرفتن فازهای اولیه ای چون Fe(OH)₃   و FeS به جای هماتیت و پیریت حل کرد. این مسئله توسط حضور فراوان Fe(OH)₃    و FeS به عنوان اولین ترکیبات تشکیل شده در رسوبات حمایت می شود. در حضور این فازها سیدریت میدان پایداری کوچکی دارد.

این مسئله مشابه نظریه ای است که قبلا توسط کرامبین و گرک (1952) در طبقه بندی محیط های رسوبی برحسب pH-Eh ارائه شده است. در این طقه بندی سیدریت در دو محیط دیاژنتیکی یافت می شود:

1- محیط فاقد اکسیژن بعد اکسیژن (احیای سولفات صورت نگرفته است).

2- محیط فاقد اکسیژن متانی (متان تشکیل شده سیدریت دوباره پایدار خواهد شد چون مقدار خیلی کمی سولفید محلول باقی می ماند).

این دو نوع سیدریت از نظر ایزوتوپی متفاوت اند. در محیط بعد اکسیژنی، کربن موجود در کربنات های دیاژنتیک سبک است ولی در محیط های متانی کربن سنگین تر است.

ارتباط بین شاموزیت و گلاکونیت

شاموزیت در واقع تنها سیلیکات آهن موجود در کانسار های سنگ آهن است.

چرا گلاکونیت و گرینالیت کمیابند؟

گرینالیت احتمالاً وجود ندارد چون رسوباتی که در آن سنگ آهن ها تشکیل شده اند خیلی غنی از آلومینیم هستند. در غلظت های خیلی پایین آلومینیم، که معمولاً در آب دریا یافت می شود، گرینالیت نسبت به شاموزیت پایدار است. آلومینیم لازم برای تشکیل شاموزیت احتمالاً به صورت محلول به محیط رسوبی وارد نشده بلکه بیشتر به صورت ذرات آواری رسی به حوضه حمل شده است. این Al از انحلال کائولینیت آواری فراهم می شود (شلمن، 1969).

ارتباط بین شاموزیت – گلاکونیت

شاموزیت اولیه در این سنگ ها احتمالاً نهان بلور بوده و در دیاگرام Eh – PH موقعیت حد واسطی بین دو حد نهایی اشغال می کند. شاموزیت، چه به حالت بلورین و چه به حالت بی شکل، در PH پایین تری نسبت به گلاکونیت پایدار است. چه عاملی ( PH، دما، عمق یا کانی شناسی رس های آواری مادر)  توزیع این سیلیکات ها را کنترل می کند؟  فاکتور مهم، در توزیع این سیلیکات ها کانی شناسی رس های آواری مادر است.  در نهایت پیشنهاد می شود که ممکن است یک کنترل رسوبگذاری اولیه در توزیع سیلیکات های آهن نقش داشته باشد که هیچ ربطی به شرایط دیاژنتیکی نداشته باشد.

ارتباط بین هیدروکسیدها و اکسیدها

درباره جزئیات توزیع این کانی ها در سنگ آهن ها شناخت زیادی وجود ندارد. به نظر می رسد که هماتیت عمدتاً به پالئوزوئیک محدود می شود و در عوض گوتیت، فراوان ترین کانی اکسیدی در ذخایر جوان تر است (جیمز، 1966). مگنتیت گاهی یافت می شود و حضورش مسائلی را به دنبال دارد. مشخص نیست که چه شرایطی منجر به تشکیل مگنتیت در این کانسار شده است. در بیشتر موارد مگنتیت احتمالاً یک محصول دگرکونی دما پائین است.

پتروگرافی سنگ آهن ها

سنگ آهن ها در میان سایر ذخایر آهن از نظر غالب بودن بافت ائولیتی، کاملا مشخص اند.

 این بافت معمای اصلی درباره ی منشاء آن ها می باشد.

پتروگرافی سنگ آهن ها

از نظر کانی شناسی، ائولیت ها حاوی گوتیت، شاموزیت یا هر دو می باشند. در داخل یک لایه نسبت های گوتیت و شاموزیت بسیار متغیر است و برخی از آنها به ویژه در رخنمون های سطحی، شواهدی از اکسیداسیون شاموزیت به گوتیت نشان می دهند. در برخی جاها ائولیت های شاموزیت به کائولینیت تبدیل شده اند. اووئیدها در یک ماتریکس دانه ریز از شاموزیت یا سیدریت قرار دارند. اگر سیمان وجود داشته باشد از نوع کلسیت اسپاری خواهد بود.

ائولیت های سنگ آهن به اشکال پهن شده و بی قاعده اند، یعنی دارای رشد نامتقارن می باشند که باعث ایجاد یک مقطع بیضوی در آنها می شود. از این رو پهن شدگی نتیجه میزان رشد متفاوت است تا تغییر شکل. ناکس محاسبه کرده است که این ائولیت ها در اثر رشد پیوسته در آب های آشفته تشکیل نشده اند بلکه ابتدا در محیط نسبتاً آرام شکل گرفته اند و بعداً در اثر شسته شدن، به محیط کم عمق حمل شده اند. بر اساس جهت گیری مماسی پولک های رسی پیشنهاد می شود که اووئیدهای شاموزیتی حاصل رشد پیوسته بوده اما در ابتدا از جنس کائولینیت بوده اند و بعداً در طی دیاژنز به شاموزیت تبدیل شده اند.

اووئیدهای گوتیتی و شاموزیتی از نظر بافتی با هم فرق دارند از این رو به نظر می رسد که منشا این دو نوع ائولیت اندکی با هم متفاوت است. شلمن (1969) معتقد است که ائولیت های شاموزیتی میکروکنکرسیون هستند که به صورت درجا در داخل رسوبات تشکیل شده وحاصل واکنش آهن محلول با کائولینیت است ولی نوع گوتیتی ائولیت واقعی می باشد که در آب های آشفته تر شکل گرفته جایی که آهن اکسید شده و رس ها به صورت غربالی از آنها جدا شدند. بیشتر ذخایر حاوی ائولیت های متشکل از لایه های متناوب گوتیت و شاموزیت هستند (آلینک، 1947) که احتمالاً منعکس کننده نوسانات شرایط شیمیایی است که پیشنهاد می کند هم گوتیت وهم شاموزیت می توانند به همراه هم درداخل ائولیت ها حضور داشته باشند.

توالی عمودی سنگ آهن ها

سنگ آهن ها تقریبا منحصر به توالی های آواری هستند، به علاوه از نظر مکانی معمولا نزدیک به خط ساحل بوده و حتی برخی مواقع نزدیک دریاچه های آب شور می باشند. در مورد کانسارهای وابانا در نیوفاندلند با سن اوایل اردویسین رنجر(1979) بر اساس ساخت های رسوبی، آثار فسیل و جریانات دیرینه معتقد است که این ذخایر در یک محدوده ی جزر و مدی و جزایر سدی تشکیل شده اند. در این کانسنگ اووئید ها از تناوب هماتیت و شاموزیت تشکیل شده اند.

کانسنگ های کلینتون به سن سیلورین در شرق آمریکا در محدوده رخساره ای وسیع تری نسبت به وابانا گسترده شده اند و به طور غالب در داخل بخش زیرین نواحی بین جزرو مدی تا نواحی جزرو مدی کم عمق یافت می شوند و هر مرحله از رسوب سنگ آهن به نظر می رسد که در ارتباط با کاهش عمق کلی حوضه است. سنگ آهن کلینتون عمدتا از اووئیدهای هماتیتی است ولی نوع شاموزیتی نیز یافت می شود. آنالیز رخساره ها نشان داده است که ائولیت های هماتیتی در آب های کم عمق تر و نزدیک به خط ساحلی نسبت به رخساره های شاموزیتی رسوب کرده اند.

بعضی از سنگ آهن ها مثل سنگ آهن ژوراسیک فوقانی سوئیس نسبتا رسوبات عمیق هستند از این رو همه سنگ آهن ها در محیط های رسوبی کم عمق تشکیل اند.

کارهای زیادی لازم است تا مشخص شود کدام ویژگی های توالی رسوبی، عملا تشکیل سنگ آهن را تسهیل می کند و آیا این ویژگی ها به نحوی در موارد غیرعادی نیز وجود دارند؟

تئوریهای منشاء

سنگ آهن ها با بیش از یک شیوه تشکیل شده اند. بهترین روش برای بررسی منشا سنگ آهن ها این است که آن را به دو بخش مجزا تقسیم کنیم:

ü     منشاء بافت ائولیتی

ü     منشاء آهن

تئوریهای مطرح شده برای منشاء بافت ائولیتی

q    جانشینی ائولیت های آراگونیتی از قبل موجود توسط محلول های آهن دار

q    فرسایش و رسوب گذاری مجدد ائولیت ها و پیزولیت ها از مناطق لاتریتی قاره ای

q    رسوب گذاری مستقیم از آب دریا به صورت ائولیت های واقعی

q    تشکیل در محیط آبی آرام هم به صورت ائولیت های پراکنده در محدوده رخساره گلی و هم به صورت میکروکنکرسیون در داخل رسوبات و سپس حمل به داخل سدهای ماسه ای.

q  ناکس (1970) پیشنهاد می کند ائولیتهای شاموزیتی در آبهای نسبتا آرام تشکیل شده و بعدا توسط طوفانها به مناطق کم عمق برده شده اند. به احتمال زیاد ائولیت های گوتیتی در آب های آشفته تر تشکیل شده اند. نوارهای شاموزیت و گوتیت را می توان با حمل مجدد ائولیت ها از قسمت های با آشفتگی کمتر محیط رسوبی به قسمت های آشفته تر و سپس برگشت مجدد آنها توضیح داد.

مکانیسم های احتمالی منشاء آهن:

v    آتشفشان ها

v    آب های منفذی (انتشار آهن بسمت بالا از میان رسوبات زیرین غنی از مواد آلی).

v    آب های زیر زمینی

Ø     آب های فرورو از داخل گل های غنی از مواد آلی فوقانی

Ø  آب های بالارونده از سفره های زیرزمینی مانند چشمه های زیردریایی. این فرضیه می تواند آهن را برای رسوب ائولیت به محیط رسوبی اولیه وارد کند. کانسنگ آهن باتلاقی نیز به این روش تشکیل می شود.

جیمز (1966) پیشنهاد می کند که سنگ آهن ها توسط این مکانیسم کلی حاصل شده اند. این مکانیسم این مزیت را دارد که یون های آهن فرو را وارد یک محیط رسوبی آشفته می نماید بدون اینکه مقادیر عظیمی مواد آواری بطور همزمان وارد حوضه شود.

v     آب رودخانه ها (به صورت محلول واقعی، به صورت کلوئیدی و یا به صورت کمپلکس های آلی).

v    آب دریا (آب های بالارونده از حوضه های عمیق و بدون اکسیژن به مناطق فلات قاره ای اکسیژن دار).

v  بالا آمدن آب های حوضه های عمیق می تواند به طور قابل ملاحظه ای آهن بیشتری فراهم نماید. این مکانیسم از نظر مقداری قانع کننده است اما احتمالا به طور کلی عملی نیست چون نیاز به آب شیرین یا شور دارد.

v  به طور خلاصه، در کل هیچ مکانیسم قابل قبولی برای تشکیل این ذخایر وجود ندارد. احتمالا آنها پلی ژنتیک هستند. در حال حاظر به نظر می رسد که تأمین آهن به صورت ذرات آواری توسط رودخانه هایی که در مناطق حاره ای در داخل سنگ های عمیقا هوازده جریان دارند بیشتر از بقیه قابل توجیه است. ائولیت ها احتمالا از همین آهن به صورت میکروکنکرسیون در داخل رخساره گلی (شاموزیت) و یا در آب های آشفته تر به صورت ائولیت های واقعی (گوتیت) تشکیل شده اند.

کانسنگ های آهن باتلاقی (Bog iron ores)

تنها محیط امروزه ای که در حال حاضر کانسنگ مهم  آهن در حال تشکیل است، باتلاق ها و دریاچه های  واقع در عرض های جغرافیائی متوسط تا بالا، نظیر امریکای شمالی، اروپا و آسیا می باشند. این کانسنگ از نوع االیتی، پیزولیتی و کنکرسیون سخت تا انواع خاکی و نرم در تغییر است. در این کانسارها گوتیت فراوان ترین، سیدریت کمتر، و ویویانیت  (Fe₃P₂O₈ , H₂O)

یک کانی فرعی بوده و مقدار اکسید منگنز ممکن است به 40 درصد برسد.

شرایط تشکیل کانسنگ های باتلاقی

تشکیل کانسنگ های باتلاقی در هنگامیکه آب های زیرزمینی اسیدی به داخل دریاچه، باتلاق ها و مرداب های اکسیژن دار رسوخ می کند، به وقوع می پیوندد. افزایش  Eh و PH باعث می شود تا آهن فروی محلول، عمدتاً به صورت هیدروکسیدهای فریک ته نشین شود. این تراوش آب زیرزمینی به عنوان مکانیزمی برای برخی سنگ های آهن دار قدیمه پیشنهاد شده است.

کانسارهای رسوبی آهن در ایران

کانسارهای آهن منطقه بندرعباس که مرتبط با سنگ های سری هرمز اند مانند آهن تنگ زاغ، هرمز، لارک و قشم جزء این نوع کانسارها می باشند.

بسیاری از کانسارهای آهن محور سلطانیه - زنجان – شاهین دژ از کانسارهای آتشفشانی - رسوبی می باشند. در این کانسارها تمام فرآیندهای کانی سازی به صورت رسوبی است و فرآیندهای آتشفشانی نقش غیر مستقیمی  دارند.

آهن های محور سلطانیه – مهاباد اغلب منشأ رسوبی -آتشفشانی دارند و در پیوند با بخش های پائین سازند سلطانیه و گاه سنگ های آتش فشانی سری قره داش می باشند.

q    کانسارهای آهن ارجین (ناحیه سلطانیه).

q    شاه بلاغ و کاوند در ناحیه جنوب باختر زنجان.

q    سیرجان – قالیچه بلاغ در ناحیه ماه نشان.

q    علم کندی، چهار تاق در ناحیه تکاب.

q    کوه تکه قیاسی در ناحیه سلطانیه.

سن این کانسارها پرکامبرین پسین – کامبرین پیشین است که همگی ساخت رسوبی دارند و پاراژنز آنها شامل گوتیت، هماتیت، مگنتیت و سیدریت و باطله های کلسیت، دولومیت، سیلیس و باریت است.

 منابع:

.