Роль бактерий в образовании и разрушении месторождений сульфидных руд

Большинство месторождений сульфидных руд образовалось путем отложения сульфидов металлов из горячих водных растворов, выделившихся из магмы. Но существует целый ряд месторождений другого происхождения. Эти месторождения обычно занимают большую площадь и ассоциируются с осадочными породами. Существует предположение, что в процессе осаждения сульфидов из металлоносных растворов при образовании стратифицированных месторождений принимали участие сульфат-редуцирующие бактерии.

Впервые гипотезу о роли сульфатредуцирующих бактерий в образовании сульфидных руд выдвинул в 1926 г. Е. Бастин. К тому времени сульфатредуцирующие бактерии уже были обнаружены в водах, связанных с нефтяными месторождениями. Когда эти воды, сероводород которых имеет биогенное происхождение, вступают в контакт с растворами, несущими металлы, последние осаждаются в виде сульфидов. Металлы попадают в эти растворы из магмы и выносятся глубинными водами. Таким путем могут образоваться как сингенетические, так и эпигенетические месторождения. В условиях обычных температур и давления сероводород без деятельности бактерий не образуется. Как показали опыты X. Тиля, осаждение сульфидов не происходило под действием угля, битуминозных сланцев, асфальта, метана, ацетилена и водорода. Восстановление сульфатов - процесс, требующий затраты энергии, и бактерии используют в этом процессе энергию, полученную от окисления органического вещества.

При выдвижении своей гипотезы биогенного образования осадочных месторождений в качестве доказательства Бастин привел тот факт, что многие руды штатов Миссури, Канзаса и Оклахомы ассоциируются с тяжелыми нефтями и битумами.

Таблица 52. Рак цитрусовых: 1 - пораженная кожура апельсина; 2 - пораженная ветка апельсина; 3 - больной стебель апельсина; 4, 5 - больные листья апельсина; 6 - пораженные бактериальным ожогом плоды мандарина

Металлы из руд сульфидного месторождения, ассоциирующегося с нефтяной залежью, в результате окисления переходили в раствор и выносились к флангам месторождения, где имелись сероводородные воды, содержащие сульфатредуцирующих бактерий. Под действием сероводорода металлы, перешедшие в раствор, вновь осаждались. Таким образом, происходило вторичное обогащение месторождения, на этот раз не на глубине, как обычно, а на флангах.

Таблица 53. Пятнистый некроз виноградной лозы (пораженные ветки винограда)

По мнению А. И. Германова (1961), подобным примером формирования эпигенетического сульфидного оруденения в нефтеносной структуре могут служить медистые песчаники Hayката в Фергане.

В отношении образования вторичных сульфидов интересно колчеданное месторождение Худес, приуроченное к вулканогенно-осадочным образованиям Передового хребта Большого Кавказа.

На месторождении протекают как химические, так и бактериальные окислительные процессы, в результате которых образуются кислые купоросные воды. Кроме того, имеются сероводородные воды, содержащие до 10 тыс. клеток сульфатредуцирующих бактерий в 1 мл. Вероятно, здесь происходит современное образование сероводорода.

При встрече кислых вод, несущих металлы, с сероводородными происходит образование вторичных сульфидов, что приводит к вторичной концентрации металлов на месторождении.

Сульфатредуцирующие бактерии присутствуют во многих месторождениях сульфидных руд. Особенно широко они распространены в Джезказгане. Лабораторные опыты показали способность бактерий образовывать сероводород за счет битумов, имеющихся в месторождении.

Многие авторы ставили модельные опыты по образованию сульфидов под действием биогенного сероводорода. Л. Г. Бас-Бекинг и Д. Мор получили биологическим путем ковел-лин, дигенит, аргентит, сфалерит, галенит. Эти минералы были получены из карбонатов или хлоридов соответствующих металлов за счет восстановления сульфатов бактериями при развитии на среде с искусственной морской водой в атмосфере водорода или с добавкой лактата кальция. Л. П.Миллер в своих опытах получил сульфиды сурьмы, висмута, кадмия, кобальта, никеля, свинца, железа и цинка под действием биогенного сероводорода и высказал мнение о возможном бактериальном происхождении некоторых сульфидных руд. Рентгенограммы полученных сульфидов соответствовали рентгенограммам природных минералов.

Если в осаждении сульфидов основная роль принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, то в окислении сульфидных руд принимают участие тионовые бактерии, среди которых основную роль играет Th. ferrooxidans, который был выделен в 1947 г. А. Колмером и М. Хинклемиз кислых вод угольных шахт. В отличие от остальных автотрофов, получающих энергию от какого-нибудь одного источника, Th. ferrooxidans способен использовать закисные соединения и серы, и железа. Этой способностью обусловлена двойная роль этого организма в окислении руд. Во-первых, Th. ferrooxidans окисляет практически все известные сульфиды (исключением, возможно, является киноварь), переводя большинство металлов в раствор. Во-вторых, окисляя железо, этот организм способствует образованию сульфата окиси железа; это соединение, в свою очередь, служит мощным окислителем сульфидов. По мнению С. С. Смирнова, это вещество может рассматриваться как один из важнейших факторов в процессе переработки сульфидов в качестве поставщика кислорода в различные горизонты зоны окисления, в том числе в наиболее глубокие. Окисление сульфидов под действием этого соединения протекает следующим образом:

R - какой-нибудь металл. Th. ferrooxidans широко распространен в рудных месторождениях. В СССР этот организм был обнаружен на медно-никелевых месторождениях Кольского п-ова, Армении и Средней Азии, в Казахстане и других местах СССР. Также имеются сведения о его широком распространении в США, Канаде, Мексике, Испании и на юге Африки.

Геологическая деятельность Th. ferrooxidans в различных месторождениях зависит от ряда условий, прежде всего от состава руд. Хотя эти бактерии окисляют практически все сульфиды, их развитию способствует наличие пирита в месторождении, так как пирит является дисульфидом, и при его окислении образуется большое количество серной кислоты. В связи с тем что для развития бактерий нужна кислая среда, большое значение имеет состав вмещающих пород. Если они состоят из карбонатов, которые реагируют с кислотой и создают щелочную среду, Th. ferrooxidans обычно распространяется не очень широко. Массивные руды предпочтительнее для бактерий, чем мелковкрапленные. Но важно, чтобы руды были трещиноватыми, так как в этом случае они обладают большей поверхностью и более доступны для бактерий. Отсутствие кислорода в подземных водах часто является фактором, лимитирующим бактериальное окисление. Поэтому при промышленной разработке месторождения, когда увеличивается приток кислорода, окислительная деятельность бактерий усиливается.

Имеет значение и климатическая зона, в которой расположено месторождение. При высоких температурах в теплом климате окисление протекает быстрее, чем в условиях полярного климата. Хотя возможно, что среди Th. ferrooxidans встречаются психрофильные расы, все же процесс окисления у них протекает медленнее, чем у обычных рас при более высокой температуре.

Количество Th. ferrooxidans в рудничных водах колеблется от единиц (в Джезказганском месторождении) до десятков и сотен тысяч в 1 мл воды (в Дегтярском медноколчеданном месторождении на Среднем Урале).

По классификации С. С. Смирнова, сульфидные минералы по степени их устойчивости к химическому окислению располагаются следующим образом: пирротин, сфалерит, халькозин - наиболее легко разлагаемые; пирит, галенит и энаргит - трудно разлагаемые; остальные занимают промежуточное положение. Способность бактерий легко окислять различные сульфиды не всегда соответствует легкости их химического окисления. Так, сфалерит, отнесенный С. С. Смирновым к легко окисляемым сульфидам, более устойчив к микробному воздействию, чем галенит, который считается трудно разлагаемым сульфидом.

Марматит - сульфид цинка, содержащий железо, - окисляется быстрее, чем сфалерит, вероятно, потому, что в нем подвергаются окислению и железо, и сера. Скорость бактериального окисления зависит от размера частиц и степени кристаллизации минерала. Марказит - дисульфид железа, обладающий ромбической структурой, - легче окисляется бактериями, чем пирит, имеющий кубическое строение. Это зависит, вероятно, от прочности кристаллической решетки. Согласно К. Темплю и Е. Дельхэмпсу, процесс окисления пирита проходит несколько стадий. Этот процесс может протекать и химическим путем, но бактерии значительно ускоряют его.

При окислении пирита резко повышается кислотность окружающей среды, что часто приводит к нежелательным последствиям. Высокая кислотность ведет к быстрой коррозии оборудования шахт. Например, в некоторых шахтах чугунные задвижки выходили из строя через 2 - 3 дня, через 1 - 2 месяца приходили в негодность подъемные канаты, а рельсовые пути становились непригодными через 2 - 3 месяца.

Например, при сооружении Киевского метрополитена строители проходили пласт песчаных плывунов, содержащий пирит, кессонным методом. Использование сжатого воздуха при кессонных работах привело к быстрому окислению пирита, количество Th. ferrooxidans при этом возросло, повысилась кислотность воды и началась коррозия железобетонного туннеля метро. Окислительный процесс удалось приостановить через несколько месяцев после прекращения подачи воздуха. -

Th. ferrooxidans быстро окисляет такие сульфиды, как антимонит (до трехокиси сурьмы) и галенит (до англезита). В данном случае наблюдается образование новых минералов под действием бактерий. Рентгеноструктурный анализ новообразования, возникающего при окислении антимонита, показал, что образовался сенармонтит - минерал, обладающий кубической структурой, который образуется в природе в зоне окисления сурьмяных месторождений.