Статья: Океанское марганценакопление в свете исторической тектоники
Е. С. Базилевская, Ю. М. Пущаровский, Геологический
институт РАН
Введение
Проблема
океанского рудогенеза актуальна не только с научной точки зрения, но имеет и
весьма существенное экономическое значение, обусловленное иссякающими запасами
ряда стратегически важных металлов в месторождениях суши. Основу ее составляют
железо-марганцевые отложения (ЖМО) - самые распространенные и типичные для
океанских условий. Они являются конечным результатом сложного комплекса
процессов океанского седиментогенеза и наиболее распространены в глубоководных
районах пелагиали океана, характеризующихся минимальными темпами
осадконакопления и высокоокислительными свойствами морской воды. Их главные
рудообразующие металлы - Fe и Mn, находятся в форме гидрооксидов, обладающих
высокой сорбционной активностью в отношении большого спектра рассеянных
элементов. Особая роль в этом принадлежит гидрооксидам Mn - наиболее активным
природным сорбентам и окислительным катализаторам. Если первое свойство
способствует связыванию токсичных излишков растворенных в морской воде
металлов, то второе переводит их в окисленное нерастворимое состояние. Все это
приводит к образованию высоко ценных в экономическом отношении концентратов Cu,
Ni, Co и др., и в то же время способствует сохранению экологической чистоты
океанской среды. Последнее особенно важно в условиях усиливающегося
техногенного загрязнения морской воды из-за антропогенной деятельности. Роль
ЖМО в этом отношении трудно переоценить.
Более
чем полувековое интенсивное изучение геологии океана принесло многочисленные
открытия, во многом изменившие прежние представления о геологии планеты в
целом. Однако в проблеме океанского рудогенеза основные теоретические вопросы
пока не нашли окончательного решения. Более того, интерес к ним в последнее
время, пожалуй, даже несколько снизился и на первый план выходят сейчас
прикладные аспекты, связанные с освоением минеральных богатств океанского дна.
Нельзя исключать, что промышленная добыча руд может начаться раньше, чем будут
выяснены такие ключевые вопросы, как источники поставки металлов в океан, механизм
образования ЖМО, скорости их роста и др., имеющие непосредственную связь с
объективной оценкой экологических последствий такого освоения.
|
Рис. 1. Карта распространения
полей железо-марганцевых отложений в Мировом океане |
В
данной статье предлагается новый подход к проблеме формирования ЖМО и
соответствующих руд в океане, учитывающий новейшие данные морской геологии,
геохимии главных рудообразующих металлов - Fe и Mn, исторической геологии и
палеогеодинамики. В известной мере эта работа инициирована предшествующими
публикациями С. И. Андреева [Андреева, 1993, 1994] и только что изданной
Объяснительной запиской к Металлогенической карте Мирового океана
[Металлогеническая карта..., 1998]. Сама карта пока не вышла, но к записке
прилагается ее вариант с выделенными площадями наиболее высоких концентраций
ЖМО - рудными полями и рудоносными площадями, схема которого приведена на рис. 1.
Обширный
фактический материал, содержащийся в "Записке", позволяет с большей
достоверностью, чем это было раньше, судить об особенностях марганценакопления
в разных океанах. Проведенные нами пересчеты этих данных приведены в табл. 1,
из которой со всей очевидностью следует, что площади распространения ЖМО и их
состав существенно различаются в Тихом океане и Атлантике. В Индийском океане
четко проявлена асимметрия в этих показателях для восточной и западной его
частей. При этом ЖМО восточной части по вещественному составу близки к
Тихоокеанским, а западной - к Атлантическим. В общей сложности прогнозные
ресурсы Mn в ЖМО Индо-Тихоокеанского сектора превышают таковые в
Индо-Атлантическом в 70 раз. В Атлантике эти ресурсы крайне бедные, весьма мало
перспективные для их освоения.
Таким
образом, в проблеме океанского рудогенеза четко проявляется новый неожиданный
аспект - асимметрия двух глобальных секторов Мирового океана в отношении
накопления масс ЖМО. Выявление отмеченной асимметрии и позволяет искать новые
пути к решению проблемы океанского рудогенеза. Очевидно глобальное значение
этой проблемы.
1.
Геохимические аспекты
Рассмотрим
основные аспекты геохимии главных рудообразующих металлов ЖМО. Казалось бы, что
само название этих стяжений свидетельствует о геохимической близости свойств
главных рудообразующих металлов - Fe и Mn. Но это не совсем так. Еще В. И. Вернадский
отмечал, что в природе в зоне гипергенеза нет ни одного железо-марганцевого
минерала. Кроме того железистые и марганцеворудные формации на суше хотя и
сопутствуют друг другу, но всегда разделены во времени и пространстве. Это
связано с разницей в стандартных потенциалах окисления - более низком у Fe и
высоком у Mn. Поэтому Fe окисляется легче Mn и соответственно раньше образует
окисные твердофазные соединения.
В
океанской среде Fe образует нерастворимые твердофазные соединения как в
окисленной, так и в восстановленной осадочной толще, в то время, как Mn в
твердой фазе может существовать только в окисленных условиях. Из
восстановленных осадков растворенный Mn мигрирует к поверхности дна и в
конечном счете в благоприятных фациальных условиях (высокие содержания
растворенного кислорода в морской воде и низкие скорости седиментации)
формирует рудные отложения в двух основных формах: железо-марганцевые конкреции
(ЖМК) и корки.
Разница
в геохимических свойствах этих металлов приводит к тому, что если в горных
породах, являющихся источником металлов для ЖМО, среднее отношение Mn/Fe
составляет 0,017, то в ЖМК эта величина почти на два порядка выше и равна 1,44
[Андреев, 1994]. Иными словами, главным итогом океанского рудогенеза является
колоссальное накопление Mn на фоне существенного снижения роли Fe. Откуда же
берутся такие количества Mn, если известно, что в породах земной коры Mn
находится в ничтожных количествах в рассеянном состоянии и не образует ни
одного самостоятельного минерала. На этот счет есть две точки зрения. В
соответствии с одной, в процессе выветривания пород суши в океан реками
сносятся огромные массы осадков, иногда формирующих области так называемой
лавинной седиментации до нескольких километров мощностью. При быстром
накоплении осадков в их толще возникают восстановительные условия, в которых Mn
растворяется и мигрирует вверх, обогащая окисленные слои осадков и придонную
воду, откуда поступает в океан (диагенез). Fe в восстановительных условиях
может осаждаться в форме сульфидных минералов, входить в состав соответствующих
глинистых минералов и др., и таким образом, частично выводиться из процесса
океанского рудообразования. Это первый этап разделения Mn и Fe в океанской
среде и относительного увеличения отношения Mn/Fe. Зона распространения
восстановленных осадков охватывает значительную часть периферии океанов и это
свидетельствует о масштабах описанного процесса. В дальнейших путях миграции
рудного вещества в океанские области, благоприятные для отложения ЖМО,
происходит дальнейшее изменение указанного отношения по причине, в частности,
различий в величинах стандартных потенциалов окисления Mn и Fe.
Заметим,
что процессы выветривания или гальмиролиза происходят и на океанском дне. Они
также могут приводить к высвобождению рудных металлов из коренных пород, выходы
которых обычно покрыты Fe-Mn корками. Однако, количественно оценить этот
источник металлов в отношении Mn не позволяет то обстоятельство, что при
гальмиролизе происходит разрушение и раздробление пород, увеличение их удельной
поверхности, что само по себе способствует усилению осаждения на них не только
Mn, но и Cu, Ni и Co. Соответствующие данные приводятся в работе Т. И. Фроловой
с соавторами [Фролов и др., 1979]. В табл. 2 показана связь петрологического
состава пород и состава перекрывающих их корок. Как видно, существенных
колебаний здесь не выявляется. Незначительное уменьшение отношения Mn/Fe в
базальтах отдельных разломных зон связано скорее с их тектоническим положением
в разломной зоне.
Процентные
содержания Mn в воде океана - 27ћ10-10, а Fe - 56ћ10-10, что дает величину
Mn/Fe 0,48 [Батурин, 1993]. Интересно, что, как показали наши исследования,
близкое к этому соотношение характерно для многих рудных корок, формирующихся в
молодых рифтовых зонах Атлантического океана, что свидетельствует об их
существенно гидрогенном формировании [Базилевская, 1995]. Обычно роль Mn в
рудных отложениях с этого предела отношений Mn/Fe увеличивается за счет разных
факторов, начиная с сорбционного связывания и автокаталитического окисления
дополнительных порций самого Mn из морской воды (что характерно для корковых отложений)
и кончая особенностями формирования ЖМК, покоящихся на осадочной толще. В этом
случае к означенному процессу добавляются диагенетические преобразования в
толще окисленного осадка глубоководных областей океана, стимулируемые
различиями в физико-химических параметрах осадочной толщи и придонной воды.
Разумеется диагенез в этих условиях происходит существенно более медленными
темпами, но роль его в формировании ЖМК в зоне геохимического барьера осадок -
вода велика, он обусловливает особенности вещественного состава отложений
[Базилевская, 1985]. В ходе этого процесса формируются особенно богатые Mn и
малыми элементами ЖМК с пониженными содержаниями Fe, поскольку значительная
часть его связывается в осадочной толще.
Таким
образом, главное геохимическое различие между Mn и Fe в океане сводится к
многообразию минеральных форм, в которых Fe выводится из океанского рудогенеза
в осадочную толщу как в окислительных, так и в восстановительных условиях, в то
время как Mn может находиться в твердофазной форме только в окисленных
условиях.
Гидрооксиды
Mn, слагающие рудное вещество ЖМО, характеризуются высокой геохимической
подвижностью. Это связано с их способностью образовывать смешанновалентные
соединения с разной степенью окисления Mn. Обычно в ЖМО фиксируется
максимальная степень окисленности Mn, близкая к MnO 2, но, как правило, не
достигающая этого предела из-за наличия связанного в гидрооксидах MnO. При
изменении физико-химических параметров (а в океанской среде это возможно только
в одном направлении - в снижении окисленности), гидрооксиды Mn способны
восстанавливать свой состав за счет относительного увеличения доли MnO в
соединении MnO ћ MnO 2, сохраняясь в твердой фазе. Однако при полном
исчезновении кислорода в морской воде они растворяются. Соответственно при этом
высвобождаются и все другие, связанные с рудной фазой, малые элементы.
Есть
еще одна важная особенность в геохимии Mn - это стремление его гидрооксидов к
отложению на так называемых активных поверхностях, т.е. в зонах геохимических
барьеров, которые обычно приурочены к поверхности осадка или обнажениям
коренных пород на океанском дне. С этим связано то обстоятельство, что
максимальные скопления ЖМО в океанах всегда остаются на поверхности его дна,
хотя и не исключается вероятность погребения конкреций в окисленных горизонтах
осадка. Таким образом, Mn в значительно большей степени, чем Fe, связан с
гидросферой и судьба его полностью контролируется изменениями величин Eh и pH
морской воды.
На
мобильном океанском ложе вполне вероятны локальные и относительно
кратковременные изменения в составе морской воды под воздействием разного рода
эндогенных проявлений. К их числу можно отнести подводный вулканизм, рифтовые
зоны спрединговых хребтов с гидротермальной активностью, и вообще зоны
тектоно-магматической нестабильности. Эндогенная активность в подобных зонах
сопряжена с внедрением на океанское ложе высокотемпературных глубинных масс,
мгновенно и катастрофически меняющих условия, существовавшие на океанском дне,
в частности, резко снижающие содержания кислорода в определенном объеме морской
воды, что неизбежно должно приводить к растворению окисных рудных отложений.
Несомненно, высокая буферность и колоссальные массы океанских вод способны
быстро восстановить природное равновесие при локальном проявлении подобной
активности, что характерно для современного этапа развития океана, и
соответственно происходит быстрая регенерация ЖМО при нормализации обстановки.
Однако состав их может измениться, поскольку возможно связывание части Fe в
осадочной толще.
В
конце 70-х годов и позже на океанском дне вблизи спрединговых зон
Восточно-Тихоокеанского поднятия, а затем и в Атлантике было открыто несколько
рудоносных гидротермальных источников с жерлами, сложенными массивными
сульфидными рудами. Этому открытию уделяется большое внимание ученых, поскольку
появилась простая возможность найти источник поставки металлов на океанское
дно, с одной стороны, и приблизиться к разгадке генезиса колчеданных формаций
на суше, с другой. Но согласиться с тем, что 90% Mn и все Fe поставлено в океан
из спрединговых центров, как это утверждается в [Лисицин и др., 1992], нельзя.
На данный момент фактически на весь Мировой океан открыто не более 3-х десятков
металлоносных гидротерм, из них меньше половины сопровождаются отложениями массивных
руд. Последние нередко располагаются относительно кучно в определенных участках
срединных хребтов и связаны, по-видимому, с отдельными очагами глубинной
активности.
Заметим,
что эта разновидность океанского рудогенеза ни в какой мере не может сопоставляться
с масштабами окисного Fe-Mn рудообразования, поскольку она находится в
антагонистическом противоречии с высокоокислительной обстановкой океанской
среды, которая агрессивна по отношению к восстановленным отложениям и стремится
окислить и растворить их. На поверхности океанского дна сульфидные отложения
геологически эфемерны и существование их должно поддерживаться непрерывностью
гидротермальной деятельности, что противоречит известным фактам о прерывистости
этих проявлений. Предположение о том, что сульфидные руды могут сохраняться под
окисными Fe-Mn корками, сделанное по аналогии с ситуацией, встречающейся в
месторождениях суши, не подтверждено прямыми доказательствами (бурением) и едва
ли состоятельно для глубоководных океанских условий.
Страницы: 1, 2, 3
|