Металлоносные осадки Мирового океана

• Автор: Гурвич, Евгений Гиршевич
• Шифр специальности: 04.00.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 48 с.; 20х15 см

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Открьггые вблизи активных спрединговых хребтов донные осадки, отличающиеся повышенными содержаниями железа, марганца и целого ряда малых элементов и низкими - лигогенных компонентов, более 30 лет активно изучаются морскими геологами многих стран Мира. Эти осадки получили название металлоносных (в англоязычной литературе - metalliferous). Исключительный интерес исследователей к металлоносным осадкам (МО) был проявлен в первую очередь потому, что, как было однозначно доказано, аномальность их состава обусловлена присутствием в них материала, поставляемого из недр океанской коры подводными гидротермальными источниками. Металлоносные осадки явились первыми индикаторами выхода на поверхность океанского дна гидротермальных растворов. 30 лет назад ученые только предполагали существование высокотемпературных гидротермальных источников на океанском дне. Впервые они были обнаружены в 1978 г. на Восточно-Тихоокеанском поднятии на глубине около 3000 м [Francheteau et al, 1979].
Металлоносные осадки исследовались морскими геологами многих стран (СССР, России, США, Швеции, Германии, Великобритании, Канады, Франции, Японии, Италии, Болгарии, Греции, Австралии и ряда других). Среди отечественных ученых наибольший вклад в изучение МО был сделан специалистами ИО РАН, ГИН РАН, ГЕОХИ РАН, ВНИИОкеангеология и МГУ.
В настоящее время в океанских рифтах известно более 100 активных гидротермальных полей, в пределах которых формируются сульфидные залежи, рассматривающиеся многими геологами в качестве руд недалекого будущего. Эти гидротермальные поля обычно окружены МО, фиксирующими области рассеяния эндогенного материала и, соответственно, свидетельствующими о возможном присутствии в пределах гидротермальных полей рудных залежей.
Можно выделить несколько крупных проблем, которые решаются при изучении МО:
1. Некоторые МО являются частями гидротермальных рудных залежей и поэтому - объектами “практической геологии”. Они формируются у подножий гидротермальных построек в результате их разрушения и перемещения обломков массивных сульфидных руд и продуктов их изменения вниз по склонам и мало отличаются по содержанию полезных компонентов от массивных залежей. Максимальная мощность таких отложений, вскрытая современными геологическими пробоотборниками, превышает 4 м, а расстояния, на которые эти отложения распространяются от гидротермальных построек, достигают сотен метров. Особо следует сказать о МО некоторых впадин Красноморского рифта, заполненных высокоминерализованными рассолами. Эти осадки формируются в условиях, существенно отличных от условий рифтов открытого океана, и составляют основные части гидротермальных рудных залежей.
2. Металлоносные осадки представляют исключительную важность для “практической геологии”, ибо уже сегодня широко используются при поисках гидротермальных массивных рудных залежей. Из поступающего на поверхность дна гидротермального осадочного материала только около 5% осаждается непосредственно у подводных гидротермальных источников, формируя массивные рудные залежи, а 95% рассеивается в придонных водах и частично переходит в МО. Массивные сульфидные залежи, представляющие наибольший интерес для “практической геологии”, имеют максимальные размеры в поперечнике около 200-250 метров, ширина же области развития МО, например, в юго-восточной части Тихого океана, составляет в среднем свыше 2000 км, а максимально - около 3500 км. Поэтому поиск гидротермальных сульфидных залежей целесообразно вести по ореолам рассеяния гидротермального материала, в том числе и по МО. Для поисков реликтовых рудных залежей, которые могут быть захоронены под более молодыми вулканитами или рыхлыми отложениями, МО иг--"~г неоценимую роль.
Важная проблема, решаемая при исследовании МО, - это восстановление истории развития гидротермального рудного процесса в пределах индивидуальных гидротермальных полей, на отдельных сегментах спредин-гозых хребтов, а также в океане в целом. Колонки МО являются “летописями” геологических событий, фиксирующими не только последовательность гидротермальных и негидротермальных фаз, но и изменение во времени интенсивности гидротермальной деятельности, а в некоторых из колонок - также состава и свойств подни-нмиихся к поверхности гидротермальных рудоносных растворов. Несомненно, исследования соотношения .годных типов гидротермальных отложений в пределах массивных сульфидных залежей, в том числе и их дати-; низание, имеют существенные преимущества для восстановления истории гидротермального рудонакопления.
шако при современной технологии подводных геологических работ получение такой информации очень трудоемко, а для погребенньк залежей в подавляющем большинстве случаев - и невозможно. Поэтому еще долго« время МО будут оставаться основным объектом при изучении истории океанского гидротермального рудо-генеза.

4. Океанские рифты являются зонами, в которых происходит интенсивный обмен веществом между литосферой и гидросферой. В них через гидротермальную циркуляционную систему примерно за 1— 10 млн лет проходит количество воды, равное запасу воды в Мировом океане. При этом часть химических элементов (в частности, Mg) осаждается из океанской воды в коре. Значительная часть элементов извлекается из пород коры и переводится в гидротермальный раствор. Выносимый на поверхность дна гидротермальный осадочный материал лишь частично осаждается на дно вблизи подводных источников в виде массивных залежей и проксимальных МО. Значительная его часть теряет связь с источником, “обезличивается” и включается в общий круговорот веществ в океане. Основная часть Мп, значительное количество Fe, Si и ряда других химических элементов, содержащихся в океанской воде, имеют гидротермальное происхождение. Важно также отметить, что подводные гидротермальные источники продуцируют огромные массы мощных сорбентов - свежеосажденных окси-гидроксидов Fe и Мп, которые удаляют из океанской воды и переводят в МО значительные количества таких химических элементов, как Со, Ni, Си, Zn, V, РЗЭ, Р, С, N и др. Все изменения интенсивности гидротермальных процессов в океане существенно влияют на химический состав океанской воды и, прежде всего, на содержание в ней тех химических, элементов, времена пребывания которых соизмеримы или меньше продолжительности гидротермальных фаз и циклов. Систематизация всей информации по МО Мирового океана, полученным при глубоководном бурении океанского дна, уже в настоящее время позволяет судить об изменениях интенсивности гидротермальных процессов в океане в кайнозое и, соответственно, вплотную подойти к изучению эволюции химического состава океанских вод.
Цели и задачи работы. При подготовке работы ставились следующие цели и задачи:
1. Обобщить собственную и доступную литературную информацию о результатах исследований современных и древних МО в океанах и Красном море.
2. Показать основные черты состава МО и закономерности пространственного распределения содержаний и скоростей накопления слагающих их компонентов.
3. Установшъ причины, обуславливающие различные типы распределения содержаний химических элементов вМО.
4. Показать процесс трансформации состава гидротермального рудного вещества от гидротермальных растворов до МО.
5. Установить, отражается ли в составе океанских МО металлогеническая специализация гидротерм и массивных сульфидных руд.
6. Показать основные закономерности формирования металлоносных толщ в океане.
7. Установить причины разнообразия состава МО во впадинах рифтовой зоны Красного моря.
8. Реконструировать историю гидротермальной деятельности и рудообразования в океанах и впадине Атлан-тис II Красного моря по материалам изучения МО.
9. Показать возможность организации поиска погребенных сульфидных залежей (в случае их сохранности) по материалам изучения МО.
Объекты исследования.
1. Современные МО юго-восточной части Тихого океана
2. Современные МО северной части BTTL
3. Современные МО хребта Хуан-де-Фука.
4. Современные МО Индийского океана
5. Современные осадки районов гидротермальной деятельности юго-западной части Тихого океана (котловины Вудларк, Манус, Jlay, Северо-Фвджийская).
6. Современные МО рифтовой зоны Срединно-Атлантического хребта
7. Металлоносные осадки впадин рифтовой зоны Красного моря.
8. Древние МО океанов, вскрыше глубоководным бурением.
9. Гидротермальные пшомы.
10. Фоновые осадки, вода и взвесь.
Следует отметить, что работа посвящена только МО, накопление которых происходило на поверхности дна вследствие осаждения вещества гидротермальных плюмов, либо вследствие разрушения и переотложения материала гидротермальных построек. Инфильтрационные МО, подобные обнаруженным на поле Mound Галапагосского хребта, в Срединной долине хребта Хуан-де-Фука и в троге Эсканаба хребта Горда, в работе не рассматривались. Металлоносность этих осадков формируется в совершенно иной обстановке и они заслуживают того, чтобы стать предметом отдельного большого исследования.

термальный флюид, МО с (около) массивных гидротермальных построек, взвесь всплывающего плюма, проксимальные МО (формирующиеся на гидротермальных полях в пределах первых километров от гидротермальных источников и массивных гидротермальных построек), взвесь нейтрального плюма, приосевые и фланговые дистальные МО. Дифференциация может быть наглядно видна при использовании геохимического репера В качестве такого репера лучше всего использовать Ре - главный рудный элемент химического состава всех образований ряда Для расчета коэффициентов дифференциации элементов и Ре средние содержания элементов в рудном веществе всех членов ряда сначала были отнесены к соответствующим содержаниям Ре, после этого полученные величины отношений были нормированы по отношениям для первичного гидротермального флюида. Если в каком-либо образовании коэффициент дифференциации больше единицы, то это означает, что в нем элемент концентрируется по сравнению с Ре относительно состава первичного гидротермального флюида, если меньше - разубоживается. Для самого Ре коэффициент во всех случаях равен единице. Результаты расчетов коэффициентов дифференциации элементов в графическом вцце показаны на рис. 1. Они в концентрированном виде отражают основные этапы изменения состава гидротермального рудного вещества от его поступления в океан до накопления в фланговых дистальных МО.
Рис. I. Дифференциация Ре и других химических элементов, связанных с гидротермальным рудным веществом, относительно первичного гидротермального флюида в плюмах и металлоносных осадках при удалении от высокотемпературного гидротермального источника
первичный металлоносные взвесь проксимальные взвесь приосевые фланговые
гидротермальный осадки всплывающего металлоносные нейтрального дистальные дистальные флюид около плюма осадки плюма металлоносные металлоносные
построен осадки осадки
Коэффициент дифференциации марганца (Км„) в рудном веществе членов ряда от МО с (около) массивных гидротермальных построек до взвеси нейтрального плюма по мере удаления от источника гидротермального вещества постепенно возрастает. Однако он намного меньше единицы. Это обусловлено значительно меньшей фиксацией Мп в составе рудного вещества по сравнению с Ре и выносом преобладающей части гидротермального Мп за пределы гидротермальных полей. В дистальных приосевых и фланговых МО величины КМп близки между собой. Они значительно больше, чем в образованиях в пределах гидротермальных полей и в нейтральных плюмах, и немного превосходят единицу. Это свидетельствует о том, что растворенный Мп переводится в твердую фазу гидротермального рудного вещества главным образом за пределами гидротермальных полей.
Для Си, Хп, РЬ, Сс1 и Со, образующих при смешении гидротермальных растворов с океанской водой сульфидные минералы или связанных с сульфидными минералами, характерно увеличение коэффициентов дифференциации (Ко,, Ка, К», Кса и Ко,) в МО с (около) массивных гидротермальных построек и во взвеси всплывающих гшюмов. Это увеличение обусловлено относительно более интенсивным образованием в всплывающих плюмах (и особенно в их нижних горизонтах) сульфидов Си, Ъп и, возможно, РЬ по сравнению с образованием сульфидов Ре. В проксимальных МО коэффициенты дифференциации этих элементов уменьшаются. Эго, с одной стороны, вызвано осаждением значительной части сульфидных минералов вблизи гидротермальных источников, а с другой - возрастанием роли быстро осадившихся оксигццроксидов Ре, еще не успевших сорбировать в значительных количествах элементы группы из океанской воды. Во взвеси нейтральных плюмов Кси, Ка,, Кса и Ко, в среднем меньше, чем во взвеси всплывающих плюмов, а К№ - выше. Такое явление для Си, 2п, С(} и Со обусловлено выпадением из нейтральных плюмов частиц сульфидов Си и 2п, которое заканчивается при разбавлениях гидротермальных флюидов океанской водой в 60-600 тыс. раз. При больших разбавлениях (а для РЬ во всем диапазоне разбавлений) в нейтральных плюмах преобладает сорбция элементов группы из раствора