Металлоносные осадки Мирового океана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.10, доктор геолого-минералогических наук Гурвич, Евгений Гиршевич

• Гурвич, Евгений Гиршевич
• доктор геолого-минералогических наук
• 1998

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Металлоносные осадки Мирового океана»

Актуальность проблемы. Открытые вблизи активных спрединговых хребтов донные осадки, отличающиеся повышенными содержаниями железа, марганца и целого ряда малых элементов и низкими - лигоген-ных компонентов, более 30 лет акгавно изучаются морскими геологами многихн 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 тсшько 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 акшвных 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 тсшько 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 бьпъ захоронены под более молодыми вулканными или рыхлыми отложениями, МО иг-—~ неоценимую роль. j. Важная проблема, решаемая при исследовании МО, - это восстановление истории развития пщротермаль-.ого рудного процесса в пределах индивидуальных гидротермальных полей, на отдельных сегментах спредин-гозмх хребтов, а также в океане в целом. Колонки МО являются "летописями" геологических событий, фикси-тощими 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-' мвшихся к поверхности гидротермальных рудоносных растворов. Несомненно, исследования соотношения :.зных типов гидротермальных отложений в пределах массивных сульфидных залежей, в том числе и их даги-i о&шие, имеют существенные преимущества для восстановления истории гидротермального рудонакопления. '.'' днако при современной технологии подводных геологических работ получение такой информации очень трудоемко, а для погребенных залежей в подавляющем большинстве случаев - и невозможно. Поэтому еще долее время МО будут оставаться основным объектом при изучении истории океанского гидротермального рудо-пенеза.

4. Океанские рифты являются зонами, в которых происходит интенсивный обмен веществом между литосферой и гидросферой. В них через гидротермальную циркуляционную систему примерно за 110 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.

Дели 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 закономерное™ пространственного распределения содержаний и скоростей накопления слагающих их компонентов.

3. Установить причины, обуславливающие различные типы распределения содержаний химических элементов в МО.

4. Показать процесс трансформации состава гидротермального рудного вещества ог гидротермальных растворов до МО.

5. Установить, отражается ли в составе океанских МО металлогеническая специализация щдротерм и массивных сульфидных руд.

6. Показать основные закономерности формирования металлоносных толщ в океане.

7. Установить причины разнообразия состава МО во впадинах рифговой зоны Красного моря.

8. Реконструировать историю гидротермальной деятельности и рудообразования в океанах и впадине Атлан-тис П 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 часта 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, Лау, Северо-Фвджийская).

6. Современные МО рифговой зоны Срединно-Атлангического хребта.

7. Металлоносные осад ки впадин рифговой зоны Красного моря.

8. Древние МО океанов, вскрытые глубоководным бурением.

9. Гидротермальные плюмы.

10. Фоновые осадки, вода и взвесь.

Следуем 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. Мегаллоносность этих осадков формируется в совершенно иной обстановке и они заслуживают того, чтобы стать предметом отдельного большого исследования.

Научная новизна работы.

1. 8 работе впервые систематизированы все современные знания о современных и древних (до 160 млн лет) МО Мирового океана.

2. Впервые прослежена "судьба" гидротермального осадочного материала и его трансформация от рудоносных флюидов подводных гидротермальных источников на путях миграции в придонных водах океана и до захоронения в МО. Получена прямая информация о механизме формирования МО и однозначно установлены причины латеральной неоднородности их минерального и химического составов.

3. Показано, что состав проксимальных МО гидротермальных полей отражает металлогеническую специализацию рудоносных гидротермальных флюидов и массивных сульфидных руд.

4. Установлено, что в гидротермальных плюмах с нейтральной плавучестью и при последующей миграции к донному осадку гидротермальный осадочный материал теряет информацию о составе и свойствах рудоносных гидротермальных флюидов и является только индикатором существования подводных высокотемпературных гидротермальных источников.

5. Доказано, что наиболее широко распространенные и наиболее часто встречающиеся при геологическом опробовании океанского дна дистальные (накопившиеся за пределами гидротермальных полей) МО могут бьпъ использованы для характеристики интенсивное™ гидротермального процесса на океанском дне, но не для распознания составов первичных рудоносных флюидов и массивных рудных залежей, формирующихся непосредственно у устьев подводных гидротермальных источников.

6. Установлены причины разнообразия состава МО впадин рифтовой зоны Красного моря.

7. Создана количественная модель формирования металлоносных толщ на подвижных лигосферных плитах в океане.

8. Реконструирована история гидротермальной деятельности и рудонакопления в океанах и впадине Атлантис II Красного моря по результатам изучения МО.

9. На основании созданной количественной модели формирования металлоносных толщ показана возможность установления участков функционирования древних подводных гидротермальных источников во время отложения МО и, соответственно, - организации поиска районов современного нахождения погребенных сульфидных залежей (в случае их сохранности).

Достоверность выводов определяется прежде всего достоверностью аналитических данных. Она базируется на постоянном использовании и анализе отечественных и международных стандартов, а также параллельном анализе одних и тех же образцов в разных лабораториях. Теоретические выводы подтверждены результатами отечественных и зарубежных натурных ^экспериментальных исследований. Они в основном укладываются в современные научные представления об изучаемых процессах. Достоверность реконструкций истории гидротермальной деятельности (ГД) и рудообразования может подтверяедаться наличием синхронности гидротермальных "событий" и таких явлений, как тектонические перестройки спрединговых хребтов и изменения скорости спрединга, которые реконструируются принципиально иными методами. Существование же связи ГД и рудообразования с этими явлениями, а также с вулкано-текгоническими циклами в рифтах установлено в современном океане и обосновывается теоретически. С другой стороны, предложенные методы реконструкции истории ГД при приложении к современным МО "выводят" на реально существующие участки ГД и рудообразования.

Практическая ценность результатов исследования МО может рассматриваться в двух аспектах.

1. Часть проксимальных МО формируется у подножий гидротермальных построек в результате их разрушения и перемещения обломков массивных сульфидных руд и продуктов их изменения вниз по склонам. Эти осадки имеют значительную мощность и по содержанию полезных компонентов мало отличаются от массивных сульфидных залежей. Что касается МО заполненной высокоминерализованными рассолами впадины Атланте II Красного моря, то их промышленное освоение в случае решения рада экологических и политических проблем возможно уже в настоящее время.

2. Дистальные МО по содержанию полезных компонентов не столь ценны, как проксимальные, и если представят практический интерес, то в отдаленном будущем. Однако их исследование исключительно важно при поисках полиметаллических гидротермальных рудных залежей, особенно погребенных. В настоящее время результаты исследования дисгальных МО являются практически единственным источником информации, позволяющим устанавливать места возможного нахождения реликтовых рудных залежей, которые могут быть захоронены под более молодыми вулканитами или рыхлыми отложениями.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных и международных школах по морской геологии (1976-1997), на1 и III съездах советских океанологов (1977, 1987), на XIV Тихоокеанском научном конгрессе (1979), на VIII и X Всесоюзных симпозиумах по стабильным изотопам в геохимии (1980, 1984), на Всесоюзном совещании "Эволюция осадочного процесса на континентах и в океанах" (1981), на VI симпозиуме Международной ассоциации по генезису рудных месторождений (1982), на IV Всесоюзной конференции "Мировой океан" (1983), на международных совещаниях "Геология и тектоника Сре-динно-Атлантического хребта" и "Потоки вещества в океане" (1989), на 28 и 29 сессиях Международного Геологического Конгресса (1989, 1992), на Всесоюзном совещании "Металлогения современных и древних океанов" (1991), на совещании Американского Геофизического Союза (1991), на международных конференциях 'Тектоника лигосферных пли^' (1991, 1993, 1995), на российско-британском симпозиуме экспедиции ВЯАУЕХ/94 (1994), на научно-технических советах 18 и 21 рейсов нис "Академик Мстислав Кеэдыш" (1988, 1990), а также неоднократно на коллоквиумах Отдела геологии океана ИО РАН.

Фактический материал, вклад автора. При подготовке работы использовались оригинальные материалы и пробы, полученные за многие годы в экспедициях Института океанологии им. П.П.Ширшова (3 рейс д/э "Обь", 8, 14 и 25 рейсы нис "Дмитрий Менделеев", 24 рейс нис "Академик Курчатов", 7, 12, 15,21,23,34 и 35 рейсы нис "Академик Мстислав Келдыш", 3 рейс нис "Профессор Штокман"), Инсппута минеральных ресурсов Мирового океана ВНИИОкеангеология (4 рейс нис "Геолог Ферсман") и 138 рейса б/с "Джоидес Ре-зольюшн". Большое количество проб было предоставлено руководством Проекта глубоководного бурения по запросу. Следует подчеркнуть, что во многих экспедициях Инсппута океанологии исследования носили комплексный характер и включали одновременное изучение водной толщи, гидротермальных растворов, гидротермальных плюмов, гидротермальных руд, металлоносных и фоновых осадков, а также потоков осадочного материала. При этом исследования и пробоотбор проводились не только на научных судах, но и с применением глубоководных обитаемых аппаратов, а также автономных станций. Большинство проб исследовалось в Лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН и непосредственно в экспедициях. Значительная часть исследований выполнялась автором лично, либо под его руководством. Помимо многочисленных оригинальных материалов использовались данные, опубликованные в отечественных и зарубежных изданиях.

Научные результаты и основные выводы получены автором лично или при его ведущем учасгаи.

Публикации. Результаты работы опубликованы в четырех монографиях (Геохимия элементов-гид-ролизатов. М.: Наука, 1980; Металлоносные осадки Красного моря. М.: Наука, 1986; Гидротермальные образования рифтовых зон океана. М.: Наука, 1990; Металлоносные осадки Мирового океана. М.: Научный Мир, 1998), многочисленных статьях и тезисах докладов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Работа в форме монографии общим объемом 340 стр. состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 33 таблицы и 156 рисунков. Список литературы включает 534 наименования, из которых 208 - работы на русском языке, 326 - на иностранных языках.

Работа выполнена в Лаборатории физико-геологических исследований Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Считаю приятным долгом поблагодарить своих коллег — участников экспедиций за совместную работу в океанах. Особую благодарность выражаю моим учителям - Ю.А.Богданову и А.ПЛисицыну. Во время работы я постоянно пользовался добрыми советами своих друзей-коллег: ДЕХершановича, З.Н. Горбуновой, В.В.Гор-деева, Г.В.Иванова, А.Б.Исаевой, С.Г.Краснова, МАЛевтана, В.НЛукашина, К.Г.Муравьева, В.Н.Свальнова и В.В.Серовой. При изучении металлоносных осадков я в разные годы плодотворно сотрудничал с В.И.Багиным, Г.КХБутузовой, Т.С.Гендаер, ЮЛХириным, В.МДековым, Н.В.Катаргиным, АДКуриновым, Н.А.Лисицыной, А.А.Мигдисовым В.Н.Орешкиным, А.Б.Роновым, ВЛСтрижевым и В.И.Услгиновым. Большую пользу мне принесли общение и совместная работа с выдающимися зарубежными специалистами: Э.Бонатга, К.Кру-ком, П.Роной, М.Рудники и особенно Г.Эддерфипдом. Хочется искренне поблагодарить А.М.Сагалевича, сумевшего в наше нелегкое время осуществить в раде экспедиций работы в районах океанской гидротермальной деятельности. Успешная работа в этих экспедициях была бы невозможной без прекрасных специалистов своего дела: капитана Ю.Н.Горбача, старшего помощника капитана А.А.Тигова, боцмана Ю.ИДудинского и всего экипажа нис "Академик Мстислав Келдыш".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Металлоносными осадками принято считать неконсолидированные глубоководные отложения, формирующиеся в вулканически активных районах океанов и морей и имеющие в абиогенной части за счет примеси гидротермального рудного вещества необычно высокие по сравнению с фоновыми осадками содержания Ре, ряда микроэлементов и во многих случаях Мп, а также пониженные содержания А1 и "П. Указанные черты химического состава отличают МО от встречающихся в океанах и морях красноцветных продуктов выветривания, в которых высоки содержания как Fe, так и Al и Ti. Предложено несколько критериев выделения МО. По ЮЗострёму [Bostram, 1973] к металлоносным могут бьпъ причислены осадки, в которых величина, отношения Fe/(A1+Fe+-Mn) больше 0,5, величина отношения AJ/(Al+Fe+Mn) меньше 0,3, величина отношения (Fe+MnyAI больше 2,5. По НМ.Страхову (1976) металлоносными считаются осадки, в которых величина отношения (Fe+МпуП больше 25. АЛЛисицын с соавт. (1976) предложили за границу вьщеления МО принимать содержание Fe в абиогенной части осадков, равное 10%. В работе принят последний из указанных критериев. Металлоносные осадки, содержащие свыше 30% Fe, называют также рудными или рудоносными осадками [Бугузова, 1989; Лисицын, 1993]. Такую разновидность МО рассматривают как часть рудной залежи, которая может иметь пракгаческую ценность. Тем не менее следует иметь в виду, что все критерии вьщеления МО условны и значительное количество гидротермального рудного вещества, поступающего на дно, накапливается вне ареалов МО, в осадках, формально считающихся неметаллоносными, а также в других осадочных образованиях.

Впервые МО были получены на Восточно-Тихоокеанском поднятии (ВТП) во время экспедиции нис "Челлецджер" (1873-1876 гг.) [Murray, Renard, 1891], позднее пробы МО на ВТП отбирались в экспедиции нис "Карнеги" [Revelle, 1944]. Однако в то время на них не обратили должного внимания. Первым исследователем, указавшим на возможную связь обогащения донных осадков ВТП железом и марганцем с подводной гидротермальной деятельностью, была Н.С.Скорнякова (1964), изучавшая пробы МО, полученные на ВТП во время 3 рейса Советской Антарктической экспедиции на д/э "Обь". В 1964 г. также появилась работа ККЗеленова, впервые наблюдавшего осаждение на дно дисперсных минералов Fe и Мп, поступающих в океан с эксгаляция-ми подводного вулкана. Однако настоящий бум в исследованиях МО начался с работ К.Бострёма и МЛетерсона [Bostrom, Peterson, 1966, 1969] и ЭБонатга [Arrhenius, Bonatti, 1965; Bonatti, 1967]. Почта одновременно с ними были опубликованы первые работы по всестороннему исследованию МО, связанных с ГД и горячими рассолами в трех впадинах (Атлангис II, Дискавери и Чейн) рифтовой зоны Красного моря [Miller et al., 1966; Hot brines., 1969; Батурин и др., 1969]. В последующие годы были обнаружены и исследованы современные МО, накапливающиеся не только на ВТП, но и на спрединговых хребтах Индийского и Атлантического океанов и задуговых бассейнов, а также вблизи некоторых подводных вулканов. Число известных впадин рифтовой зоны Красного моря с МО сегодня составляет около двадцати. Были обнаружены и исследованы древние МО, накопившиеся в ходе геологической истории на дне современных океанов и морей, а также древние нели-тифицированные и лигифицированные аналоги МО, накопившиеся в палеоокеанах и морях. Количество публикаций по результатам исследований МО насчитывает многие согни.

Металлоносные осадки рифтовой зоны Красного моря с самого начала их исследований связывали с подводной ГД. Что же касается причин образования МО спрединговых хребтов океанов и задуговых бассейнов, то до второй половины 70-х годов на этот счет существовало несколько точек зрения. И лишь с открытием на ВТП современной высокотемпературной ГД (черных курильщиков) и гидротермальных построек, сложенных массивными сульфидными рудами, происхождение МО однозначно стали связывать с этой деятельностью, а поля МО - рассматривать их как ореолы рассеяния вещества подводных высокотемпературных рудообразующих гидротерм. Последующие открытия новых высокотемпературных гидротермальных полей и областей сульфидного рудообразования подтвердили правильность такого подхода. Вокруг этих полей, как правило, обнаруживали МО. Исключениями являются районы ГД в областях высокой скорости фонового осадконакопления, где за счет разбавления нерудным веществом гидротермальные компоненты в осадках проявляются относительно слабо, а содержание Fe в их абиогенной части, несмотря на примесь гидротермального рудного вещества, меньше 10%. Наилучшим примером этому является впадина Гуаймас рифтовой зоны Калифорнийского залива, где, несмотря на очень активную высокотемпературную ГД и сульфидообразование, вследствие высокой скорости фонового осадконакопления (примерно в 1000 раз выше, чем в рифтах открытого океана) МО отсутствуют [Лисицын и др., 1990].

По оценке ПРоны [Рона, 1986; Roña, 1984] в составе массивных построек гидротермальных полей накапливается окало 5%, а за их пределами - около 95% рудного вещества. Согласно данным АЛЛисицына (1993) на раннем этапе жизни гидротермальных построек в них накапливается менее 5% поступающего рудного вещества, на зрелом этапе - около 50%, а на этапе старения - более 90%. Это свидетельствует о том, что на раннем, наиболее активном этапе жизни построек, рудное вещество, поступающее в океан, накапливается в основном за пределами гидротермальных полей - в МО и вне их ареалов. При этом скорость накопления гидротермального рудного вещества в МО, несомненно, отражает интенсивность ГД в районах его поступления в океан, а состав МО, возможно, отражает и состав разгружающихся гидротермальных флюидов. Все это говорит о том, что, при прочих равных условиях, по мере приближения к местам разгрузки скорость накопления гидротермального рудного вещества в МО возрастает. То есть МО должны являться также отражением не только наличия и интенсивности, но и положения участков ГД

Пространственно-временные вариации скорости накопления МО и их состава определяются целым рядом факторов - как крупномасштабных, так и мелкомасштабных. Наиболее важным показателем, вбирающим в себя влияние крупномасштабных факторов, является скорость спрединга [Возйбт, 1973; Лисицын и др., 1976, 1990; Богданов, 1980; Левин и др., 1987]. Среда средне- и мелкомасштабных факторов наиболее важными являются тектонические перестройки спрединговых хребтов, мшрация ГД вдоль центров спрединга, а также цикличность гидротермального процесса. Скорости накопления МО и их состав являются отражением всех этих факторов. Важными факторами, влияющими на перенос дисперсного гидротермального рудного вещества и на накопление его в составе МО, являются также направление и скорость придонных течений в районах ГД.

В последние годы интерес к изучению МО уменьшился. В то же время активизировались исследования гидротермальных полей с помощью глубоководных обитаемых аппаратов, а также исследования гидротермальных плюмов. Уменьшение интереса к МО, с одной стороны, возможно, обусловлено относительным однообразием' состава рудного вещества МО (особенно океанских), а с другой, - отсутствием новых подходов в их изучении. Тем не менее потенциал информации, получаемой при исследовании МО, далеко не исчерпан. Особенно полезной эта информация может быть при поисках неакшвных рудных тел в пределах гидротермальных полей и при решении задач по реконструкции ГД и связанного с ней рудообразования в геологическом прошлом.