Зависимость минерального состава железо-марганцевых конкреций от регионов и условий среды

Исследование изменчивости минерального состава конкреций и корок в Мировом океане представляет не только научный интерес. Рудные конкреции, обогащенные никелем и медью, почти всегда содержат тодорокит в качестве главной минеральной фазы. Действительно, многие полагают, что присутствие этого минерала необходимо для обогащения конкреций никелем и медью. Следовательно, исследование региональной изменчивости минерального состава конкреций в Мировом океане и особенно ее дифференциации по условиям среды может привести к отбраковке больших площадей океанского дна, неблагоприятных для промышленной добычи конкреций, так как условия среды не способствуют образованию тодорокита. Наоборот, на тех участках, где вероятно присутствие тодорокита, даже если они и не содержат рудных конкреций, можно гарантировать промышленную добычу в будущем при условии выполнения других требований, которые будут описаны позже.

Региональные вариации минерального состава конкреций и его изменение с глубиной впервые замечены в Тихом океане Барнсом и Кроненом. Считается, что эти вариации в общем обусловлены изменениями условий среды образования, зависящими от местоположения и глубины. Предположение Барнса о влиянии увеличивающегося с глубиной давления на минеральный состав конкреций представляется несостоятельным, поскольку тодорокит содержится в некоторых мелководных и озерных конкрециях.

Региональные исследования минерального состава конкреций были выполнены как в масштабе всего Тихого океана, так и в «рудной зоне» на северо-востоке его экваториальной части. Калверт суммировал имеющиеся данные (рис. 34) и показал, что тодорокит в основном приурочен к восточной окраине океана и к двум глубоководным широтно вытянутым участкам в северо-восточной и юго-восточной тропических областях. bMnO2 в основном найден в западной части Тихого океана и особенно обилен на подводных горах, хотя в определенном количестве встречается и в глубоководных районах на юго-западе океана.

Установлено, что конкреции континентальных окраин на востоке Тихого океана содержат тодорокит и бёриессит. Вероятно, это обусловлено более низким окислительно-восстановительным потенциалом по сравнению с открытым океаном, что и следует ожидать в такой обстановке (здесь на небольшой глубине от поверхности существуют восстановительные условия]. С другой стороны, отмеченный минеральный состав может быть результатом взаимодействия железа с нонами серы в восстановительных условиях, что приводит к образованию сульфидов железа и освобождает марганец для формирования тодорокита.

То, что тодорокит является главным минералом конкреций «рудной зоны» северо-восточной части Тихого океана, подтверждено рядом исследователей, анализировавших и валовые пробы конкреций, и отдельные участки в последних, выбранные в полированных срезах под микроскопом. Это один из немногих районов, где имеющиеся данные позволяют сравнить два подхода к изучению минерального состава конкреций, описанные ранее. Хотя детальное изучение отдельных конкреций из северо-восточной части Тихого океана указывает на присутствие и других минералов помимо тодорокита, о по подтверждает результаты валовых минералогических анализов, по которым тодорокит является главной фазой этих образований. Таким образом показано, что валовой анализ представляет собой простой и жизнеспособный метод определения преобладающих минеральных компонентов в конкрециях.

Минеральный состав конкреций и корок Атлантического океана похож на состав тихоокеанских рудных образовании (рис. 35). Кронен сообщил, что bМnО2 является наиболее обычным минералом, встреченным в большом количестве атлантических конкреций, причем в 75% случаев он содержится в корках на обнаженных поверхностях горных пород в областях небольших глубин. Тодорокит, напротив, имеет более ограниченное распространение. Свыше 50% его находок приурочены к конкрециям, а не к коркам. За исключением плато Блейк, тодорокит обычно распространен в глубоководных областях, таких, как Капская котловина и море Скотия. Отношение Mn/Fe в конкрециях плато Блейк обычно больше единицы в отличие от среднего его значения в конкрециях Атлантического океана. Это обогащение марганцем может способствовать образованию тодорокита на плато Блейк. Таким образом очевидно, что в Атлантическом океане, как и в Тихом, существует дифференциация минерального состава железо-марганцевых окисных образований. При этом bМnО2 в основном встречается на небольших глубинах, где седиментация замедленная или отсутствует, а тодорокит — главным образом в покрытых осадками котловинах. Эти различия наряду с концентрированием bМnО2 в корках, а тодорокита — в конкрециях, очевидно, как и в Тихом океане, можно объяснить с точки зрения природы среды рудообразования. Корки сложены компонентами, поступающими преимущественно из морской воды, обычно в сильно окислительных условиях. Конкреции, напротив, часть компонентов получают из морской воды, а часть, в том числе и марганец, из иловых вод подстилающих осадков, возможно, в более слабо окислительных условиях. Последние, по крайней мере частично, создаются реакциями, протекающими в результате разложения органического вещества.

Региональная изменчивость минералогии конкреций в Индийском океане убедительно подтверждает идею о том, что природа среды рудообразования имеет первостепенную важность для минерального состава железо-марганцевых конкреций. Из общего числа 95 проб корок и конкреций Индийского океана, подвергнутых рентгенометрическому анализу Кроненом и Мурби, тодорокит идентифицирован в 20 образцах, совместно тодорокит и бёрнессит — в 13, один бёрнессит — в 3, bМnО2 — в 27 и тодорокит с bМnО2 — в 12 образцах. При этом отмечено существенное различие в минеральном составе конкреций из котловин и других структур. Тодорокит был найден в конкрециях из всех котловин, для которых имелся материал (рис. 36), при этом он пользуется более широким распространением, чем в двух других главных океанах. Тодорокит, как и в Тихом океане, найден также и на континентальных окраинах. Образцы с наибольшим содержанием тодорокита приурочены к Центральной котловине Индийского океана — области потенциально рудоносных конкреций, в которой вследствие высокой биологической продуктивности в поверхностных водах ниже критической глубины карбонатонакопления формируются кремнистые илы. Отмеченное обогащение тодорокитом может быть обусловлено несколькими факторами или их сочетанием. По данным Виртки, содержание растворенного кислорода в придонных водах Центральной котловины ниже, чем в других основных котловинах Индийского океана. Хотя не только этот фактор определяет окислительно-восстановительный потенциал придонных вод, но он может способствовать образованию потенциала, достаточно низкого для того, чтобы обеспечить усиленное формирование тодорокита. Возможно, этому процессу способствует присутствие «свободного кремнезема» в кремнистых илах, который реагирует с железом, освобождая марганец. И опять-таки распад органического вещества в подстилающих конкреции осадках должен понизить Eh и, следовательно, привести к восстановлению марганца в иловых водах и образованию тодорокита. Эти варианты обсуждаются при оценке химического состава рудоносных конкреций.

Как и в двух других океанах, bМnО2 присутствует в основном в пробах из районов небольших глубин, особенно на Центральноиндийском хребте и подводных горах. Кроме того, bМnO2 найден в некотором количестве и в глубоководных образцах из Мадагаскарской котловины, для которой характерны сильные придонные течения. Виртки показал, что здесь содержание растворенного кислорода в придонных водах довольно высокое. Это может привести к высокому окислительно-восстановительному потенциалу на границе раздела вода — осадок, что способствует образованию bMnO2. Расположение Мадагаскарской котловины на достаточном удалении от зон высокой продуктивности и, следовательно, усиленной аккумуляции большого количества органических остатков, что ведет к утилизации растворенного кислорода и благоприятствует образованию тодорокита, также способствует формированию bМnО2 в конкрециях аналогичным способом, что и в юго-западной части Тихого океана.

Локальные вариации минерального состава железо-марганцевых конкреций отмечены рядом исследователей, Кронеи и Тумс обнаружили, что корки с небольших глубин на флангах хребта Карлсберг содержат bМnО2, в то время как рядом расположенные конкреции из более глубоких участков, покрытых осадками, содержат тодорокит. Это различие в минеральном составе может быть обусловлено различным окислительно-восстановительным потенциалом среды формирования. Недавно Хальбах и Озкара описали изменчивость минерального состава конкреций с небольшого участка «рудной зоны» на северо-востоке экваториального пояса Тихого океана, которая, вероятно, связана с изменениями в характере рельефа. Конкреции, расположенные на склонах подводных гор, содержат bМnО2 в качестве главной минеральной фазы, в то время как удаленные от поднятий конкреции богаче тодорокитом. Найдены и разновидности промежуточного состава. Полагают, что обогащенные тодорокитом конкреции в основном росли в осадках, а обогащенные bМnО2 — на поверхности осадков. Различия в окислительно-восстановительном потенциале между поверхностью осадка и его верхними несколькими сантиметрами могут определять различия в минеральном составе конкреций, находящихся в этих условиях.

Из вышеизложенного очевидно, что минеральный состав марганцевых фаз в конкрециях и корках относительно чувствителен к ряду факторов. Среди последних можно отметить окислительно-восстановительный потенциал среды формирования, на который влияют продуктивность органического вещества, скорость седиментации, характеристики придонных вод и т. д. Кроме того, имеют значение природа ассоциирующихся с конкрециями осадков и реакции, в которые последние могут вступать с окисями железа и марганца. Корки с поднятий дна имеют тенденцию к обогащению bМnО2, а конкреции из котловин — к обогащению тодорокитом. Однако существует более или менее постепенный переход между этими двумя конечными членами, причем смесь минералов наблюдается в рудных образованиях, формирующихся в самых различных условиях среды.