Геохимические исследования подводных месторождений

Геохимические исследования подводных минеральных отложений возможны в двух направлениях: 1) аналитическое исследование полученного со дна материала и 2) измерения in situ непосредственно на морском дне. Геохимические методы являются ценным дополнением к прямым и геофизическим методам исследования, вместе с которыми они могут быть использованы для точного определения площадей распространения изучаемых объектов и высококачественных отложений руды там, где другие методы не эффективны.

Анализ полученного со дна материала. Химические анализы образцов с морского дна могут стать вспомогательным средством при поисках всех четырех главных типов подводных минеральных отложений. Геохимические методы основаны на получении и анализе осадков, ассоциирующихся с этими отложениями, и на интерпретации полученных аналитических данных для точного определения местоположения отложений.

При подводных геохимических исследованиях важной является концепция рассеяния. Она основана на наблюдении рассеяния элементов с удалением от большинства подводных минеральных отложений, что может быть использовано как вспомогательное средство для определения местоположения последних. Такое рассеяние может наблюдаться либо в виде латерального перемещения элементов с удалением их от отложений в обломочных фазах, подобных тяжелым минералам и другим частицам, либо посредством миграции элементов через толщу воды в растворе или в тонкодисперсных взвешенных фазах. Каждый способ рассеяния рассматривается отдельно с использованием примеров из различных типов отложений.

а. Россыпные и жильные месторождения. Общая теоретическая предпосылка при проведении геохимических исследований для россыпных отложений и обнажений металлоносных жильных месторождений на морском дне состоит в том, что концентрации металлов, находящихся в осадках в форме отдельных частиц, обычно в виде тяжелых минералов, должны уменьшаться с удалением от месторождения и что при измерении этих пониженных концентраций можно определить их градиенты, направленные к источнику металлов. Естественно, что в литоральной и прибрежной зонах было бы наивным ожидать простых линейных градиентов рассеяния с удалением от источника металлов, и большая часть работы, проделанной по разработке методов геохимического исследования для россыпей, была направлена на выяснение механизма рассеяния металлов относительно таких сложных факторов, как рельеф морского дна, волновое воздействие и характер течений.

Одна из ранних попыток применить геохимические методы исследования при поисках россыпных минеральных отложений была проведена в заливе Маунтс-Бей, Корнуолл. Изучался касситерит, который был эродирован либо из богатых оловом жильных месторождений и старых выработок вблизи побережья, либо из обнажений подводных жил. Тумс и др. обнаружили высокие концентрации олова, уменьшающиеся в тонкой фракции осадков с увеличением глубины и с удалением от берега, причем наиболее высокие концентрации были найдены в небольших заливах. Это позволило предположить, что основным источником олова в осадках залива Маунтс-Бей являются потоки, дренирующие районы прилегающего побережья, а не обнажения подводных жильных месторождений. Однако последующая работа Тумса была направлена на уточнение этого вывода. Было установлено хорошее соответствие между понижением концентраций олова в поверхностных осадках с увеличением рассеяния от берега и поверхностью трехмерного тренда (рис. 81), которая является моделью, ожидаемой в том случае, если основным источником олова является суша. Однако было обнаружено также большое количество образцов, концентрации олова в которых намного превышали рассчитанные значения, что могло указывать на местные его источники. Было выполнено несколько пересечений через предполагаемые области продолжения жил в море и известные зоны минерализации пород фундамента. Результаты пересечения над месторождением Уэрри, выполненного от прибрежной шахты, указывают на увеличение содержаний олова в определенных фракциях осадков, что можно связать с минерализацией коренных пород дна. Однако картина недостаточно ясна, чтобы уверенно говорить об этом.

Йим описал исследования на олово в северном Корнуолле. Поверхностные осадки между мысом Сент-Агнес и Портритом обогащены оловом, что, по-видимому, связано с его выносом из отходов разработки месторождения в море реками. Незначительное обогащение наблюдалось в базальных осадках вблизи предполагаемого продолжения жильного месторождения олова Таунрот, связанного, вероятно, с минерализацией коренных пород.

Myp и Уилки и Myp описали метод разведки россыпных месторождений, разработанный при изыскании россыпей благородных металлов в районе Аляски. Метод основан на определенном элементе и структурных ассоциациях, наблюдающихся в районах обнаружения россыпных минералов В осадках, связанных с морскими платиновыми россыпями, была получена положительная корреляция между V, Ni, Cu, Zn и Mn. а в осадках, связанных с россыпными месторождениями золота, — между V, Fe, Со, Ni, Cu и Zn, Корреляции со структурными параметрами также были очевидными.

На основании изложенной выше информации становится очевидным, что геохимическая разведка россыпных и жильных месторождений на континентальных шельфах имеет большие возможности. Тем не менее рассеяние минералов в виде взвешенной фазы с удалением от месторождения, вероятно, должно быть довольно ограниченным. Такие минералы осаждаются в депрессиях, так как перемещаются по морскому дну, К тому же энергия воли и приливов, вероятно, искажает любое симметричное рассеяние минералов вокруг месторождения и приводит также к их перемешиванию с другими фазами, такими, как песок и ракушняк. Геохимическое исследование аномалий, связанных с россыпными и жильными минералами, следует поэтому проводить с отбором образцов через небольшие интервалы, полагая, что они находятся рядом с месторождением, причем опробование жильных месторождений должно быть сконцентрировано в осадках, непосредственно перекрывающих коренные породы. Следует проявлять осторожность во избежание ложных геохимических аномалий, подобных тем, которые связаны с извлечением металлов из морской воды фазами с высокой адсорбционной способностью (окиси железа и марганца), и тем, которые обусловлены загрязнением в связи с горнодобывающими работами, как это наблюдалось в районе Корнуолла.

б. Фосфориты. Как описывалось ранее, фосфориты могут встречаться в районах континентальных окраин в виде неконсолидированных отложений либо в виде обнажений коренных пород. Применение инструментальных методов для определения их местонахождения на морском дне рассматривается далее, а использование методов прямого опробования для этой цели коротко обсуждается здесь.

Исследования на континентальном шельфе у северо-западного побережья Африки показали, что пластовые фосфориты мелового и третичного возраста обнажаются в различных районах морского дна. Опробование здесь осадков и их последующий анализ показали значительные колебания в со держании фосфора, которые могут быть связаны с обнажениями фосфоритов (рис. 18). Узкий пояс богатых фосфатами осадков, окруженный осадками с пониженным содержанием фосфора, был обнаружен на перегибе шельфа или рядом с ним в различных местах, и по крайней мере в одном случае он простирался вниз до глубины приблизительно 1200 м. Саммерхейс и др. считают, что основным источником фосфора в осадках может быть эрозия обнажений фосфоритовых пород в плейстоцене из-за понижений уровня моря. Этот фосфор, главным образом в виде обломочных зерен фосфоритов песчаного размера, перераспределялся течениями вдоль плейстоценовой береговой линии и стремился концентрироваться либо между обнажениями фосфоритов, либо немного мористее их. Такое распределение видно из сравнения распределения Р2О5 на рис. 18 с расположением отмеченных обнажений фосфоритовых пород.

Эрозия фосфоритовых пород на обнажении и рассеяние обломочного материала с удалением от него дают очевидную перспективу для поисков пластовых фосфоритов на континентальном шельфе. Однако, как видно из рис. 18, нельзя просто измерять градиенты концентраций фосфора и проецировать их в направлении к источнику, предполагая, что фосфор одинаково распределяется вокруг месторождения. Рассеяние обломочных фосфатов на морском дне будет зависеть, так же как и для других обломочных частиц, от волнения, схемы течений и от перераспределения материала во время последних регрессий и трансгрессий моря над районами континентального шельфа в ледниковые периоды. Тем не менее если учесть эти усложняющие картину факторы и принять во внимание знание современной геологической истории изучаемого района шельфа, то распределение фосфора в осадках можно использовать для оконтуривания площадей вероятных обнажений фосфоритовых пород.

в. Металлоносные осадки. При разработке геохимических методов исследования для обнаружения подводных металлоносных осадков гидротермального происхождения использовалось распределение элементов и в морской воде, и в осадках, окружающих рудные тела. Определение геохимических аномалий в морской воде основано, по существу, на процессе рудо-образования, происходящем во время исследования. Геохимические исследования, основанные на анализе донных осадков, наоборот, можно использовать для поисков минеральных отложений, которые сформировались в прошлом, но все еще находятся близко от поверхности раздела осадок — вода.

1. Рассеяние элементов в морской воде. Об исследовании рассеяния элементов в морской воде как вспомогательном методе при поисках подводных минеральных отложений впервые сообщили Холмс и Тумс. Эти исследователи получили про бы морской воды над впадинами Атлантис-II и Hepeyc и вокруг них в Красном море. Они проанализировали эти пробы на содержание растворенных и взвешенных металлов. Влияние рассолов впадины Атлантис-II на уровень концентрации растворенных Fe, Mn, Cu и Zn в придонных водах было очень заметно (рис. 82). Максимальные концентрации этих элементов наблюдались непосредственно над рассолом, и аномалии латерально распространялись на несколько километров к западу. Однако это обогащение не проявлялось над впадиной в поверхностных слоях воды. Данные о растворенных компонентах в придонной воде над впадиной Hepeyc и вокруг нее показали менее заметные пространственные колебания концентраций, но именно в придонном взвешенном веществе были обнаружены аномалии. Резкие максимумы концентраций Fe, Mn и Zn обнаружены над рассолом, а содержания металлов во взвеси оставались повышенными на расстоянии свыше 1,6 км к востоку. Вдоль рифтовой долины Красного моря, южнее впадины Нереус, концентрации растворенных Fe и Zn показывали аномальные значения на расстоянии свыше 24 км. Эти данные указывают на то, что тщательный отбор проб придонной воды через небольшие интервалы в районах подводной гидротермальной деятельности может помочь в обнаружении площадей с высоким содержанием металлов. Однако возможное быстрое перемешивание обогащенных металлами вод с вышележащей морской водой ограничивает вертикальное распространение аномалии и, таким образом, вероятность обнаружения ее по данным для верхних горизонтов воды.

Совсем недавно Луптоиом и др. был описан другой метод, пригодный для геохимического поиска подводных гидротермальных рудных тел. Метод основан на изучении изотопов гелия в Красном море. Эти авторы обнаружили, что в Красном море гидротермальные рассолы обогащены изотопом 3He приблизительно в 3000 раз по сравнению с его содержанием в морской воде, что указывает на то, что гелий может быть чувствительным индикатором гидротермальных эманаций из базальтов океанского ложа. Исходя из этого, измерения изотопов гелия, проведенные в глубоководных пробах морской воды, отобранных в других районах подводного вулканизма, могут быть использованы для обнаружения гидротермальной деятельности.

2. Рассеяние элементов в осадках. Селективное рассеяние металлов в морской воде с удалением от подводного гидротермального рудного тела может оставить в окружающих осадках постоянные химические метки, которые будут иметь большое значение при геохимических поисках отложений. Крупномасштабные примеры такого рассеяния хорошо прослеживаются в осадках, окружающих впадины Атлантис-II и Hepevc в Красном море.

Как описывалось ранее, различные металлоносные осадки являются результатом осаждения металлов во впадине Атлантис-II при смешении горячих металлоносных рассолов с морской водой. К тому же некоторые фазы целиком покидают впадину и осаждаются в окружающих ее осадках. Последний процесс можно проиллюстрировать, если сравнить распределение Fe и Mn в колонках из окружающих впадину осадков. Железом обогащаются и осадки впадины, и отложения, непосредственно прилегающие к ней, причем содержание железа снижается до фоновых уровней уже на расстоянии приблизительно километра от источника. Содержания марганца, наоборот, остаются повышенными в осадках на расстоянии по крайней мере до 10 км от впадины и могут оставаться высокими даже за этой границей. Причины такого селективного рассеяния уже объяснялись. Оба металла окисляются и переходят во взвесь, но более позднее окисление Mn по сравнению с Fe, вероятно, обусловливает более широкое его рассеяние вокруг впадины.

Селективное рассеяние Mn и Fe вокруг впадины Атлантики приводит к образованию ореолов рассеяния этих металлов, как показано на рис. 83. Наличие подобных ореолов имеет большое потенциальное значение при поисках на морском дне основных сульфидных отложений металлов гидротермального происхождения. Сами сульфидные отложения могут быть край не ограниченными по площади, и поэтому если попытаться определить их местоположение по какой-либо сетке опробования, то точки пробоотбора нужно расположить очень близко друг от друга. Однако, когда сульфиды окружены ореолом рассеяния марганца в осадках, во много раз превышающим размеры самого отложения, сначала можно использовать более редкую сеть опробования только для обнаружения ореола рассеяния, после чего можно оконтурить значения марганца, а экстраполированные градиенты концентраций Mn покажут наиболее вероятное положение отложений сульфидов. Затем можно использовать более детальный отбор проб на этой площади. Такой метод был бы наиболее экономным по времени по сравнению с опробованием всего района, представляющего интерес в смысле гидротермальных сульфидов, по мелкомасштабной сетке.

Отчасти для того, чтобы проверить обоснованность концепции ореолов рассеяния, разработанной для исследований в районе впадины Атлантис-II, Смит и Кронен изучали рассеяние металлов с удалением от выходов подводных гидротерм острова Санторин в восточной части Средиземного моря. Было обнаружено, что Mn селективно отделяется от Fe на расстоянии нескольких десятков метров от гидротермального источника (рис. 84) точно так же, как это наблюдается в большем масштабе вокруг впадины Атлантис-II. Железо поступает в больших количествах непосредственно вблизи выходов гидротерм, но быстро окисляется и осаждается. Марганец, напротив, показывает очень низкие концентрации в осадках, непосредственна прилегающих к районам выходов гидротерм, оставаясь в растворе, но с удалением от последних концентрации его увеличиваются, достигая максимума за пределами зоны максимальных концентраций железа.

Как описывалось ранее, исследования осадков вокруг гидротермального поля TAG на Срединно-Атлантическом хребте вблизи 26° с. ш. показали, что па возвышенных участках системы срединно-океанического хребта, где свободно циркулируют придонные воды, простые градиенты рассеяния металлов с удалением от выходов гидротерм, подобные градиентам рассеяния вокруг впадины Атлантис-II, вероятно, не встречаются. В районе TAG большая часть гидротермального марганца осаждается в непосредственной близости от выхода гидротерм, но некоторое количество его, вероятно, выносится последними во взвешенной форме и перемешивается с придонными водами. Этот марганец, по-видимому, осаждается, что приводит к образованию в осадках всего района TAG довольно однообразного обогащения Mn по сравнению со средними его концентрациями в осадках Атлантического океана. Таким образом, в осадках, окружающих гидротермальные центры открытого океана, более типичным может быть общее обогащение марганцем, а не развитие ореолов рассеяния с хорошо выраженными градиентами его концентраций, направленными к гидротермальному источнику, как наблюдалось в более замкнутом районе впадины Атлантис-II.

До сих пор обсуждение примеров рассеяния элементов как самостоятельного средства при геохимических поисках концентрировалось на поведении металлов в валовых образцах осадков. Этот метод особенно эффективен в тех случаях, когда вклад металлов из негидротермальных источников незначителен, как, например, в эксгалятивных зонах у острова Санторин, или когда основным процессом является гидротермальное рассеяние, как в Красном море. Во многих районах подводного вулканизма такие ситуации не наблюдаются. Вдоль большей части мировой системы срединно-океанических хребтов возможное селективное фракционирование металлов в придонном горизонте, описанное ранее, приводит к образованию продуктов только последней стадии этого процесса, которые отлагаются на дне, и поэтому содержание металлов в них, вероятно, будет ограниченно. Кроме того, гребень мировой системы срединно-океанических хребтов почти повсеместно находится выше критической глубины карбонатонакопления, что приводит к аккумуляции большого количества карбонатных осадков, которые будут разбавлять любые продукты гидротермальной деятельности, осаждающиеся здесь. В некоторых районах срединно-океанических хребтов может быть значительным поступление обломочного материала. В таких случаях комбинация ограниченной поставки продуктов гидротермальной деятельности с разбавлением их карбонатной или обломочной фазой может затруднить идентификацию картины рассеяния при использовании только анализов валовых образцов. В этих условиях будет более логичным исследование геохимии фаз, содержащих гидротермальнопривнесенные элементы, а не валовых осадков в целом. Это можно осуществить с помощью селективных методов химического выщелачивания для удаления разбавляющих фаз и концентрирования только фаз, представляющих для нас интерес. В качестве примера можно привести использование разбавленной уксусной кислоты для удаления карбонатной фракции, чтобы исследовать детально любое изменение величины отношения Mn/Fe в остаточной фракции, или экстракцию аутигенной фракции из валового осадка с последующим ее изучением.

При попытке определить ореолы рассеяния гидротермального марганца посредством анализа валовых проб или их нерастворимых остатков, можно столкнуться с проблемой, которая состоит в том, что марганец диагенетического происхождения также может давать вклад в общее его содержание в осадках. Хороший пример последнего можно наблюдать в кальдере острова Санторин. Некоторое количество марганца гидротермального происхождения не попадает в зоны эксгаляций, граничащие с выходами гидротерм, а рассеивается, по-видимому, в виде взвешенной MnO2 внутри кальдеры. Это приводит к несколько повышенным содержаниям марганца в осадках кальдеры по сравнению с осадками открытого шельфа, окружающими Санторин. Однако на этот гидротермальный марганец накладывается дополнительное его количество из осадков в результате диагенетического перераспределения захороненной MnO2 и ее переотложения на поверхности, как описывалось ранее. Простой химический анализ не дает возможности провести Различие между этими источниками марганца. Однако вероятным решением этой проблемы может быть исследование состава окисной фракции самого марганца с помощью метода выщелачивания солянокислым гидроксиламином. Двуокись марганца гидротермального происхождения будет, вероятно, захватывать из морской воды некоторое количество малых элементов, особенно цинка, что должно найти отражение в составе малых элементов растворимой в солянокислом гидроксиламине фракции осадков. Известно, что двуокись марганца диагенетического происхождения, наоборот, может быть значительно обеднена малыми элементами, так как большая часть нормально осажденных металлов остается в осадках, вероятно, в составе сульфидов или органических комплексов. Таким образом, посредством анализа на малые элементы растворимой в солянокислом гидроксиламине фракции поверхностных осадков, вероятно, можно определить источник MnO2. Однако если марганец поступает из двух или более источников, то этот метод, по-видимому, не будет эффективным, и единственным выходом может стать получение осадочных колонок, а не поверхностное опробование, для того чтобы можно было проверить захороненные осадки по непосредственным признакам восстановления и перераспределения марганца.

Кроме железа и марганца при геохимических поисках подводных гидротермальных рудных тел потенциальную ценность имеют также и другие элементы. Ртуть является элементом, который широко используется при геохимических поисках на суше, и именно этот элемент имеет широкий ореол рассеяния вокруг впадины Атлантис-II. Другим элементом, потенциально важным в этом отношении, является мышьяк. Однако распределение этих и других элементов вокруг подводных гидротермальных отложений может усложняться за счет извлечения их из морской воды окисями железа и марганца, и это следует учитывать при оценке их использования в геохимических исследованиях.

Большим преимуществом анализа осадков по сравнению с другими методами при поисках подводных гидротермальных рудных тел является то, что такой анализ может помочь обнаружить в некотором смысле качественные высокорудные отложения, что невозможно с помощью других методов, а если использовать анализ на борту судна, то можно получать результаты в процессе проведения исследований. Кроме того, использование этого метода не ограничивается только определением местонахождения отложений, формирующихся в настоящее время, но в равной мере применимо и для обнаружения, вероятно, более многочисленных отложений, сформированных ранее, но все еще находящихся на поверхности морского дна. Лучшим примером последнего, по-видимому, являются осадки Красного моря, где иногда высокие концентрации металлов в осадках не связаны ни с рассолами, ни с современной вулканической деятельностью. Такие отложения могут быть определены только при анализе донных осадков.

г. Железо-марганцевые конкреции. К геохимическому поиску железо-марганцевых конкреций нельзя подходить так же, как к поиску других подводных минеральных отложений, так как конкреции не образуют ореолов рассеяния, которые можно использовать для их обнаружения. В отличие от россыпей и фосфоритов на них не воздействуют процессы механического перераспределения, которые могли бы фракционировать их на отдельные фазы и рассеивать вокруг отложения. Несмотря на то что в их формировании могут участвовать гидротермальные растворы, они не являются и аналогами типичных отложений Красного моря, с которыми связаны ореолы рассеяния. Действительно, как упоминалось ранее, любой гидротермальный привнос в конкреции, вероятно, может быть результатом влияния остаточных растворов подводной гидротермальной системы. Геохимические поиски рудных железо-марганцевых конкреций должны основываться поэтому либо на опробовании по сетке и программе анализов в конкрециеносных районах, либо на методе прогнозирования, предполагающем глубокий анализ факторов, приводящих к обогащению осадков ценными металлами.

Методы опробования по сетке успешно использовались при оконтуривании на дне потенциальных рудных месторождений железо-марганцевых конкреций. Существует, однако, проблема в выборе наиболее эффективных для опробования интервалов сетки. Ленобл описал статистический метод для ее решения, из которого следует, что для полной характеристики конкрециеносных районов необходим отбор образцов с интервалами около 2 км. Феллерер описал многофазовый метод для поисков конкреций, используя в качестве модели северо-восточную часть экваториальной зоны Тихого океана. На основании пробоотбора и других операций около 10% этой площади было выбрано для детального исследования и примерно 2,5% — для интенсивных поисков. На последнем участке для изысканий был использован трехэтапный метод. Первый этап включал батиметрические и сейсмические исследования с использованием батиметрической сетки 5,6х14,8 км и несколько большей Для сейсмопрофилирования. После картирования около 50 % этой площади было признано годной для опробования, которое проводилось посредством отбора нескольких образцов в каждой точке по приблизительно 5,6-километровой сетке. И наконец,, на третьем этапе около 25% площади, изученной на первом этапе, было выбрано для обследования с помощью подводного телевидения.

Метод прогнозирования для поисков конкреций опирается на возможность определения факторов, особенно условий осадконакопления, которые приводят к концентрированию металлов в конкрециях до рудных содержаний, и на расчет, где и до какой степени эти факторы могли превалировать в океанах в целом. С помощью этого метода ученые пытаются предсказать вероятное местонахождение конкреций с рудными концентрациями металлов. Факторы, приводящие к обогащению конкреций металлами до рудных содержаний в северо-восточной части экваториальной зоны Тихого океана, уже обсуждались. Мы думаем, что такие концентрации образуются в результате поступления металлов из поверхностных вод при осаждении органических остатков и их диагенетического захвата конкрециями после освобождения металлов при разложении органического вещества. Важно в настоящем контексте то, что знание процессов, приводящих к образованию этих рудных конкреций, и соображения о том, где еще подобные процессы могут иметь место, позволяют определить другие районы, в которых возможно образование высококачественных конкреций. С помощью этого метода была выделена центральная часть Индийского океана как возможный) район распространения высококачественных конкреций на основании его сходства с северо-восточной частью экваториальной зоны Тихого океана.

Очень важным фактором в геохимических исследованиях при определении условий осадконакопления, наиболее благоприятных для образования высококачественных железо-марганцевых конкреций, является знание глубины, выше которой растворяется карбонат кальция. Как описывалось ранее, в некоторых районах конкреции обнаруживают максимальную продуктивность и являются наиболее высококачественными в узком интервале глубин, которые совпадают с лизоклином, где происходит максимальное растворение органического вещества и захват металлов образующимися конкрециями. Известно, что положение лизоклина находится в пределах нескольких сотен метров в большей части океанов, но может варьировать в этих границах, что зависит от местных условий. Для того чтобы точно зафиксировать его положение, необходимо получить образцы осадков для анализа на CaCOs через короткие интервалы в пределах возможных глубин лизоклнна. Содержание CaCO3 в осадках будет уменьшаться с глубиной, и путем построения графика зависимости первого от второго можно установить интервал глубин максимального растворения и сосредоточить здесь поиски конкреций.

Несмотря на отсутствие какого-либо рассеяния вокруг конкреций, важным при поисках является то, что существует по крайней мере один способ, при котором исследование осадков, вмещающих конкреции, может помочь в определении состава последних. Это — изучение состава их микроконкрециионной фракции. Микроконкреции, выделенные из осадков, вмещающих рудные конкреции в северо-восточной части экваториальной зоны Тихого океана, исследовались Фридрихом, который обнаружил, что обогащение Ni и Cu микроконкреционной фракции осадков соответствует обогащению этих элементов в конкрециях, Однако трудоемкая по времени методика подготовки образца к анализу препятствует использованию этого метода в качестве поискового.

Кронен и Мурби (не опубликовано) использовали другой подход к решению проблемы определения состава микроконкреционной фракции вмещающих осадков. Они применили метод выщелачивания вмещающих осадков солянокислым гидроксиламином, описанный ранее, и сравнили состав восстанавливаемой фракции двуокиси марганца в осадках с составом целых конкреций и составом их восстанавливаемой фракции. Этот метод был использован в связи с тем, что такие ценные металлы, как Ni и Cu, концентрируются в конкрециях в восстанавливаемой фракции двуокиси марганца. Методологический принцип этой работы состоит в том, что окисные фазы марганца конкреций и вмещающих осадков могут быть похожи по составу, если они образовались в результате одинаковых процессов, и поэтому селективный анализ осадков может дать сведения о составе ассоциирующихся с ними конкреций. Это исследование показало, что действительно наблюдается связь между некоторыми элементами, определенными в одних и тех же фракциях конкреций и осадков. Однако имеется слишком мало образцов конкреций и вмещающих осадков, проанализированных для одних и тех же станций, чтобы сделать заключение о ценности этого метода в качестве средства поиска, и требуется больше работ, чтобы оценить его пригодность для этой цели. Значительной проблемой при попытке использовать взаимосвязи конкреция — осадок для поисков или каких-либо других целей является, как упоминалось в ранее, тот факт, что конкреции и вмещающие осадки, вероятно, часто могут быть неодновозрастными. Это может объяснить неудачи большинства исследователей, проводивших такие работы.

Метод поисков конкреций, основанный на анализе вмещающих осадков, конечно, не использовался бы, если бы было возможным составить программу опробования морского дна для получения самих конкреций и их дальнейшего анализа. Его применение было бы полезным при определении районов, интересных в смысле поисков железо-марганцевых конкреций, по существующим коллекциям осадков.

Анализ in situ. Во избежание необходимости получения большого количества донных образцов для анализа при подводных геохимических исследованиях несколько авторов предложили анализ морского дна in situ с использованием ядерных методов. Преимущества такого подхода очевидны. Если можно получить непрерывную запись состава осадков при помощи донного анализатора, то геохимические карты можно построить в процессе проведения морских изысканий, значительно сэкономив время по сравнению с обычными методами опробования, анализа и обработки данных. Тем не менее частичное опробование дна будет необходимо всегда для контроля инструментальных результатов. В двух предложенных методах анализа in situ измеряют естественную радиоактивность осадков и наведенную радиоактивность; источником при этом служит калифорний-252.

а. Измерение естественной радиоактивности Некоторые минералы в морских осадках достаточно радиоактивны для того, чтобы можно было использовать это свойство для их определения. Уран, торий и продукты их распада встречаются в некоторых тяжелых минералах и в фосфоритах. Например, комплексы тяжелых минералов, которые содержат монацит, эпидот, сфен и циркон, часто концентрируют торий и его дочерние продукты, тогда как в отложениях фосфоритов, как описывалось ранее, могут концентрироваться уран и его дочерние продукты.

Применение измерений естественной радиоактивности in situ при поисках фосфоритов было впервые описано Саммерхейсом и др. Эти исследователи разработали сцинтилляционный счетчик, пригодный для использования под водой, который измерял общую радиоактивность морского дна, причем детектор (кристалл иодистого натрия) помещался в подводном контейнере (рис. 85). Гамма-спектральный анализ отложений на площадях, обогащенных фосфоритами, у побережья Северо-Западной Африки показал, что повышенные уровни радиоактивности были обусловлены ураном и продуктами его распада, присутствующими в фосфоритах. Рекогносцировочное исследование с использованием гамма-спектрометра показало его пригодность для определения колебаний радиоактивности морского Дна, которые могли быть связаны с наличием обнажений фосфоритовых пород и фосфоритовых осадков.

Ноукс и др. описали приборы, с помощью которых можно измерять и различать естественную радиоактивность урана, связанного с фосфоритами, и тория, связанного с тяжелыми минералами. Одна из систем, смонтированная на буксируемых салазках, содержала четыре гамма-детектора, состоящие из активированных таллием кристаллов йодистого натрия, и использовалась для определения общей естественной радиоактивности участков морского дна. Сигналы с детекторов после суммирования и усиления подавались на двухканальный самописец для получения энергетического спектра у-излучения. Чтобы идентифицировать отдельные изотопы и различить продукты распада тория и урана, использовалась дополнительная статическая система, в которой применялся Ge(Li)-детектор. Испытания буксируемых гамма-детекторов показали, что на морском дне можно было определить материал, дающий у-излучение. Этот материал впоследствии был отождествлен с тяжелыми минералами, образующими пески и алевриты. Испытания статической системы с Ge(Li)-детектором позволили различить гамма-спектры тяжелых минералов и фосфоритов.

Вероятно, самый совершенный буксируемый гамма-спектрометр для измерения естественной радиоактивности на морском дне был описан Миллером и Симонсом, Миллером и др. Зонд для регистрации у-излучения, содержащий кристалл NaI(Tl), вставлялся в длинную гибкую трубу («угорь») (рис. 86), которая сводила до минимума возможность зацепления прибора за что-либо на дне и потерю его. Система непрерывно регистрирует общую радиоактивность и спектральные линии калия, урана и тория при скорости судна до семи узлов. Нормальная работа спектрометра зависит, очевидно, от задней части «угря», в которой расположен детектор, находящийся в контакте с морским дном. Для выполнения этого условия необходимо регулировать длину кабеля, соединяющего «угорь» с судном, чтобы компенсировать изменения в глубине дна и скорости судна. «Угорь» можно буксировать в течение 24 ч, после этого его следует вынуть для осмотра на случай каких-либо повреждений. Между профилями «угорь» буксируется в нескольких метрах от дна, что дает возможность проводить измерение «фонового» у-излучения морской воды. Эту систему можно использовать не только для определения на дне минералов, содержащих радиоактивные элементы, но в значительной мере и для геологического картирования морского дна. Различные породы и осадки обладают характерными спектрами радиоактивности и отношениями радиоактивных элементов, которые можно непрерывно определять и оконтуривать. Полученные таким образом карты отражают геологию морского дна и могут служить основой для критического выбора точек при опробовании донного материала; тем самым обеспечивается максимальная представительность образцов и сводится к минимуму общее количество проб, необходимых для того, чтобы охарактеризовать какой-либо район морского дна.

б. Исследовaния с применением радиоизотопа калифорний-252. Одним из самых первых методов, предложенных для анализа морского дна in situ, был метод облучения его с помощью искусственного изотопа 252Cf. Сенфтл и др. проводили эксперименты, чтобы показать возможность применения нейтронно-активационного анализа in situ на морском дне с источником 252Cf с последующей регистрацией у-излучения нейтронного захвата Ge(Li)-детектором. 252Cf спонтанно расщепляется (период полураспада 2,6 года) и может обеспечить постоянный поток нейтронов.

Разработка на этом принципе системы нейтронно-активационного анализа in situ специально для поиска железо-марганцевых конкреций была описана Ланге и Биманном. Она предназначена для измерения вторичного у-излучения, вызванного потоком нейтронов от источника 252Cf, которое регистрируется Ge(Li)-детектором, как описывалось выше. Генерируется спектр, в котором измеряется высота характеристических линий каждого элемента и определяются концентрации элементов. Система сконструирована таким образом, что ее можно смонтировать на салазках, которые опускаются на морское дно. Всасывающее устройство собирает конкреции, которые подаются по трубе в сепаратор, где они очищаются от глинистого и другого постороннего материала. После очистки конкреции поступают в камеру для анализа, и полученные данные передаются на судно.