Происхождение железо-марганцевых конкреций

Происхождение железо-марганцевых конкреций представляет собой не одну, а три проблемы. Во-первых, источники элементов в конкрециях следует считать частью более общей проблемы поступления элементов в Мировой океан, обзор которой уже был сделан ранее. Во-вторых, необходимо понять механизмы поступления этих элементов к месту реакции, т. е. к поверхности раздела вода — осадок, или к специфическим участкам внутри колонки осадков. В-третьих, никакое действительное знание о происхождении конкреций не может быть достигнуто без понимания механизмов осаждения и роста, в результате которых идет их формирование. Первые две проблемы обсуждаются в данном разделе, в то время как третью лучше рассмотреть после обсуждения текстур конкреций и скоростей их роста.

Источники элементов. В течение многих лет велась дискуссия между последователями Меррея, который считал, что элементы в конкрециях и корках происходят в основном из продуктов подводного вулканизма, и последователями Ренара, полагавшего, что они поступают главным образом с континентальным стоком. Однако в 50—60-х годах нашего столетия общее мнение стало склоняться к идее, что в конкрециях могут накапливаться металлы не только из вулканических и континентальных источников, но также, возможно, из космических источников и в результате диагенетического перераспределения элементов в колонке осадков. Это привело Кронена к выводу, что элементы из любого источника могут быть потенциальным компонентом железо-марганцевых конкреции и что, следовательно, проблема не в том, чтобы установить единственный источник элементов в конкрециях, но в том, чтобы различить конкреции, содержащие элементы из различных источников.

Бонатти и др. попытались создать качественную классификацию рудных образований, сложенных железо-марганцевыми окисями, на основе различных потенциальных источников элементов. Были выделены гидрогенные, гидротермальные, гальмиролитические и диагенетические разности. По определению в гидрогенных образованиях элементы накапливаются путем медленного осаждения из обычной морской воды (осадочные Fe и Mn), при этом предпочтительнее предложенный Ренаром механизм формирования конкреций. Гидротермальные образования определены как состоящие из элементов, поступающих на морское дно в результате гидротермальной деятельности в областях высокого теплового потока, обусловленного вулканизмом. Этот механизм впервые предложил Гумбель. В гальмиролитических образованиях элементы — по крайней мере частично — происходят за счет подводного изменения (гальмиролиза) базальтового материала на морском дне, что соответствует механизму формирования конкреции, предложенному Мерреем. Диагенетические образования характеризуются тем, что содержащиеся в них элементы частично поступают при их постседиментационном перераспределении в осадочной колонке — механизм, впервые предложенный Мерреем и Ирвином.

Классификация Бонатти и др. полезна тем, что фокусирует внимание на «конечных членах» совокупности конкреций и корок. В то же время ее трудно использовать, поскольку подавляющая часть этих образований содержит металлы, поступающие не из одного, а из нескольких возможных источников, а образования, сформировавшиеся различными путями, например гидротермальные и диагенетические, могут иметь сходный состав. Более того, во многих случаях невозможно различить элементы, поступившие, например, в результате гальмиролиза или выветривания на континентах, поскольку в обоих случаях они проходят через обычную морскую воду. Относительная важность различных источников элементов для конкреций и корок, видимо, меняется в зависимости от расположения рудных образований относительно этих источников. Таким образом, если требуется выяснить генезис рассматриваемых образовании, то важно исследовать их связь с условиями формирования.

Элементы, содержащиеся в морской воде в результате поступления их как в растворенном, так и во взвешенном виде с континентов, а также вследствие широко развитого процесса гальмиролиза продуктов подводного вулканизма, вероятно, играют наиболее важную роль в формировании железо-марганцевых конкреций и корок. Время пребывания большинства важных для конкреций элементов в морской воде достаточно велико, поэтому они хорошо перемешаны в океане. Таким образом обеспечивается их относительно однородное поступление (за счет механизмов экстракции) на морское дно в результате различных процессов, которые рассматриваются в следующем разделе. Однако некоторые элементы, поступающие с континентов в большом количество и имеющие короткое время пребывания в морской воде, например железо, могут обогащать рудные образования, формирующиеся вблизи континентальных окраин или в районах большого поступления терригенного обломочного материала.

Космические источники элементов, особенно никеля, считаются обычно несущественными, тем не менее они относительно постоянны в поставке элементов в конкреции на океанское дно вследствие сравнительного постоянства поступления космического вещества в океаны.

Важным источником металлов являются процессы диагенеза, ведущие к перераспределению элементов в осадочной колонке, поступивших на морское дно из различных источников. Его роль, вероятно, особенно значительна там, где в осадках существуют резкие градиенты химического состава. Одним из лучших примеров подобного процесса является диагенетическая мобилизация марганца. Хорошо известно, что в тех районах, где ниже границы раздела вода — осадок преобладают восстановительные условия, Mn4+ в минералах двуокиси марганца редуцируется при захоронении до Mn2+, который растворяется в иловых водах осадков. Затем он мигрирует вверх, окисляется в окислительных условиях верхней части осадков и опять осаждается в виде двуокиси марганца. Таков циклический процесс, ведущий к непрерывному обогащению марганцем верхней части осадочной колонки во многих озерах и районах континентальных окраин, где восстановительные условия встречаются на небольшой глубине от поверхности осадков. Однако Элдерфилд на основе моделей реакций вертикальной адвекции и диффузии рассчитал, что диагенетическая мобилизация марганца из захороненных восстановленных осадков, вероятно, только тогда играет важную роль в привносе марганца на поверхность, когда восстановленные осадки перекрыты слоем окисленных осадков мощностью менее 20—30 см. Более того, Бендер на основе модели диффузии рассчитал, что марганец не может мигрировать сквозь толщу окисленных осадков, найденных в пелагических областях, и тем самым играть заметную роль в аккумуляции этого элемента на границе раздела вода — осадок. Таким образом, направленная вверх миграция марганца из глубоко захороненных осадков, вероятно, не существенна для привноси этого элемента в пелагические конкреции, хотя, видимо, и играет важную роль в его привносе в конкреции, формирующиеся па континентальной окраине, а также в прибрежных и озерных районах.

Роль вулканической активности в привносе металлов в конкреции и корки вызывает наибольшую дискуссию. Как было отмечено ранее, речь идет здесь не об одном, а по меньшей мере о трех возможных источниках. Во-первых, существует прямой гидротермальный привнос элементов па морское дно подводными горячими источниками. При этом элементы поступают или из магматических источников, или в peзультате высокотемпературного взаимодействия морской воды с остывающей лавой. Во-вторых, происходит низкотемпературное изменение базальтов (гальмиролиз) па морском дне, которое уже рассматривалось. Естественно, между этими двумя процессами существует широкий спектр переходных процессов, варьирующих по скорости и природе поступления элементов на морское дно. В-третьих, происходит прямое включение вулканических обломков в формирующиеся конкреции, наиболее развитое в областях подводного вулканогенно-обломочного осаждения и приводящее к обогащению рассматриваемых образований некоторыми элементами, такими, как хром и кремнии. Определить, в какой пропорции поступают элементы в рудные образования из этих различных вулканических источников, действительно очень трудно.

Низкотемпературное изменение подводных базальтов следует ожидать в тех местах, где на морском дне имеются обнажения вулканических пород, хотя эта возможность находится в противоречии с периодическими находками свежих подводных базальтов сравнимого возраста. Полностью оценить количественно важность гальмиролиза в привносе металлов в конкреции и корки невозможно, хотя Варенцов и установил на основе экспериментов по выветриванию вулканического материала, что в данном случае этот процесс не менее важен, чем континентальный сток.

Значительно проще оценить влияние подводной гидротермальной деятельности на привнос элементов в формирующиеся конкреции и корки. Имеющиеся доказательства позволяют предполагать, что ее роль в этом процессе довольно ограничена в отличие от вероятного вклада в общее содержание марганца в морской воде. Данные, приведенные далее, показывают, что железо и марганец гидротермального происхождения осаждаются последними в процессе селективного гидротермального фракционирования, когда большинство других элементов уже осадилось. Можно ожидать, что в окислительных условиях, при которых формируются железо-марганцевые конкреции, вся масса железа и марганца осядет недалеко от места разгрузки гидротермальных растворов па морское дно. Более того, на очень коротком расстоянии Fe и Mn будут заметно фракционированы как друг от друга, так и от малых элементов. В большинстве же крупных полей конкреций наблюдается противоположная картина. Например, гидротермальные окиси марганца в гидротермальном поле TAG на Срединно-Атлантическом хребте тесно связаны с выводными каналами гидротермальных растворов и обеднены малыми элементами. И в районе FAMOUS на Срединно-Атлантическом хребте Хоффер и др. обнаружили, что гидротермальные окиси железа и марганца тесно ассоциируются с другими гидротермальными образованиями вблизи выводных каналов. При этом железо и марганец фракционированы раздельно, и в рудных скоплениях содержатся низкие концентрации малых элементов, обычно обогащающих конкреции. Эти образования сильно отличаются по составу от более обычных железо-марганцевых корок па расположенных рядом выходах базальтов.

Механизмы транспортировки и экстракции. Каким бы ни был источник потенциальных компонентов конкреций и корок, требуется некий механизм для транспортировки их к местам реакций, где они могут быть извлечены формирующимися железо-марганцевыми окисями. Как и в случае источников элементов, данный вопрос является частью более широкой проблемы привноси элементов на морское дно, которая в общем виде рассмотрена ранее. Однако было предложено несколько специфических механизмов для привнося элементов в формирующиеся рудные образования.

Наиболее обычным механизмом транспортировки марганца и ассоциирующихся с ним элементов к границе раздела вода — осадок является нормальный процесс океанской циркуляции и смешения вод, В последние годы стало особенно очевидно, что различные водные массы в океане обладают специфическими свойствами. Они могут влиять на состав конкреций и корок, осаждающихся из них. Железо-марганцевые окиси, формирующиеся в областях, где донные осадки смыты сильными течениями, например на вершинах некоторых подводных гор, относятся к образованиям, которые, наиболее вероятно, получают элементы в основном в результате простого химического извлечения их из морской воды.

Согласно Меррею и Бреверу, извлечение железа и марганца из морской воды зависит or формы, в которой существуют металлы. Оба элемента могут находиться в виде коллоидов, или ассоциироваться с тонкозернистыми глинистыми минералами, или существовать в различных растворенных формах.

Небольшой размер коллоидных и взвешенных фаз гарантирует, что они останутся во взвеси в течение длительного времени, пока не слипнутся в частицы большего размера или не примут участия в биологических процессах, таких, как образование фекальных пеллет. Адсорбция органического вещества может оказывать влияние на устойчивость коллоидных форм железа и марганца. В насыщенной кислородом морской воде железо находится в трехвалентном состоянии, следовательно, оно, по существу, нерастворимо. Однако представляется, что в океане находится больше железа, чем следовало бы ожидать только из соображений его растворимости. Предполагается, что большая часть этого железа представлена очень тонкими взвешенными частицами, не отличимыми от растворенного железа при имеющихся методиках фильтрования, Meppeй и Бревер заметили также, что, согласно термодинамическим расчетам, марганец должен существовать в морской воде в четырехвалентном состоянии Ii в виде MnO2, т. е. он должен быть почти нерастворимым. Однако они сообщают, что в большинстве экспериментальных работ установлено существование марганца в морской воде в основном в двухвалентном состоянии, верхний предел растворимости которого может контролироваться формированием MnCO3.

Адсорбция — это механизм, часто предполагаемый для извлечения малых элементов из морской воды при образовании железо-марганцевых окисей на основе корреляций между концентрациями некоторых элементов или их групп и марганцем или железом. Голдберг предположил, что элементы адсорбируются на взвешенных фазах либо железа, либо марганца в зависимости от соотношения между плотностью заряда на поверхности адсорбции и на адсорбируемом ионе. Противоположные заряды притягиваются, поэтому отрицательно заряженная MnO2 должна притягивать положительно заряженные ионы и наоборот для положительно заряженных окисей Fe. Меррей и Бревер сообщили об экспериментальных данных, из которых следует, что окиси марганца и железа могут удалять значительные количества рассеянных металлов из морской воды. При этом MnO2 вдвое или втрое эффективнее, чем окиси железа. Однако недавние исследования зарядов окисей марганца и железа в морских условиях указывают на то, что заряды варьируют в зависимости от природы среды осаждения и что это может заметно влиять на адсорбционную емкость окисей.

Другим механизмом извлечения металлов из морской воды и транспортировки их на дно является биологическое удаление. Корренс предположил, что марганец мог бы извлекаться из морской воды фораминиферами, переноситься па глубину после смерти организмов и поступать в придонные воды при растворении раковин. Известно, что многие металлы обогащают комплексы планктонных организмов и также могут поступать на дно после их смерти. Полагают, что именно этот механизм особенно важен в обогащении некоторыми металлами конкреций в областях высокой биологической продуктивности. Некоторые авторы предположили, что в формировании конкреций определенную роль могут играть бактерии. Этот вопрос обсуждается при рассмотрении механизмов роста конкреций и корок.