Региональная геохимическая изменчивость и образование конкреционных руд в Тихом океане

Впервые региональные колебания состава тихоокеанских конкреций и корок в масштабе всего океана были описаны Mepo и Скорняковой и др. Следуя, классификации Менарда, Mepo выделил четыре типа рудных образовании: железистые конкреции, обнаруженные в отдельных районах южной и западной частей Тихого океана и около Центральной Америки; марганцовистые конкреции, обнаруженные в отдельных районах восточной части Тихого океана; обогащенные медью и никелем конкреции центральной и восточной частей Тихого океана; обогащенные кобальтом конкреции, сконцентрированные на поднятиях рельефа в центральной, южной и западной частях Тихого океана. Кронен подтвердил эти наблюдения на основе дополнительных данных и подразделил Тихий океан по составу конкреций на ряд обширных районов (табл. 11). Среди других авторов, описавших региональную геохимию тихоокеанских конкреций, следует указать Прайса и Калверта, Гуделла и др., Хорна и др., Пайпера и Уильямсона, Аррениуса и др. и Калверта. Данные о региональной изменчивости концентраций отдельных элементов в тихоокеанских конкрециях указывают ка то, что марганец обычно больше обогащает конкреции в восточной части океана, особенно на континентальном бордерленде, где диагенетическая мобилизация погребенного марганца и его отделение от других элементов имеют важное значение; в западном направлении обогащение марганцем уменьшается (рис. 45). Поведение железа во многом отличается от поведения марганца. Его концентрации обычно низки в конкрециях восточной части Тихого океана, за исключением некоторых приконтинентальных участков, и возрастают в западном и юго-западном направлениях. Они высоки также и на некоторых хребтах. Региональная изменчивость малых элементов в тихоокеанских конкрециях не зависит от изменчивости главных элементов, хотя в абиссальной обстановке и наблюдается определенная корреляция между ними. Ni, Cu, Mo и Zn обогащают марганцовистые конкреции восточной части Тихого океана, за исключением конкреций континентального бордерленда. Особенно велики концентрации этих элементов в пелагических конкрециях северо-восточной части экваториальной зоны Тихого океана, а Ni обогащает также конкреции отдельных районов на юго-востоке океана (рис. 46). Их концентрация убывает в южном и западном направлениях и достигает минимума на поднятиях рельефа. Содержание Co, Pb, Sn, Ti и V обычно варьирует в соответствии с содержанием железа, но иногда и не зависит от него, Co и Pb достигают максимальных концентраций на подводных горах в западной и южной частях Тихого океана (рис. 47).

Другой подход к региональной геохимии тихоокеанских конкреций и корок был продемонстрирован Хоуэртом и др. Эти авторы применили вычислительную программу, основанную на способе нелинейного отображения, к геохимическим данным о тихоокеанских железо-марганцевых конкрециях, опубликованным Mepo и Кроненом. Было использовано 212 анализов, по которым образцы были классифицированы на 6 групп по содержанию Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Pb и Ti (табл. 12). При этом выяснилось, что четыре группы (1—4) образуют части явно однородной популяции на нелинейном графике (рис. 48), а группы 5 и 6 четко отделяются от них. Нелинейное отображение свидетельствует о существенной изменчивости состава образцов, при этом содержание Mn возрастает от группы 1 к группе 6, максимальные концентрации Fe, Co, Pb и Ti приурочены к группе 2, а содержания Ni и Cu достигают максимума в группе 5 (табл. 12), что подтвердило предыдущие наблюдения над ассоциациями элементов в рудных образованиях. На карте Тихого океана (рис. 49) региональное распределение образцов, относящихся к этим шести группам, указывает на определенную зависимость от их местонахождения. Образцы группы 6, обогащенные Mn, тяготеют к приконтинентальным областям Северной и Южной Америки; образцы группы 5, обогащенные Mn, Ni и Cu, распространены в широтно вытянутом поясе, расположенном в восточной части Тихого океана вдоль 10° с. ш.; образцы группы 2, обогащенные Fe, Co, Pb и Ti, сконцентрированы в западной части Тихого океана и на отдельных участках его южной зоны. Эти результаты подтверждают наблюдения предыдущих исследователей, основанные на закономерностях распределения отдельных элементов, и еще раз показывают, что региональная геохимия тихоокеанских конкреций в основном отражает более или менее непрерывный спектр вариаций элементов, который, однако, приближается к региональным группировкам элементов, предложенным предыдущими исследователями. Этот метод можно было бы применить для последования других океанов, особенно в сравнении с тихоокеанскими данными, для того чтобы очертить участки, содержащие «конкреционные руды» группы 5.

Абиссальные конкреции. Региональные вариации состава абиссальных конкреций Тихого океана описаны Прайсом и Калвертом. Используя данные Mepo, Барнса и Кронена, эти авторы заметили существование региональных вариаций отношения Mn/Fe и некоторых малых элементов в абиссальных железо-марганцевых конкрециях Тихого океана. В последующих работах эти тенденции были еще более усилены (рис. 45—47). Кроме того, Калверт и Прайс изучили более ограниченный набор конкреций и ассоциирующихся с ними осадков из восточной и центральной частей Тихого океана с помощью факторного анализа и нашли, что конкреции следует разделить на две группы. Конкреции из северных тропиков имеют высокий вес факторов для Mn, Mg, Ba, Cu, Mo, Ni и Zn, в то время как разности из центральной частя южно-экваториального района имеют повышенный по сравнению со средним вес факторов для Fe, Ti, P1 Ca, As, Co, Pb, Sr, Y и Zr. В обогащенных марганцем конкрециях отмечается высокое отношение Mn/Fe и высокие концентрации малых элементов, ассоциирующихся с Мn-фазой — тодорокитом. Обедненные Mn конкреции обладают отношением Mn/Fe около 1 и более высокими, чем средние, концентрациями малых элементов, ассоциирующихся с Fe-фазой, и содержат bMnO2 в качестве главного марганцевого минерала. Между этими конечными членами существуют постепенные переходы.

Наблюдения, сходные с данными Калверта и Прайса, были сделаны над конкрециями с небольших участков дна Тихого океана и даже над отдельными конкрециями. Рааб заметил, что дисковидные конкреции из тихоокеанской «рудной зоны», которые, как полагают, оставались in situ на протяжении большей части своей истории роста, обогащены Fe, Co и Pb на верхней поверхности и Mn, Ni, Cu, Mo и Zn — на нижней. Верхние поверхности содержат bМnO2, а нижние — тодорокит. Как уже отмечалось, некоторые исследователи, например Фьюкс, Гринслейт, Калверт и Прайс, проинтерпретировали эти наблюдения как доказательство преимущественного осаждения металлов из морской воды на верхние поверхности конкреций, а из иловых вод в результате диагенетической мобилизации — на нижние.

Из данных, приведенных в двух предыдущих разделах, следует, что в Тихом океане железо-марганцевые окиси, представленные в основноси bМnО2, осаждаются из морской воды, а представленные тодорокитом — из подстилающих осадков в результате диагенеза. Конечный член ряда, связанный с осаждением из морской воды и имеющий отношение Mn/Fe около 1, лучше всего представлен конкрециями с океанских подводных гор. Эти конкреции растут на свободных от осадков поверхностях горных пород. Напротив, диагенетический конечный член ряда с высоким отношением Mn/Fe, вероятно, лучше всего представлен погруженными в осадок рудными конкрециями на северо-востоке тропической зоны Тихого океана, обогащенными Mn, Ni и Cu. Между этими конечными членами существуют промежуточные разности, которые получают слагающие их компоненты из обоих источников в различных пропорциях.

Компонент, получаемый тихоокеанскими конкрециями из морской воды, вероятно, достаточно однороден по составу в масштабе всего океана. Об этом свидетельствует относительно слабая вариация отношения Mn/Fe в конкрециях с подводных гор независимо от их расположения. Следовательно, вариации отношения Mn/Fe в валовом составе абиссальных конкреций Тихого океана должны быть в основном обусловлены вариациями скорости привноса диагенетически мобилизованного марганца в эти образования, что в свою очередь влияет на содержание в них малых элементов.

Факторы, влияющие на скорость привноса диагенетически мобилизованного марганца в абиссальные конкреции, явились предметом многих исследований. Высокие скорости накопления осадков хорошо известны в областях континентальных окраин и, как уже отмечалось, приводят к сохранению органического вещества в осадках. Постседиментационное окисление и распад органического вещества ведут к диагенетической редукции и мобилизации марганца, который мигрирует к поверхности осадков, формируя конкреции с высоким отношением Mn/Fe. Прайс и Калверт предположили, что быстрая седиментация в абиссальных областях также должна привести к сходному эффекту. Поэтому можно ожидать, что абиссальные конкреции с высоким отношением Mn/Fe распространены в областях с быстрой седиментацией. Однако в дальнейшем было показано, что это отношение является высоким и в областях с очень медленной седиментацией. Следовательно, скорости седиментации сами по себе не могут объяснить колебания отношения Mn/Fe в абиссальных конкрециях Тихого океана.

Ряд авторов обсуждали вариации отношения Mn/Fe и содержания малых элементов в тихоокеанских конкрециях, учитывая биологическую продуктивность в вышележащих поверхностных водах. Предположение Корренса, Аррениуса, Гринслейта и др., что осаждающиеся органические остатки транспортируют элементы на границу раздела вода — осадок, дает механизм для обильного их поступления в образующиеся конкреции районов, расположенных под зонами высокой биопродукции. Более того, распад органического материала на морском дне может понижать окислительно-восстановительный потенциал, что ведет к диагенетическому перераспределению Mn и формированию тодорокита. Следовательно, региональные вариации биопродукции поверхностных вод Тихого океана могут оказывать значительное влияние на региональные колебания состава железо-марганцевых конкреций на морском дне.

Формирование конкреционных руд. Конкреционные железо-марганцевые руды, которые, как уже описывалось, представляют собой диагенетический конечный член ряда, впервые открыты в Тихом океане Mepo. Они содержат Ni, Cu и Co (в сумме около или свыше 3%), обогащены Mn, имеют высокое отношение Mn/Fe и содержат тодорокит в качестве главной минеральной фазы. Изучением их распространения занимаются в основном горнодобывающие компании и некоторые другие организации. Обзор Хорна и др. показал, что эти руды слагают широкую полосу на северо-востоке тропической зоны Тихого океана. Они залегают под северной границей экваториальной зоны высокой биологической продуктивности на весьма пористом субстрате, представленном в основном кремнистыми илами. Решающее значение для формирования этих конкреций имеет соотношение глубины дна и критической глубины карбонатонакопления. Как уже отмечалось, большинство рудных образований в северной части Тихого океана и по крайней мере некоторые участки в южной лежат на глубине, где растворяется карбонат кальция, или ниже и. следовательно, могут получать металлы при растворении оседающих биогенных остатков. Полагают, что этим фактором вместе с диагенетическим перераспределением металлов в осадках в основном и обусловлен характерный состав этих образовании.

Упрощенная модель формирования конкреционных руд в Тихом океане основана на работах Рааба, Хорна и и др., Гринслейта и др., Кронена, Марчига и др., Хартманна и Мюллера, Калверта и Прайса, Бёрнса и Бёрнса и выглядит следующим образом. Opганизмы, содержащие металлы, экстрагированные из поверхностных вод в районе высокой биологической продуктивности в Тихом океане, после смерти погружаются на дно. Как мягкие, так и твердые их ткани начинают растворяться в водной толще, однако некоторая часть мягкого органического вещества достигает океанского дна, видимо, вследствие защиты их твердыми скелетными элементами от интенсивного распада выше лизоклина. На дне мягкие ткани окисляются и попадают в самые верхние слои осадков, расположенных ниже лизоклина. Дополнительные количества металлов, особенно Ni, Cu и Zn, могут извлекаться из морской воды в виде катионов, находящихся в комплексе с органическим веществом, по мере опускания мертвых организмов. Распад биогенного материала на морском дне и его взаимодействие с фазами осадков, а также освобождение металлов с переходом их в иловые воды для формирования конкреций вызывают локальную редукцию окислительно-восстановительного потенциала в самой верхней части осадков, приводящую к диагенетическому перераспределению более подвижных металлов, например марганца, и формированию обогащенных тодорокитом конкреций. Другие металлы, такие, как Ni и Cu, диффундируют сквозь самый верхний слой осадков и входят в состав тодорокита на (или в) погребенных частях конкреций. Концентрация таких металлов возрастает в конкрециях до тех пор, пока в результате постседиментационных химических реакций в них образуется тодорокит, а конкреции в целом остаются проницаемыми для растворов, содержащих металлы. Верхние поверхности конкреций получают металлы из морской воды. Таким образом, высокое содержание Mn, Ni и Cu в этих образованиях обусловлено, во-первых, высокой скоростью поставки этих металлов в осадки опускающимися на дно организмами и их постседиментационным перераспределением, а во-вторых, присутствием в конкрециях тодорокита — минеральной фазы, способной к аккумуляции металлов.

Новые свидетельства в подтверждение этой модели дало изучение иловых вод. Хартманн и Мюллер обнаружили, что Mn, Cu, Zn и Ni обогащают иловые воды осадков рудной зоны Тихого океана соответственно в 12—19, 5—28, 3—4 и 2—8 раз по сравнению с содержанием их в морской воде. Все эти металлы, за исключением цинка, имеют максимальные концентрации в иловых водах самого верхнего слоя осадков (0—2 см). Это позволяет предположить, что диффузия из погребенных осадков не служила источником обогащения металлами. Было обнаружено, что окислительно-восстановительный потенциал слабо увеличивается с глубиной. Это указывает на то, что окисление большей части органического вещества завершилось до его захоронения. Te же авторы полагают, что извлечение металлов из осадков максимально на поверхности, вероятно в первых 2—3 мм, и рассчитали, что получающиеся потоки вещества более чем достаточны для наблюдаемых концентраций Mn, Ni, Cu и Zn в конкрециях. Еще одно доказательство в подтверждение рассматриваемой модели было представлено Марчигом и Гендлэхом. Эти авторы обнаружили, что марганцевые микроконкреции подвергаются избирательному растворению и высвобождают Mn, Ni и Co по мере захоронения в верхних сантиметрах подстилающих конкреционные руды радиоляриевых илов на северо-востоке экваториальной зоны Тихого океана, вероятно, в результате реакции с органическим веществом.

Образование конкреций в результате диффузии металлов в самом верхнем слое окисленных осадков, а не за счет мобилизации металлов в более глубоко погребенных восстановленных осадках — механизм, предлагаемый для диагенетических конкреций континентального бордерленда, — может быть частично ответственно за различие составов этих двух разновидностей. В последнем случае малые элементы — Cu, Ni и т. п. — остаются в органическом веществе, сохраненном в восстановленных осадках. Конкреционные руды .на северо-востоке экваториальной зоны Тихого океана подстилаются на несколько сантиметров (и глубже) сильно окисленными осадками, почти не содержащими органического вещества, в котором могли бы фиксироваться малые элементы. Поэтому последние должны или накапливаться в конкрециях, или диффундировать в наддонные воды. Относительно второй возможности Марчиг и др. заметили, что некоторые из образующих конкреции элементов обогащают придонную воду над рудной зоной. Следовательно, диагенетически мобилизованные из осадков в морскую воду металлы могут входить как в состав конкреций, осаждающихся из морской воды, так и а состав конкреций, формирующихся в самих осадках или на границе раздела вода — осадок.

Вероятное ограничение диагенетического перераспределения и диффузии элементов тонким слоем самой верхней части осадков «рудной зоны» имеет важное значение для роста конкреций. Этим можно объяснить, очевидно, более высокие скорости роста экваториального валика конкреций, находящихся in situ, что уже отмечалось ранее. Это же обстоятельство позволяет предположить, что однообразное распределение элементов на поверхности конкреций происходит лишь тогда, когда они погребены или постоянно перекатывались по осадку. Наконец, с его помощью можно также объяснить некоторые изменения внутренних текстур конкреций, обусловленные тем, что различные их части могли расти за счет различных механизмов и в различное время вследствие периодического перекатывания или захоронения.