Отложения Красного моря

Среди всех до сих пор обнаруженных металлоносных отложений наибольшее экономическое значение имеют металлоносные осадки Красного моря. Они встречаются в ряде впадин рифтовой долины Красного моря и все еще находятся в процессе формирования. Самыми первыми указаниями о существовании на дне Красного моря аномальных отложений были измеренные в 1948 г. во время Шведской глубоководной экспедиции высокие температуры и солености придонных вод. Эти данные были подтверждены почти через 18 лет. когда район стал объектом детальных исследований Вудс-Холского океанографического института на борту судна «Чейн» в 1966 г. Тогда были получены пробы рассолов и донных осадков, и результаты работ опубликованы в монографии под редакцией Дегенса и Росса. Последующие исследования, проведенные Исследовательской группой прикладной геохимии при Имперском колледже на борту судов «Тауэртай» и «Нереус» и акционерной обществом Preussag A. G. на борту судна «Вальдивия», привели к открытию почти дюжины рассольных впадин и нескольких участков на дне, покрытых металлоносными осадками (рис. 53).

Металлоносные осадки Красного моря представляют собой отложения, формирующиеся на ранних стадиях океанской эволюции. когда после длительного периода покоя вновь началось раздвижение морского дна. Чаше всего металлоносные осадки встречаются в северной части Красного моря, где хорошо развита рифтовая долина. Согласно Бигнеллу, основные впадины с металлоносными осадками в этом районе встречаются в местах пересечения рифтовой долины трансформными разломами. Этот исследователь предположил, что разгрузка обогащенных металлами рассолов, за счет которых формируется многие металлоносные осадки, контролируется трансформными разломами. Предполагаемый механизм предусматривает изменения изостатического равновесия во время циклов солености, которые являются следствием оледенений. За последние 100 000 лет в Красном море, по-видимому, было несколько периодов понижения его уровня и повышения солености, когда морс становилось замкнутым бассейном. В результате испарения во время таких периодов размеры Красного моря, очевидно, существенно уменьшались, и таким образом нарушалось его изостатическое равновесие. В конце каждого гляциальното цикла солености возврат к нормальным условиях, по-видимому, приводил к восстановлению изостатического равновесия. В результате этого, вероятно, открывались зоны разломов, рассолы могли поступать в рифтовую долину, где осаждались содержащиеся в них металлы.

Фации осадков. Одной из характерных черт осадков Красного моря является их чрезвычайное разнообразие на небольших расстояниях как по вертикали, так и по латерали. Это разнообразие было установлено Бишоффом в районе впадины Атлантис-II. Более поздние исследования осадков этой и других впадин, проведенные Бекаром и Рихтером, Хекеттом и Бишоффом, Бнгнеллом и Бигнеллом и др., привели к расширению предложенной Бншоффом первоначальной классификации осадков Красного моря; в ней выделялось шесть основных групп и несколько подфаций. К основным группам относятся окислы, сульфиды, сульфаты, карбонаты, силикаты и нормальные красноморские осадки. Среди этих групп в наибольшей степени обогащены металлами сульфиды, окислы и силикаты.

В пределах рифтовой долины основным типом формирующихся осадков являются нормальные красноморские осадки. Обычно они состоят из карбонатов с различными примесями терригенного материала. Биогенная часть осадков состоит в основном из скелетов фораминифер, птеропод и кокколитов, в состав терригенной входят главным образом кварц, полевые шпаты и глинистые минералы. Осадки обычно содержат небольшие количества оксидов железа и марганца.

Осадки сульфидной группы, имеющей основное экономическое значение, могут быть разделены на две фации: а) смешанных сульфидов железа, меди и цинка и б) пирита.

Фация смешанных сульфидов встречается в виде серых массивных прослоев тонкодисперсного материала. Преобладающим минералом этих прослоев является сфалерит. В различных количествах встречаются также пирит, халькопирит и марказит. Очевидно, эти фации осадков впадины Атлантис-II содержат максимальные для Красного моря количества цинка, меди и серебра (табл. 13). Количества этих элементов изменяются соответственно содержаниям серы. Бигнелл проанализировал образцы из двух сульфидных зон осадков впадины Атлантис-II и получил концентрации цинка, меди и железа свыше 10, 2 и 15% соответственно. Однако в тонких прослоях отложении могут встречаться даже более высокие концентрации цинка и меди.

Происхождение фации смешанных сульфидов в Красном море было предметом серьезного обсуждения. Согласно Бишоффу, главной проблемой является источник серы. Она может образовываться в процессе восстановления растворенного сульфата или в результате выщелачивания из магматических пород. Возможны оба процесса одновременно. Общепринятым является то, что металлы выщелачивались из вулканических пород и переносились рассолом, вероятно, в виде хлоридных комплексов. Было сделано предположение, что отложения могли сформироваться в результате смешения двух рассолов, одного — обогащенного сероводородом, другого — металлами. Такого рода процесс, как известно, наблюдается в баках-накопителях геотермальных рассолов Челекена. Рассолы, обогащенные сероводородом, с невысокими концентрациями металлов встречаются во впадинах Кебрит и Океанограф. Периодическое смешение таких рассолов с рассолами, содержащими металлы, могло бы объяснить встречаемость и распределение фаций смешанных сульфидов. Другой механизм был предложен Бишоффом. Он заключается в том, что растворы хлоридных комплексов металлов, находившихся при высоких температурах в равновесии с сульфидами, в процессе разгрузки на морское дно охлаждаются. Это приводит к их пересыщению и осаждению сульфидных минералов. Шенкс и Бишофф предположили, что в рассолах впадины Атлантис-II происходит диссоциация хлоридных комплексов. В результате этого повышается концентрация свободных ионов металлов и во впадине происходит осаждение сульфидов. Однако осаждение может также происходить и до разгрузки при температурах около 150°C. Последовательность появления каждого из сульфидных минералов определяется температурой, при которой наступает его пересыщение. Шенкс и Бишофф предсказали, например, что халькопирит является единственным сульфидом. осаждающимся в области, где температура рассола колеблется от 100 до 150°C.

Пиритовая фация встречается в пределах основной сульфидной зоны впадины Атлантис-П, а также впадины Гипсум, где она цементирует крупные кристаллы гипса. Эта фация также обнаружена во впадинах Суакин, Эрба, Кебрит, Hepeyc и Судан. Она содержит высокие концентрации железа и переменные концентрации других металлов. Во впадине Атлантис-II в пиритовой фации наблюдаются высокие концентрации меди и низкие — цинка. При общем сопоставлении с фацией смешанных сульфидов пиритовая фация содержит большее количество железа и меньшее — других металлов.

Силикатная группа осадков была обнаружена во впадинах Атлантис-II, Тетис и Эрба. Эти осадки тонкоднсперсны и содержат в больших количествах примесь аморфного материала. Бигнелл подразделил их на смектитовую, шамозитовую и аморфно-силикатную фации.

Смектитовая фация является наиболее широко распространенной. Во впадине Атлантис-II она осадилась из рассола за последнее время и охватывает верхние 4—6 м осадков. Бишофф сообщил о присутствии в этой фации богатого железом нонтронита, что было подтверждено Гулартом. Согласно Бишоффу, FeO, Fe2O3 и SiO2 являются главными химическими компонентами смектитовой фации. Концентрации металлов весьма изменчивы, однако фация обогащена Zn, Pb, Hg, Cu и Ag (табл. 14). Осаждение смектитовой фации из рассола, вероятно, является результатом его охлаждения и перемешивания с нормальной красноморской водой. Бишофф предположил, что высокое содержание Fe2+ в этих отложениях, по-видимому, отражает их образование в зоне ограниченного количества кислорода, вероятно более низкого в рассоле, чем уровень, при котором происходит осаждение окиси железа.

Шамозитовая фация встречается во впадине Тетис, где она перемежается с магнетитовой фацией. Она обогащена Fe, Mg и Al и в меньшей степени Zn, Cu, Ni, Ti, Sr и Hg. Содержание марганца низкое,

В отложениях впадины Атлантис-II был обнаружен ряд других силикатов, некоторые из них были идентифицированы. Бекер и Рихтер сообщили о находке в сульфидной зоне коричневого волокнистого силиката в смеси с гематитом. Рош и Шойрманн рассматривали его как метастабильиую переходную фазу. В канале, через который рассол поступает во впадину, Бскер и Рихтер также нашли обогащенный магнием филлосиликат. Хетеуэй (цитируется Бигнеллом) сообщил об обнаружении в осадках впадины Атлантис-II ряда других силикатов, в том числе палыгорскит, сепиолит и смешанослойные глинистые минералы. О других силикатах сообщили Бигнелл и др. и Гуларт, которые кроме вышеупомянутого обогащенного железом нонтроннта обнаружили монтмориллонит — бейделлит континентального происхождения и смешанослойный монтмориллонит — хлорит, образованный при подводном изменении вулканического стекла.

Окисная группа металлоносных осадков включает в себя окиси и гидроокиси железа и марганца в форме гётита, гематита, магнетита, лепидокрокита и манганита, по-видимому, вместе с аморфным марганцевым, железо-марганцевым или лимонитовым материалом.

Лимонитовая фация широко распространена в металлоносных осадках Красного моря и встречается во впадинах Кебрит, Гипсум, Вима, Hepeyc и Тетис, где мощность слоев варьирует от одного до нескольких метров. Основным компонентом этой фации является хорошо окристаллизованный гётит и так называемый «ферригидрит», метастабильная окись железа, которая, по-видимому, предшествует гематиту. Главными химическими компонентами лимонитовой фации являются железо, кислород и кремнезем; железо присутствует главным образом в виде Fe2O3. Лимонитовая фация обычно обогащена цинком, вероятно вследствие его соосаждения с окисями железа, медь накапливается в этой фации во впадинах Тетис и Кебрит; повсеместно фация обогащена ртутью (табл. 15), Образование гидроокисей железа включает окисление Fe2 " до Fe3+, которое широко отмечается в верхней части рассола во впадине Атлантис-II. Окисление, вероятно, является результатом диффузии кислорода в рассол из морской воды; реакция проходит в соответствии с уравнением

После отложения лимонит, по-видимому, переходит в гётит посредством дегидратации.

Лепидокрокитовая фация встречается в виде хорошо pacкристаллизованных прослоев толщиной в несколько сантиметров и обычно находится в пределах лимонитовых горизонтов. Концентрации железа достигают 50—50%, некоторые прослои обогащены также кобальтом, медью, свинцом и цинком (табл. 15).

Гематитовая фация обычна для впадин Атлантис-II и Тетис, где гематит часто присутствует в смеси с другими окисями. Гематитовая фация встречается в чистом виде во впадине Атлантис-II. вблизи источника поступающих горячих рассолов, где гематит, по-видимому, образовался в результате трансформации из гётита благодаря повышенной температуре. Гематитовая фация имеет высокое содержание Fe2O3, она также обогащена Cu и в меньшей степени Zn, Pb, Со и Hg (табл. 15).

Магнетитовая фация присутствует в осадках как в виде прослоев чистого магнетита, так и в смеси с другими окисями и встречается во впадинах Атлантис-II и Тетис. Главными химическими компонентами этой фации являются FeO. Fe2O3 и SiO2; во впадине Тетис эта фация содержит большие количества Cu и в меньшей степени обогащена Zn, Со, Pb, Hg, Ti, V и Ba (табл. 15). В юго-западной котловине впадины Атлантис-II магнетит сосуществует с гематитом и, вероятно, образовался при повышенной температуре в результате изменения последнего. Однако наличие прослоев магнетита во впадине Тетис, по-видимому, является результатом действия других факторов, поскольку Бигнелл сообщил, что чередующиеся с ними прослои лимонита не изменены.

Манганитовая фация встречается во впадинах Атлантис-II, Нереус, Шагapa и Тетис, а также во впадине Чейн-В, где она содержит 30—35% Mn и, по-видимому, представляет собой отложения, образованные за счет переливания рассола из впадины Атлантис-II. Короче говоря, манганит во впадине Атлантис-II встречается вокруг границы активного сейчас рассола. В манганите содержатся Mn3O4 и Fe2O3, концентрации Zn, Cu, Pb и Hg в нем довольно высокие (табл. 16). Иногда концентрации Zn достигают 1%. Хартманн полагал, что гидроокиси марганца во впадине Атлантис-II образуются в зоне перехода между рассолом и морской водой вследствие окисления Mn2+, поступающего в результате диффузии из залегающих ниже рассолов, где среда восстановительная. В тех местах, где эта зона перехода непосредственно перекрывает морское дно, гидроокиси марганца отлагаются, вместо того чтобы осаждаться в нижележащем слое рассола и вновь растворяться.

Минералы сульфатной группы встречаются в виде гипса во впадинах Кебрит и Гипсум, а также в виде ангидрита во впадинах Атлантис-II и Тетис. Кроме того, Бишофф сообщил, что второстепенным компонентом отложений во впадине Атлантис-II является барит. Как ангидрит, так и гипс содержат много кальция и лишь незначительные количества других элементов (табл. 17). Действительно, вполне вероятно, что даже соотношение элементов в проанализированных образцах может быть результатом небольших примесей иного материала. А если так, то это должно указывать на высокую степень чистоты сульфатных отложений в Красном море.

Минералы карбонатной группы, представленные родохрозитом, манганосидеритом и сидеритом, встречаются во впадинах Атлантис-II и Гипсум обычно в виде тонких прослоев и напластований. Обычно эти минералы находятся в тесной смеси с минералами других фаций, и поэтому трудно детально охарактеризовать их состав. Тем не менее некоторые элементы, такие, как Ca, Mn, Fe, Zn, Cu и Pb, в разной степени обогащают эти отложения (табл. 18).

Впадина Атлантис-II. Отложения большинства металлоносных впадин Красного моря были описаны Бекером и Шоеллом и Бигнеллом и др. Среди них, вероятно, только отложения впадины Атлантис-II имеют сегодня экономическое значение, и поэтому они заслуживают детального рассмотрения. Кроме того, Атлантис-II является единственной впадиной, для которой определенно известно, что в ней в настоящее время происходит формирование металлоносных осадков. Поэтому изучение впадины Атлантис-II может дать информацию о процессах, приводящих к образованию таких отложений.

Впадина расположена в рифтовой долине Красного моря и имеет примерные координаты 21,5° с. ш. и 38° в. д. Это район, где рельеф морского дна характеризуется наличием тектонических нарушений. Впадина имеет вытянутую форму и занимает площадь около 60 км2 (рис. 54). Впадины Чейн и Дискавери расположены к югу от впадины Атлантис-II и, по-видимому, связаны с ней как за счет переливания рассолов, так и благодаря каналам, расположенным ниже уровня морского дна.

Гидрографические исследования во впадине Атлантис-II показали существование двух слоев рассолов, нижнего — с соленостью 25,7% и температурой 56,5°C в 1966 г., которая к 1972 г. возросла до 60°С, и верхнего — с соленостью 13,5% и температурой 44,3°C в 1966 г., которая к 1972 г. возросла до 50°С. Эти изменения температуры показывают, что во впадине Атлантис-II имеется активная гидротермальная система и что содержащееся в ней рудное тело все еще находится в стадии формирования. Шоелл и Хартманн предположили, что рассол поступает во впадину из источника в юго-западной котловине и распространяется горизонтально. Между рассолами имеется промежуточный слой мощностью около 5 м, тогда как над верхним рассолом наблюдается постепенный переход к вышележащей морской воде с температурой 22°С.

Рассолы впадины Атлантис-II обогащены относительно морской воды натрием и кальцием и значительно обеднены магнием и сульфат-ионом (табл. 19). Относительно морской воды рассолы обогащены малыми элементами — Fe, Mn, Zn и Cu (табл. 19). Рассол с температурой 60°C в 1972 г. был слабокислым и имел низкий окислительно-восстановительный потенциал. В пределах впадины растворенный кислород в рассолах отсутствует, однако в переходной зоне над ней он имеется. Сероводород не был обнаружен прямыми измерениями, но распространение сульфидов в юго-западной котловине впадины указывает на его присутствие.

Вопрос о происхождении высоких концентраций металлов в рассоле впадины Атлантис-II был предметом большой дискуссии, Крейг показал, что рассол впадины Атлантис-II происходит из нормальной воды Красного моря. Согласно Шенксу и Бишоффу, эта вода достигает высокой солености при растворении миоценовых эвапоритов, состоящих в основном из галита и ангидрита. В то же самое время рассол надевается в соответствии с геотермическим градиентом, и высокое содержание хлорид-нона дает возможность значительным количествам металлов переходить в раствор в виде хлоридных комплексов. В процессе циркуляции в осевой части рифтовой зоны Красного моря рассол вступает в контакт с интрузивными вулканическими породами, где он нагревается предположительно до температуры 250°C и больше и к тому же изменяется при химических реакциях с горячими базальтами. При более высоких температурах ангидрит становится нерастворимым и осаждается по мере того, как кальций выщелачивается из пород. Продукты изменения базальтов извлекают из рассола магний, и рН падает до величины около 5. Концентрация растворенного кислорода уменьшается. В результате этого процесса горячий циркулирующий рассол выщелачивает из вулканических пород, через которые он проходит, значительные количества металлов: этот процесс, по-видимому, приводит к высоким концентрациям последних.

Поскольку впадина Атлантис-II является активной геотермальной системой, происходящие в ней рудообразующие процессы поддаются прямому изучению. Железо, медь и цинк начинают осаждаться в виде сульфидов из рассола с температурой 60°С, особенно в юго-западной котловине впадины, куда поступает рассол. Согласно Шенксу и Бишоффу, последовательность осаждения минералов при охлаждении следующая халькопирит, галенит, сфалерит и, наконец, моносульфид желе за. Согласно Бишоффу, образование силикатов железа наиболее вероятно, происходит после отложения сульфидов, но до окисления Fe2 до Fe3+ и образования окисей железа, вероятно, в нижней части толщи рассолов. Окиси выпадают из раствора в пределах переходного слоя между двумя рассолами и в рассоле с температурой 50°С вследствие окисления Fe2+ до Fe3+. Там, где рассол с температурой 50°С располагается над рассолом с температурой 60°С, окиси и гидроокиси оседают в нижний рассол и растворяются. Однако там, где рассол с температурой 50°C расположен непосредственно над морским дном около границ впадины, гидроокиси железа осаждаются. Сходным образом, но при более высоких значениях Eh и рН над рассолом с температурой 50°C окисляется и осаждается марганец. Осаждение марганца более позднее, чем осаждение железа, и, вероятно, является функцией как меньшей скорости окисления марганца, так и хорошо известного разделения этих элементов в растворе с повышением рН. Там, где верхняя переходная зона располагается над морским дном, окиси марганца оседают, приводя к образованию вокруг впадины и за пределами зоны обогащения железом пояса обогащения марганцем. Бигнелл и др. на основании изучения колонок осадков показали, что обогащение их марганцем встречается на расстоянии до 11 км вокруг впадины вследствие рассеяния марганца, наиболее вероятно, в форме тонкой взвеси. Отделение марганца от железа также хорошо показано (рис. 55). Таким образом, в пределах впадины Атлантис-II мы в состоянии наблюдать происходящее в результате изменения физико-химических условий геохимическое фракционирование сульфидов, силикатов, окисей железа и марганца и связанных с ними малых элементов. Это иллюстрируется на рис. 56. В других впадинах отложения формируются, вероятно, сходным образом, и, как будет показано дальше, металлоносные осадки срединно-океанических хребтов в открытом океане, по-видимому, являются конечным членом такой последовательности фракционирования.

Осадки впадины Атлантис-II были описаны Бишоффом, Бекером и Рихтером, Хекеттом и Бишоффом, Бигнеллом, Бигнеллом и др. и другими исследователями; они отражают сложную последовательность явлений, приводящих к отложению различных осадочных фаций в разное время или же одновременно в разных местах. Бекер и Рихтер и Бигнелл описали несколько главных литостратиграфических подразделений, на основании которых может быть установлена история формирования отложений во впадине. Этими подразделениями являются: детритно-окисно-пиритная зона, нижняя сульфидная зона, центральная окисная зона, верхняя сульфидная зона и аморфно-силикатная зона.

Детритно-окисно-пиритная зона содержит начавшие отлагаться около 25 000 лет назад самые древние осадки, накопившиеся в пределах впадины Атлантис-II. Эти осадки состоят из смеси известковистой глины (мергеля), окисей железа и пирита. Нижняя сульфидная зона содержит отложившиеся около 10 000 лет назад наиболее древние металлоносные осадки, накопившиеся в пределах впадины Атлантис-II. Эти осадки состоят из сульфидов, силикатов и манганосидерита. Центральная окисная зона образовалась в конце периода с относительно стабильными условиями, поскольку она содержит очень изменчивую последовательность отложений, часто перемешанных. Гематит и магнетит являются важными минералами, тогда как прослои гипса и ангидрита встречаются локально. Осадки верхней сульфидной зоны состоят из сульфидов, силикатов и (локально) карбонатов. В отдельных сульфидных прослоях может содержаться до 20% Zn. Аморфно-силикатная зона является самой верхней зоной на большей части впадины, она формируется и в настоящее время. Зона содержит осадки темно-коричневого наста, сложена в основном силикатами железа и, кроме того, сульфидами, ангидритом и окисями железа. Источник формирующего эти осадки современного рассола расположен в юго-западной котловине в противоположность вероятным источникам некоторых рассолов, из которых формировались более древние зоны.

Вследствие локальных факторов, вероятно связанных с притоком из недр рассола в юго-западную котловину, осадки этой котловины отличаются от осадков других частей впадины. Самая верхняя зона осадков в юго-западной котловине значительно обогащена сульфидами и в основании содержит слой массивных сульфидов.

Процессы, приводящие к образованию металлоносных осадков во впадине Атлантис-II, могут быть кратко резюмированы следующим образом:

а) нормальная красноморская вода просачивается через приповерхностные эвапориты и достигает высокой солености:

б) рассол циркулирует в коре ниже уровня дна Красного моря и, контактируя в осевой зоне рифта с современными вулканическими породами, нагревается до температуры + 200 °С:

в) химические реакции, протекающие между рассолом и вулканическими породами, приводят к обогащению рассола рядом металлов;

г) по мере разгрузки рассола на дне Красного моря происходит осаждение содержащихся в нем металлов сначала в виде сульфидов, затем силикатов железа, окисей железа и, наконец, в виде окисей марганца.

Отложение во впадине Атлантис-II различных описанных выше осадочных фаций отражает изменение во времени условии седиментации, источников рассола и его состава. Как уже упоминалось, Бигнелл полагал, что отложение металлоносных осадков во впадине Атлантис-II не было непрерывным процессом и в отдельные периоды времени в прошлом чутко реагировало на изменения уровня моря и других факторов. Указанные факторы воздействовали на все Красное море в целом. Поэтому накопление металлоносных осадков в других менее исследованных впадинах, по-видимому, сходным образом реагировало на такое воздействие и могло идти параллельно ходу накопления отложений во впадине Атлантис-II.