Аномальные металлоносные осадки срединно-океанических хребтов

Будучи наложены на более однообразные по составу нормальные металлоносные осадки срединно-океанических хребтов, аномальные металлоносные осадки иногда имеют резкие, очень локализованные вариации состава. Это указывает на весьма значительное фракционирование связанных с ними металлов. Однако имеющаяся на сегодняшний день информация свидетельствует о том, что эти осадки представляют собой довольно необычные и очень локализованные отложения. К таким аномальным отложениям при надлежат обогащенные железом осадки со станции Amph. 2D, базальные осадки со станции 236 DSDP, обогащенные марганцем осадки с оси Срединно-Атлантического хребта на 26° с. т., резко дифференцированные железистые и марганцовистые отложения из рифтовой долины Аденского залива, района FAMOUS (French American Mid-Oceanic Underwater Study) и Галапагосского района, а также сульфидные отложения Калифорнийского залива и Восточно-Тихоокеанского поднятия. По ряду свойств обогащенные марганцем разновидности этих отложений имеют большее сходство с некоторыми марганцевыми корками, нежели с металлоносными осадками, и, вероятно, являются переходной разновидностью между ними. Сущность этого перехода подробно обсуждается в следующей главе, здесь же рассматриваются отдельные примеры.

Восточно-Тихоокеанское поднятие, 8° с.ш. Одной из первых станций, обнаруживших обогащенные металлами аномальные отложения на срединно-океаническом хребте, была станция Amph. 2D на базальтовой rape в осевой зоне Восточно-Тихоокеанского поднятия. Были выявлены отложения с очень высоким содержанием железа (32,5%), меньшим кремния (8,2%), низкими содержаниями Al и Mn (соответственно 0,5 и 1,94% ) и очень низкими содержаниями Ni, Со, Cu, Zn и Ba. Полагали, что они имеют гидротермальное происхождение.

Станция 236 DSDP, восточная часть Индийского океана. При исследовании базальных осадков со станции 236 DSDP в восточной части Индийского океана (01°40,62' ю. ш,; 57°38,85' в.д.) было обнаружено, что они обогащены железом (до 28%) и имеют низкие содержания многих других элементов. Эти отложения, по-видимому, аналогичны описанным выше обогащенным железом отложениям гидротермального происхождения со станции Amph. 2D на Восточно-Тихоокеанском поднятии.

Район TAG. Район TAG расположен в гребневой части Срединно-Атлантического хребта на 26° с.ш. (рис. 57). В пределах этого района на образующем восточную стену рифтовой долины поперечном хребте в гидротермальном поле на нескольких драгировочных станциях были добыты гидротермальные корки, сложенные окисями марганца. По составу корки исключительно однородны. Они содержат до 40% Mn и лишь следы других элементов (табл. 20). Скорости (роста корок достигали 200 мм/млн лет. Они встречаются на осыпях обломков базальтов, в виде жил в базальтах и инкрустаций или цементируют измененные обломки базальтов. Эти отложения всегда приурочены к местам нарушении коры, по которым, вероятно, происходила разгрузка гидротермальных растворов. То, что эта система все еще активна, доказывается недавно выявленными температурными аномалиями природных вод.

Период времени, в течение которого формировались гидротермальные отложения района TAG, был установлен на основании скоростей их аккумуляции и полускорости спрединга океанского дна в этом районе (1,3 см/год). Если допустить, что скорость аккумуляции была постоянной, то марганцевые отложения накапливались в течение нескольких сотен тысяч лет. Изучение донных фотографий и образцов пород позволяет предположить, что каналы, по которым происходит гидротермальная разгрузка, закупориваются, когда гидротермальными минералами заполняется часть зоны разгрузки. Под действием такого процесса цементации обломки, по-видимому, в конце концов преобразуются в брекчию.

Результаты химического анализа показали, что тонкий осадочный покров в гидротермальном поле TAG повсеместно обогащен марганцем относительно среднего состава донных осадков Атлантического океана и что скорости накопления марганца существенно превышают скорости его нормальной седиментации. Это, вероятно, свидетельствует о том, что не весь гидротермальный марганец осаждается вблизи выходов гидротермальных источников, а что часть его, попадая с гидротермальной струей в придонную воду, хорошо перемешивается с ней и сравнительно равномерно осаждается на всей территории района TAG. Бетцер и др. обнаружили, что растворимое в слабой кислоте взвешенное вещество из района TAG содержит в 20 раз больше марганца по сравнению со взвешенным веществом из других районов. Значение исследований этого типа гидротермальных минеральных отложений, локализующихся на срединно-океанических хребтах, обсуждается далее. В этом районе были также обнаружены некоторые типы осадков, обогащенные железом и медью. Один из них был приурочен к известному выходу гидротермального источника; обогащение его металлами могло быть обусловлено гидротермальной активностью.

Аденский залив. Одна драгировка в Аденском заливе на станции 6243 научно-исследовательского судна «Дискавери» (12°35,0' с.ш., 47°39,9' в.д. глубина 2260 м) принесла тонкие обломки канатной базальтовой лавы вместе с глыбами коричневых железо-марганцевых окисей и очень хрупкими комьями рыхлого материала цветом от желтого до зеленого. Нижние по верхностп лав покрыты пористыми железо-марганцевыми окисями. Канн а др. полагают, что они являются различными компонентами гидротермальных отложений, образовавшихся на дне Аденского залива.

Канн и др. подразделили гидротермальные отложения Аденского залива на четыре категории: 1) твердые железо-марганцевые окиси; 2) мягкие железо-марганцевые окиси; 3) хруп кий материал, цвет которого варьирует от желтого до зеленого: 4) оранжевые порошковатые окиси железа. Состав этих отложений приведен в табл. 21. Твердые и мягкие железо-марганцевые окиси не проявляют заметных различий в составе. Рентгенов екая дифрактометрня показала, что они плохо окристаллизованы и содержат непостоянные количества тодорокита и бёрнессита. Эти окиси, подобно окисям гидротермального поля TAG, на много богаче марганцем по сравнению с типичными океанскими марганцевыми конкрециями и обеднены большинством малых элементов. Канн и др. считают, что хрупкий и рыхлый материал, цвет которого варьирует от желтого до зеленого, сложен смектитом. По составу этот материал представляет coбoй щелочной гидросиликат трехвалентного железа. Cодержание других компонентов, включая малые элементы, находится на низком уровне (табл. 21). Ярко-оранжевые порошковатые рентгеноаморфные окиси железа встречены в виде жил и оболочек в глыбах смектита и смешанных смектито-окисномарганцевых образований.

Район FAMOUS, Срединно-Атлантический xpeбет ~37° с. ш. Во время подводных погружений на южном устуш трансформного разлома, пересекающего рифтовую долину Cpединно-Атлантического хребта, на глубине около 2700 м были обнаружены две гидротермальные залежи. Каждая из них имеет площадь около 600 м2, а расстояние между ними составляет 200 м. Они представляют собой асимметрично удлиненны возвышения длиной 40 м, шириной 15 м, высотой менее 3 м и имеют трещиноподобные отверстия, вытянутые с востока на запад (рис. 58). Наибольшая мощность этих залежей наблюдяется в непосредственной близости от выводных отверстий, посредством которых отложения, вероятно, и формировались.

Согласно Хофферту и др., в обоих гидротермальных полях обнаружены два основных типа отложений. Первым из них были черные железо-марганцевые конкреции, состоящие в основном из окисей и гидроокисей марганца и небольшого количества глинистого материала, вторым — обогащенный глиной гидротермальный материал, содержащий большое количество смектита, гидрослюды и немного железо-марганцевых конкреций. Кроме того, Хекиниан сообщил о редких зернах пирита. Химический состав отложений приведен в табл. 22. Железо-марганцевые конкреции по сравнению с обогащенным глиной гидротермальным материалом содержат больше Mn, Ba, V, Ni, Со и Cu и меньше — Fe, Si и К (табл. 22). В залежах наблюдается химическая и минералогическая зональность: обогащенный глиной железо-кремнистый материал наиболее распространен вблизи выводных отверстий, а содержание обогащенного железом и марганцем конкреционного материала возрастает при удалении от них. Сам по себе железо-марганцевый конкреционный материал также обнаруживает некоторую минералогическую зональность: вблизи отверстий присутствует манганит, тогда как при удалении от них выделяется рансьеит. Кроме того, железо-марганцевый конкреционный материал по химическому составу отличается от расположенных поблизости железо-марганцевых окисных корок на базальтах, что, наиболее вероятно указывает на происхождение последних из нормальной океанской воды.

Галапагосский район. В 20-километровой полосе к югу от Галапагосского рифта в районе с координатами 00°36' с. ш. и 86°06' з.д. располагаются холмы гидротермальных осадков. Они достигают высоты 15—20 м, имеют диаметр до 50 м и встречаются в виде вытянутых рядов, субпараллельных направлению оси спрединга. На фотографиях этих холмов, сделанных подводным аппаратом, видны крупные обнажения темноокрашенного материала с несколькими светло-желтыми включениями и полосами. Холмы встречаются в зоне высокого теплового потока, значения которого превышают 30 ЕТП. Химический состав отложений этих холмов показан в табл. 23, их минеральный состав — в табл. 24. Отложения могут быть подразделены на три типа: 1) состоящие из смеси тодорокита и бёрнессита марганцевые корки на вершинах холмов, 2) нонтронитовые отложения и 3) материал, состоящий из рентгеноаморфных окисей железа. Марганцевые корки изменяются от мягких пластин до твердых жил. Некоторые из них имеют толщину более 6 см. Часть корок покрыта аморфными окисями железа. Нонтронитовые образцы встречаются в виде корок от желто-зеленого до темно-зеленого цвета или в виде комков полулитифицированного ила. Эти отложения, так же как и другие описанные выше гидротермальные отложения, являются примером резкого фракционирования железа и марганца. Они совершенно отличны от более «нормальных» железо-марганцевых окисных инкрустаций на обнажающихся поверхностях базальтов, подобных тем, которые наблюдаются в районе FAMOUS. Можно предположить, что отложения образовались в результате выноса элементов из пород непосредственно под холмами, являющимися продуктами изменения подстилающих базальтов. Просачивание гидротермальных растворов через осадок (зеленый обогащенный органическим веществом карбонатно-кремнистый биогенный ил), очевидно, было причиной их медленного охлаждения при восстановительных условиях, что приводило к осаждению нонтронита. При более окислительных условиях вблизи поверхности холмов осаждались окиси железа и марганца.

Глубоководное бурение в Галапагосском районе по проекту DSDP (54-й рейс) подтвердило наличие холмов и дало дополнительные свидетельства их мощности (рис. 59). Самые верхние части керна, полученного с рассматриваемых холмов, содержат материал, по составу сходный с тем, который был получен во время исследований, проводимых с помощью подводного обитаемого аппарата (табл. 25). Окиси железа и марганца книзу переходят в глины зеленого цвета, причем постепенность такого перехода весьма отчетлива, даже если она и была частично нарушена при бурении. Внутри холмов были измерены температуры вод: около 8—10°C. Это указывает на то, что они все еще активны.

Исследования гидротермальных растворов, разгружающихся из Галапагосского рифта к северу от холмов и формирующих подводные гидротермальные отложения, дали информацию об их составе (Эдмонс, сообщается в работе Корлисса). При погружении подводного обитаемого аппарата «Алвин» было установлено положение пяти горячих источников и выполнено их опробование. Вокруг источников в больших количествах присутствовали как живые организмы, в том числе гигантские моллюски, так и остатки погибших организмов. Наблюдались молочно-белые струи воды, выходящие на поверхность океанского дна. Вблизи выхода струй температура была 10—11°С, при перемешивании с океанской водой она быстро падала. Эти воды были лишены растворенного кислорода и все, за исключением одного случая, содержали сероводород, что указывает на их восстановительный характер. Сквозь выводные отверстия марганец струями выбрасывался в океанскую воду, железо же обильно разгружалось только через одно из них, а через другие — нет. По-видимому, на последних стадиях миграции железо взаимодействовало с сероводородом и осаждалось на глубине в виде сульфидов. В растворах отсутствовали Cd, Cu или Ni; все они, вероятно, были осаждены при взаимодействии с сероводородом ниже поверхности океанского дна. Свидетельства осаждения сульфидов на океанском дне наблюдались в форме остроконечных выступов сульфидов железа, видимых в одном районе. В этой ситуации гидротермальные растворы, по-видимому, выносились на океанское дно при температурах, достаточно высоких для того, чтобы на поверхности из них осаждались сульфиды. Взвешенное вещество, выносимое из выводных отверстий, как было определено на фильтрах с диаметром пор 0,4 мкм, содержало частицы серы, кристаллы сульфидов железа и, возможно, сапонит.

Калифорнийский залив, 27°18' c.ш. Во время программы погружений в Калифорнийском заливе в 1977 г. в осевой рифтовой долине примерно на 27°8' с.ш. были обнаружены гидротермальные образования, покрытые со всех сторон раковинами погибших моллюсков, таких же, как в Галапагосском районе. Большая часть полученного материала состояла из хорошо окристаллизованного аутогенного талька. В этом материале в виде жил и рассеянных кристаллов присутствовали включения пирротина с подчиненными количествами сульфидов меди и цинка. Кристаллы пирротина подобны тем, которые, как сообщалось, образовывались в экспериментах по взаимодействию базальта с морской водой. Внешняя корка полученного материала представляет собой тонкий слой из железо-марганцевых окисей и фосфата кальция. Присутствие в ассоциации с рассматриваемыми отложениями погибших моллюсков указывает на то, что они, так же как и в Галапагосском рифте, сформировались сравнительно недавно в результате смешения гидротермальных растворов с холодной океанской водой и осаждения содержавшихся в растворах металлов. Для осаждения на океанское дно сульфидов температура разгрузки, по-видимому, была относительно высокой. В этой ситуации следует ожидать дополнительного осаждения сульфидов ниже уровня океанского дна.

Восточно-Тихоокеанское поднятие, 21° c.ш. В феврале и марте 1978 г. при погружении французского подводного обитаемого аппарата «Сиана» были обнаружены гидротермальные сульфидные отложения, состоящие из сфалерита, марказита и пирита. В них содержится до 29% Zn и до 6% Cu в расчете на валовые образцы. Эти отложения приурочены к флангам 20—30-метровой депрессии, расположенной примерно в 200 м к западу от экструзивной зоны, где были встречены наиболее молодые для этого района лавы. Они залегают на расстоянии менее 1 км от оси спрединга.

Эти отложения, описанные Хекинианом, Франшто и др., встречаются в виде холмов высотой около 10 м и шириной 3—4 м, расположенных параллельно гребню Восточно-Тихоокеанского поднятия. Некоторые из них являются пористыми, их тела представляют собой лабиринт небольших каналов или трубок, разделенных тонкими стенками. Последние сложены белым полупрозрачным кремнеземом, а также сульфидами. Эти трубки и каналы, по-видимому, являлись путями разгрузки гидротермальных растворов.

Кроме этих холмов были обнаружены три других типа отложений: а) уплощенные инкрустации, сложенные тем же материалом, что и холмы; б) лежащие вокруг холмов ярко-желтые или оранжевые конусы шириной 10—20 см, содержащие самородную серу; в) желтые и красно-коричневые натеки из травертиноподобного материала. В некоторых случаях с сульфидами ассоциируются красновато-коричневые охры, содержащие до 80 или 90% FeoO3. По-видимому, они являются продуктом окисления сульфидов железа.

С химической точки зрения отложения очень гетерогенны. В них в большом количестве присутствуют Fe, Cu, Zn и S, тогда как содержания Со, Pb, Cd и Ag не столь высоки. В некоторых образцах концентрации Ag достигают 1—1,5%. Присутствует также небольшое количество глинистого материала. Марганец в этих отложениях, по-видимому, отсутствует.

Более поздние работы на Восточно-Тихоокеанском поднятии в районе 21° с. ш., проведенные с помощью подводных аппаратов в 1979 г., вслед за открытием французских исследователей показали, что металлоносные осадки имеют более широкое распространение, чем считалось после их первых находок. С перерывами они встречаются на протяжении нескольких километров вдоль гребня хребта и содержат разнообразные сульфиды Fe, Cu и Zn. Кроме того, были также обнаружены активные выходы, через которые при температурах до 350°C (ниже Уровня дна температура, вероятно, больше) происходила разгрузка генерирующих сульфиды растворов. Сульфидные минералы выпадали в водной толще и осаждались на океанское Дно вокруг выходов гидротерм. Выходы имеют ферму труб высотой несколько метров, из которых в виде струй взвеси высотой пять или более метров разгружаются сульфидные минералы, Внутри выходов гидротермальные растворы прозрачны; это свидетельствует о том, что сульфидные минералы осаждаются при охлаждении и перемешивании с океанской водой. Вытекающий поток отламывает куски «труб», которые откладываются на океанском дне. В конце концов трубы благодаря этому процессу разрушаются. В наибольшем количестве среди обнаруженных минералов были халькопирит в кристаллах размером до 4—5 мм и сфалерит. Иногда отмечалось также некоторое количество ангидрита.

Открытия на Восточно-Тихоокеанском поднятии (21° с.ш.) являются наиболее важными, поскольку они показывают, что на приподнятых участках океанского дна могут в значительных количествах осаждаться сульфидные минералы и что, вероятно, такие образования в больших количествах будут обнаруживаться как на срединно-океанических хребтах, так и на островных дугах.