Геохимическая взаимосвязь и происхождение металлоносных осадков

Из примеров, приведенных в предыдущих разделах, очевидно, что металлоносные осадки по составу очень разнообразны. Это сульфиды Красного моря, обогащенные медью и цинком, осадки со станции Amph 2D и базальные осадки со станции 236 DSDP, обогащенные железом и с низкими содержаниями малых элементов, осадки со Срединно-Атлантического хребта на 26° с.ш., обогащенные марганцем, а также все переходные разности. Вопрос состоит в том, сформировались ли эти не связанные между собой отложения при различных условиях, или они являются разновидностями отложений одного и того же типа. Хотя валовой состав металлоносных осадков может значительно меняться, состав отдельных его компонентов изменяется в меньшей степени. Эти изменения можно определить с помощью фазового анализа, используя методики химического выщелачивания.

Разделение элементов между минеральными фазами металлоносных осадков. Фазовый анализ является важным методом в выяснении геохимических связей между различными металлоносными осадками, поскольку при исследовании отельных фракций многокомпонентных отложений может быть получена более ценная информация по сравнению с той, которую обычно дает валовой анализ. Был предложен целый ряд методик для селективного извлечения различных фаз морских отложений посредством химического выщелачивания. Например, Аррениус предложил использовать солянокислый гидроксиламин для извлечения фракции окиси марганца из марганцевых конкреций; Даймонд и др. использовали щавелевую кислоту для растворения восстанавливаемой фракции металлоносных осадков Восточно-Тихоокеанского поднятия. По-видимому, наиболее широко используется методика селективного выщелачивания, разработанная Честером и Хьюзом, либо некоторые ее модификации.

Модифицированный вариант методики Честера и Хьюза был применен Кроненом и Гарреттом, Кроненом, Горовитцем и Кроненом при изучении целого ряда металлоносных осадков. Эта методика была подробно описана Кроненом и основана на использовании уксусной кислоты, солянокислого гидроксиламина, HCl и HF совместно с HClO. Для извлечения карбонатов и слабосорбированных ионов образцы обрабатывались уксусной кислотой; для извлечения восстанавливаемой фракции, представленной главным образом окисями марганца, образцы обрабатывались солянокислым гидроксиламином; для извлечения окисей железа образцы обрабатывались соляной кислотой; наконец, для растворения фракции, сохранившейся после обработки соляной кислотой образцы обрабатывались смесью HF и НСlO4. Хотя эта методика не является эффективной по полноте извлечения отдельных фаз без воздействия на другие (методика не дает селективного выщелачивания), она приводит к довольно удовлетворительному химическому разделению осадков на их главные составляющие, которыми обычно являются карбонаты, окиси железа и марганца и силикатный материал.

Исследование распределения элементов между различными химическими фракциями широкого ряда металлоносных осадков иллюстрирует некоторые закономерности в поведении элементов. В восстанавливаемой железо-марганцевой окисной фракции большей частью отмечаются Mn, Ni и Со и в меньшей степени — Pb; в растворимой в соляной кислоте фракции окиси железа и силикатов большей частью отмечаются Сu, Zn и Fe и некоторое количество Si, Al и Mg; в обломочной силикатной фракции фиксируются преимущественно Al, Si, Mg и К. Эти результаты свидетельствуют о том, что, по-видимому, различные металлоносные осадки, широко варьирующие по валовому составу, могут быть различными видами одних и тех же типов осадков, поскольку состоят из одних и тех же составных частей, но в различных пропорциях. Например, обогащенные марганцем отложения со Срединно-Атлантического хребта на 26° с. ш. состоят главным образом из окисей марганца и содержат небольшое количество окисей железа; обогащенные железом отложения со станций 236 DSDP и Amph 2D состоят главным образом из окисей железа и содержат небольшое количество окисей марганца. В то же время другие аномальные осадки срединно-океанических хребтов содержат переменные количества обеих этих фаз и силикатов. Хорошие примеры тому — отложения Аденского залива, района FAMOUS, Галапагосского района, а также многие нормальные разнесенные на большие расстояния металлоносные осадки в гребневой части срединно-океанических хребтов. Однако в каждом из этих случаев различные фазовые составляющие — окиси железа и марганца, а также силикаты железа — сходны по составу. Все дело в их переменных соотношениях в смеси.

Фракционное осаждение. Модель, объясняющая различия в составе между разными видами описанных металлоносных осадков, может быть основана на наблюдаемой последовательности отложений во впадине Атлантис-II и вокруг нее, поскольку эта последовательность отложений включает большинство видов металлоносных Осадков, обнаруженных в подводных вулканических районах и в других местах. Такие металлоносные осадки могут рассматриваться как различные продукты одного общего рудообразующего процесса. Сульфиды на Восточно-Тихоокеанском поднятии (21° с. ш.) могут рассматриваться как аналоги сульфидов, формирующихся вблизи места разгрузки гидротермальных растворов в юго-западной котловине впадины Атлантис-II. Силикаты железа и ассоциирующиеся с ними окиси железа в районе FAMOUS и в Галапагосском районе, а также в Аденском заливе могут рассматриваться как аналоги силикатов и окисей железа, которые встречаются на большей части дна впадины Атлантис-II. Окиси марганца в районе TAG, хотя и очень однородны по составу, могут быть эквивалентны окисям марганца у края впадины Атлантис-II. И наконец, разнесенные на большие расстояния смешанные окиси железа и марганца, широко встречающиеся на срединно-океанических хребтах, могут быть эквивалентами широко разнесенных окисей, обнаруженных в ореоле рассеяния вокруг впадины Атлантис-II. Поэтому очевидно, что во впадине Атлантис-II и вокруг нее мы можем наблюдать в миниатюре общин процесс образования металлоносных осадков на дне морей и океанов. Сульфиды на Восточно-Тихоокеанском поднятии (21° с. ш.), по-видимому, представляют собой продукты, образовавшиеся па ранней стадии осаждения из гидротермальных Растворов. Обогащенные железом силикатные и окисные отложения из различных упомянутых выше районов, по-видимому, представляют собой продукты промежуточной стадии осаждения. Отложения окисей марганца в районе TAG, по-видимому, представляют собой продукты последней стадии осаждения. Разнесенные на большие расстояния обогащенные железом и марганцем осадки, скорее всего, представляют собой продукты осаждения из несущих железо и марганец гидротермальных растворов, которые разгружаются в вышележащую морскую воду наряду со взвешенными окисями, выносимыми в виде струй из выходов гидротерм и разносимыми на большие территории. Поскольку эти отложения образовались вследствие выпадения преципитатов из раствора, они могли захватывать дополнительные количества металлов из морской воды.

Пространственные связи на морском дне менаду различными видами описанных выше отложений будут зависеть главным образом от физико-химических условий в местах гидротермальной разгрузки. Разгрузка гидротермальных растворов в сильно окислительную среду, такую, как неограниченный резервуар нормальной морской воды, вероятно, ведет к быстрому окислению железа и резким изменениям отношения Fe/Mn в осадках на небольших расстояниях, как это наблюдается в отложениях района FAMOUS и Аденского залива. Там, где разгрузка гидротермальных растворов происходит в менее окислительных или восстановительных условиях, разделение этих металлов будет осуществляться на больших расстояниях, поскольку физико-химические условия среды, и в особенности ее рН и Eh, изменяются более постепенно. Лучшим тому примером является впадина Атлантис-II. Сходный эффект, по-видимому, имеет место и в Галапагосском районе, где высокая биологическая продуктивность и сопутствующие ей высокие скорости накопления органического вещества приводят к низким величинам Eh в осадках, в результате чего отложению железо-марганцевых окисей предшествует образование гидротермальных силикатов железа, таких, как нонтронит. Отложения в районе вулкана Санторин и в подобных ему районах, где имеет место разделение металлов на расстоянии от десятков до сотен метров, являются промежуточными между быстро окисляющимися отложениями, типа отложений Аденского залива и района FAMOUS, с одной стороны, и медленно окисляющимися отложениями, типа отложений впадины Атлантис-II, — с другой. Это, вероятно, происходит потому, что выход гидротермальных растворов осуществляется в частично закрытые каналы, а не в открытое море.

Некоторое подтверждение существования процессов фракционирования металлов на морском дне следует из экспериментальных работ. Сейфрид и Бишофф подвергали растворы, полученные в результате гидротермального выщелачивания базальтов, взаимодействию с морской водой в различных соотношениях. Во всех случаях они наблюдали быстрый и количественный вывод железа, вероятно в виде его гидроокиси. Марганец же, наоборот, независимо от степени разбавления раствора морской водой оставался в нем, что наглядно свидетельствовало об отсутствии тенденции как к выпадению из раствора в виде дискретной фазы, так и к соосаждению с железом. Такое поведение, по-видимому, может быть объяснено довольно медленным окислением Mn2+ при рН<9. Поведение SiO2 изменялось в зависимости от степени разбавления. При разбавлении 1:1 концентрация SiO2 в растворе уменьшалась с 617 до 130 млн-1 — уровня, который, по-видимому, поддерживался растворимостью аморфного SiO2. При таком разбавлении также наблюдался небольшой вывод из раствора Mg. В осадке, образовавшемся в результате этой реакции, преобладал аморфный SiO2, который в природном состоянии представлен, по-видимому, баритово-опаловыми отложениями в Лоу-Бейсин, описанными Бертине и Кином. Разбавление измененной после взаимодействия с базальтом морской воды гремя частями нормальной морской воды приводило к значительному выводу Mg, частичному выводу SiO2 и увеличению рН, Это, по-видимому, происходило вследствие образования гидратированного силиката Mg. Разбавление измененной морской воды нормальной морской водой в пропорции 1:39 приводило к тому, что SiO2 гидротермального происхождения оставался в растворе и осадок представлял собой сравнительно чистую аморфную окись железа. Он, по-видимому, был аналогичен обогащенным железом металлоносным осадкам, обнаруженным в гребневой части Восточно-Тихоокеанского поднятия. Таким образом, результаты этих экспериментов свидетельствуют о том, что соотношение гидротермального раствора и морской воды, а также физико-химическая природа самих растворов имеют большое значение для состава образующихся осадков. Железо осаждается в большинстве случаев. При малых разбавлениях основная часть осадка представлена SiO2, при средних разбавлениях образуется силикат Mg, однако сильные разбавления приводят к образованию осадков, обогащенных Fe, при этом ни SiO2, ни Mg не осаждаются в значительных количествах. Таким образом, в зависимости от условий смешивания, широкий диапазон которых наблюдается на морском дне, состав гидротермальных осадков может варьировать в пределах от почти чистого SiO2 до чистой окиси железа.

До сих пор проблема фракционирования металлов, связанного с гидротермальной циркуляцией и разгрузкой, обсуждалась только в двух измерениях. Однако аналогия с впадиной Атлантис-II позволяет построить модель в трех измерениях. Осаждение сульфидов в пределах впадины Атлантис-II происходит при повышенных температурах в восстановительных условиях, которые, по-видимому, очень редки в открытом океане на поверхности срединно-океанических хребтов. Однако там, где высокие температуры и восстановительные условия сохраняются вплоть до точки гидротермальной разгрузки, на морское дно будут осаждаться сульфиды переходных металлов, как это происходит на Восточно-Тихоокеанском поднятии (21° с. ш.) Остальные же металлы будут выноситься в морскую воду и осаждаться в других местах. Там, где нисходящие массы морской воды перемешиваются с поднимающимися гидротермальными растворами и охлаждают их, вероятно, имеет место осаждение сульфидов ниже уровня морского дна, а на самом дне или в непосредственной близости от его поверхности, по-видимому, отлагаются более низкотемпературные гидротермальные образования, сначала силикаты, а затем окиси. Это мы видим в районах FAMOUS и Галапагосском, а также в Аденском заливе. Вертикальное распределение гидротермальных образований наряду с другими факторами зависит от Eh, рН и температурного градиента в восходящих флюидах. При таких условиях марганец, вероятно, осаждается над отложениями железа или недалеко от них, что наблюдается в Галапагосском районе и Аденском заливе. И наконец, там, где интенсивное охлаждение и смешивание гидротермальных растворов с морской водой происходят ниже уровня морского дна, большинство гидротермальных минералов будет осаждаться под его поверхностью, а конечные продукты разгрузки — окиси марганца будут отлагаться на морском дне или близко от его поверхности. Это наблюдается в районе TAG. Таким образом, трехмерная модель образования металлоносных осадков на срединно-океанических хребтах включает обычно осаждение металлов из одного и тот же гидротермального раствора как в коре, так и на поверхности дна. Однако некоторые или все осадки могли бы формироваться на морском дне при условии сохранения высоких температур и восстановительных условий вплоть до гидротермальной разгрузки. Модель представлена на рис. 61.

Трехмерная модель имеет по крайней мере два подтверждения. Во-первых, было обнаружено, что породы, полученные в отдельных районах срединно-океанических хребтов путем драгировок, содержали микровкрапленность сульфидов, хотя раньше отложения массивных сульфидов не встречались. Во-вторых, геологические разрезы и последовательность осаждения металлов в содержащих массивные сульфиды офиолитовых сериях массива Троодос и других районов, по-видимому образовавшихся в океанических условиях, аналогичны разрезам и последовательности осаждения металлов, описанным для срединно-океанических хребтов. Более подробно эти месторождения будут обсуждаться далее.

Несмотря на большую вероятность осаждения большинства гидротермальных сульфидов ниже уровня морского дна, в районах подводной вулканической деятельности в открытом океане с неограниченной циркуляцией окисляющих придонных вод и на морском дне локально также могут встречаться условия, благоприятные для образования сульфидов переходных металлов. Подобные отложения, как уже отмечалось, были обнаружены на Восточно-Тихоокеанском поднятии (21° с. ш.) и в Калифорнийском заливе. Канн предположил, что температуры, необходимые для образования на дне в открытом океане сульфидов переходных металлов, можно обнаружить только в осевой зоне срединно-океанических хребтов. Он подсчитал, что в некоторый определенный момент времени на каждые 100 км осевой зоны хребта может приходиться только одно сульфидное месторождение переходных металлов, выходящее на поверхность. Франшто и др. предположили, что гидротермальные сульфиды переходных металлов, по-видимому, более распространены на хребтах с высокой скоростью спрединга, чем с низкой. Это предположение основано на том, что на срединно-океанических хребтах в отличие от Восточно-Тихоокеанского поднятия такие отложения найдены не были. Однако вследствие своей близости к оси хребта такие отложения вскоре после образования, вероятно, перекрываются лавами. Это наряду с возможным окислением отложений в окислительных условиях, преобладающих на срединных хребтах открытого океана, означает, что немногие из отложений (если вообще такие найдутся) будут сохраняться неограниченно долго. Поэтому для того чтобы обнаружить сохранившиеся в открытом океане сульфидные месторождения любого размера и качества, следовало бы искать вулканически активный район, во-первых достаточно удаленный от оси хребта, где перекрытие донных отложений лавами маловероятно, и, во-вторых, замкнутый, где может преобладать восстановительная среда независимо от условий, являющихся следствием вулканизма. Такие районы могут встречаться в пределах островных дуг и зон разломов срединно-океанических хребтов.

Как уже отмечалось, окисные разновидности металлоносных осадков были установлены рядом авторов на участках морского дна, приуроченных к областям подводного вулканизма в островных дугах. В этих условиях сульфидные минералы, по-видимому, осаждаются ниже уровня дна. Однако то, что сульфидные минералы могут осаждаться на морское дно в островодужной обстановке, доказывается встречаемостью современных осадочных сульфидных отложений на суше (Соломоновы острова). Для того чтобы на морском дне в островных дугах могли осаждаться и сохраняться сульфиды, необходимы, по-видимому, следующие условия: ограниченная циркуляция морской воды, приводящая к развитию восстановительной среды, структурные депрессии, в которых отложения могли бы задерживаться, и, естественно, проявление подводной вулканической деятельности. Всем этим условиям могли бы удовлетворять некоторые глубоководные бассейны в островных дугах.

Вероятность встречи осадочных сульфидов переходных металлов в океанических зонах разломов достаточно высока. Эти структуры являются вулканически активными, в них наблюдается высокий тепловой поток, по-видимому являющийся результатом гидротермальной циркуляции. В них большие мощности океанической коры подвергаются воздействию циркулирующих гидротермальных флюидов, способных выщелачивать из нее металлы. Зоны разломов достаточно глубоки, поэтому имеют местами ограниченную циркуляцию, приводящую к развитию восстановительных условий, и содержат бассейны, которые могли бы быть ловушками гидротермальных осадков. Бонатти и др. и Хоннорец сообщили о незначительном распространении современного гидротермального пирита в зоне разлома Романш в Атлантике, а Хоннорец отметил также присутствие сульфида железа, обогащенного As, Hg, Тl и другими металлами в зоне разлома на некотором расстоянии от Калифорнийского залива. Кронен предположил, что сочетание высокой биологической активности поверхностных вод с ограниченной циркуляцией на глубине, т. е. сочетание, которое может быть встречено в зонах разломов, расположенных под экваториальными областями высокой биологической продуктивности, могло бы привести к стагнации и развитию в придонных водах (вследствие распада органического вещества) восстановительных условий, необходимых для отложения сульфидов. Такие условия могли бы быть наиболее благоприятными для отложения и сохранения на океанских глубинах сульфидов переходных металлов. Недавние сообщения о находках сульфидов в Калифорнийском заливе и в Галапагосском районе (обоим районам присуща высокая биологическая продуктивность) подтверждают этот вывод.