Статья: Океанское марганценакопление в свете исторической тектоники

Е. С. Базилевская, Ю. М. Пущаровский, Геологический институт РАН

Введение

Проблема океанского рудогенеза актуальна не только с научной точки зрения, но имеет и весьма существенное экономическое значение, обусловленное иссякающими запасами ряда стратегически важных металлов в месторождениях суши. Основу ее составляют железо-марганцевые отложения (ЖМО) - самые распространенные и типичные для океанских условий. Они являются конечным результатом сложного комплекса процессов океанского седиментогенеза и наиболее распространены в глубоководных районах пелагиали океана, характеризующихся минимальными темпами осадконакопления и высокоокислительными свойствами морской воды. Их главные рудообразующие металлы - Fe и Mn, находятся в форме гидрооксидов, обладающих высокой сорбционной активностью в отношении большого спектра рассеянных элементов. Особая роль в этом принадлежит гидрооксидам Mn - наиболее активным природным сорбентам и окислительным катализаторам. Если первое свойство способствует связыванию токсичных излишков растворенных в морской воде металлов, то второе переводит их в окисленное нерастворимое состояние. Все это приводит к образованию высоко ценных в экономическом отношении концентратов Cu, Ni, Co и др., и в то же время способствует сохранению экологической чистоты океанской среды. Последнее особенно важно в условиях усиливающегося техногенного загрязнения морской воды из-за антропогенной деятельности. Роль ЖМО в этом отношении трудно переоценить.

Более чем полувековое интенсивное изучение геологии океана принесло многочисленные открытия, во многом изменившие прежние представления о геологии планеты в целом. Однако в проблеме океанского рудогенеза основные теоретические вопросы пока не нашли окончательного решения. Более того, интерес к ним в последнее время, пожалуй, даже несколько снизился и на первый план выходят сейчас прикладные аспекты, связанные с освоением минеральных богатств океанского дна. Нельзя исключать, что промышленная добыча руд может начаться раньше, чем будут выяснены такие ключевые вопросы, как источники поставки металлов в океан, механизм образования ЖМО, скорости их роста и др., имеющие непосредственную связь с объективной оценкой экологических последствий такого освоения.

Рис. 1. Карта распространения полей железо-марганцевых отложений в Мировом океане

В данной статье предлагается новый подход к проблеме формирования ЖМО и соответствующих руд в океане, учитывающий новейшие данные морской геологии, геохимии главных рудообразующих металлов - Fe и Mn, исторической геологии и палеогеодинамики. В известной мере эта работа инициирована предшествующими публикациями С. И. Андреева [Андреева, 1993, 1994] и только что изданной Объяснительной запиской к Металлогенической карте Мирового океана [Металлогеническая карта..., 1998]. Сама карта пока не вышла, но к записке прилагается ее вариант с выделенными площадями наиболее высоких концентраций ЖМО - рудными полями и рудоносными площадями, схема которого приведена на рис. 1.

Обширный фактический материал, содержащийся в "Записке", позволяет с большей достоверностью, чем это было раньше, судить об особенностях марганценакопления в разных океанах. Проведенные нами пересчеты этих данных приведены в табл. 1, из которой со всей очевидностью следует, что площади распространения ЖМО и их состав существенно различаются в Тихом океане и Атлантике. В Индийском океане четко проявлена асимметрия в этих показателях для восточной и западной его частей. При этом ЖМО восточной части по вещественному составу близки к Тихоокеанским, а западной - к Атлантическим. В общей сложности прогнозные ресурсы Mn в ЖМО Индо-Тихоокеанского сектора превышают таковые в Индо-Атлантическом в 70 раз. В Атлантике эти ресурсы крайне бедные, весьма мало перспективные для их освоения.

Таким образом, в проблеме океанского рудогенеза четко проявляется новый неожиданный аспект - асимметрия двух глобальных секторов Мирового океана в отношении накопления масс ЖМО. Выявление отмеченной асимметрии и позволяет искать новые пути к решению проблемы океанского рудогенеза. Очевидно глобальное значение этой проблемы.

1. Геохимические аспекты

Рассмотрим основные аспекты геохимии главных рудообразующих металлов ЖМО. Казалось бы, что само название этих стяжений свидетельствует о геохимической близости свойств главных рудообразующих металлов - Fe и Mn. Но это не совсем так. Еще В. И. Вернадский отмечал, что в природе в зоне гипергенеза нет ни одного железо-марганцевого минерала. Кроме того железистые и марганцеворудные формации на суше хотя и сопутствуют друг другу, но всегда разделены во времени и пространстве. Это связано с разницей в стандартных потенциалах окисления - более низком у Fe и высоком у Mn. Поэтому Fe окисляется легче Mn и соответственно раньше образует окисные твердофазные соединения.

В океанской среде Fe образует нерастворимые твердофазные соединения как в окисленной, так и в восстановленной осадочной толще, в то время, как Mn в твердой фазе может существовать только в окисленных условиях. Из восстановленных осадков растворенный Mn мигрирует к поверхности дна и в конечном счете в благоприятных фациальных условиях (высокие содержания растворенного кислорода в морской воде и низкие скорости седиментации) формирует рудные отложения в двух основных формах: железо-марганцевые конкреции (ЖМК) и корки.

Разница в геохимических свойствах этих металлов приводит к тому, что если в горных породах, являющихся источником металлов для ЖМО, среднее отношение Mn/Fe составляет 0,017, то в ЖМК эта величина почти на два порядка выше и равна 1,44 [Андреев, 1994]. Иными словами, главным итогом океанского рудогенеза является колоссальное накопление Mn на фоне существенного снижения роли Fe. Откуда же берутся такие количества Mn, если известно, что в породах земной коры Mn находится в ничтожных количествах в рассеянном состоянии и не образует ни одного самостоятельного минерала. На этот счет есть две точки зрения. В соответствии с одной, в процессе выветривания пород суши в океан реками сносятся огромные массы осадков, иногда формирующих области так называемой лавинной седиментации до нескольких километров мощностью. При быстром накоплении осадков в их толще возникают восстановительные условия, в которых Mn растворяется и мигрирует вверх, обогащая окисленные слои осадков и придонную воду, откуда поступает в океан (диагенез). Fe в восстановительных условиях может осаждаться в форме сульфидных минералов, входить в состав соответствующих глинистых минералов и др., и таким образом, частично выводиться из процесса океанского рудообразования. Это первый этап разделения Mn и Fe в океанской среде и относительного увеличения отношения Mn/Fe. Зона распространения восстановленных осадков охватывает значительную часть периферии океанов и это свидетельствует о масштабах описанного процесса. В дальнейших путях миграции рудного вещества в океанские области, благоприятные для отложения ЖМО, происходит дальнейшее изменение указанного отношения по причине, в частности, различий в величинах стандартных потенциалов окисления Mn и Fe.

Заметим, что процессы выветривания или гальмиролиза происходят и на океанском дне. Они также могут приводить к высвобождению рудных металлов из коренных пород, выходы которых обычно покрыты Fe-Mn корками. Однако, количественно оценить этот источник металлов в отношении Mn не позволяет то обстоятельство, что при гальмиролизе происходит разрушение и раздробление пород, увеличение их удельной поверхности, что само по себе способствует усилению осаждения на них не только Mn, но и Cu, Ni и Co. Соответствующие данные приводятся в работе Т. И. Фроловой с соавторами [Фролов и др., 1979]. В табл. 2 показана связь петрологического состава пород и состава перекрывающих их корок. Как видно, существенных колебаний здесь не выявляется. Незначительное уменьшение отношения Mn/Fe в базальтах отдельных разломных зон связано скорее с их тектоническим положением в разломной зоне.

Процентные содержания Mn в воде океана - 27ћ10-10, а Fe - 56ћ10-10, что дает величину Mn/Fe 0,48 [Батурин, 1993]. Интересно, что, как показали наши исследования, близкое к этому соотношение характерно для многих рудных корок, формирующихся в молодых рифтовых зонах Атлантического океана, что свидетельствует об их существенно гидрогенном формировании [Базилевская, 1995]. Обычно роль Mn в рудных отложениях с этого предела отношений Mn/Fe увеличивается за счет разных факторов, начиная с сорбционного связывания и автокаталитического окисления дополнительных порций самого Mn из морской воды (что характерно для корковых отложений) и кончая особенностями формирования ЖМК, покоящихся на осадочной толще. В этом случае к означенному процессу добавляются диагенетические преобразования в толще окисленного осадка глубоководных областей океана, стимулируемые различиями в физико-химических параметрах осадочной толщи и придонной воды. Разумеется диагенез в этих условиях происходит существенно более медленными темпами, но роль его в формировании ЖМК в зоне геохимического барьера осадок - вода велика, он обусловливает особенности вещественного состава отложений [Базилевская, 1985]. В ходе этого процесса формируются особенно богатые Mn и малыми элементами ЖМК с пониженными содержаниями Fe, поскольку значительная часть его связывается в осадочной толще.

Таким образом, главное геохимическое различие между Mn и Fe в океане сводится к многообразию минеральных форм, в которых Fe выводится из океанского рудогенеза в осадочную толщу как в окислительных, так и в восстановительных условиях, в то время как Mn может находиться в твердофазной форме только в окисленных условиях.

Гидрооксиды Mn, слагающие рудное вещество ЖМО, характеризуются высокой геохимической подвижностью. Это связано с их способностью образовывать смешанновалентные соединения с разной степенью окисления Mn. Обычно в ЖМО фиксируется максимальная степень окисленности Mn, близкая к MnO 2, но, как правило, не достигающая этого предела из-за наличия связанного в гидрооксидах MnO. При изменении физико-химических параметров (а в океанской среде это возможно только в одном направлении - в снижении окисленности), гидрооксиды Mn способны восстанавливать свой состав за счет относительного увеличения доли MnO в соединении MnO ћ MnO 2, сохраняясь в твердой фазе. Однако при полном исчезновении кислорода в морской воде они растворяются. Соответственно при этом высвобождаются и все другие, связанные с рудной фазой, малые элементы.

Есть еще одна важная особенность в геохимии Mn - это стремление его гидрооксидов к отложению на так называемых активных поверхностях, т.е. в зонах геохимических барьеров, которые обычно приурочены к поверхности осадка или обнажениям коренных пород на океанском дне. С этим связано то обстоятельство, что максимальные скопления ЖМО в океанах всегда остаются на поверхности его дна, хотя и не исключается вероятность погребения конкреций в окисленных горизонтах осадка. Таким образом, Mn в значительно большей степени, чем Fe, связан с гидросферой и судьба его полностью контролируется изменениями величин Eh и pH морской воды.

На мобильном океанском ложе вполне вероятны локальные и относительно кратковременные изменения в составе морской воды под воздействием разного рода эндогенных проявлений. К их числу можно отнести подводный вулканизм, рифтовые зоны спрединговых хребтов с гидротермальной активностью, и вообще зоны тектоно-магматической нестабильности. Эндогенная активность в подобных зонах сопряжена с внедрением на океанское ложе высокотемпературных глубинных масс, мгновенно и катастрофически меняющих условия, существовавшие на океанском дне, в частности, резко снижающие содержания кислорода в определенном объеме морской воды, что неизбежно должно приводить к растворению окисных рудных отложений. Несомненно, высокая буферность и колоссальные массы океанских вод способны быстро восстановить природное равновесие при локальном проявлении подобной активности, что характерно для современного этапа развития океана, и соответственно происходит быстрая регенерация ЖМО при нормализации обстановки. Однако состав их может измениться, поскольку возможно связывание части Fe в осадочной толще.

В конце 70-х годов и позже на океанском дне вблизи спрединговых зон Восточно-Тихоокеанского поднятия, а затем и в Атлантике было открыто несколько рудоносных гидротермальных источников с жерлами, сложенными массивными сульфидными рудами. Этому открытию уделяется большое внимание ученых, поскольку появилась простая возможность найти источник поставки металлов на океанское дно, с одной стороны, и приблизиться к разгадке генезиса колчеданных формаций на суше, с другой. Но согласиться с тем, что 90% Mn и все Fe поставлено в океан из спрединговых центров, как это утверждается в [Лисицин и др., 1992], нельзя. На данный момент фактически на весь Мировой океан открыто не более 3-х десятков металлоносных гидротерм, из них меньше половины сопровождаются отложениями массивных руд. Последние нередко располагаются относительно кучно в определенных участках срединных хребтов и связаны, по-видимому, с отдельными очагами глубинной активности.

Заметим, что эта разновидность океанского рудогенеза ни в какой мере не может сопоставляться с масштабами окисного Fe-Mn рудообразования, поскольку она находится в антагонистическом противоречии с высокоокислительной обстановкой океанской среды, которая агрессивна по отношению к восстановленным отложениям и стремится окислить и растворить их. На поверхности океанского дна сульфидные отложения геологически эфемерны и существование их должно поддерживаться непрерывностью гидротермальной деятельности, что противоречит известным фактам о прерывистости этих проявлений. Предположение о том, что сульфидные руды могут сохраняться под окисными Fe-Mn корками, сделанное по аналогии с ситуацией, встречающейся в месторождениях суши, не подтверждено прямыми доказательствами (бурением) и едва ли состоятельно для глубоководных океанских условий.

Все сказанное свидетельствует скорее об экзотическом характере этой разновидности океанских руд и процессов, приводящих к их образрованию и не способных в какой-либо мере повлиять на изменения в среде современного океана, для которой типичным остается окисной Fe-Mn рудогенез.

Как источник рудного вещества гидротермальная поставка несомненно имеет место в отношении металлов, слагающих сульфидные постройки и подверженных неизбежному окислению и растворению в океанской среде. Однако высокая количественная оценка этого вклада для ЖМО сделана чисто умозрительно и с большим преувеличением, особенно в отношении Mn. Она не учитывает особенностей геохимии Mn в океане, а также такого важнейшего фактора, как геологическая длительность океанского рудогенеза. Впрочем, последнее в равной степени относится к проблеме рудогенеза в целом, поскольку практикуемый обычно расчет поставки рудного вещества в океан может быть справедливым только при объективной оценке общей длительности этого процесса, т.е. является предметом рассмотрения геологической истории океанского рудонакопления.

2. Историко-тектонические обстановки

Когда же началось окисное Fe-Mn рудообразование в Мировом океане? С одной стороны, будучи процессом осадочным, в принципе рудогенез может быть синхронным началу океанского осадкообразования на Земле. С другой стороны, все современные ЖМО сформированы в современных океанах, где наиболее древние осадки, в соответствии с данными глубоководного бурения, имеют возраст около 170 млн лет. Встает вопрос, имеются ли прямые признаки существования древнейших океанских ЖМО? По распространенным представлениям водные бассейны на Земле возникли еще в раннем архее, т.е. 3,5-4,0 млрд лет назад, когда в обширных впадинах земной коры стала скапливаться вода, а точнее раствор, образовавшийся при дегазации планеты и находившийся в равновесии с породами ложа океана и первичной атмосферой [Пущаровский, Новикова, 1992]. Слоистые осадки раннеархейского возраста обнаружены в Западной Гренландии, Западной Австралии, Южной Африке и на Украине. Они свидетельствуют о существовании в это время терригенного сноса и формировании кор выветривания. В Западной Гренландии возраст водно-слоистых осадков более 3850 млн лет [Nutman et al., 1997]. Авторы утверждают, что в это время не только существовала гидросфера, но и происходили хемогенно-осадочные процессы, причем условия, удовлетворяющие стабильности жидкой воды, означают, что температура поверхности суши была сходна с современной. Изотопы углерода графитовых микровключений в апатите соответствуют их биоорганическому происхождению, что позволяет говорить о следах жизни на Земле даже более 3850 млн лет назад. Иными словами получены прямые доказательства существования субаквальной седиментации для раннеархейской Земли, а следовательно можно предполагать вероятность существования протоокеанических бассейнов. По-видимому это было также началом накопления в них Mn и Fe.

Заметим, что все известные палеореконструкции, воспроизводящие расположение древнейших континентов во времени и пространстве, начиная с 3-х млрд лет, подразумевают существование Мирового океана, на фоне которого происходили глобальные процессы создания суперконтинентов и их распада на отдельные блоки. Для данной работы особенное значение имеет тектоническая история суперконтинента, сформировавшегося в самом конце архея и развивавшегося в раннем протерозое [Сорохтин, Ушаков, 1993; Хаин, Ломизе, 1995]. В период 2500-2200 млн лет назад тектонический режим в его пределах был спокойным. Имеются высказывания, что это был крупнейший спокойный период в истории Земли с очень медленным отложением пелагических и химических осадков [Barley et al., 1997]. Переломным моментом в структурном развитии суперконтинента (древнейшей Пангеи) оказался рубеж 2200 млн лет назад, когда началось его дробление. Однако, процесс этот не был скоротечным, а происходил длительно и неравномерно. В результате возникло несколько материковых массивов, особенностью которых было высокое стояние, зафиксированное шельфовой или континентальной седиментацией. Между массивами развивались подвижные пояса, замыкавшиеся гетерохронно. Окончательно этот режим прекратился в эпоху мощного раннепротерозойского орогенеза, отвечающего времени ~1900 млн лет назад, когда возникла новая Пангея [Сорохтин, Ушаков, 1993; Хаин, Ломизе, 1995]. Вся эта диастрофическая эпоха (2200-1900 млн лет назад) должна рассматриваться как эпоха неустойчивого геодинамического режима, характеризующегося сложным сочетанием в земной коре условий тектонического растяжения и сжатия. В палеогеографическом отношении здесь можно говорить о распространении суши, шельфов и разноглубинных водных бассейнов.

Иные палеотектонические и историко-геологические представления принадлежат Дж. Роджерсу [Rogers, 1996]. Им предложена схема, согласно которой первым континентом на Земле был континент Ур, образовавшийся 3 млрд лет назад. Спустя 0,5 млрд лет возник континент Арктика, а еще через такой же промежуток времени - континент Атлантика. Соединившись 1 млрд лет назад эти континенты образовали первый суперконтинент Родинию. Но эту схему сам автор определяет как умозрительную, базирующуюся лишь на предположениях. В особенности это относится к древним континентам.

Однако заметим, что слово "Родиния", введенное в 1991 году, все чаще используется в литературе, хотя в сущности оно относится к ранее выделявшемуся суперконтиненту (рифейская Пангея). О распространенности понятия свидетельствует, например, отчет по итогам изучения Гондваны (проект IGCP #288), в котором Родиния является отправной позицией [Urung, 1996]. Заметим также, что мысли Дж. Роджерса лежат в русле концепции схождения и дисперсии континентальных блоков в истории Земли, получившей широкое признание. В то же время очевидно, что для более определенных представлений, особенно в отношении геологической истории планеты в архее и протерозое, необходимы новые факты и подходы.

3. Океанское марганценакопление

Весьма весомым и аргументированным свидетельством существования древнего океана являются раннепротерозойские хемогенно-осадочные месторождения Fe и Mn руд - крупнейшие носители основной массы мировых ресурсов этих металлов. Д. Шиссель и Ф. Аро предложили новый подход к тектоническому положению крупнейших осадочных бассейнов этого возраста [Schissel and Aro, 1992]. Основываясь на палеореконструкции Д. А. Пайпера [Piper, 1982], предположившего амальгамирование протерозойского суперконтинента между 2000-1800 млн лет, они показали, что большинство крупнейших бассейнов с Fe- и Mn-формациями образовывались в условиях пассивных тектонических окраин без признаков существенного вулканизма, на мелководных континентальных шельфах. Ранний протерозой (2,5-1,9 млрд лет) в истории Земли характеризуется развитием основной массы крупнейших железорудных формаций, составляющих свыше 90% всех мировых запасов. С ними ассоциируют крупнейшие Mn-рудные месторождения в Южной Африке, Бразилии и Индии; только одно гигантское поле Калахари (Южная Африка) содержит более 75% мировых запасов Mn. Такая ассоциация железорудных и марганцевых месторождений имеет прямую связь с океаническим источником этих металлов. Модель образования подобных месторождений подразумевает апвеллинг глубинных восстановленных вод, обогащенных Fe и Mn, в области континентального склона и шельфа и последовательное отложение, сначала Fe-формаций при пониженных величинах редокс потенциала, затем карбонатных и окисных Mn руд, при возрастании окисленности прибрежных вод [Hem, 1972; Krauskopf, 1957]. Она применима и к другим крупным осадочным месторождениям Mn, в частности, к олигоценовым.

Рис. 2. Модель образования Fe- и Mn-рудных формаций при схождении континентальных блоков

Д. Шиссель и Ф. Аро считают, что глубинные воды протерозойского океана были восстановлены и насыщены растворенными Fe и Mn. Мы придерживаемся иной точки зрения, поскольку в соответствии с данными [Галимов, 1988; Гаррелс, Маккензи, 1974] общая масса воды в океане, а также ее состав, уже 2,5-2 млрд лет назад были близки к современным. К тому же выше были приведены новые данные, свидетельствующие о существовании воды на Земле 3850 млн лет назад [Nutman et al., 1997], т.е. по меньшей мере за 1,5 млрд лет до описываемых событий. Все это означает, что на океанском дне уже тогда мог происходить процесс окисного осадочного рудообразования, сходный с современным. По-видимому, огромные массы Fe и Mn могли быть высвобождены при растворении ЖМО в период образования протерозойского суперконтинента, когда сходящиеся континентальные блоки замкнули часть океана.

Рис. 3. Стратиграфические формации, включающие Mn-отложения, ассоциирующие с Fe-формациями в Южной Африке, Бразилии и Индии

Принципиальное различие в этих представлениях связано с тем, что в восстановленных морских водах протерозойского океана соотношение Mn и Fe не могло сильно отличаться от соотношения этих металлов в породах ложа (0,017), что не позволило бы сформировать Mn-рудные формации, представленные в таких масштабах. По-видимому, огромные массы Fe и Mn могли быть высвобождены при растворении предварительно сконцентрировавших их ЖМО, и в период образования протерозойского суперконтинента,когда сходящиеся континентальные блоки замкнули часть океана, были выброшены на берег. Сильное сжатие привело к активизации глубинных процессов на океанском дне, следствием их стало возникновение восстановительных условий, несовместимых с сохранностью ЖМО. К тому же все это сопровождалось возникновением сильного апвеллинга и трансгрессией океана. Именно образование гигантских месторождений Mn и Fe руд в условиях пассивных континентальных окраин является геологическим следом внутриокеанических глубинных тектонических событий в раннем протерозое. Возможная модель этого процесса приведена на рис. 2.

Сходство условий отложения, вещественного состава и единое время образования рудных формаций объединяют Южную Африку, Бразилию и Индию в составе раннепротерозойского суперконтинента. В обстоятельной статье Д. Шисселя и Ф. Аро [Schissel and Aro, 1992] дано подробное описание стратиграфических разрезов, приведенных на рис. 3. Кратко оно сводится к следующему.

Наиболее изученная формация Хотазель в Южной Африке показывает 3 цикла образования Fe-слоев, пелитового гематита и смешанных Mn-карбонатных и Mn-окисных слоев, отвечающих трем морским трансгрессиям. В гигантском поле Калахари протяженность Mn-рудного тела достигает 90 км и несет следы 5 эрозионных циклов. Минералогический комитет ЮАР оценивает его ресурсы в 12,7 млрд тонн, что превышает, как уже указывалось, 3/4 мировых запасов.

Из-за метаморфизма и деформаций пород геологические разрезы Бразилии и Индии менее ясны, но стратиграфия метаморфизованных осадков обычно показывает переходы от Fe-формаций к карбонатным марганцевым и затем к марганцевым окисным формациям. Все три последовательности перекрываются регрессивными карбонатными отложениями, которые завершают Fe и Mn седиментацию.

Рис. 4. Пангея раннерифейского времени

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--