Массивные сульфидные руды океана

В течение нескольких десятилетий после экспедиции “Челленджера” конкреции находили регулярно почти все последующие экспедиции, получавшие донные пробы, и, начиная с 60-х годов ХХ в. стали появляться обоснованные предположения о глобальном характере железомарганцевого оруденения на дне океана. Так, по расчетам Д. Меро [4], общие ресурсы железомарганцевых конкреций на дне Тихого океана достигают 1.66·1012 т.

Другой тип подобных образований - железомарганцевые корки, которые, в отличие от конкреций, образуют протяженные относительно тонкие покровы на твердых породах различного состава, преимущественно на подводных поднятиях. Они были открыты и впервые описаны совместно с конкрециями в результате той же экспедиции на “Челленджере” и лишь много позднее выделены в самостоятельный морфологический тип.

В 1954 г. появилось первое сообщение о высоком содержании кобальта (0.7%) в железо-марганцевых корках Тихого океана, что стимулировало дальнейшие комплексные исследования. В настоящее время кобальтоносные, медленно растущие корки обычно называют гидрогенными, или рудными, в отличие от бедных кобальтом и быстро растущих гидротермальных.

Pис. 5. Cхема формирования массивных сульфидных руд на дне океана

(http://www.barkerminerals.com/s/Properties.asp?PropertyInfoID=186&_Name=ACE-PROJECT)

Распространение железомарганцевых конкреций, обогащенных рудными металлами

Металлоносные осадки с аномально высоким содержанием железа были впервые обнаружены экспедицией “Челленджера”, а спустя 70 лет экспедицией “Карнеги” в юго-восточной части Тихого океана, но они также не привлекли к себе внимания. Ситуация изменилась, когда были опубликованы карты распределения железа и марганца в осадках Тихого океана, продемонстрировавшие региональное обогащение этими металлами обширной юго-восточной зоны. Такое обогащение связывалось с поставкой гидротермального вещества [5]. О возможном наличии в океане подобного процесса сообщал и К.К. Зеленов, воочию наблюдавший осаждение гидроксидов железа и алюминия из гидротерм на подводном склоне вулкана Бану-Вуху в Индонезии.

Столь же повышенный интерес вызвали к себе металлоносные осадки Красного моря. В 1964 г. в его центральной впадине, названной впоследствии именем исследовательского судна “Атлантис II”, на глубине 2190 м обнаружили горячие рассолы с температурой 44°С и соленостью 261‰. (Заметим, что температурная аномалия была здесь впервые выявлена на глубине 600 м контр-адмиралом С.О. Макаровым во время плавания на корвете “Витязь”, в 1886 г., и впоследствии многократно подтверждалась другими экспедициями, но ее объясняли погружением нагретых и осолоненных поверхностных вод.) Затем установили, что придонный рассол обогащен растворенными металлами, а донные осадки состоят из чередующихся полужидких слоев оксидов и сульфидов металлов, превращающихся при высыхании в рудное вещество с примесью соли. Поэтому осадки впадины Атлантис II нередко называют рудными илами. После таких сенсационных находок в Красном море работало несколько экспедиций и было установлено 14 впадин с осадками, обогащенными металлами гидротермального происхождения [9].

Наличие сульфидных прослоев в металлоносных осадках Красного моря показало, что сульфидоносные гидротермы могут разгружаться также и в рифтовых зонах открытого океана. Действительно, в 1967 г. в зоне тройного сочленения Аравийско-Индийского и Центрально-Индийского подводных хребтов, в гидротермально измененных основных породах, обнаружили сульфидную минерализацию штокверкового типа, представленную пиритом, халькопиритом, ковеллином, ильменитом, гематитом. Судя по характеру двойников халькопирита, температура рудоносного флюида была около 550°С. Но большинство исследователей считало, что накопление сульфидов на поверхности дна в рифтовых зонах открытого океана невозможно из-за насыщенности морской воды кислородом, который приводит к быстрому окислению сульфидов.

Железомарганцевые конкреции, широко распространенные на дне Мирового океана, максимально сосредоточены в нескольких рудных полях, в пределах которых они распределяются неравномерно, хотя на некоторых участках конкреции покрывают свыше 50% площади дна. В их минеральном составе доминируют гидроксиды марганца (тодорокит, бернессит, бузерит, асболан) и железа (вернадит, гематит, фероксигит), с ними связаны все преставляющие экономический интерес металлы. Химический состав океанских конкреций крайне разнообразен: в тех или иных количествах присутствуют практически все элементы периодической системы. Для сравнения в таблице 1 приводятся средние содержания главных рудных элементов в морских железомарганцевых конкрециях и в глубоководных пелагических осадках.

По другим данным, в частности по возрасту органических остатков и по изотопному составу гелия, конкреции растут в сотни и тысячи раз быстрее и могут, как предполагают, оказаться моложе подстилающих осадков. Для подтверждения первой точки зрения требуется объяснить, почему конкреции не перекрываются относительно быстро накапливающимися осадками, для подтверждения второй - откуда за относительно короткое время поступила колоссальная масса марганца, необходимая для формирования конкреций в масштабах всего океана.

В первом случае предлагался ряд объяснений, например: активность переворачивающих конкреции донных организмов, воздействие придонных течений, поддерживающих конкреции “на плаву”, тектонические толчки, встряхивающие донные отложения. Для обоснования второй концепции наиболее удобна гипотеза усиленной поставки в позднечетвертичный океан гидротермального марганца, однако конкретные доказательства подобного явления пока не приводились. В любом случае конкреции сформировались за счет поступления рудного материала из подстилающих осадков, о чем свидетельствует корреляция средних содержаний в них различных элементов. Железомарганцевые гидрогенные (или рудные) корки характеризуются низкими скоростями накопления, относительно стабильным составом и повышенным содержанием цветных металлов, что сближает их с глубоководными железомарганцевыми конкрециями. Рудные корки, распространенные на подводных поднятиях, встречаются во всех климатических зонах в прибрежных, гемипелагических и пелагических обстановках на глубинах от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. В наибольшей степени они распространены в Тихом океане - на подводных горах Мид Пацифик и Магеллановых, в северной части экваториальной зоны, на склонах Гавайского хребта, на подводных горах в районе Маршалловых о-вов и архипелага Туамоту и в других районах.

Обычно корки залегают на поверхности плотных пород - базальтов, гравелитов, известняков, мергелей, иногда фосфоритов. В большинстве регионов их мощность связана с глубиной океана. Так, на подводных горах Мид Пацифик корки мощностью свыше 6 см находятся на глубинах 1500-2100 м; выше и ниже этого интервала их мощность сокращается до 0.5-3.5 см.

Генезис корок связан, очевидно, с теми же механизмами, которые предлагались для железомарганцевых конкреций, но с превалированием гидрогенных процессов, т.е. осаждением металлов непосредственно из океанской воды. Об этом свидетельствует и определенная зависимость между средними содержаниями элементов в корках и воде. Наибольшую роль в процессе формирования таких образований играют, по мнению большинства исследователей, окислительные и сорбционные процессы, в частности окисление Mn2+?Mn4+, Co2+?Co3+, Ce3+?Ce4+, Pt2+?Pt4+, сопровождающееся сорбцией микроэлементов гидроксидами марганца. Но для платины предполагался также механизм ее восстановления двухвалентным марганцем до Pt0, что подтверждается находкой самородной платины в железомарганцевых конкрециях Тихого океана.

Гидротермальные рудопроявления (из которых наибольшим разнообразием пользуются металлоносные осадки) известны в Тихом, Атлантическом океанах и в меньшей степени - в Индийском.

Металлоносные осадки отличаются повышенным содержанием железа гидротермального происхождения (более 10%). Обширная зона их распространения - юго-восточная часть Тихого океана (около четверти всей площади) между 5° и 45°ю.ш., куда поступает гидротермальный материал из рифтовой зоны Восточно-Тихоокеанского поднятия. На значительной части этой площади содержание железа в осадках (в пересчете на бескарбонатное вещество) превышает 20%.

Путем геохимических сопоставлений было показано, что основная часть (62-88%) Fe, Mn, Pb, Zn поступила в эти осадки из гидротермальных источников, в то время как основная часть (54-94%) Ba, Ni, Co, Zr, La, Sm, Eu - из океанской воды. Доля гидротермального источника в поставке Si, V, B оценена в 28-37%, Ni, Co, Zr - в 11-18%.

Массивные сульфиды представляют собой плотные образования сложного строения и переменного состава. Они известны в ряде участков Восточно-Тихоокеанского поднятия, в Калифорнийском заливе, в зонах задугового спрединга, западной части Тихого океана, в северной части Срединно-

Во впадине Гуаймас (Калифорнийский залив) встречаются конусообразные гидротермальные постройки высотой до 50 м; другие постройки, находящиеся на внутритроговых полях, имеют форму колонн и пагод, возвышающихся над коническими цоколями на 17-23 м. На поверхности цоколей наблюдаются скопления вестиментифер (специфической фауны гидротермали) и бактериальные маты.

Минеральный состав массивных сульфидов варьирует в пределах каждого рудопроявления в зависимости от состава и температуры гидротермального раствора, скорости его истечения и условий осаждения рудного материала. Для большинства рудопроявлений характерны различные сочетания сульфидов железа, меди, цинка и свинца (табл.3). Химический состав сульфидов также варьирует в зависимости от того, рассматриваются ли мономинеральные компоненты, минеральные агрегаты, поликомпонентные штуфы или морфологически обособленные части рудных построек.

Гидротермальные железомарганцевые корки встречаются как совместно с металлоносными осадками, так и без них, нарастая на твердых породах или на поверхности неконсолидированных осадков, главным образом на возвышенностях океанского дна. По морфологии они аналогичны гидрогенным (рудным) коркам, но отличаются минеральным составом.

Химический состав гидротермальных корок характеризуется резким преобладанием марганца или железа: отношение Fe/Mn колеблется от 24 000 (при максимальном содержании Fe = 58%) до 0.001 (при максимальном содержании Mn = 52%).

Содержание в современных фосфоритах урана оказалось сопоставимым с таковым в древних фосфоритах, а редкоземельных элементов - многократно ниже, что свидетельствует о накоплении первого в раннем диагенезе, а вторых - в постседиментационных процессах.

Генезис фосфоритов на современных подводных окраинах континентов связан с явлением прибрежного апвеллинга, обеспечивающим высокую биологическую продуктивность фитопланктона, накопление обогащенных подвижным фосфором биогенных осадков и формирование в них диагенетических фосфатных стяжений. При последующем переотложении таких осадков фосфатный материал может подвергаться вторичной концентрации, о чем, например, свидетельствует сходство строения и состава современных фосфатных зерен, рассеянных в диатомовых илах внутреннего шельфа и сконцентрированных в переотложенных плиоценовых-плейстоценовых осадках внешнего шельфа Намибии.

Распространение фосфоритов на дне океанов. Обозначены: мелкие (I) и крупные (II) залежи фосфоритов в приконтинентальных районах и фосфориты на подводных горах открытого океана (III). Заштрихованы части континентов, обеспеченные фосфатным сырьем за счет наземных месторождений.

енезис фосфоритов на подводных горах и возвышенностях объясняется аналогичным образом для мелководных этапов геологической истории поднятий, когда они омывались поверхностными водами. Вопрос о том, происходила ли фосфатизация пород при глубоководной стадии развития подводных гор, остается спорным и требует дополнительного исследования.

Идея освоения рудных ресурсов океана возникла на базе значительных достижений в области исследований океанского дна, проводившихся ведущими мировыми державами в эпоху холодной войны и активной конкуренции за приоритет в освоении океана как стратегического пространства. Естественно, что эта идея получила поддержку руководства каждой из конкурирующих сторон, поскольку руды марганца и кобальта рассматривались как стратегическое сырье. В океане были проведены сотни специализированных рейсов научно-исследовательских судов США, СССР, а также Индии, Японии, европейских стран, Австралии, Новой Зеландии и ЮАР. Было получено и обработано невиданное ранее количество новой информации о рудном потенциале океана (табл.5), на что было истрачено, по ориентировочной оценке, около 4 млрд. долл.

Распространение гидротермальных образований на дне Мирового океана. 1 - массивные сульфидные руды, 2 - активные гидротермальные выходы, 3 - гидротермальные железомарганцевые корки, 4 - области сплошного распространения металлоносных осадков.

Экологические проблемы, связанные с нарушением среды как на дне, так и в фотическом горизонте водной толщи, предполагалось разрешить путем минимизации взмучивания придонного слоя, а также выводом продуктов промывки конкреций с борта судна на глубину нескольких сот метров по специальному трубопроводу. Наконец, наиболее критическая проблема, ставшая первостепенной, - рентабельность предприятия в целом. Еще в конце 70-х годов было подсчитано, что капитальные затраты на создание производственного комплекса по добыче и переработке 3 млн т конкреций в год составят 1.5-2 млрд долл. При этом доходы на вложенный капитал - 8.5-9.5%, а чистая прибыль после вычета налогов - лишь 3-4.5%. С учетом нестабильности океанской среды, изменчивости ситуации на рынках сбыта, а главное, при отсутствии стратегического стимула, такой экономический риск не оправдан. Но работавшие в этой области специалисты считают, что накопленный опыт по освоению подводных месторождений необходимо тщательно сохранять и приумножать, дабы немедленно его реализовать в случае изменения экономической ситуации в мировой экономике и технологиях, могущих вызвать повышение цен на черные и цветные металлы. Ресурсы массивных сульфидов исследованы недостаточно, но в перспективе могут оказаться весьма значительными: протяженность зон спрединга океана, к которым они приурочены, достигает 60 тыс. км, а расстояние между расположенными вдоль них гидротермальными полями может быть относительно коротким - десятки и сотни километров. В Галапагосском поле заключено около 25 млн т массивных сульфидов, а общие ресурсы меди и цинка в сульфидных рудах океана оценивались в 1987 г. от 216 до 518 млн т, или соответственно 14 и 29% от мировых запасов. Массивные сульфиды образуют, в противоположность железомарганцевым конкрециям, концентрированные рудные тела, залегают на значительно меньшей глубине (около 2.5 км) и находятся в большинстве случаев ближе к континенту, что упростит проблему их будущей разработки.