Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Металлоносные осадки Мирового океана

ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Гурвич, Евгений Гиршевич, Москва

У/33-О

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ ИМ. П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи

УДК 550.42; 550.443; 553.3.065.22

ГУРВИЧ ЕВГЕНИЙ ГИРШЕВИЧ

МЕТАЛЛОНОСНЫЕ ОСАДКИ МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 04.00.10 - геология океанов и морей

( /

Автореферат диссертации в виде монографии на соискание ученой степенидоктора геолого-минералогических наук

-

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН

Официальные оппоненты:

Доктор'химических наук И.И.Волков

Доктор геолого-минералогических наук В.Б.Курносов

Доктор геолого-минералогических наук Л.Э.Левин

Ведущая организация: Геологический факультет Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Защита состоится " 3 " илдНЯ_ 1998 г. в час. — мин.

на заседании Специализированного ученого совета Д.002.86.01 при Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН пс адресу: 117851 Москва Гг'гг-7, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН

Автореферат разослан " очгкеллн_ 1998 г.

Ученый секретарь Специализированного ученого совета, кандидат географи'

1РСТВЕНН-

"ЩЯйОТ?

5" 7"

С.Г.Панфилова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Открытые вблизи активных спрединговых хребтов донные осадки, отличающиеся повышенными содержаниями железа, марганца и целого ряда малых элементов и низкими - лигоген-ных компонентов, более 30 лет акгавно изучаются морскими геологами многих стран Мира. Эти осадки получили название металлоносных (в англоязычной литературе - metalliferous). Исключительный интерес исследователей к металлоносным осадкам (МО) был проявлен в первую очередь потому, что, как было однозначно доказано, аномальность их состава обусловлена присутствием в них материала, поставляемого из недр океанской коры подводными гидротермальными источниками. Металлоносные осадки явились первыми индикаторами выхода на поверхность океанского дна гидротермальных растворов. 30 лет назад ученые тсшько предполагали существование высокотемпературных гидротермальных источников на океанском дне. Впервые они были обнаружены в 1978 г. на Восточно-Тихоокеанском поднятии на глубине около 3000 м [Francheteau et al, 1979].

Металлоносные осадки исследовались морскими геологами многих стран (СССР, России, США, Швеции, Германии, Великобритании, Канады, Франции, Японии, Италии, Болгарии, Греции, Австралии и ряда других). Среди отечественных ученых наибольший вклад в изучение МО был сделан специалистами ИО РАН, ГИН РАН, ГЕОХИ РАН, ВНИИОкеангеология и МГУ.

В настоящее время в океанских рифтах известно более 100 акшвных гидротермальных полей, в пределах которых формируются сульфидные залежи, рассматривающиеся многими геологами в качестве руд недалекого будущего. Эти гидротермальные поля обычно окружены МО, фиксирующими области рассеяния эндогенного материала и, соответственно, свидетельствующими о возможном присутствии в пределах гидротермальных полей рудных залежей.

Можно выделить несколько крупных проблем, которые решаются при изучении МО:

1. Некоторые МО являются частями гидротермальных рудных залежей и поэтому - объектами "практической геологии". Они формируются у подножий гидротермальных построек в результате их разрушения и перемещения обломков массивных сульфидных руд и продуктов их изменения вниз по склонам и мало отличаются по содержанию полезных компонентов от массивных залежей. Максимальная мощность таких отложений, вскрытая современными геологическими пробоотборниками, превышает 4 м, а расстояния, на которые эти отложения распространяются от гидротермальных построек, достигают сотен метров. Особо следует сказать о МО некоторых впадин Красноморского рифта, заполненных высокоминерализованными рассолами. Эти осадки формируются в условиях, существенно отличных от условий рифтов открытого океана, и составляют основные части гидротермальных рудных залежей.

2. Металлоносные осадки представляют исключительную важность для "практической геологии", ибо уже сегодня широко используются при поисках гидротермальных массивных рудных залежей. Из поступающего на поверхность дна гидротермального осадочного материала тсшько около 5% осаждается непосредственно у подводных гидротермальных источников, формируя массивные рудные залежи, а 95% рассеивается в придонных водах и частично переходит в МО. Массивные сульфидные залежи, представляющие наибольший интерес для "практической геологии", имеют максимальные размеры в поперечнике около 200-250 метров, ширина же области развития МО, например, в юго-восточной части Тихого океана, составляет в среднем свыше 2000 км, а максимально - около 3500 км. Поэтому поиск гидротермальных сульфидных залежей целесообразно вести по ореолам рассеяния гидротермального материала, в том числе и по МО. Для поисков реликтовых рудных залежей, которые могут бьпъ захоронены под более молодыми вулканными или рыхлыми отложениями, МО иг-—~ неоценимую роль.

j. Важная проблема, решаемая при исследовании МО, - это восстановление истории развития пщротермаль-.ого рудного процесса в пределах индивидуальных гидротермальных полей, на отдельных сегментах спредин-гозмх хребтов, а также в океане в целом. Колонки МО являются "летописями" геологических событий, фикси-тощими не только последовательность гидротермальных и негидротермальных фаз, но и изменение во времени интенсивности гидротермальной деятельности, а в некоторых из колонок - также состава и свойств подни-' мвшихся к поверхности гидротермальных рудоносных растворов. Несомненно, исследования соотношения :.зных типов гидротермальных отложений в пределах массивных сульфидных залежей, в том числе и их даги-i о&шие, имеют существенные преимущества для восстановления истории гидротермального рудонакопления. '.'' днако при современной технологии подводных геологических работ получение такой информации очень трудоемко, а для погребенных залежей в подавляющем большинстве случаев - и невозможно. Поэтому еще долее время МО будут оставаться основным объектом при изучении истории океанского гидротермального рудо-пенеза.

4. Океанские рифты являются зонами, в которых происходит интенсивный обмен веществом между литосферой и гидросферой. В них через гидротермальную циркуляционную систему примерно за 110 млн лет проходит количество воды, равное запасу воды в Мировом океане. При этом часть химических элементов (в частности, Mg) осаждается из океанской воды в коре. Значительная часть элементов извлекается из пород коры и переводится в гидротермальный раствор. Выносимый на поверхность дна гидротермальный осадочный материал лишь частично осаждается на дно вблизи подводных источников в виде массивных залежей и проксимальных МО. Значительная его часть теряет связь с источником, "обезличивается" и включается в общий круговорот веществ в океане. Основная часть Мп, значительное количество Fe, Si и ряда других химических элементов, содержащихся в океанской воде, имеют гидротермальное происхождение. Важно также отметить, что подводные гидротермальные источники продуцируют огромные массы мощных сорбентов - свежеосажденных окси-гидроксидов Fe и Мп, которые удаляют из океанской воды и переводят в МО значительные количества таких химических элементов, как Со, Ni, Си, Zn, V, РЗЭ, Р, С, N и др. Все изменения интенсивности гидротермальных процессов в океане существенно влияют на химический состав океанской воды и, прежде всего, на содержание в ней тех химических элементов, времена пребывания которых соизмеримы или меньше продолжительности гидротермальных фаз и циклов. Систематизация всей информации по МО Мирового океана, полученным при глубоководном бурении океанского дна, уже в настоящее время позволяет судить об изменениях интенсивности гидротермальных процессов в океане в кайнозое и, соответственно, вплотную подойти к изучению эволюции химического состава океанских вод.

Дели и задачи работы. При подготовке работы ставились следующие цели и задачи:

1. Обобщить собственную и доступную литературную информацию о результатах исследований современных и древних МО в океанах и Красном море.

2. Показать основные черты состава МО и закономерное™ пространственного распределения содержаний и скоростей накопления слагающих их компонентов.

3. Установить причины, обуславливающие различные типы распределения содержаний химических элементов в МО.

4. Показать процесс трансформации состава гидротермального рудного вещества ог гидротермальных растворов до МО.

5. Установить, отражается ли в составе океанских МО металлогеническая специализация щдротерм и массивных сульфидных руд.

6. Показать основные закономерности формирования металлоносных толщ в океане.

7. Установить причины разнообразия состава МО во впадинах рифговой зоны Красного моря.

8. Реконструировать историю гидротермальной деятельности и рудообразования в океанах и впадине Атлан-тис П Красного моря по материалам изучения МО.

9. Показать возможность организации поиска погребенных сульфидных залежей (в случае их сохранности) по материалам изучения МО.

Объекты исследования.

1. Современные МО юго-восточной часта Тихого океана

2. Современные МО северной части BTTL

3. Современные МО хребта Хуан-де-Фука.

4. Современные МО Индийского океана.

5. Современные осадки районов гидротермальной деятельности юго-западной части Тихого океана (котловины Вудларк, Манус, Лау, Северо-Фвджийская).

6. Современные МО рифговой зоны Срединно-Атлангического хребта.

7. Металлоносные осад ки впадин рифговой зоны Красного моря.

8. Древние МО океанов, вскрытые глубоководным бурением.

9. Гидротермальные плюмы.

10. Фоновые осадки, вода и взвесь.

Следуем отметить, что работа посвящена только МО, накопление которых происходило на поверхности дна вследствие осаждения вещества гидротермальных плюмов, либо вследствие разрушения и переотложения материала гидротермальных построек. Инфильтрационные МО, подобные обнаруженным на поле Mound Галапагосского хребта, в Срединной долине хребта Хуан-де-Фука и в троге Эсканаба хребта Горда, в работе не рассматривались. Мегаллоносность этих осадков формируется в совершенно иной обстановке и они заслуживают того, чтобы стать предметом отдельного большого исследования.

Научная новизна работы.

1. 8 работе впервые систематизированы все современные знания о современных и древних (до 160 млн лет) МО Мирового океана.

2. Впервые прослежена "судьба" гидротермального осадочного материала и его трансформация от рудоносных флюидов подводных гидротермальных источников на путях миграции в придонных водах океана и до захоронения в МО. Получена прямая информация о механизме формирования МО и однозначно установлены причины латеральной неоднородности их минерального и химического составов.

3. Показано, что состав проксимальных МО гидротермальных полей отражает металлогеническую специализацию рудоносных гидротермальных флюидов и массивных сульфидных руд.

4. Установлено, что в гидротермальных плюмах с нейтральной плавучестью и при последующей миграции к донному осадку гидротермальный осадочный материал теряет информацию о составе и свойствах рудоносных гидротермальных флюидов и является только индикатором существования подводных высокотемпературных гидротермальных источников.

5. Доказано, что наиболее широко распространенные и наиболее часто встречающиеся при геологическом опробовании океанского дна дистальные (накопившиеся за пределами гидротермальных полей) МО могут бьпъ использованы для характеристики интенсивное™ гидротермального процесса на океанском дне, но не для распознания составов первичных рудоносных флюидов и массивных рудных залежей, формирующихся непосредственно у устьев подводных гидротермальных источников.

6. Установлены причины разнообразия состава МО впадин рифтовой зоны Красного моря.

7. Создана количественная модель формирования металлоносных толщ на подвижных лигосферных плитах в океане.

8. Реконструирована история гидротермальной деятельности и рудонакопления в океанах и впадине Атлантис II Красного моря по результатам изучения МО.

9. На основании созданной количественной модели формирования металлоносных толщ показана возможность установления участков функционирования древних подводных гидротермальных источников во время отложения МО и, соответственно, - организации поиска районов современного нахождения погребенных сульфидных залежей (в случае их сохранности).

Достоверность выводов определяется прежде всего достоверностью аналитических данных. Она базируется на постоянном использовании и анализе отечественных и международных стандартов, а также параллельном анализе одних и тех же образцов в разных лабораториях. Теоретические выводы подтверждены результатами отечественных и зарубежных натурных ^экспериментальных исследований. Они в основном укладываются в современные научные представления об изучаемых процессах. Достоверность реконструкций истории гидротермальной деятельности (ГД) и рудообразования может подтверяедаться наличием синхронности гидротермальных "событий" и таких явлений, как тектонические перестройки спрединговых хребтов и изменения скорости спрединга, которые реконструируются принципиально иными методами. Существование же связи ГД и рудообразования с этими явлениями, а также с вулкано-текгоническими циклами в рифтах установлено в современном океане и обосновывается теоретически. С другой стороны, предложенные методы реконструкции истории ГД при приложении к современным МО "выводят" на реально существующие участки ГД и рудообразования.

Практическая ценность результатов исследования МО может рассматриваться в двух аспектах.

1. Часть проксимальных МО формируется у подножий гидротермальных построек в результате их разрушения и перемещения обломков массивных сульфидных руд и продуктов их изменения вниз по склонам. Эти осадки имеют значительную мощность и по содержанию полезных компонентов мало отличаются от массивных сульфидных залежей. Что касается МО заполненной высокоминерализованными рассолами впадины Атланте II Красного моря, то их промышленное освоение в случае решения рада экологических и политических проблем возможно уже в настоящее время.

2. Дистальные МО по содержанию полезных компонентов не столь ценны, как проксимальные, и если представят практический интерес, то в отдаленном будущем. Однако их исследование исключительно важно при поисках полиметаллических гидротермальных рудных залежей, особенно погребенных. В настоящее время результаты исследования дисгальных МО являются практически единственным источником информации, позволяющим устанавливать места возможного нахождения реликтовых рудных залежей, которые могут быть захоронены под более молодыми вулканитами или рыхлыми отложениями.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных и международных школах по морской геологии (1976-1997), на1 и III съездах советских океанологов (1977, 1987), на XIV Тихоокеанском научном конгрессе (1979), на VIII и X Всесоюзных симпозиумах по стабильным изотопам в

геохимии (1980, 1984), на Всесоюзном совещании "Эволюция осадочного процесса на континентах и в океанах" (1981), на VI симпозиуме Международной ассоциации по генезису рудных месторождений (1982), на IV Всесоюзной конференции "Мировой океан" (1983), на международных совещаниях "Геология и тектоника Сре-динно-Атлантического хребта" и "Потоки вещества в океане" (1989), на 28 и 29 сессиях Международного Геологического Конгресса (1989, 1992), на Всесоюзном совещании "Металлогения современных и древних океанов" (1991), на совещании Американского Геофизического Союза (1991), на международных конференциях 'Тектоника лигосферных пли^' (1991, 1993, 1995), на российско-британском симпозиуме экспедиции ВЯАУЕХ/94 (1994), на научно-технических советах 18 и 21 рейсов нис "Академик Мстислав Кеэдыш" (1988, 1990), а также неоднократно на коллоквиумах Отдела геологии океана ИО РАН.

Фактический материал, вклад автора. При подготовке работы использовались оригинальные материалы и пробы, полученные за многие годы в экспедициях Института океанологии им. П.П.Ширшова (3 рейс д/э "Обь", 8, 14 и 25 рейсы нис "Дмитрий Менделеев", 24 рейс нис "Академик Курчатов", 7, 12, 15,21,23,34 и 35 рейсы нис "Академик Мстислав Келдыш", 3 рейс нис "Профессор Штокман"), Инсппута минеральных ресурсов Мирового океана ВНИИОкеангеология (4 рейс нис "Геолог Ферсман") и 138 рейса б/с "Джоидес Ре-зольюшн". Большое количество проб было предоставлено руководством Проекта глубоководного бурения по запросу. Следует подчеркнуть, что во многих экспедициях Инсппута океанологии исследования носили комплексный характер и включали одновременное изучение водной толщи, гидротермальных р�