1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 496, № 2, 2021

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 143-148

Новые данные о составе железомарганцевых корок разлома Долдрамс, Центральная Атлантика

Н. П. Константинова 1, *, академик РАН А. И. Ханчук 2, П. Е. Михайлик 2, С. Г. Сколотнев 3, Е. В. Иванова 4, А. С. Бич 1, Г. А. Черкашев 1, 5

1 ВНИИ Океангеология им. И.С. Грамберга
Санкт-Петербург, Россия

2 Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук
Владивосток, Россия

3 Геологический институт Российской академии наук
Москва, Россия

4 Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Москва, Россия

5 Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: NPKonstantinova@gmail.com

Поступила в редакцию 30.09.2020
После доработки 10.11.2020
Принята к публикации 10.11.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся новые данные о морфологии, химическом составе и возрасте железомарганцевых корок разлома Долдрамс, Центральная Атлантика, полученных в ходе 45-го рейса НИС “Академик Николай Страхов”. По результатам химического анализа корки разлома Долдрамс характеризуются повышенными содержаниями Fe, Al, Si и микроэлементов – Cd, Cr, Li, Hf, Nb, Sb, Sc, Th, W и V. Большая часть корок имеет двухслойное строение: верхний слой отличается более высокими содержаниями терригенного вещества и пониженными концентрациями основных рудных элементов и РЗЭ в сравнении с нижним слоем, что отражает смену условий формирования.

Ключевые слова: железомарганцевые корки, разлом Долдрамс, Срединно-Атлантический хребет

На сегодняшний день железомарганцевые образования (ЖМО) Атлантического океана вызывают большой интерес как с научной точки зрения, так и с практической. Химический состав основных рудных элементов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pb, Zn) ЖМО разлома Долдрамс, отобранных в 1987–1989 гг. в экспедициях НИС “Академик Николай Страхов”, изучен ранее [1]. В настоящей публикации приведены данные о морфологии и химическом составе новой коллекции корок, драгированных в восточной части разлома Долдрамс.

Материал для исследований получен в ходе международной комплексной экспедиции на НИС “Академик Николай Страхов” в 2019 г. (45-й рейс) [2, 3]. Железомарганцевые корки были подняты при драгировании южного и северного склонов долины разлома Долдрамс с глубин 4000–2570 м (рис. 1; табл. 1). Образцы общей массой 3 кг получены на трех станциях(S45-11, S45-13, S45-15), однако большая часть материала была отобрана на станции S45-13 (табл. 1).

Рис. 1.

Схема расположения станций отбора образцов ЖМО разлома Долдрамс.

Таблица 1.

Местоположение станций драгирования

№ станции Координаты Глубина драгирования, м Толщина корки, мм
Широта (с.ш.) Долгота (з.д.)
S45-11 08°06′ 38°10′ 3000–2570 20
S45-13 08°18′ 38°17′ 3850–3770 60
S45-15 08°18′ 38°40′ 4000–3990 3

Было проанализировано 3 образца: S45-13/I (слой 1), S45-13/II (слой 2), S45-11 (рис. 2). Концентрации макро- и микроэлементов определялись методами ИСП-АЭС на спектрометре iCAP6500 Duo (“ThermoScientific”) и ИСП-МС на квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7700x (“Agilent Technologies”), определение содержания Si выполнено гравиметрическим методом.

Рис. 2.

Железомарганцевые корки разлома Долдрамс, станции S45-13, S45-11.

Длина образцов железомарганцевых корок варьирует от 3 до 13 см, толщина – от 3 до 60 мм (рис. 2). Морфология поверхности мелкоботриоидальная. Образцы имеют различия в морфологическом строении. Так, корки со станции S45-13 состоят из двух слоев: нижний слой (слой 1), толщиной в среднем 15 мм, плотный, темно-коричневый с микрослоистой структурой, а верхний слой (2) характеризуется средней толщиной 45 мм, более рыхлый, с колломорфной столбчатой структурой, интерстиции заполнены светлым рыхлым материалом. Образец S45-11 имеет однослойное строение, по морфологии схож с верхним слоем образца S45-13. Образец корки станции S45-15 маломощный, до 3 мм, его химический состав не анализировался. Субстрат представлен от слабо измененных перидотитов до серпентинитов.

Полученные содержания основных рудных элементов близки ранее опубликованным данным ЖМО разлома Долдрамс [1] (рис. 3). Исключение составляет Co, содержание которого в исследуемых корках выше. Сравнение анализируемых образцов с кобальт-богатыми корками (КМК) Тихого океана указывает на обогащенность Fe и Cu и обедненность Mn, Ni и Co корок разлома Долдрамс. Однако высокие средние содержания Cо (0.38) в последних позволяют отнести их к КМК-типу ЖМО(Co > 0.2) [4] (рис. 3). Распределение элементов по разрезу корок различно: нижний слой характеризуется повышенными содержаниями всех рудных элементов. Отношение Mn/Fe корок разлома Долдрамс в среднем составляет 0.53, что соизмеримо с гидрогенными корками Атлантики (0.69) и значительно отличается от КМК Тихого океана (1.35) [1, 5, 6]. Кроме того, корки разлома Долдрамс характеризуются высоким, относительно КМК Магеллановых гор, средним содержанием Al (3.27 и 1.01 соответственно).

Рис. 3.

Сопоставление средних содержаний (Xср) петрогенных и рудных элементов в анализируемых образцах разлома Долдрамс с корками из других областей: северная часть Тихого океана (NPPZ), Атлантический океан [6]; разлом Долдрамс* (изученные ранее [1]), разлом Богданова [5].

Корки разлома Долдрамс обогащены Cd, Cr, Li, Hf, Nb, Sb, Sc, Th, W, V (табл. 2) по отношению к КМК Тихого океана. Все вышеперечисленные металлы, за исключением Cd и Li, относятся к группе элементов, представленных в морской воде в форме отрицательно заряженных оксианионов и гидроксильных комплексов [7]. Согласно электрохимической модели образования гидрогенных железомарганцевых корок, эти комплексы сорбируются гидроксидами железа, имеющими в морской воде слабый положительный или нейтральный поверхностный заряд [7]. Следовательно, увеличение концентраций этих элементов вызвано повышенным содержанием гидроксидов железа в исследуемых корках.

Таблица 2.

Содержание редких и рассеянных элементов (г/т) в корках разлома Долдрамс относительно КМК северной части Тихого океана (NPPZ)

  Cd Cr Hf Li Nb Sb Sc Th V W
S45-11 7.39 66.37 14.38 18.17 93.35 78.12 21.92 71.04 972 74.16
S45-13/I 4.64 44.83 13.55 11.17 78.68 57.12 24.01 74.71 1144 141.95
S45-13/II 4.78 43.75 10.30 23.50 65.89 50.46 18.12 72.13 827 78.95
Xср 5.60 51.65 12.74 17.61 79.31 61.90 21.35 72.63 981 98.35
Тихий NPPZ [6] 3.59 27.90 9.43 2.92 51.60 39.30 6.50 11.00 641.0 89.0

Примечание. Хср – среднее значение.

Сумма редкоземельных элементов (РЗЭ) в исследуемых образцах изменяется от 1763 до 2514 г/т (табл. 3). Такие высокие значения соизмеримы с гидрогенными КМК Тихого и Атлантического океанов и увеличивают их потенциальную практическую значимость (рис. 4). Распределение РЗЭ и Y, нормализованных на сланец (PAAS) (SN) [8], в корках разлома Долдрамс схоже для всех проб и характеризуется наличием положительной Ce-аномалии (>1) (табл. 3), что связано с окислительно-сорбционным механизмом накопления Ce в корках [9].

Для получения информации о генезисе корок часто используются диаграммы зависимости отношений СeSN/Ce*SN и Nd, а также СeSN/Ce*SN и YSN/HoSN (рис. 5) [10]. Корки разлома Долдрамс попадают в область гидрогенных образований, которые характеризуются положительной Се-аномалией и максимальными значениями Nd (>100 мг/кг). На графике отношения СeSN/Ce*SN и YSN/HoSN гидротермальные образования являются единственной группой с YSN/HoSN-отношением больше 1. Для гидрогенных корок это отношение, как правило, варьирует в пределах 0.61–0.91 [10], в исследуемых корках YSN/HoSN незначительно ниже и в среднем составляет 0.57, что связано с более интенсивным фракционированием Ho и Y в придонных условиях Центральной Атлантики вследствие преимущественного осаждения Ho на взвешенные частицы Fe–Mn-оксигидроксидов. Это может быть вызвано меньшей устойчивостью комплексных соединений Ho в морской воде в сравнении с соединениями Y [11]. И Се-аномалия, и отношение Y/Ho отражают гидрогенное образование исследуемых корок.

Таблица 3.

Содержание редкоземельных элементов и иттрия (г/т) в корках разлома Долдрамс

  La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu Ʃ Се ан. YSN/HoSN
S45-11 237 1054 65 232 52 13 59 10 67 204 12 36 6 31 4 1878 1.95 0.60
S45-13/I 340 1369 99 332 76 20 87 14 84 201 14 38 6 31 4 2514 1.71 0.52
S45-13/II 222 998 63 215 50 12 56 10 60 182 11 31 5 26 4 1763 1.93 0.61
Хср 266 1140 76 260 59 15 67 11 70 196 13 35 5 29 4 2052 1.84 0.57

Примечание. Хср – среднее значение, Σ – сумма РЗЭ.

Рис. 4.

Распределение РЗЭ и Y в корках разлома Долдрамс, северной части Тихого океана (NPPZ), Атлантического океана [6], нормализованных на сланец (PAAS) [8].

По данным кобальтового хронометра [12], скорость роста нижнего слоя образца S45-13 составляет 1.87 мм/млн лет, а верхнего достигает 3.06 мм/млн лет. Возраст нижнего слоя, рассчитанный с учетом средних скоростей роста и средних мощностей слоев, составляет примерно 22.7 млн лет, а формирование верхнего слоя началось приблизительно 8 млн. лет спустя. Различие в морфологии и химическом составе нижнего и верхнего слоев образца S45-13 указывает на смену условий формирования корок, произошедшую около 14.7 млн лет назад. В верхнем слое происходит рост концентрации Si и Al, что может указывать на увеличение содержания терригенной примеси.

Таким образом, по вещественному составу и распределению РЗЭ железомарганцевые корки разлома Долдрамс относятся к кобальт-богатому типу ЖМО, имеющему гидрогенный генезис [4].

Начало роста корок совпадает с границей олигоцен/миоцена, когда в центральной Атлантике фиксируются значительные тектонические движения океанского дна, которые привели к возобновлению осадконакопления. Домиоценовый период характеризуется сильными придонными течениями в экваториальной области Атлантики, которые, вероятно, препятствовали образованию корок [13].

Увеличение скорости роста слоя 2 в сравнении с нижележащим слоем привело к уменьшению концентрации Co и росту содержания терригенного материала, что совместно с морфологией корок указывает на смену гидродинамического режима, вероятно, на уменьшение скоростей придонных течений в среднем миоцене. В Тихом океане смена условий формирования КМК связывается с крупными вулканотектоническими активизациями (ВТА) [14]. Рассчитанная нами временная граница смены условий формирования КМК разлома Долдрамс (14.7 млн лет) не соответствует установленной в Центральной Атлантике позднемиоценовой ВТА (10–7 млн лет) [5], что может быть связано с использованием расчетного метода датирования [12] и требует подтверждения.

Рис. 5.

Графики зависимости (a) СeSN/Ce*SN и YSN/HoSN, (б) СeSN/Ce*SN и Nd для различных генетических типов ЖМО и корок разлома Долдрамс [10]. Обозначения: SN – австралийский постархейский сланец – PAAS [8], Ce* – цериевая аномалия (CeSN* = 0.5LaSN + 0.5PrSN) [10].

Список литературы

  1. Базилевская Е.С. Исследование железо-марганцевых руд океана. Труды Геологического института. М.: Наука, 2007. Вып. 518.

  2. Иванова Е.В., Сколотнев С.Г., Борисов Д.Г. и др. Комплексные исследования зон трансформных разломов Долдрамс и Вима в 45-м рейсе НИС “Академик Николай Страхов” // Океанология. 2020. Т. 60. № 3. С. 488–490.

  3. Сколотнев С.Г., Санфилиппо А., Пейве А.А. и др. Новые данные по строению мегатрансформной системы Долдрамс (Центральная Атлантика) // ДАН. Науки о Земле. 2020. Т. 491. № 1. С. 29–32.

  4. Андреев С.И., Аникеева Л.И., Казакова В.Е. и др. Кобальт-богатые руды Мирового океана. СПб.: ФГУП ВНИИ Океангеология, 2002. 167 с.

  5. Пущаровский Ю.М., Сколотнев С.Г., Пейве А.А. и др. Геология и металлогения Срединно-Атлантического хребта: 5–7° с.ш. Труды Геологического института. М.: Наука, 2004. Вып. 562.

  6. Hein J.R., Mizell K., Koschinsky A., et al. Deep-ocean Mineral Deposits as a Source of Critical metals for High- and Green-technology Applications: Comparison with Land-based Resources // Ore Geology Reviews. 2013. V. 51. P. 1–14. 2012.12.001.https://doi.org/10.1016/j.oregeorev

  7. Koschinsky A., Hein J.R. Uptake of Elements from Seawater by Ferromanganese Crusts: Solid-phase Associations and Seawater Speciation // Marine Geology. 2003. V. 198. P. 331–351.

  8. McLennan S.M. Rare Earth Elements in Sedimentary Rocks: Influence of Provenance and Sedimentary Processes. Geochemistry and Mineralogy of the Rare Earth Elements // Rev. Miner. 1989. V. 21. P. 169—200.

  9. Дубинин А.В. Геохимия редкоземельных элементов в океане. Ин-т океанологии им. П.П. Ширшова РАН. М.: Наука, 2006. 360 с.

  10. Bau M., Schmidt K., Koschinsky A., et al. Discriminating Between Different Genetic Types of Marine Ferromanganese Crusts and Nodules Based on Rare Earth Elements and Yttrium // Chem. Geol. 2014. V. 381. P. 1–9.

  11. Bau M., Dulski P., Möller P. Yttrium and Holmium in South Pacific Seawater: Vertical Distribution and Possible Fractionation Mechanisms // Chem. Erde.1995. V. 55. P. 1–15.

  12. Manheim F.T., Lane-Bostwick C.M. Cobalt in Ferromanganese Crusts as a Monitor of Hydrothermal Discharge on the Sea Floor // Nature. 1988. V. 335. P. 59–62. https://doi.org/10.1038/335059a0

  13. Панаев В.А., Митулов С.Н. Сейсмостратиграфия осадочного чехла Атлантического океана. М.: Недра, 1993.

  14. Михайлик П.Е., Ханчук А.И., Михайлик Е.В. и др. Самородное золото в Fe–Mn корках гайота Детройт (Императорский хребет, Тихий океан) // Вестник ДВО РАН. 2014. № 4. С. 13–24.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал