Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 174-180

В настоящее время кобальтоносные железомарганцевые корки (далее корки, КМК), широко распространенные на многочисленных подводных возвышенностях Тихого океана, рассматриваются как перспективная руда на кобальт, никель, медь и марганец [1–7, 10]. К наименее исследованным относятся корки гайота Говорова Магеллановых гор, который располагается на севере северо-западного звена этих гор и является одним из четырех гайотов, входящих в Российский Разведочный Район (РРР).

На рис. 1 представлена схема гайота Говорова с выделенными двумя полигонами, на которых были проведены геологические работы с отбором образцов железомарганцевых корок. Полигон 08-2 (станции 08Д106, 08МТП02-3) расположен в северо-северо-восточной части гайота, захватывая часть вершинной поверхности и верхние части склонов. Фототелевизионное профилирование показало, что корковое оруденение приурочено преимущественно к склонам вулканических построек и наблюдается до глубин 2200–2400 м. Бровка и верхние части склонов покрыты сплошными покровами корок, мощность которых изменяется от 2.7 до 13 см. Разрез корок обычно трехслойный, с выпадением нижнего слоя I–2 (табл. 1). Субстратом чаще всего служат вулканокластические породы и брекчии позднего мела и раннего палеогена.

Рис. 1.

Расположение станций отбора проб кобальтоносных железомарганцевых корок на гайоте Говорова.

На вершинной поверхности гайота установлено, что мощности корок изменяются в диапазоне от 0.7 до 14.5 см. Разрез корок по керну – чаще всего полный, включающий слои I–1, I–2, II и III. Субстратом КМК являются преимущественно плотные органогенно-обломочные известняки, реже – брекчии и вулканокластические породы позднего мела и раннего палеогена.

Полигон 08-3 (станции 08Д115, 08Д122 и 08Д127-2) захватывает часть вершинной поверхности и верхние части южных и западных склонов гайота-сателлита, расположенного к юго-востоку от основного гайота. Как и на полигоне 08–2, корковое оруденение здесь также прослеживается до глубин 2200–2400 м. На вершинной поверхности гайота мощности корковых покровов достигают 9.8–19 см. На ее периферической части мощность корок меньше и составляет 2.5–11 см. Разрез корок обычно трехслойный, с выпадением нижнего слоя I–1 (табл. 1). Субстратом корок чаще всего служат известняки и брекчии позднего мела и раннего палеогена.

Минеральный состав рудной компоненты корок идентифицирован методами рентгенофазового анализа и микродифракцией электронов. Установлено, что основными рудными минералами различных слоев корок гайота Говорова являются плохо окристаллизованные, плохо структурно упорядоченные Fe-вернадит, Mn-фероксигит, а также достаточно структурно упорядоченный вернадит, находящийся, в основном, в слое I–1 и в меньшем количестве в слое I–2 (табл. 1). В значительно меньшем количестве в слое I–1 станции 08Д106 и в слое I–2 станции 08Д115 КМК также присутствует асболан-бузерит. В слоях II станций 08Д115 и 08Д127-2 и III станций 08Д106 и 08Д127-2 КМК идентифицирован гётит. Кроме того, в слое III корок станций 08Д115 и 08МТП02-3 в виде примеси отмечается бузерит-I.

Геохимия корок. Распределение основных рудных элементов, Fe и Mn, по слоям корок выглядит разнонаправленно (табл. 2). Содержание Fe по отдельным слоям корок возрастает от слоя I–1 к слою III и составляет 7.19–16.22 мас. %. Для Mn наблюдается противоположная картина – его содержание в целом уменьшается от слоя I–1 к слою III. При этом в КМК станции 08Д106 минимальное (15.35 мас. %) содержание Mn наблюдается в слое II, тогда как в этом же (II) слое корок станции 08Д127-2 оно максимально – 19.21 мас. %.

Марганцевый модуль, Mn/Fe, в корках гайота Говорова изменяется в типичном интервале значений для гидрогенных железомарганцевых корок Тихого океана – 0.93–2.54 (табл. 2).

Распределение катионов цветных металлов – Со²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ – крайне неодинаково в слоях корок (табл. 2). Ни для одного из данных катионов металлов не установлена какая-либо закономерность в их распределении – в одних корках наблюдается уменьшение их содержания от слоя I–1 к слою III, в других – наоборот увеличение. При этом самое низкое содержание Ni²⁺, Со²⁺ и Сu²⁺ отмечается в слое III корок станций 08Д115, 08Д127-2 и 08МТП02-3.

Наиболее стабильны в корках гайота Говорова содержания катионов тяжелых металлов – Zn²⁺, Mo⁶⁺, Sr²⁺, Cd²⁺, Ba²⁺ и Pb²⁺, что позволяет считать их практически постоянными величинами (табл. 2).

Распределение катионов редкоземельных металлов (РЗМ) в слоях разных корок неодинаково и характеризуется следующими особенностями (табл. 2). Сумма катионов РЗМ в слоях корок находится в интервале 1216.2 г/т (ст. 08Д106) – 2475.5 г/т (ст. 08МТП02-3). При этом минимальное и максимальное их содержание отмечается в слое I–1 корок указанных станций. Наибольший вклад в эту сумму вносят катионы Се³⁺, доля которых составляет 39.4 (ст. 08Д115)–63.0% (ст.08Д106). Как и в предыдущем случае, минимальное и максимальное значения доли катионов Се³⁺ так же характерны для верхнего слоя III корок указанных станций. В то же время среди изученных корок минимальное (510 г/т) и максимальное (1425 г/т) содержание катионов Се³⁺ отмечаются соответственно в слоях I–1 и III станции 08Д106, что в 2.8 раза больше в данных КМК (рис. 2). В остальных корках гайота содержание катионов Се³⁺ уменьшается от нижнего слоя I–1 к верхнему слою III в 1.7–2.4 раза (рис. 2). Установлено, что распределение катионов Се³⁺ совпадает с распределением Mn (IV), для которого характерна общая тенденция – уменьшение содержаний от слоя I–1 к слою III.

Рис. 2.

Содержание катионов РЗМ в слоях железомарганцевых корок гайота Говорова: а – обр. 08Д106, б – обр. 08Д115, в – обр. 08МТП02-3, г – обр. 08Д127-2.

Содержание катионов Y³⁺ и La³⁺ в слоях разных корок в целом сопоставимо при небольшом преобладании La³⁺ и изменяются в следующих диапазонах (г/т): Y³⁺ – 150 (ст. 08Д106, слой I–1)–311 (ст. 08МТП02-3, слой I–1), La³⁺ – 191 (ст. 08Д115, слой I–2)–349 (ст. 08МТП02-3, слой I–2) (рис. 2). Содержание катионов Nd³⁺ в корках изменяется от 133 г/т в слое I–2 станции 08Д115 до 253 г/т в слое III станции 08МТП02-3 (рис. 2). Исходя из полученных данных, можно предположить, что содержание катионов Се³⁺, Y³⁺, La³⁺ и Nd³⁺ в корках увеличивается с северо-запада на юго-восток в пределах гайота Говорова, что аналогично для корок разных гайотов Магеллановых гор [2, 4, 7].

Распределение катионов РЗМ в каждом из образцов различается между собой (табл. 2). Содержание Y³⁺, La³⁺, Ce³⁺ и Er³⁺ в корках станции 08Д106 возрастает от нижнего слоя I–1 к верхнему слою III, содержание Pr³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Yb³⁺ можно считать практически равным в каждом слое КМК. Содержание Y³⁺, La³⁺, Ce³⁺, Tm³⁺ и Yb³⁺ в КМК станции 08Д115 уменьшается от слоя I–1 к слою III, содержание Ho³⁺, Er³⁺ и Lu³⁺ практически одинаково в каждом слое, содержание остальных катионов РЗМ возрастает от нижнего (I–1) к верхнему (III) слою. При этом отмечается, что в слое I–2 наблюдается минимальное содержание в ряду катионов металлов Sm³⁺ → Lu³⁺. Содержание катионов РЗМ в ряду Y³⁺ → Yb³⁺ в КМК станции 08Д127-2 уменьшается от слоя I–1 к слою III, содержание Tm³⁺ и Lu³⁺ практически совпадает по каждому из них в соответствующих слоях. Корки станции 08МТП02-3 характеризуются уменьшением содержания Y³⁺, La³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺ и Lu³⁺ от нижнего слоя к верхнему, содержание Nd³⁺, Sm³⁺ и Eu³⁺ – увеличивается в обратном порядке, содержание Tb³⁺ и Dy³⁺ практически одинаково в каждом из них. Кроме того, выявлена следующая тенденция: в КМК станций 08Д115, 08Д127-2 и 08МТП02-3 в слоях I–2 и II соответственно содержание катионов РЗМ в ряду Pr³⁺ → Lu³⁺ минимально.

Для исследования процессов образования корок важным аспектом является выявление La-, Ce-, Y-, Eu-аномалий. На примере нижнего (I–1) и верхнего (III) слоев корок образцов 08Д106, 08Д115 и 08МТП02-3 показано распределение РЗЭ, нормализованное на NASC (рис. 3). Данные слои корок (и обр. 08Д127–2) характеризуют в целом равномерное распределение всех катионов РЗМ за исключением Се. При этом в образце 08Д106 положительная Ce-аномалия наблюдается в верхнем III слое, тогда как в остальных образцах в нижнем I–1 (I–2) слое. Полученные результаты позволяют считать, что катионы редкоземельных металлов поступали в рудные минералы разных слоев корок из придонной океанской воды. Это, в свою очередь, свидетельствует о гидрогенном происхождении корок гайота Говорова, что совпадает с данными по коркам из других районов Мирового океана [4, 11]. Вместе с тем обращает на себя внимание следующая особенность изученных корок. В их нижнем слое содержится безжелезистый вернадит, являющийся характерным рудным минералом гидротермальных марганцевых корок [2]. В данном случае можно предположить, что в палеоцене океанская вода обогащалась гидротермальными компонентами, в том числе Се, который более интенсивно поглощался рудными минералами корок по сравнению с другими катионами РЗМ. В последующие геологические времена влияние гидротермального источника явно уменьшилось.

Рис. 3.

Распределение редкоземельных металлов, нормализованное на NASC, в нижнем I–1 и верхнем III слоях железомарганцевых корок гайота Говорова: а – обр. 08Д106, б – обр. 08Д115, в – обр. 08МТП02-3.

Скандий в слоях корок гайота Говорова распределяется равномерно, а его содержание составляет первые г/т (табл. 2).

Содержание Pt в корках гайота Говорова находится в диапазоне 0.14–1.08 г/т (табл. 2). При этом максимальное ее содержание (1.08 г/т) установлено в корке станции 08МТП02–3, наименьшее – в слое III корок данного гайота. Следовательно, полученные данные позволяют считать, что современный этап формирования кобальтоносных железомарганцевых корок (слой III) характеризуется минимальным накоплением платины.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие важные выводы. Установлено, что минеральный состав слоев железомарганцевых корок гайота Говорова стабилен и однороден. Полученные данные хорошо согласуются с ранее опубликованными [1–6, 8], что позволяет считать изученные КМК типичными как для гайота Говорова, так и в целом для Магеллановых гор Тихого океана.

Распределение катионов металлов различной химической природы по слоям кобальтоносных железомарганцевых корок гайота Говорова свидетельствует о явно неравномерном их поступлении в эти образования, несмотря на практически постоянные показатели физико-химических параметров океанской воды в разные геологические возраста (от палеоцена до современного). На распределение катионов металлов могут оказывать влияние различные факторы, из которых нижеперечисленные являются, с нашей точки зрения, основополагающими. Во-первых, это рассеянное состояние катионов металлов в океанской водной толще с концентрациями n × 10^–6 г/л и меньше при высокой их химической устойчивости в растворенном состоянии. Во-вторых, исходя из особенностей изученных корок, можно предположить, что в палеоцене океанская вода обогащалась гидротермальными компонентами, в том числе Се, который более интенсивно поглощался рудными минералами корок по сравнению с другими катионами РЗМ. В последующие геологические времена влияние гидротермального источника явно уменьшилось. В-третьих, у поверхности отдельных гайотов Магеллановых гор, на которых формируются КМК, скорости придонных течений изменяются от 5 до 40 см/с [6, 7]. По-видимому, даже при нижнем пределе скорости придонных течений не наблюдается не только полного осаждения рудных минералов КМК (содержание Mn_общ невысокое – в среднем 18–20 мас. %), но и концентрирования в них катионов тяжелых, редких и других металлов. Как показано в [9], практически полное (100%) извлечение указанных катионов металлов наблюдается при скоростях движения многокомпонентных растворов, равных (1.75–1.90) × 10^–3 см/с, что как минимум на 3 порядка меньше скоростей придонных течений. Следовательно, новообразованные Mn-фазы или Mn-минералы растущих корок за крайне малое время взаимодействия с океанской водой могут извлечь, по-видимому, очень незначительное количество катионов металлов из пограничного к ним слоя придонной воды. Наконец, нельзя исключать и локальных условий формирования корок, при которых либо наблюдалось интенсивное поглощение катионов металлов – таких как Co, Ni, Cu, Ce, либо не происходило или было крайне низким их концентрирование в рудных минералах железомарганцевых корок.