Океанология, 2021, T. 61, № 2, стр. 295-306

ВВЕДЕНИЕ

Изучение океанского гидротермального рудообразования в пределах Срединно-Океанических хребтов (СОХ) проводится в настоящее время как в ходе научных морских геолого-геофизических исследований, так и в рамках выполнения поисково-разведочных контрактов, заключенных семью странами (включая Российскую Федерацию) с Международным органом по морскому дну [44].

Значительный фактический материал, накапливаемый в экспедициях с применением высокоразрешающих съемок морского дна, свидетельствует о георазнообразии сульфидного оруденения. Георазнообразие определяется, главным образом, различным сочетанием тектонических и магматических процессов на разных иерархических уровнях – от глобального уровня срединных хребтов с разной скоростью спрединга до локального уровня отдельных сегментов внутри хребтов [10, 23]. Данные различия отражаются на масштабах накопления рудного вещества и на вариациях состава руд, формирующихся в различных геологических обстановках [12, 15, 21].

Помимо различий в размерах и в составе рудных тел отмечены вариации форм их проявления на морском дне [12, 21]. Интерпретация имеющихся данных по морфологии гидротермальных рудных скоплений и анализ причин, определяющих это разнообразие, является первой задачей данной статьи. Основные материалы по морфологии гидротермальных построек собраны в северной приэкваториальной зоне Срединно-Атлантического хребта (САХ), входящей в пределы Российского Разведочного Района.

Вторым вопросом, также связанным с различиями протекания рудообразующего процесса в разных геологических обстановках, является внутреннее строение гидротермальных рудных построек. В отличие от морфологии рудных тел, описываемой на основании их наблюдения с поверхности с помощью высокоразрешающих батиметрических и визуальных съемок, материалы для анализа внутренней структуры весьма ограничены, поэтому имеющиеся реконструкции чаще всего носят модельный характер. При этом именно внутреннее строение рудных тел определяет возможность оценки их ресурсов, являющихся ключевым параметром для дальнейшего принятия решения об освоении глубоководных сульфидных руд.

МОРФОЛОГИЯ РУДНЫХ ТЕЛ, СВЯЗАННЫХ С БАЗАЛЬТАМИ

Классической формой проявления сульфидных рудных образований являются изометричные холмы, увенчанные трубами (курильщиками), продукты разрушения которых слагают основную массу этих холмообразных построек. Небольшие (максимально – первые десятки метров в диаметре) рудные холмы на базальтовом основании были впервые описаны на Восточно-Тихоокеанском поднятии (ВТП) с момента их открытия в конце 70-х гг. ХХ в. [3, 6, 22]. На Срединно-Атлантическом хребте классическим примером гидротермальной постройки является более крупный по сравнению с ВТП т.н. Активный холм (Active Mound) диаметром 200 м и высотой 50 м, расположенный в пределах гидротермального поля ТАГ на 26° с.ш. Поле ТАГ было открыто в экспедиции под руководством П. Роны в 1985 г. [36] и изучено с глубоководного аппарата МИР российским геологами через два года после его открытия [7]. Последующие открытые гидротермальные поля на САХе, такие как Брокен Спур, Снейк Пит и многочисленные неактивные рудные тела в пределах поля ТАГ, также характеризовались холмообразными формами сульфидных построек. Все названные гидротермальные поля и рудные постройки располагаются на базальтовом основании.

МОРФОЛОГИЯ РУДНЫХ ТЕЛ, СВЯЗАННЫХ С ГАББРО-ПЕРИДОТИТАМИ

В 1994 г. в пределах медленноспрединговых хребтов российскими геологами был открыт новый тип сульфидного оруденения [1]. В отличие от ранее известных рудных полей, которые пространственно и генетически связаны с базальтовым вулканизмом, сульфидные руды открытого поля Логачев (14°45′ с.ш., САХ) залегают на глубинных породах габбро-перидотитового состава. Как выяснилось позже, эти интрузивные породы выводились на поверхность морского дна вдоль глубинных пологозалегающих разломов (детачментов), формируя при этом т.н. внутренние океанические комплексы (oceanic core complex). Был сделан вывод о том, что количество “магматических” сегментов САХ, имеющих симметричный характер аккреции, примерно равно количеству “тектонических” сегментов, в которых превалирующую роль играют тектонические процессы, приводящие к асимметричному наращиванию земной коры с образованием внутренних океанических комплексов [10, 18, 23].

Постепенно количество рудных полей, найденных в пределах “тектонических” сегментов, увеличивалось. Большая часть рудных объектов, открываемых в пределах САХ, связана именно с “тектоническими” сегментами и с габбро-перидотитовыми породами внутреннего океанического комплекса. Помимо поля Логачев, к ним относятся рудные поля Рейнбоу, Победа, Семенов, Ириновское, Ашадзе, Коралловое, Молодежное, Нибелунген и ряд других объектов.

Несмотря на небольшое количество детальных исследований рудных полей нового типа, начали появляться данные о том, что строение рудных тел, залегающих на габбро-перидотитах, не ограничивается классической холмообразной формой.

Основной особенностью строения рудных тел в данном случае является их уплощенная по сравнению с классической холмообразной форма. Впервые на эту особенность рудных тел, залегающих на глубинных породах, было обращено внимание в публикации И. Фуке с соавторами [21] на основе изучения рудных тел полей Рейнбоу и Ашадзе (рис. 1); последующие наблюдения рудных тел узлов Семенов и Победа в той же северной приэкваториальной зоне САХ подтвердили отмеченную специфику в морфологии этого типа сульфидного оруденения. Одним из следствий данного наблюдения, имеющего важное значение при оценке ресурсов, является прогнозируемое уменьшение по сравнению с “базальтовыми” обстановками мощности сульфидных залежей, связанных с ультрабазитами. Можно рассчитывать, что буровые работы, планируемые на этих рудных телах, позволят получить важные дополнительные данные и уточнят предположения, основанные в настоящее время только на моделировании, поскольку реальное изучение рудных тел на ультрабазитах проводилось только с их поверхности, обнажающейся на морском дне.

Рис. 1.

Различие в морфологии гидротермальных построек, формирующихся на базальтах (а) и на ультрабазитах (б) (по [21] с изменениями).

Предполагается, что причиной изменения формы рудных тел является смена характера гидротермальной разгрузки, которая, в свою очередь, определяется степенью проницаемости вмещающих пород. Гидротермальные системы, связанные с менее проницаемыми базальтами, характеризуются сфокусированным/струйным характером разгрузки гидротермального флюида, и рудные тела в этой “базальтовой” обстановке представлены высокими холмообразными постройками, сформированными по описанному выше сценарию. Высокая проницаемость ультраосновных пород, в особенности подвергшихся интенсивной серпентинизации, определяет рассеянный/диффузный характер разгрузки и, как следствие, уплощенную форму рудных тел, залегающих на серпентинизированных перидотитах и габбро.

Уплощенные холмы рассматриваются в качестве первичных структур, формирующихся в результате гидротермальной деятельности в “ультрабазитовой” обстановке. Предполагается, что в определенных условиях могут образовываться структуры, имеющие вторичный, наложенный характер [16].

К вторичным структурам можно отнести т.н. “дымящиеся кратеры” (smoking craters), описанные российскими и зарубежными авторами в пределах гидротермальных полей Северной Атлантики – Логачев и Ашадзе [2, 20, 31, 34] и Южной Атлантики – Нибелунген [26, 28]. Наиболее наглядное изображение кратера было получено в результате проведения высокоразрешающей батиметрической съемки района гидротермального поля Ашадзе-2 (рис. 2).

Рис. 2.

Цепь гидротермальных холмов и кратер в районе поля Ашадзе-2 (12°59′ с.ш., САХ). Материалы батиметрической съемки с ROV Victor, российско-французская экспедиция Serpentine, 2007 г.

Размеры подобных кратерообразных структур, обнаруженных в различных гидротермальных полях, примерно одинаковы: диаметр составляет 20–30 м, глубина – 3–5 м. Предполагается, что формирование кратера могло быть связано со сверхвысоким подповерхностным флюидным давлением, приведшим к взрыву и разрушению ранее существовавшего на этом месте холма. Другими версиями формирования подобной структуры может быть подповерхностное растворение первичных метастабильных минералов гидротермального генезиса (ангидрит?) либо вымывание тонкодисперсных рыхлых отложений с последующим обрушением вышележащих масс рудного материала [33]. Первая (“взрывная”) версия тем не менее представляется более убедительной, поскольку в ее пользу свидетельствует наличие эксплозивного материала на флангах кратерообразных структур.

Вторая разновидность вторичных структур представлена куполом/холмом, покрытым системой трещин. Подобная форма, названная структурой “хлебной корки” (bread crust), была описана при изучении гидротермального поля Ашадзе-1 [30]. Диаметр купола (25 м) примерно равен диаметру кратера поля Ашадзе-2, а высота составляет несколько метров (рис. 3).

Рис. 3.

Контур гидротермального поля Ашадзе-1 с растрескавшимся куполом в восточной части. Материалы батиметрической съемки с ROV Victor, российско-французская экспедиция Serpentine, 2007 г.

В отличие от кратеров предположений о формировании подобных растрескавшихся купольных структур в опубликованных источниках пока не имеется.

По нашему мнению, образование растрескавшихся куполов также связано со сверхвысоким подповерхностным флюидным давлением внутри гидротермального холма. Однако результатом давления стал не взрыв с формированием кратера, а растрескивание и медленное высачивание флюида по образовавшимся трещинам. Очевидно, что два возможных описанных сценария зависят от состояния и свойств исходного материала, слагающего холм: в случае, если этот материал представлен однородной прочной массой, бронирующей внутреннее давление, происходит взрыв, а в случае наличия неоднородностей и ослабленных зон – растрескивание и последующая “спокойная” разгрузка. Иллюстрация обоих сценариев в плане и в разрезе приведена на рис. 4 и 5.

Рис. 4.

Два сценария эволюции гидротермальных холмов: план.

Рис. 5.

Два сценария эволюции гидротермальных холмов: разрез.

Таким образом, в зависимости от характера материала, слагающего гидротермальный холм, его последующая эволюция и образование вторичных структур при нарастающем внутреннем флюидном давлении может идти двумя путями: быстрому взрыву с образованием кратера (1) и медленному высачиванию по образовавшимся трещинам в купольной структуре (2). Во втором случае растрескавшийся купол можно рассматривать в качестве “несостоявшегося кратера” (failed crater).

Другим примером проявления диффузного характера гидротермальной разгрузки на ультрабазитовом основании является скопление многочисленных (более десяти на м²) невысоких (20–30 см) курильщиков на цоколе небольшой мощности (10–20 см), сложенном также гидротермальными образованиями и перекрывающим, в свою очередь, гидротермально измененные вмещающие породы ультраосновного состава (серпентиниты). Подобное скопление мелких курильщиков, названное “chimney forest”, обнаружено к настоящему времени только в пределах поля Ашадзе-1 (рис. 6). Предполагается, что оно может быть характерно для начальной стадии формирования гидротермальной системы и рудных построек. Проводимые датировки образцов сульфидных руд в пределах северной приэкваториальной зоны САХ свидетельствуют о среднем возрасте оруденения в 50–60 тыс. лет [14]. При этом максимальный возраст сульфидов поля Ашадзе-1, включающих скопление мелких курильщиков, составляет всего 7.2 тыс. лет, что свидетельствует о ранней стадии развития этой рудообразующей системы и подтверждает выдвинутое предположение.

Рис. 6.

Гидротермальное поле Ашадзе-1. Скопление мелких курильщиков с маломощным цоколем гидротермальных отложений на серпентизированных перидотитах. Рассеянная гидротермальные активность, гидротермальная фауна (фото с ROV Victor, российско-французская экспедиция Serpentine, 2007 г.).

Учитывая интенсивный характер исследований гидротермальных систем и нарастающее поступление материалов, в т.ч. по морфологии рудных тел, можно быть уверенным, что приведенными выше формами разнообразие рудных построек не исчерпывается, и по мере развития глубоководных исследований будут открыты иные морфологические типы гидротермальных образований.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ РУДНЫХ ТЕЛ

Важнейшим аспектом изучения сульфидного оруденения, имеющим как теоретическое, так и практическое значение, является вопрос внутреннего строения рудных залежей. Наиболее надежным источником данных для его выяснения и получения объемных (3D) моделей рудных тел является бурение. Информация о буровых проектах и результатах их проведения приводится в табл. 1. По данным международной организации изучения СОХ ИнтерРидж, к середине 2020 г. известно более 700 подтвержденных или предполагаемых гидротермальных полей [45]. Даже с учетом того, что не все гидротермальные поля включают в себя сульфидное оруденение, доля рудных объектов, на которых осуществлены буровые проекты, составляет немногим более 1%.

Максимальное количество скважин (около 300) пробурено в первом десятилетии нынешнего столетия в островодужной зоне вблизи о. Новая Гвинея, главным образом в пределах лицензионных участков компании Наутилус Минералз. В 90-х гг. прошлого века в рамках Проекта Глубоководного Бурения (ODP) были пробурены рудные тела на САХ – на полях ТАГ и Снейк Пит, а также на хребтах Хуан де Фука (Миддл Вэлли) и Горда (трог Эсканаба). В островодужной обстановке трога Окинава было осуществлено бурение как с бурового судна (проект IODP), так и с помощью буровых станков, установленных на дне. Аналогичный проект был выполнен в Тирренском море на подводной горе Палинуро. Последние буровые работы с использованием бурового станка, установленного на поверхности дна, проводились на неактивных холмах поля ТАГ в ходе европейского проекта Blue Mining в 2018 г. Этим список буровых проектов в зонах сульфидного оруденения к настоящему времени исчерпывается.

При рассмотрении полученных материалов о внутренней структуре рудных тел принципиальным является вопрос о наличии массивного оруденения под океанским дном и/или под “палеодном” – гипотетической субгоризонтальной поверхностью, ограничивающей холмообразные рудные тела с нижней их части и предположительно фиксирующей границу руда–порода в момент начала процесса рудоотложения. Как следует из таблицы, бурение под палеодно было осуществлено только в нескольких проектах. Наиболее информативные результаты были получены в трех из них: в рамках программы глубоководного бурения – на поле ТАГ (1) и в районе Миддл Вэлли (2), а также на рудном теле Сольвара-1 (3). Результаты этих проектов, приведенные на рис. 7а–в, свидетельствуют о смене массивных руд, располагающихся над палеодном, прожилково-вкрапленным (штокверковым) оруденением ниже поверхности палеодна. Это характерно для рудных холмов, залегающих как на магматическом (ТАГ, Сольвара), так и на осадочном (Миддл Вэлли) фундаменте. Можно предположить, что при формировании массивных сульфидных залежей на осадочном основании их продолжение под палеодно более вероятно, чем в случае, когда вмещающие породы представлены магматитами. Кроме того, допускается формирование рудных тел внутри осадочной толщи, а не на ее поверхности (трог Окинава) [25]. Однако, учитывая тот факт, что рудные тела Российского Разведочного Района связаны в подавляющем большинстве с магматическими породами, наибольший интерес представляет именно эта геологическая обстановка.

Рис. 7.

Внутреннее строение океанских рудных залежей, реконструированное по результатам бурения (а–в) и по геофизическим данным (г). (а) – по данным [24], (б) – по данным [43], (в) – по данным [27], (г) – по данным [29].

Помимо прямых геологических данных о внутренней структуре рудных тел, имеются модельные построения, базирующиеся на геофизических данных – электроразведочных и сейсмических [29]. Б. Мертон и соавторы [29] предполагают наличие массивных, а не прожилково-вкрапленных сульфидов под палеодном в объеме, не уступающем объему залежи над ним. Данная модель основана на данных, полученных при изучении неактивных холмов поля ТАГ (рис. 7г). При этом возникает вопрос о механизме формирования подповерхностной залежи, который должен отличаться от процесса формирования рудного холма за счет образования сульфидных минералов в зонах гидротермальной разгрузки на контакте высокотемпературных высокоминерализованных флюидов с холодной морской водой. В цитированной выше работе [29] такой механизм не предложен, тогда как ряд других авторов предлагают рассматривать в этом качестве процессы метасоматоза. Признаки метасоматического процесса замещения вмещающих пород рудным материалом в пределах САХ продемонстрированы в ряде работ И.Ф. Габлиной с соавторами [4, 5], однако это касается рыхлых осадочных отложений, замещающихся сульфидной минерализацией в процессе рассеянной гидротермальной разгрузки. Аналогичные процессы могут протекать и в вулканокластических осадках желоба Окинава [25, 30]. Что касается метасоматических процессов в магматических породах, то единственный пример базальтов, полностью переработанных в серноколчеданные руды, приводится Л.И. Лазаревой по материалам изучения рудного поля Краснов [8]. По ее мнению, минералого-геохимические данные, а также отмеченные области перекрытия составов изотопов руд и пород указывают на образование некоторой части серноколчеданных руд по базальтам. Это позволяет предположить, что руды поля Краснов имеют не только гидротермальную, но в какой-то части и гидротермально-метасоматическую природу.

Помимо данных по современным рудообразующим океанским гидротермальным системам, информация о структуре рудных тел и о наличии метасоматических зон в их строении также может быть получена из материалов изучения древних аналогов сульфидного оруденения – месторождений колчеданных руд. Несмотря на то что в генерализованной схеме строения колчеданных залежей такая зона четко не прослеживается (рис. 8), примеры замещения вмещающих пород под палеодном описаны в детальном обзоре М. Дойла и Р. Аллена [17], однако преобладающее большинство этих примеров описывают процессы замещения рудами осадочных вмещающих пород. В некоторых палеозойских колчеданных месторождениях Урала и Алтая в нижней части залежей также отмечены фрагменты метасоматических руд, на основании чего В.В. Масленников и В.В. Зайков [9] выделяют гидротермально-метасоматическую фацию колчеданных руд, указывая при этом, что данная фация и масштабы ее распространения недостаточно изучены.

Рис. 8.

Генерализованная схема строения колчеданных залежей (по [38] с упрощениями). Обозначения сульфидных минералов: py – пирит, cpy – халькопирит, sp – сфалерит, ga – галенит, po – пирротин, ba – барит.

Таким образом, в отсутствие прямых доказательств наличия масштабного метасоматического процесса, приводящего к формированию подповерхностных массивных сульфидов в океане, принимать данную версию для сульфидных залежей, связанных с магматическими породами (а именно такие залежи характерны для Срединно-Атлантического хребта), представляется преждевременным. Прямые свидетельства, как указывалось выше, могут быть получены в ходе бурения, планируемого многими морскими геологическими организациями в ближайшее время. Очевидно, что данные бурения позволят подтвердить или опровергнуть имеющиеся модельные построения в отношении наличия и природы подповерхностного массивного сульфидного оруденения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наращивание данных о строении сульфидных рудных тел в результате применения новых высокоразрешающих геолого-геофизических методов значительно расширило первоначальные представления как об их морфологии, так и о внутренней структуре. Помимо известных ранее холмов, ставших классическим примером гидротермальных построек, обнаружены и описаны уплощенные, близкие к пластовым рудные тела, крупные скопления невысоких курильщиков, структуры типа “дымящихся кратеров” и “растрескавшихся куполов”.

Разнообразие форм рудных построек определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются:

• состав и свойства вмещающих пород;

• степень зрелости/возраст руд;

• процессы, протекающие внутри гидротермальной постройки после отложения руд.

Что касается внутренней структуры рудных тел, то вопрос о “продолжении” массивного оруденения под палеодно пока не решен; так же, как и предположение о возможной метасоматической природе гипотетической нижней части рудных скоплений.

В случае подтверждения ее наличия ресурсы сульфидных руд могут увеличиться вдвое по сравнению с имеющимися оценками рудных тел, ограниченных снизу палеодном. Таким образом, дальнейшее изучение структуры рудных залежей и восстановление истории их формирования имеет не только фундаментальное, но и практическое значение с точки зрения оценки ресурсов сульфидного оруденения в различных геологических обстановках и, в конечном счете, принятия решения об их освоении.

Благодарности. Приношу благодарность французским коллегам по экспедиции Serpentine и ее научному руководителю Иву Фуке. Кроме того, выражаю признательность Артему Бичу и Елене Митиной за подготовку иллюстраций.

Источники финансирования. Данная работа была частично выполнена за счет гранта РФФИ № 18-05-00861.