Океанология, 2022, T. 62, № 6, стр. 979-990

Местоположение и морфологическое описание района отбора образцов

Гайот Коцебу представляет собой две горные постройки, находящиеся на одном основании (рис. 1). Гайот оконтуривается изобатой 5100 м, но его склоны на востоке прослеживаются до глубины 5300 м, а на юге – до 5500 м. Основание имеет форму, в первом приближении напоминающую прямоугольник с широтным удлинением. Размеры основания 115 × 95 км, площадь около 10 000 км². Восточная постройка расположена в юго-восточной четверти этого прямоугольника, а западная – в юго-западной. В северной половине развиты крупные вулканические купола, которые могут быть отнесены к осложняющим структурам.

Склоны обеих построек обладают выпукло-вогнутым профилем. На восточной наиболее крутые поверхности (от 20° до 25° и более) прослеживаются до глубин 2500, местами 3000 м, на отрогах и других выступах – до 4000 м. На западной постройке подобные зоны опускаются до глубин 2300 м, участками – 2500 м, на выступах рельефа – до 3500 м, на юге – до 4500 м. Зоны выполаживания склонов, характеризующиеся изменением уклонов от 15° до 10°, на обеих постройках наблюдаются между изобатами 3000 и 4000 м.

В средней части юго-западного склона и средней части юго-восточного склона западной постройки гайота со станций драгирования 14МТП01 и 14Д67-2 (здесь и далее номерам станций соответствуют номера образцов) были отобраны пробы кобальтоносных железомарганцевых корок. Субстратом корок на обоих участках склона служат биогенные известняки, соответствующие фации мелководных банок, и эдафогенные брекчии.

На восточной постройке гайота пробы кобальтоносных железомарганцевых корок были отобраны в его северо-восточной части: рядом с бровкой вершинной поверхности (14Д77-2) и на осевой поверхности верхней части северо-восточного отрога (14Д78). Субстратом корок обеих станций являлись эдафогенные брекчии.

Текстурно-структурные характеристики образцов корок гайота Коцебу

Корка образца 14МТП-01 состоит из 3 слоев – III, II, I-1, слой I-2 не обнаружен (рис. 2а). Верхний слой III – буровато-черного цвета, сложенный неправильной формы выклинивающимися слойками. В отдельных частях слоя встречаются интерстиции, заполненные буро-желтым охристым веществом. Мощность слоя колеблется в диапазоне от 0 до 2.5 см, в среднем около 2 см. Контакт с нижележащим слоем неявный.

Рис. 2.

Разрезы корок: образцы а) 14МТП-01; б) 14Д67-2; в) 14Д77-2; г) 14Д78.

Слой II имеет столбчато-дендритовидную структуру, столбцы состоят из тонких перемежающихся между собой черных и буро-черных слойков. Мощность слоя от 2.5 до 6.0 см, в среднем около 3.5 см. Контакт с нижним слоем не очень явный.

Слой I-1 – антрацитоподобный, плотный, массивный. Местами наблюдается слоистая структура. Между слоями наблюдается нитевидное вещество белого цвета, состоящее, скорее всего, из фосфатов. Мощность слоя от 6.0 до 9.5 см, в среднем около 6.5 см. Контакт слоя с субстратом резкий.

Образец 14Д67-2. Верхняя поверхность корок шероховатая до мелкобугорчатой, ровная до пологоволнистой. Боковые и нижние поверхности – кавернозные, каверны могут достигать 2 и более см в диаметре. Разрез корки трехслойный (рис. 2б).

Слой III. Буровато-черный, столбчатый – столбцы до 1 см в 2–3 генерации, составлены чешуями до 2–4 мм; столбцы и чешуи расположены по нормали к поверхности роста. Интерстиции занимают до 20% объема, заполнены бежево-бурым охристым материалом. Мощность слоя колеблется от 0 до 2.5 см, составляя в среднем около 2.0 см. Контакт со слоем II неявный. Рудная оболочка боковых поверхностей слоя имеет “сухаристый” вид – слой IIIсух. имеет мощность до 3–4 см.

Слой II. Пестрый столбчатый, столбцы до 1–2 см, расположение довольно хаотичное, в соответствии с неровностями поверхности роста, часто дендровидные. Структура столбцов чешуйчатая – чешуи до 2–3 мм веерообразного расположения. Интерстиции занимают до 30–40% объема, заполнены светло-бежевым глинистым материалом. Мощность слоя составляет 2.5–6.0 см, средняя – около 3.5 см. Контакт с нижним слоем неявный.

Слой I-1. Антрацитово-черный, массивный, иногда видна слоистость, выявляемая межслойными прожилками фосфата до 0.5 мм. В основании слоя иногда видны признаки пятнистой текстуры. Мощность слоя изменяется от 6.0 до 9.0 см, средняя мощность составляет 6.5 см. Контакт с субстратом не очень четкий, с глубокими затеками руды в субстрат – до 5 и более см.

Образец 14Д77-2 на корковой плите представлен полным 4-х слойным разрезом (рис. 2в). Поверхность корки плоская, ботроидальная. Микрорельеф микробугорчатый.

Верхний слой III буровато-черного цвета имеет неотчетливо выраженную слоистую структуру. Местами слойки формируют столбцы, расположенные по нормали к поверхности роста. Выделяются также вкрапления бурого охристого вещества. Мощность слоя достигает 3 см (в среднем 2.2 см). Слой изменчив по строению: от плотного до пористого, с заполнением пор карбонатным осадком белого цвета (положительная реакция с HCl). Контакт с нижележащим слоем II ботроидально-волнистый. На боковых поверхностях плиты слой III достигает мощности 4 см. Столбчатость отсутствует, поверхность шероховатая.

Слой II радиально-столбчатый, пестроокрашенный, неоднороден по текстуре. Средняя треть слоя рыхлая, пористая. Мощность слоя достигает 4 см (средняя 3.5 см). Слой выклинивается на боковых поверхностях плиты. Контакт с нижележащим слоем I-2 ботроидальный.

Слой I-2 по сравнению со слоем II более плотный, мощностью до 3 см (при средней 2.5 см). Облик пятнистый, столбцы и глобули рудного материала погружены в карбонатное вещество (положительная реакция с HCl). В нижней части слой характеризуется более темной массой. На границе со слоем I-1 отмечаются фрагменты субстрата: известняка, базальта частично окатанного. На боковых поверхностях плиты слой выклинивается. Контакт с нижележащим слоем I-1 ботроидально-волнистый.

Нижний слой I-1 черный до сине-черного. Слой представлен тонкослоистой структурой. Местами наблюдаются прожилки с фосфатным веществом. В тоже время железомарганцевое вещество проникает в субстрат – биогенный известняк, образуя рудные тела размером 1–2 см: конкреции, удлиненные корки, микронодули (1–3 мм). Слой выклинивается на боковых поверхностях плит. Максимальная мощность слоя достигает 3 см (средняя 2 см).

В отличие от выше рассмотренного образца 14Д77-2, корка образца 14Д78 состоит из 3-х слоев – III, II и I-1 (рис. 2г).

Слой III. Черного цвета, массивного облика. Поверхность шероховатая, участками сухаристая. Отмечаются единичные трещины, перпендикулярные напластованию. Граница с нижележащим слоем II нечеткая. Мощность слоя колеблется от 1.8 до 2.5 см и в среднем составляет 2 см.

Слой II. Имеет радиально-столбчатое строение, пятнистую окраску за счет заполнения интерстиций между столбцами глинистым веществом палевого цвета. Слой имеет рыхлый облик. Граница между нижележащим слоем I-1 проводится достаточно уверенно. Мощность слоя колеблется от 2.5 до 3.5 см, составляя в среднем 3.0 см.

Слой I-1 плотный, массивный, цвет однородно-черный. Отмечаются редкие, маломощные прожилки фосфатов по слоистости корок. Средняя мощность корки составляет 5.0 см. Контакт с субстратом, эдафогенной брекчией, выражен четкой резкой границей.

Минеральный состав рудной компоненты корок гайота Коцебу. В результате исследований установлено, что основными рудными минералами различных слоев корок являются плохо окристаллизованные, плохо структурно упорядоченные Fe-вернадит, Mn-фероксигит, характерные для каждого отдельного слоя, а также достаточно структурно упорядоченный вернадит, находящийся, в основном, в слое I-1 и в меньшем количестве в слое I-2 (табл. 1). В незначительном (не более 3–4%) количестве в слое I-1 образцов 14МТП01 и 14Д78 присутствует асболан-бузерит. В слоях II образца 14Д67-2 и III образцов 14МТП-01, 14Д67-2, 14Д77-2, 14Д78 корок содержится гетит. Кроме того, в слое II образца 14Д78 в виде примеси отмечается присутствие бернессита.

Таким образом, в результате исследований установлено, что текстурно-структурный облик и минеральный состав слоев корок гайота Коцебу близки, стабильны и однородны. Полученные данные хорошо согласуются с ранее опубликованными [1, 4–6, 8, 9, 11, 12], что позволяет считать изученные корки типичными для Магеллановых гор Тихого океана.

Химический состав корок гайота Коцебу. Результаты анализа химического состава корок свидетельствуют о достаточно высокой стабильности содержаний как по каждому отдельному катиону металла в каждом из образцов, так и между образцами (табл. 2). В то же время отмечаются различия в распределении отдельных катионов металлов по слоям корок.

Распределение рудообразующих металлов (Fe, Mn) выглядит разнонаправленно. Содержание Fe в целом и по отдельным слоям корок гайота Коцебу находится в интервале 6.95–15.36 мас. % (табл. 2). Для разных корок наблюдается общая тенденция – содержание Fe увеличивается от слоя I-1 к слою III, т.е. возрастает железистость рудного материала (рис. 3а–3в), при незначительном отклонении в образце 14МТП01 (рис. 3в).

Рис. 3.

Содержание катионов Fe и Mn в слоях железомарганцевых корок гайота Коцебу: образцы а) 14Д67-2, б) 14Д77-2, в) 14МТП01.

В отличие от Fe, для Mn наблюдается противоположная картина. Распределение Mn относительно слоев корок показывает, что в целом его содержание уменьшается от слоя I-1 к слою III (рис. 3а–3в). В то же время, в слое II образцов 14Д67-2 и 14Д77-2 отмечается максимальное его содержание –17.08 и 17.82 мас. % соответственно (рис. 3а, 3б).

Марганцевый модуль (Mn/Fe) в корках изменяется от 0.88 до 1.76 (табл. 2) – типичном интервале значений для гидрогенных железомарганцевых корок. Исключение составляет Mn/Fe отношение в слое I-1образца 14Д77-2, равное 2.47 (табл. 2).

Распределение катионов цветных (рудных) металлов – Со²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ – крайне неодинаково в слоях корок гайота Коцебу (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 (рис. 4). При этом установлено, что самое низкое содержание Ni²⁺ и Сu²⁺ отмечается в слое III корок образцов 14Д67-2 и 14Д77-2.

Рис. 4.

Содержание катионов цветных (рудных) металлов в слоях железомарганцевых корок гайота Коцебу: образцы а) 14Д67-2, б) 14Д77-2, в) 14МТП01.

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

В слоях изученных корок гайота Коцебу установлена практически одинаковая картина в содержании катионов редкоземельных металлов (табл. 2, рис. 5). Сумма катионов РЗМ в слоях корок составляет от 1218 (обр. 14Д127-2, слой III) до 2600 г/т (обр. 14Д67-2, слой I-1). Наибольший вклад в эту сумму вносят катионы Се³⁺, доля которых составляет 40.5 (обр. 14Д67-2, слой I-1) – 58.8% (обр.14МТП 01, слой I-1). Именно в нижнем слое I-1 корок катионы Се³⁺ накапливаются в наибольшем количестве – их содержание превышает 1 кг/т, тогда как в верхнем слое III оно уменьшается почти вдвое. Максимальное содержание катионов Y³⁺, La³⁺ и Nd³⁺ также отмечается в слое I-1 данных корок, самое высокое их содержание зафиксировано в образце 14Д67-2 – 709, 423 и 281 г/т соответственно. Для изученных корок в целом характерно уменьшение содержания всех катионов редкоземельных металлов от нижнего слоя I-1 к верхнему слою III. Исключение составляют катионы Sm³⁺ и Eu³⁺, содержание которых в образце 14МТП01, наоборот, возрастает от подошвы корки к ее верху. Для данного образца в слое II отмечается также минимальное содержание катионов металлов в ряду от Pr³⁺ до Lu³⁺ (табл. 2). Таким образом, на основании стратиграфической классификации железомарганцевых корок [6] полученные данные свидетельствуют, что максимальное обогащение корок катионами Се³⁺, Y³⁺, La³⁺ и Nd³⁺ осуществлялось в позднем палеоцене–раннем эоцене (слой I-1), а минимальное концентрирование наблюдается в плиоцене–квартере (слой III). В среднем–позднем эоцене (слой I-2) и миоцене (слой II) поглощение катионов РЗМ корками было более планомерным.

Рис. 5.

Содержание катионов легких редкоземельных металлов в слоях железомарганцевых корок гайота Коцебу: а – обр. 14МТП01, б – обр. 14Д67-2, в – обр. 14Д77-2.

Величина отношения Ce/La считается генетическим признаком железомарганцевых отложений, в том числе и корок: при значении большем 2 они считаются образованными за счет гидрогенной поставки вещества, при меньшем 2 – за счет терригенной компоненты. Во всех изученных нами слоях корок диапазон величин Ce/La составляет 2.50–5.76, что однозначно свидетельствует о гидрогенном характере их образования, и подтверждается также значениями марганцевого модуля Mn/Fe, которые приведены в табл. 2.

В то же время, содержание катионов La³⁺, Ce³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Y³⁺ и других РЗМ в одних и тех же слоях корок не совпадает с характером изменения содержания Fe(III) (рис. 3, 5; табл. 2). Наиболее существенная разница наблюдается по катионам Се³⁺ и Fe(III) – их накопление носит прямо противоположный характер: если содержание Fe возрастает от нижнего слоя I-1 к верхнему слою III, то содержание Се³⁺, наоборот, уменьшается в том же направлении, причем довольно значительно (рис. 3, 5). С другой стороны, изменение содержания катионов Се³⁺ коррелирует с изменением содержания другого рудообразующего элемента корок – Mn(IV): для обоих компонентов характерна общая тенденция – уменьшение содержания от слоя I-1 к слою III (рис. 3, 5).

Вариабельность изменения содержания катионов Y³⁺, La³⁺, Nd³⁺ от слоя I-1 к слою III настолько незначительна, что на соответствующих графиках это выражается в виде практически постоянной прямой линии (рис. 5). Близкие значения содержания отмечаются и для остальных катионов редкоземельных металлов. И только для корок образца 14Д67-2 наблюдается существенное уменьшение содержаний данных катионов металлов от нижнего слоя I-1 к среднему слою II (рис. 5б).

Картина изменения содержания катионов редкоземельных металлов для усредненных (валовых) корок каждого образца и в целом для всех изученных корок гайота Коцебу аналогична той, которая наблюдается для каждого отдельного слоя корок (рис. 6). В каждом из образцов также отмечается высокое содержание, прежде всего катионов Се³⁺, а также Y³⁺ и Nd³⁺ и несколько повышенное содержание Gd³⁺ и Dy³⁺.

Рис. 6.

Содержание катионов РЗМ в усредненных (валовых) пробах корок гайота Коцебу.

Распределение катионов РЗМ в корках, нормализованное на соответствующий катион металла в североамериканском сланце NASC, свидетельствует о близком и равномерном характере их распределения как в слоях каждого отдельного образца, так и между слоями корок разных образцов (рис. 7). На этом фоне для трех исследованных образцов корок – 14МТП01, 14Д67-2 и 14Д77-2 – отмечается общая тенденция: незначительная положительная аномалия катионов Се³⁺ в нижнем слое I-1, которая в наибольшей степени проявлена в образце 14МТП01 (рис. 7).

Рис. 7.

Распределение катионов РЗМ в слоях корок гайота Коцебу, нормализованное на соответствующий компонент NASC: а – образец 14МТП01; б – образец 14Д67-2; в – образец 14Д 77-2.

Особенностью исследованных данных корок является также значительная положительная аномалия катионов Nd³⁺, дифференцированно проявленная в каждом из их слоев (рис. 7). Но и в данном случае установлена общая тенденция – максимальное ее значение характерно для нижнего слоя I-1 корок. При этом среди всех образцов в наибольшей степени она наблюдается в образце 14Д67-2. В слоях II и III образцов 14МТП01 и 14Д67-2 положительная аномалия катионов Nd³⁺ становится меньше, а в слоях I-2 и II образца14Д77-2 она и вовсе не отмечается.

Из анализа зависимостей распределения катионов РЗМ в усредненных пробах корок каждого образца и среднего состава корок в целом (рис. 8) также вытекает характерная закономерность – положительная Се аномалия. Кроме того, выявлена незначительная положительная аномалия Gd, в наибольшей степени проявленная в образце 14Д67-2. В этом же образце видна существенная отрицательная аномалия Tm, которая не отмечалась ни в одном из слоев корок как данного, так и других образцов корок.

Рис. 8.

Распределение катионов РЗМ в корках гайота Коцебу, нормированное на NASC.

Низкое содержание катионов Sc (первые г/т) позволяет считать его распределение в слоях корок гайота Коцебу равномерным (табл. 2). Максимальное содержание катионов Sc – 16.2 г/т – установлено только в нижнем слое I-1 корок образца 14Д67-2.

Таким образом, рассмотренное распределение катионов металлов различной химической природы по слоям корок гайота Коцебу свидетельствует о явно неравномерном их поступлении в железомарганцевые корки, несмотря на практически постоянные физико-химические параметры океанской воды в течение десятков миллионов лет. Источниками катионов металлов могли быть гидрогенные, гальмиролитические, гидротермальные и другие, но все они являются косвенными данными для непосредственного формирования корок в разные геологические эпохи. Однако непосредственным источником концентрирования катионов редкоземельных металлов в корках был гидрогенный – придонная океанская вода. При этом, максимальное обогащение корок катионами Се³⁺, Y³⁺, La³⁺ и Nd³⁺ осуществлялось в позднем палеоцене – раннем эоцене (нижний I-1 слой) – на первой стадии их образования. Полученные данные по коркам гайота Коцебу хорошо согласуются с данными по коркам из других районов Тихого океана [1–18].