Мостовые из конкреций

На огромных глубинах, превышающих 4000–5000 м, в царстве мрака, низких температур (4–8° С) и огромных давлений (400–500 атм) геологи обнаружили образования, ставшие предметом интенсивного изучения во многих странах. Речь идет о железомарганцевых конкрециях, которыми покрыты огромные пространства в некоторых абиссальных котловинах океана. Не будет преувеличением сказать, что в ряде районов они располагаются на дне так тесно, что касаются краями друг друга, словно ими выложена глубоководная мостовая. Это прекрасно видно на многих фотографиях дна, сделанных с помощью специальных камер для фотографирования в условиях огромных давлений.

Диаметр железомарганцевых конкреций обычно не превышает 10–15 см, хотя часто встречаются и стяжения меньших размеров. Интересно, что в пределах одного относительно небольшого участка дна преобладают конкреции близкого диаметра, тогда как в соседнем районе распространены разные по величине конкреции. Для большинства стяжений характерна гладкая или шишковатая, но очень плотная верхняя поверхность. Нижняя сторона, погруженная в осадок, напротив, оказывается ноздреватой, раковистой и довольно мягкой. Как показали детальные исследования, это связано с различным составом оксидов металлов, концентрирующихся в разных частях конкреций: верхняя половина, которая контактирует с водой, сложена в основном оксидами железа, нижняя – оксидами марганца. Отсюда возникло предположение, что в первом случае вещество, обеспечивающее рост конкреции, поступает из воды, во втором – из осадка. Надо сказать, что если донные отложения в большинстве своем составлены частицами, опустившимися на дно из водной толщи, то конкреции – это новообразования. Они в буквальном смысле вырастают на границе раздела вода–осадок путем адсорбции растворенных или взвешенных в морских и грунтовых водах оксидных соединений металлов. Рост конкреций – чрезвычайно медленный процесс, длящийся миллионы лет.

Конкреции не безразличны к среде, в которой развеваются. Это относится прежде всего к осадкам. В абиссальных районах океана они «предпочитают» зоны распространения кремнистых отложений и красных глубоководных глин. Первые на 50% и более сложены скелетными остатками организмов, использующих для строительства раковин или других образований кремнезем. Это диатомеи, радиолярии, силикофлагелляты и другие мельчайшие планктонные организмы, чьи остатки после смерти опускаются на океанское дно. При этом разрушаются лишь органические компоненты, тогда как скелетные кремнистые составляющие остаются неизмененными. Диатомеи играют в составе планктона главную роль в областях распространения холодных вод, т. е. в высоких, приполярных широтах и областях апвеллинга. Радиолярии, напротив, широко распространены в экваториальной зоне.

Соответственно диатомовые осадки характерны для районов, граничащих с ледовой зоной, а радиоляриевые илы – для тропических широт. Эти зоны разделены обширными пространствами абиссали, покрытыми красной глубоководной глиной. Данные осадки формируются в аридных поясах климата, где состав планктона определяют карбонатстроящие организмы: кокколиты, фораминиферы, перидинеи и др. Известно, однако, что карбонат кальция довольно легко растворяется в холодных водах больших глубин, поэтому дна достигают лишь примеси, содержавшиеся в карбонатных раковинках. В Составе этих примесей много оксидных пленок железа и других металлов. Отсюда красный цвет глубоководной глины.

Исследование радиоляриевых илов показало, что при захоронении их на океанском дне начинаются интенсивные диагенетические (диагенез – превращение рыхлого осадка в твердое образование, породу) процессы перераспределения вещества. В пустотах раковин радиолярий вырастают пластинки глинистого минерала смектита, в кристаллическую решетку которого переходит большая часть (около 95%) катионов железу, содержащегося в осадке. Одновременно на поверхности самих раковин образуются пленки из оксидов других металлов, в основном марганца. При дальнейшем погружении геохимические условия в среде осадка меняются. В результате начинают растворяться многие раковинки радиолярий, а вместе с ними и оксидные пленки. Вместе с отжимаемыми из уплотняющегося осадка водами оксиды металлов поднимаются к границе раздела вода–осадок. Здесь они адсорбируются на нижней, тыльной стороне растущих железомарганцевых конкреций. Поскольку железо осталось в составе смектита, к поверхности дна мигрируют в основном марганец и другие металлы: медь, молибден, цинк и никель. Эти металлы в виде примесей тоже входят в состав абиссальных конкреций.

Таким образом, в процессе диагенеза кремнистых илов происходит разделение железа и марганца. Железо остается в осадке, а марганец переходит в состав конкреций. Однако в океанских водах железа достаточно много. Оно поступает в океан с континента и из гидротермальных источников на дне. Потому верхняя часть конкреций обогащается железом, а нижняя сложена марганцем и металлами‑примесями. Марганец присутствует в форме тодорокита, бирнессита и σ‑MnO₂ [Marchig, Gundlach, 1981].

Аналогичные процессы протекают и в красных глубоководных глинах. На их поверхности также растут конкреции, содержащие нередко до 1–3% таких металлов‑примесей, как медь, никель, цинк и кобальт. Именно они являются самым ценным компонентом железомарганцевых конкреций, из‑за которых эти последние стали объектом пристального интереса исследователей разных стран.

Конкреции формируются не только в глубоководных обстановках. Они встречаются, и часто в большом количестве, на шельфах и вершинах подводных гор. Однако эти конкреции, как правило, лишены ценных примесей, так как развивались в осадках иного состава, чем кремнистые илы и красная глубоководная глина. Мелководные конкреции сложены преимущественно оксидами железа и почти не содержат меди, никеля, цинка и других металлов.

Хотя железомарганцевые конкреции встречаются во всех океанах, основные их месторождения находятся в Тихом океане и в восточной части Индийского. Самой богатой и перспективной для промышленной разработки залежей глубоководных конкреций считается зона между трансформными разломами Кларион и Клиппертон в восточной половине Тихого океана, на широте Мексики. В этом районе на глубинах от 4500 до 5500 м обнаружены обширные участки дна, буквально выложенные конкрециями. Самым, однако, важным является присутствие в их составе ценных металлов‑примесей, прежде всего никеля и меди. Их содержание, достигающее 3–4%, является наиболее высоким по сравнению с конкрециями из других районов. В целом же считается, что железомарганцевыми конкрециями покрыто от 20 до 50% поверхности дна в абиссальных котловинах Тихого океана.

Как же зарождаются и растут конкреции? Железо и марганец, попадая в придонные воды, богатые кислородом, образуют тончайшие агрегаты, которые адсорбируются на поверхности твердых частиц. Таковыми на дне океана чаще всего становятся зубы акул и скелетные остатки млекопитающих, например кости китов. В ядрах конкреций, т. е. в наиболее древней их части, нередко находят зубы акул. В дальнейшем на поверхности зачаточных стяжений откладываются все новые порции марганца и железа. Как полагают многие ученые, не последнюю роль в этом играют микроорганизмы, находящиеся на поверхности конкреций. Их рост замедлен. Расчеты показали, что скорость формирования конкреций в районе подводного плато Блейк в Атлантическом океане составляет не более 1 мм за миллион лет. В Тихом океане эта скорость на 1–2 порядка выше. На шельфах, куда поступает гораздо большее количество железа и марганца с континента, темп развития конкреций еще выше. В Балтийском море он достигает 20–100 мм за 1000 лет.

Таким образом, в настоящее время большинство конкреций, находящихся. на поверхности глубоководных осадков, представляют собой чрезвычайно древние образования, рост которых продолжается и в наше время. Многие из них зародились еще в миоцене и даже в олигоцене, т. е. несколько десятков миллионов лет назад. Послойное исследование конкреций показало, что периоды их относительно быстрого развития чередовались с эпохами замедления, что было связано, видимо, с разным объемом поступавших в океанскую воду железа и марганца. Он был большим в эпохи интенсификации химического выветривания на континентах.

Железомарганцевые конкреции отсутствуют в районах с высокими скоростями накопления терригенных и других осадков, так как из‑за незначительного роста они оказываются вскоре засыпанными осадочным материалом. Именно поэтому Атлантический океан довольно беден конкрециями. В Тихом океане, где скорости накопления кремнистых радиоляриевых осадков и красных глубоководных глин много выше скорости роста конкреций, последние находятся тем не менее на поверхности дна. Этот парадокс до настоящего времени не получил объяснения. Действительно, как получается, что конкреции, начало формирования которых восходит к миоцену и олигоцену, не были погребены более молодыми осадками? Более того, они залегают на их поверхности. В ряде случаев это можно объяснить придонными океанскими течениями, не дающими тонким частичкам садиться на дно. Однако в большинстве исследованных районов абиссали дело, по‑видимому, в другом. Благодаря взвешивающему эффекту конкреции теряют в воде часть веса. Вследствие этого они как бы всплывают над окружающим рыхлым осадком [Соколов, Конюхов, 1985]. Впрочем, окончательно эту загадку железомарганцевых конкреций еще предстоит разрешить.