ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ МАССИВОВ

На правах рукописи
КРИВИЦКАЯ Мария Владимировна
ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ МАССИВОВ
УЛЬТРАОСНОВНЫХ ПОРОД
СРЕДИННО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ХРЕБТА
(НА ПРИМЕРЕ ПОЛЕЙ ЛОГАЧЕВ И РЕЙНБОУ)
Специальность 25.00.07 – Гидрогеология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
САНКТ–ПЕТЕРБУРГ
2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.
Научный руководитель –
доктор геолого-минералогических наук, с.н.с.
Сергей Михайлович Судариков
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Павлов Александр Николаевич;
кандидат геолого-минералогических наук
Хархордин Иван Леонидович.
Ведущая организация – Федеральное Государственное
научно-производственное предприятие «Полярная Морская Геологоразведочная Экспедиция».
Защита диссертации состоится 14 декабря 2011 г. в
16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 в
Санкт-Петербургском государственном горном университете по
адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 14 ноября 2011 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
канд. геол.-минерал. наук
И.Г. КИРЬЯКОВА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. За относительно короткое время,
прошедшее со времени первого обнаружения в океане в 1978 г. горячих металлоносных источников и связанных с ними экосистем и
сульфидных руд, в их исследовании достигнут значительный прогресс. Международным сообществом ученых при поддержке правительств ведущих стран мира были начаты беспрецедентные по своим масштабам исследования гидротермальных систем океана. Сейчас в океане обнаружено более 160 активных и множество реликтовых гидротермальных полей.
При перемешивании горячих (до 400оС) гидротермальных
флюидов с окружающей холодной морской водой сульфиды металлов аккумулируются на морском дне, образуя массивные залежи от
нескольких тысяч до 100 миллионов тонн. В некоторых из таких
массивных сульфидных залежей высока концентрация меди, цинка,
свинца, золота, серебра. Например, руды полей Логачев-2 и Рейнбоу
обогащены по сравнению с рудами других полей СрединноАтлантического хребта (САХ) цинком в 4-5 раз и кадмием – в 4 раза.
В рудах поля Рейнбоу, содержится в 20 раз больше Со, чем в рудах
других полей САХ. Руды поля Рейнбоу обогащены серебром, а руды
поля Логачев-2 – золотом соответственно в 5 и 8 раз по сравнению с
другими рудными полями САХ.
В связи с успешным прохождением заявки РФ в Международном органе по морскому дну (МОД ООН) в 2010 г. на проведение исследований для освоения ресурсов участка САХ, включающего поле Логачев, в повестку дня встает вопрос об активизации эколого-геохимических исследований в этом районе океана.
В соответствии с «Правилами поисков и разведки полиметаллических сульфидов в океане» (Mining Code) готовится контракт,
который будет включать ряд требований по защите и сохранению
морской среды, в том числе, в соответствии с рекомендациями
Юридической и технической комиссий «контрактор собирает фоновые экологические данные и устанавливает экологический фон, используемый для оценки вероятного воздействия его деятельности в
рамках плана работы по разведке на морскую среду, а также программу мониторинга такого воздействия».
В связи с начинающимся освоением океанских минеральных
ресурсов гидротермальной природы и необходимостью обоснования
перспектив обнаружения рудообразующих гидротермальных растворов, металлоносных осадков и новых крупных скоплений сульфидных руд на дне океана в заявочном участке САХ, а также эколого-геохимического сопровождения предстоящих исследований, тема
диссертации является актуальной.
Целью работы является: установить ведущие процессы и
факторы формирования гидротермальных растворов и сопутствующих экосистем для использования этих данных в процессе освоения
минеральных ресурсов океана на основе анализа новейших геохимических данных по составу гидротермальных руд, растворов, ореолов рассеяния (плюмов) гидрогеологических массивов СрединноАтлантического хребта, сложенных ультраосновными породами.
Основные задачи диссертационной работы:
1. Выявить специфические черты химического состава гидротерм гидрогеологических массивов САХ, сложенных ультраосновными породами, провести обобщение полученных результатов,
сопоставление с другими районами океана на основе проведенного
анализа образцов гидротермальных растворов с использованием современных методов исследования (ICP, ES и MS, атомная абсорбция) и мировых литературных данных.
2. Оценить масштабы и провести анализ возможного влияния процессов серпентинизации ультрамафитов на состав формирующихся рудообразующих гидротерм.
3. Обосновать направления дальнейших исследований формирования гидротермальных растворов гидрогеологических массивов ультраосновных пород САХ и сопутствующих экосистем.
Основные методы исследования. В процессе работы над
диссертацией анализировались материалы, полученные следующими основными методами: а) материалы фото- и видеонаблюдений,
полученные, главным образом, в международной экспедиции научно-исследовательского судна (НИС) «Атлантис» (США) в 2001 г.;
б) образцы сульфидных руд, металлоносных осадков и гидротермальных растворов, отобранные в процессе погружений глубоководного обитаемого аппарата (ГОА) «Элвин»; в) гидрофизическим
зондированием и профилированием при помощи CTD зонда
SEABIRD 911 (определялись температура, солёность, мутность,
плотность морской воды); г) гидрохимическим опробованием методом кассетного дистанционного пробоотбора с использованием
комплекса «Розетт»; д) анализ гидрохимических проб проводился
методами ICP ES, ICP MS, атомно-абсорбционным в лабораториях
ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» и ВСЕГЕИ; е)
статистическая обработка данных проводилась с использованием
программ EXСEL и STATISTICA 6.0.
Научная новизна определяется следующими основными результатами, полученными в процессе диссертационного исследования:
1. Выявлены специфические черты химического состава
гидротерм гидрогеологических массивов САХ, сложенных ультраосновными породами. Растворы полей Логачев и Рейнбоу обогащены такими компонентами, как: Cu, Zn, Fe, Mn, Li; руды – Ag, Au, Cu,
Zn, Co, Cd, Ni. Впервые установлена обратная корреляционная зависимость между содержаниями H2S и СН4, а также H2S и Н2 в гидротермальных растворах.
2. Установлено влияние процессов серпентинизации ультрамафитов в условиях повышенных температур и давлений на состав
формирующихся рудообразующих гидротерм на основе данных по
химическому и газовому составу гидротермальных растворов.
3. Обоснованы направления дальнейших исследований формирования гидротермальных растворов гидрогеологических массивов ультраосновных пород САХ и сопутствующих экосистем, обозначены критерии и предпосылки открытия новых рудопроявлений
на основе полученных данных по составу руд, растворов, пород,
осадков и экосистем.
Защищаемые положения:
1. По результатам проведенного анализа в гидротермальных
растворах полей Логачев и Рейнбоу выявлены аномально высокие
содержания Cu, Zn, Co, Cd, Fe, Mn, Li, Au, Ag, а также метана и водорода, что является отличительной чертой химического состава
гидротермальных растворов полей ультраосновных пород.
2. Формирование состава гидротермальных растворов полей
Логачев и Рейнбоу связано с процессами серпентинизации гипербазитов и многократной фазовой дифференциацией в глубинных гидротермальных системах.
3. В составе провинции океанских гидротерм выделен новый
тип гидротермальных растворов массивов ультраосновных пород
САХ, отличающихся специфическими условиями формирования. В
зонах разгрузки глубинных гидротермальных систем формируются
слоистые плюмы и характерные экосистемы, которые могут служить
поисковыми признаками районов современного гидротермального
рудообразования.
Практическое значение работы связано с установлением
геохимических связей в системе гидротермальный раствор – ореол
рассеяния (гидротермальный плюм) – экосистема для выявления
новых поисковых критериев обнаружения рудных скоплений на
океанском дне и разработки принципов экогеохимического мониторинга при их освоении. Разработки автора нашли свое применение в
процессе реализации проекта министерства Природных ресурсов:
«Создание геологической основы и подготовка материалов к заявке
в МОД ООН на выделение России участка дна в международном
районе океана для разведки и промышленного освоения глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС) в районе СрединноАтлантического хребта» (ВНИИОкеангеология, 2011). Внедрение
полученных результатов планируется в практику океанских исследований ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга»,
ФГУНПП «Полярная Морская Геологоразведочная Экспедиция»
(ПМГРЭ), а также в учебные программы ВУЗов.
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается анализом значительного числа публикаций по исследуемой проблеме, видеоматериалов, использованием представительного объема ведомственных аналитических материалов, проведением анализа образцов
гидротермальных растворов с использованием современных технологий.
Апробация результатов исследований. Результаты работы
докладывались и обсуждались на международных конференциях
«Полезные ископаемые Океана» (ВНИИОкеангеология, СПб) в 2005
и 2006 годах, XIV-й и XVIII-й Международных научных конференциях (Школах) по морской геологии (ИОРАН, Москва) в 2006, 2009,
2011 годах, научных семинарах и заседаниях кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ (2008-2011 гг.).
Личный вклад автора. Диссертационная работа построена
на результатах теоретического анализа и научно-практических работ, выполненных за 4-летний период с 2007 по 2011 гг. Были изучены, обобщены и проанализированы мировые литературные данные по составу и условиям формирования гидротермальных растворов океана, методы пересчёта концентраций «конечных» гидротермальных растворов, современные представления о процессах серпентинизации ультрамафитов и фазовой сепарации растворов в
недрах гидротермальных систем океана. Был подготовлен и проведен анализ образцов гидротермальных растворов с использованием
современных технологий (ICP, ES и MS, атомная абсорбция) в лабораториях ВНИИОкеангеология, ВСЕГЕИ, построены регрессионные
модели смешения растворов, рассчитаны концентрации элементов в
конечных гидротермальных растворах, разработаны принципы
гидрогеологического районирования САХ с учетом сегментарной структуры САХ, наличием трансформных и демаркационных разломов, глубинных пород базит-гипербазитового
состава, выделен новый тип гидротермальных растворов массивов
ультраосновных пород САХ в составе провинции океанских гидротерм, разработаны принципы изучения экосистем с учетом экологогеохимических особенностей гидротермальных полей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в
том числе три написанные в реферируемом журнале, рекомендованном ВАК.
Объём и структура работы. Работа состоит из 4 глав, введения, заключения, содержит 175 страниц машинописного текста, 35
рисунков, 6 таблиц и включает список литературы из 164 наименований.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д. г.-м. н., с.н.с. С.М. Сударикову за
помощь при подготовке диссертационной работы. Заведующему от-
делом геологии и минеральных ресурсов Мирового океана ВНИИОкеангеология д. г.-м. н. С.И. Андрееву, заведующему кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ д. г.-м. н., проф. В.В.
Антонову, всем сотрудникам ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С.
Грамберга» за предоставленные фондовые материалы и консультации, кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за ценные советы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.
1. По результатам проведенного анализа в гидротермальных растворах полей Логачев и Рейнбоу выявлены аномально высокие содержания Cu, Zn, Co, Cd, Fe, Mn, Li, Au, Ag, а
также метана и водорода, что является отличительной чертой
химического состава гидротермальных растворов полей ультраосновных пород.
Гидротермальные поля Логачев и Рейнбоу расположены на
Срединно-Атлантическом хребте. Наиболее важной особенностью
этих гидротермальных массивов является их приуроченность к ультраосновным породам (Рис.1). В пределах срединно-океанических
хребтов других океанов таких объектов пока не обнаружено (Андреев и др., 2003).
По данным проведённого в 5-м рейсе научноисследовательского судна «Атлантис» опробования сопоставлены
геохимические особенности флюидов и плюмов гидротермальных
полей Логачев и Рейнбоу. Основой послужили результаты регрессиионного анализа (Рис. 2).
Регрессионные модели смешения гидротерм с морской водой
базируются на многолетних экспериментальных (Mottle, 1983) и модельных (Гричук, 2000) исследованиях, свидетельствующих об отсутствии Mg и SO4 в конечных гидротермальных растворах (Рис. 3).
1200
S, мкг/кг
1000
800
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Mg, млг/кг
Рис. 3. График регрессии S/Mg (мкг/кг).
По данным экспедиции SERPENTINE, 2007.
Результаты анализа позволили провести расчёт композиции
конечных гидротермальных растворов и уточнить состав растворов
указанных полей (Табл. 1). Пересчитанные концентрации позволили
сравнить составы всех субмаринных горячих источников, исключая
эффект разбавления растворов морской водой на путях миграции и в
зонах разгрузки.
Полученные данные (Табл. 1) свидетельствуют о существенном отличии состава гидротерм массивов ультраосновных пород
полей Логачев и Рейнбоу от растворов других гидротермальных полей САХ, приуроченных к базальтам. Гидротермальные растворы
полей Логачев и Рейнбоу обогащены такими рудными компонентами, как: Cu, Zn, Fe, Mn, Li, их содержания в растворах базальтов
САХ, полей Логачев и Рейнбоу показаны на Рис. 4.
С=123,8 мг/кг
25
20
мг\кг
15
Zn
Mn
10
Cu
5
Li
0
Логачёв
Рейнбоу
Гидротермальные
растворы базальтов САХ
Рис. 4. Содержания Mn, Zn, Cu, Li (мкг/кг) в гидротермальных
растворах полей САХ.
Обращают на себя внимание высокие концентрации Mn и,
особенно, Fe (Рис. 5) в растворах поля Рейнбоу.
Рис. 5. График регрессии Fe/Mg (мкг/кг)
(построено М.В. Кривицкой по данным Сharlou et al., 2002).
По данным Сharlou et al. (2002) для гидротермальных растворов полей Логачев и Рейнбоу характерны наиболее высокие концентрации метана и водорода (Табл. 2).
Таблица 2
Температура гидротермальных растворов САХ и
концентрации в них CH4 и H2
Поле
Менез
Гвен
Лаки
Страйк
Рейн
боу
Т0 С
265-284
152-333
(297)
346365
(355)
Броукен
Спур
356364
(345)
22,0/42,0
8,0/16,0
40,0
0,05/0,1
0,04/1,5
32,0
CH4
(мг/кг)
H2
(мг/кг)
TAГ
Снейк
Пит
270363
335350
(328)
Логачев
347353
(348)
1,0/2,1
2,0/2,4
-
34,0
0,86/2,1
0,3/0,7
0,4/0,96
24,0
Примечание. Концентрации CH4 и H2 – данные замеров Сharlou et
al.,2002. В скобках указаны данные замеров С.М. Сударикова с подводного обитаемого аппарата «Элвин».
При исследовании проб, отобранных С.М. Судариковым в
ходе экспедиции SERPENTINE (2007 г.) были обнаружены существенные концентрации Ag, Au, Cd, Ni в гидротермальных растворах поля Логачев (Табл. 3).
Таблица 3
Состав микрокомпонентов в конечных гидротермальных растворах
поля Логачев, (мг/кг)
(экспедиция SERPENTINE, 2007, расчет М.В. Кривицкой).
Аналитические
концентрации,
(мкг/кг)
Нижние пределы
(ICP, ES и MS),
(мкг/кг)
Конечные гидротермальные растворы, (мкг/кг)
S
Ag
Cd
Au
Pd
Pt
Th
U
Ni
146989
0,683,78
3,3517,8
0,691,27
0,0310,39
0,010,03
0,10,52
0,292,92
74,8262
1,0
0,001
0,01
0,01
0,01
0,01
0,14
0,01
0,05
0,0
3,8
17
1,3
0,0
0,006
0,1
0,0
220
Результаты регрессионного анализа свидетельствуют о том,
что Ag, Au, Cd, Ni поступают с гидротермальным раствором, в то
время как источником Pd, Pt, Th, U служит морская вода.
Формирующиеся на поверхности дна гидротермальные отложения сохраняют информацию о составе первичного гидротермального раствора. Средний химический состав исследованных массивных сульфидных отложений полей Логачев и Рейнбоу существенно отличается от среднего химического состава сульфидных
руд гидротермальных полей САХ, приуроченных к базальтам.
Руды, локализованные в поле ультраосновных пород, имеют
выраженную медную специализацию. Для них характерна тесная
связь элементов типа Cu-Au-Ag-Zn и накопление Ni и Co; здесь фиксируется золото - серебряная (существенно золотая) минерализация,
где основной примесью в самородном золоте является медь (Лазарева и др., 2003). Содержания Сu и Zn в сульфидах на базальтах САХ,
полях Логачев-1,2 и Рейнбоу показаны на Рис. 6.
30
Zn
25
Cu
%
20
15
10
5
0
Рейнбоу
Логачев-2
Логачев-1
Сульфиды на базальтах
САХ
Рис. 6. Содержания Сu и Zn в рудах гидротемальных полей САХ.
Руды полей Логачев-2 и Рейнбоу обогащены по сравнению с
рудами других полей САХ цинком в 4-5 раз и кадмием – в 4 раза. В
рудах поля Рейнбоу, содержится в 20 раз больше Со, чем в рудах
других полей САХ, и в 8-10 раз больше, чем в рудах полей Логачев.
В рудах Рейнбоу наблюдается самое высокое из всех известных отношений Со/Ni=46. Руды поля Рейнбоу обогащены серебром, а руды
поля Логачев-2 – золотом соответственно в 5 и 8 раз по сравнению с
другими рудными полями САХ. В рудах поля Логачев-1 концентрации серебра и особенно золота выше, чем в других районах САХ.
Таким образом, по обогащенности полезными компонентами сульфидные руды полей Рейнбоу и Логачев не имеют аналогов среди
рудопроявлений САХ.
2. Формирование состава гидротермальных растворов
полей Логачев и Рейнбоу связано с процессами серпентинизации
гипербазитов и многократной фазовой дифференциацией в глубинных гидротермальных системах.
Проведенный анализ геологических данных показал, что в
пределах САХ, в отличие от других СОХ широко распространены
глубинные породы базит-гипербазитового состава. Эти породы
обычно дислоцированы и метаморфизованы. В процессе метаморфизации ультрабазитов происходит образование серпентинита. Велинским и др. (2004) была исследована физико-химическая модель
серпентинизации ультраосновных пород под воздействием морской
воды при переменных РТ- параметрах. Полученные результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными и петро-
графическими исследованиями серпентинитов в океанических
структурах.
Влияние процессов серпентинизации ультрабазитов на формирование состава флюидов прослеживается по реакции (Сharlou et
al., 2002; Леин и др., 2003):
6 ((Mg1.5Fe0.5)SiO4)+7H2O=3(Mg3Si2O5(OH)4)+Fe3O4+H2
оливин
серпентин
магнетит
с последующим образованием CH4 при взаимодействии генерируемого водорода и растворенного в морской воде диоксида углерода:
CO2+4H2=CH4+2H2O.
Колебания в содержании минералов и изменения окислительно-восстановительных свойств растворов контролируют поведение в системе газов, представленных H2, CO2 и CH4 при температуре до 100оС включительно, а при более высоких температурах к
ним добавляются H2S, HCl, HF, SO2 (Велинский и др., 2004).
Гидротермальные рудопроявления, вмещающими породами
для которых являются серпентиниты и серпентинизированные ультрабазиты, характеризуются целым рядом параметров, не свойственных полям других отрезков Мировой рифтовой системы. Аномальность химического состава гидротермальных отложений полей
Логачев и Рейнбоу - резко повышенное содержание в них кобальта,
присутствие высококобальтового пентландита, высокие концентрации в расчетном конечном гидротермальном растворе железа, ряда
других элементов, сравнительно низкая, концентрация H2S (Табл. 13) подтверждают представления о существовании здесь глубинной
циркуляционной гидротермальной системы, в которой гидротермальные рудоносные растворы формируются при взаимодействии
океанской воды с гипербазитами, серпентинизированными в разной
степени (Богданов, 1997).
Химический состав гидротермальных растворов гидрогеологических массивов ультраосновных пород также обладает специфическими чертами. Во флюиде поля Рейнбоу концентрация H2S ниже,
чем в КГР таких полей как ТАГ, Брокен-Спур. Сравнительно низкую концентрацию H2S можно связать с меньшим содержанием серы в ультрабазитах по сравнению с базальтами. В гидротермальных
флюидах полей Логачев и Рейнбоу концентрации СН4 на 1-2 порядка превышают все известные ранее концентрации СН4. Происхождение метана во флюидах Логачев и Рейнбоу, в отличие от всех ранее известных полей, связано с серпентинизацией ультрабазитов
(Леин и др., 2000).
По данным химического состава конечных гидротермальных
растворов гидротермальных полей северной части САХ (Табл. 1)
построена корреляционная матрица (Табл. 4). Наблюдается высокая
положительная корреляция у всех газов, что свидетельствует о едином источнике их поступления. Положительная корреляция рудных
компонентов с хлорид-ионом говорит о переносе компонентов в
гидротермах в форме хлоридных комплексов.
Обращает на себя внимание обратная корреляция содержаний сероводорода с метаном и водородом в гидротермах САХ. Этот
факт может послужить предпосылкой обоснования нового поискового признака гидротерм ультрамафитовых пород САХ. То же можно сказать и о высокой корреляции железа и диоксида углерода с
метаном и водородом.
Исследования флюидных включений в минералах руд также
позволили установить, что на поле Логачев развита активная гидротермальная циркуляционная система (Симонов и др., 1996; Бортников и др., 2004). Концентрации солей в растворах, судя по результатам изучения флюидных включений, резко превышают соленость
океанской воды, приближаясь к рассолам. Соленость в данном районе определяется двумя причинами: соотношением количеств поступающих в зону серпентинизации океанских вод и расходуемых
при серпентинизации, и фазовой сепарацией.
В районе гидротермального поля Рейнбоу отсутствует современная вулканическая деятельность. При микротермометрических исследованиях флюидных включений из постройки гидротермального поля Рейнбоу установлено, что соленость флюидов в ряде
случаев является в два раза выше солености морской воды. Океанская вода проникает по системе открытых трещин в породы низов
океанской коры - верхов мантии и участвует в процессе серпентинизации ультрабазитов, трансформируясь при этом в высокотемпера-
турный гидротермальный флюид подобно тому, как это предполагается для поля Логачев.
Из-за фазовой сепарации гидротермальные растворы характеризуются непостоянными, быстро изменяющимися температурой
и соленостью, а также наличием в зонах разгрузки источников с растворами разной минерализации.
3. В составе провинции океанских гидротерм выделен
новый тип гидротермальных растворов массивов ультраосновных пород САХ, отличающихся специфическими условиями
формирования. В зонах разгрузки глубинных гидротермальных
систем формируются слоистые плюмы и характерные экосистемы, которые могут служить поисковыми признаками районов
современного гидротермального рудообразования.
По данным проведенных ранее исследований было выделено
несколько провинций океанских гидротерм с преимущественным
распространением растворов со сходными условиями формирования
и характером металлоносности (Краснов, Судариков, 1990): 1провинция срединно-океанических хребтов, 2-провинция океанических окраин, 3-провинция межконтинентального рифта Красного
моря, 4-провинция внутриплитных вулканов («горячих» точек).
В результате данного диссертационного исследования предлагается новый тип областей первой провинции океанских гидротерм - гидротермы массивов ультраосновных пород САХ, приуроченные к блокам ультраосновных и основных пород, слагающих
гидрогеологические бассейны, в основном, трещинных вод. Формируют особый тип «глубинных» гидротермальных систем. Растворы
отличаются повышенными концентрациями Cu, Zn, Cd, Fe, Mn, Li,
Au, Ag, метана и водорода, формируют руды с высоким содержанием полезных компонентов. К этому типу относятся гидротермальные поля Логачев и Рейнбоу.
Характерной чертой этих систем является длительная и непрерывная гидротермальная деятельность (Lalou et al., 1995, 1996),
сопряженная с процессами метаморфизма мантийных гипербазитов,
сложенных блоками ультраосновных пород, формирующим террасы
(уступы) внутренних склонов рифтовой долины (Богданов и др.,
2002; Леин и др., 2003). Водовмещающими породами являются в
различной степени серпентинизированные ультраосновные породы.
Наряду с трещинно-жильными водами на поверхности уступов иногда формируются горизонты пластово-поровых вод спорадического
распространения в осадках и щебнисто-глыбовых коллювиальных
отложениях склонов рифтовой долины.
Отличительной чертой гидротермальных растворов являются условия их формирования. Глубина проникновения океанской воды по разломам, окаймляющим дно рифтовой долины, определяется
глубиной источника формирования гидротермальной системы - осевой магматической камеры. На САХ такую камеру удалось зафиксировать лишь однажды на глубине более 4000 м, в отличие от других СОХ, где камера располагается на глубине 1-2 км от поверхности океанического дна. В то же время за пределами влияния осевой
магматической камеры возможно проникновение океанских вод на
значительно большую глубину по тектоническим нарушениям. При
этом океанская вода может достигать верхней мантии и обеспечивать серпентинизацию ультрабазитов. Остаточная вода трансформируется в высокотемпературный флюид. Процесс серпентинизации
возможен при температуре 400-500°С и давлении 1кбар. Такие условия (Constable et al., 1997) могут возникнуть при глубине залегания
кровли магматической камеры 4,5-6 км от поверхности дна. При
этом температура в камере 1200 °С, а глубина океана 3-4 тыс.м, что
вполне возможно для САХ.
Структура придонной воды, по данным CTD-зондирования
(экспедиция SERPENTINE) водной толщи над полями Логачев и
Рейнбоу, отличается сложным строением – наличием многослойного плюма, распространяющегося от дна до нескольких сотен метров
над ним. Каждый слой плюма представляет собой горизонт с пониженной прозрачностью, аномалиями температуры и солености
(Рис.7). К формированию многослойного гидротермального плюма
приводит наличие гидротермальных растворов с непостоянными,
быстро изменяющимися температурой и соленостью, а также наличием в зонах разгрузки источников с растворами разной минерализации, что обуславливает сильноизменчивую плотность и плавучесть гидротермальных флюидов, поступающих в океан. Кроме того, установлено разнонаправленное движение отдельных слоев
плюма. В результате анализа материалов визуальных наблюдений с
борта РОВ «Виктор» в структуре придонных вод можно выделить
два слоя с различными направлениями течений, тяготеющие к разным группам источников. Северо-восточное направление (зафиксированы плюмы на расстоянии 50 м от дна), формируется под влиянием основного поля, и северо-западная (зафиксированы плюмы на
расстоянии 20 м от дна), в формировании которого принимают участие источники зон «Ирина-2», «Квест», Анна Луиза (Рис. 8).
Приведенные данные свидетельствуют о сложном характере
придонных течений, способствующих формированию полей металлоносных осадков вокруг активных гидротермальных источников.
Наличие многослойного плюма, не свойственного другим известным гидротермам, можно рассматривать как поисковый критерий
гидротермальных полей, связанных с серпентинитами.
Геохимические ландшафты глубоководных гидротермалей
океана являются сложными системами, в пределах которых выделяются биогеоценозы гидротермальных полей с характерной макрофауной, формирующиеся под непосредственным воздействием
высокотемпературных гидротермальных флюидов и поля металлоносных осадков, в формировании которых принимают активное
участие микроорганизмы гидротермальных ореолов рассеяния, и
микробиоценозы, формирующиеся в осадках под воздействием низкотемпературной гидротермальной деятельности. В очагах разгрузки гидротермальных флюидов обнаружены значительные количества хемосинтезирующих бактерий и необычайно высокие для океана скорости хемосинтеза (Судариков, 1995). На постройках гидротермальных полей Логачев и Рейнбоу зафиксировано (экспедиция
SERPENTINE) большое количество отдельных представителей фауны (мидий и гастропод), что может послужить поисковым признаком гидротермальных систем.
В работе проведен анализ эколого-геохимической обстановки полей Логачев и Рейнбоу и разработаны рекомендации по проведению экогеохимических исследований в процессе освоения гидротермальных минеральных ресурсов, состоящие из трех этапов: 1проведение картирования гидротермальных сообществ и уточнение
видового состава фауны, оценка естественной динамики, а также
временных и пространственных изменений в гидротермальных сообществах, выявление закономерностей распределения гидротермальной фауны в микро-масштабе в зависимости от особенностей
окружающей среды, оценка состояния фоновых сообществ и их динамики в районе реликтовых полей; 2 - составление детальной карты
распределения гидротермальных сообществ, уточнение их пространственной протяженности, естественной динамики, а также
уточнение распределения реликтовых полей; 3 – оценка воздействия
на окружающую среду промышленного освоения гидротермальных
сульфидов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертационное исследование представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой дано решение
актуальной научной задачи – изучение процессов формирования состава гидротермальных руд, растворов, ореолов рассеяния (плюмов)
и
экосистем
гидрогеологических
массивов
СрединноАтлантического хребта (САХ), сложенных ультраосновными породами, для использования этих данных в процессе освоения минеральных ресурсов океана. Проведенные исследования позволяют
сделать следующие основные научные выводы и рекомендации:
1. Особенностью геологического и гидрогеологического
строения САХ является широкое распространение плутонических
массивов ультраосновных и основных пород, формирующих гипербазитовые субокеанические массивы трещинных вод, не встречающиеся на других срединно-океанических хребтах.
2. В гидротермальных растворах поля Логачев впервые были обнаружены существенные концентрации металлов и других
микрокомпонентов. Особенностью гидротермальных растворов полей Логачев и Рейнбоу являются высокие концентрации Cu, Zn, Cd,
Fe, Mn, Li, Au, Ag, метана и водорода, отражающие влияние процессов серпентинизации на формирование состава флюидов.
3. Средний химический состав исследованных массивных
сульфидных отложений полей Логачев и Рейнбоу существенно отличается от среднего химического состава сульфидных руд других
гидротермальных полей САХ. По обогащенности полезными ком-
понентами (Zn, Cd, Co, Au) сульфидные руды полей Рейнбоу и Логачев не имеют аналогов среди рудопроявлений САХ.
4. Проблема возможного освоения минеральных ресурсов
гидротермальных полей океана (в очагах разгрузки гидротермальных флюидов обнаружены значительные количества хемосинтезирующих бактерий и необычайно высокие для океана скорости хемосинтеза) неотделима от проблемы рациональной геохимической
организации субмаринного ландшафта. Исходя из этих требований в
диссертации обобщены данные по гидротермальным экосистемам
САХ и предложены направления их изучения на ближайшие годы.
5. Наличие многослойного гидротермального плюма,
распространяющегося от дна до нескольких сотен метров над ним,
большое количество отдельных представителей фауны (мидий и гастропод) на постройках гидротермальных полей, можно рассматривать как поисковые критерии гидротермальных полей, связанных с
серпентинитами.
6. Обратная корреляция содержаний сероводорода с метаном и водородом, высокая корреляция железа и диоксида углерода с
метаном и водородом в гидротермальных растворах и плюмах может послужить предпосылкой обоснования нового поискового признака гидротерм ультрамафитовых пород САХ.
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:
1. Кривицкая М.В. Гидрогеологическая типизация северной
части Срединно-Атлантического хребта. Записки Горного института. Т.189. – СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011 г. - С. 42-45.
2. Судариков С.М., Кривицкая М.В. Формирование состава
гидротермальных растворов в гидрогеологических массивах ультраосновных пород Срединно-Атлантического хребта. Записки Горного
института. Т.189. – СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011 г. - С. 68-71.
3. Судариков С.М., Каминский Д.В., Кривицкая М.В. Геохимия субмаринных рудообразующих гидротерм северной Атлантики по данным дистанционных наблюдений и опробования с подводных обитаемых аппаратов. Записки Горного института. Т.176. –
СПб.: СПГГИ (ТУ), 2008 г. – С. 26-30.
4. Судариков С.М., Кривицкая М.В., Филатова С.С. Геохимия флюидов и плюмов гидротермальных полей САХ (11-150 с.ш.).
Материалы 18 Международной школы по морской геологии – Геология морей и океанов. Т 2. – Москва: институт Океангеология РАН,
2009 г. – С. 196-197.
5. Sudarikov S.M., Krivitskaya M.V. Composition of oreforming thermal solutions on the Mid-Atlantic Ridge. Minerals of the
Ocean-3 – Future developments – St. Petersburg: VNIIOkeangeologia,
2006. – Р. 152.
6. Судариков С.М., Кривицкая М.В. Новый тип магматогенных гидротерм массивов ультраосновных пород САХ в составе
мировой провинции СОХ. Материалы 20 Международной школы по
морской геологии – Геология морей и океанов – Москва: институт
Океангеология РАН, 2011 г. – С. 185.
7. Судариков С.М., Кривицкая М.В., Михальчук Н.Н. Эколого-геохимические исследования в Международном районе САХ в
связи с началом освоения глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС). Материалы 20 Международной школы по морской
геологии – Геология морей и океанов – Москва: институт Океангеология РАН, 2011 г. – С. 186.
20
4
15
Cd, мкг/кг
A g, мкг/кг
3
2
1
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
0
Mg, млг/кг
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1000
1200
1400
1600
1000
1200
1400
1600
1000
1200
1400
0,5
1,4
0,4
1,2
Au, мкг/кг
Pd, мкг/кг
Mg, млг/кг
0,3
0,2
0,1
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
200
400
600
0,035
0,6
0,03
0,5
Th, мкг/кг
0,025
Pt, мкг/кг
800
Mg, млг/кг
Mg, млг/кг
0,02
0,015
0,4
0,3
0,2
0,01
0,1
0,005
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
1600
200
400
600
3,5
300
3
250
Ni, мкг/кг
2,5
U, мкг/кг
800
Mg, млг/кг
Mg, млг/кг
2
1,5
200
150
100
1
50
0,5
0
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
200
400
600
800
1600
1600
Mg, млг/кг
Mg, млг/кг
Рис. 1. Гидрогеологические структуры гидротермальных полей
Срединно-Атлантического хребта (Судариков, 2008 с добавлениями).
- рудопроявления, пространственно связанные с базальтами
- рудопроявления, пространственно связанные с ультраосновными породами
1 - гребневая зона с осевым рифтом, трансформным разломом и вдольосевыми поднятиями; 2 - границы внешнего склона хребта; 3 - поверхностная плотность теплового
потока (а - 150-200 мВт/м2; б - 200 мВт/м2 и выше); 4 - ореолы (180 мВт/м2 и выше); 5 гидрогеологические массивы, в скобках металлогеническая специализация гидротермальных сульфидных руд (а - осевые; б - склоновые; в - привершинные); 6 - гидрохимические и гидрофизические аномалии в водной толще; 7 - газовые аномалии.
Рис. 2. Графики регрессии элемент-магний благородных металлов и
микрокомпонентов поля Логачев (экспедиция SERPENTINE, 2007).
Таблица 1
Состав и параметры конечных гидротермальных растворов САХ
(Судариков, Каминский, Кривицкая, 2008).
Морская
вода
Глуб., м
pH
7.8
Логачёв
(14°45’N)
Снейк
Пит
(23°N)
TAГ
(26°N)
Брокен
Спур
(29 °N)
3000
3460
3670
3200-3300
2.5-3.4
_
3.3 (2.8)* 3.7-3.9
Реинбоу
(36°14’N)
Лаки Страйк
(37°17’N)
Менез Гвен
(37°5’N)
2300
2.83.1(2.8)
1700
850
3.5-4.9
4.2-4.8
макрокомпоненты
Si(OH)4 (мг)
<19,2
Cl(мг/кг)
Br (мг/кг)
S04 (мг/кг)
19766
67
2714
Na(мг/кг)
10787
Li (мг/кг)
0,18
K(мг/кг)
382
Rb (мг/кг)
0,11
Cs (мг/кг)
0,31
Mg (мг/кг)
1272
Ca(мг/кг)
409
Sr (мг/кг)
7,66
Ba (мг/кг)
0,019
Fe (мг/кг)
<0,56*10-4
Mn (мг/кг)
<0,55*10-4
Cu (мг/кг)
0,46*10-3
Zn (мг/кг)
0,65*10-3
787,6
175021116,4
663,0
1105,3-1567,2
(146.2) 1760,2
18622,9 20246,7 23955,3 16931,9
27353,1 15209-19287
65
68
84
61
94
74
0
0
0
0
0
0
118699988,8
13614,8 9731-9801 12882,9
8045-10364
11849
5,9-5,94
2,9
7,0-7,2
1,9-2,5
1,72
2,4
920,8858,7
702,5
707-765
796,6
824-1042
932,9
2,4
0,9-0,92
0,86
1,11-1,16
3,15
1,94-3,34
2,355,12
1,46
1,85-1,94
4,43
2,66-3,72
2,41
0
0
0
0
0
0
397,2473,21095,2
1044,1
2678,2
1257-1534
421,2
513,3
4,3812,1
8,7
3,8-4,2
17,5
5,9-10,4
4,47
>1,77>0,62
>0,59
>2,61
>9,2
1,37-7,14
>2,92
микрокомпоненты
92
93-120 1340 (720)
1,7-48
116 (140) 100-120
18,2
27-27,1
55
13,8-14,3 123,8 (92)
4,6-25
(12,8)
0,069,4
2-4
0,3-2
1-3
7,6-10,2
0,11
3,2
3
2,7-5,6
0,3/4
1,6-1,92
5,4-11,8
739,7-1114,8
12837-13712
53-57
0
7228-7391
1,7-1,9
863-929
1,74-2,51
4,39
0
1192-1329
8,76-9,72
>1,65
0,11-10
3,25-3,9
0,038-0,19
0,16-0,28
газы
H2S (мг/кг)
0
17,0-27,0
201,0
228,1
CO2 (мг/кг)
101,0
444,2
128-150
 13C(CO2)
229,1295,1
(-5.1)-(-5.9)
-4.3
-
-
-13.6
-
8*10-6
-
Ar (мг/кг)
0,64
0,48
N2 (мг/кг)
17,0
84,0
0,681,40
33,094,0
(%o PDB)
 13C(CH4)
(%o PDB)
CO (мг/кг)
290,1375,1
264,1312,1
41,0
85,0-102,1
<51,0
704,5
572,3-1233,5
748,6-880,8
-9.0
-3.15
(-7.2)-(-10.6)
(-6.8)-(-9.1)
(-18)-(-19)
-15.8
(-12.7)-(-13.7) (-18.8)-(-19.6)
-
140*10-3
-
-
0,80-1,60
-
-
0,44-1,20
0,44-1,50
25
-
50,0
17,0-27,0
17,0-53,0
(-8.4)(-10.0)
(-8.0)(-9.5)
-
Примечание. В скобках указаны значения, полученные по данным опробования С.М.Сударикова с борта научноисследовательского судна «Атлантис» и с подводного обитаемого аппарата «Элвин». Пересчет М.В. Кривицкой.
Таблица 4
Корреляционная матрица химического состава гидротермальных растворов
полей Логачев, Рейнбоу, ТАГ и Брокен-Спур (Судариков, Кривицкая, 2011).
Cl
Fe
Mn
Cu
Zn
H 2S
NH4
CO2
H2
CH4
N2
1,00
0,75
0,93
0,89
0,55
-0,44
0,09
0,33
0,37
0,32
-0,08
1,00
0,92
0,53
0,91
-0,52
-0,09
0,80
0,71
0,66
0,16
1,00
0,73
0,80
-0,48
-0,12
0,61
0,57
0,51
0,03
1,00
0,35
-0,08
0,46
-0,06
-0,05
-0,11
-0,46
1,00
-0,21
-0,30
0,78
0,56
0,49
-0,03
1,00
0,18
-0,66
-0,89
-0,90
-0,85
1,00
-0,49
-0,40
-0,41
-0,40
1,00
0,93
0,91
0,60
H2
1,00
1,00
0,80
CH4
1,00
1,00
0,84
Cl
Fe
Mn
Cu
Zn
H2S
NH4
CO2
а)
Рис. 8. Схема зон гидротермальной разгрузки поля Логачев по данным экспедиции SERPENTINE.
- гидротермальные источники поля Логачев
- слой плюма, зафиксированный на расстоянии 20 м от дна
- слой плюма, зафиксированный на расстоянии 50 м от дна
б)
Рис.7. Вертикальный профиль CTD-зондирования в придонном
слое поля а) Логачев, б) Рейнбоу (экспедиция НИС «Атлантис», 2001).
- положение станций на профиле
- направление смещения плюмов от источников