Реконструкция областей гидротермального рудообразования в океане в геологическом прошлом

Реконструкция истории гидротермальной деятельности и рудонакопления по результатам изучения металлоносных осадков из кернов глубоководного бурения

Скорости накопления гидротермального рудного вещества в осадках, вскрытых кернами глубоководного бурения, изменяются как от места к месту, так и по вертикали. Обычно накопление осадков нижних частей кернов происходило раньше по времени и ближе к оси спрединга по сравнению с накоплением осадков, выше по разрезу. Поэтому при сопоставлении величин, измеренных даже в одном керне (а тем более во многих), большую роль приобретает характер систематизации и рассмотрения фактического материала. Наилучшим способом изучения изменения скоростей накопления гидротермального рудного вещества в осадках во времени является подробное их картирование на палинспастической основе для выбранных возрастных интервалов как в отдельных районах, так и в океанах в целом. Однако такие исследования требуют довольно подробного изучения очень большого количества проб из многих кернов бурения. Это весьма трудоемко и дорого и в настоящее время (да и в обозримом будущем) вряд ли возможно. Даже для современного этапа геологической истории подобная работа сделана лишь для металлоносных осадков юго-восточной части Тихого океана. Реально возможными на сегодня вариантами являются исследования изменения скоростей накопления гидротермального рудного вещества (или величин Fe): 1) в осадках полос-разрезов вдоль линий спрединга (или по нормалям к осям срединных хребтов) или в достаточно узких полосах-разрезах, протягивающихся в близких к ним направлениях, а также 2) в осадках разрезов параллельных или субпараллельных осям спрединговых хребтов.

Попытки первого рода исследований делались раньше [Гурвич и др., 1984; Bostr o m, 1973; Lyle et al., 1986], однако в них не учитывалось изменение во времени расстояния отложения осадков от осей спрединговых хребтов, которое может достигать многих сотен километров. Устранение этого недостатка возможно путем расчета эквидистантных величин Fe (например, с использованием вышеприведенного эмпирического уравнения) или при систематизации данных по временным осям. Вертикальная ось показывает возраст проб, горизонтальная - время, прошедшее от момента начала формирования толщи. При этом в случае равенства масштабов шкал обеих осей последовательность данных по каждому керну располагается на прямой линии, направленной под углом 45^o вверх к вертикальной оси. Точка пересечения этой линии с вертикальной осью соответствует возрасту осадков, залегающих непосредственно на фундаменте, точка пересечения с горизонтальной осью показывает продолжительность накопления всей осадочной толщи в месте получения керна. Если в толще имеются перерывы в осадконакоплении, то линия сохраняется, но не является сплошной. Разрывы соответствуют времени и продолжительности перерывов в осадконакоплении. При использовании временных шкал нет нужды в учете: а) для вертикальной оси - разницы скоростей осадконакопления как между одновозрастными осадками кернов, так и между разными моментами времени, б) для горизонтальной оси - разницы между скоростями спрединга в разные моменты времени. Допущением является то, что в каждый конкретный момент геологического времени скорость спрединга на участке оси срединного хребта, пересекаемом полосой-разрезом (далее - разрезом), была одинаковой.

Рис. 4. Изоплеты величины Fe (мг см-2 в 1000 лет) в металлоносных осадках южного разреза в Тихом океане.

С применением описанной методологии исследовались металлоносные и неметаллоносные (в которых имеется примесь гидротермального вещества) осадки четырех разрезов, пересекающих срединные хребты в южных и северных частях Тихого и Атлантического океанов. В Тихом океане южный разрез находится между 19^o и ~6^o ю.ш. к западу от оси ВТП и охватывает период времени от 40 млн лет назад до 0 млн лет назад, северный разрез - между 0^o и 15^o с.ш., охватывает периоды времени от 52 млн лет назад до 29 млн лет назад и от 23 млн лет назад до 7 млн лет назад; в Атлантическом океане южный разрез располагается между 30^o и 25^o  ю.ш., охватывает период времени от 49 млн лет назад до 6 млн лет назад, северный разрез - между 25^o и 45^o с.ш., охватывает периоды времени от 130 млн лет назад до 70 млн лет назад и от 15 млн лет назад до 0 млн лет назад. В качестве примера построения на рис. 4 приведен южный разрез в Тихом океане.

На рис. 4 хорошо видны черты разрезов, построенных с применением временных осей. На изохронных горизонтах с увеличением времени, прошедшего от начала формирования толщи, величины Fe уменьшаются. Это обусловлено тем, что при увеличении значений по оси абсцисс возрастает расстояние от оси спредингового хребта. В разновозрастных осадках при одинаковых значениях времени, прошедшего от начала формирования толщи, величины Fe изменяются. Эти изменения отражают изменения интенсивности гидротермальной деятельности и связанного с ней рудообразования. Как показал анализ, на всех четырех разрезах они связаны с изменениями скоростей спрединга, а также тектоническими перестройками спрединговых хребтов [Лисицын и др., 1990; Lyle, 1987].

Рис. 5. Изменение во времени общего количества гидротермального Fe, накапливавшегося на разрезах в Тихом и Атлантическом океанах в пределах полос шириной 1 км, расположенных вдоль траекторий движения литосферных плит.

Сопоставление интенсивности накопления гидротермального Fe и, соответственно, интенсивности гидротермальной деятельности на различных участках спрединговых хребтов, пересекаемых разрезами, в ходе геологического времени удобнее вести по величинам общего накопления железа в осадках вдоль длины разрезов (т.е. от осей спрединговых хребтов до самой дальней границы, где удается измерить Fe). Для этого по данным вышеуказанных четырех разрезов с учетом изменения скоростей спрединга были рассчитаны изменения во времени количества гидротермального Fe, накапливавшегося вдоль длины разрезов в пределах полос шириной 1 км (Fe_1км). Иными словами, рассчитывалась временнaя эволюция поставки гидротермального Fe в осадки с участков рифтов длиной 1 км. Результаты расчетов в виде кривых показаны на рис. 5. Кроме того, где это возможно, показаны величины Fe_1км, обусловленные изменениями скоростей спрединга, а также влиянием тектонических перестроек (если они происходили). Пунктирными линиями на рис. 5 показаны величины Fe_1км, определяемые изменениями скоростей спрединга, сплошными линиями (и пунктирными, в случае отсутствия сплошных линий) - суммарные величины Fe_1км. Разности между значениями, показанными сплошными и пунктирными линиями, демонстрируют влияние тектонических перестроек.

В течение последних 40 млн лет поставка гидротермального Fe с оси спрединга в осадки южного разреза в Тихом океане изменялась почти на порядок. Влияние тектонических перестроек спрединговых хребтов на величину Fe_1км и, соответственно, на интенсивность гидротермальной деятельности и рудообразования было преобладающим около 24-25 млн лет назад и особенно около 17-18 млн лет назад. В остальное время преобладало влияние скорости спрединга. Величины Fe_1км на северном разрезе в Тихом океане в среднем в два раза меньше, чем на южном разрезе. Это обусловлено меньшим влиянием тектонических перестроек и меньшими скоростями спрединга (по крайней мере в неогене).

На северном и южном разрезах в Атлантическом океане величины Fe_1км варьировали во времени в широком диапазоне и были в среднем в 20 раз меньше, чем на разрезах в Тихом океане. Столь большая разница, очевидно, обусловлена в первую очередь значительно меньшей скоростью спрединга САХ по сравнению с ВТП. Другой причиной могло быть направление придонных течений в районах разрезов. В Тихом океане преобладал перенос взвешенного гидротермального вещества в широтном направлении и способствовал его отложению на флангах ВТП в пределах разрезов. В Атлантическом океане преобладал меридиональный перенос [Гурвич, 1998]. Это могло уменьшать количество взвешенного гидротермального вещества, отлагавшегося на дне на флангах САХ в пределах разрезов. Еще одной причиной могла быть морфология рифта САХ. При низкой скорости спрединга, когда рифтовая зона имела вид глубокой долины, гидротермальное взвешенное вещество практически не покидало ее и не проникало на фланги САХ (такая ситуация наблюдается в настоящее время). Однако с увеличением скорости спрединга (а оно могло быть в 3 раза больше) морфология рифта, видимо, изменялась (глубокая рифтовая долина исчезала) и "выпускала" взвешенное гидротермальное вещество на фланги хребта. То есть увеличение скорости спрединга могло оказывать двойной эффект, приводивший к увеличению скорости накопления гидротермального вещества на флангах САХ.

Рис. 6. Палеосхемы распределения Fe в осадках к западу от оси ВТП между 5o ю.ш. и 12o с.ш. за последние 12 млн лет (а-л), а также современное положение и относительная вероятность встречаемости   погребенных залежей массивных гидротермальных сульфидов, образовавшихся на оси ВТП за это время (м).

Реконструкция истории гидротермальной деятельности и рудообразования на участке вдоль оси ВТП между 5^o ю.ш. и 12^o с.ш. за последние 18 млн лет была проведена по материалам изучения донных осадков (металлоносных и неметаллоносных с примесью гидротермального рудного вещества) кернов глубоководного бурения скважин 848-854 ODP разреза длиной свыше 1600 км, субпараллельного оси ВТП (см. рис. 6м).

Рис. 7. Относительное изменение Fe в осадках при удалении от оси ВТП (в среднем для современного поля металлоносных осадков юго-восточной части Тихого океана).

В продатированных осадках кернов определялись величины Fe, они откладывались вдоль обратных траекторий перемещения точек бурения (backtracked paths), связанного с движением Тихоокеанской литосферной плиты. Информация о значениях Fe для осадков отдельных интервалов геологического времени и расстояниях от места накопления этих осадков до оси ВТП дала возможность при помощи связи относительного изменения величины Fe с расстоянием от оси ВТП с учетом преобладающего направления придонных течений (рис. 7) оценивать величины Fe при разном удалении от оси ВТП в эти интервалы времени. По ним были построены палеосхемы распределения Fe к западу от оси ВТП для 11 временных интервалов от 12-10,5 до 0,5-0 млн лет назад (рис. 6а-л). Эти схемы отчетливо показывают существование на оси ВТП участков интенсивной и менее интенсивной гидротермальной деятельности, маркируемых величинами Fe более 25 мг см^-2 в 1000 лет и 1025 мг см^-2 в 1000 лет в близосевых осадках. Анализ показал, что наблюдаемые изменения Fe вблизи оси ВТП и появление (или исчезновение) таких участков обусловлены в основном изменениями скорости спрединга и тектоническими перестройками.

Следует отметить, что реконструированные для интервала времени 0,5-0 млн лет назад (по данным исследования осадков, накопившихся в ~600 км к западу от оси ВТП) величины Fe в близосевых осадках между 11 и 12^o с.ш. ( > 25 мг см^-2 в 1000 лет) и между 7 и 11^o с.ш. (1025 мг см^-2 в 1000 лет) близки к соответствующим средним значениям Fe в современных металлоносных осадках вблизи оси ВТП в районе 11-14^o с.ш. (2050 мг см^-2 в 1000 лет) и между 7 и 11^o с.ш. (1025 мг см^-2 в 1000 лет ), рассчитанным по данным работ [Лисицын, 1978; Черкашев, 1990, 1992]. Такое совпадение вселяет оптимизм и позволяет рассматривать схемы, приведенные на рис. 6а-л, как достаточно обоснованные.

Реконструированные области гидротермальной деятельности для интервала времени 0,5-0 млн лет назад совпадают с современным положением гидротермальных полей на оси ВТП. В настоящее время в районе исследования наиболее интенсивные гидротермальная деятельность и рудообразование на оси ВТП существуют к северу от разлома Клиппертон, между 11 и 13^o с.ш., менее интенсивные - между разломами Клиппертон и Сикейрос, и относительно слабые - в районах 7 и 4^o с.ш. [Порошина и др., 1992; Hekinian et al., 1985; McConachy et al., 1986]. Если реконструкция для периода 2-0,5 млн лет назад верна, то можно сказать, что интенсивная гидротермальная деятельность между 11 и 13^o с.ш. появилась на оси ВТП именно в это время.

Высокие скорости накопления гидротермального Fe в близосевых осадках обычно сопровождают образование возле устьев гидротермальных источников залежей массивных сульфидов. Если залежи, сформировавшиеся на оси ВТП за последние 12 млн лет, сохранились и были перекрыты донными осадками или залиты лавой, то по реконструированному палеоположению областей гидротермальной деятельности на оси ВТП (рис. 6а-л) можно установить современное положение тех залежей (или их частей), которые переместились вместе с Тихоокеанской литосферной плитой. Очевидно, что вероятность встречи погребенных залежей, сформировавшихся в местах интенсивной гидротермальной деятельности (Fe в близосевых осадках > 25 мг см^-2 в 1000 лет), выше, чем залежей, сформировавшихся в местах менее интенсивной гидротермальной деятельности (Fe в близосевых осадках 10 25 мг см^-2 в 1000 лет). Это хорошо видно при сопоставлении Fe в современных близосевых осадках и положения участков современной гидротермальной деятельности и рудообразования на оси ВТП между 7 и 12^o с.ш. Реконструированное современное положение областей и относительная вероятность встречаемости (в случае сохранности) в районе исследования погребенных залежей массивных сульфидов, сформировавшихся на оси ВТП за последние 12 млн лет, показаны на рис. 6м.