Строение, состав и генетические особенности железомарганцевых конкреций провинции Кларион-Клиппертон (Тихий океан)

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Образование железомарганцевых конкреций - глобальное природное явление, происходящее на границе гидросферы и литосферы на дне океанов. Формация железомарганцевых конкреций абиссальных котловин (ЖМК) широко развита на океанском дне, отдельные поля скопления конкреций весьма перспективны для промышленного освоения. С начала 1960-х годов конкрециями заинтересовались многие промышленные фирмы и развернули планомерные геологоразведочные работы. Уже в 1974 г. в ООН подается заявка от имени США на открытие первого месторождения ЖМК в районе Северо-Восточной котловины Тихого океана между разломами Кларион и Клиппертон. Работы быстро приняли международный характер, исследования проводили СССР, ФРГ, Англия, Франция, Япония, Австралия, Новая Зеландия и Китай. Ученые многих стран изучают руды ЖМК: получены многочисленные результаты и материалы по конкрециям. Тем не менее, проблемы генезиса конкреций весьма далеки от решения. Для расшифровки всей совокупности процессов образования конкреций необходимо тщательное изучение строения и состава конкреций на макро-, микро- и ультрамикроскопическом уровнях. Комплексное изучение ЖМК - одно из важнейших условий, определяющих возможность промышленного освоения залежей этого ценного полиметалльного сырья.

Цель работы. Целью исследований являлось изучение строения, состава и генетических особенностей железомарганцевых конкреций провинции Кларион-Клиппертон в основном на примере Китайского разведочного района с привлечением материалов по другим участкам провинции.

Научная новизна. Автором впервые проведено комплексное изучение образцов ЖМК Китайского разведочного района и сопоставление их с образцами других участков провинции Кларион-Клиппертон. Впервые проведено изучение конкреций на субмикроскопическом уровне; статистическая обработка полученных данных позволила обосновать вывод о том, что при формировании оксидных руд различного типа действует единый механизм осаждения вещества. Впервые в конкрециях Китайского района выявлены акцессорные минералы и предложена их типизация. Разносторонняя характеристика конкреций позволила детализировать фациальную обстановку их формирования.

Практическая ценность. Выявленные генетические особенности конкреций дают дополнительный материал для корректировки разведочных работ, выбора перспективных участков. Полученные материалы, характеризующие состав и строение ЖМК, необходимы для детальной промышленной оценки залежей.

Фактический материал, методы исследования. Основным объектом исследований послужила коллекция железомарганцевых конкреций из китайского района провинции Кларион-Клиппертон. Конкреции отобраны в рейсе DY105-13 НИС <Океан N 4> в 2002г. Кроме того, использованы конкреции из коллекции кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых геологического факультета МГУ; эти образцы собраны в различные годы в провинции, в основном в пределах Российского разведочного района.

Текстурно-структурные особенности конкреций изучались в аншлифах и полированных срезах образцов.

Систематическое определение состава субмикроскопических слойков ЖМК проводилось на растровом электронном микроскопе в лаборатории ИЭМ РАН. Кроме того, микротекстурные исследования и диагностика минералов проводились на растровом электронном микроскопе в лаборатории локальных методов исследования вещества геологического факультета МГУ. Получено более 100 микрофотографий для изучения структурно-текстурных особенностей строения конкреций, выполнено около 500 анализов состава субмикроскопических слойков и акцессорных минералов. Проведена статистическая обработка полученных данных.

Изучение биоморфных остатков в конкрециях проводилось на сканирующем электронном микроскопе CamScan-4 в ПИН РАН.

Для изучения распределения элементов-примесей в макрослоях ЖМК был применен лазерный микроспектральный анализ на микроанализаторе LMA-10 (кафедра полезных ископаемых МГУ).

Для 20-ти наиболее представительных образцов изучаемой коллекции выполнено определение содержаний микроэлементов в том числе РЗЭ методом ICP-MS и ICP-AES.

Основные защищаемые положения.

1. Железомарганцевые конкреции представляют собой концентрически-слоистые образования, сложенные слабо окристаллизованными фазами оксидов и гидрооксидов железа и марганца. В строении конкреций выделяются концентрические слои трех иерархических уровней: макрослои, микрослои и элементарные, условно неделимые субмикроскопические слойки.

В конкрециях выявлены многочисленные биоморфные остатки (радиолярии, диатомеи, спикулы кремневых губок, остатки разнообразных бактерий, в том числе марганецокисляющих). Биоморфные остатки, с одной стороны, могут служить основой стратификации конкреций, с другой - позволяют предположить активное участие организмов в осаждении рудного вещества конкреций.

2. В конкрециях обнаружены и диагностированы многочисленные акцессорные минералы, среди которых выделены группы: а) породообразующих минералов базальтовой ассоциации; б) сульфидов, сульфатов и др. минералов гидротермального генезиса; в) рудных и породообразующих минералов гранитоидной ассоциации. Наличие акцессорных минералов свидетельствует о сложной фациальной обстановке, в которой происходило формирование ЖМК, и является косвенным свидетельством участия вулканических и поствулканических процессов в поставке рудного вещества.

3. Детальное изучение элементарных текстурных обособлений - субмикроскопических слойков (на микроанализаторах) позволило выявить важные закономерности: проявление ритмичности в строении и чередовании слойков, однотипный характер разделения <железистых> и <марганцовистых> фаз в ЖМК различного типа. Обоснован вывод о том, что все типы оксидных руд (все разновидности конкреций и корок) сложены субмикроскопическими слойками, разделяющимися по составу на две группы. Одна всегда обогащена железом, кремнеземом, кобальтом, фосфором, кальцием; другая - марганцем, никелем, медью, цинком, щелочами и т.д. Это означает, что все типы руд формируются по единому механизму осаждения рудного вещества.

4. Выявлена устойчивая концентрическая зональность в распределении микроэлементов в ЖМК (Co, Ni, Cu, Zn), а также некоторых других компонентов, выраженная в закономерном повышении концентраций от центра к периферии конкреций. Возникновение зональности обусловлено действием процессов диагенетического преобразования вещества конкреций.

Публикации и апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на межвузовской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых <Молодые - наукам о земле> (2008, Москва), на международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых <Ломоносов> (2008, Москва), на Ломоносовских чтениях (2008, Москва, МГУ). По теме диссертации опубликованы 2 статьи и тезисы 3 докладов.

Структура и обьем работы. Диссертация, состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 191 страниц текста, 28 таблиц, 97 рисунков, сопровождается списком литературы из 57 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В.В. Авдонину.

Он глубоко признателен ст. н. сотр. Е.А. Жегалло (ПИН РАН), под руководством которой проведено изучение биоморфных остатков. Автор благодарит ст.н.сотр. Н.Е. Сергееву, организовавшую исследования на лазерном микроанализаторе. Искренняя благодарность вед. н. сотр. Н.Н. Шатагину за большую помощь в статистической обработке анализов. Большой объём микроаналитических исследований выполнен при содействии К.В. Вана (ИЭМ РАН), которому автор выражает свою признательность.

Автор благодарит профессора Xuefa Shi (Институт Океана КНР), предоставившего для изучения образцы ЖМК Китайского района и другие материалы.

Искреннюю признательность за помощь, поддержку и консультации автор испытывает к сотрудникам кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых: зав. кафедрой проф. В.И. Старостину, доц. А.Л. Дергачеву, асс. Т.А. Филициной.