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

Глава 6. Строение и состав конкреций.

ЖМК представляют собой округлые, эллипсоидальные, лепешковидные, иногда шарообразные обособления диаметром от долей миллиметра до десятков сантиметров, сложенные гидроксидами марганца и железа с примесью глинистого, обломочного и органогенного материала.

6.1 Морфология железомарганцевых конкреций

В пределах района выделены конкреции трех генотипов, которые по содержанию рудных компонентов заметно отличаются от генотипов (также трех), выделенных и охарактеризованных в провинции Кларион-Клиппертон российскими исследователями. В целом ЖМК Китайского разведочного района характеризуются более низким содержанием Mn, а также Ni и в особенности Co (табл.1). Пониженное содержание полезных компонентов и более низкие показатели весовой плотности определяются положением Китайского разведочного района в периферической части рудоносной площади провинции, на значительном удалении от центров максимальной конкрециеносности.

По морфологическим особенностям выделяются дискоидальные, гроздьевидные, эллипсоидальные, плитчатые, кластические и сростковые конкреции. Последние пользуются наиболее широким площадным распространением, именно они образуют поля наибольшей весовой плотности с наиболее высоким содержанием полезных компонентов. Скопления дискоидальных, эллипсоидальных, плитчатых конкреций выделяются среди полей сростковых небольшими участками изометричной формы.

По форме, особенностям состава и строения подавляющее большинство образцов ближе всего соответствуют генотипу А российской типизации. Размер конкреций от 1,5 до 5 см в поперечнике; среди них преобладают сферические, сростковые, гроздьевидные индивиды, реже присутствуют дискоидальные. Неоднократно отмечаются сростковые конкреции, представленные несколькими мелкими сферическими конкрециями, иногда обособленными, в других случаях сросшимися и обрастающими общей оболочкой. Встречаются также сростки конкреций различной формы, не имеющих общей рудной оболочки.

6.2. Текстурно-структурные особенности ЖМК

Железомарганцевые конкреции сложены слабоокристаллизованными гидроксидами железа и марганца, имеют концентрически-слоистое строение, обусловленное последовательным нарастанием слоев различного состава и структуры. Особенности строения наиболее типичных образцов представлены на рис. 5. Мелкие (диаметром в среднем около 2 см) однородные конкреции шаровидной формы часто имеют радиально-дендритовое строение (рис. 5-А).

На рис. 5-Б - пример сростковой конкреции: хорошо видны три сросшиеся конкреции (I, II, II), облекаемые общей оболочкой (IV).

Почти все изученные разновидности характеризуются наличием ядер. Часто ядрами служат обломки более древних образований (рис. 5-В): обломок древней конкреции (II) с выветрелой породой в ядре (I), облекается маломощной оболочкой. И ядра, и оболочки нередко имеют дендритовую текстуру (рис. 6-А).

Макрослои конкреций фиксируют импульсы роста. На рис. 5-Г такие импульсы представлены слоями II - V.

Биогенные остатки в ядрах иногда представлены зубами рыб (рис. 6-А).

В строении оболочки конкреций выделяются слои трех уровней:

1 - макрослои (мощн. от 0,5 до 1,5 см), облекающие всю конкрецию и разделенные между собой перерывами, несогласиями, следами процессов деструкции;

2 - микрослои (толщиной 1,5-5,0 мм) волнисто-слоистые, дендритовые и др. ритмично чередуются в разрезе макрослоев;

3 - субмикроскопические слойки, чередование которых определяет текстурный рисунок микрослоев. Их толщина 1-10 мкм. Субмикроскопические слойки конкреций представлены двумя чередующимися фазами рудного вещества, условно названными кристаллической и аморфной. Ведущими являются две группы структурных элементов: волнисто-слоистая и столбчато- дендритовая. Они образуют различные сочетания и взаимные переходы (рис. 7).

Внутреннее строение конкреций определяется ритмически слоистым рисунком разреза, обусловленным чередованием различных по текстурным особенностям слоев: волнисто-слоистых, столбчато- дендритовых, кластических и др. При этом все слои, в том числе и дендритовые образованы последовательным нарастанием субмикроскопических слойков, различных по составу. Свойственная конкрециям иерархия слоев отражает длительный и неравномерно протекающий процесс их роста. Часто отмечаются перерывы в накоплении рудного вещества, зафиксированные линзовидными скоплениями обломочного материала.

6.3. Минеральный и химический состав железомарганцевых конкреций

Железомарганцевые конкреции представляют собой агрегат рудных и нерудных минералов, среди которых установлены тодорокит, бернессит, вернадит, гидроокислы трехвалентного железа, кварц, полевой шпат, филлипсит. К нерудной части ЖМК также относятся включения базальтов и их стекол, органических остатков и т.п. Нерудная составляющая конкреций сосредоточена, как правило, в ядрах. Меньшая часть нерудного материала участвует в строении собственно рудных оболочек.

Рудные оболочки слагаются гидроокислами Mn⁴⁺ и Fe³⁺, представленными двумя минеральными фазами: кристаллической и аморфной. Кристаллическая фаза образована почти исключительно минералами марганца: тодорокитом и бернесситом. В составе аморфной фазы присутствуют как минералы железа (начальная стадия гетита - FеООН), так и марганца - вернадит.

Химический состав конкреций непостоянен, содержания даже основных элементов испытывают резкие колебания. В конкрециях всего Мирового океана уровень содержания элементов характеризуется следующими цифрами (в %): марганец 0,07-50,3; железо 0,3-50,0; никель 0,08-2,48; медь 0,003-1,90; кобальт 0,001-2,53; цинк 0,01-9,0; свинец 0,01-0,75.

Средний состав ЖМК Тихого океана (в %): марганец - 24; железо - 14; кремний - 9,4; алюминий - 2,9; натрий - 2,6; калий - 1,9; магний - 1,7; никель - 0,99; кальций - 0,18; титан - 0,67; медь - 0,53; кобальт - 0,35; барий - 0,18; свинец - 0,09; стронций - 0,081; цирконий - 0,063; ванадий - 0,054; молибден - 0,052.

Конкреции Китайского разведочного района отличаются более низким содержанием рудных компонентов (табл. 1).

Элементы, входящие в состав конкреций, подразделяются на три категории: главные рудные (Мn, Fе, Ni, Со, Сu, а также Zn и РЬ), главные нерудные (К, Nа, Мg, Са, Ва, Si, Al, Тi, Р, S), редкие и рассеянные - все прочие.

Таблица 1. Химический состав различных типов ЖМК Китайского района (по Xu Dongyu, Jin Qinghuan, Liang Dehua, 1994)
Генотип	1	2	3
Mn, %	22,20	27,19	26,11
Fe, %	11,14	6,13	6,16
Модуль Mn/Fe	1,99	4,44	4,24
Ni, %	0,19	1,14	1,13
Co, %	0,13	0,12	0,12
Cu, %	0,16	1,12	1,10

Промышленный интерес представляют 33 элемента: 4 основных - марганец, никель, медь, кобальт и 29 попутных - благородные металлы (золото, серебро, платиноиды), рассеянные элементы (молибден, теллур, таллий, висмут, рубидий, гафний), редкие (ванадий, цирконий) и некоторые редкоземельные элементы группы церия и иттрия.

6.4. Акцессорные минералы в оксидных рудах

В конкрециях Китайского района выявлены и идентифицированы на растровых электронных микроскопах и обильные включения акцессорных минералов, представленных мелкими зернами остроугольной, оскольчатой формы; размер зерен 1 - 10 нм, реже встречаются обломки кристаллов и их сростков размером 0,5 - 2 мм.

В рудной оболочке конкреций акцессорные минералы располагаются в различной позиции: в обломочных прослоях, фиксирующих длительные перерывы в накоплении рудного вещества; в линзовидных обломочных выделениях; в полостях, разделяющих дендриты, а также среди однородного материала всех типов субмикроскопических слойков.

Акцессории подразделены на 3 группы: 1) минералы базальтоидной ассоциации (пироксены, амфиболы, плагиоклазы, калинатровые полевые шпаты, магнетит, титаномагнетит, ильменит, хромит); 2) минералы гидротермального генезиса, источником которых могли стать разрушающиеся сульфидные постройки типа курильщиков: пирит, сфалерит, галенит, барит; 3) минералы, условно отнесенные к <гранитоидной> ассоциации: калиевый полевой шпат, кварц, циркон, вольфрамит, минералы урана, ниобия, редких земель.

Присутствие перечисленных минералов позволяет предположить, что формирование конкреций сопровождалось развитием бурных процессов - вулканических извержений, интенсивной поствулканической гидротермальной деятельности, образованием сульфидных построек. Следовательно, в область формирования конкреций постоянно поступало значительное количество вулканогенных продуктов, что можно рассматривать как дополнительное свидетельство в пользу признания вулканизма одним из важнейших источников рудного вещества ЖМК.

6.5. Биоморфные остатки в железомарганцевых конкрециях

В конкрециях на сканирующем электронном микроскопе CamScan-4 в ПИН РАН выявлено большое количество биоморфных остатков, среди которых наиболее широко развиты спикулы губок, остатки радиолярий, диатомей и др. Некоторые виды остатков могут быть использованы для стратификации конкреций. Обнаружены также многочисленные виды бактерий окисляющих и осаждающих марганец и бактериальных спор, распространенных в железомарганцевых конкрециях. Биогенный фактор, по-видимому, играет в процессе формирования конкреций немаловажную и многоликую роль, что находит отражение в их ультрамикроскопическом строении.

6.6. О механизмах концентрации рудного вещества

Наиболее мелкими, условно неделимыми элементами текстурных обособлений являются субмикроскопические слойки. Они слагают все текстурно-структурные элементы: и волнисто-слоистые участки, и все виды дендритов.

Изучение внутреннего строения конкреций Китайского района включало систематическое определение состава субмикроскопических слойков методом локального микроанализа (растровый электронный микроскоп ).

Статистическая обработка полученных анализов подтвердила корреляционные связи компонентов, отчетливо разделившихся на две группы: железо, титан, фосфор, кальций, кобальт c одной стороны и марганец, никель, медь, магний с другой.

По составу слойки разделились на две достаточно обособленные группы. Одна из них характеризуется повышенным содержанием железа, кремнезема, титана, кобальта, а также фосфора и кальция. Другая обогащена марганцем, никелем, медью, щелочами. Эти группы представляют контрастные элементы, ритмичное чередование которых отражает действие механизма осаждения железа и марганца.

Аналогичные данные были получены для конкреций центральной части провинции, как в целом для всей совокупности анализов, так и для отдельных групп, соответствующих различным генотипам. Установлено, что характер выделенных групп в конкрециях Китайского и Российского районов одинаков. Ранее аналогичные контрастные группы слойков были установлены и для кобальтоносных корок Магеллановых гор (Авдонин В.В., Сергеева Н.Е., 2003).

Иными словами, все типы оксидных руд (все разновидности корок и конкреций) сложены субмикроскопическими слойками, разделяющимися по составу на две группы по одному принципу. Независимо от вариаций составов, всегда одна группа слойков обогащена железом, кремнеземом, кобальтом, фосфором, кальцием, другая - марганцем, никелем, медью, цинком, щелочами.

Эти факты позволяют утверждать, что все типы океанических оксидных руд формируются по единому механизму, а разница в составах микрослойков является следствием действия этого механизма отложения вещества. На данном этапе исследований наиболее вероятным представляется механизм автоколебательных реакций (Пунин Ю. О. и др., 1995).