close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Железомарганцевые корки Амеразийского бассейна Северного Ледовитого океана особенности минералого-геохимического и изотопного состава и процессов формирования

код для вставкиСкачать
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «СанктПетербургский государственный университет»
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук
Черкашёв Георгий Александрович
Официальные оппоненты:
Михайлик Евгений Васильевич
кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный
сотрудник, Дальневосточное отделение, Дальневосточный геологический институт РАН, лаборатория региональной геологии
и тектоники
Сколотнев Сергей Геннадьевич
доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Геологического института РАН, отдел тектоники
Ведущая организация – АО "Южморгеология"
Защита диссертации состоится 26 декабря 2018г. в 11ч. на заседании диссертационного совета Д. 002.122.02 при ФГБУН
«Институт геологии рудных месторождений, петрографии,
минералогии и геохимии» по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., 35.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН «Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии» и на сайте www.igem.ru
Автореферат разослан _____________ 2018г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
к.г.-м.н.
Чефранова А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Интерес к железомарганцевому оруденению в океане, проявленному преимущественно в виде
гидроксидных корок и конкреций, обусловлен перспективами его промышленного освоения. Железомарганцевые корки Мирового океана
могут служить источником рудных, редких и редкоземельных элементов (Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Te, Bi, Mo, W, Pt и РЗЭ), востребованных в мировой экономике, в т.ч в высокотехнологичных её отраслях.
Скопления корок известны в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах. Наиболее крупные поля сосредоточены в пределах глубоководной рудной провинции северо-западной приэкваториальной
зоны Тихого океана (Андреев и др., 2002; Мельников, 2005; Hein and
Koschinsky, 2014). Наименее изученным районом остается Северный
Ледовитый океан (СЛО), где проявления железомарганцевого оруденения хотя и зафиксированы, но в основном в шельфовых обстановках
(Иванов и др., 2006).
В связи с подачей заявки в комиссию ООН на расширение границ континентального шельфа Российской Федерации в Арктике данные о новых источниках минерального сырья приращиваемых территорий приобретают актуальное значение.
Вследствие крайне низких скоростей роста железомарганцевые
корки являются уникальными образованиями, фиксирующими историю
региона на протяжении миллионов лет.
Степень разработанности исследуемого направления. Железомарганцевые образования (ЖМО) глубоководных частей океана
впервые были обнаружены в экспедиции «Челленджера» в 1873 г. и
затем практически не изучались до середины ХХ века. В 1970-1980 гг.
СССР, США, Германия, Китай, Япония и другие страны проводили
многочисленные экспедиции, нацеленные на поиски и разведку ЖМО,
преимущественно в Тихом океане. В настоящее время наиболее детально и разносторонне изученными являются корки северо-западной
приэкваториальной зоны Тихого океана. Корки Индийского и Атлантического океанов менее изучены вследствие не столь значительного распространения древних подводных гор, где они преимущественно формируются. Глубоководные ЖМО арктического региона до последнего
времени оставались почти неизученными в связи со сложными условиями работы в Арктике. Некоторые данные по составу железомарганце3
вых корок хребта Менделеева были опубликованы Г.Н. Батуриным с
соавторами (Батурин и др., 2014). Подобные образования, полученные
из близлежащего района, были описаны в работе Е.С. Базилевской с
соавторами (Базилевская и др., 2015). В названных работах в основном
изучались железомарганцевые налеты (1-2 мм) и единичные корки. На
Чукотском поднятии и хребте Альфа американскими учеными были
обнаружены аналогичные образования со сходным составом (Hein et al.,
2017). Кроме того, микроконкреции хребта Альфа были детально изучены Б.Л. Винтером с соавторами (Winter et al., 1997). Микроконкреции
песчаной размерности были обнаружены в колонках осадков из Канадского бассейна и с хребта Альфа (Clark et al., 1980).
Цель работы. Целью работы является создание генетической
модели формирования железомарганцевых корок Амеразийского бассейна и определение источников сноса их терригенной составляющей.
Задачи:
1. Изучение морфологии и состава ЖМО хребта Менделеева.
2. Определение возраста и скоростей роста ЖМО хребта Менделеева.
3. Сравнительная характеристика корок хребта Менделеева, Чукотского поднятия и хребта Альфа.
4. Изучение распределения элементов в минеральных комплексах железомарганцевых корок Амеразийского бассейна СЛО по результатам селективного выщелачивания.
5. Определение источников сноса в Амеразийский бассейн СЛО
по результатам изучения изотопного состава терригенного вещества,
полученного из корок хребта Менделеева, Чукотского поднятия и
хребта Альфа.
Фактический материал. Большая часть материала получена
при драгировании хребта Менделеева в ходе экспедиции «Арктика
2012» (Морозов и др., 2013) и предоставлена канд. геол.-мин. наук П.В.
Рекантом (ФГБУ «ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского»). Образцы железомарганцевых корок исследуемого региона, полученные в экспедициях
«Арктика 2014» и «Арктика 2016», предоставлены д-ром геол.-мин.
наук С. Г. Сколотневым (ГИН РАН). Размеры полученных образцов
корок варьируют от 3-5 см до 25 см в длину и, как правило, имеют
плитчатую форму с четкой слоистостью и гладкой структурой поверхности, реже - с ботриоидальной (рис. 1).
Образцы ЖМО с хребта Альфа и Чукотского поднятия, а также
4
результаты изучения их состава предоставлены проф. Дж. Хейном
(Геологическая служба США).
Методы исследования.
Исследования проводились в два этапа, на каждом из которых
применялись различные методы:
1 этап заключался в исследовании состава и возраста ЖМО
хребта Менделеева (табл. 1).
Таблица 1. Методы исследований состава и возраста ЖМО
хребта Менделеева.
Метод
Оптическая и электронная
микроскопия
Рентгенодифракционный
Микродифракции электронов
Атомно-абсорбционный (Fe, Mn,
Cu, Ni, Zn, Co, Pb)
Рентгенофлуоресцентный
Лаборатория/Аналитики
Каф. ГМПИ СПбГУ, РЦ «Геомодель»
СПбГУ, Hercules laboratory, USGS /
Н.П. Константинова
РЦ "Рентгенодифракциионные методы исследования" (проект 103-397),
USGS / Н.П. Константинова
ИО РАН / О.Ю. Богданова и Г.В. Новиков
ФГБУ ВНИИОкеангеология / Т.Д.
Серебряная
ФГБУ ВНИИОкеангеология/ Т.Д.
Серебряная
ВИМС, ВСЕГЕИ/ С.В. Кордюков
Масс-спектральный с индуктивносвязанной плазмой
Атомно-эмиссионный с индуктив- ВИМС, USGS/ С.В. Кордюков
но-связанной плазмой
Энергодисперсионный микроанализ Hercules laboratory/ Luis Dias
на РЭМ
Микрозондовый анализ
РЦ «Геомодель», USGS / В.В. Шиловских, Н.П. Константинова
Масс-спектральный метод с индук- Hercules laboratory университета Эвотивно-связанной плазмой с лазерры / Pedro Barrulas
ной абляцией
Метод избыточного 230Th
Научная лаборатория геоморфологических и палеогеографических исследований полярных регионов и Мирового океана, СПбГУ/Ф.Е. Максимов
5
2 этап включал несколько задач:
- Объединение коллекций корок хребта Менделеева, Чукотского поднятия и хребта Альфа и проведение сравнительной характеристики.
- Изучение распределения элементов в минералах по результатам селективного выщелачивания. По методике A.Koschinsky и P.Halbach
(1995) были выделены компоненты: легкорастворимая, марганцевая,
железистая и остаточная. Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, K, Li,
Mg, Mn, Ni, Pb, Sr, Ti, Th, U, V, Zn и Y анализировались на каждом этапе выщелачивания 13 проб с использованием МС-ИСП (USGS, аналитик Н.П. Константинова). С целью оценки потери материала на четырех
стадиях выщелачивания проводилось сравнение валовых содержаний
элементов с суммой четырех этапов. Процент извлечения элементов не
выходит за пределы 80-120%.
- Определение источников сноса терригенного вещества. Пробоподготовка заключалась в сепарации нерудного материала от железомарганцевой матрицы при помощи солянокислотного выщелачивания. Далее
проводилось химическое разложение нерудного материала с последующим выделение Sr, Nd, Pb и анализом на МС-ИСП (W.M. Keck Isotope
Laboratory, UCSC, аналитик Бр. Драйер).
Личный вклад автора.
При подготовке диссертации автором проведено описание образцов с хребта Менделеева, изучены морфологические особенности
корок на макро- и микроуровнях в шлифах и аншлифах, проведён РФА
и исследования распределения элементов по разрезам ЭДС на РЭМ и
ИСП-МС-ЛА (совместно с аналитиками). Принято участие в изучении
химического состава зерен терригенного материала и железомарганцевой матрицы с помощью микрозондового анализа. Полученные результаты были проинтерпретированы с применением статистических методов. В рамках стажировки в Геологической службе США (Fulbright
program) автор отобрала коллекцию образцов с хребтов Менделеева и
Альфа и Чукотского поднятия для дальнейших исследований и провела
их сравнительную характеристику. Автором было проведено селективное выщелачивание корок. Совместно с сотрудником USGS была проведена полная пробоподготовка для проведения Sr, Nd и Pb изотопных
анализов.
Защищаемые положения:
1. Железомарганцевые корки хребта Менделеева характеризуются высокими содержаниями ряда редких элементов (Sc, As, Li, Th и
6
V) и низкими значениями Co, Ni и Mn/Fe отношения в сравнении с гидрогенными корками других океанов. Состав и скорость роста изменчивы в пределах разреза корок. Корки образовывались гидрогенным путем с локальными импульсами поступления терригенного материала.
2. Корки хребта Менделеева, Чукотского поднятия и хребта
Альфа имеют сходный состав, что позволяет выделять их в качестве
особого типа железомарганцевых образований, характерного для Амеразийского бассейна в целом.
3. Установлена связь химических элементов (Sc, As, Li, Th и V),
обогащающих корки Амеразийского бассейна СЛО, с различными компонентами: 90% Th, 80% As, 70% Sc и 50% V - c железистой, 50% Li и
30% V – с марганцевой; 30% Li и Sc, 20% V и As и 10% Th связаны с
терригенным материалом.
4. Терригенный материал, извлеченный из корок хребтов Альфа
и Менделеева и Чукотского поднятия, различается по изотопному составу Sr, Nd и Pb, отражая разные источники терригенного материала,
меняющиеся во времени.
Научная новизна.
В ходе исследования были получены следующие результаты,
определяющие его научную новизну:
- проведено комплексное детальное изучение железомарганцевых образований хребта Менделеева, включающее изучение морфологии, возраста, химического и минерального состава;
- в результате привлечения дополнительных данных по Чукотскому
поднятию и хребту Альфа представлена общая характеристика глубоководных железомарганцевых образований арктического Амеразийского бассейна в целом;
- для глубоководных арктических корок выделены комплексы минералов и связанные с ними геохимические ассоциации;
- с использованием изотопных данных проведена палеореконструкция
переноса терригенного материала, выделенного в составе корок, внутри
Амеразийского бассейна.
Практическая значимость. Высокие содержания Sc, Th, As,
Li, Co, Ni и РЗЭ позволяют рассматривать изученные железомарганцевые корки в качестве потенциального источника этих элементов для
высокотехнологичных отраслей мировой экономики в случае получения данных о достаточных масштабах их распространения.
В связи с активизацией работ, направленных на сбор материа7
лов по проблеме расширения границ континентального шельфа Российской Федерации, полученные результаты дают дополнительную информацию о минерально-сырьевом потенциале Амеразийского бассейна СЛО.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований
были представлены в устных и стендовых докладах на российских и
международных конференциях: ХХ и ХХII Школы по морской геологии (2013, 2017, Москва); XIII конференция студенческого научного
общества "Геология в различных сферах" (2014, Санкт-Петербург);
Underwater Mining Conference (Лиссабон, 2014; Сент-Питерсберг
(США), 2015; Сеул, 2016; Берлин, 2017; Берген, 2018); конференции
Гольдшмидт (Прага, 2015; Париж, 2017; Бостон, 2018); Полезные ископаемые океана-9 (2018, Санкт-Петербург). Полученные результаты
опубликованы в 5 научных статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК и Scopus, одна из которых находится в процессе публикации.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 175
страницах, включая введение, 5 глав, заключение, список литературы из
139 наименований; содержит 72 рисунка, 23 таблицы и 1 приложение.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. Г.А. Черкашёву за помощь в работе над
диссертацией и всестороннюю поддержку. Автор глубоко признателен
проф. Дж. Хейну (Геологическая служба США) за помощь в интерпретации данных и конструктивную критику. Особую благодарность автор
выражает к.г.-м.н. Б.Г. Ванштейну (ВНИИОкеангеология) за всестороннюю помощь и полезные рекомендации. Автор искренне благодарит
к.г.-м.н. П.В. Реканта (ВСЕГЕИ), и к.г.-м.н. Е.С. Базилевскую (ГИН
РАН) за предоставление материала для исследований. Автор выражает
благодарность сотрудникам СПбГУ д.г.-м.н. В.Ю. Кузнецову, к.г.н.
Ф.Е. Максимову, к.г.-м.н. Н.В. Платоновой, к.г.-м.н. Е.Н. Перовой, В.В.
Шиловских и сотрудниками ИО РАН д.г.-м.н. Г.В. Новикову и к.г.-м.н.
О.Ю. Богдановой за помощь в проведении аналитических исследований
и интерпретации данных. Значительную помощь в проведении анализов
оказали сотрудники HERCULES лаборатории Университета Эворы П.
Мадурейро, П. Баррулас, Ж. Мирао, Л. Диас; сотрудники Геологической службы США К. Мизелл, Э. Гартман, М. Микселл; Б. Дрейер из
Университета Калифорнии, Санта-Круз. Автор благодарит А.В. Фирстову, П.О. Серова, В.П. Рубан, С.С. Цыбина, Е.В. Рыжову, Ф.А. Гордон, Я.А. Дегтяреву, Е.А. Брусницыну и Е.В. Черемазову за помощь в
8
создании графических приложений и транспортировке материала.
Работа поддержана грантами 3.37.135.2014 и 18.37.141.2014
Санкт-Петербургского государственного университета, проектом 103397 РЦ «Рентгенодифракционные методы исследования» СПбГУ, грантом Фулбрайт и совместной стипендиальной программой СанктПетербургского государственного университета и Банка Сантандер.
ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
Первое защищаемое положение. Железомарганцевые корки
хребта Менделеева характеризуются высокими содержаниями ряда
редких элементов (Sc, As, Li, Th и V) и низкими значениями Co, Ni и
Mn/Fe отношения в сравнении с гидрогенными корками других океанов. Состав и скорость роста изменчивы в пределах разреза корок.
Корки образовывались гидрогенным путем с локальными импульсами поступления терригенного материала.
В разрезе корок хребта Менделеева выделяются три слоя, отличающихся по цвету и по толщине: нижний (буровато-рыжий, ~12 мм),
средний (коричневый, ~18 мм) и верхний (темно-коричневый до черного, ~2-3 мм).
Каждый слой имеет микротекстурные различия, вызванные
разной степенью влияния нерудного материала (рис. 2). Верхний слой
характеризуется хорошо выраженной колломорфной микротекстурой,
типичной для пелагических железомарганцевых образований. Средний
слой, наиболее мощный, имеет слоистую микротекстуру. Она характеризуется нечетким чередованием прослоев рудного материала и линз
нерудного вещества. Нижний слой не имеет четко выраженной микротекстуры.
При сравнении средних содержаний Si (10.4%) и Al (2.8%) анализируемых образцов с корками Мирового океана отмечается их обогащенность этими элементами (рис. 3). Кроме того, на изображениях
РЭМ наблюдается значительное присутствие терригенного материала
(рис. 2), представленного тонкодисперсными глинистыми частицами
алюмосиликатного состава и минеральными зернами разной окатанности, размера и генезиса. По данным ЭДС на РЭМ и микрозондового
анализа зерна размерами до 300 мкм представлены кварцем, полевым
шпатом и апатитом; минералы гр. амфибола, циркон, ильменит, мона9
цит, рутил, ильменорутил, барит, бадделеит, пирит (марказит?), хромит
и Ni-хромит, как правило не превышают 50 мкм. Нерудный материал
присутствует во всех трех слоях корок и его содержание сокращается от
нижнего слоя к верхнему.
Сравнение средних содержаний Mn, Ni и Co исследуемых образцов с корками Магеллановых гор (Тихий океан) указывает на их
обедненность этими элементами (рис. 3). В то же время максимальные
значения Co верхнего слоя корок (до 0.42%) сопоставимы с его содержанием в ЖМО Атлантического и Индийского океанов, а Ni (до 0.44%)
- с ЖМО Магеллановых гор. Для корок хребта Менделеева средние
значение Fe/Mn отношения высокое и составляет 3.1. Для корок хребта
Менделеева характерно закономерное увеличение средних значений
содержания Mn, Co и Ni, а также Fe/Mn отношения от нижнего слоя к
верхнему.
По результатам исследований химического состава корки содержат высокие содержания (в г/т) Li (до 193), Th (до 87), Cs (до 3.3 в
нижнем слое), As (до 770), W (до 65), Zr (до 770), Y (до 290), V (до
1060) и в особенности Sc (до 66). Средние содержания Sc, As и Li в
корках хребта Менделеева в несколько раз превышают аналогичные
содержания в корках из других районов Мирового океана, а содержания
Th и V соизмеримы с содержаниями в корках Атлантического и Индийского океанов (рис. 3).
По данным послойного радиохимического анализа средняя скорость роста верхнего слоя корок составляет 3.5 мм/млн. лет (метод избыточного 230Th). Средний слой образовывался со скоростью 7.9
мм/млн. лет (Co-хронометр), а самым быстрорастущим слоем является
нижний со скоростью образования 15.1 мм/млн. лет (Co-хронометр).
Для корок хребта Менделеева характерно закономерное уменьшение
скорости роста со временем.
В зависимости от источника рудного материала корки разделяются на гидрогенные и гидротермальные. К числу параметров, позволяющих разделять гидрогенный или гидротермальный источник вещества, относятся данные по составу корок, их текстурам и скоростям роста. Наиболее информативными генетическими индикаторами в составе
корок являются: содержания Cu, Ni и Co (1), состав РЗЭ (2), минералы
Fe и Mn (3), а также соотношение Fe и Mn (4), скорость образования и
текстура (5).
10
(1) Гидрогенные корки резко обогащены Co и Ni и незначительно Cu. Их содержание (%) в типичных гидрогенных корках Магеллановых гор в среднем составляет 0.54 (Co), 0.41 (Ni) и 0.11 (Cu) (Андреев и др., 2002). Для гидротермальных корок характерна резкая дифференциация железа и марганца. Гидротермальные корки железистого
состава характеризуются низкими содержаниями всех редких элементов, в то время как марганцевые гидротермальные образования относительно обогащены Ni, а также Mo, Li, Cr и Zn (Hein and Koschinsky,
2014). Корки хребта Менделеева характеризуются единичными высокими содержаниями Со (до 0.42%), что свидетельствует о значительном
влиянии гидрогенного фактора.
(2) Гидрогенные корки имеют ярко выраженную положительную цериевую и отрицательную иттриевую аномалии (рис. 4Б) в составе РЗЭ. Средняя величина Ce аномалии для 160 образцов нефосфатизированных железомарганцевых корок составляет 2.18 (Дубинин и др.,
2008), что соответствует коркам хребта Менделеева со средним значением Ce аномалии 2,7 (рис. 4А). Также в составе РЗЭ исследуемые образцы имеют отрицательную Y аномалию, характерную для гидрогенных корок.
Для получения информации о генезисе корок также используются диаграммы зависимости отношений СeSN/Ce*SN vs Nd и
СeSN/Ce*SN vs YSN/HoSN (рис. 5) (Bau et al., 2014). На обеих диаграммах
основная масса корок хребта Менделеева отчетливо попадают в область
гидрогенных корок, что соответствует ранее представленным результатам.
(3) Основу рудной массы составляют слабо раскристаллизованные оксиды и гидроксиды марганца и железа в тесном срастании друг с
другом. Черные и темно-бурые микрослои верхнего слоя сложены преимущественно Fe-вернадитом, но также включают ферроксигит и гетит.
Единичные образцы характеризуются наличием незначительного количества бернессита в составе черных микрослойков. Рыжие микрослои
сложены в основном гетитом. В единичных случаях в нижнем слое
встречается упорядоченный тодорокит с межплоскостным расстоянием
9.75 Å (рис. 6).
Происхождение основных идентифицированных рудных минералов (Fe-вернадит и Mn-ферроксигит) считается гидрогенным. В то же
время единично встречающиеся тодорокит и хорошо раскристаллизованный гетит рассматриваются в качестве минералов-индикаторов по11
ступления вещества непосредственно из гидротермальных источников
(Андреев и др., 2002; Богданова, 1987; Чухров и др., 1989; Hein et al.,
1988).
(4) Состав гидрогенных корок характеризуется Fe/Mn отношением близким к 1 (Андреев и др., 2002; Hein and Koschinsky, 2014). В
составе гидротермальных корок величина отношения значительно изменяется, но наблюдается резкая дифференциация железа и марганца.
Для корок хребта Менделеева средние значение отношения Fe/Mn - высокое и составляет 3.1. Повышенные значения Fe объясняются привносом его в составе терригенного вещества, а также присутствием помимо
железомарганцевой гидрогенной матрицы железистой минеральной
ассоциации, представленной оксигидроксидами железа, окаймляющими
поровые пространства и будины терригенного материала и замещающими органическое вещество (рис. 7). При точечном анализе участков
гидрогенного материала корки (железомарганцевая минеральная ассоциация), состоящего из мелкодисперсных оксидов и гидроксидов железа и марганца в тесном срастании друг с другом, соотношения Fe/Mn
находятся в пределах 1 (рис. 8), что соответствует гидрогенным ЖМО
Мирового океана.
(5) Гидрогенные корки характеризуются низкими скоростями
накопления (первые мм/млн. лет) (Андреев и др., 2002; Дубинин и др.,
2008; Hein and Koschinsky, 2014). Низкая скорость роста (3.5 мм/млн
лет, табл. 1) характерна для верхнего слоя исследуемых корок постепенно возрастая до 15.1 мм/млн лет к нижнему слою.
Таким образом, рудное вещество корки имеет гидрогенное происхождение. При этом в начальные периоды образования морская вода,
возможно, незначительно обогащалась гидротермальным материалом.
В отличие от глубоководных корок других океанов изученные образования характеризуются наличием в их составе значительного количества обломочного материала. Текстурные особенности взаимоотношений терригенной составляющей и рудной массы демонстрируют изменчивость влияния терригенного фактора в трех выделенных слоях, отражая смену условий образования корок (рис. 2). Текстура переслаивания,
описанная для среднего слоя, отражает импульсный характер накопления терригенного материала на фоне постепенного осаждения железомарганцевой компоненты (рис. 2). Формирование нижнего слоя связано
с интенсивным осаждением терригенного материала, о чем говорит
наличие нечетко выраженной текстуры и максимальных содержаний Al
12
и Si (рис. 2). Текстурные особенности слоев корок указывают на значительное сокращение влияния терригенного фактора к современному
периоду осадко- и рудообразования.
Второе защищаемое положение: Корки хребта Менделеева,
Чукотского поднятия и хребта Альфа имеют сходный состав, что
позволяет выделять их в качестве особого типа железомарганцевых
образований, характерного для Амеразийского бассейна в целом.
Была проведена сравнительная характеристика корок хребтов
Менделеева и Альфа и Чукотского поднятия на основании изучения
морфологии и химического состава.
Корки характеризуются схожими структурами поверхности (от
ботриоидальной до гладкой) и слоистым строением. Количество слоев,
наблюдаемых в корках Чукотского поднятия, варьирует от 2 до 4; корки
хребта Менделеева состоят, как правило, из трех слоев. По морфологическим признакам слои корок обоих поднятий схожи и обладают идентичными признаками (рис. 9). Верхний слой имеет коричневую до черного окраску и характеризуется наличием нечетко выраженных дендритов, пустоты между которыми заполнены терригенным веществом, однако корки с Чукотского поднятия имеют мощность этого слоя в несколько раз больше, чем с хребта Менделеева. Средний слой имеет
темно-коричневую окраску и характеризуется плотной слоистой структурой. Корки Чукотского поднятия имеют меньшую мощность, чем
корки хребта Менделеева. Нижний слой имеет слоистую (иногда слоисто-волнистую) структуру и характеризуется рыже-коричневым цветом
за счет повышенного содержания терригенного вещества. В нескольких
корках Чукотского поднятия наблюдается дополнительный нижний
слой, - хрупкий, с максимальным содержанием литогенного вещества.
При относительной схожести морфологии, слои имеют разный
возраст и скорости роста. Для корок хребта Менделеева скорости роста
варьируют от 3.5 до 15.1 мм/млн лет; для Чукотского поднятия - в пределах 6.6 – 20.0 мм/млн лет. Можно определенно говорить, что корки
обоих поднятий характеризуется закономерным уменьшением скорости
роста со временем, однако в среднем скорости роста корок из района
Чукотского поднятия выше.
При сравнении химического состава корок двух поднятий использовались результаты анализа валовых и послойных проб (рис. 10).
Значения петрогенных и редких элементов, связанной (H2O-) и кристаллизационной воды (H2O+) близки для корок с обоих поднятий СЛО,
13
лишь незначительно отличаясь содержаниями Cu, Ni, Ag, Se, Sn, Co и
Cs, однако практически по всем параметрам они отличаются от гидрогенных корок Тихого океана (рис. 10).
Содержание связанной воды в корках СЛО меньше, что может
объясняется высокой пористостью и большими размерами пор, что способствует уменьшению общей удельной площади поверхности частиц,
на которых образуется плотносвязанная (пленочная) вода. Содержание
кристаллизационной воды в корках СЛО и Тихого океана схоже.
Сравнительная характеристика указывает на сходство химических составов корок обоих поднятий и их резкое отличие в сравнении с
хорошо изученными гидрогенными корками Тихого океана.
Третье защищаемое положение: Установлена связь химических элементов (Sc, As, Li, Th и V), обогащающих корки Амеразийского бассейна СЛО, с различными компонентами: 90% Th, 80% As,
70% Sc и 50% V - c железистой, 50% Li и 30% V – с марганцевой фазами; 30% Li и Sc, 20% V и As и 10% Th связаны с терригенным материалом.
Для корок Амеразийского бассейна СЛО характерны нетипичные для гидрогенных корок Мирового океана высокие содержания Li,
As, Th, V и Sc.
Глубоководные железомарганцевые корки состоят из четырех
минеральных комплексов: легкорастворимого (обменные катионы и Ca
карбонаты), марганцевого (Mn оксиды), железистого (Fe гидроксиды) и
остаточного (алюмосиликаты) (Koschinsky and Halbaсh, 1995). Было
проведено селективное выщелачивание этих минеральных комплексов
из 13 образцов с хребтов Менделеева и Альфа и Чукотского плато,
представленных как валовыми, так и послойными пробами (табл. 2).
Элементы имеют разнозаряженные формы нахождения в морской воде и в зависимости от этого сорбируются оксидами марганца,
имеющими отрицательный поверхностный заряд, или гидроксидами
железа со слабым положительным или нейтральным поверхностным
зарядом в придонных условиях (Koschinsky and Halbaсh, 1995;
Koschinsky and Hein, 2003).
В целом, корки Чукотского поднятия и хребтов Менделеева и
Альфа имеют аналогичное распределение элементов, подтверждая
сходные условия образования (рис. 11).
Li преимущественно сорбируется Mn оксидами (до 52%), в связи с нахождением в морской воде в виде положительно заряженных
14
катионов, что коррелирует с результатами для корок Тихого океана.
Отличие состоит в более значительном присутствии Li в остаточной
фазе в корках СЛО, отражая терригенный материал, привносящий в
среднем 30% Li. Содержания Li возрастают к нижнему слою, а также
имеют максимальные содержания в образце с северной части хребта
Менделеева (конкреция) и в корке хребта Альфа.
Th присутствует в морской воде в форме Th(OH)04, что обуславливает его накопление только в железистой компоненте, однако до
10% Th в состав корок СЛО привносится с терригенным материалом.
Содержания Th в корках СЛО превышают концентрации тихоокеанских
в 5 раз, что доказывает, что привнос терригенного вещества не является
ключевым фактором обогащения корок Th.
V и As, образующие преимущественно отрицательно заряженные комплексы, большей частью сорбируются железистой гидроксидами (50% и 80% соответственно), однако в среднем 30% V зафиксировано в Mn компоненте, кроме того 14% As корок хребта Менделеева и
23% ЖМО Чукотского поднятия связаны с алюмосиликатами. В корках
Тихого океана 99% As содержится в железистых гидроксидах, однако
при сравнении распределений As между компонентами 2 и 3 (Mn и Fe)
корки всех исследуемых регионов схожи. Максимальные значения As
характерны для среднего слоя.
Sc в морской воде присутствует в форме Sc(OH)3, что обуславливает его накопление преимущественно в железистых гидроксидах
(Koschinsky and Hein, 2003). Процент извлечения Sc выходит за пределы 80-120%, поэтому мы исключили элемент из дальнейшей интерпретации, но принимая во внимание уникальность накопления Sc в корках
Амеразийского бассейна, мы рассматриваем предварительные результаты, которые показывают, что 30% Sc поставляется с терригенным
материалом. Sc хорошо аккумулируется в глубоководных глинах (23.2
г/т) и россыпях ильменита, циркона, монацита с содержаниями в минералах 0.005-0.01%; 0.03-0.12% и < 0.03% соответственно (Иванов,
1997). По результатам микрозондового анализа самые высокие концентрации Sc обнаружены в актинолите, титаните и апатите в корках
хребта Менделеева; для ЖМО Чукотского поднятия максимальные содержания Sc отмечаются в раковинах фораминифер, апатите, доломите,
монаците, цирконе и актинолите (Hein et al., 2017). Sc преимущественно
накапливается в железистых гидроксидах (~70%), хотя содержание
15
алюмосиликатных минералов коррелирует с концентрациями Sc. Содержание Sc в марганцевых оксидах не меняется по разрезу.
V, а также Co и Mn преимущественно связаны с Mn оксидами,
образовавшимися гидрогенным путем. Содержание V увеличивается со
временем вследствие уменьшения валового содержания обломочного
материала и увеличения содержания Mn (рис. 11, 12). As, Th и частично
V, а также Pb, в целом, связаны с Fе гидроксидами и повторяют поведение Fe, в частности арктические корки показывают максимальные содержания Fe в средних слоях (Konstantinova et al., 2017; Hein et al.,
2017). Значительная часть Al, Li и Sc поставляются терригенным материалом, со временем их содержания уменьшаются (рис. 11, 12).
Четвертое защищаемое положение: Терригенный материал,
извлеченный из корок хребтов Альфа и Менделеева и Чукотского
поднятия, различается по изотопному составу Sr, Nd и Pb, отражая разные источники терригенного материала, меняющиеся во
времени.
По результатам химического выщелачивания образцов выявлено, что содержание терригенного материала в корках варьирует в пределах 7.5-38.5%, а среднее содержание составляет 25.3%, что значительно превышает среднее содержание в глубоководных гидрогенных
корках (12%). В корках хребта Менделеева терригенного материала
меньше, чем пробах с Чукотского плато (21.8% и 28.7% соответственно) (рис. 13). Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на образование слоистой структуры корок Амеразийского бассейна Арктики,
является изменение условий транспортировки и/или источников терригенного материала, т.е. климатических и гидрологических изменений в
регионе. Полученные результаты показали, что терригенный материал,
извлеченный из корок хребтов Альфа-Менделеева и Чукотского поднятия, различается по изотопному составу Sr, Nd и Pb и в целом отражает
разное соотношение поступления терригенного вещества из районов
Северной Америки и Северо-Восточной Сибири (рис. 14, 15, 16).
Хребет Менделеева:
Для хребта Менделеева характерно более значительное присутствие материала, поставляемого из регионов восточной Сибири,
влияние которого изменяется со временем.
Нижний слой ( 4.44 – 3.78 млн. лет). В период образования
нижнего слоя происходило интенсивная поставка терригенного материала в южную часть хребта Менделеева (25.8%). Приблизительно поло16
вина этого материала представлена частицами с размерами более 0.2
мм. Изотопный состав терригенного материала показал, что его основным источником являлись осадки моря Лаптевых (рис. 14), которые
наследуют изотопный состав пород Алданского щита и взвешенного
материала вод реки Лены. Основываясь на современной системе циркуляции в этом районе, Трансполярный Дрейф являлся доминирующем
способом переноса материала в центральную часть Арктики.
Средний слой ( 3.78 – 1.26 млн. лет). Слой характеризуется
минимальным содержанием терригенного материала (12%), из которых
26% приходится на частицы с размерами более 0.2 мм. По изотопному
составу обломочный материал имеет состав близкий к осадкам Восточно-Сибирского моря, которые наследуют изотопный состав ОхотскоЧукотской провинции (рис. 15, 16). Вторым основным источником в
этот период могут являться коренные породы хребта Менделеева, представленные. Изменения могут быть вызваны преобладанием ледниковых эпох в этот период, в ходе которых мощные паковые льды или
шельфовые ледники покрывали Амеразийский бассейн СЛО, и его циркуляция была ограничена по сравнению с межледниковым периодом
(e.g. Haley et al., 2008; Krylov et al., 2008; Matthiessen et al., 2008). Поступление материала могло проходить за счет деятельности высокоплотностных потоков и гравитационного переноса материала с шельфа
(Jones et al., 1995; Haley et al., 2008; Hein et al., 2017).
Верхний колломорфный слой ( 1.26 млн. лет – н.в.). Слой характеризуется наименьшей мощностью и содержит в составе 15% терригенного вещества, состоящего на 37% из зерен крупнее 0.2 мм. Литогенный материал имеет идентичный изотопный состав с осадками восточного склона хребта Менделеева, формировавшимися в течении последних 200 тыс. лет (Bazhenova et al., 2017). Осадки отражают поступление материала из Восточно-Сибирского и Чукотского морей и с Северо-Американского региона (рис. 14, 15, 16). В целом, период образования верхнего слоя можно отнести к эпохе межледниковья.
Чукотское поднятие
Вследствие отсутствия корреляции между слоями корок Чукотского поднятия, слои были условно разделены на более древние
(нижние) и молодые (верхние).
Более древние слои ( 8.59-8.11 – 6.03-3.60 млн. лет). Слои характеризуются высокими содержаниями терригенного материала в корках (до 35%), значительная часть которого (до 28%) представлена мате17
риалом с размером частиц более 0.2 мм. Изотопный состав терригенного материала отражает повышенное присутствие вулканогенного материала, который может быть представлен породами юрско-мелового
плюмового магматизма, проявленного на Чукотском поднятии (рис. 14,
15, 16). Кроме того, наблюдается влияние осадков сибирских шельфовых областей и метаморфических пород Аляски/Канады, подверженных
эрозии ледников.
Более молодые слои ( 6.03-3.60 млн. лет - н.в.). В целом, слои
также характеризуются высокими содержаниями обломочного материала в составе корок (до 34%), на половину состоящего из зерен с размерами более 0.2 мм. Изотопный состав отражает преимущественное влияние материала Канадского щита, транспортировка которого происходила водами реки Маккензи. Кроме того, наблюдается присутствие материала террейна Юкон-Тананы/Берингова моря, который транспортируется через Берингов пролив (рис. 14, 15, 16). Осадки Чукотского и
Восточно-Сибирского морей отражаются в составе корок в меньшей
степени, чем во время роста нижних слоев корок.
Хребет Альфа
Корка состоит из 30% терригенного вещества, который на половину содержит материал крупнее 0.2 мм. По всем отношениям изотопов терригенный материал отличается от других образцов и преимущественно представлен взвешенным материалом вод реки Маккензи (рис.
14, 15, 16).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Корки хребта Менделеева образовывались гидрогенным путем с локальными импульсами поступления терригенного материала;
2. Корки хребта Менделеева, Чукотского поднятия и хребта
Альфа имеют сходный состав, что позволило их выделить в качестве
особого типа железомарганцевых образований, характерного для арктического Амеразийского бассейна.
3. В сравнении с гидрогенными корками других океанов корки
Амеразийского бассейна характеризуются высокими содержаниями
терригенного материала (до 35%) и редких элементов - Sc, As, Li, Th и
V; имеют низкие содержания Co, Ni и Cu;
4. Установлена связь химических элементов (Sc, As, Li, Th и
V), обогащающих корки Амеразийского бассейна СЛО, с различными
18
минеральными комплексами, выделенными в результате селективного
выщелачивания: 90% Th, 80% As, 70% Sc и 50% V - c железистым, 50%
Li и 30% V – с марганцевым; 30% Li и Sc, 20% V и As и 10% Th связаны
с терригенным материалом.
5. Терригенный материал, извлеченный из корок хребтов Альфа
и Менделеева и Чукотского поднятия, различается по изотопному составу Sr, Nd и Pb, что отражает его поступление из разных районов
прилегающей суши.
Хребет Менделеева. Основным источником обломочного материала нижнего слоя ( 4.44 – 3.78 млн. лет) являлись осадки моря Лаптевых, которые наследуют изотопный состав пород Алданского щита и
– 1.26 млн.
лет) - осадки Восточно-Сибирского моря и коренные породы хребта
Менделеева. Осадки верхнего слоя ( 1.26 млн. лет – н.в.) отражают
поступление материала из Восточно-Сибирского и Чукотского морей с
менее с Северо-Американского континента.
Чукотское поднятие. Терригенного материала нижних слоев (
8.59-8.11 – 6.03-3.60 млн. лет) отражает присутствие вулканогенного
материала, который может быть представлен коренными породами Чукотского поднятия, осадков сибирских шельфовых областей и метаморфических пород Аляски/Канады. Для верхних слоев ( 6.03-3.60
млн. лет - н.в.) наблюдается влияние пород канадского щита, материала
террейна Юкон-Тананы/Берингова моря и в меньшей степени, чем во
время роста нижних слоев корок, осадков Чукотского и ВосточноСибирского морей.
Хребет Альфа. Обломочный материал корки с хребта Альфа
преимущественно представлен взвешенным материалом реки Маккензи/Канадского щита.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Konstantinova N., Cherkashov G., Hein J.R., Mirão J., Dias L.,
Madureira P., Kuznetsov V., Maksimov F. Composition and
characteristics of the ferromanganese crusts from the western
Arctic Ocean, 2017. Ore Geology Reviews, Volume 87, Pages 8899. Ore Geology Rev. V. 87, P. 88-99.
2. Hein J.R., Konstantinova N., Mikesell M., Mizell K., Fitzsimmons J., Lam P., Jensen L., Xiang Y., Gartman A., Cherkashov
19
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
G., Hutchinson D. R., 2017. Arctic Deep-Water Ferromanganese-Oxide Deposits Reflect the Unique Characteristics of the
Arctic Ocean. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. P. 37713800.
Константинова Н. П., Черкашёв Г. А., Новиков Г. В., Богданова О. Ю., Кузнецов В.Ю., Рекант П. В., Mirão J. A. P., Dias
L. C. R., Madureira P. Железомарганцевые корки поднятия
Менделеева: особенности состава и формирования. Арктика: экология и экономика № 3 (23), 2016. C. 16–28.
Konstantinova N., Hein J.R., Gartman A., Mizell K., Barrulas
P., Cherkashov G., Mikhailik P., Khanchuk A. Mineral phaseelement associations based on sequential leaching of ferromanganese crusts, Amerasia Basin Arctic Ocean, 2018. Minerals
2018, 8, 460; doi:10.3390/min8100460.
Konstantinova N., Mizell K., Hein J.R., Cherkashov G., Dreyer
B. and Hutchinson D. Sources and temporal changes of detritus
in ferromanganese crusts based on isotopic (Sr, Nd, Pb) signatures, Amerasia Basin, Arctic Ocean. Marine Geology, 22 p. (в
печати).
N. Konstantinova, G. Cherkashov, P. Rekant, G. Novikov,
O.Bogdanova. Ferromanganese Crusts of the Mendeleev Ridge
(Arctic Ocean). 43rd Underwater Mining Conference, Lisbon, Portugal — 2014, SME, OneMine.org.
N. Konstantinova, G. Cherkashov, V. Shilovskih. Features of scandium distribution in ferromanganese crusts from the Mendeleev
Ridge (Arctic Ocean). 25th Goldschmidt conference, Praha, Czech
Republic – 2015, p. 1655.
Natalia Konstantinova, José Mirão, Georgy Cherkashov, Vladislav
Kuznetsov, Pedro Barrulas, Luís Dias, Catarina Miguel, Pedro Madureira. Ferromanganese crusts from the Mendeleev Ridge (Arctic
Ocean): new data of the chemical and mineral composition. 44th Underwater Mining Conference, St. Petersburg, USA – 2015, SME,
OneMine.org.
Natalia Konstantinova, Boris Vanshtein, Georgy Cherkashov, Harald Brekke. Ferromanganese crusts from the Shaka Ridge (South Atlantic). 45th Underwater Mining Conference, Seoul, South Korea –
2016, IMMS, OneMine.org.
20
10. Natalia Konstantinova, James R. Hein, Georgy Cherkashov. Host
phases of trace elements in ferromanganese crusts from the western
Arctic Ocean based on sequential leaching. 27th Goldschmidt Conference, Paris, France – 2017, p. 2093.
11. Natalia Konstantinova, Kira Mizell, James R. Hein, Georgy Cherkashov. Sources and temporal changes of detritus in ferromanganese
crusts from the western Arctic Ocean based on isotopic signatures.
45th Underwater Mining Conference, Berlin, Germany – 2017,
IMMS, OneMine.org.
12. Konstantinova N., Mizell K., Hein J. R., Cherkashov G. Sources and
temporal changes of detritus in ferromanganese crusts from the
western Arctic Ocean based on isotopic signatures. Материалы
международной конференции Полезные ископаемые океана-9,
VNIIOkeangeologia, St. Petersburg, 2018, pages 73-75.
13. Konstantinova N, Mizell K, Hein JR, Cherkashov G & Dreyer B.
Origin of Detritus in Ferromanganese Crusts from the Amerasian
Basin of the Arctic Ocean Based on Sr, Nd and Pb Isotopic Signatures. 28th Goldschmidt Conference, Boston, USA – 2018, p. 1332.
14. Konstantinova N., Hein J.R., Gartman A., Mizell K., Cherkashov G.,
Mikhailik P. Mineral phases and element associations of ferromanganese crusts, Amerasia Basin Arctic Ocean, based on sequential
leaching. 46th Underwater Mining Conference, Bergen, Norway –
2018, IMMS, OneMine.org.
21
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа