Металлы из недр океана

Богатства океана открываются человеку не сразу. Испокон веков океан кормил нас рыбой и морскими животными, потом оказалось, что и растительность океана может служить пищей для человека и домашних животных. Позднее раскрылись нефтяные богатства шельфа и океанического склона. Сейчас человеку открываются тайны металлоносности осадков на дне океана. О том, что на дне существуют металлоносные осадки, богатые железом и марганцем, люди знали довольно давно. Не были известны масштабы этого явления и закономерности образования металлоносных осадков.

(К слову вполне возможно что из недр океана будут добывать, в том числе золото и серебро, из которых потом могут, к примеру, изготавливать особые золотые и серебряные булавки, подобные изделия можно приобрести в булавка интернет-магазин по ссылке, но вернемся к металлам из недр океана).

Долгое время геологи, изучающие осадочные процессы в океане, считали, что вклад глубинного вещества, поступающего в океан из недр Земли, ничтожен. Академик Н. М. Страхов, специалист в области океанического осадконакопления, определял этот вклад всего в полтора-два процента. А остальные 98—99 процентов должны были приходиться на долю тех веществ, которые смываются с поверхности континентов. Это так называемое терригенное вещество. Поэтому считалось, что геохимию океанов определяет, по сути дела, перераспределение веществ, которые поступают с континентов.

Однако за последнее десятилетие были получены такие данные, причем из самых разных областей океанологии, которые показывают, что прежние представления нужно полностью пересмотреть. Оказалось, что многие элементы, в том числе и рудные, поступают в океан не с суши, а из глубин океанического дна. И этот вклад очень велик — до 90 процентов вещества. Океаны — это не просто «конечные водоемы стока», как считалось раньше, океан не только питается осадочным материалом за счет окружающей суши, но и сам дает много осадочного материала, для ряда элементов даже значительно больше, чем вся окружающая суша.

Стало ясно, что все традиционные, ставшие классическими представления, которые устанавливались со времен плавания в 1872— 1876 годах знаменитого «Челленджера», должны быть пересмотрены.

Какие же новые данные произвели такой переворот в умах ученых? Ну, во-первых, это результаты непосредственных измерений в районах активных срединно-океанических хребтов. Именно здесь происходит поступление вещества, связанного с глубинными слоями земной коры. Здесь находятся выходы тепла, газов и многих элементов (эндогенных в отличие от элементов, поступающих с суши,— энтогенных). Здесь мы вправе ожидать сочетания условий, при которых образуются рудные месторождения. Отсюда уже не только чисто теоретический интерес, но и прикладной — здесь вероятны новые области руд, так необходимых человечеству.

В 1957 году было обнаружено, что в районе Восточно-Тихоокеанского хребта содержание железа и марганца в донных осадках резко повышено. В то время еще не было известно, что это активные области океанического дна, что срединные хребты составляют целую глобальную систему общей длиной в 60 тысяч километров. Но факт был отмечен и замечен.

Это событие очень заинтересовало американских ученых. Они снарядили специальную экспедицию в район Восточно-Тихоокеанского поднятия. Сделали несколько пересечений через срединный хребет и обнаружили, что здесь находится обширная область с повышенным содержанием металлов. По содержанию железа и марганца это почти руды, не столь богатые, как случаются на земле, но руды. Они залегают на глубинах 3—4 тысячи метров. Отложения, обогащенные металлами, стали называть металлоносными, а при очень высоком содержании металлов — даже рудоносными.

Началось детальное изучение металлоносных осадков, которое подтвердило, что они приурочены к активным срединно-океаническим хребтам. А к этому времени тектонические исследования показали, что срединные хребты составляют единую систему, что они тектонически активны, то есть по ним происходит раздвижение океанических плит, в обе стороны от оси хребта с различной в разных океанах скоростью. Скорость эта варьирует от одного до двенадцати сантиметров в год. Раздвижение плит открывает возможность поступления разогретого до тысячи и более градусов базальтового вещества в воду океана.

Стало ясно, что области обогащения металлами донных осадков порождены именно спредингом (раздвижением океанических плит), это как бы геохимическое отражение поступления на дно тепла и вещества из недр океана.

Как же происходит этот процесс? Базальты, поступающие из глубин, нагретые до температуры около тысячи градусов, встречаются с холодной придонной водой на огромной океанической глубине. Слой воды до трех тысяч метров скрывает этот процесс от наших глаз. Наблюдая океан сверху, заметить ничего нельзя, не видно ни кипения, ни клубов пара. На дне расположен как бы огромный, масштабный реактор, где идет высокотемпературная реакция вода — горячий базальт. И идет этот процесс на огромном протяжении глобальной системы хребтов в течение всей геологической истории.

Охлаждающая способность воды плюс огромное давление и не только жидкие, но и газообразные вещества моментально растворяются в воде. В этом химическом реакторе, где взаимодействуют вода и раскаленная лава, горячей водой и перегретым паром из лавы вымываются (или, как мы говорим, выщелачиваются) железо, марганец, свинец и многие другие элементы. Концентрируясь в жилах или на поверхности дна, они образуют месторождения.

У ученых возникла мысль: нельзя ли в лабораторных условиях воспроизвести такой же процесс? Провели эксперименты. На протяжении года, воссоздав донные температуру и давление, в золотых ампулах нагревали размельченный базальт с морской водой. Опыт подтвердил, из базальта выносятся те же элементы, которые мы обнаруживаем в донных осадках.

Каковы же масштабы и закономерности этого явления? Качественно подтверждение его было получено и в опытах, и в натуре. Ну, а количественно? Каковы особенности распределения металлоносных осадков в районах срединно-океанических хребтов?

Во всех исследованиях была четко прослежена связь между металлоносными осадками и тектоническими условиями, существующими на дне. Ученые установили, что самые богатые скопления металлоносных осадков находятся в тех местах, где соединяются три литосферных плиты в так называемых точках тройственного сочленения. Это — в Тихом океане, где Чилийский хребет подходит к Восточно-Тихоокеанскому поднятию, или там, например, где Галапагосский рифт пересекается с Восточно-Тихоокеанским поднятием. Здесь-то и появляются очень высокие концентрации металлоносных осадков.

В Тихом океане изучили область распространения металлоносных осадков на площади около 10 миллионов квадратных километров. В Индийском океане составлены геологические рекогносцировочные карты для миллиона квадратных километров дна, на котором есть металлоносные осадки. И не отдельные конкреции — пластовые руды! Следовательно, речь идет уже об океанском оруденении. Мощность пластов в ряде случаев составляет 8—10 метров. Протяженность их тоже очень велика.

В двадцать пятом, юбилейном рейсе исследовательского судна «Дмитрия Менделеева» в Индийском океане удалось найти металлоносные осадки уже на основе данных о скоростях спрединга, о расположении точек тройственного сочленения, по климатической зональности. По всем этим данным исследователи определили район, где можно их ожидать. И нашли. Металлоносные осадки были обнаружены и нанесены на карты на большой площади, примерно в миллион квадратных километров.

Теперь можно уже сопоставлять данные по всему Мировому океану: по Тихому, Индийскому, Атлантическому океанам, Красному морю. Оказалось, чем выше скорость спрединга, тем больше тепловой поток на дне и тем шире зона металлоносности. Так, в Атлантическом океане эта зона уже, чем на Восточно-Тихоокеанском поднятии, где самая большая скорость раздвижения плит.

Конечно, очень хотелось увидеть такое поступление металлов в океан своими собственными глазами. Долгое время не удавалось непосредственно наблюдать этот процесс. Но вот в 1975 году, во время четырнадцатого рейса «Дмитрия Менделеева», удалось такой момент засечь. На глубине около трех тысяч метров при изучении взвеси из глубинных вод был обнаружен… марганцевый вулкан. Он выбрасывал на высоту приблизительно в два километра облако, обогащенное взвесями железа, марганца и целого ряда малых элементов. Длина этого облака достигала 200 километров.

Затем прямо к корню «факела» спускались на подводной лодке «Алвин» американские исследователи. Здесь температура природных вод была повышена до 13°С. А близ подводной гидротермы на Восточно-Тихоокеанском поднятии на 21° северной широты измерены исключительно высокие температуры, около трехсот — четырехсот градусов. Опущенный в воду датчик температуры начал плавиться. На подводной лодке могли потрескаться иллюминаторы. Исследователи крайне рисковали, но установили температуру и состав вод этого подводного извержения.

На дно Красного моря и Индийского океана исследователи опускались на «Пайсисах». Только на дно Красного моря опускались более тридцати раз, отбирая пробы горячих рудоносных рассолов во впадинах моря, наблюдали волнующиеся поверхности этих рассолов на глубине около двух километров.

Изотопный анализ гелия позволил получить и сведения о количестве элементов, поступающих из глубинных слоев Земли на дно океанов. Геологи суши уже давно заметили, что крупные глубинные разломы — источники гелия, благородного газа, который поступает из недр Земли. Поступает ли гелий из разломов на дне океана, было неизвестно.

Первые же работы в зонах океанских рифтов показали, что там резко увеличивается количество гелия. Это глубинный гелий, у него отличный от поверхностного, земного, изотопный состав. Академик А. П. Виноградов называл это явление «дыханием» Земли. Вот и здесь, на дне океана, Земля «выдыхает» гелий.

Была установлена интереснейшая количественная зависимость между содержанием гелия в придонных слоях и марганца. Одному кубическому сантиметру гелия соответствует четыре грамма марганца. Зная содержание гелия в придонных водах, можно определить соответствующее ему поступление марганца из земной коры. Оказалось, что 60—80 процентов марганца поступает в океан с термальными водами. И количество его можно подсчитать — это около 10 миллионов тонн в год по всем срединным хребтам.

Есть и другой метод подсчета, независимый от первого. Определяя скорость осадкообразования в разных частях океана и содержание марганца в этих осадках, можно подсчитать, сколько марганца садится на квадратный сантиметр дна за тысячу лет.

Есть еще и третий способ определения вклада глубинного вещества, поступающего из океанической коры в осадочные породы океана. По изотопам стронция. У стронция есть два изотопа, которые очень резко отличаются друг от друга в зависимости от того, где они образовались,— стронций-87 и стронций-86.

Когда изучили изотопный состав стронция в морской воде, то оказалось, что он отличается от изотопного состава речных вод, поступающих в океан. В морской воде изотопный состав оказался промежуточным между речной водой и базальтами ложа океана, он возник как бы при смешении этих двух веществ. Исходя из этого, по изотопам стронция и удалось подсчитать, что из океанской коры поступает в океан стронция приблизительно в шесть раз больше, чем с речными водами суши. Таким образом, для стронция, как и для марганца и гелия, удалось установить в основном глубинное его происхождение, поступление из гидротерм на дне океана.

Важные прямые доказательства поступления тепла и веществ в активных срединных хребтах дает изучение теплового потока. Тепловой поток в срединных хребтах значительно выше, чем в остальных местах океана. Ведь там раздвигается океаническая кора, и раскаленные базальты поступают к поверхности дна. Но когда сделали непосредственные измерения этого потока тепла, оказалось, что он здесь не так велик, как следовало из теоретических подсчетов. Вода — вот тот колоссальный холодильник, который поглощает это тепло. А вода, естественно, нагревается. Причем можно подсчитать, сколько воды подвергается этому нагреву. Примерно 30 процентов тепла, поступающего из глубины планеты, теряется на нагрев океанической воды, то есть на гидротермальный процесс.

Нагретая вода поднимается вверх, на ее месте поступает новая порция холодной воды, нагревшись, она тоже поднимется и уступит место новой порции.

Вся область срединного хребта покрыта многочисленными трещинами различных размеров и глубины. В ячейки этого огромного сита входит океаническая вода и проникает по ним до глубин 3—5 километров. Там она нагревается, частично превращается в пары и флюиды, захватывает различные вещества из горячих базальтов и, будучи более теплой, опять поднимается вверх. За три миллиона лет вся вода океана проходит через систему срединно-океанических хребтов. Попадая в глубинные трещины, вода обогащается металлами — становится рудоносным раствором. При движении раствора к поверхности дна сначала выпадают сульфидные минералы, после выхода гидротерм в океанскую воду — железокремниевый гелий, затем — гидроокислы железа и марганца. Они собираются в крупные флокулы и осаждаются. При этом происходит процесс соосаждения — флокулы захватывают множество элементов из океанской воды, увлекая их в донные осадки.

Глубже базальтов и габбро в океанской коре идут породы так называемого третьего слоя. Проникает ли туда вода, мы пока сказать не можем. Некоторые ученые считают, что, по крайней мере, часть воды, поступающей из глубин,— это ювенильная вода, та, которая содержится в самих базальтах. А в них воды — до полутора процентов. Эта ювенильная вода теряется в том огромном количестве воды, которая проникает в базальт из океана.

Есть и еще один способ концентрации металла в океанических осадках. Он осуществляется тогда, когда горячие рудоносные растворы не выходят в придонную океаническую воду. Это бывает тогда, когда выход воды чем-то затруднен, чаще всего прикрыт осадками и через них идет медленная фильтрация воды. Сходные условия и в трещинах базальтов рифтовой долины, по которым циркулируют рудоносные растворы. Здесь идет отложение сернистых соединений металлов — сульфидов.

Раньше нам не удавалось поднять на борт скоплений обломков сульфидов. Но совсем недавно такие обломки были найдены на Восточно-Тихоокеанском поднятии. В одном из таких образцов содержание цинка достигало 23 процентов. Это уже прекрасная руда, которую можно считать промышленной. Часто встречаются вкрапления сульфидов в базальтах, вероятно, в отдельных местах их концентрации могут повышаться.

Сейчас мы можем говорить, что на дне океана принципиально возможны месторождения руд. Задача состоит в том, чтобы найти эти узлы, где рудное вещество находится в форме сульфидов или окислов.

В очень древних осадочных породах суши, бывших некогда океаническим дном, мы также находим эти рудные скопления. В офиолитах (так называются эти остатки океанической коры) Южного Урала обнаруживаются рудные узлы, имеющие океанское происхождение.

Возможна ли добыча таких руд со дна океана? Сходный вопрос совсем недавно поставили относительно подводных месторождений нефти и газа. Ведь еще совсем недавно бурение в океане считалось вещью, если не совсем невозможной, то, во всяком случае, крайне трудной. Сейчас нефть и газ добываются не только с шельфа, но и с континентального склона. Многие фирмы уже ведут подготовительные работы по эксплуатации скважин на нефть и газ на глубинах более двух тысяч метров. Железомарганцевые конкреции — также широко распространенные руды океана — уже поднимают со дна океана в промышленных масштабах.

Автор: А. Лисицын.