Метали з надр океану

Багатства океану відкриваються людині не відразу. Споконвіку океан годував нас рибою і морськими тваринами, потім виявилося, що і рослинність океану може служити їжею для людини і домашніх тварин. Пізніше розкрилися нафтові багатства шельфу і океанічного схилу. Зараз людині відкриваються таємниці металоносності опадів на дні океану. Про те, що на дні існують металоносні опади, багаті залізом і марганцем, люди знали досить давно. Не були відомі масштаби цього явища і закономірності утворення металоносних опадів.

Довгий час геологи, що вивчають осадові процеси в океані, вважали, що внесок глибинної речовини, що надходить в океан з надр Землі, нікчемний. Академік М. М. Страхов, фахівець в області океанічного осадконакопичення, визначав цей внесок всього в півтора-два відсотки. А решта 98-99 відсотків повинні були припадати на частку тих речовин, які змиваються з поверхні континентів. Це так звана теригенна речовина. Тому вважалося, що геохімію океанів визначає, по суті справи, перерозподіл речовин, які надходять з континентів.

Однак за останнє десятиліття були отримані такі дані, причому з самих різних областей океанології, які показують, що колишні уявлення потрібно повністю переглянути. Виявилося, що багато елементів, в тому числі і рудні, надходять в океан не з суші, а з глибин океанічного дна. І цей внесок дуже великий – до 90 відсотків речовини. Океани – це не просто «кінцеві водойми стоку», як вважалося раніше, океан не тільки харчується осадовим матеріалом за рахунок навколишньої суші, але і сам дає багато осадового матеріалу, для ряду елементів навіть значно більше, ніж вся навколишня суша.

Стало ясно, що всі традиційні, що стали класичними уявлення, які встановлювалися з часів плавання в 1872— 1876 роках знаменитого «Челленджера», повинні бути переглянуті.

Які ж нові дані справили такий переворот в умах вчених? Ну, по-перше, це результати безпосередніх вимірювань в районах активних серединно-океанічних хребтів. Саме тут відбувається надходження речовини, пов’язане з глибинними шарами земної кори. Тут знаходяться виходи тепла, газів і багатьох елементів (ендогенних на відміну від елементів, що надходять з суші,— ентогенних). Тут ми маємо право очікувати поєднання умов, при яких утворюються рудні родовища. Звідси вже не тільки чисто теоретичний інтерес, а й прикладний — тут вірогідні нові області руд, так необхідних людству.

У 1957 році було виявлено, що в районі Східно-Тихоокеанського хребта вміст заліза і марганцю в донних опадах різко підвищений. У той час ще не було відомо, що це активні області океанічного дна, що серединні хребти складають цілу глобальну систему загальною довжиною в 60 тисяч кілометрів. Але факт був відзначений і помічений.

Ця подія дуже зацікавила американських вчених. Вони спорядили спеціальну експедицію в район Східно-Тихоокеанського підняття. Зробили кілька перетинів через серединний хребет і виявили, що тут знаходиться велика область з підвищеним вмістом металів. За вмістом заліза і марганцю це майже руди, не настільки багаті, як трапляються на землі, але руди. Вони залягають на глибинах 3-4 тисячі метрів. Відкладення, збагачені металами, стали називати металоносними, а при дуже високому вмісті металів — навіть рудоносними.

Почалося детальне вивчення металоносних опадів, яке підтвердило, що вони приурочені до активних серединно-океанічних хребтів. А до цього часу тектонічні дослідження показали, що серединні хребти складають єдину систему, що вони тектонічно активні, тобто по них відбувається розсування океанічних плит, в обидві сторони від осі хребта з різною в різних океанах швидкістю. Швидкість ця варіює від одного до дванадцяти сантиметрів на рік. Розсування плит відкриває можливість надходження розігрітої до тисячі і більше градусів базальтової речовини у воду океану.

Стало ясно, що області збагачення металами донних опадів породжені саме спредингом (розсуванням океанічних плит), це як би геохімічне відображення надходження на дно тепла і речовини з надр океану.

Як же відбувається цей процес? Базальти, що надходять з глибин, нагріті до температури близько тисячі градусів, зустрічаються з холодною придонною водою на величезній океанічній глибині. Шар води до трьох тисяч метрів приховує цей процес від наших очей. Спостерігаючи океан зверху, помітити нічого не можна, не видно ні кипіння, ні пари. На дні розташований як би величезний, масштабний реактор, де йде високотемпературна реакція вода — гарячий базальт. І йде цей процес на величезному протязі глобальної системи хребтів протягом всієї геологічної історії.

Охолоджуюча здатність води плюс величезний тиск і не тільки рідкі, але і газоподібні речовини моментально розчиняються у воді. У цьому хімічному реакторі, де взаємодіють вода і розпечена лава, гарячою водою і перегрітою парою з лави вимиваються (або, як ми говоримо, вилуговуються) залізо, марганець, свинець і багато інших елементів. Концентруючись в жилах або на поверхні дна, вони утворюють родовища.

У вчених виникла думка: чи не можна в лабораторних умовах відтворити такий же процес? Провели експерименти. Протягом року, відтворивши донні температуру і тиск, в золотих ампулах нагрівали подрібнений базальт з морською водою. Досвід підтвердив, з базальту виносяться ті ж елементи, які ми виявляємо в донних опадах.

Які ж масштаби і закономірності цього явища? Якісне підтвердження його було отримано і в дослідах, і в натурі. Ну, а кількісно? Які особливості розподілу металоносних опадів в районах серединно-океанічних хребтів?

У всіх дослідженнях було чітко простежено зв’язок між металоносними опадами і тектонічними умовами, існуючими на дні. Вчені встановили, що найбагатші скупчення металоносних опадів знаходяться в тих місцях, де з’єднуються три літосферних плити в так званих точках Троїстого зчленування. Це – в Тихому океані, де Чилійський хребет підходить до Східно-Тихоокеанського підняття, або там, наприклад, де Галапагоський рифт перетинається зі Східно-Тихоокеанським підняттям. Тут-то і з’являються дуже високі концентрації металоносних опадів.

У Тихому океані вивчили область поширення металоносних опадів на площі близько 10 мільйонів квадратних кілометрів. В Індійському океані складені геологічні карти для мільйона квадратних кілометрів дна, на якому є металоносні опади. І не окремі конкреції – пластові руди! Отже, мова йде вже про океанське оруднення. Потужність пластів в ряді випадків становить 8-10 метрів. Протяжність їх теж дуже велика.

У двадцять п’ятому, ювілейному рейсі дослідницького човна «Дмитра Менделєєва» в Індійському океані вдалося знайти металоносні опади вже на основі даних про швидкості спредингу, про розташування точок Троїстого зчленування, по кліматичній зональності. За всіма цими даними дослідники визначили район, де можна їх очікувати. І знайшли. Металоносні опади були виявлені і нанесені на карти на великій площі, приблизно в мільйон квадратних кілометрів.

Тепер можна вже зіставляти дані по всьому Світовому океану: по Тихому, Індійському, Атлантичному океанах, Червоному морю. Виявилося, чим вище швидкість спредингу, тим більше тепловий потік на дні і тим ширше зона металоносності. Так, в Атлантичному океані ця зона вужча, ніж на Східно-Тихоокеанському піднятті, де найбільша швидкість розсування плит.

Звичайно, дуже хотілося побачити таке надходження металів в океан своїми власними очима. Довгий час не вдавалося безпосередньо спостерігати цей процес. Але ось в 1975 році, під час чотирнадцятого рейсу «Дмитра Менделєєва», вдалося такий момент засікти. На глибині близько трьох тисяч метрів при вивченні суспензії з глибинних вод був виявлений… марганцевий вулкан. Він викидав на висоту приблизно в два кілометри хмару, збагачену суспензіями заліза, марганцю і цілого ряду малих елементів. Довжина цієї хмари сягала 200 кілометрів.

Потім прямо до кореня «факела» спускалися на підводному човні «Алвін» американські дослідники. Тут температура природних вод була підвищена до 13°С. А поблизу підводної гідротерми на Східно-Тихоокеанському піднятті на 21° північної широти виміряні виключно високі температури, близько трьохсот — чотирьохсот градусів. Опущений у воду датчик температури почав плавитися. На підводному човні могли потріскатися ілюмінатори. Дослідники вкрай ризикували, але встановили температуру і склад вод цього підводного виверження.

На дно Червоного моря і Індійського океану дослідники опускалися на «Пайсісах». Тільки на дно Червоного моря опускалися більше тридцяти разів, відбираючи проби гарячих рудоносних розсолів у западинах моря, спостерігали поверхні цих розсолів на глибині близько двох кілометрів.

Ізотопний аналіз гелію дозволив отримати і відомості про кількість елементів, що надходять з глибинних шарів Землі на дно океанів. Геологи суші вже давно помітили, що великі глибинні розломи — джерела гелію, благородного газу, який надходить з надр Землі. Чи надходить гелій з розломів на дні океану, було невідомо.

Перші ж роботи в зонах океанських рифтів показали, що там різко збільшується кількість гелію. Це глибинний гелій, у нього відмінний від поверхневого, земного, ізотопний склад. Академік А. П. Виноградов називав це явище «диханням» Землі. Ось і тут, на дні океану, Земля «видихає» гелій.

Була встановлена цікава кількісна залежність між вмістом гелію в придонних шарах і марганцю. Одному кубічному сантиметру гелію відповідає чотири грами марганцю. Знаючи вміст гелію в придонних водах, можна визначити відповідне йому надходження марганцю із земної кори. Виявилося, що 60-80 відсотків марганцю надходить в океан з термальними водами. І кількість його можна підрахувати — це близько 10 мільйонів тонн на рік по всіх серединних хребтах.

Є й інший метод підрахунку, незалежний від першого. Визначаючи швидкість осадкоутворення в різних частинах океану і вміст марганцю в цих опадах, можна підрахувати, скільки марганцю сідає на квадратний сантиметр дна за тисячу років.

Є ще й третій спосіб визначення внеску глибинної речовини, що надходить з океанічної кори в осадові породи океану. По ізотопу стронцію. У стронцію є два ізотопи, які дуже різко відрізняються один від одного в залежності від того, де вони утворилися,— стронцій-87 і стронцій-86.

Коли вивчили ізотопний склад стронцію в морській воді, то виявилося, що він відрізняється від ізотопного складу річкових вод, що надходять в океан. У морській воді ізотопний склад виявився проміжним між річковою водою і базальтами ложа океану, він виник як би при змішуванні цих двох речовин. Виходячи з цього, за ізотопами стронцію і вдалося підрахувати, що з океанської кори надходить в океан стронцію приблизно в шість разів більше, ніж з річковими водами суші. Таким чином, для стронцію, як і для марганцю і гелію, вдалося встановити в основному глибинне його походження, надходження з гідротерм на дні океану.

Важливі прямі докази надходження тепла і речовин в активних серединних хребтах дає вивчення теплового потоку. Тепловий потік в серединних хребтах значно вище, ніж в інших місцях океану. Адже там розсувається океанічна кора, і розпечені базальти надходять до поверхні дна. Але коли зробили безпосередні вимірювання цього потоку тепла, виявилося, що він тут не такий великий, як випливало з теоретичних підрахунків. Вода – ось той колосальний холодильник, який поглинає це тепло. А вода, природно, нагрівається. Причому можна підрахувати, скільки води піддається цьому нагріванню. Приблизно 30 відсотків тепла, що надходить з глибини планети, втрачається на нагрів океанічної води, тобто на гідротермальний процес.

Нагріта вода піднімається вгору, на її місці надходить нова порція холодної води, нагрівшись, вона теж підніметься і поступиться місцем новій порції.

Вся область серединного хребта покрита численними тріщинами різних розмірів і глибини. В осередки цього величезного сита входить океанічна вода і проникає по ним до глибин 3-5 кілометрів. Там вона нагрівається, частково перетворюється в пари і флюїди, захоплює різні речовини з гарячих базальтів і, будучи більш теплою, знову піднімається вгору. За три мільйони років вся вода океану проходить через систему серединно-океанічних хребтів. Потрапляючи в глибинні тріщини, вода збагачується металами – стає рудоносним розчином. При русі розчину до поверхні дна спочатку випадають сульфідні мінерали, після виходу гідротерм в океанську воду – залізокремнієвий гелій, потім — гідроокисли заліза і марганцю. Вони збираються у великі флокули і осідають. При цьому відбувається процес спів осадження – флокули захоплюють безліч елементів з океанської води, захоплюючи їх в донні опади.

Глибше базальтів і габро в океанській корі йдуть породи так званого третього шару. Чи проникає туди вода, ми поки сказати не можемо. Деякі вчені вважають, що, принаймні, частина води, що надходить з глибин,— це ювенільна вода, та, яка міститься в самих базальтах. А в них води – до півтора відсотків. Ця ювенільна вода втрачається в тій величезній кількості води, яка проникає в базальт з океану.

Є і ще один спосіб концентрації металу в океанічних опадах. Він здійснюється тоді, коли гарячі рудоносні розчини не виходять в придонну океанічну воду. Це буває тоді, коли вихід води чимось утруднений, найчастіше прикритий опадами і через них йде повільна фільтрація води. Подібні умови і в тріщинах базальтів рифтової долини, по яких циркулюють рудоносні розчини. Тут йде відкладення сірчистих сполук металів-сульфідів.

Раніше нам не вдавалося підняти на борт скупчень уламків сульфідів. Але зовсім недавно такі уламки були знайдені на Східно-Тихоокеанському піднятті. В одному з таких зразків вміст цинку досягав 23 відсотків. Це вже прекрасна руда, яку можна вважати промисловою. Часто зустрічаються вкраплення сульфідів в базальтах, ймовірно, в окремих місцях їх концентрації можуть підвищуватися.

Зараз ми можемо говорити, що на дні океану принципово можливі родовища руд. Завдання полягає в тому, щоб знайти ці вузли, де рудна речовина знаходиться у формі сульфідів або оксидів.

У дуже древніх осадових породах суші, що були колись океанічним дном, ми також знаходимо ці рудні скупчення. В офіолітах (так називаються ці залишки океанічної кори) Південного Уралу виявляються рудні вузли, що мають океанське походження.

Чи можливий видобуток таких руд з дна океану? Подібне питання зовсім недавно поставили щодо підводних родовищ нафти і газу. Адже ще зовсім недавно буріння в океані вважалося річчю, якщо не зовсім неможливою, то, у всякому разі, вкрай важкою. Зараз нафта і газ видобуваються не тільки з шельфу, а й з континентального схилу. Багато фірм вже ведуть підготовчі роботи з експлуатації свердловин на нафту і газ на глибинах більше двох тисяч метрів. Залізомарганцеві конкреції – також широко поширені руди океану – вже піднімають з дна океану в промислових масштабах.

Автор: А. Лісіцин.