New mineralogical and geochemical features of the ore ferromanganese deposits of the Izu-Bonin and Mariana island arcs

Толық мәтін

На современном этапе развития западная окраина Тихого океана, являющаяся переходной зоной от континента к океану, характеризуется высокой вулканической и гидротермальной активностью, с которыми связываются многочисленные сульфидные рудопроявления. В свою очередь, выходы сульфидных руд на поверхность океанического дна, как правило, сопровождаются формированием вокруг них широких ореолов развития двух низкотемпературных генетических типов оксидных железомарганцевых отложений (ЖМО). К первому относятся гидротермальные корки, которые образуются вблизи выходов гидротермальных растворов, влияющих на макро- и микрокомпонентный состав придонной океанской воды. Они являются поисковым признаком сульфидных руд [Аникеева и др., 2008; Богданова и др., 2012]. Ко второму типу относятся гидрогенные корки и конкреции, непосредственно осаждающиеся из морской воды на периферии гидротермального поля.

Анализ собственных материалов и доступных литературных источников показал, что к настоящему времени в пределах этих островных дуг выполнен значительный объем работ, направленных на изучение опробованных здесь железомарганцевых отложений [Аникеева и др., 2002, 2005, 2008; Батурин и др., 2011, 2012, 2014; Гавриленко, 1997; Гавриленко, Храмов, 1989; Дубинин и др., 2008; Успенская и др., 1989; Glasby et al., 2000, 2006; Hein et al., 2008; Knaack et al., 2021; Schulz, Hein, 1991; Usui, Someya, 1997; Usui et al., 1986; Yamaoka et al., 2017 и др.]. Установлено, что ЖМО классифицируются как гидротермальные и гидрогенные. Среди слагающих их минералов идентифицированы бернессит, 10 Å манганатный минерал и манганит, гематит, гетит, маггемит, кальцит, манганокальцит и родохрозит‚ вернадит, тодоркит, асболон-бузерит, фероксигит, нонтронит [Аникеева и др., 2008; Дубинин и др., 2008; Knaack et al., 2021]. Сделан вывод о том, что со временем в гидротермальных марганцевых отложениях уменьшаются содержания Ni, Cu, Zn, Cd, Ba, РЗЭ, Tl и Pb, а также обогащенность легкими редкоземельными элементами (РЗЭ) [Yamaoka et al., 2017].

Целью настоящей работы являлось установление минералого-геохимических особенностей рудных железомарганцевых отложений, поднятых камчатскими учеными в пределах Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы изученных железомарганцевых отложений собраны в 1-м (1977 г.) и 5-м (1978 г.) рейсах НИС “Вулканолог” в Идзу-Бонинской и Марианской островных дугах соответственно (рис. 1, 2, табл. 1).

 

Рис. 1. Местоположение полигонов исследования (а), скалы Смита (б) и скала Софу (в). Фотографии из свободных источников.

(а) – 1 – подводный вулкан в районе скал Смита, 2 – подводная вулканическая группа Софу, 3 – Риф Аракане, 4 – бортовой вал Тихоокеанской части Марианского желоба.

 

Рис. 2. Железомарганцевые отложения Идзу-Бонинской (обр. В1-35, В1-52, В1-55) и Марианской (обр. В5-15/8, В5-16/3) островных дуг.

 

Таблица 1. Координаты станций отбора и описание образцов железомарганцевых отложений

№ п/п	№ дночерпателя/драги	Координаты отбора		Глубинный интервал отбора, м	Описание образцов
		широта северная	долгота восточная
Подводный вулкан в районе скал Смита
1	В1-14/А, дночерпатель	31°06.7′	139°19.2′	1190	Железомарганцевая корка (до 1.0 см) с черной волнистой поверхностью
2	В1-35/4, драга	31°01.0′	139°03.5′	1000–920	Лавы с железомарганцевой коркой толщиной от 1 до 5 см
Подводная вулканическая группа Софу
3	В1-46/5, драга	29°47.6′	140°13.3′	810–780	Угловатые обломки свежей пемзы (1–30 см) с железомарганцевыми прослоями
4	В1-52/6, драга	29°48.7′	140°09.2′	800–770	Железомарганцевые корки и тонкие пластинки вулканического стекла (0.5–1 см), сцементированные минералами железа
5	В1-55/7, драга	29°47.0′	140°04.4′	1600–1500	Угловатые обломки пемзы (1–25 см), покрытые тонкой железомарганцевой пленкой
Риф Аракане
6	В5-15/8, драга	15°40.0′	142°35.6′	730–650	Обломки коралловых известняков, покрытых железомарганцевой коркой
Бортовой вал Тихоокеанской части Марианского желоба
7	В5-16/3а, драга	14°46.7′	145°17.0′	1350–1250	Известковые песчаники, покрытые железомарганцевой коркой
8	В5-16-/3б, драга

 

В Идзу-Бонинской островной дуге отобраны образцы В1-14/А с глубины 1190 м, В1-35/4 из района скал Смита с глубины 1000 м, а также В-46/5, В1-52/6 и В1-55/7 в пределах подводной вулканической группы Софу с глубин 810, 800 и 1500 м соответственно (см. рис. 1, 2, рис. 3, табл. 1).

 

Рис. 3. Подводный вулкан в районе скал Смита (а) и подводная вулканическая группа Софу (б).

 

В Марианской островной дуге на склоне Западно-Марианского подводного хребта на рифе Аракане отобран образец В5-15/8 (см. рис. 1, 2, рис. 4а, табл. 1). На бортовом валу Тихоокеанской части Марианского желоба на глубине 2650 м отобраны образцы В5-16/3а и В5-16/3б (см. рис. 1, 2, 4б, табл. 1).

 

Рис. 4. Риф Аракане (а) и бортовой вал Тихоокеанской части Марианского желоба (б).

 

Минеральный состав железомарганцевых корок изучен в сертифицированном отделе минералогии ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского методом просвечивающей электронной микроскопии – микродифракцией электронов. Подготовка образцов проводилась следующим образом. Из пробы массой ~50 мг путем ультразвуковой обработки приготовляли водную суспензию в пробирке (диспергатор УЗДН-2Г), затем каплю суспензии наносили на катодную пленку-подложку и высушивали. Исследование осуществлялось на микроскопе JEM-100C, оборудованном гониометром (обеспечивает наклон ± 60°), при ускоряющем напряжении 100 кВ. С каждой частицы получали изображение на просвет и электронограмму. Для диагностики бернессита в образцах, использовался метод порошковой рентгеновской дифрактометрии на приборе XPertPROMPD (Нидерланды).

Химический состав железомарганцевых отложений определялся методами ИСП-АЭС и ИСП-МС с использованием спектрометра iCAP-6500 Duo (Thermo Fisher Scientific, США) и квадрупольного масс-спектрометра ICP-MS, X-7 (Thermo Fisher Scientific, США) в Аналитическом сертифицированном испытательном центре Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН. Химико-аналитические процедуры перед инструментальными анализами осуществлялись в соответствии с методиками, приведенными в работе [Karandashev et al., 2008]. Методом ICP-AES определялись макроэлементы (Na, Mg, P, S, K, Ca) и некоторые микроэлементы (Li, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Sr, Ba). Методом ICP-MS определялись только микроэлементы (Li, Be, Sc, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Mo, Cd, Cs, Ba, Tl, Pb, Bi, Th, U) и все редкоземельные элементы (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Одновременное использование двух независимых методов анализа повысило качество и точность получаемых результатов. Таким образом, для каждого образца был выполнен дополнительный межметодный контроль точности измерений, когда элементы, содержание которых в образце надежно определяется обоими методами (ICP-AES и ICP-MS), служат внутренними стандартами для проверки точности метода. Сходимость результатов составила 95–98%. В качестве эталонов использовался стандартный отечественный образец ООПЕ-604 (железомарганцевые корки).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Общие особенности исследованных структур

Подводная вулканическая группа вблизи cкалы Смита (о. Сумису, о. Сумисуджима) (см. рис. 1, 3а) является вулканическим хребтом, вытянутым на 60 км и протягивающимся с запад–юго-запада на восток–северо-восток. Скалы Смита представляют собой скальный базальтовый массив, который возвышается над водой примерно на 140 м и входит в состав вулканического комплекса Сумису [Allen et al., 2010]. В районе скал были отмечены подводные извержения (https://www.data.jma.go.jp/vois/data/filing/souran_eng/volcanoes/067_sumisujima.pdf). В пределах этой вулканической группы были подняты различные вулканогенные породы: органогенные известняки, андезиты, андезибазальты, базальты, пемзы андезибазальтового состава и различные железомарганцевые отложения.

Подводная вулканическая группа Софу [Рашидов, 2010; Рашидов и др., 1981; Рашидов, Сапожников, 2001; Minami, Tani, 2024; Yuasa et al., 1991] (см. рис. 1, 3б) представляет собой хребет субширотного простирания, перпендикулярный простиранию Идзу-Бонинской островной дуги. Хребет поднимается с глубин 2200–2400 м и имеет по контуру подножия длину 50–55 км и ширину 12–25 км (см. рис. 3б). Крутизна склонов хребта изменяется в пределах 9–13°. В его привершинной части выделяется цепочка вулканических конусовидных гор. Восточным окончанием хребта является крупный, размером 17.5 × 17.5 км, вулкан Софу. Вершина вулкана в виде скалы, которая, по-видимому, является отпрепарированным некком, поднимается на 99–100 м выше уровня моря [Yuasa et al., 1991].

Скала Софу относится к молодым четвертичным вулканам [Yuasa, 1992], а подводная вулканическая группа Софу представляет собой вулканический центр четвертичного возраста. По данным работы [Minami, Tani, 2024], в период между 2022 и 2024 гг. в пределах подводной вулканической группы Софу произошли эксплозивные извержения.

Через скалу Софу проходит “тектоническая линия Софуган”, простирающаяся с северо-запада на юго-восток и разделяющая островную дугу Бонин на северную и южную части [Yuasa, 1985]. Скала Софу сложена оливин-клинопироксеновыми базальтами и порфировыми андезитами с фенокристаллами плагиоклаза, орто- и клинопироксена и рудных минералов, с южного склона подводного вулкана Софу были драгированы андезибазальты [Yuasa, Nochara, 1992]. Глубоководная стадия проявления подводной вулканической деятельности группы Софу характеризуется базальтовым вулканизмом, промежуточная – андезитбазальтовым, мелководная – эксплозивно-эффузивным дациандезитовым [Рашидов, Сапожников, 2001].

Риф Аракане, расположенный на склоне Западно-Марианского подводного хребта, является обособленной подводной горой размером 1.8 × 1 км и поднимается с глубины 3500 м (см. рис. 4а). Минимальная глубина, зафиксированная над вершиной рифа, равна 10 м [Tsuda et al., 2015]. При драгировании здесь были подняты рифогенные известняки, обломки кораллов и раковин, а также галька роговообманковых андезитов. Некоторые известняки покрыты железомарганцевыми корками.

На исследованном участке в районе бортового вала Тихоокеанской части Марианского желоба отмечен перепад глубин с 2500 до 4500 м (см. рис. 1, 4б), при драгировании подняты железомарганцевые корки с примазками известковых фосфоритизированных песчаников.

Минеральный состав железомарганцевых отложений

Изучение минерального состава опробованных железомарганцевых отложений Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг показало, что они состоят из достаточно узкого набора рудных минералов, находящихся в разных соотношениях (табл. 2).

 

Таблица 2. Рудные минералы железомарганцевых отложений Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг

№ образца	Генетический тип отложений	Минеральный состав образцов
		Идзу-Бонинская дуга	Марианская дуга
В1-35/4	Гидрогенный	Fe-вернадит, гетит, Mn-фероксигит, бернессит (примесь)
В1-55/7	Гидрогенный	Fe-вернадит, Mn-фероксигит, бернессит (примесь)
В1-14/А	Гидротермальный (марганцевого состава)	Бернессит, Fe-вернадит (примесь), гетит
В1-46/5	Гидротермальный (марганцевого состава)	Бернессит, вернадит, гетит (мало)
В1-52/6	Гидротермальный (железистого состава)	Гематит, гетит, фероксигит, Fe-вернадит (примесь)
В5-15/8	Гидрогенный		Fe-вернадит, гетит
В5-16/3а	Гидрогенный		Вернадит, гетит
В5-16-/3б	Гидрогенный		Вернадит, гетит, бернессит

 

Идзу-Бонинская островная дуга. Образец В1-35/4, отобранный в районе скал Смита (см. рис. 1, 2, 3), представлен буро-черной железомарганцевой коркой, располагающейся на андезитовой породе. Корка, мощностью от 1 до 3 см (местами до 5 см), в основном состоит из плохо окристаллизованного Fe-вернадита с низкой степенью упорядоченности структуры (см. рис. 2, рис. 5а, 5б). В небольшом количестве присутствует плохо окристаллизованный Mn-фероксигит (см. рис. 5в, 5г), в качестве примеси присутствует бернессит (см. рис. 5д) в виде чешуйчатых агрегатов, а также встречается гетит (см. рис. 5е). Образец В1-14/А представляет собой угловатый обломок свежей пемзы, на поверхности которого сформировалась железомарганцевая корка черного цвета. Минеральный состав этого образца иной, по сравнению с образцом В1-35/4, и основным рудным минералом в нем является бернессит, в качестве примеси присутствует Fe-вернадит; железистые минералы представлены гетитом. Полученные результаты хорошо согласуются с данными из работ [Аникеева и др., 2008; Дубинин и др., 2008] и дополняют представления о минеральном составе ЖМО, опробованных в этом районе.

 

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение (а) и микродифракционная картина частицы слабо окристаллизованного Fe-вернадита (обр. В1-35/4) (б); электронно-микроскопическое изображение (в) и микродифракционная картина частицы Mn-фероксигита (обр. В1-35/4) (г); микродифракционная картина частицы хорошо окристаллизованного бернессита (обр. В1-35/4) (д); микродифракционная картина частицы гетита (обр. В1-35/4) (е); электронно-микроскопическое изображение (ж) и микродифракционная картина (з) частицы вернадита (обр. В1-46/5).

 

Образцы В1-46/5, В1-55/7 и В1-52/6 (см. рис. 1, 2, 3), отобранные в пределах подводной вулканической группы Софу, представляют собой угловатые обломки свежей пемзы; внутри первого образца наблюдались железомарганцевые прослои, а поверхность второго – покрыта очень тонкой железомарганцевой пленкой. Образец В1-46/5 состоит в основном из хорошо окристаллизованного бернессита и вернадита (см. рис. 5ж, 5з) с незначительным количеством гетита. Поверхность измененного вулканического субстрата образца В1-55/7 покрыта очень тонкой железомарганцевой коркой, сложенной практически полностью из плохо окристаллизованных с низкой степенью упорядоченности структуры Fe-вернадита и Mn-фероксигита, а также бернессита в качестве примеси. Значительное преобладание марганцевых минералов над железистыми в образцах В1-14/А и В1-46/5 подтверждается высоким содержанием Mn и низким Fe, а также высоким отношением Mn/Fe, которое составляет 6.13 и 13.9 соответственно (табл. 3). Данные величины являются самыми высокими среди всех изученных нами образцов железомарганцевых отложений.

 

Таблица 3. Химический состав железомарганцевых отложений Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг

Элементы	Предел обнаружения	Идзу-Бонинская дуга					Марианская дуга
		В1-35/4	В1-55/7	В1-14/А	В1-46/5	В1-52/6	В5-15-8	В5-16/3а	В5-16/3б
Si Ti Al Ca Mg Na K P Fe Mn Co Ni Cu Zn Sr Ba Pb Li Be Sc V Cr Ga Ge As Rb Y Zr Nb Mo Cd Cs La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Tl Th U	0.005 0.0004 0.007 0.009 0.005 0.005 0.001 0.005 0.006 0.0001 0.1 0.4 0.2 0.9 0.2 0.73 0.06 0.03 0.02 0.2 0.8 0.8 0.03 0.014 0.1 0.04 0.07 0.1 0.03 0.06 0.03 0.06 0.030 0.014 0.008 0.008 0.01 0.006 0.007 0.005 0.009 0.005 0.008 0.007 0.009 0.007 0.01 0.01 0.02 0.005 0.007 0.003	8.63 0.75 2.61 3.40 1.57 2.25 0.50 0.48 18.28 15.31 3847 2412 1275 569.0 1423 1286 1670 15.81 3.49 12.71 595.8 26.40 5.02 1.64 357.6 8.46 171.2 317.2 49.63 238.3 3.51 0.46 241.4 750.2 49.76 203.5 44.45 10.00 45.05 7.50 40.60 8.30 22.97 3.18 19.20 2.96 6.02 0.49 34.09 24.30 53.86 10.84	8.34 0.66 4.37 3.85 1.26 2.35 0.76 0.27 16.75 18.78 3184 2874 1350 517.3 1512 1378 1642 11.68 2.96 10.36 538.2 13.78 4.95 2.17 178.4 6.36 185.8 426.8 51.34 334.8 4.55 0.38 266.4 883.6 52.32 222.7 42.68 9.85 48.93 7.82 52.37 11.44 28.95 3.92 24.55 3.48 7.37 0.54 48.73 31.48 44.88 11.36	12,25 0.23 3.11 1.48 1.30 1.98 1.10 0.11 4.06 24.87 13.68 12.86 6.35 5.28 658.4 2106 4.67 155.8 0.32 9.33 455 28.6 5.08 3.14 24.8 4.06 33.82 152.7 1.22 77.4 0.35 0.28 53.4 115.7 8.33 42.83 7.76 3.47 11.13 1.34 7.56 1.48 5.17 6.32 4.51 0.60 1.45 0.08 12.46 0.32 0.42 1.38	9.38 0.17 3.03 6.83 1.28 4.68 0.40 0.04 1.86 25.92 14.36 43.01 17.51 58.76 395.6 286.0 8.83 141.6 0.26 6.15 82.7 5.49 4.98 0.75 19.04 5.02 14.05 44.78 0.97 83.64 0.68 0.15 3.84 8.65 1.33 6.24 1.72 0.55 2.05 0.38 2.39 0.55 1.71 0.24 1.61 0.24 1.26 0.05 14.00 0.53 0.40 1.62	20.90 0.56 7.14 4.70 1.28 2.45 0.38 0.18 16.54 0.24 23.48 11.43 52.91 114.6 193.4 78.54 7.12 8.18 0.38 18.43 255.5 3.71 6.78 7.54 36.65 5.95 32.25 74.91 1.83 74.65 0.30 0.43 5.97 15.24 2.25 10.95 3.45 1.00 4.12 0.78 5.07 1.16 3.42 0.50 3.34 0.50 2.07 0.13 0.56 0.26 0.50 2.35	3.32 1.01 0.80 3.80 1.45 4.38 0.64 0.26 17.43 20.07 7849 3750 274.6 501.0 1398 954.5 1823 5.48 3.87 9.08 587.4 8.80 4.55 1.31 264.2 4.38 195.1 519.9 68.74 376.5 4.78 0.11 201.4 1005 56.73 232.6 49.82 11.92 53.67 8.85 50.02 10.41 29.41 4.31 26.28 4.04 8.98 0.67 58.84 128.14 39.10 12.61	2.17 0.60 0.84 20.10 0.76 1.40 0.34 3.42 11.34 15.40 2855 3687 1207 474.6 1677 1324 910.0 10.73 4.17 14.32 402.5 8.33 4.53 1.08 145.8 6.00 622.3 495.2 26.95 353.3 3.26 0.38 401.4 737.8 54.58 229.5 47.72 10.23 55.31 9.31 59.57 15.33 47.33 6.93 43.27 7.16 7.93 0.59 64.95 120.48 2.39 10.05	6.35 1.14 2.08 3.29 1.11 0.50 0.58 0.28 19.72 20.40 4827 3632 697.0 554.8 1423 1282 1670 9.91 3.93 10.27 546.5 13.84 5.21 1.51 230.3 14.07 200.2 645.4 61.71 299.8 4.35 1.10 283.6 966.6 55.23 227.0 49.21 11.47 52.50 8.95 50.83 10.90 30.66 4.51 28.33 4.41 10.28 0.70 59.78 122.9 33.30 12.00
Mn/Fe		0.84	1.12	6.13	13.9	0.014	1.15	1.36	1.03

Примечание. Содержание и пределы обнаружения элементов с Si по Mn даны в мас. %, с Co по U – в мкг/г.

 

Совершенно иной минеральный состав наблюдается в образце В1-52/6. Одна часть образца вишнево-красного цвета, достаточно рыхлая и практически полностью сложена гематитом, тогда как другая часть – буро-желтая, представлена гетитом (см. рис. 2, табл. 2). На поверхности некоторых обломков присутствует очень тонкая буро-черная пленка, состоящая из ассоциации Fe-вернадита и Mn-фероксигита. Полученные данные существенно дополнили имевшуюся информацию [Аникеева и др., 2008; Дубинин и др., 2008] о составе рудных железомарганцевых корок, отобранных в пределах подводной вулканической группы Софу.

Марианская островная дуга. Образец В5-15/8 (см. рис. 2, 4) отобран на рифе Аракане. В нем тонкая железомарганцевая корочка толщиной до 2 мм, расположенная на осадочном субстрате, сложена в основном Fe-вернадитом, в небольшом количестве присутствует гетит (см. табл. 2). При этом количества (мас. %) Mn и Fe близкие – 20.07 и 17.43 соответственно, марганцевый модуль составляет 1.15.

Образцы В5-16/3а и В5-16/3б (см. рис. 2, 4) отобраны на бортовом валу Тихоокеанской части Марианского желоба на глубине 2200 м. В образцах измененная порода субстрата покрыта тонкой черной пленкой, состоящей из вернадита, часто плохо окристаллизованного, гетита и небольшого количества бернессита в виде чешуйчатых агрегатов (см. табл. 2). Общим свойством вернадита и гетита является низкая степень их структурной упорядоченности и, как следствие, слабая окристаллизованность. В отличие от вернадита и гетита, бернессит достаточно хорошо окристаллизован, дифрактограммы характеризуются узкими интенсивными пиками с d ~ 0.72 и 0.36 нм, но его количество в образцах составляет не более 3–4%.

Таким образом, результаты исследований свидетельствуют, в соответствии с минералогической типизацией [Богданова и др., 2008], что изученные нами образцы железомарганцевых отложений относятся к двум генетическим типам. Гидрогенные железомарганцевые корки – это образцы В1-35/4, В1-55/7 Идзу-Бонинской дуги и образцы В5-15/8, В5-16/3а, В5-16/3б Марианской дуги. Основными рудными минералами в них являются Fe-вернадит, вернадит, Mn-фероксигит и гетит. Образцы В1-14/А, В1-46/5 и В1-52/6 из Идзу-Бонинской дуги относятся к низкотемпературным гидротермальным железомарганцевым отложениям, причем в первом и во втором образцах преобладают марганцевые минералы: бернессит, вернадит, а в третьем – железистые минералы: гематит, гетит (см. табл. 2). Результаты исследований достаточно хорошо сопоставляются с данными работ [Schulz, Hein, 1991; Hein et al., 2008] по гидротермальным образцам ЖМО Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг.

Химический состав железомарганцевых отложений

Содержание рудообразующих металлов (мас. %) в гидрогенных железомарганцевых отложениях Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг (обр. В1-35/4, В1-55/7, В5-15/8, В5-16/3а и В5-16/3б) следующее: Mn – 15.31–25.92, Fe – 11.34–19.72; отношение Mn/Fe изменяется от 0.84 до 1.36 (см. табл. 3), что подтверждает их гидрогенную природу и в геохимическом отношении.

Содержание катионов цветных, тяжелых и редких металлов в этих же (гидрогенных) отложениях составляет (мкг/г): Со – 1867–7849; Ni – 2412–3750; Cu – 274.6–1350; Zn – 474.6–569.0; Pb – 910.0–1823; Sr – 1398–1677; Ba – 954–1378; Мо – 238–376; Cd – 3.26–4.78; Li – 5.48–15.81 (см. табл. 3). При этом более высокая концентрация Со, Ni отмечается в корках В5-15-8 и В5-16/3б Марианской дуги по сравнению с корками В1-35/4 и В1-55/7 Идзу-Бонинской дуги. Для катионов Cu наблюдается обратная картина: содержание их в корках Идзу-Бонинской дуги выше, чем в корках Марианской дуги. Остальные катионы тяжелых и редких металлов в железомарганцевых корках обеих дуг присутствуют в близких количествах. Вместе с тем установлено, что содержание перечисленных выше катионов металлов в ЖМО Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг сопоставимо с количеством этих катионов в железомарганцевых корках открытого океана [Аникеева и др., 2002; Батурин, 1993; Мельников, 2005, 2018; Новиков, 2018; Bau et al., 2014; Cronan, 1992; Halbach, 1986; Halbach et al., 1981; Hein, Koschinsky, 2014; Hein et al., 1997, 2000; deMatos et al., 2023; Novikov et al., 2021; Takahashi et al., 2007; Zhou et al., 2023].

Содержание большинства катионов редкоземельных металлов (РЗМ), в гидрогенных отложениях Идзу-Бонинской (образцы В1-35/4 и В1-55/7) и Мариинской (образцы В5-15, В5-16/3а и В5-16/3б) дуг находящихся в степени окисления 3+, почти одинаковое – от первых мкг/г (2.96 для Lu) до тысячи мкг/г (1005 для Ce) (см. табл. 3). Для всех изученных образцов гидрогенных корок характерна ярко выраженная положительная аномалия катионов Ce³⁺ и сравнительно невысокая положительная аномалия катионов Nd³⁺. Однако в образце В5-16/3а содержание катионов тяжелых редкоземельных металлов (Ho, Er, Tm, Yb и Lu) в 1.5–2 раза больше, чем в остальных образцах гидрогенных корок. Близкое содержание катионов Y отмечается в образцах В1-35/4, В1-55/7, В5-15/8 и В5-16/3б – 171.2–200.2 мкг/г, в образце В5-16/3а его содержание более чем в три раза больше – 622.3 мкг/г (см. табл. 3). Сумма катионов РЗМ, включая Y, составляет от 1620.33 (обр. В1-35/4) до 2347.74 мкг/г (обр. В5-15/8). Наибольший вклад в эту сумму вносят катионы Ce – от 31.4 (обр. В5-16/3а) до 49.5% (обр. В5-15/8).

Концентрации редкоземельных металлов в гидрогенных отложениях Идзу-Бонинской и Мариинской островных дуг, нормализованные на содержание соответствующего катиона в североамериканском сланце NASC [Gromet et al., 1984], характеризуются достаточно близким и равномерным распределением (рис. 6). На этом фоне отмечается общая тенденция – незначительная положительная аномалия катионов Се³⁺ (см. рис. 6). Кроме того, в образце В5-16/3а наблюдается слабая положительная аномалия тяжелых катионов РЗМ, из которых наибольшая относится к катионам Ho³⁺ (см. рис. 6).

 

Рис. 6. Распределение редкоземельных элементов в железомарганцевых отложениях разных генетических типов Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг, нормализованное на соответствующий элемент NASC.

 

В отличие от гидрогенных железомарганцевых корок, содержание катионов Mn и Fe в низкотемпературных гидротермальных отложениях Идзу-Бонинской островной дуги существенно различается. В образцах В1-14/А и В1-46/5 содержание катионов Mn значительно больше содержания катионов Fe – 24.87 и 25.92 и 4.06 и 1.86 мас. % соответственно; отношение Mn/Fe в них 6.13 и 13.9, эти значения являются наиболее высокими среди изученных железомарганцевых отложений. В образце В1-52/6 отмечается противоположная картина: содержание катионов Fe (16.54 мас. %) значительно превосходит содержание катионов Mn (0.24 мас. %); отношение Mn/Fe является минимальным (0.014) среди всех изученных образцов (см. табл. 3).

Низкотемпературные гидротермальные железомарганцевые отложения Идзу-Бонинской островной дуги (обр. В1-46/5, В1-52/6) отличаются от гидрогенных отложений не только значительными вариациями Mn и Fe, о чем уже говорилось, но и пониженным (на 1–2 порядка) содержанием катионов цветных, тяжелых и редких металлов (мкг/г): Со – 14.36–23.48; Ni – 11.43–43.01; Cu – 17.51–52.91; Zn – 58.76–114.6; Pb – 7.12–8.83; Sr – 193.4–395.6; Ba – 78.54–286.0; Cd – 0.30–0.68 (см. табл. 3). При этом содержание Co меньше на два порядка величины, Ni – на один порядок, а Zn и Cu – соответственно в 5 и 2 раза меньше в корке В1-52/6 железистого состава, чем в гидрогенных корках образцов В1-35/4 и В1-55/7 (см. табл. 3). Такая же тенденция отмечается для редких (Мо, Zr, Nb, Hf, W, Tl) и радиоактивных (Th и U) металлов (см. табл. 3). В то же время содержание катионов Li в низкотемпературной гидротермальной корке марганцевого состава (обр. В1-46/5) составляет 141.6 мкг/г, что примерно в 8–26 раз превышает его содержание в гидрогенных железомарганцевых отложениях Идзу-Бонинской и Мариинской островных дуг (см. табл. 3).

Следует отметить, что полученные нами данные о содержании катионов металлов в гидрогенных и низкотемпературных гидротермальных железомарганцевых отложениях находятся практически в том же диапазоне значений, что и для аналогичных отложений других районов Мирового океана [Аникеева и др., 2008; Батурин и др., 2011; Мельников, 2018; Новиков, 2018].

Концентрации катионов редкоземельных металлов в низкотемпературных гидротермальных образцах Идзу-Бонинской островной дуги низкие и сопоставимые. При этом в образце В1-52/6 корки железистого состава, уровень содержаний РЗМ почти в два раза выше, чем в образце В1-46/5 корки марганцевого состава: от 0.24 (Tm, Lu) до 32.35 мкг/г (Y) (см. табл. 3). В обоих образцах среди редкоземельных металлов в наибольшем количестве содержатся Y, Ce, Nd (см. табл. 3). Сумма катионов РЗМ, включая Y, в образцах В1-46/5 и В1-52/6 составляет соответственно 45.55 и 90.00 мкг/г. Наибольший вклад в эту сумму вносят катионы Y – 30.8 и 35.8%. Кроме того, содержание катионов РЗМ в низкотемпературных гидротермальных отложениях Идзу-Бонинской островной дуги на порядок ниже, чем в гидрогенных корках (обр. В1-35/4, В1-55/7) и в корках Мариинской дуги (обр. В5-15/8, В5-16/3а, В5-16/3б) (см. табл. 3).

Распределение катионов РЗМ в низкотемпературных гидротермальных железомарганцевых образцах Идзу-Бонинской дуги указывает на три важные геохимические особенности. Во-первых, на отсутствие положительной цериевой аномалии, характерной для гидрогенных железомарганцевых корок; во-вторых, преобладание катионов тяжелых РЗМ над катионами легких РЗМ, и в-третьих, значительное недосыщение низкотемпературных гидротермальных отложений всеми катионами редкоземельных металлов относительно гидрогенных корок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили получить новые данные о минеральном и химическом составе железомарганцевых отложений, отобранных в пределах Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что изученные нами образцы железомарганцевых отложений относятся к двум генетическим типам. Гидрогенными железомарганцевыми корками являются образцы В1-35/4, В1-55/7 Идзу-Бонинской дуги и образцы В5-15/8, В5-16/3а, В5-16/3б Марианской дуги. Основными рудными минералами в этих образцах являются слабо окристаллизованные с низкой степенью упорядоченности структуры Fe-вернаит и Mn-фероксигит, а также вернадит и гетит. К низкотемпературным гидротермальным железомарганцевым отложениям относятся образцы В1-14/А, В1-46/5 и В1-52/6 Идзу-Бонинской дуги с разным минеральным составом: в первых двух преобладают марганцевые минералы – хорошо раскристаллизованный бернессит и вернадит, в третьем – железистые минералы гематит и гетит.

Установлено, что содержание катионов Со, Ni в корках Марианской дуги (образцы В5-15-8 и В5-16/3б) существенно превышает их содержание в корках Идзу-Бонинской дуги (образцы В1-35/4 и В1-55/7). Для катионов Cu наблюдается обратная картина – меди содержится больше в корках Идзу-Бонинской дуги по сравнению с корками Марианской дуги. Содержание остальных тяжелых и редких металлов Pb, Cd, Ba, Sr и других в железомарганцевых корках этих дуг близкое. Концентрации большинства редкоземельных металлов в гидрогенных отложениях Идзу-Бонинской и Мариинской островных дуг сопоставимые: от первых мкг/г (2.96 для Lu) до тысячи мкг/г (1005 для Ce). Для всех изученных образцов гидрогенных корок характерна ярко выраженная положительная аномалия Ce³⁺ и сравнительно невысокая положительная аномалия Nd³⁺.

Низкотемпературные гидротермальные железомарганцевые отложения Идзу-Бонинской островной дуги (обр. В1-46/5, В1-52/6) содержат на 1–2 порядка меньше катионов цветных, тяжелых и редких металлов по сравнению с гидрогенными ЖМО этой же дуги. В то же время содержание катионов Li (141.6 мкг/г) в низкотемпературной гидротермальной корке В1-46/5 марганцевого состава в 8–26 раз больше содержания этих катионов в гидрогенных ЖМО Идзу-Бонинской и Мариинской островных дуг. Концентрации редкоземельных металлов в низкотемпературных гидротермальных образцах Идзу-Бонинской островной дуги невысокие и составляют от 0.24 (Tm, Lu) до 32.35 мкг/г (Y), при этом в наибольшем количестве присутствуют катионы Y, Ce, Nd. Распределение катионов редкоземельных металлов в низкотемпературных гидротермальных железомарганцевых корках Идзу-Бонинской дуги указывает на три важные геохимические особенности. Во-первых, отсутствие положительной Ce-аномалии, характерной для гидрогенных железомарганцевых корок; во-вторых, преобладание катионов тяжелых РЗМ над катионами легких РЗМ; в-третьих, значительное недосыщение низкотемпературных гидротермальных корок всеми катионами РЗМ относительно гидрогенных корок.

В целом следует констатировать, что полученные нами данные по минеральному и химическому составу гидрогенных и низкотемпературных гидротермальных отложений Идзу-Бонинской и Марианской островных дуг находятся в хорошем соответствии с характеристиками аналогичных отложений открытой части океана и вносят дополнительный вклад в изучение Азиатско-Тихоокеанской зоны перехода.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают благодарность Татьяне Михайловне Михайлик за редакцию графического материала.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственных заданий FMWEFMWE-2024-0018, FWME-2024-0012.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Авторлар туралы

G. Novikov

Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: rashidva@kscnet.ru
Ресей, Nakhimovsky prosp., 36, Moscow, 117997

V. Rashidov

Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: rashidva@kscnet.ru
Ресей, bulvar Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

O. Bogdanova

Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences

Email: rashidva@kscnet.ru
Ресей, Nakhimovsky prosp., 36, Moscow, 117997

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар