Проблема металлоносных термальных рассолов рифтовых структур

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Проблема металлоносных термальных рассолов рифтовых структур

26.07.2020

Одной из интересных проблем современной гидрогеологии, на протяжении последних лет обсуждающейся в зарубежной литературе, является формирование металлоносных термальных рассолов рифтовых структур земного шара.

Рифтовые структуры широко распространены. Ими образована система срединно-океанических хребтов, на отдельных участках связанных с внутриконтинентальными рифтами, К первым относятся хребты Срединно-Атлантический, Срединно-Индийский и Западно-Индийский (с ответвлением в районе Аденского залива и Красного моря), Австрало-Антарктический и Восточно-Тихоокеанское поднятие. Последнее отличается от указанных хребтов отсутствием срединной рифтовой долины. Северное окончание поднятия как бы погружается под Американский материк, образуя в районе Калифорнийского залива ряд глубоководных конседиментационных впадин, разделенных порогами. Среди рифтовых систем континентов наиболее крупным является Африкано-Аравийский рифтовый пояс протяженностью более 6000 км. В состав его входят Сирийско-Ливанский, Мертвого моря, Вади-Араба, Эфиопско-Кенийский (Восточно-Африканский) и Ньяса-Танганьнкский (Западно-Африканский) грабены и рифты.

Наиболее интересны проявления термальных металлоносных рассолов в Красноморской и Восточно-Африканской рифтовых зонах, в долине Империал около оз. Солтон-Си (Южная Калифорния), в Галапагосском рифте между побережьем Эквадора и Галапагосскими островами. Они имеются, очевидно, и в других частях мировой системы больших грабенов, где в силу слабой изученности пока еще не выявлены.

Красноморская рифтовая зона имеет протяженность около 1800 км, а с Суэцким заливом — 2100 км, при максимальной ширине 270 км, наибольшей глубине 2920 м и наименьшей, около Адена, 120 м.

Впервые металлоносные термальные рассолы были установлены здесь во впадинах Атлантис II, Чейн и Дискавери. Рудные металлы рассолов представлены в основном сульфидами, запасы которых в верхнем 10-метровом слое осадков оцениваются в 83 млн. т, что значительно больше, чем в других известных крупных осадочных месторождениях. Ниже указанного слоя также распространены рудоносные осадки мощностью от 20 до 100 м.

По мере интенсификации исследований Красноморского рифта, в его пределах были открыты новые впадины — Негрус, Вальдивия, Эрба, Порт-Судан и др., всего 12, меньшие по размерам, чем указанные выше, но содержащие металлоносные термальные рассолы.

Лучше других изучены рассолы впадин Атлантис II, Чейн и Дискавери. Очертания впадин примерно определяются изобатой 1900 м. Максимальная глубина первой впадины достигает 2070 м, второй — 2066 м, третьей — 2220 м, мощность осадков соответственно оценивается в 100, 60 и 200 м, а их температура во впадине Атлантис II составляет 62,3°С, в нижнем слое термальных рассолов 56,5° С, а в перекрывающем его слое 44° С. Тепловой поток в ней намного выше, чем в других впадинах и в Океане. Во впадинах Днскавери и Чейн температура осадков меньше, чем температура рассолов. По составу рассолы хлоридные натриевые, во впадинах Атлантис II и Днскавери с минерализацией 257 г/л и содержанием хлора 155—156 r/л, во впадине Чейн соответственно 72 и 41,9 г/л.

X. Крейг считает, что рассолы впадин Атлантис II с температурой 44° С, минерализованные воды впадины Чейн и переходные рассолы впадины Днскавери возникли в результате смешения рассола с хлоридностью 156 г/л и нормальных глубинных вод Красного моря. По его мнению, такие рассолы могли возникнуть в результате растворения солей сильвии-галитовой зоны эвапоритовых толщ или соляных куполов. Микрокомпоненты, содержащиеся в рассолах, поступали из тех же отложений. Высокая концентрация их в нижнем слое последних связана с круговоротом вещества, вследствие которого происходили выпадение осадка и повторное вовлечение материала в конвекционные потоки. Разработанная X. Крейгом модель формирования рассолов предполагает просачивание морской воды вниз через эвапоритовые отложения и отток их в северном направлении в результате напора, обусловленного разностью плотностей колонны рассолов и морской воды. Нагревание рассолов происходило под влиянием локального термического градиента. На возможность такого формирования рассолов за счет относительно теплых приповерхностных вод указывают изотопный состав рассолов и содержание в них растворенного аргона, а присутствие дейтерия и тяжелого изотопа кислорода позволяет предположить, что источник воды рассолов располагался в нескольких сотнях километров южнее рассолоносных депрессий.

X. Крейг определяет расстояние между этим источником и депрессиями в 800—1000 км, поскольку по изотопному составу вода рассолов соответствует нормальным морским водам с соленостью 38,2%, а воды такой солености широко распространены лишь в южном конце Красного моря, где они развиты до глубины 200 м. Из этого района рассолы мигрировали на указанное расстояние в течение нескольких тысяч лет. Предполагается, что миграция происходила по тонким трещинам в базальтах центральной части рифта, при этом, судя по отсутствию термического смещения в содержании тяжелого изотопа кислорода, температура рассолов никогда не поднималась выше 100°C.

Магний, сульфат-нон, иод, фтор содержатся в рассолах в меньшем количестве, чем в исходной морской воде, что объясняется селективным просачиванием их через полупроницаемые мембраны, а уменьшение содержания NO3 — восстановлением этого компонента. Железо осаждалось в ионной форме, вероятно, в виде карбоната, марганец поступал в слой с температурой 44° С как из подстилающего слоя более высокотермальных рассолов, так и из осадков, залегающих на склонах впадины.

Изотопный состав серы и углерода указывает, что сульфиды, присутствующие в осадках, не являются результатом восстановления сульфат-иона и не могли осаждаться из слоя, промежуточного между рассолом и морской водой. X. Крейг полагает, что осаждение сульфидов обусловлено поступлением в рассолы сероводорода из осадков, а в последнее время и в результате биогенного восстановления сульфат-иона, так же, как и серы. Доказательства участия в рассолах вещества, имеющего вулканический или магматический источник, отсутствуют.

Более низкая температура осадков, по сравнению с рассолами, во впадинах Дискавери и Чейн позволила К. Эмери, Дж. Ханту и Э. Хейсу предположить, что рассолы переливались в них из впадины Атлантис II, о чем свидетельствуют как близость их температур с температурой верхних слоев указанной впадины, так и общая величина солености всех рассолов системы. Наблюдающиеся отличия отношений различных изотопов стронция, а также стронция к хлору в нормальной морской воде и в рассолах впадин Атлантис II и Дискавери связаны, по их мнению, с магматическим источником. К. Эмери и другие считают, что рассолы впадины Атлантис II просачивались к камерам, заполненным еще не остывшими базальтами, где нагревались и повышали свою растворяющую способность, одновременно обогащаясь новыми элементами, присутствующими в ювенильных водах.

Р. Брукс, И. Каплан и М. Петерсон, соглашаясь в принципе со взглядами X. Крейга, отмечают, что канал, по которому поступали рассолы, находится, по-видимому, во впадине Атлантис II, о чем свидетельствуют высокое содержание здесь микроэлементов и отрицательные термические градиенты. Отсюда они изливались не только во впадину Днскавери, но и в другие участки моря.

Близкими к точке зрения X. Крейга являются взгляды Дж. Бишофа. Он определяет образовавшееся здесь месторождение сульфидных руд как стратиформную залежь сингенетического происхождения.

И. Каплан, Р. Суини, А. Ниссенбаум относят месторождение к эксгаляционно-осадочным или гидротермально-осадочным. Авторы поддерживают гипотезу поступления металлов с флюидами. но лишь применительно к участкам, непосредственно прилегающим к месту максимального сульфидоотложения, где, очевидно, происходит разгрузка рассолов.

Впадина Негрус, по данным Р. Бигнела и Али Сайед Шабира, имея площадь около 500 км2, ограничена крутопадающими склонами разломного происхождения и заполнена рассолами, а также нижнечетвертичными и голоценовыми отложениями. В последних установлено пять слоев, отвечающих четырем периодам активности рассолов, с которыми связаны прослои металлоносных илов. Рассолы обогащены Fe, Mn, Zn, Cu. Наиболее мощный слой (более 4 м) марганцовистых аморфных илов обнаружен в юго-восточной части впадины, где он, кроме того, обогащен Fe, Zn, Cu, Pb, Hg. Сверху илы перекрыты тонким слоем охристого железа с Zn и Pb. Предполагается, что рассолы под влиянием местных геотермальных аномалий разгружаются в зонах разломов по краям впадины, где отлагают большую часть растворенных металлов, а затем стекают по склону, собираясь в наиболее погруженных участках.

Рассолы, выявленные в других впадинах Красного моря, по М. Шокли и Е. Фаберу, в отдельных случаях характеризуются более низким содержанием хлора по сравнению с рассолами впадины Атлантис II. Это обусловлено смешением внедрившихся насыщенных рассолов с придонной морской водой, что привело и к изменению первоначального изотопного состава. Рассолы в Атлантис II и в близрасположенных впадинах имели, видимо, один источник, связь с которым не прерывалась на протяжении долгого времени. Лишь во впадине Вальдивия встречены рассолы, идентичные по изотопному составу водам Красного моря.

Рассолы впадин Эрба, Порт-Судан и Негрус возникли в период, когда изотопный состав воды Красного моря отличался значительной обогащенностью тяжелыми изотопами, что указывает на унаследованность их состава от древней водной массы Красного моря. В то же время, воды последнего, сильно преобразованные в плювиальные эпохи четвертичного периода, что выразилось в их обеднении изотопом 18O, могли послужить той основой, на которой происходило формирование рассолов во впадине Атлантис II. Уровень обеднения этим изотопом, согласно проведенным расчетам, сравним с величиной недонасыщенности рассола в этой впадине.

Многочисленные термальные источники зафиксированы на отдельных участках Эфиопско-Кенийской (Восточно-Африканской) и Ньяса-Танганьикской (Западно-Африканской) рифтовых зон. Они связаны с широко проявленным голоценовым вулканизмом. Наиболее характерными представителями этих терм являются источники, выходящие по берегам озер Магади и Натрон, в южной части Восточно-Африканского рифта. На берегах первого озера известно свыше 20 источников с температурой воды 35—82° С и минерализацией 15—30 г/л гидрокарбонатно-карбонатно-хлоридного натриевого состава. В воде определены, мг/л: фтор 100—162, бром 70—158, бор не более 10. Все источники выходят из щелочных трахитов или из контактовых зон их с плейстоценовыми озерными образованиями. Дно и берега оз. Магади сложены троной (Na2CО3*NaHCО3*2H2О), образующей слой мощностью до 40 м на площади до 75 км2. Запасы троны оцениваются в 3 млрд. т, а время накопления составляет 10 тыс. лет.

Третье проявление металлоносных рассолов, как отмечалось выше, находится в Южной Калифорнии в долине р. Империал около оз. Солтон-Си.

Еще в 1963 г. первые исследователи рассолов Д. Уайт, Е. Андерсон, Д. Груббе указывали, что озеро расположено на северном продолжении грабена Калифорнийского залива, куда протягиваются южные ответвления большого сброса Сан-Андреас. Здесь в 1961—1962 гг. была пробурена скважина глубиной 1569,6 м, вскрывшая рассолы с температурой 270° С. Анализ последних показал, что в газовом составе их присутствуют углекислота и метан (от 80 до 93 об. %). доля других газов весьма незначительна. Минерализация воды достигает 332 г/л, по составу она относится к хлоридному натриево-кальциевому или натриево-кальциево-калиевому типу. Характерным для рассолов является высокое содержание, г/л: К 23; Li 0,323; Fe 3; Mn 1; Ag 0,002; В 0,5 Cr 0,0005; Zn 0,5; Cu 0,02; Ni 0,002; Pb 0,1; S 2.

За период трехмесячной опытной откачки из рассола отложился осадок массой 5—8 т. Полуколичественный спектральный анализ показал наличие в нем следующих элементов, %: Si много; Al 0,7; Fe 7,0; Mg 0,015; Ca 0,7; Na 1,0; К 1,0; Ti 0,0015; Mn 0,5; Ar 2,0; As 0,15; В 0,15; Ba 0,05; Be 0,07; Bi 0,005; Co 0,0001; Cr 0,0002; Cu 20,0; Ga 0,02; Ge 0,001; Ni 0,001; Pb 0,02; Sb 0,3; Sn 0,0007; Sr 0,007; V 0,0005; Ib 0,0002; ниже пределов открытия содержались Au, Cd, Ce, Hf, Hg, La, Li, Mo, Nd, Р, Pt, Pa, Re, Se, Ta, Te, Th, Y, Tl, U, W, Zr, Zn.

Авторы отмечают, что столь высокие концентрации в рассолах калия, лития, серебра, меди и наличие множества других элементов ранее в природных водах нигде не наблюдались. Эта необычайность рассолов позволила выделить их в новый, магматический тип глубинных вод в районах термальной деятельности.

Исследования генезиса свинца и цинка рассолов, выполненные позже, показали, что оба эти элемента имеют осадочный генезис, т. е. поступили в рассолы из водовмещающих пород. Установлено, что сульфиды термальных рассолов находятся в равновесии с сульфидной ассоциацией в породах резервуара.

X. Крейг на основании данных изотопного анализа подземных вод с минерализацией 0,5—100 г/л пришел к выводу, что основным источником их формирования являются атмосферные осадки и поверхностные воды, циркулирующие в трещиноватых глубоко-залегающих породах района, где на больших глубинах в условиях высоких температур они интенсивно выщелачивают водовмещающие отложения (включая соленосные) и приобретают высокую минерализацию.

Д. Уайт, возвращаясь к вопросу о путях формирования гидротермальных рудных растворов, отмечает, что химический состав подземных вод является более чувствительным индикатором их генезиса, чем изотопные различия разных классов вод (метеорных, океанических, измененных реликтовых, метаморфических, магматических). Вместе с тем, останавливаясь на генезисе термальных рассолов оз. Солтон-Си, он считает, что метеорная вода является основным источником их питания. Эвапориты под влиянием последней растворяются, подземная вода обогащается их солями и на больших глубинах нагревается до высоких температур (предположительно до 360°С). Тяжелые металлы, а также кальций, стронций, калий и другие выщелачивались из местных дельтовых отложений. Что же касается сульфидов серебра и меди, то, исходя из изотопного состава серы, Д. Уайт допускает возможность их глубинного происхождения так же, как и некоторого количества CO2.

Подводная гидротермальная деятельность отмечена на расстоянии около 400 м от побережья на глубине 30 м у северной части Калифорнийского полуострова. Температура воды 102° С. В газовом составе ее содержатся, об. %: метан 51,4; азот 44,3; CO2 2; аргон 1; кислород 0,29. Вода хлоридная натриево-кальциевая с минерализацией около 20 г/л и содержанием микрокомпонентов, мг/л: SiO2 156; Li 3; К 410; Rb 1,8; Ba 0,94; F 1,8; В 23; Mn 0,85; Fe 0,7—0,9; Cu 0,001; Zn 0,001—0,005; As 0,4—0,5; Cd 0,03; Pb 0,001; Cr и Ni<0,003.

Как отмечалось выше, проявления термальных вод обнаружены в пределах Галапагосского рифта, в районе одноименных островов. Они были выявлены в 1976 г. группой океанографов ФРГ и в 1977 г. изучались американскими учеными с помощью подводного аппарата «Алвин» и надводного судна «Кнорр». Предварительная информация о результатах этих исследований пока не дает достаточного представления о составе и других особенностях термальной воды. Известно лишь, что выходы этих вод приурочены к рифтовой долине широтного простирания шириной 3—4 км и глубиной 200—250 м. Встречено четыре участка с активными струями, приуроченными к сбросам в подушечных базальтах вблизи осевого хребта с дебитами 2—10 л/с и температурой до 200° С, Формирование горячих источников объясняется массивным конвекционным движением морской воды под ложе океана на глубину до нескольких километров, где она соприкасается с вулканическими породами, нагревается и затем поднимается наверх.

Из изложенного следует, что вопрос о формировании металлоносных рассолов в рассмотренных рифтогенных структурах Красного моря, Восточного рифта Африки и района оз. Солтон-Си в Калифорнии является чрезвычайно сложным.

Большинство исследователей, изучавших рассолы Красноморского рифта, склонны считать, что солевой и микрокомпонентный состав их связан с выщелачиванием водовмещающих пород, а высокая температура — с просачиванием морской воды на глубину нескольких километров, нагреванием ее там и обратным восхождением.

К. Эмери, Дж. Хант и Э. Хэйс считают, что эти рассолы магматического происхождения. И. Каплан, Р. Суини и А. Ниссенбаум поддерживают гипотезу поступления металлов с флюидами, но лишь применительно к участкам, непосредственно прилегающим к месту максимального сульфидоотложения, где, очевидно, происходит рагрузка рассолов. По мнению М. Шокли и Е. Фабера, названные рассолы унаследованы от древних водных масс Красного моря, изотопный состав которых характеризовался значительной обогащенностью тяжелыми изотопами.

На происхождение содовых минеральных вод Восточного рифта Африки, давших огромные скопления троны, также имеется несколько точек зрения. Однако нам представляется наиболее вероятной точка зрения советского ученого Р. И. Ткаченко, связывающего их происхождение с поствулканической деятельностью в пределах рифта в современную эпоху. Лавы этой эпохи имеют щелочной характер, в них содержится до 32% углекислоты, от 13 до 19% натрия, высоки содержания фтора, хлора, сульфатной серы.

Разные точки зрения существуют и в отношении генезиса металлоносных рассолов района оз. Солтон-Си. Д. Уайт и др. выделили их новый, магматический тип глубинных вод. X. Крейг формирование этих вод связывает с инфильтрацией атмосферных осадков и поверхностных вод р. Колорадо, которые на больших глубинах в условиях высоких температур интенсивно выщелачивают водовмещающие отложения, приобретают высокую минерализацию, обогащаясь при этом металлогенными элементами. В 1974 г. Д. Уайт, по существу, присоединился к точке зрения X. Крейга на формирование рассолов Солтон-Си. Лишь сульфиды серебра и меди и некоторое количество углекислоты, по его мнению, возможно, имеют глубинное происхождение.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: