Рудный гигант в ледниковой проруби

Океан в жидком виде отнюдь не всегда существовал на нашей планете.
Фото Reuters

В 1868 году экспедиция шведского полярного исследователя Нильса Норденшельда на судно «София» подняла со дна Карского моря темные камни, оказавшиеся железомарганцевыми стяжениями (конкрециями). Затем океанографическая экспедиция Великобритании на корвете «Челленджер» (1872–1876) похожие конкреции обнаружила на дне Атлантики в районе Канарских островов. Внимание геологов привлек тот факт, что кроме железа и марганца в них были заметные некоторое количество цветных металлов. Впоследствии подводные фотосъемки показали, что дно иногда напоминает булыжную мостовую: оно сплошь покрыто конкрециями размером 4–5 см. Конкреции выступают из ила или образуют слой толщиной до полуметра в верхней части грунта. Количество руды достигает 200 кг/м2.

Руда будущего

Больше всего железомарганцевых конкреций (ЖМК) оказалось в центре Тихого океана. Здесь было установлено грандиозное месторождение, расположенное между широтными разломами Кларион и Клиппертон. Оно протянулось вдоль экватора к западу от Америки на тысячи километров. Руды представлены срастаниями гидроксидов марганца и железа в форме лепешек, охристых пластов, корок. В них определены высокие содержания никеля, кобальта, меди, а также небольшие примеси платины, иридия, цинка, свинца, молибдена, серебра, золота, фосфора.

Запасы металлов в ЖМК и корках с плотностью до 10 кг/м2 оцениваются в 380 млрд. т. ЖМК – мощные сорбенты и способствуют природной очистке океанской воды от железа, марганца и тяжелых металлов. Общие ресурсы океана превышают 1,5 трлн. т ЖМК, марганца здесь больше, чем на всех континентальных месторождениях этого металла!

Такое огромное скопление ЖМК рассматривается как комплексная руда будущего. Состав у них различен: самая высокая концентрация марганца, цветных и редких металлов содержится в ЖМК экваториальной части Тихого океана. В Атлантике и Индийском океане ресурсы ЖМК значительно меньше, и редких металлов в них немного. В морях Ледовитого океана ЖМК мало, в них преобладает железо, марганца немного, а ценных металлов почти нет. Кроме того, на плоских вершинах подводных гор (гайотов) в районе тихоокеанского экватора найдены особенно ценные руды – кобальт-марганцовистые корки. Основные запасы сосредоточены на месторождении-гиганте Кларион-Клиппертон, они поделены между ведущими государствами мира.

Любопытно, что данные о ЖМК, полученные океанографическими экспедициями Академии наук СССР и Министерства геологии, долгое время в нашей стране хранили в тайне. Секретились зарубежные статьи, была засекречена карта распространения ЖМК, изданная в США в 1978 году. О гигантских рудных скоплениях стало официально известно в СССР только после подписания 119 государствами в Монтего-Бей на Ямайке в 1982 году международной Конвенции по морскому праву. Согласно этой конвенции, минеральные ресурсы морского дна в Международном районе признаны общим достоянием человечества.

Запасов – море!

Ресурсы ЖМК в Мировом океане распределены с загадочной неравномерностью: 85% марганца и более 95% редких металлов залегают в экваториальной части Тихого океана. Разведанные запасы богатых и очень богатых руд составляют здесь 10 млрд. т. В Индийском океане ресурсов заметно меньше, в Атлантике, морях Арктики и Антарктики их почти нет.

С 1987 года СССР стал заявителем и обладателем международного сертификата на участок морского дна Тихого океана с правом дальнейшего изучения и промышленного освоения ЖМК, комплексной руды для получения марганца, никеля, меди, кобальта. В России разработаны различные варианты добычи этих полезных ископаемых. После вступления в силу Конвенции по морскому праву 1994 года природоохранная деятельность контролируется Международной организацией по морскому дну (ISA).

В 2001 году Южморгеологией был подписан контракт на 15 лет на разведку двух участков дна Тихого океана общей площадью 75 тыс. кв. км. Один расположен в глубоководной Восточно-Марианской котловине и является частью рудного гиганта Кларион-Клиппертон. Другой приурочен к гайотам на глубине 2000–3500 м, в районе отведенного России участка подводных Магеллановых гор. Прогнозные ресурсы участков достигают 600 млн. т сухой рудной массы. При годовой производительности в 3 млн. т ценность поднимаемых в руде металлов достигает 3 млрд. долл.

Технологическими исследованиями выделены два типа руд: никель-медь-кобальтовый и марганец-кобальтовый. Никель-медь-кобальтовый тип содержит до 3% суммы никеля и меди, до 0,35% кобальта, до 20% марганца. В марганец-кобальтовом типе при высокой концентрации марганца (до 25%), много кобальта – до 2% при пониженном содержании никеля и меди (суммарно до 0,7%). Вместе с кобальтом содержатся также 0,1% молибдена, до 4,5 кг/т редкоземельных элементов и до 4,5 г/т платины и иридия.

Однако, несмотря на дефицит марганца в мире и наличие огромных прогнозных ресурсов никель-кобальт-марганцевых руд, со дна океанов и морей добыто всего несколько сотен тысяч тонн, преимущественно на мелководье, вблизи от берега. В России ЖМК в небольших количествах добываются в Финском заливе.

Солнечным ветром надуло

ЖМК Мирового океана и морского шельфа – новый нетрадиционный вид минерального сырья, не имеющий аналогов среди континентальных месторождений цветных и черных металлов по ресурсам, условиям образования и вещественному составу. Несмотря на многочисленные научные работы, долгое время оставалось неясным, когда и как на дне океана скопились огромные массы марганца, железа, никеля, меди, кобальта, платины. Возникали вопросы: почему богатые руды залегают лишь вдоль экватора в Тихом океане? Почему в ЖМК присутствуют никель, кобальт, платина, характерные для мантии Земли и железных метеоритов? Почему ЖМК лежат на поверхности дна океана?..

На континентах таких руд нет, в осадочных породах прошлых геологических эпох залегают многие месторождения марганца, но состав руд проще, аналоги ЖМК отсутствуют. Раньше считалось, что конкреции растут очень медленно, со скоростью 1 мм за миллион лет. Их возраст оценивался в интервале от 50 млн. лет и больше. Считалось, что марганец и железо поступают из подводных вулканов и сносятся реками с континентов. Но было неясно, почему тяжелая руда в течение миллионов лет как бы плавала на поверхности донного ила, скорость осаждения которого в тысячи раз больше. Эта загадка получила название «парадокс непотопляемости ЖМК».

Решение этого парадокса нашли доктор физико-математических наук Г.С.Ануфриев и кандидат физико-математических наук Б.С.Болтенков, специалисты по масс-спектрометрии из Физико-технического института РАН (Санкт-Петербург). Они доказали высокую скорость роста ЖМК и их связь с космической пылью. Для определения скорости роста был использован нестандартный новый метод космического трассера, основанный на измерении в образцах концентрации изотопа гелия-3, транспортируемого в осадочные породы с космической пылью. Измерения показали в ЖМК высокое содержание космического гелия-3, связанного с солнечным ветром.

Распределение железомарганцевых конкреций по дну Мирового океана. Фото их архива автора

Космическая пыль интенсивно облучается солнечным ветром, при этом корпускулы солнечного излучения внедряются в поверхность пылинок и падают с ними на Землю. Концентрация таких внедренных (имплантированных) частиц в ЖМК аномально велика. 99% гелия-3 в океанских илах имеет солнечное происхождение, и легкий изотоп гелия попал в осадочные породы с космическими пылинками.

Новые расчеты показали, что ЖМК растут со скоростью примерно 1 мм за тысячу лет, что в тысячу раз быстрее, чем считалось раньше. Это совпадает с известным фактом быстрого накопления в озерах так называемой болотной руды, лимонитовых конкреций, возникающих за счет железа, рассеянного в ледниковых отложениях. Славяне издавна добывали железную руду со дна озер и знали, что руда снова появится через несколько десятков лет. Выходило, что ЖМК очень молоды, возникли в ледниковый период и связаны с эпохами потепления.

Но решение парадокса непотопляемости породило парадокс времени. Масса металлов отложилась за удивительно короткий срок. Создавалось впечатление, что руду буквально высыпали в океан. ЖМК оказались современниками мамонта и первобытного человека!.. Почему концентрация сотен миллиардов тонн марганца и железа произошла на экваторе так быстро и именно в Тихом океане? Почему в период оледенения Земли собрались вместе элементы космической пыли: легкий изотоп гелия, никель, кобальт, платиноиды?

Время образования ЖМК – ледниковый период, эпоха глобальных многократных похолоданий. ЖМК, подобно болотным рудам, возникшим на дне послеледниковых озер, обязаны своим происхождением ледниковому периоду. Но их химический состав резко отличается от железистых конкреций болотных руд. В них много марганца с примесью типичных космических элементов – изотопа гелия-3, никеля, кобальта, иридия, платины.

Ледяной пылесборник

В ЖМК можно выделить главные и второстепенные элементы. Главные – марганец и железо, металлы переменных валентностей. Советский академик Н.М.Страхов восхищался марганцем и называл его геохимию «удивительной, поразительной и экзотической». Сходная геохимия и у железа.

Дело в том, что изменение валентности полностью меняет поведение этих элементов. В восстановительной среде они растворимы, в окислительной – выпадают в осадок. В бескислородной воде эти элементы растворяются, а при насыщении воды кислородом осаждаются. Сорбенты, особенно гидроксиды четырехвалентного марганца, способны поглощать из ила тяжелые металлы космической пыли с примесью солнечного гелия.

Но откуда взялись космические элементы в иле? Почему в океане, где сейчас рыбы дышат жабрами даже на дне Марианской впадины, в ледниковом периоде исчез кислород?

По нашему мнению, для появления гиганта Кларион-Клиппертон были необходимы: 1) ледяной покров океана и обусловленный этим дефицит кислорода в океанской воде; 2) скопление комической пыли на ледяных щитах и возможность концентрации этой пыли при потеплении; 3) обилие кислорода в талых водах; 4) наличие субэкваториальных течений.

Уровень Мирового океана при оледенениях понижался на 100–120 метров. Количество льда при этом составляло 40–45 х 1015 тонн при содержании пыли во льде – 0,5 г/кг; общее количество пыли только одного последнего оледенения достигало 20 трлн. т! Часть этой пыли была космического происхождения.

Ледяной покров Земли закрывал значительную поверхность океанов и нарушал кислородный газообмен между атмосферой и гидросферой. Видимо, это отразилось в снижении содержания кислорода в воде, подобно современным северным озерам, где к весне рыбам порой не хватает кислорода. Подо льдом в океане, в условиях дефицита кислорода, накапливались огромные массы растворенных металлов, главным образом марганца. А на ледяном щите десятки тысяч лет собиралась пыль космоса.

На ледяном щите Антарктиды найдены тысячи метеоритов и встречены прослои льда, имеющие возраст 430 и 480 тыс. лет, с содержанием космической пыли в 100 раз выше фона. Аномально высокое содержание гелия-3, концентрация никеля, кобальта, платины подтверждают большой вклад космического вещества в ЖМК. Сохранность имплантированного изотопа гелия указывает, что космическая пыль сохраняется в виде самостоятельной пылеобразной фазы, не растворявшейся в океанской воде.

Советские ученые С.П.Голенецкий и В.В.Степанюк в 1983 году оценили количество космической пыли, выпадающей на Землю в 2,4 млрд. т в год. Значит, ледяные щиты, закрывавшие океаны и континенты Земли, собрали в эпохи оледенений сотни триллионов тонн метеоритного вещества!

Концентрация ничтожной части этого количества достаточна, чтобы возник подводный рудный гигант. Железные метеориты в среднем содержат 85–90% железа, 10–15% никеля, до 1% кобальта, 5–10 г/т платиноидов. Эти же металлы концентрируются в ЖМК. Высокая концентрация солнечного гелия подтверждает роль метеоритной пыли в составе ЖМК.

Показатели, характеризующие изменения температуры за 800 тысяч лет в районе Антарктиды. По оси абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени (то есть ход времени – справа налево). Линия вверху – данные по относительному содержанию дейтерия в колонке льда с Европейской станции (EPICA). Линия внизу – данные по относительному содержанию тяжелого изотопа кислорода в донных отложениях в Южном океане. Пики на обеих линий соответствуют потеплениям. Источник: www.sibai.ru

Зона окисления океана

Железа на Земле так много, что часть его в ЖМК имеет земное происхождение и выпадает в осадок в окислительной среде вместе с марганцем. Марганца на Земле в сотни раз меньше, чем железа, но он обладает способностью накапливаться в океанской воде при дефиците кислорода и выпадать в осадок в окислительной среде. Месторождение возникает при максимальной концентрации металлов в локальной зоне. Как природа решила эту задачу?

Измерения изотопов водорода и кислорода в ледяном керне скважин Гренландии и Антарктиды рассказали об изменениях климата за последние 900 тыс. лет. Оказалось, что потепления и оледенения неоднократно сменяли друг друга. Изотопия кислорода показывает, что время оледенений, когда могла собираться космическая пыль, составило около 360 тыс. лет. Резкие изменения содержания изотопов показывают, что смены потеплений и оледенений наступали очень быстро.

В периоды похолоданий со стороны полюсов, с горных хребтов Кордильер и Анд в Тихий океан спускались бескрайние ледяные поля, ледяная кора покрывала океан на 50–60%. Леса исчезали, процесс фотосинтеза шел на убыль, количество кислорода в атмосфере уменьшалось. В это время на ледяной покров Земли оседала космическая пыль с железом, никелем, кобальтом, платиной и солнечным изотопом гелия.

В экваториальной зоне поверхность Мирового океана оставалась открытой. Однако в Атлантике она уходила далеко к северу – за счет Гольфстрима, а в Тихом океане промоина была вытянута в широтном направлении, от Азии до Америки, за счет мощных экваториальных течений, в том числе недавно открытого течения Кромвелла.

Резкие изменения отношений изотопов кислорода показывают, что климат менялся быстро, особенно в эпохи потеплений. Это означало, что гигантские пласты льда исчезали за несколько тысячелетий. Грандиозные потоки талой воды несли в океан сотни миллиардов тонн растворенного кислорода. Уровень Мирового океана в короткий срок поднимался на 100–150 метров!

Широтная полоса ЖМК в центре Тихого океана, по моему мнению, свидетельствует, что в эпохи оледенений здесь находилась гигантская полынья, где работали экваториальные течения. Они увлекали воду, обогащенную марганцем, из приполярных зон Мирового океана. Сюда в периоды потепления обрушивались чудовищные потоки талой воды с космической пылью, выпавшей на лед за десятки тысяч лет.

Сорбция железомарганцевыми минералами космических элементов из ила завершила формирование уникального типа руд на дне океана. Не случайно никель, кобальт, платина отсутствуют в ЖМК на окраинах Ледовитого океана и у берегов Антарктиды: океаны приполярных зон были закрыты льдом, и космическая пыль в океан не поступала. Кислорода под ледяной коркой было немного, поэтому марганца в ЖМК приполярных областей содержится мало.

Оледенения последнего миллиона лет собрали триллионы тонн железо-никелевой космической пыли на ледяных щитах Земли. В эпохи быстрых потеплений массы холодной воды, насыщенной кислородом, грандиозными потоками переносили по ледяному щиту космическую пыль в гигантскую полынью Тихого океана. Растворенные в океане гидрохлоридные комплексы марганца окислялись ледниковой водой, переходили в гидроксиды и выпадали в осадок вместе с гидроксидами железа.

Эти два мощных сорбента поглощали из океанского ила космические металлы – никель, кобальт, платину и иридий, а также земные – медь и молибден, создав в эпохи межледниковья грандиозное скопление руды будущего в виде месторождения-гиганта Кларион-Клиппертон.

ЖМК океана – уникальное порождение ледникового периода, отразившее такое сочетание условий, которого раньше не было в истории Земли.