Введение к работе
Актуальность проблемы. Обнаружение на океанскои дне высокотемпературных гидротермальных источников и связанных с ними сульфидных залежей относится к крупнейшим открытиям послег.них десятилетий в науках об океане. Древние месторождения, однотипны з по способам формирования этим рудным скоплениям, издавна эксплуатируются на суше и служат важными источниками меди, цинка, свинца, зелота и ряда других металлов. Понятна большая роль изучения современных процессов океанского рудообразования для лучшего понимания закономерностей формирования и, в конечном счете, более надежного прогнозирования древних месторождений на континентах. С другой стороны, значение, придаваемое в настоящее время Мировому океану как перспективному источнику минеральных ресурсов, стимулирует непосредственный практический интерес к залежам океанских гидротермальных руд как объектам потенциального промышленного освоения.
Рассматриваемая научная проблема имеет достаточно длительную историю, хотя лишь в последнее время приобрела особую популярность. Еще в прошлом веке на Восточно-Тихоокеанском поднятии (ВТП) были обнаружены аномально обогащенные рудными металлами осадки, а в Красном море—нагретые, придонные воды. В 70-х годах в работах Г.Н.Батурина с соавторами, Л.ВДмитриева с соавторами, а затем и других исследователей описываются многочисленные находки гидротермальной рудной минерализации в коренных породах океанического дна. Первые образцы сульфидов из рудных построек, расположенных на базальтах, были подняты в 1978 г. на ВТП в районе 21с.ш. Там же впервые наблюдались "черные курильщики"—выходы на поверхность дна через трубообрачные апофизы рудных тел горячих (около 350 С) растворов, насыщенных минеральной взвесью, которая рассеивается в водной толще. В последующее десятилетие экспедициями США, Франции, Германии, Канады, Японии, СССР и Великобритании аналогичные рудопроявления были обнаружены на многих участках осевых зон рифтовых хребтов Тихого океана и Атлантики, а затем и в окраинных частях Тихого океана.
Все обнаруженные до сих пор в океане гидротермальные рудные скопления сложены по преимуществу сульфидами, проявляют отчетливую связь с вулканизмом и принадлежат к колчеданному семейству рудных формаций. В отечественной геологической литературе к современным океанским гидротермальным рудам вместо термина "колчеданные" применяют чаще всего прямой перевод несколько более узкого по смыслу англоязычного термина "massive sulfide ores"—массивные сульфидные руды. Это определение лучше всего подходит для описания наблюдаемых в рудных постройках на поверхности океанского дна сплошных рудных агрегатов.
В нашей стране систематическое изучение океанских гидротермальных процессов было начато Институтом океанологии АН СССР (ИОАН) в 1972-75 гг. в восточной части Тихого океана. Новый уровень исследований был достигнут с началом использования ПОА. Серия работ, проведенных под руководством А.ПЛисицына и ЮАБогданова, была посвяшена детальному изучению процессов гидротермального рудообразования в различных
шпон!.'к обстановка;; океанского рифгогенеза. При эгом основное внимание уделялось исследованию іидроіермальньїх полей, содержащих сульфидные руды, и опробованию самих р>д на хребтах Хуан-де-Фука, Срединнс-Ат-данттпеском Ц.'ЛХ), в Калифорнийском полисе и ь рифтовых трогах юго-)апад'10!( част Тихо; о «океана.
Значніслі-нми іік;-;>д в изучение океанского гидротермального рудогене-п снес.'м и другие отечественные организации. Сульфидные руды на лр. Х\ап-дс-Ф\і;а (мати опробованы в одном из научно-исследовательских репсов ТОЙ ДВО I'M!, на СЛХ—в рейсах І1ИС "Антарес" Одесского унинерстпеїа. проводившихся но программам НПО "Севморгео.топтя" и СО РАН. Гидрологические эффекты и водной толще, обусловленные воздейст-ьпем па нее гидротерм, а так<ке различные аспекты геологического строения фундамент и осадочного чехла, связанные с развитием гидротермальных систем. 1н>матись в ходе морских экспедиционных работ ГЕОХИ, ГИН І'ЛІІ. Института вулканологии ДВО РАН. В рейсах ПО "Южморгеология" иссісдоиалосі, сульфидное оруденение одного из сегментов ВТІІ, а так>г<е впервые оічпружена г.чездово-вкрапленная сульфидная минерализация во |:п> условиям в восточной части Тихого океана. Работы по проблеме океанских сульфидных руд л Курило-Камчатском регионе вело ІІІО "Датьморгеолопн)". Теоретические и аксперпментальпые исследования, еи-лапні.їс с плченпем океанского гидротермального рудогепеза, велись и ЦИИГРИ, МГУ, ДВГИ, ВНИИЗарубежгсологии и других организа-пи.тх.
ІІ НПО (ныне ассоциации) "Сгеморгеология" экспедиционные исследования но программе изучения сульфидных руд океана были начаты в 1985 г. на НТІI Северо-Тпхоокеанской геологоразведочной экспедицией и в последующем выполнялись Полярной морской геологоразведочной экспедицией. Ьыли открепи н опробованы новые рудные скопления вблизи 21.5ю.ш., 3, 5, 6. 8, 9 и 1()с.ш. на ВТП, 24,5с.ш. на САХ.
Практические задачи изучения минерально-сырьевого потенциала океана, котрые сюяг перед ассоциацией "Севморгеодогия", заставляют отвечать на самые общие вопросы, касающиеся условий возникновения и закономерностей распространения субмаринных гидротерм и связанных с ними рудных скоплений. Исследования, выполненные ассоциацией за последние годы, дают для этого большой материал. Кроме того, обобщение и осмысление многочисленных новых данных позволяет приблизиться к пониманию особенностей гидротермального рудообразоваиия в океанических бассейнах, общих для фзнерозойской истории Земли. Этот второй аспект проблемы также исключительно важен, поскольку тесно переплетается с вопросами изучения закономерностей локализации и прогнозирования промышленного колчеданного оруденения на континентах.
Актуальность представляемой работы связана, таким образом, с необходимостью анализа геологических условий и фундаментальных закономерностей океанского гидротермального рудогенеза для выявления факторов, контролирующих оруденение в современных и древних бассейнах.
Цель работы установить наиболее общие особенности океанского вы-сокогемпераіурного гидротермального рудного процесса и геологические условия его проявления.
Основные задачи исследования:
—определить условия формирования основных типов океанских гидротерм и уточнить происхождение в них рудных металлов;
—выявить факторы, контролирующие распределение гидротерм в различных геологических обстановках в океане;
—раскрыть особенности высокотемпературных гидротермальных процессов, определяющие состав и характер эволюции океанских сульфидных залежей;
—охарактеризовать основные черты поведения гидротерм и содержащихся в них металлов при рассеянии вокруг океанских горячих источников, определяющие принципиальный подход к решению поисковых задач;
—показать возможности сопоставления современного океанского и древнего колчеданного оруденения и обозначить границы допустимых аналогий.
Фактический материал, положенный в основу диссертации, получен главным образом в ходе экспедиционных работ НПО "Севморгеология" при батиметрических и магнитометрических съемках, гидролокационных исследованиях, гидрологическом зондировании и опробовании, телефотопрофи-лировании и геологическом пробоотборе в рифтовых зонах Тихого и Атлантического океанов. Уникальный скважинный материал, характеризующий глубинное строение действующей гидротермальной рудообразующей системы и внутреннюю структуру крупной океанской сульфидной залежи, был получен автором в ходе его работы в 139-м рейсе судна "JOIDES Resolution" по международной Программе океанского бурения (ODP) на хр. Хуан-де-Фука.
Личный вклад автора определяется его непосредственным участием во всех стадиях исследований—от сбора и первичной обработки материала в рейсах научно-исследовательских судов НПО "Севморгеология" (два из которых проводились под его научным руководством) и других организаций, до внедрения результатов в практику геологоразведочных работ. Диссертационная работа выполнена в рамках плановых научных исследований ВНИИокеангеология по проблеме гидротермального и гидротермально-осадочного рудсобразования, в которых автор принимал участие с момента их постановки в 1981 г.
Непосредственный научный вклад автора состоит в разработке следующих вопросов:
—типизации океанских гидротерм, сопоставлении их с рудообразуюши-ми гидротермами суши и выявлении факторов, влияющих на их металло-носкость;
—выяснении природы тектонического и магматического контроля гидротермальной рудоносности рифтовых океанических хребтов;
—определении наиболее общих черт состава и строения и объяснении характера эволюции океанских сульфидных залежей в различных геолого-структурных обстановках;
—уточнении характера процессов рассеяния гидротермального вещества вокруг горячих источников океанских рифтов;
—установлении принципов возможного сопоставления современных и древних колчеданных залежей и прогнозирования гидротермального оруденения в океанической коре.
Вместе с тем, многие из затронутых в диссертации вопросов разрабатывались автором совместно с коллегами. Балансовые геохимические расчеты ювенилыюй поставки вещества при формировании гидротерм, послужившие основанием для выводов о роли мантийных флюидов в океанском рудогенезе, в окончательном виде выполнены Д.В.Гричуком (МГУ)(Гричук, Краснов, 1989). Анализ тектонических критериев рудоносное океанических рифтов во многом базируется на результатах морфоструктурного анализа, выполнявшегося И.М.Порошиной. Образцы сульфидньгх руд изучались автором совместно с Т.В.Степановой, производившей статистическую обработку геохимических данных. Конкретное сопоставление типов современного и древнего колчеданного оруденения проводилось вместе с ЕА.Ельяновой ЩНИГРИ)(Краснов,Ельянова, 1990). ГЛАвдейко (ИВ ДВО РАН) были впервые сформулированы некоторые использованные в диссертации положения, касающиеся тектонического контроля современной гидротермальной деятельности в островодужных обстановках (Авдейко, Краснов, 1985). В.Е.Попов (ВСЕГЕИ), используя собранные автором совместно с ГА.Черкашевым материалы, впервые обратил внимание на специфические черты состава окраинно-океанических гидротермальных образований.
Защищаемые положения:
-
Металлоносность гидротерм известных в океане типов определяется выщелачиванием рудных компонентов из магматических пород и осадков, без значимой ювенилыюй поставки металлов.
-
Распределение гидротерм контролируется близповерхностными магматическими камерами, геологические условия локализации которых зависят от скоростей спрединга. При быстром спрединге они постоянно развиты на ненарушенных приподнятых участках осевых зон рифтов, а при медленном—формируются эпизодически, при сопряжении очагов вулканизма с разломами.
-
Состав океанских сульфидных залежей зависит от типа подстилающего субстрата, определяющего отношения Pb/(Cu + Zn) в рудах, степени его гидротермальной проработки, влияющей на отношения Cu/Zn, и от степени рассеяния рудного вещества, контролирующей отношения (Cu + Zn)/Fe. Внутреннее строение залежей определяется постесдиментаци-онными изменениями на поздних стадиях роста рудных тел.
-
Параметры гидротермальных ореолов в наибольшей степени определяются фоновыми характеристиками среды рассеяния, а распределение в них элементов—процессами сорбции как гидрогенных, так и собственно гидротермальных компонентов рудными взвесями. Степень контрастности литохимических ореолов в пределах рифтовых океанических хребтов связана со скоростями спрединга.
-
Сопоставление современного и древнего колчеданного оруденения требует раздельного рассмотрения геологических условий рудообразования и его тектонических обстановок. Большинство древних колчеданных месторождений, сохранившихся на континентах, сформировано в задуговых (кипрский, оманский, филизчайский типы) и островодужных (типы уральский, алтайский, куроко) обстановках. Залежи, находящиеся в собственно океанической коре, в основном уничтожаются вместе с ней при субдукции. Прогноз рудоносносги знутриплитных зон океана может основываться на
данных о современном рудообразовании в его вулканически активных структурах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней рассматривается весь комплекс геологических факторов, контролирующих океанский гидротермальный рудный процесс и определяющих специфику его проявления в различных обстановках, в сопоставлении с соответствующими процессами в древних океанах.
Критерии, определяющие металлоносность океанских рудообразующих растворов, анализируются с точки зрения общих особенностей формирования рудообразующих гидротерм Земли. Дается первая расчетная оценка ювенильной составляющей металлоносное океанских гидротерм. В рамках единой концепции рудогенеза рассмотрены факторы, определяющие различия в структурном контроле оруденения на хребтах с различными скоростями спрединга. Особенности вещественного состава океанских сульфидных скоплений впервые раскрыты с позиций их эволюции, что позволяет объяснить вьивлєнньіє общие черты строения залежей. В отличие от предшествующих работ где сравниваются гидротермальные рудные процессы в современных и древних океанах, сформулированы общие принципы такого сравнения.
Практическое значение диссертации определяется:
—возможностью прогноза оруденения различных геохимических типов в'разных геолого-структурных зонах океана, выявления обстановок преимущественной локализации сульфидных руд и предсказания главнейших особенностей внутреннего строения залежей;
—перспективами использования результатов для уточнения условий образования и закономерностей размещения древних колчеданных залежей, эксплуатируемых на континентах.
Реализация результатов заключается в использовании их при оценке перспектив рудоносности Мирового океана, выборе направлений геологоразведочных работ на океанское гидротермальное орудененне, и при разработке методики этих работ.
Используя свои разработки, автор принимал участие в составлении первых карт, характеризующих перспективы гидротермальной рудоносности океана, в том числе опубликованных "Карты теплового потока и гидротермального оруденения в Мировом океане" (гл. ред. И.С.Грамберг и АА.Смыслов, Ленинград, 1986), "Карты твердых полезных ископаемых Мирового океана" (Кутна Гора, Чехословакия, 1991) и карты геологии и металлогении плейстоцен-голоценового комплекса "Атласа карт геологии и минерагении верхнеюрско-четвертичного чехла в океанах и на континентах" (гл. ред. И.СГрамберг, Москва, 1991). Он явился основным составителем раздела, посвященного гидротермальной рудной минерализации, при создании во ВНИИокеангеология первой металлогенической карты Мирового океана.
Исследования диссертанта легли в основу отечественных программ геологоразведочных работ на океанские сульфидные руды. Он принимал участие в создании всех методических документов, по которым ведутся эти работы, главнейшими из которых являются Временные методические указания по проведению региональных (1988 г.) и поисковых (1989 г.) работ на глубоководные полиметаллические сульфиды в Мировом океане. Данные
автора широко использовались при планировании производственных рейсов судов НПО "Севморгеология", а сам он систематически участвовал в проектировании и выполнении этих работ.
Апробация работы. Главнейшие результаты и отдельные положения диссертации докладывались автором на 2 Всесоюзном совещании "Генетические модели эндогенных рудных формаций" (Новосибирск, 1985 г.), 2 Всесоюзном совещании "Текторчка лигосферных плит" (Звенигород,
-
г.), на сессии Всесоюзного Минералогического Общества (Ленинград,
-
г.), совещании "Металлогения современных и древних океанов" (Москва, 1991 г.), конференции "Вулканогенно-осацочное рудообразование" (Ленинград, 1992 г.), на Л' Межведомственной конференции по новейшим достижениям в морской геологии (Санкт-Петербург, 1993 г.), а также на 6—9 Всесоюзныд и 10 Международной школах морской геологии (Геленджик, 1984, 1986, 1988, 1990 и 1992 гг.), совещаниях стран-членов СЭВ по изучению минерально -сырьевых ресурсов океана (Ленинград, 1986 и 1989 гг.), 29 сессии Международного Геологического Конгресса (Киото, 1992 г.). Автор неоднократно выступал с изложением результатов своих исследований на заседаниях экспертной группы по глубоководным полиметаллическим сульфидам Комитета Российской Федерации по геологии и использованию недр, на Ученом Совете ВНИИокеангеология и на семинаре геолого-физического сектора Института океанологии РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 80 работах. Среди них три коллективных монографии, в том числе "Гидротермальные сульфидные руды и металлоносные осадки океана" (СПб, Недра, 1992), составителем которой явился автор.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения (каталога проявлений сульфидного оруденения в океане) общим объемом 237 стр. (71 рис., 14 табл., список литературы 283 наименования).