Марганцевые конкреции

Одним из самых замечательных открытий, сделанных экспедицией "Челленджер" во время рейса 1873-1876 гг., было обнаружение на дне океанов большого количества черных гидратированных конкреций двуокиси марганца. В начале этого столетия сотрудник Гарвардского университета Александр Агассиц поднимал такие конкреции почти на каждой станции в глубоководных областях восточной части Тихого океана в течение ряда океанографических экспедиций. Марганцевые конкреции и корки являются одной из форм пелагической седиментации. Однако в общем балансе океанских осадков они имеют подчиненное значение в связи с их относительно малым количеством. С экономической точки зрения марганцевые конкреции являются важнейшими глубоководными осадками океана.

Формы нахождения железо-марганцевых окислов на дне океана

Окислы марганца и железа образуют на океанском дне зерна, стяжения, плиты и корки, обычно покрывающие выходы коренных пород. Они импрегнируют пористые образования, а также замещают и выполняют обломки кораллов и органогенных частиц. Мелкие зерна диаметром 0,5 мм, сложенные двуокисью марганца, являются почти постоянными компонентами красных глин и довольно часто встречается среди органогенных илов пелагических областей Мирового океана. Скалы на дне океана нередко оказываются покрытыми коркой окислов марганца и железа, толщина которой иногда достигает 10-15 см. Окислы марганца часто покрывают попавшие на дно обломки пород, например валуны гранита или песчаника, принесенные айсбергами либо водорослями. Осколки артиллерийских снарядов, извлекаемые иногда с морского дна, покрыты коркой окислов марганца и железа толщиной несколько миллиметров, причем накопление этих железо-марганцевых соединений происходило в течение всего нескольких десятков лет. Обломки пемзы и кораллов нередко бывают покрыты и импрегнированы минералами, представленными окислами марганца и железа. С экономической точки зрения, учитывая при этом технические возможности добычи, конкреции являются важнейшей формой нахождения на дне океана окислов этих металлов.

Морфология конкреций

Рис. 38. Марганцевые конкреции Атлантического океана. Подняты на станциях с координатами: А - 30° с. ш., 76° з. д., глубина 2645 м; Б - 30°51' с. ш.. 78°27' з. д., глубина 732 м; В - 29°17' с. ш., 57°23' з. д., глубина 5840 м; Г - 32°13' с. ш., 69°06' з. д., глубина 5290 м; Д - 20°24' с. ш., 66°24' з. д., глубина 5520 м; Е - 49°21' с. ш., 47°45' з. д., глубина 4840 м.

Форма марганцевых конкреций весьма разнообразна. Несмотря на то что разобщенные коллоидные частицы характеризуются тенденцией к образованию конкреций сфероидальной формы, в океане, однако, имеется немало различных факторов, которые ее изменяют. При описаниях обычно отмечают, что конкреции напоминают по форме картофелины, бугорчатые шаровидные образования, похожие на пушечные ядра, шарики, таблетки и ряд других менее определенных форм. И хотя конкреции какого-то определенного участка океана обычно близки по размерам, форме и внешнему виду, то есть обладают рядом общих черт, указывающих на их групповое сходство, примечательно также и то, что конкреции, поднятые из различных частей океана, как правило, однотипны по своим морфологическим характеристикам. На рис. 38-41 изображено несколько различных форм марганцевых конкреций.

Рис. 39. Марганцевые конкреции Индийского океана. Координаты станций: А - 26°54' ю. ш., 56°04' в. д., глубина 4855 м; Б - 29°52' ю. ш., 62°36' в. д., глубина 4396 м; В - 37°50' ю. ш., 124°30' в. д., глубина 5518 м.

Если конкреция обладает заметно крупным ядром, то развивающаяся по нему конкреция повторяет в процессе роста очертания этого ядра. Однако изучение поперечных разрезов многих конкреций, показанных на рис. 38-41, свидетельствует об отсутствии у них отчетливо различимых ядер. В некоторых районах Тихого океана широко развиты плитовидные конкреции. Образование стяжений такой формы можно объяснить срастанием конкреций примерно одинакового диаметра. Многочисленные плитовидные образования среди массы устилающих дно однообразных железо-марганцевых стяжений (рис. 42) обычно представлены крупными обломками пемзы, обросшими коркой двуокиси марганца.

Рис. 40. Марганцевые конкреции северной части Тихого океана. Координаты станций: А - 29°58' с. ш., . 125°55' з. д., глубина 4325; Б - 23°17' с. ш., 138°15' з. д., глубина 4890 м; В - 22°30' с. ш., 113°08' з. д., глубина 3600 м: Г - 14° 11' с. ш., 161°08 з. д., глубина 5652 м; Д - 9°57' с. ш., 137°47' з. д., глубина 4930 м; Е - 21 °27' с. ш., 126°43' з. д., глубина 4300 м.

Поднятые из моря марганцевые конкреции обычно имеют землисто-черный или буровато-коричневый цвет со всеми переходами между ними. Конкреции, характеризующиеся высоким содержанием железа, обычно красновато-бурые, а конкреции с большим содержанием марганца - синевато-черные. Поверхность подавляющего большинства конкреций тусклая, матовая. В отличие от основной массы конкреций образцы, извлеченные в районе, находящемся примерно в 400 км к северо-востоку от Таити и в области подводного плато Блейк, около восточного побережья Соединенных Штатов, обладают стекловатым блеском.

Рис. 41. Марганцевые конкреции южной части Тихого океана. Координаты станций: А - 16°29' ю. ш., 146°33' з. д., глубина 1270 м; Б - 8°30' ю. ш., 85°36' з. д., глубина 4330 м; В - 9°00' ю. ш., 171°28' з. д., глубина 5000 м; Г - 18°55' ю. ш., 146°23' з. д., глубина 4460 м; Д - 41°59' ю. ш., 102°01' з. д., глубина 4200 м.

Твердость конкреции колеблется между 1-4 по шкале Мооса, в среднем около 3. Присутствие в конкреции относительно большого количества карбоната кальция (более 5%), играющего роль цементирующего вещества, заметно повышает их твердость и крепость. Такие конкреции с трудом поддаются дроблению. Однако при содержаниях карбоната кальция менее 2-3% конкреции, как правило, отличаются хрупкостью и легко дробятся.

Рис 42. Фотография дна Тихого океана (19°48' с. ш., 120°16' з. д. глубина 4104 м). Среди железо-марганцевых конкреций примерно одинакового диаметра заметны крупные неправильной формы обломки пемзы. Они были перенесены сюда от места вулканического извержения и затем, наполнившись водой, погрузились иа дно, где со временем обросли пленкой окислов марганца и железа (фото Н. Зенкевича, Институт океанологии/Москва)

Диаметр океанских конкреций изменяется в пределах 0,5-25 см, составляя в среднем около 3 см, если исключить при этом конкреции, имеющие ядра, а также разности относительно малых размеров. Эти размеры в известной мере обусловлены конструктивными особенностями пробоотборников, применяемых для извлечения конкреций. В самом деле, объект диаметром более 1 фута не пройдет в цепную ковшовую драгу с сечением входного отверстия 1Х3 фута; и, напротив, конкреции диаметром менее 1 см вываливались бы через ячейки сетчатой обшивки такой драги.

Рис. 43. Фотография дна океана на станции с координатами 42°50' ю. ш., 125°32' з. д., глубина 4560 м (фото К. Шипека, Лаборатория электроники ВМС США, Сан-Диего, Калифорния). Видимые на снимке образования представляют собой марганцевые конкреции и валуны либо обнажения пород, покрытые, вероятно, коркой двуокиси марганца. Площадь заснятого участка дна около 4x5 футов. При условии, что объект, находящийся в правом верхнем углу фотографии, имеет сферические очертания, его диаметр равен, как минимум, 6 футам. Однако столь большой размер конкреции маловероятен.

На фотографиях океанского дна видно, что размеры конкрециевидных объектов достигают подчас 1,5-2 м в диаметре (рис. 43), однако в действительности они могут представлять собой просто валуны или выходы коренных пород, покрытые коркой двуокиси марганца.

Самая крупная из когда-либо извлекавшихся марганцевых конкреций весом 850 кг была найдена запутанной в телеграфном кабеле во время ремонтных работ в 500 км к востоку от Филиппинских островов. После отбора образцов она была сброшена обратно в море (личное сообщение Хизена). Из сохраненных конкреций наибольшая была извлечена драгированием в районе плато Блейк. Она весит 55 кг и, как показало изучение ее поперечного разреза, нацело сложена манганитом. На рис. 44 изображена другая крупная конкреция, названная стяжением "Горизонт". Она поднята в точке с координатами 40°14' с. ш. и 155°05' з. д. Эта конкреция была захвачена спутанным тросом грунтовой трубки. Конкреция весит около 45 кг. Внутреннее ядро ее сложено твердым цеолитом, составляющим более половины объема всей конкреции.

Рис. 44. Фотографии конкреции 'Горизонт'. А - вид сбоку; Б - вид снизу; В - конкреция в разрезе. Белое вещество, слагающее внутреннюю часть конкреции, представлено преимущественно филлипситом. Толщина нижнего, подошвенного слоя конкреции, сложенного манганитом (В), равна 5 мм, а толщина верхнего слоя около 16 см.

Известно, что при формировании слоев марганцевых конкреций происходит поглощение таких радиоактивных элементов, как радий и торий. Голдберг (Goldberg, 1961), анализируя распределение этих элементов, попытался определить возраст конкреции. Согласно его расчетам, конкреция "Горизонт" формировалась со средней скоростью, равной примерно 0,01 мм за 1000 лет. При таких темпах роста необходимо около 16 млн. лет, чтобы конкреция достигла современных размеров. Однако Голдберг (Goldberg, 1963в) считает, что скорость роста не является постоянной величиной и что размеры конкреций существенно не увеличивались за последние 500 тыс. лет.

Можно полагать, что в благоприятной для формирования конкреций обстановке их диаметр может достигать величин порядка нескольких метров. Однако имеющаяся на сегодня информация позволяет считать, что вероятность нахождения значительных количеств таких конкреций весьма невелика. Подавляющее большинство поднятых при помощи драгирования конкреций не превышает 8 см в диаметре, а толщина корок, сорванных со скальных обнажений морского дна, как правило, менее 10 см. Судя по фотографиям морского дна, средний диаметр конкреций находится в пределах 2-4 см. Плотность ряда конкреций, анализы которых приведены в табл. 30, меняется от 2,07 до 3,07, составляя в среднем 2,49 г/см³. Можно с известной уверенностью полагать, что конкреции из одной из той же залежи обладают одинаковой плотностью. Однако это заключение основано на данных опробования группы конкреций, взятых из единственной залежи.

Ядра конкреций

Химическая природа конкреционных ядер, очевидно, не влияет как на осаждение окислов марганца-железа, так и на состав самой конкреции. Эти ядра могут быть представлены карбонатами, фосфатами, цеолитами, глинами и различными минеральными формами кремнезема. В сущности, ядром конкреции может быть любой твердый объект. Меррей и Ренард (Murray, Renard, 1891) пишут, что наиболее часто ядра конкреций представлены основными и кислыми силикатами, например пемзовыми и стеклянными лапиллями, как правило, глубоко измененными. Следующими по распространенности являются ядра, представленные зубами акул и других рыб, отолитами, костями китов, кремневыми и известковыми губками. В ядрах конкреций встречаются также раковинки фораминифер. Кроме того, окислы марганца накапливаются на поверхностях скальных обнажений всевозможных форм, вскрывающихся на морском дне, а также на различных предметах, сброшенных с судов в море. В разрезах многих конкреций ядра не различимы. Весьма вероятно, что коллоидные осадки или микроскопические зерна осадков сами могут служить в качестве ядер конкреций.

Рис. 45. Разрез марганцевой конкреции, поднятой на станции с координатами 20° 24' с. ш., 66°24' з. д., глубина 5520 м. Атлантический океан, к северу от Пуэрто-Рико. Во многих случаях конкреции состоят из двух частей - наружных слоев, сложенных неплотным, рыхлым веществом, и более плотного, крепкого ядра. А - наружные слои частично сколоты; Б - хорошо видна концентрически-слоистая структура роста, напоминающая луковицу в разрезе (четырехкратное увеличение). Эта особенность строения характерна для всех океанских марганцевых конкреций.

Во многих случаях внешняя форма конкреции определяется формой ядра. В ряде случаев конкреционные ядра не представляют собой единого тела, а состоят из нескольких частей. При расположении таких ядер тесно одно возле другого формирующиеся стяжения срастаются в единую конкрецию с несколькими выпуклостями. Поверхность таких конкреций обычно бывает покрыта разнообразными игольчатыми и сосцевидными наростами.

Помимо наличия ядер, о конкреционной природе рассматриваемых стяжений свидетельствуют также их наружный и внутренний облик, почковидное строение и криптокристаллический характер слагающего их вещества. В разрезах этих конкреций отчетливо видно концентрическое расположение слоев. Такая луковицеобразная структура, показанная на рис. 45, возникает обычно при коагуляции коллоидных частиц. Кроме того, как показал Калиненко (1949), подобное строение характерно для осадков двуокиси марганца, образовавшихся в результате формирующей деятельности бактерий. Концентрические слои конкреций перемежаются тонкими прослойками глины и ила, толщина которых обычно менее 0,1 мм. Если конкрецию разбить или раздробить, то концентрические слои отделяются по прослойкам.

Рис. 46. Микрофотография полированной поверхности участка слоя конкреции, показанной на рис. 45. Видны сферические с характерной концентрической полосчатостью образования окислов марганца - железа, развитые среди мелких обломочных зерен (увеличено в 55 раз).

Отдельные концентрические слои, сложенные окислами марганца и железа, в общем заметно различаются по толщине. Это указывает на меняющуюся скорость формирования конкреций, на прерывистые периоды роста и на значительные изменения темпов накопления ассоциирующих с ними осадков. При больших увеличениях (см. рис. 46) можно различить концентрически-слоистое строение оболочки, напоминающее оолитовую структуру континентальных вадовых образований.