Обсуждение

Предварительные соображения

Явления, связанные с подводными экструзиями лав, все еще далеки от исчерпывающего их понимания. И, тем не менее в нашем распоряжении имеются результаты исследований ряда эффузивных пород различных геологических возрастов, происхождение которых связано с подводными извержениями, а также материалы изучения образцов, непосредственно поднятых со дна океана. Данные этих исследований позволяют представить отчетливую картину процессов образования этих пород, по крайней мере, с петрологической точки зрения. Более подробное обсуждение, а также литературные ссылки по этим вопросам приводятся в работе Нейаду (Nayudu, 1962a).

Можно полагать, что при излиянии основных лав на дне океана обычно происходит интенсивное взаимодействие их с морской водой. В некоторых случаях процессы быстрого остывания вызывают грануляцию либо тонкое распыление лавы. Частички расплава наиболее глубоко и непосредственно реагируют с морской водой, в результате чего они гидратируются и из них образуется материал, называемый палагонитом. Последний, в сущности, представляет собой стекло с весьма высоким содержанием воды (до 20%). Лишь кристаллические компоненты относительно свежих палагонитов представлены в большинстве случаев ядрами нонтронита и иногда гётита. Такой палагонитовый материал нередко играет роль изолирующей основной массы, в которой заключены обломки лавы; последние лишены возможности непосредственно реагировать с морской водой, и при остывании из них формируется нормальное базальтовое стекло (сидеромелан) или в конечном счете кристаллический базальт. Таким представляется происхождение так называемых палагонитовых туфов, либо, пользуясь терминологией Риттмана (Rittmann, 1962), гиалокластитов.

В тех случаях, когда экструдируются большие количества лавы, защитно-изолирующая гиалокластитовая оболочка обычно предохраняет более глубоко расположенные жидкие массы лавы от быстрого остывания, что приводит к их частичной кристаллизации. Тем не менее допускается, что на больших глубинах океанского дна, где под значительными давлениями находятся колоссальные количества воды, подавляющая часть многих основных лав (в зависимости от их объема) реагирует с морской водой и, охлаждаясь, преобразуется в палагонитовый материал.

Характерная для палагонитовых стекол высокая гидратация является причиной их относительно быстрого разложения в морской воде. В результате таких преобразований образуются не только минералы монтмориллонитовой группы и гётит; преобладающей кристаллической фазой в накоплениях подобного типа являются цеолиты (обычно филлипситы). В работах Нейаду (Nayudu, 1962b, 1964) также показано, что цеолиты развиваются по неустойчивому палагониту. При этом важно отметить, что громадные площади дна Тихого океана (например, район развития цеолитовых осадков в южной части океана) сложены преимущественно этими компонентами. Недавними работами Бонатти (Bonatti, 1963) показано, что филлипсит тихоокеанских пелагических осадков неизменно сопровождается гиалокластическим материалом и нонтронитом и что изначальное развитие цеолитовых кристаллов происходит в палагонитовых зернах. И пока неизвестно никаких еще других данных, которые свидетельствовали бы о том, что высокие концентрации филлипсита среди некоторых пелагических осадков Тихого океана образовались иным путем. Таким образом, в целом мы можем считать, что наличие огромных количеств этого минерала на океанском дне непосредственно связано с подводными вулканическими извержениями.

Обсудим изложенные выше наблюдения, а также результаты исследований других авторов, пытавшихся проверить гипотезу образования марганцевых конкреций, предложенную Голдбергом и Аррениусом. Известно, что, согласно этой гипотезе, локально-вулканическое происхождение марганцевых конкреций отрицается.

Наблюдения

А. Согласно гипотезе Голдберга - Аррениуса, извлечение марганца и родственных металлов из морской воды может происходить теми поверхностями образца, которые находятся в непосредственном контакте со свободно циркулирующей придонной водой. Для конкреции, лежащей на дне океана, такой полный контакт с морской водой осуществим лишь для ее верхней поверхности. В то же время многие конкреции, обладающие более или менее сферической формой, оказываются почти полностью покрытыми толстой коркой окислов железа-марганца. Для того чтобы преодолеть эту трудность, Меро (Mero, 1962) полагал, что такие конкреции обыкновенно переворачиваются донными илоедами. Поскольку каждая часть поверхности конкреций под действием этих организмов может периодически вскрываться для контакта с морской водой, этим путем можно объяснить их симметричный рост. Однако подобное объяснение нельзя признать состоятельным для большого числа конкреций, которые слишком велики и тяжелы, чтобы донные организмы могли бы их переворачивать. В качестве примера можно упомянуть конкрецию "Горизонт" (см. рис. 1) или образец со станции DWHD 72, показанный на рис. 6. Последняя конкреция имеет почти сферическую форму, диаметр ее около 20 см. Конкреция полностью покрыта окисной коркой толщиной примерно 0,5 см. Очевидно, что эти образцы не являются чем-то необычным. Они могли сформироваться в результате, медленного осаждения марганца из морской воды лишь в том случае, если эти образования каким-то образом плавали над дном океана.

Б. Наблюдениями установлено, что концентрации конкреций на дне существенно меняются от одного участка к другому. Наглядным примером этому могут служить две фотографии дна Атлантического океана, снятые Б. Хизеном в пределах выровненного участка в нескольких десятках метров одна от другой (Arrhenius, 1963). На одной из этих фотографий видно огромное число конкреций, тогда как на другой конкреций почти нет. Подобные наблюдения нередки. Но, даже принимая во внимание, то влияние, которое могли оказывать глубинные морские течения, все же кажется невероятным, что в результате медленного осаждения марганца из такого почти однородного раствора, каким является морская вода, происходило бы формирование локально резко различающихся концентраций конкреций. К тому же подобные различия наблюдаются и в равнинных частях глубокого океанского дна.

Приведенные наблюдения иллюстрируют те трудности, которые нельзя преодолеть, придерживаясь гипотезы Голдберга - Аррениуса, при объяснении некоторых очень общих особенностей железо-марганцевых минералов океана.

Ассоциация конкреций с вулканитами

Как уже упоминалось выше, марганцевые конкреции обычно встречаются в тесной ассоциации с вулканическим материалом (Murray, Renard, 1891; Petterson, 1945; Mero, 1962 и др.). В работах Голдберга и Аррениуса (Goldberg, Arrhenius, 1958) и Аррениуса (Arrhenius, 1963) показано, что подобные факты свидетельствуют не более как о низких скоростях отложения обломочного материала в этих областях, в результате чего происходит концентрирование аутогенных минералов и остаточных вулканических продуктов; в противном случае вулканические частицы оказались бы рассеянными в количественно намного преобладающем кластическом осадке. Таким образом, эти авторы считают, что широко распространенная ассоциация железо-марганцевых окислов с вулканическими образованиями не позволяет допустить общность происхождения этих двух компонентов. Относительно такой точки зрения можно сделать ряд замечаний.

А. Нельзя, очевидно, принять в целом допущение, что марганцевые окислы концентрируются в осадках, для которых характерна весьма низкая скорость седиментации. Во многих случаях конкреции были найдены на участках с относительно высокими скоростями аккумуляции, например в Калифорнийском заливе.

Хатчинсон в своей работе (Hutchinson, 1947) продемонстрировал отсутствие корреляции между периодами низких скоростей седиментации и высокими содержаниями марганца в колонках грунтов из Атлантического океана. Химические анализы образцов, отобранных Шведской глубоководной экспедицией, показывают, что вертикальное распределение марганца в некоторых колонках осадков из Атлантического и Тихого океанов характеризуется весьма отчетливыми максимумами и минимумами (Landergben, 1954; Berrit, Rotshi, 1956). Подобные флуктуации столь резки, что их нельзя объяснить только изменениями скоростей седиментации в течение медленного непрерывного химического осаждения марганца; это обстоятельство подчеркивалось также и в работе Петтерсона (Petterson, 1959).

Б. Особого внимания заслуживают петрографические ассоциации различных фаз в пределах марганцевых конкреций. Например, осадки того участка дна океана, где была поднята конкреция "Горизонт", представлены преимущественно терригенными частицами кварца, полевых шпатов, мусковита, хлорита и других минералов. Некоторые из этих зерен, как упоминалось выше (см. стр. 331), были обнаружены в трещинках рассматриваемой конкреции. Наличие в этой седиментационной обстановке чистого цеолита, в частности филлипсита, обнаруженного во внутренней части конкреции, не может быть объяснено низкой скоростью седиментации. Напротив, допускается возможность существования какого-то явления, которое обычно нарушало слабое накопление осадков в этой части океанского дна. Филлипсит и палагонит конкреции "Горизонт" являются типичными конечными продуктами изменения лавы, экструдированной под водой. Описанные выше структурные особенности, в частности рассеянность филлипситового материала в фазе окислов железа и марганца, противоречат представлениям о весьма медленном осаждении марганца из морской воды, которые постулируются гипотезой Голдберга - Аррениуса. Наблюдаемая ассоциация указывает на близкий родственный генезис этих двух компонентов конкреции "Горизонт". Следовательно, их образование связано с подводным извержением.

В шлифах образца, поднятого с подводного хребта Мендосино (см. рис. 4), в палагонитовой основной массе хорошо видны многочисленные сегрегационные выделения железо-марганцевых окислов, близких по составу к окислам наружной корки конкреции (см. рис. 5). В конкрециях из южной части Тихого океана (станция DWHD 72) железо-марганцевые окислы встречаются не только в толстой наружной корке, но также и во внутренней части ядра в виде прожилок, пятнистых выделений и агрегатов, рассеянных в палагонитовом материале (см. рис. 6). Триасовые марганцевые конкреции, найденные в красных глинах с фаунистическими остатками на острове Тимор Малайского архипелага, также ассоциируют с вулканическим материалом (Molengraff, 1920). А сравнительно недавно Аррениус (Arrhenius, 1963) показал, что в Тиморских конкрециях нонтронит тесно прорастает фазу марганцевых окислов. Ни в одном из рассмотренных выше образцов окисная корка, по-видимому, не отлагалась на ранее существующие ядра, представленные измененными вулканическими породами. В литературе имеется немало подобных примеров, начиная с описаний Меррея и Ренарда (Murray, Renard, 1891).

Сегрегационные выделения железо-марганцевых окислов нередко встречаются также внутри гиалокластических образований. Выше уже описывались эоценовые гиалокластиты из Орегона (см. рис. 7); другим примером могут служить гиалокластовые породы, ассоциирующие с подводной горой в юго-восточной части Тихого океана (18°35' ю. ш., 126°25' з. д.), показанные на рис. 3.

Изучение большого числа образцов, отобранных со дна Тихого океана, позволяет установить существование непрерывного ряда пропорциональных количеств двух ассоциирующих фаз (железо-марганцевые окислы и гиалокластиты). Таким образом, мы можем проследить весь этот ряд, начиная с образцов, представленных гиалокластитами с ничтожными сегрегационными выделениями окислов железа, марганца, до образцов, сложенных преимущественно железо-марганцевыми минералами с весьма незначительными количествами гиалокластических остатков.

В. Рассмотрев особенности ассоциации марганцевых конкреций с измененными вулканическими материалами, остановимся кратко на географическом распространении конкреций в Тихом океане, начав немаловажной цитатой из работы Голдберга (Goldberg, 1961): "На дне глубокого моря аутигенные цеолиты, в частности филлипситовый материал, встречаются совместно с железо-марганцевыми минералами, образуя наряду с ними крупные скопления".

Известно, что марганцевые минералы в грандиозных количествах распространены на огромной площади южной части Тихого океана. Другими главными компонентами осадков океанского дна этой области являются филлипситовые кристаллы (нередко свыше 50% общего содержания), глинистые минералы смектитовой группы и зерна палагонитового состава; количества же терригенных компонентов, напротив, весьма незначительны (Arrhenius, Bonatti, в рукописи). Наблюдавшиеся в этом регионе филлипситовые кристаллы образовались непосредственно из палагонита (Bonatti, 1963). Таким образом, имеются прямые доказательства того, что поверхность океанского дна региона, где отмечены огромные накопления марганцевых конкреций, сложена главным образом измененными подводными лавами.

Другой физико-географической обстановкой дна океана, где отмечаются особенно высокие концентрации железо-марганцевых минералов, являются участки склонов и вершины подводных гор. Эти геоморфологические структуры, как правило, ассоциируют с широко развитыми палагонитовыми породами, а развитые вокруг них осадки нередко обогащены цеолитами и смектитами. Вулканическое происхождение подводных гор ныне является широко признанным (Hamilton, 1956), а в работе Нейаду (Nayudu, 1962a) описан возможный механизм их образования. В целом подобные элементы океанского дна можно рассматривать как весьма красноречивое свидетельство крупномасштабных вулканических подводных извержений. В монографии, посвященной Срединному Тихоокеанскому хребту, Гамильтон (Hamilton, 1956) отмечает, что на всех подводных горах этой системы располагаются громадные залежи двуокиси марганца, ассоциирующие с вулканическими породами мафического состава. Аналогичная ситуация известна и для подводных гор залива Аляски (Menard, Dietz, 1951; Nayudu, 1962b); близ берегов Южной Калифорнии (Emery, Shepard, 1945), где марганцевые минералы ассоциируют с различными типами пород; в северо-восточной части Тихого океана (Carsola, Dietz, 1952), где накопления железо-марганцевых окислов ассоциируют с базальтовыми и палагонитовыми породами. В работе Мэттьюза (Matthews, 1961) описаны образцы базальтов и палагонитовых туфов, ассоциирующие с окислами марганца на абиссальной возвышенности в северо-восточной Атлантике; автор придерживается теории локального происхождения марганца из базальта.

Высказывались мнения, что крупные накопления марганцевых минералов на вершинах подводных гор обусловлены весьма незначительной терригенной седиментацией. Однако марганцевые залежи, аналогичные тем, что располагаются на вершинах подводных гор, нередко встречаются и поблизости от них на плоских, выровненных участках океанского дна. В этом отношении небезынтересна подводная гора Кобб, находящаяся в Аляскинском заливе, и расположенная поблизости подводная равнина Каскадиа - участок относительно высоких темпов седиментации. Несмотря на их столь резкое морфологическое различие, оба участка существенно обогащены марганцевыми окислами. Хорошо известно также, что толщина марганцевых корок на образцах, отобранных с вершины одной и той же подводной горы либо с вершин располагающихся поблизости и геологически родственных гор, может сильно варьировать (Dietz, 1955). Такой результат представляется весьма маловероятным, если полагать, что образование этих накоплений происходит в условиях непрерывного медленного осаждения. Таким образом, наблюдения над залежами марганцевых конкреций, располагающихся как в условиях равнинных участков океанского дна, так и на подводных горах, позволяют исключить низкую скорость седиментации как важный фактор в формировании окисных накоплений.

Итак, изложенные выше наблюдения свидетельствуют и о присутствии вулканогенных фаз в конкрециях и о географической ассоциации этих конкреций с такими фазами в Тихом океане.

Совершенно очевидно, что подобные соотношения нельзя рассматривать как следствие низких скоростей терригенной седиментации, напротив, они указывают на общность происхождения вулканических материалов и железо-марганцевых минералов.

Вулканическое происхождение конкреций

Допуская, что железо-марганцевые минералы на дне Тихого океана генетически связаны с подводными вулканическими извержениями, нужно ответить на следующие вопросы:

• A. Каким образом марганец и железо экстрагируются из подводной лавы и почему отношение Mn/Fe в конкрециях значительно выше, чем в любой нормальной базальтовой магме?
• Б. Каким образом можно объяснить концентрирование в конкрециях таких малых элементов, как Cu, Ni, Zn, Co, Pb и др.?
• B. Что представляет собой скорость роста конкреций?
• Г. Какие количества базальтовой лавы могут потребоваться, чтобы объяснить наблюдаемые концентрации железо-марганцевых минералов в Тихом океане, и где находятся остатки этих лав?

Рассмотрим каждый из этих вопросов в отдельности.

А. Отделение марганца во время подводного извержения. В многочисленных работах разных авторов отчетливо показано, что ряд марганцевых залежей (некоторые из них имеют экономическое значение), расположенных в различных областях земного шара, тесно ассоциируют с подводными излияниями лав мафического состава. Классическим примером является Олимпийский полуостров в США, где Парк (Park, 1946) отметил тесную ассоциацию марганцевых минералов со спилитовыми подушечными лавами. Им были найдены доказательства того, что марганец выщелачивается из магмы во время подводного извержения и отлагается в виде гнезд, карманов и плитовидных накоплений близ кровли лавовых потоков. Аналогичная ситуация наблюдается в марганцевых и медных залежах раннемелового возраста в провинции Коквимбо (Чили), описанных Аквирром и Мехечем (Aquirre, Mehech, 1964).

Примерами вулканогенных месторождений могут служить марганцевые залежи на Кубе (Park, 1942), в породах Францисканской формации в Калифорнии (Taliaferro, Hudson, 1943), залежи в Южной Америке (Wurm, 1953) и Японии (Yoshimura, 1953). Такое местоположение этих месторождений вряд ли можно рассматривать лишь как простое совпадение, скорее оно свидетельствует о существовании общих весьма благоприятных условий для экстрагирования марганца из лавы при взаимодействии горячих лав с морской водой. Механизм экстрагирования и отделения марганца, который затем может накапливаться, обстоятельно описан в работах Краускопфа (Krauskopf, 1956, 1957). Его гипотеза может быть использована в качестве основы для объяснения способа образования железо-марганцевых залежей в условиях глубокого моря.

Хорошо известно, что кислые восстановительные условия благоприятствуют нахождению в растворах соединений железа и марганца. Когда основные лавы экструдируются на дно океана, происходит их взаимодействие с грандиозными массами морской воды, причем последняя является хорошим растворителем для кислых газов магмы. Образующиеся при этом кислые растворы циркулируют через лаву, выщелачивая некоторые количества железа, марганца и других элементов. Течению этого процесса способствуют широкая раздробленность и распыленность лавы, возникающие во время ее излияния. Постепенно в реакционную систему вступают все большие и большие объемы морской воды, нейтрализуя кислые растворы и поставляя кислород. В результате такого взаимодействия вначале происходит высаживание подавляющих количеств железа, тогда как марганец, отличающийся большей растворимостью, отделяется от железа и концентрируется. Со временем растворы, обогащенные марганцем, вступают в контакт с морской водой, содержащей относительно повышенные количества кислорода. В этих условиях начинается осаждение марганца и остаточного железа в форме конкреций, плитовидных образований и корок. Нередко совместно с окислами этих элементов накапливаются и тонкие гиалокластические частицы. Таким образом, марганец отлагается на площадях, окружающих участки вулканической активности; не исключено также, что некоторые количества этого элемента могут переноситься на известные расстояния.

Выше при рассмотрении этих вопросов было допущено их чрезмерное упрощение; однако все же удалось достаточно убедительно объяснить петрологические и химические соотношения для обсуждавшихся наземных марганцевых залежей; сделанные выводы были подтверждены рядом лабораторных экспериментов (Krauskopf, 1957, стр. 73). И наконец, изложенные взгляды полностью соответствуют основным чертам железо-марганцевых залежей глубокого моря.

Некоторые данные о весьма высокой подвижности железа и других металлических ионов при взаимодействии горячих лав с морской водой могут быть получены при изучении палагонитов. В шлифах этих пород нередко удается наблюдать характерные сегрегационные выделения темных окислов в форме глобулитов, пятен и гроздьевидных структур, показанных на рис. 3 и 5. Подобные выделения наблюдались рядом авторов, начиная с Пикока (Peacock, 1926), с его классической работы об исландских палагонитах. Эти структуры подтверждают в микромасштабе процесс миграции и отделения металлических элементов, происходящий при высокотемпературном взаимодействии лавы и воды.

Интересно отметить, что Базер (Buser, 1959) в своей работе описывает три марганцевых окисных минерала, широко встречающихся в конкрециях и отражающих возрастание степени окисления при их формировании в следующей последовательности: "10Å-манганит" → "7Å-манганит" → "MnO₂". Подобные соотношения, очевидно, хорошо согласуются с описанным выше механизмом осаждения марганца, при котором, как предполагается, происходит прогрессивное возрастание окислительных условий во время процесса осаждения.

Образование так называемой "слоистости", наблюдаемой в некоторых конкрециях, можно объяснить низкой степенью разделения железа и марганца, в свою очередь обусловленной локально весьма изменчивыми величинами окислительно-восстановительного потенциала и кислотности во время извержения. Кроме того, не исключена также возможность перемешивания компонентов донных осадков с вулканическими материалами во время излияния или взмучивания вулканогенных растворов. В результате, терригенные минералы либо биогенные остатки легко могут оказаться включенными в железо-марганцевые агрегаты. Таково, по всей вероятности, происхождение найденных в марганцевых конкрециях Тихого океана зубов акул и слуховых косточек китов. Наблюдаемая в марганцевых конкрециях и ассоциирующих с ними осадках высокая величина отношения Mn/Fe по сравнению с его низким значением в базальтовых лавах объясняется описанным выше процессом частичного отделения марганца из лавы. Потеря железа из этого баланса, возможно, обусловлена осаждением этого элемента на ранних фазах при возрастании щелочности и окисления растворов, богатых Fe и Mn.

Марганцевые конкреции довольно часто ассоциируют с железистой поверхностью донных осадков. Однако вероятно и то, что некоторая часть железа избирательно погребена под поверхностью океанского дна. В настоящее время еще затруднительно подсчитывать количественный баланс этого элемента, поскольку в нашем распоряжении имеются результаты всего лишь нескольких химических анализов осадков, ассоциирующих с конкрециями. Кроме того, мы не располагаем как результатами бурения на вершинах подводных гор, так и глубокими колонками грунтов из района развития цеолитовых осадков в южной части Тихого океана.

Вторичное обогащение марганцем поверхностных слоев донных океанских осадков, возможно, также обусловлено высокими значениями отношений Mn/Fe, которые определялись в некоторых лелагических глинах. Такое обогащение связано с медленной направленной вверх миграцией марганца из захороненных осадков, пребывающих в стадии диагенеза, когда марганецсодержащие растворы попадают в слабо восстановительную обстановку. Этот процесс ранее был описан в работе Меррея и Ирвина (Murray, Irvine, 1895) и позднее в работе Петтерсона (Petterson, 1945). Последний, однако, не смог найти прямых доказательств существования этого процесса в анализах ряда осадков сравнительно небольших грунтовых колонок, поднятых со дна Атлантического океана экспедицией Корренса. Гольдшмидт (Goldschmidt, 1954) также отмечал важность обсуждаемого процесса.

Рис. 8. Распределение марганца, обладающего относительно повышенной способностью к восстановлению (экстрагирован сульфатом гидроксиламина), в колонке осадков из северной части Тихого океана (станция Chub. 8, 10°13,5' с. ш., 125°25,3' з. д.).

Полученные за последнее время данные показывают, что в некоторых глубоководноморских седиментационных обстановках миграция марганца действительно имеет место. На рис. 8 показано распределение концентраций Mn, обладающего относительно повышенной способностью к восстановлению, в колонке осадков из Тихого океана. В то же время в колонке не наблюдается заметного увеличения содержаний железа к поверхностным слоям осадка. Иными словами, рассматриваемый процесс не влияет на распределение железа. Интересные факты наблюдались Д. Линн. В осадках из восточной, тропической части Тихого океана она обнаружила темный, обогащенный марганцем слой в верхнем пласте нескольких грунтовых колонок. Мощность таких слоевидных накоплений в колонках осадков увеличивается по мере их удаленности от берегов Центральной Америки (рис. 9); в осадках, залегающих ниже этого слоя, наблюдались признаки, указывающие на восстановительные условия.

Рис. 9. Схема расположения станций отбора колонок осадков в Тихом океане близ Гватемалы, По мере удаления от берега континента возрастает мощность обогащенного марганцем верхнего слоя колонки (по Линн).

В работе Безрукова (1960) приводятся результаты исследования осадков западной части Тихого океана. Автор указывает, что близ поверхности осадков располагается слой с относительно высоким содержанием марганца по сравнению с нижележащими осадками. Мощность этого окисленного слоя в различных участках существенно меняется; можно полагать, что она увеличивается в сторону открытого океана, но длина применявшихся колонок для отбора грунтов оказалась недостаточной, чтобы пробоотборное устройство прошло через всю толщу окисленных осадков. Проведенные Безруковым измерения Eh подтверждают высказанное положение о растворении и направленной вверх миграции марганца из захороненных и находящихся в восстановительных условиях осадков.

Растворением окислов марганца при их захоронении в осадках, находящихся в восстановительных условиях, можно, по крайней мере, частично, объяснить те количественные наблюдения, согласно которым марганцевые конкреции значительно чаще встречаются на поверхности осадков, но не погребены в них.

Б. Малые элементы в конкрециях. Чтобы объяснить столь резко выраженное концентрирование в конкрециях и в некоторых ассоциирующих с ними осадках таких элементов, как Ni, Co, Cu, Pb, Zn и ряда редких земель, Голдберг (Goldberg, 1954) высказал мысль, что рассматриваемые элементы адсорбируются из морской воды окислами железа и марганца. Этим автором указывалось, что его гипотеза подтвердится, если наблюдениями будет установлено примерное постоянство отношения поглощающий элемент/поглощаемый элемент в пелагических глинах и марганцевых конкрециях. По этому вопросу важно отметить следующее:

1. В типичном случае, когда имеется система марганец (поглотитель) - никель (поглощаемый элемент), Голдберг (Goldberg, 1954) показал, что отношение Mn/Ni в пелагических колонках, отобранных Шведской глубоководной экспедицией и проанализированных Ротши (Rotshi, 1952), приблизительно постоянно, что подтверждало его гипотезу. Однако, со своей стороны, Петтерсон (Petterson, 1959) подчеркнул, что Голдберг использовал для расчетов средние величины содержаний Mn и Ni, анализ же отдельных величин Mn и Ni в каждой колонке свидетельствует о значительной изменчивости величины отношения Mn/Ni.
2. Рис. 10 иллюстрирует величину соотношения концентраций Mn и Ni в колонке осадков из северной части Тихого океана (станция Сар. 50 ВР, из работы Revelle et al., 1955). Эта колонка состоит из двух частей различного состава: верхняя часть сложена преимущественно терригенными минералами, отлагавшимися в обстановке медленной седиментации, в отличие от нее нижняя часть богата цеолитами, смектитами и железо-марганцевыми окислами. Величины отношения Mn/Ni в двух частях колонки существенно отличны. Эти различия косвенно свидетельствуют о том, что если накопление этих двух элементов в осадках верхней части колонки происходило в результате медленного осаждения, то в нижней части колонки этот процесс затушеван наличием близко расположенного нового источника марганца и, возможно, никеля. Петрологический состав осадков нижней части колонки (преимущественно продукты изменения и гиалокластиты) указывает на природу такого источника.
   
   Рис. 10. Соотношения между содержаниями марганца и никеля в колонке осадков со станции Сар. 50 ВР, 14°55' с. ш., 124°12' з. д. (Revelle et al., 1955). 1 - верхняя часть колонки; 2 - нижняя часть колонки.
   
   
3. В другой колонке из северной части Тихого океана (станция Chinook 2) наблюдаются довольно близкие с предыдущим примером особенности. Нижняя часть колонки длиной 58 см представлена темными осадками, состоящими из железо-марганцевых окислов, нонтронита и палагонитового стекла, постепенно переходящими в слой толщиной 3-4 см, почти нацело сложенный чистым филлипситом. Выше этого слоя наблюдается несогласие. Самая верхняя, 25-сантиметровая, часть колонки представлена терригенными минералами: кварцем, полевыми шпатами, слюдами, хлоритами, которые являются распространенными компонентами осадков океана. Химические анализы материала колонки (Chow, 1958) показывают, что в нижней части содержания Fe, Mn, Ni, Co, Pb, Си во много раз выше по сравнению с осадками, слагающими верхнюю часть колонки. Отношение Ni/Co почти постоянно в образцах из верхней части колонки (отлагавшихся в условиях нормальной, медленной седиментации), но резко варьирует в осадках из нижней части (рис. 11). В последнем случае можно полагать наличие локального вулканического источника. Важно отметить, что гипотеза поглощения элементов становится дискуссионной в тех случаях, когда присутствуют относительно высокие концентрации железо-марганцевых окислов.
   
   Рис. 11. Соотношения между содержаниями никеля и кобальта в колонке осадков со станции Chinook 2, 35°09' с. ш., 157°17,5' з. д. (результаты химических анализов заимствованы из работы Chow, 1958). 1 - верхняя часть колонки; 2 - переходный слой; 3 - нижняя часть колонки.
   
   
4. Если в морской воде отношение Ni/Co равно примерно 7 (Goldberg, 1961), то в марганцевых конкрециях эта величина, несмотря на ее переменный характер, в среднем близка к 1. Такое обогащение кобальтом марганцевых конкреций нелегко объяснить при помощи процессов медленного осаждения и в особенности, когда окисление Со⁺² в Со⁺³ при концентрациях этого элемента, типичных для морской воды, термодинамически маловероятно (Goldberg, 1961). В обзорной работе Дэвидсона (Davidson, 1962) приводятся данные о содержаниях Со и Ni в различных типах пород и рудных залежей; автор отмечает, что во всех типах осадков никеля всегда содержится больше, чем кобальта, в то же время отношение Ni/Co достигает либо остается ниже 1 лишь в определенных типах изверженных пород, а также в рудных залежах, происхождение которых непосредственно связано с магматизмом.
5. Наблюдениями установлено, что химический состав конкреций существенно меняется от одного места к другому, в частности величина отношения Mn/Fe/редкие металлы заметно различается в конкрециях, поднятых из различных участков океанского дна. Например, в работе Голдберга (Goldberg, 1961) описаны конкреции, почти исключительно сложенные окислами Mn и практически не содержащие железа, кобальта, никеля, меди и т. п., тогда как в других случаях конкреции содержат до 20% железа. Если принять концепцию Голдберга - Аррениуса, то крайне трудно объяснить, почему в конкрециях, образовавшихся на большом удалении от источника слагающих их компонентов (материков), наблюдаются столь резкие изменения химического состава.

Согласно Меро (Mero, 1962), на площади дна Тихого океана схематически выделяется несколько провинций, причем в каждой из них формируются конкреции близкого состава (рис. 12). Аррениус (Arrhenius, 1963) полагает, что морские планктонные организмы извлекают из морской воды некоторые редкие металлы и, следовательно, после их гибели в определенных участках дна глубоких областей океана образуются накопления этих элементов. Очевидно, что этот процесс имеет чрезвычайно важное значение для понимания некоторых проблем морской геохимии. Однако, говоря о марганцевых конкрециях, крайне маловероятно, чтобы контуры провинций, показанных на рис. 12, соответствовали бы основным биогеографическим границам зон Тихого океана.

Рис. 12. Региональные изменения химического состава марганцевых конкреций океана. Для каждой провинции показаны средний состав и максимальные концентрации характерных элементов (Arrhenius, 1963).

Выше уже рассматривались многие факторы, влияющие на процесс образования марганцевых конкреций. Так, во время подводного извержения весьма меняющиеся величины окислительно-восстановительного потенциала и кислотности обусловливают, в частности, разделение железа и марганца. Последнее в зависимости от локальных условий может достигать относительно низких или высоких степеней. При поступлении веществ из одного и того же вулканического источника могут формироваться конкреции, характеризующиеся широким диапазоном отношений слагающих их химических компонентов. Однако в целом конкреции, формирующиеся из одного и того же магматического источника, должны характеризоваться статистически близким химическим составом. На этой основе можно, очевидно, объяснить направление контуров, показанных на рис. 12. Например, хорошо выраженные границы района, в котором конкреции относительно обогащены марганцем и обеднены железом, тесно следуют направлению гребня Восточно-Тихоокеанского поднятия, которое связано с промежуточным типом вулканизма, в отличие от вулканизма более основного состава, характерного для подавляющей части бассейна Тихого океана (Petterson, Goldberg, 1962). Известно, что для андезитовых магм величина отношения Mn/Fe в среднем значительно выше, чем для более основных магм (Goldschmidt, 1954). Поэтому повышенное содержание марганца в этих лавах, естественно, должно отразиться на составе конкреций. Подобным же образом высокая концентрация кобальта в конкрециях Гавайского района может быть поставлена в связь с наблюдаемым в этом районе типом вулканизма (Mero, 1962). Рассматриваемые конкреции относительно обогащены железом, наблюдаемых больших концентраций MnO₂ в глубоких океанских впадинах (Mero, 1962; Скорнякова, 1960).

Тихий океан богат доказательствами весьма широкого подводного вулканизма. Продукты изменения палагонитов покрывают огромные площади океанского дна (Bonatti, 1963). Подводные соры и гайоты являются распространенными формами подводного рельефа, а обнажения вулканических пород либо их глыбы повсеместно встречаются на дне океана (Menard, 1960). В осадках некоторых областей океана широким развитием пользуются минералы, образовавшиеся в результате локальных вулканических процессов. Поэтому не следует недооценивать значения подводного вулканизма даже при несколько умозрительных расчетах геохимического баланса в бассейне Тихого океана; это особенно справедливо по отношению к марганцу, значительно более распространенному в пелагических осадках (красных глинах), нежели в изверженных либо в осадочных породах (Kuenen, 1950).