Александр Портнов,
доктор геолого-минералогических наук
В 1868 г. экспедиция шведского полярного исследователя Нильса Норденшельда на судне «София» подняла со дна Карского моря темные камни, оказавшиеся железомарганцевыми стяжениями (конкрециями). Затем похожие образования были обнаружены при драгировании дна Атлантики в районе Канарских островов океанографической экспедицией Великобритании на корвете «Челленджер» (1872—1876). Внимание геологов привлекло то, что кроме железа и марганца в конкрециях содержались заметные количества цветных металлов. Впоследствии подводные фотосъемки показали, что дно здесь иногда напоминает булыжную мостовую. Оно сплошь покрыто конкрециями размером 4—5 см, которые выступают из ила или образуют в верхней части грунта слой толщиной до 0,5 м. Количество руды достигает 200 кг/м2.
Руда будущего
Больше всего железомарганцевых конкреций (ЖМК) оказалось в центре Тихого океана. Там было обнаружено 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 конкрециях и корках, распространенных в этой провинции с плотностью до 10 кг/м2, очень велики и оцениваются в 380 млрд. т. Кроме того, ЖМК — мощные сорбенты. Они способствуют природной очистке океанской воды от железа, марганца и тяжелых металлов. Общие ресурсы океана превышают, по оценкам, 1,5 трлн. т конкреций. Марганца здесь больше, чем на всех его континентальных месторождениях.
Такое огромное скопление ЖМК рассматривается как комплексная руда будущего. Состав ее различен: самая высокая концентрация марганца, цветных и редких металлов содержится в конкрециях экваториальной части Тихого океана (85% марганца и более 95% редких металлов). Разведанные запасы богатых и очень богатых руд составляют здесь 10 млрд. т. В Атлантике и Индийском океане их ресурсы значительно меньше, и редких металлов в них немного. В морях Ледовитого океана ЖМК еще меньше. В них преобладает железо, мало марганца, а ценных металлов почти нет. Кроме того, на плоских вершинах подводных гор (гайотов) в районе тихоокеанского экватора найдены особо ценные кобальт-марганцовистые корки. Основные запасы руд сосредоточены на месторождении-гиганте Кларион-Клиппертон, они поделены между ведущими государствами мира.
Любопытно, что данные о ЖМК, полученные океанографическими экспедициями Академии наук и Министерства геологии СССР, в нашей стране долгое время хранились в тайне. Были засекречены даже зарубежные статьи и карта распространения конкреций, изданная в 1978 г. в США. О гигантских скоплениях руды стало официально известно в СССР только в 1982 г. после подписания 119 государствами в Монтиго-Бей на Ямайке Международной конвенции по морскому праву, согласно которой минеральные ресурсы морского дна в «Международном районе» признаны общим достоянием человечества.
С 1987 г. СССР стал 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 г. природоохранная деятельность контролируется Международной организацией по морскому дну (ISA).
В 2001 г. «Южморгеологией» был подписан контракт на 15 лет на разведку двух участков дна Тихого океана общей площадью 75 тыс. км2. Один расположен в глубоководной Восточно-Марианской котловине и представляет собой часть рудного гиганта Кларион-Клиппертон. Другой — на гайотах, 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 стоимость высвобождаемых из руды металлов достигнет 3 млрд. долл. Кроме того, в 2011 г. Россия получила права на разведку и добычу в Атлантике цветных металлов, связанных с горячими растворами в разломах океанского дна.
Технологическими исследованиями во Всероссийском институте минерального сырья выделены два связанных с конкрециями типа руд: никель-медь-кобальтовый и марганец-кобальтовый. Первый содержит до 3% суммы Ni и Cu, до 0,35% Co, до 20% Mn. Второй — до 25% Mn, до 2% Co и всего до 0,7% суммарно Ni и Cu. Вместе с кобальтом присутствуют также 0,1% молибдена, до 4.5 г/т платины и иридия и до 4.5 кг/т редкоземельных элементов.
Высокая концентрация редкоземельных элементов особенно интересна, поскольку самарий, гадолиний, диспрозий, неодимий, празеодимий, тербий, европий, иттрий и др. — необходимые компоненты современной высокотехнологичной продукции. Они используются в мощных постоянных магнитах, в атомной, оптической, микроэлектронной промышленности. Их мировой монополист — КНР. В 2008 г. там было добыто 120 тыс. т редкоземельных элементов (97% мировой добычи). На данный момент Китай прекратил продажу этого сырья, что привело к резкому увеличению его стоимости. В то же время мировая потребность в нем стремительно растет и, по оценкам специалистов, к 2015 г. достигнет 200 тыс. т.
В 2011 г. японские геологи Токийского университета под руководством Я. Като в Тихом океане около островов Гавайи и Таити выявили аномально высокие концентрации редкоземельных элементов не только в ЖМК, но и в иле. Их содержание там составляет 2—3 кг/м3, т.е. примерно столько же, сколько в конкрециях. По оценке Като, ресурсы этих металлов на дне океана могут достигать 100 млрд. т и способны обеспечить весь мир.
Концентрация редкоземельных элементов в иле часто превышает их содержание в китайских континентальных месторождениях. Но, в отличие от последних, ил и ЖМК содержат мало урана и тория, что очень важно при технологическом процессе. Извлечение редкоземельных элементов из конкреций кислотами разработано немецкими учеными, дало положительные результаты и может избавить мир от сырьевой монополии Китая.
С вершин гайотов добыча руды наиболее перспективна методом гидроподъема или эрлифта. Для транспортировки сырья могут использоваться обычные сухогрузные суда. Переработка ЖМК и корок методами гидро- и пирометаллургии успешно опробована на предприятиях бывшего СССР и в США. Скорее всего, она применима и для ила.
Несмотря на огромные прогнозные ресурсы редкоземельно-никель-кобальт-марганцевых руд, со дна океанов и морей добыто всего несколько сотен тысяч тонн (преимущественно на мелководье, вблизи берега). В России железомарганцевые конкреции в небольших количествах добываются в Финском заливе. Если их использовать в качестве сорбентов для очистки сточных вод или наполнителей бетона атомных электростанций, то приобретут ценность и железистые конкреции без редких металлов, с низким содержанием марганца, которые имеются в Черном, Белом, Карском и Восточно-Сибирском морях.
ЖМК — современники человека
ЖМК Мирового океана и морского шельфа — новый, нетрадиционный, вид минерального сырья, не имеющий аналогов среди континентальных месторождений редких, цветных и черных металлов по ресурсам, условиям образования и вещественному составу. Но до сих пор остается неясным, когда и как на дне океана скопились огромные массы марганца, железа и других ценных металлов. Почему конкреции лежат на поверхности дна океана? Почему богатые руды залегают лишь вдоль экватора в Тихом океане? Почему в ЖМК присутствуют никель, кобальт, платина, характерные для мантии Земли и железных метеоритов?
На континентах таких руд нет. В осадочных породах прошлых геологических эпох находятся многие месторождения марганца, но состав их руд более простой. Раньше считалось, что конкреции растут очень медленно, со скоростью 1 мм за миллион лет. Их возраст оценивался примерно в 50 млн. лет. Предполагалось, что марганец и железо поступают из подводных вулканов и сносятся реками с континентов. Но было непонятно, 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 этой задачи нашли Г.С. Ануфриев и Б.С. Болтенков, специалисты по масс-спектрометрии из Физико-технического института РАН (Санкт-Петербург). Они доказали связь высокой скорости роста ЖМК с космической пылью. Для определения скорости роста использовался новый метод «космического трассера», основанный на определении в образцах концентрации изотопа гелия 3Не, который транспортируется в осадочные породы с космической пылью. Измерения показали в ЖМК высокое содержание гелия 3Не, связанного с «солнечным ветром».
Космическая пыль интенсивно облучается «солнечным ветром», при этом корпускулы солнечного излучения внедряются в поверхность пылинок и падают с ними на Землю. Концентрация в ЖМК таких внедренных (имплантированных) частиц аномально велика. Глубоководные океанические илы имеют отношения 3Не/4Не = 10–5, что близко к соотношению изотопов в «солнечном ветре» и на поверхности Луны. Это означает, что 99% легкого изотопа гелия в океанских илах имеет космическое происхождение.
Современные 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, которые возникают за счет железа, рассеянного в ледниковых отложениях. Славяне издавна добывали железную руду со дна озер и знали, что она снова появится через несколько десятков лет. Выходило, что ЖМК очень молоды, возникли в ледниковый период и связаны с эпохой глобальных многократных похолоданий.
Решение «парадокса непотопляемости» породило еще более странный «парадокс времени». Масса металлов отложилась за удивительно короткий срок. Создавалось впечатление, что руду буквально высыпали в океан. Конкреции 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?
ЖМК отсутствуют в морских и озерных осадках палеогена, мезозоя, палеозоя. Они, 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 — 3Не, Ni, Co, Ir, Pt.
Космический и земной вклад в ЖМК
ЖМК растут из донного ила, концентрирующего взвеси и металлы океанской воды. В них можно выделить главные и второстепенные элементы. Главные — марганец и железо (металлы с переменной валентностью). Академик Н. М. Страхов называл геохимию марганца удивительной, поразительной и экзотической. Сходными свойствами обладает и железо.
Дело в том, что изменение валентности полностью меняет поведение этих элементов. В восстановительной среде они двухвалентны и растворимы, а в окислительной — выпадают в осадок в виде гидроксидов высших валентностей. В бескислородной воде илов ЖМК растворяются, а при насыщении воды кислородом — растут. Сейчас рыбам хватает кислорода даже в пучине Марианской впадины, поскольку в холодной воде океанских глубин при высоком давлении растворимость кислорода максимальна. Течения разносят кислород по всему океану, и растворенного марганца в воде мало. Но в периоды похолоданий фотосинтез ослабевал, связь с атмосферой нарушалась и концентрация кислорода под ледяной корой океана уменьшалась, а запас растворенного марганца возрастал.
Можно предположить, что для появления гигантских железомарганцевых залежей были необходимы: ледяной покров океана (и обусловленный этим дефицит кислорода в океанской воде), накопление космической пыли на ледяных щитах, обилие кислорода в талых водах, и наличие экваториальных течений.
Мы часто забываем, что ледяной покров Земли закрывал не только сушу, но и значительную часть океанов. По данным американских геологов, граница вечной мерзлоты в позднем плейстоцене приближалась к 25° южной широты и проходила через о. Лонг Айлэнд на широте Кубы. Но нарушался кислородный газообмен между атмосферой и гидросферой. Видимо это отражалось на снижении содержания кислорода в воде подобно современным северным озерам, где к весне рыбам не хватает кислорода. Подо льдом в океане и особенно в иловых водах в условиях дефицита кислорода накапливались огромные запасы растворенного двухвалентного марганца и железа в виде хлоридов и гидрокарбонатов. А на ледяном щите десятки тысяч лет собиралась космическая пыль.
Ледяной накопитель космической пыли
В последнее время геологи стали уделять больше внимания космическому влиянию на нашу планету. Обнаружены десятки огромных метеоритных кратеров, в том числе скрытый подо льдом Антарктиды гигант диаметром 500 км. На Южном континенте найдены тысячи метеоритов, изучена взвесь в древних слоях льда и обнаружены прослои с содержанием космической пыли в 100 раз выше фона (это примерно 0,5 г/кг льда) возрастом 430 и 480 тыс. лет. Сохранность имплантированного изотопа гелия указывает, что космическая пыль существует в виде самостоятельной фазы, не растворявшейся в океанской воде.
По современным разноречивым данным количество метеоритной пыли в среднем можно оценить как 40 тыс. т в год, что за общее время оледенений (около 350 тыс. лет) составило более 10 млрд. т. Уровень Мирового океана во время последнего оледенения понизился на 100—120 м, количество льда при этом составило 40—45. 1015 т. По нашим подсчетам, при суммарном удельном содержании пыли (метеоритной, вулканической, континентальной) 0,5 г/кг ее количество во льдах только последнего похолодания, достигало 20 трлн. т.
Даже небольшой части этого количества достаточно, чтобы возник железорудный гигант с никелем и кобальтом. Железные метеориты содержат в среднем 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 конкреций. Но, в отличие от железа, имеющего полигенный характер, марганец исключительно земной, он извлечен из бескислородной воды океана в зоне его окисления.
Зона окисления в океанской проруби
Железа на Земле много. Его кларк (константа, отвечающая среднему содержанию элемента) в земной коре составляет примерно 5%. Большая часть железа в ЖМК имеет земное происхождение, оно выпадает в осадок в окислительной среде вместе с марганцем. Марганца же в десятки раз меньше, его кларк всего 0,1%. Этот элемент обладает способностью накапливаться в воде при дефиците кислорода, он также входит в состав конкреций. Как природа решила задачу концентрации всех металлов в одном месте?
Измерения изотопов водорода и кислорода в ледяном керне скважин Гренландии и Антарктиды дали представление об изменениях климата за последние 800 тысяч лет. Оказалось, что эпохи потепления и оледенения неоднократно чередовались. Резкие колебания содержания изотопов свидетельствуют об очень быстрой смене климата.
В периоды похолоданий со стороны полюсов, с горных хребтов Кордильер и Анд в Тихий океан спускались ледяные поля и мощная ледяная кора покрывала значительную, до 30—40%, часть океана. Американские геологи считают, что ледовый поток спускался к Мексиканскому заливу южнее Великих озер, захватывая нижнее течение р. Миссисипи. В то время на ледяной покров Земли падало космическое вещество с железом, никелем, кобальтом, платиной и солнечным изотопом гелия.
В экваториальной зоне поверхность Мирового океана оставалась открытой. В Атлантике она уходила далеко к северу за счет Гольфстрима, а в Тихом океане относительно узкая «промоина» была вытянута в широтном направлении, от Азии до Америки, за счет мощных экваториальных течений, в том числе недавно открытого течения Кромвелла.
Резкие изменения отношения изотопов кислорода показывают, что климат менялся быстро, особенно в эпохи потеплений. Гигантские пласты льда исчезали за несколько тысячелетий. Уровень Мирового океана в короткий срок поднимался на 100—150 м.
Широтная полоса железомарганцевых конкреций в центре Тихого океана может свидетельствовать, что в эпохи оледенений здесь находилась гигантская полынья, где работали мощные экваториальные течения. Они увлекали воду, обогащенную марганцем, из приполярных зон Мирового океана. Сюда в периоды потепления обрушивались чудовищные потоки богатой кислородом талой воды с космической пылью, выпавшей на лед за десятки тысяч лет. Пласты ЖМК отражают зону окисления иловых вод.
Потоки талой воды за период одного потепления приносили в океан до 500 млрд. т растворенного кислорода. Пресная вода смешивалась с океанскими широтными течениями, начинавшимися в приполярных областях, и выносившими оттуда растворенный марганец. На этом «кислородном барьере» над илом осаждались гидроксиды марганца и железа, образуя конкреции. Создавалось впечатление их непотопляемости. Зональность ЖМК указывает на неоднократное повторение процессов их роста и растворения.
Сорбция железомарганцевыми минералами космических элементов из ила завершала формирование уникального типа руд на дне океана. Неслучайно 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 корой было немного, поэтому и марганца в ЖМК приполярных областей тоже содержится мало.
Концентрация редкоземельных элементов в ЖМК и в иле, видимо, также связана с их повышенным содержанием в космическом веществе. Известно обогащение отложений глобальной «иридиевой аномалии» церием, лантаном, иттрием, а по нашим данным, также маггемита, образование которого связывается с возникновением гигантского Попигайского метеоритного кратера в Восточной Сибири.
* * *
Итак, растворенные в океане гидрохлоридные и гидрокарбонатные 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, иридий, редкоземельные элементы, а также земные — медь и молибден, создав в эпохи межледниковья грандиозное скопление руды в виде железомарганцевой провинции Кларион-Клиппертон.
Однако можно ли сказать, что ЖМК — индикаторы ледниковых периодов? В Австралии, в пермских отложениях золотоносного района Балларат Ч. Дарвин обратил внимание на валуны со штриховкой, похожей на ледниковую. Но ЖМК в пермских слоях нет. Может быть, Дарвин посчитал ледниковыми валуны из древнего грязевого потока?
В венде также обнаружены конгломераты, предположительно ледниковые. В карбонатных отложениях позднего докембрия установлены аномалии легкого изотопа углерода, вроде бы указывающие на оледенение. Но и в венде, и в осадочных толщах докембрия аналогов ЖМК тоже нет. Железомарганцевые конкреции океана — уникальное порождение ледниковых периодов, отразившее такое сочетание условий, которого раньше в истории Земли не было.
