Гидротермальные руды Атлантики, или Погружение к неизведанному

«Наука Урала» не раз писала об исследованиях руд древних океанов, которые проводятся учеными Института минералогии. В сентябре 2005 г. произошло важное событие: нашим специалистам удалось побывать на дне океана. Были изучены рудные и карбонатные отложения в устьях горячих минерализованных источников — гидротерм — в рифтах Срединно-Атлантического хребта. Заместитель директора Института минералогии Валерий Владимирович Масленников рассказывает об этой интереснейшей экспедиции.


 

В августе-сентябре минувшего года под руководством А.М. Сагалевича и Ю.А. Богданова успешно завершили свою работу в Атлантическом океане участники 50-го рейса научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш». Невольно вспоминается экспедиция 30-летней давности, посвященная комплексному изучению палеозойского дна Уральского палеоокеана. Именно эта экспедиция, объединившая сотрудников Института океанологии и Ильменского государственного заповедника, заложила новые идеи и направления в уральской геологии. Организаторами уральской экспедиции были сотрудник Института океанологии Лев Павлович Зоненшайн и директор Ильменского заповедника Виктор Алексеевич Коротеев. Благодаря этой экспедиции ильменские палеовулканологи (В.Г. Кориневкий, Л.Я. Кабанова, Е.В. Зайкова и др.) обратили взоры к современным океанам, выявили генетические признаки подводных фаций вулканических комплексов Уральского палеоокена, показали основные черты сходства современных и палеозойских металлоносных осадков. Не менее перспективными оказались идеи В.В. Зайкова и автора данного очерка о возможности обнаружения на Урале аналогов современных сульфидообразующих систем, тогда еще только открытых в Тихом океане, — «черных курильщиков». Реликты таких «курильщиков» впоследствии были найдены в рудах многих уральских колчеданных месторождений.
 

Мне, тогда еще начинающему аспиранту, было поручено провести геологическую экскурсию по карьеру Ново-Сибайского медно-цинково-колчеданного месторождения. Сульфидные руды этого месторождения содержали многоканальные гидротермальные трубы и уникальную оруденелую фауну, сходную с современными пригидротермальными организмами. Именно тогда, на карьере, зародилась мысль о необходимости ответной экспедиции на дно Мирового океана.
 

Попасть в такую экспедицию «сухопутному» геологу непросто. Чтобы доказать свою состоятельность, понадобились многие годы — четверть века! — целенаправленных исследований. К счастью, помог совместный проект Института минералогии УрО РАН и Института океанологии РАН по теме «Сравнительный анализ минералогии, геохимии и биогеохимии сульфидных руд палеозойского и современного океанов», развиваемый по программе президиума РАН «Мировой океан». А.Ю. Леин, Ю.А. Богданов и А.М. Сагалевич — легендарные исследователи океана — пригласили меня для участия в экспедиции в качестве специалиста по рудной минералогии. Ключевым моментом для осуществления счастливого для меня события было принятие председателем УрО РАН академиком В.А. Черешневым оперативного решения о целевом дополнительном финансировании этого рейса.
 

Океанская экспедиция

Атлантический океан встретил нас у берегов г. Сант-Джонс (Канада) отголосками шторма «Катрина». Лишь через несколько дней пути шторм вдруг затих, и судно остановилось над Срединно-Атлантическим хребтом (САХ), в пределах которого активно развиваются глубоководные гидротермальные поля: Лост Сити, Брокен Спур и Рейнбоу. Каждое поле поражает разнообразием продуктов гидротермальной деятельности и уникальным сочетанием пригидротермальных организмов.
 

Лост Сити — это действительно «покинутый» или «потерянный» на глубине 1100 м «город» c остроконечными белоснежными башнями, сложенными каркасными агрегатами гидротермально-биогенных карбонатов кальция и творожистыми массами гидрооксидов магния на выходах теплых сероводород-водородных источников. Гигантские карбонатные колонны окружены руинами былых сооружений. Обломки карбонатных гидротермальных труб сползают по склонам подводных гор, постепенно растворяясь и рассыпаясь. Не покинули этот город, несмотря на полную темноту и холод, причудливые ветвистые розовые кораллы и многочисленные трубчатые черви-полихеты, потребляющие для поддержания собственной жизни энергию пригидротермального бактериального хемосинтеза. Исчезли лишь двустворчатые моллюски, о былом расцвете которых свидетельствуют совсем свежие осколки раковин и известняки-ракушечники, покрытые тонкой пленкой гидрооксидов марганца.
 

Результаты картирования карбонатных построек, изучения микротекстур, опробования гидротермальных растворов навели участников экспедиции на печальную мысль о нарастании кислотности растворов и активизации процессов растворения карбонатов с разрушением прекрасных сооружений. Каковы причины появления и угасания удивительного карбонатного «города» — этот вопрос волновал участников экспедиции. В центре внимания была идея о формировании газо-гидротермальных потоков при серпентинизации, сопровождающей взаимодействие мантийных пород (перидотитов) с морской водой. Гидратация и окисление минералов, содержащих восстановленные формы железа, как предполагают одни геологи, приводит к появлению газообразного водорода и метана. Другие исследователи считают, что формирование гидротермальных систем подобного рода не обходится без эндогенного магматического очага. О мантийном источнике карбонатных гидротерм свидетельствуют соотношения изотопов стронция. При этом почти всех исследователей завораживает мысль о возможном зарождении нефти под «городами» подобного типа.
 

Погребенные гидротермальные карбонатные сооружения, имеющие возраст миллиард лет, обнаружены в Австралии. Возможно, они являются аналогами современного Лост Сити. Уральским геологам предоставляется возможность заполнить существующий возрастной «пробел» открытием гидротермальных карбонатных построек в палеозойских перидотит-серпентинитовых комплексах зоны Главного Уральского разлома.
 

В образцах карбонатов, отобранных из построек Лост Сити, А.Ю. Леин обнаружил ничтожные включения сульфидов железа и самородного серебра, свидетельствующие об отдаленном родстве карбонатных и сульфидных гидротермальных сооружений САХ. На Урале имеются огромные толщи так называемых «рифогенных» известняков, ассоциирующих с медно-цинково-колчеданными месторождениями. Расчеты и эмпирические наблюдения доказывают, что глубина медного колчеданообразования должна составлять не менее 1–1,5 км (С.Н. Иванов, П. Хальбах). В связи с этим околорудные известняки медно-цинково-колчеданных месторождений Урала должны были формироваться в полной темноте в отличие от типичных рифов, развивающихся в условиях фотосинтеза. Возможно, многие уральские «рифы» со временем будут называться гидротермально-биогенными или газо-биогенными «фальшрифами» типа Лост Сити. По крайней мере, открытия и новые данные по современным глубоководным карбонатным постройкам, развивающимся в местах газовых и гидротермальных просачиваний, заставляют задуматься о правомерности использования некоторых известных палеозойских «рифов» как индикаторов мелководных обстановок при геодинамических и палеогеографических реконструкциях истории развития Урала и других складчатых поясов.
 

В отличие от карбонатных гидротермальных систем, где преобладают температуры растворов 20–45⁰С, сульфидные гидротермальные постройки Брокен Спур и Рейнбоу росли при температурах от 450 до 300–400⁰С. Наиболее впечатляющими продуктами высокотемпературных систем являются медно-цинково-колчеданные трубы «черных курильщиков».
 

Интерес к сравнительному анализу полей Брокен Спур и Рейнбоу возник у участников экспедиции неслучайно. Первое поле располагается на океанических базальтах, второе — на серпентинитах, продуктах гидратации мантийных пород. Соответственно для этих гидротермальных систем развиваются две различные генетические концепции. Считается, что появление гидротерм поля Брокен Спур связано с рециклингом морской воды и разогревом ее в кровле базальтового магматического очага, а гидротермы Рейнбоу формировались при серпентинизации мантийных пород. По результатам этой экспедиции предстояло оценить влияние базальтового и серпентинитового подстилающих субстратов на состав гидротерм, минералогические и геохимические особенности сульфидных руд, а также понять причины разной биопродуктивности различных участков полей. Комплексный характер геолого-биологических погружений позволил с успехом решить поставленные задачи.
 

На дне океана

До мельчайших деталей запомнилось мне погружение в бездну на глубину 2400 м в районе гидротермального поля Рейнбоу. Моим партнером был многоопытный акванавт, выдающийся специалист по современным гидротермальным сообществам, доктор биологических наук С.А. Галкин. Нам предстояло провести систематическое количественное биологическое картирование сульфидных построек, отобрать образцы фауны и сульфидных руд. Мы оба волновались, что не хватит времени для решения одновременно геологических и биологических задач. Однако уже в начале пути мы поняли, что сотрудничество будет приятным.
 

Батискаф начал движение от периферии поля до вершины первой большой сульфидной постройки. Постепенно светлые карбонатные осадки сменились ярко-желтыми илистыми продуктами окисления сульфидов с многочисленными необычно крупными трубками червей-полихет. Одиночные трубы «черных курильщиков» высотой не более метра извергают клубы черного дыма. Нижняя остывшая половина поверхности труб покрыта охристыми бактериальными обрастаниями, поверхность верхней половины — черная, раскаленная, без признаков жизни. На выступах серпентинитов находят свой приют гигантские глубоководные звезды. Чуть выше по склону окисленные сульфидные пески и гравий сменились нагромождениями метровых глыб осыпавшихся откуда-то сверху сульфидных труб. Между трубами спрятались многочисленные пригидротермальные крабы. Поймать их можно только с помощью «слэпгана» — подводного аналога пылесоса. Вместе с крабами в контейнер попадают многочисленные интересные минералогу обломки «микрокурильщиков» и оруденелая фауна.
 

Поднимаясь по склону конуса, батискаф уверенно упирается в «забор» потухших сульфидных труб, покрытых оранжевой пленкой окислившихся сульфидов. Для минералогов такие потухшие курильщики особенно ценны: многие запечатанные трубы прошли полный цикл развития гидротермального источника от нагревания до температур 300—400⁰С и до последующего остывания до температуры океанической воды (4⁰С). В этих трубах образуется весь спектр сульфидов, арсенидов, теллуридов и золото-серебряной минерализации. «Забор» труб окружает гигантскую сульфидную колонну диаметром почти 5 м, уходящую вверх на 12 м. В нижней части колонны видны одиночные молодые раковины моллюсков — батимодиолусов, покрытые охристыми пленками. На ярко-желтом фоне поверхности колонны видны отчетливые вертикальные черные полосы, к которым на участках выходов флюидов прижимаются рои креветок. Безусловно, эти полосы — следы скрытых внутри колонны высокотемпературных гидротермальных каналов. Количество черных полос увеличивается к вершине колонны, которая разветвляется на несколько отдельных активных черных труб, извергающих раскаленные до 300⁰С клубы черного сульфидного дыма. Термофильные креветки и другая фауна в данном случае избегают слишком раскаленной поверхности молодых труб.
 

Но где же обильные оазисы батимодиолусов?! Постепенно становится очевидным, что они должны процветать на постройках, проходящих среднетемпературную стадию развития. И здесь помогает старинный геологический метод поисков месторождений по шлейфам обломков. Спускаемся вниз по склону к выклиниваниям рудокластических потоков и в одном из них обнаруживаем осколки раковин. И вновь плывем вверх вдоль продуктивного потока к цоколю соседней, не менее гигантской, но уже затухающей конусовидной сульфидной постройки. На некоторых участках сквозь охристые илы, смешанные с рудными глыбами, просачиваются мерцающие теплые гидротермы, отлагающие кремнезем и дисульфиды железа. Чуть выше на поверхности постройки, в зоне просачивания среднетемпературных гидротерм, в удушливом соседстве прижимаются друг к другу двустворчатые моллюски, образующие прекрасные колонии. Такие образцы — особая радость для биологов, собирающих с поверхности корок не только моллюски, но и разнообразные микроорганизмы. Минералоги обнаруживают внутри корок придонные псевдоморфозы сульфидов по пригидротермальной фауне. Многократное продолжение видео-профилирования сульфидных построек и обсуждение результатов на месте наводит на мысль о существовании взаимосвязи между температурой гидротерм, минеральным типом рудного субстрата и типами биологических ассоциаций организмов. Так на стыке наук рождается новый метод исследований в геологии и биологии — рудно-биофациальный анализ, имеющий, по нашему обоюдному мнению, большие перспективы для развития при изучении как современных, так и древних колчеданных месторождений. Однако погружение еще не закончено, и до подъема еще пять часов…
 

Как утверждают опытные морские геологи, подобные погружения «обречены на успех». Это показали уже первые результаты изучения поднятых образцов. Действительно, минералого-геохимические особенности курильщиков поля Рейнбоу в значительной мере отражают особенности состава подстилающего серпентинитового субстрата. Как и предполагалось, так же как и в древних аналогах, ассоциирующих с серпентинитами (В.В. Зайков), в медно-цинковых трубах Рейнбоу обнаруживаются аномальные концентрации разнообразных сульфоарсенидов кобальта и никеля, находятся следы теллуридов и обильные выделения самородного золота. Судя по размерам, почти рассыпавшиеся сульфидные сооружения Рейнбоу сопоставимы с обычными промышленными колчеданными залежами и в будущем, несомненно, могут стать ценным источником цветных и благородных металлов.
 

Сравнение древних и современных океанских руд

Процессы гидротермально-осадочной дифференциации элементов-примесей в «черных курильщиках» контрастны благодаря аномальным градиентам физико-химических сред минералообразования. Высокотемпературные каналы труб обогащены селеном, золотом, теллуром, молибденом, среднетемпературные корки — серебром, мышьяком, ртутью, низкотемпературные сульфидные обрастания пригидротермальных организмов и гидротермальных труб концентрируют талий, марганец, уран, ванадий. Последние два элемента поступают из морской воды. Вместе с тем сравнение одинаковых типов руд, собранных на различных гидротермальных полях, позволяет оценить влияние подстилающего субстрата на геохимическую специализацию сульфидных построек. Уже сейчас становится очевидным, что колчеданные месторождения, сформированные в различных геодинамических обстановках, имеют свою геохимическую специализацию. По аналогии с петрологическим методом геодинамических реконструкций, рудная геохимия может уже в ближайшие годы выступить как перспективное направление сравнительного анализа древних и современных геодинамических обстановок рудообразования.
 

Не останавливаясь на всех результатах экспедиции, следует отметить, что работы проходили в деловой и одновременно творческой атмосфере, чувствовался подъем настроения не только у научных сотрудников, но и у команды корабля — ведь рейс впервые за многие годы почти полностью финансировался Российской академией наук. Места богатых туристов заняли исключительно российские ученые, которым удалось успешно провести 16 насыщенных исследовательских погружений и получить оригинальные результаты, поднимающие престиж российской науки. Главный организатор подводных экспедиций А.М. Сагалевич и его высококвалифицированная команда неимоверными усилиями последние 20 лет сохраняли для российской науки неповторимый научно-исследовательский подводный комплекс, который принес и приносит все новые научные открытия. Но что ждет впереди наше академическое судно «Академик Мстислав Келдыш» и его уникальные подводные аппараты «Мир-1» и «Мир-2»?
 

В.В. МАСЛЕННИКОВ, доктор геолого-минералогических наук
 

Подъем подводного аппарата МИР-1.
Образец колонии пригидротермальных двустворок.	Образец медно-цинково-колчеданной трубы "черного курильщика", поле Броккен Спур.
Остроконечная вершина карбонатной башни Лост Сити.
Автор в составе экипажа батискафа.
Постройка многоканального черного курильщика на поле Рейнбоу.