Химические процессы в гидротермальных системах океана

Благодаря многолетним исследованиям американских и французских ученых (Дж. Эдмонта, К. фон Дамм, Ж. Мишара) химический состав воды «курильщиков» сейчас уже хорошо известен (табл. 1). По изотопному составу водорода и кислорода гидротермальных растворов было доказано, что единственный их источник — это океанская вода, просачивающаяся в трещины пород дна. Однако химический состав воды «курильщиков» существенно отличается от морской вследствие взаимодействия циркулирующей в трещинах воды с породами стенок трещин.

Таблица 1. Химический состав воды «курильщиков» .

Данные химических анализов (табл. 1, колонки 3 и 4) показывают, что в большей части исследованных гидротермальных систем главные растворенные компоненты морской воды Cl и Na незначительно меняют свою концентрацию. Взаимодействие с базальтами приводит к практически полному удалению из морской воды Mg (с образованием хлорита и актинолита) и SO4, а также U и Р. При этом первичные минералы базальтов разлагаются, и из них в воду переходят в значительных количествах Са, К, SiO2, Fe, Mn, H2S, CO2, H2 и тяжелые металлы Zn, Cu, а также Pb, Ag, Au, Sb, Sr, CH4 и Не. Поведение К и Li более сложно — при низких температурах они связываются породой (в виде глинистых минералов — смектитов), а при высоких, наоборот, вымываются.

В результате взаимодействия с породой морская вода, имевшая изначально нейтральную окислительную реакцию, преобразуется в кислый восстановительный рудообразующий раствор. Обогащение гидротермальных растворов «курильщиков» рудными металлами представляет наибольший интерес для геологии. Здесь воочию можно наблюдать, что высокотемпературные гидротермальные растворы способны переносить одновременно существенные количества металлов и двухвалентной серы.

Это оказывается возможным за счет того, что в соленых растворах при температурах выше 300њС металлы переносятся в виде комплексных соединений с хлор-ионом (вида), а SIIв молекулярной форме (H2S). Охлаждение таких растворов при излиянии в придонную воду сопровождается разрушением комплексных соединений, и сера тут же связывается с металлами, давая черные «дымы» и сульфидные руды. Температурные пределы устойчивости комплексов у разных металлов различны (Cu > Fe > Zn, Pb), что обусловливает возникновение температурной зональности океанских сульфидных руд (рис. 4).

Судьба серы, поступающей в гидротермальные системы в составе морской воды, до сих пор не до конца понятна. Нагревание морской воды до температур выше 200њС, по данным экспериментов, вызывает осаждение из нее ангидрита (CaSO4). Ангидрит такого происхождения в океанских базальтах долго не удавалось обнаружить — по-видимому, он вновь растворяется при остывании гидротермальных систем.

Только когда океанским бурением были вскрыты недра активных гидротермальных систем (скв. 504 В в Коста-Риканском рифте, система Middle Valley на хребте Хуан-де-Фука), ангидрит стали находить в трещинах поднятых кернов горных пород. Вместе с тем общий объем воды, проходящей через гидротермальные системы океана, настолько велик, что это должно было бы вызывать сильное заражение океанской коры серой, чего не наблюдается. Часть морского сульфата может восстанавливаться при реакции с базальтами до Н 2S и затем удаляться через «курильщики», однако изотопный состав сероводорода в «курильщиках» показывает, что «морская» сера составляет в них небольшую часть (10−30%), а преобладает вымытая из пород «магматическая» сера.

При исследовании нескольких гидротермальных систем было обнаружено, что соленость гидротермальных растворов в них существенно (в 2−3 раза) отличается от морской воды как в большую, так и в меньшую сторону (табл. 1, колонки 5 и 6).

Сейчас доказано, что это следствие вскипания гидротермального раствора в недрах гидротермальной системы, сопровождающегося разделением пароводяной смеси на более минерализованный откипевший рассол и пар. Последний при охлаждении дает опресненный конденсат. Существенным оказалось то, что кипение сопровождается заметным обогащением откипевших растворов металлами (табл. 1, колонка 5).

Таким образом, кипение в недрах гидротермальных систем повышает их рудогенерирующий потенциал. До последнего времени считалось, что вскипание гидротермальных растворов вызывает отложение рудных металлов. В гидротермах океана эффект кипения оказался противоположным — металлы вымываются из породы более интенсивно. Уже в самых первых подводных исследованиях было обнаружено деление «курильщиков» на черные и белые. Разница окрасок «дымов» вызвана разным составом взвеси, образующейся при излиянии гидротермальных растворов в толщу придонных вод. У «черных курильщиков» дым состоит из пирротина и аморфного кремнезема с примесью сульфидов Zn и Cu, а у «белых» — из аморфного кремнезема, ангидрита и барита.

" Черным курильщикам" свойственны большие дебиты (несколько кг/с) и высокие температуры (до 350−365њС), тогда как «белые» характеризуются относительно вялой разгрузкой и температурами не выше 330њС. На начальном этапе исследований предполагалось, что причина этого различия — температурные условия в недрах гидротермальной системы, приводящие к разному составу гидротермальных растворов. Однако оказалось, что по макрокомпонентам химического состава растворов черные и белые «курильщики» практически одинаковы.

" Курильщики" обоих типов часто наблюдаются в пределах одной и той же гидротермальной постройки с общим источником питания. Более того, описаны случаи, когда при опробовании с подводного обитаемого аппарата манипулятор отламывал макушку жерла «белого курильщика», после чего дебит жерла резко возрастал и источник переходил в состояние «черного курильщика». Это показало, что первопричина различия — разный характер разгрузки гидротермального раствора. При бурной разгрузке охлаждение начинается с момента излияния, и вся рудная нагрузка доходит до устья «курильщика». При медленной разгрузке гидротермальный раствор успевает немного остыть и перемешаться с морской водой еще в теле пористой рудной постройки. При этом значительная часть рудной нагрузки оседает внутри постройки, не доходя до устья источника.

" Черным курильщикам" свойственна очень низкая эффективность рудообразования — по некоторым оценкам, до 95−98% металлов уходит в «дым» и рассеивается в водной толще океана. У крупных построек, обнаруженных в системе подводного хребта Хуан-де-Фука и на Срединно-Атлантическом хребте, характер разгрузки оказался существенно иным — у них преобладает рассеянная разгрузка со всей поверхности постройки (визуально наблюдавшаяся в виде дрожания воды или муара). Эффективность рудоотложения в этом случае резко увеличивается. Постройка растет как бы изнутри, за счет заполнения рудным веществом пор и каналов. Это приводит, по-видимому, к частым гидроразрывам тела постройки, сопровождающимся брекчированием руд. Такое брекчирование весьма характерно и для древних колчеданных руд, оно часто наблюдается в месторождениях уральского и кипрского типов.

Гидротермальные образования в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, характеризующихся низкой, средней и высокой скоростью спрединга, в целом похожи, хотя существуют и некоторые различия, особенно в структурной приуроченности. Там, где скорость спрединга высокая, гидротермальные образования располагаются внутри осевого, наиболее молодого трога, находящегося в центральной части рифта, причем они связаны с открытыми раздвиговыми трещинами, так называемыми гьярами. Если скорость спрединга низкая и средняя, гидротермальные постройки могут располагаться и вне трещин, например в Срединно-Атлантическом хребте.