Николай Вершинский - Загадки океана
Измерения в «черных курильщиках» показали, что струя черного цвета с температурой около 330 °C выходит из трубы со скоростью от 0,5 до 2 м/с. Расход воды для трубы с внутренним диаметром 3 см колеблется в пределах от 3,5 до 14 л/с. Концентрация ионов металлов близка к 0,1 г/л. Одна труба с расходом примерно 10 л/с при такой концентрации дает около 100 кг металла в сутки. Значительная часть вынесенных в струе металлов не осаждается тут же на дно, а рассеивается вокруг, образуя полиметаллические осадки и, возможно, конкреции.
Непосредственное использование гидротерм для добычи тех или иных металлов в настоящее время считается экономически невыгодным. По подсчетам американских исследователей, для получения 1 т цинка требуется переработать примерно 6 млн. т термальной воды. Столько извергает средний «курильщик» за несколько месяцев. Одна тонна цинка стоит (по ценам 1986 г.) около 1 тыс. рублей. За такие деньги достать с большой глубины и переработать несколько миллионов тонн горячей воды невозможно. Иначе обстоит дело с использованием сульфидных руд, образующихся естественным путем в поле гидротерм.
В гидротермальном растворе содержится около 0,01 % железа и по нескольку десятитысячных долей процента цинка, марганца, меди, кобальта и других ценных металлов. Имеется много кремнезема (0,129 %), сероводорода (0,021 %) и кальция.
После выхода гидротермальный раствор смешивается с холодной водой океана. Происходят различные химические реакции, в том числе приводящие к образованию «черного дыма» (взвесь мелких частиц сульфида железа). Это соединение нерастворимо в воде, поэтому оно выпадает в виде черного дыма. А потом садится на дно, образуя залежи сернистого железа, известного в геологии под названием пирита.
В местах выхода гидротерм благодаря осаждению вокруг струи сульфата кальция образуются трубы. Кальций — из раствора, сульфат — из морской воды. Схема химических реакций, происходящих в «черных курильщиках», показана на рисунке на с. 93. Постепенно трубы разрастаются, их внутренняя поверхность реагирует с неразбавленной струей гидротермы и растворяется. В результате сульфат кальция замещается сульфидными минералами. Образуются сульфидные руды — ценное сырье для промышленности. Процесс идет не только вверх, но и вширь за счет боковых прорывов струи через стенки трубы. Постепенно на дне океана образуются сульфидные залежи, достигающие толщины в несколько десятков метров и длины в сотни метров. Образование отложений может привести к «засорению» труб и, следовательно, к прекращению функционирования гидротерм на данном участке поверхности дна.
С «Алвина» наблюдали множество «иссякших» труб на протяжении до 600 м по оси хребта. Отложение сульфидных руд в этом месте достигает толщины в несколько десятков метров! Миллионы тонн ценнейшей руды. Вопрос состоит в том, как лучше организовать их добычу.
Интересно, что подтверждение описанному механизму образования гидротерм было найдено на поверхности Земли. Речь идет об офиолитовом комплексе Омана на побережье Аравийского моря. Офиолитами обычно называются комплексы, где базальтовые породы лежат поверх ультраосновной океанической коры. Они представляют собой легкий шлак, поднявшийся в верхнюю часть грандиозной плавильной печи, которой являются недра Земли. Из базальта состоит океаническое дно. Базальтовый слой «вышел* на материк в результате столкновения литосферных плит. Обнажился слоеный пирог — офиолит. Кроме Омана подобные структуры встречаются в Калифорнии, Тибете, на острове Кипр, в прибрежной зоне северо — восточного Средиземноморья и в других местах.
Изучение офиолитового комплекса Омана показало, что некогда морская вода проникла в толщу пород под дном океана на глубину более 5 км, где и произошла химическая реакция с породами океанской коры при температуре около 400 °C.
А потом, спустя долгое в геологическом понимании время, участок океанического дна был вытеснен тектоническими силами на поверхность Земли в районе Омана. Теперь здесь ученые имеют возможность, не погружаясь в океан, изучать химические реакции, происходившие давным — давно в глубинах Земли под дном океана.
Изучение офиолитовых комплексов имеет большое практическое значение, поскольку в них встречаются металлоносные осадки и рудные тела (в виде линз они часто встречаются в офиолитах в разных концах Земли). В них содержатся миллионы тонн пирита.
Предполагается, что в глубинах океанов на дне много сульфидных руд, богатых разными металлами, в том числе серебром. Например, сульфидная руда из Восточно — Тихоокеанского поднятия (21° с. ш.) со держит около 50 % чистого цинка, 0,75 % меди, 0,35 % свинца, 700 г/т кадмия и до 400 г/т других металлов. Столь же богаты ценными металлами сульфидные руды из трех других месторождений на дне океана. Ученые ищут промышленные месторождения сульфидных руд. Сульфидные руды очень ценны. Поэтому даже небольшие залежи их имеют промышленное значение. Недавно было сообщение о том, что совместная франко — американская экспедиция нашла в одной из рифтовых долин Тихого океана залежи сульфидных руд во много миллионов тонн. Поиски велись с борта французского подводного обитаемого аппарата «Сиана» методом электроразведки. Месторождение это имеет промышленное значение. Будут найдены и другие месторождения этих ценнейших руд. Вопрос состоит в том, как лучше организовать их разведку, а потом — добычу.
Гидротермы имеют большое значение в геологии и химии Мирового океана. Они — источник пищи для удивительных животных в глубоководных оазисах, и кроме того, они создают в глубинах рудные залежи ценных металлов. Однако в Мировом океане имеются и другие механизмы образования рудных залежей, например железомарганцевые конкреции и корковые руды. Предполагается, что гидротермы являются также важным фактором, определяющим химический состав вод океана в целом через цепочку природных взаимосвязей. Гидротермы влияют и на климат Земли.
Где и как образуются корковые руды. В литосферных плитах на дне Мирового океана иногда происходят внутриплиточные вулканические извержения. Лава поднимается по отдельным относительно узким каналам, образующимся в океанской коре. Растекаясь вокруг центрального канала, она постепенно образует коническую «постройку», круглую или эллиптическую в сечении, с крутизной склонов от 5 до 35°, называемую подводной горой.
Подводные горы, как правило, вытянуты в цепи во внутренних частях литосферных плит, далеких от краев. На их вершинах часто образуются углубления, т. е. кратеры, где происходит излияние лавы. Если диаметр кратера больше 2 км, то он называется кальдерой. Часто встречаются подводные горы с плоскими вершинами. Они называются гайотами. Предполагают, что плоские вершины образуются при заполнении кальдер лавой через кольцевые каналы.
Гайоты представляют особый интерес: на их склонах обнаруживают ценные железомарганцевые руды с высоким содержанием кобальта. Они называются корковыми рудами.
Содержание кобальта в образцах корковых руд, найденных советскими специалистами на двух гайотах в Тихом океане, превышает 1 %. Это очень высокое содержание ценного металла. При такой концентрации один гайот может дать десятки миллионов тонн дефицитного металла. Поэтому корковые руды считаются одними из самых перспективных океанских руд.
Найти новый, никем не открытый и не показанный на картах гайот — большая удача. Это удалось ученым в 9–м рейсе научно — исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР. В конце 1984 г. они нашли гайот в Тихом океане, в системе Магеллановых гор, находящихся в Восточно — Марианской котловине.
Новый гайот получил название гайота Института океанологии Академии наук СССР (гайот ИОАН). Он возвышается над поверхностью котловины более чем на 4500 м. неподалеку от гайота Ита — Майтаи, который имеет высоту больше 6 тыс. м, а его вершина располагается на глубине 1400 м. Обе подводные горы были детально обследованы с помощью подводных обитаемых аппаратов «Пайсис». Было сделано несколько маршрутов, по 5–6 ч каждый. Наблюдатель — геолог в подводном аппарате «идет» по геологическому маршруту почти так же, как он привык это делать на суше. Только образец породы он берет не руками, а с помощью манипулятора, да смотрит он через иллюминатор, на который давит вода с силой около 100 т.
На гайоте Ита — Майтаи в Тихом океане на глубине 1950 м манипулятором подводного аппарата «Пайсис» отбирается биологический образец: бесстебельчатые лилии, сидящие на горгоновом коралле.
Исследованные советскими учеными гайоты были островами и двигались вместе с литосферными плитами, на которых они возникли. В течение длительного времени происходило медленное погружение этих островов, их склоны постепенно пересекали слой кислородного минимума. Предполагается, что это обстоятельство имело решающее значение для образования корковых руд.
