В семидесятые годы прошлого века было установлено, что осевые зоны срединно-океанических хребтов (СОХ) в геологическом отношении являются очень активными областями, где непосредственно сейчас, можно сказать на наших глазах, происходит образование  медных и цинковых руд – глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС). Своим происхождением ГПС обязаны деятельности современных гидротермальных систем, широко развитых в зонах СОХ.

Гидротермальные системы СОХ - это конвективные системы с эндогенным источником тепла (магматическим теплом) и экзогенным компонентом (циркулирующей в океанской коре морской водой). Морская вода проникает в океаническую кору и постепенно нагревается. Взаимодействуя с породами океанической коры и верхов мантии, она трансформируется в высокотемпературный рудоносный раствор. При этом образуются гидротермальные циркуляционные системы, масштабы которых в океане огромны.

          В местах разгрузки этих систем на океанском дне формируются так называемые смокеры - чёрные и белые курильщики. Смокеры располагаются в осевых зонах, а чаще непосредственно в бортах рифтовых долин СОХ на вершинах рудных холмов, сложенных гидротермальными отложениями - сульфидными минералами, ангидритом и кремнеземом.

Трубы смокера на океанском дне

  Растворы, выбрасываемые смокерами, представляют собой преобразованную за счет взаимодействия с базальтами морскую воду – потерявшую магний и сульфаты, но обогащенную рудными компонентами и сероводородом.

   Отложения в зонах разгрузки наиболее высокотемпературных (Т^о_{на выходе}=350-360^о) смокеров (черных “курильщиков”) представлены в основном сульфидами; “белых” (Т^о =200-300 и не более 330^о) – аморфным кремнеземом и ангидритом.

   При изменении условий разгрузки оба типа курильщиков легко переходят друг в друга.

Фрагмент трубного комплекса на палубе НИС «Профессор Логачев».

Принципиальная схема формирования гидротермальных сульфидных руд

Возникновение устойчивой длительно существующей системы возможно только тогда, когда нагрев воды в течение продолжительного времени может достигать близкритических значений, резко увеличивающих положительную плавучесть раствора. Положительная плавучесть гидротермального раствора – главная причина его подъема к поверхности дна. Освободившиеся при этом пространства заполняются новыми порциями океанской воды. Таким образом, формируется циркуляционная система. Формирование циркуляционной системы происходит только при существовании в недрах устойчивого локального нагревателя. В океанических рифтах такими нагревателями могут являться:

- внутрикоровые магматические камеры;

- зоны серпентинизации ультраосновных мантийных пород (в которых реакции протекают с выделением тепла).

Каждому из этих двух типов локальных нагревателей соответствует свой тип циркуляционной гидротермальной системы:

- осевая, связанная с внутрикоровой магматической камерой;

           - глубинная, связанная с зоной серпентинизации мантийных перидотитов – процессом, протекающим с выделением тепла.

Формирование рудоносных растворов происходит в процессе циркуляции морской воды в океанической коре. В этом процессе обычно выделяют три главных этапа:

1-ый: взаимодействие морской воды с породами при миграции вниз и непосредственно в реакционной зоне, постепенная трансформация океанской воды в гидротермальный рудоносный раствор;

2-ой: миграция первичного гидротермального раствора из реакционной зоны к поверхности дна, его преобразование по пути миграции;

3-ий: отложение гидротермального вещества на поверхности океанского дна.

В результате взаимодействия нагретой океанской воды с породами коры, происходит формирование рудоносного гидротермального раствора. Неоднородности его химического состава могут быть связаны с глубиной положения реакционной зоны (т.е. с Р-Т условиями взаимодействия океанской воды и пород океанической коры); с составом участвующих в реакции пород; со временем пребывания океанской воды в гидротермальной циркуляционной системе, и соответственно отношением объемов участвующих в реакции воды и пород (отношением вода/порода)

По мере прохождения полного цикла миграции (опускание-подъем) морская вода из слабо щелочной натрий-магний-хлоридно-сульфатной трансформируется в кислую восстановительную натрий-кальций-хлоридную. Часть химических элементов и соединений теряется, а часть, в том числе и металлы, переходит в растворенное состояние. Mg, SO₄ и U образуют группу элементов и соединений, которые при высокотемпературном взаимодействии морской воды и пород коры переходят в твердую фазу. Sr, Na и Cl практически не изменяют своей концентрации, остаются инертными при этих взаимодействиях. Все остальные исследованные химические элементы обогащают гидротермальный флюид относительно морской воды. Металлы, роль которых в формировании отложений гидротермальных полей наибольшая (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb), присутствуют в высокотемпературных флюидах в количествах, в 10³– 10⁷ раз превышающих концентрации их в морской воде. Гидротермальный флюид содержит значительное количество сероводорода, практически отсутствующего в морских водах, существенно обогащен водородом и метаном, концентрации которых в морской воде очень низки.

·         1 –   инфильтрация холодной морской воды;

·         2 –  выщелачивание пород океанской коры (<150°С);

·         3, 4  –  Н₂O = H⁺ + OH^-(>150°С);

Mg²⁺ + OH^- = Mg(OH)₂ → смектит, тальк;

накопление H⁺ → pH снижается до 3;

·         5 –       нагревание морской воды до ~ 450°С;        

 SO₄^2- (океанской воды)  → H₂S ;

·         6 – извлечение из окружающих пород Cu, Zn, Fe, Au, S;

·         7 – формирование гидротермальных отложений в результате смешения горячего флюида с холодной морской водой  – «чёрный курильщик».

Уже сформировавшийся рудоносный раствор, поднимаясь из глубин океанической коры к поверхности дна, продолжает испытывать трансформацию. Есть несколько причин, вызывающих преобразование первичного гидротермального раствора при его миграции к поверхности океанского дна.

Во-первых - влияние глубины океана, и, соответственно, гидростатического давления на состав и свойства выходящих на поверхность дна высокотемпературных гидротермальных растворов. При подъеме и уменьшении гидростатического давления высокотемпературные гидротермальные флюиды, находящиеся в близкритическом состоянии в реакционной зоне, на определенных глубинах становятся неустойчивыми и испытывают фазовую сепарацию. Кипение вызывает резкое уменьшение растворимости некоторых металлов, которые начинают осаждаться из раствора.

Во-вторых - смешение поднимающегося к поверхности первичного гидротермального раствора с придонными холодными водами, проникающими по трещинам в подповерхностные горизонты океанической коры.

В-третьих – взаимодействие с рыхлыми осадками. В результате происходит химическая трансформация поднимающегося рудоносного раствора.

И, наконец, причины, в результате которых формируется гидротермальная залежь:

1. первичное осаждение минералов из гидротермальных растворов, образование и рост трубообразных построек в результате взаимодействия с холодной океанской водой, характеризующейся сильными окислительными свойствами;

2. повторяющееся раздробление построек и формирование брекчированного фундамента в результате «гидротермальных взрывов»;

3. формирование подповерхностных «корней» гидротермальной залежи;

4. извлечение химических элементов из более древних гидротермальных отложений подповерхностных частей постройки более высокотемпературными растворами, их перемещение и переотложение в поверхностных частях постройки;

5. неоднократно повторяющиеся процессы метаморфизации ранее сформировавшейся залежи, замещения, перекристаллизации, связанные с цикличностью гидротермальной активности.

Облик рудных залежей:

- холмы с поперечником в первые сотни метров и превышением в первые десятки метров.

- трубные комплексы (фото) – «курильщики» на вершинах холмов.

Минералогия ГПС:

Включает как высоко-(>300-350") так и низкотемпературные (<300 C) образования, состоящие из различных соотношений пирротина, пирита/марказита, сфалерита/вюрцита, халькопирита, борнита, изокубанита, барита, ангидрита, кремния и др.

Образцы с рудного поля «Логачев»

Формы нахождения ГПС:

- массивные руды;

- трубы;

- рассеянные сульфиды

  (штокверковая минерализация);                  

- корки (окисленные сульфиды)

- металлоносные осадки

Поисковые признаки:

- морфологические;

- аномалии мутности воды;

- аномалии температуры воды;

- гидрохимические аномалии;

- аномалии естественного электрического поля (ЕП);

- минералогические и геохимические аномалии (барит, гидроокислы железа, сульфиды).

Отличительные особенности рудных объектов ГПС:

1. «Точечный» характер рудных объектов (площади отдельных рудных полей, как правило, не превышают нескольких кв. км).

2. изменчивость содержания полезных компонентов в составе руд (как между различными рудными телами, так и в пределах одного и того же рудного тела).

3. Исключительно сложный и изрезанный рельеф дна.

Рельеф дна в районе рудного поля «Краснов» (16°38´ с.ш).