Диалоги (октябрь 2003 г.)

Феномен марганца

Участники:

Елена Сергеевна Базилевская – кандидат геолого-минералогических наук

Баренбаум Азарий Александрович – кандидат физико-математических наук

Александр Гордон: Начнем, наверное, именно с этой проблемы. Потому что все остальное поможет, может быть, объяснить существование этой проблемы, и приведут нас к выводу, что сегодняшняя геология, как вы сказали, – это наука скорее космическая, чем земная. Итак, в чем же, собственно, проблема?

Елена Базилевская: Проблема марганца связана с тем, что до сих пор не было никакого определенного знания о том, каким путем образуются крупнейшие марганцевые месторождения. Проблема эта была обусловлена тем, что геология касалась только изучения континентов земли, а в океан она не уходила. Совсем недавно, наверное, лет 50 назад, вскоре после второй мировой войны, геологи вышли в океан. За этот срок – за какие-то 30 лет – в океане было сделано очень много открытий. Открытий, которые имеют глобальное значение. Геология, по существу, из науки континентальной превратилась в науку глобальную. Этот фактор позволил объединить целый ряд геологических событий на земле и открыть возможность нового видения геологии.

Что касается меня, то я занимаюсь марганцем. Передача называется «Феномен марганца на Земле», я так назвала свою статью. Месторождения марганца представлены в океане главным образом в виде железомарганцевых конкреций. Вот для примера я принесла два образца со дна Тихого океана, с глубины 5-ти километров. Вот эти – совершенно шарообразные и концентрически слоистые. А эти – уплощенной формы. В Тихом океане они находятся в северной части, между разломными зонами Кларион и Клиппертон.

А.Г. Какой процент содержания здесь железа, а какой марганца?

Е.Б. В этих конкрециях содержание железа – примерно 18% в среднем, и процентов 25 марганца, они более марганцовистые, чем конкреции, допустим, из Атлантического океана – каждый океан имеет свою специфику.

Эти конкреции, помимо чисто экзотического интереса, представляют большой экономический интерес. В них сорбционно связаны с гидроксидами марганца и железа (которые являются главными рудообразующими металлами этих конкреций) большой спектр тяжелых металлов, или малых элементов, таких как кобальт, никель, медь, свинец, цинк и прочее. По данным Батурина, до трех четвертей таблицы Менделеева скапливается в этих стяжениях. Это один аспект, который придает им важное экономическое, и я бы сказала, стратегическое значение. Второй аспект – это то, что благодаря высокой сорбционной способности гидроксиды марганца являются самыми активными природными сорбентами, они сохраняют экологию океана. Особенно это важно при усилении антропогенного влияния на наши бассейны. То есть кроме экономического значения, они еще и сорбируют на себе все токсичные излишки элементов, которые оказываются в морской воде.

А.Г. А тут нет противоречия? Ведь если начнется активная добыча марганца и марганцево-железной руды, слой ее станет меньше, следовательно, она не сможет оказывать такое влияние на очистку Мирового океана?

Е.Б. Вы абсолютно правы, потому что именно эти проблемы и являются главным основанием того, что мировое сообщество, которое объединилось в отношении освоения океана, пришло к выводу, что даже малейшее замутнение океана на глубинах 5 километров, там, где максимально распространены конкренции, приводит к тому, что эта взвесь не оседает сотни лет, а это меняет экологию. То есть тут есть явное противоречие, но надо просто искать способ, экологически безвредный для их освоения. Этим, собственно, сейчас и занимаются. Это является препятствием в данный момент, но все препятствия можно обойти.

На рисунке, который я хочу показать первым, показано распространение конкреций в Мировом океане. Более темным цветом закрашены рудные поля. К рудным полям относятся крупные площади с большой продуктивностью и высокого качества, то есть где большое содержание рудных металлов, которые особенно в них ценны, где малых элементов около двух или больше процентов. Самое главное такое рудное поле было открыто рядом экспедиций, в которых принимали участие суда развитых стран, оно расположено в северо-восточной части Тихого океана между разломами Кларион и Клиппертон. В свое время прошла конференция по морскому праву, и в этом поле были закреплены площади за теми государствами-участниками исследований, которые внесли наибольший вклад в изучение этой проблемы. В том числе Советский Союз имеет там юридически закрепленную площадь для добычи, которая пока еще не разрешена.

На этой карте видно, что максимальное распространение богатых рудных полей относится к тихоокеанскому бассейну и к восточной части Индийского океана.

А.Г. А в Атлантике?

Е.Б. В Атлантике есть конкреции, но рудных полей в том понимании, о котором я говорила, там нет. Там есть места, богатые конкрециями, но они имеют локальный характер. Для добычи они не пригодны. Это я и называю одним из феноменов марганца – его, так сказать, приуроченность к восточному полушарию.

Высокая концентрация марганца в восточной части Индийского океана и в Тихом океане связана с древностью этих океанов. А восточная часть Индийского океана и Атлантика – это молодые океаны. И конкреции там – современные, они не выходят за рамки 170-ти миллионов лет. При этом в Тихом океане накопление марганца больше, чем в Индо-Атлантическом сегменте в 70 раз. Это колоссальное количество марганца.

Второй феномен марганца заключается в том, что в породах земной коры марганец содержится в очень незначительных количествах. Примерно одна десятая процента – это то, что называется кларковое содержание, то есть среднее содержание. Железа при этом на суше в 50 раз больше. А в океане эти показатели меняются местами: среднее отношение марганца к железу в океане около полутора. И совершенно непонятно, откуда берутся такие количества марганца?

Первые исследователи, рейс которых состоялся 130 лет назад, обошли все океаны в течение трех с лишним лет и впервые обнаружили, что конкреции не являются какими-то уникальными, экзотическими находками, а они широко распространены на океанском дне, и особенно в Тихом океане. Они сделали предположение, что, скорее всего, марганец для конкреций поступает из недр океанского дна за счет вулканической деятельности.

Однако Вернадский в своих очерках «Геохимия марганца» писал, что в процессе выветривания из пород земной коры в течение веков высвобождается огромное количество марганца, он поступает в речную сеть и сносится в океан, и вызывает удивление, что в морской воде, в океанской воде нет никаких следов присутствия марганца. Дело в том, что, по-видимому, эта работа первых исследователей, которая вышла в 91-м году уже позапрошлого века, не дошла до России. Но предвидение Вернадского абсолютно правильно, как и положено такому корифею науки.

Количество марганца, внесенного в океан, зависит от того, сколько времени продолжался этот процесс. Далее: максимальное количество наносов откладывается в устьях рек. Там скорость осадконакопления такова, что марганцовые взвеси погребаются все новыми и новыми порциями. Но геохимия марганца такова, что оставаться в восстановительных условиях он не может, он мигрирует вверх, в кислородосодержащую среду. И таким образом он постоянно мигрирует, оказывается на поверхности восстановленного осадка, и дальше его путь – в океан, поскольку конкреции формируются, главным образом, в глубоководных котловинах океана.

Пути миграции марганца досконально изучал академик Страхов Николай Михайлович, который эту транспортировку марганца проследил по профилю через Тихий океан. И выяснил, что самая тонкая взвесь наиболее обогащена марганцем.

В то же время железо может повсюду очень активно осаждаться. Оно осаждается в прибрежных взвесях, потому что образует нерастворимые сульфиды, которые остаются на месте и входят в состав глинистых минералов. И тем самым соотношение между марганцем и железом несколько увеличиваются в пользу марганца – это первый этап их разделения. Второй этап – во время транспортировки через океан. Марганец более плавучий, и он уходит дальше.

Конкреции формируются очень медленно, скорости, темпы их образования разными исследователями оцениваются по-разному. Во всяком случае, большинство считает, что это миллиметры в миллион лет. В то же время осадки, на которых лежат конкреции, это совершенно четко установлено, формируются со скоростью миллиметры в тысячу лет. По идее, они должны быть погребены. А суть в этом опять же в геохимии марганца, потому что конкреция лежит на океанском дне, одной стороной она опущена в осадок, другая – на поверхности воды. На границе осадка – повышенное содержание всех элементов. Они сорбируются всей поверхностью осадка, а затем перераспределяются в конкреции.

Собственно говоря, конкреция потому и образуется, что излишние порции металлов, которые там накапливаются за миллионы лет, выдавливаются из осадка, они не могут уже насыщать осадок, он уплотняется, снижает свою пористость, с глубиной осадок даже обезвоживается. Поэтому эти металлы все выталкиваются вверх, и конкреции растут, они не могут погребаться, потому что стремятся в максимально окисленную среду, то есть на поверхность океанского дна.

В зонах спрединговых хребтов, зонах субдукций и других мобильных районах океана марганец очень подвижен – поскольку там происходит извержение мантийных пород новой коры, то марганец в этих условиях растворим. Создаются высокие температуры, снижается содержание кислорода. В общем, формируется восстановительная среда. И он мигрирует из этих условий, но далеко не уходит, потому что окислительные условия в современном океане очень высоки на океанском дне, и поэтому он опять осаждается где-то недалеко. При этом опять же происходит потеря части железа.

Поскольку количество конкреций в океане связано со временем сноса марганца с континентов, то естественно встает вопрос о том, когда началось это океанское осадконакопление. Вопрос о том, когда началось железомарганцевое рудообразование в мировом океане, неразрывно связан с историей возникновения самого океана. С одной стороны, осадочный железомарганцевый рудогенез, это процесс современный и происходит на дне современного океана, осадки которого нигде не насчитывают более 170 миллионов лет. Это максимальный возраст сохранившегося доныне океанского дна или, точнее, его мобильного ложа. Можно ли сейчас найти признаки существования более древних железомарганцевых отложений? На современном дне океана этого сделать невозможно ввиду его высокой мобильности. В то же время, как я отмечала, когда говорила о геохимии марганца, совершенно очевидно, что марганец имеет такое близкое сродство с океанской водой, что он переживает все катаклизмы, которые существовали на Земле, переходя в растворенное состояние. Поэтому марганец в океане может быть гораздо древнее, чем…

А.Г. Чем сам океан.

Е.Б. Чем ложе современного океана. То есть, в свете последних исследований значительно удревнилась история возникновения океана, и качественно изменилась геологическая история развития нашей планеты.

Первый суперконтинент, который сформировался в самом конце архея, в начале протерозоя, то есть, спустя почти 2 миллиарда лет после возникновения гидросферы и атмосферы на Земле, это Пангея-0 по Хаину. С ним как раз связано образование гигантских марганцево-рудных и железорудных формаций. Они приведены на этой картинке. Здесь контурами изображены современные формы континентов, которых раньше в таком виде не было. Но у них были ядра или кратоны, которые как раз соединились. При этом данные месторождения марганца, объединенные на площади, которая сейчас находится на разных континентах: в Южной Америке, в Индии и в Южной Африке, в Калахари, были объединены едиными геологическими условиями отложения и одинаковой минералогической зональностью марганцевых руд.

В ту пору в протерозое, когда образовались эти месторождения, объем морской воды, масса воды и состав ее были близки к современным, а атмосфера была кислородонасыщенной. То есть, в течение трехсот миллионов лет условия были близки очень к тому, что имеем мы на Земле сейчас. И вполне возможно, что тогда происходило не только образование марганцево-рудных бассейнов, но и развитие других форм жизни на Земле.

Отложение происходило в определенный промежуток времени, эти месторождения образовались между двумя и 1,9 миллиардами лет, в короткий промежуток времени, быстро. Для образования месторождений в короткий промежуток времени необходима предварительная концентрация металлов в какой-либо форме.

А.Г. И последующие события, которые…

Е.Б. Да, и последующие события, которые могут вынести его. Поэтому мы полагаем, что формой концентрации были железомарганцевые отложения, а событием, которое могло бы их вынести, могло быть падение астероида на океанское дно примерно 1,9 миллиарда лет назад. Вполне мог бы астероид или часть его упасть и в пучину океана. Во всяком случае, это было очень крупное тело, которое прорвало тонкую океаническую кору. Надо сказать, корни континентов, кора континентальная, бывает толщиной примерно до 300 километров, а океаническая кора – это максимум 10, чаще всего 7-8 километров. То есть, падающий астероид мог ее прорвать, и тем самым спровоцировать мантийное извержение на океанском дне. Что это значит? Это значит – колоссальные температуры, исчезновение кислорода.

Складываются такие условия, в которых, во-первых, происходит растворение железомарганцевых конкреций. В то же время вздымается океанское ложе. То есть начинается трансгрессия океана – подъем воды. И восходящими течениями растворенные металлы выносятся на окраины континента. В определенном месте, но в ограниченных, локальных рамках.

А.Г. Что объясняет локализацию.

Е.Б. Да, что объясняет локализацию. На этой картинке стрелками, которые опущены вниз на шельфовую зону, показана стратиграфическая последовательность отложения металлов – сначала карбонатные, потом окислы железа, затем карбонат марганца и окислы марганца.

После того как произошел этот взрыв (это была, конечно, глобальная катастрофа, очень древняя), океанское дно постепенно начинает залечиваться, оседает. Происходит регрессия, вода уходит с шельфовой зоны, и дальнейшая история развития этих месторождений связана с историей развития протерозойского суперконтинента. Возможно, что падение астероида и было причиной раскола этого континента.

Азарий Баренбаум: Елена Сергеевна подняла очень крупную и важную проблему: откуда берутся на Земле месторождения марганца, и как эти месторождения образуются, и привлекала к этому космические факторы. Я должен сказать, что такие же проблемы существуют в отношении многих других полезных ископаемых.

Со времен Птолемея в науках о Земле господствует так называемая геоцентрическая парадигма. Согласно этой парадигме, все происходящие на Земле процессы можно объяснить тем, что твориться в самой Земле.

Но одних эндогенных факторов для объяснения всех происходящих на Земле процессов недостаточно, необходимо привлекать еще и факторы космического характера. Все эти факторы объединены или изучаются в рамках гелиоцентрической парадигмы, которая рассматривает прежде всего космические процессы в самой Солнечной системе. Однако наряду с ближним космосом, на нашу планету и в целом на Солнечную систему оказывают большое влияние процессы, происходящие в космосе дальнем – в галактике. О влиянии на Землю галактических процессов до недавнего времени практически ничего не было известно. Этот фактор серьезно во внимание не принимался исследователями.

Ситуация радикально изменилась буквально в последние 10-15 лет после открытия явления струйного истечения вещества из центра нашей и других спиральных галактик. Это явление оказалось столь важным и столь значительным, что, как показали наши исследования последних лет, без его учета нельзя понять и объяснить многие процессы, происходящие не только на Земле, но и в самой галактике. Благодаря открытию этого явления удается тесным образом соединить геологическую и астрономическую области знаний в рамках более общей системы представления.

Должен сказать, что отношение к этому открытию у специалистов неоднозначное. А суть этого явления состоит в том, что в процессе эволюции галактик, и нашей галактики в том числе, в их центре происходит постоянное разрушение звезд. Газопылевые продукты этого распада накапливаются в центре системы, образуя быстро вращающийся диск. И из этого диска на спиральной стадии эволюции галактик это вещество начинает истекать в виде системы струйных потоков. С этого момента у галактики формируется выделенная плоскость, и они из эллиптических становятся спиральными звездными системами.

Вещество сначала истекает в газопылевой форме, но по мере движения в галактической плоскости это вещество постепенно конденсируется в плотные газопылевые облака, кометы и звезды. Солнце, которое само является продуктом конденсации газопылевого вещества в спирально-галактических рукавах, движется вокруг центра галактики по некоторой орбите и периодически попадает в эти струйные потоки, периодически пересекает струйные потоки и спиральные галактические рукава. В эти моменты все объекты солнечной системы подвергаются, прежде всего, бомбардировкам галактическими кометами. Это происходит через каждые примерно 20-40 миллионов лет. И примерно раз в миллиард лет Солнце взаимодействует с массивными звездными образованиями, меняя параметры своей галактической орбиты.

Все эти моменты попадания Солнца в спиральные рукава и в струйные потоки в истории Земли отмечены как эпохи глобальных геологических, биологических и геохимических катастроф, к которым привязываются границы современной стратиграфической и геохронологической шкалы.

Вот на этом слайде показана спиральная структура нашей галактики. Наша галактика имеет 4 спиральные ветви логарифмического типа, эти ветви вращаются вокруг центра галактики и имеют два струйных потока. Они показаны на нашей схеме красным цветом. Вещество струйных потоков движется в радиальном направлении из центра галактики. Эта точка – наше Солнце. Оно находится несколько выше красной ветви фронта ближайшего струйного потока.

Хочу обратить ваше внимание, что ветвь Ориона Лебедя, который сегодня в астрономии ошибочно считается ветвью Киля Стрельца, это не что иное, как тот самый струйный поток, о котором я сейчас говорил. Все объекты этого потока движутся в плоскости чертежа из центра галактики к его периферии.

Пожалуйста, слайд 8. На этом слайде слева показана спиральная структура четырех логарифмических галактических ветвей. А синим цветом показана расчетная орбита движения Солнца в галактике. Мелкими циферками отмечены расчетные моменты попадания Солнца в струйные галактические потоки, там 10 цифр. Я должен вам сказать, что, вообще говоря, расчеты орбиты движения Солнца в галактике в свое время, в начале 50-х годов, были выполнены Паренаго. Однако эти расчеты проводились без учета скрытой массы нашей звездной системы и для несколько другого современного удаления Солнца от центра галактики. В этих расчетах впервые учтена скрытая масса галактики, это первое. И второе, сопоставлением с геологическими данными учтены моменты попадания Солнечной системы в струйные потоки галактического вещества.

С правой стороны показан график периодов попадания солнечной системы в струйные потоки галактического вещества. То есть, по оси ординат здесь отложено время между последовательными попаданиями Солнечной системы в струйные потоки. Я хочу обратить ваше внимание на то, что эта кривая носит периодический характер. И она модулирована периодом 250 миллионов лет, который по расчетным данным является аномалистическим периодом движения Солнца по орбите.

Хочу обратить ваше внимание на четвертую точку. Эта точка, я потом о ней буду говорить подробнее, повторяется для трех последних оборотов, и в фанерозойской истории Земли с ней связано начало палеозойской эры, это эра древней жизни и начало кайнозойской эры, это эра новой жизни. Это очень важные рубежи, в которых происходила резкая смена биоты на Земном шаре.

Должен сказать, вымирания, происходившие на Земле, прежде всего связаны с тем, что в эпохи попадания в струйные потоки Солнечная система, и Земля в том числе, бомбардируются галактическими кометами. Это совершенно новый класс космических образований, который, вообще говоря, мной исследуется впервые. До этих работ, до предложения галакто-центрической парадигмы об этом классе космических объектов практически ничего не было известно. В рамках той концепции, о которой я говорю, и было показано, что наблюдаемые сегодня кометы к галактическим кометам прямого отношения не имеют. Эти кометы являются продуктами рассеяния галактических комет на телах астероидного пояса.

Первые оценки массы галактических комет и количества их поступления в Солнечную систему были мною сделаны в 90-м году на основе анализа численности долгопериодических и короткопериодических комет в Солнечной системе. Буквально пять лет назад удалось провести достаточно корректные расчеты количества поступающего на Землю и кометного вещества, и количества падающих на землю комет по кратерам на планетах Солнечной системы, лишенных атмосферы.

Существует, вообще говоря, два типа галактических комет. Есть кометы, которые рождаются в струйных потоках галактики, эти кометы двигаются в галактической плоскости. И за время, примерно, 30 миллионов лет, как и звезды, они уходят за видимые пределы галактик. И есть кометы спиральных галактических рукавов, в которых, как мы полагаем, в свое время возникло и Солнце. Эти кометы двух типов отличаются составом вещества. Кометы спиральных галактических рукавов в своем составе имеют повышенные концентрации элементов со средними атомными весами. В частности, от натрия до кальция включительно.

На следующем слайде приведены эпохи образования отложения в фанерозое, немножко мы захватываем и докембрий, эпохи отложения фосфатов – это темные высокие узкие столбики. Потом пунктирной линией показаны соли, и сплошной темной линией показано отложение карбоната. Так вот, не менее интересен, чем феномен марганца, феномен отложения фосфата. Все крупнейшие формации фосфатов отлагались в очень узких стратиграфических интервалах времен. Это граница венды и кембрия – начало палеозоя. Это начало кайнозоя, и это Пермь-карбоновая граница.

Причем, отложение практически всех современных запасов фосфатных руд происходило за времена порядка десятка миллионов лет. И фосфор присутствовал во всех породах – глобально. В месторождениях сегодня содержится, по оценкам Жаркова, лишь 10 в минус шестой части того фосфора, который в свое время находился на Земле. Сейчас в качестве оценок запасов фосфора такие данные приводятся. Так вот, наша модель показала, что все месторождения фосфора приходятся на моменты попадания Солнца в струйные потоки и в спиральные галактические рукава, но на определенном удалении Солнца от центра галактики – на удаление радиуса коротации от центра системы.

А если вы посмотрите на две вторые гистограммы, которые отражают содержание солей и карбонатов, то вы можете заметить, что чем больше фосфатов отложилось, тем больше отложилось солей. Мало фосфатов – допустим, в девоне, значит, мало солей. То есть выполняется некая пропорция между содержанием солей и фосфатов. Это связано, как удалось нам показать в последних работах, с поступлением на Землю типичного космического вещества. Если учесть распространенность химических элементов в космическом веществе, причем, элементов, которые образуются в результате определенных ядерных реакций нуклеосинтеза – это прежде всего реакция горения кислорода, кремния и углерода, – то распределение полезных ископаемых, о которых я говорил, на Земле отражает распространенность соотношения тех химических элементов в космическом веществе, которые участвуют в образовании этих полезных ископаемых.

Более того, отложение разных типов солей – скажем, калийных солей, галита и карбонатов – определяется всецело распределением кальция, натрия, калия, хлора и других элементов в космическом веществе.

А.Г. У меня вопрос о прогнозе.

На какой удаленности от галактических рукавов и истечения вещества находится Солнце сейчас, и когда оно войдет в очередное соприкосновение?

А.Б. Солнце войдет в очередной рукав через 18 миллионов лет. Мы только-только вышли из струйного потока, всего лишь 600 тысяч лет назад. И с этим обстоятельством очень многие вещи связаны, вообще говоря, в Солнечной системе. Не будь этого обстоятельства, мы бы сегодня, например, не наблюдали комет…