Геологическая характеристика, потенциал и генезис образования железомарганцевых руд на дне юго-западной части Южно-Китайского моря Ч. 2. Результаты исследований образцов руд дна Южно-Китайского моря

Ю.В. Кириченко¹, Hго Чан Тхиен Кюи^{1, 2}, Фам Ба Чунг³, Нгуен Тхи Тхам⁴, Доан Тхи Туи^4
1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
² Вьетнамский национальный университет Хошимина, г. Хошимин, Вьетнам
³ Институт океанографии Вьетнамской академии наук и технологий, г. Нячанг, Вьетнам
⁴ Вьетнамский институт нефти, г. Ханой, Вьетнам
Горная Промышленность №2 / 2022 стр. 67-75

Резюме: В первой части статьи  были приведены общие сведения о геологии морских месторождений Вьетнама, способах их разведки и проведенных научно-исследовательских экспедициях. В этой части статьи рассматриваются результаты исследований образцов, отобранных со дна Южно-Китайского моря. Дается краткое описание проведенных Вьетнамским океанографическим институтом и Вьетнамским институтом геологии и минералов методов исследований. Приведены результаты исследований петрографических шлифов образцов, вследствие чего были выделены три разновидности железомарганцевых руд. Геохимический состав определялся с помощью рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (ХRF-РФА) по 38 элементам. Для обнаружения редкоземельных элементов проводилась масс-спектрометрия индуктивно-связанной плазмы (ICP-MS), которая показала среднее содержание 364.34 г/т. Генетический анализ происхождения конкреций и корок проводился по диаграммам Бонатти и Бау, скорость роста руд определялась методом Co-флюс (Co-flux). В статье отмечается высокая скорость роста руд (до 14 мм/млн лет). Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности Южно-Китайского моря и в частности Вьетнамской его части в плане рудоносности и необходимости продолжения и расширения геологоразведочных работ в этом регионе.

Ключевые слова: Южно-Китайское море, отбор образцов, петрографические шлифы, конкреции, корки, рентгеновская флуоресцентная спектроскопия, спектрометрия индуктивно-связанной плазмы, содержание компонентов, железо, марганец, редкоземельные элементы, генезис, гидрогенетическое происхождение, диагенетическое происхождение, гидротермальное происхождение, возраст, скорость роста, перспективы изысканий

Для цитирования: Кириченко Ю.В., Hго Чан Тхиен Кюи, Фам Ба Чунг, Нгуен Тхи Тхам, Доан Тхи Туи. Геологическая характеристика, потенциал и генезис образования железомарганцевых руд на дне юго-западной части Южно-Китайского моря. Ч. 2. Результаты исследований образцов руд дна Южно-Китайского моря. Горная промышленность. 2022;(2):67–75. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-2-67-75

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.02.2022

Поступила после рецензирования: 15.03.2022

Принята к публикации: 16.03.2022

Информация об авторах

Кириченко Юрий Васильевич – доктор технических наук, профессор кафедры геологии и маркшейдерского дела, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация

Hго Чан Тхиен Кюи – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; Вьетнамский национальный университет Хошимина, г. Хошимин, Вьетнам; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Фам Ба Чунг – инженер, Институт океанографии Вьетнамской академии наук и технологий, г. Нячанг, Вьетнам Нгуен Тхи Тхам – инженер, Вьетнамский институт нефти, г. Ханой, Вьетнам

Доан Тхи Туи – инженер, Вьетнамский институт нефти, г. Ханой, Вьетнам

1. Введение. Анализ проб

В 1995 г. предварительный анализ 4 проб, собранных во время исследовательского рейса корабля «Атланта» (L’ATALANTE, май 1993 г.), проведенный Вьетнамским Океанографическим Институтом, показал, что они относятся к корковому типу и имеют основной состав Fe₂O₃ 18,03– 27,53%, MnO 3,29–13,39%, другие элементные компоненты не анализировались [1–3].

В данном исследовании было проанализировано 18 проб (по всем аналитическим параметрам), большинство проб было отобрано драгами-волокушами на различной глубине, в диапазоне от –130 м до –1300 м на поверхности подводных гор, расположенных в юго-западном суббассейне центра Южно-Китайского моря. Место отбора проб располагалось в диапазоне долготы от 109°53'24'' до 111°59'01'' и широты от 8°13'54 '' до 10°11'30 ''; 2 образца были отобраны в морском районе провинции Биньдинь (VN16, VN18) и 1 образец – на острове Ту Чинь (VN-3).

Образцы были отобраны и проанализированы многими методами, такими как петрографический шлиф, XRF, ICP-MS. Петрографические шлифы были приготовлены для определения породообразующих компонентов, микробиологии и некоторых специфических характеристик процесса образования руды. Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия (XRF) – это качественный и полуколичественный аналитический метод для определения присутствия основных элементов и некоторых редкоземельных элементов в образце.

Масс-спектрометрия индуктивно-связанной плазмы (ICP-MS) использовалась для количественного определения состава элементов в образце (металлических и редкоземельных элементов) с точностью до миллионных долей (ppm).

2. Основные полученные результаты

Для анализа были отобраны пробы, некоторые основные характеристики которых приведены в табл. 1.

Таблица 1 Список образцов и описание основных характеристик

Table 1 List of samples and description of the main properties

Рис. 1 Фотографии исследуемых образцов руды

Fig. 1 Photographs of the studied ore samples

2.1. Особенности петрографического состава и строения

Петрографический анализ проводился на поляризационном микроскопе Carl Zeiss Axioskop 40 для 7 проб, содержащих руду, отобранных из проб VN-9, VN-10, VN-11, VN-13, VN-14, VN-15, VN-18. Результаты петрографического анализа показывают, что их можно разделить на группы руд, развитые на базальтах (5 проб: VN-10, VN-11, VN-14, VN-15, VN-18), туфы (проба VN-9) и рудные группы, развитые на известняках (проба VN-13).

Под микроскопом видно, что объем в образцах рудообразующих минералов составляет от 45 до 90%, иногда образец содержит небольшие обломки (фрагменты) кварца, кальцит и биологические остатки (рис. 2). При просмотре руды в поляризационный микроскоп на 1 никон руда красновато-коричневая, на 2 перпендикулярных никонах руда темно-коричневая. Большинство из них не имеют четкой формы, сгруппированы вместе, некоторые из них круглые, эллиптические.

Рис. 2 Фотографии некоторых образцов руды, наблюдаемых под поляризационным микроскопом Г: Глина, К: Карбонат, м-К: Микро-конкреции, Об: Обломочная порода, П: Поры, Р: Руда, Ф: Фораминиферы, Т: Туф

Fig. 2 Photographs of some ore samples as observed under a polarizing microscope Г: Clay, K: Carbonate, м-K: Micro-concretions, Об: Clastic rock, П: Pores, Р: Ore, Ф: Foraminifera, T: Tuff

Оценивая в общем результаты анализа шлифов образцов под микроскопом, можно отметить, что исследованные руды представляют собой следующие разновидности:

1. Микроконкреции, представляющие собой и сосредоточенные включения. В известняках руды распределены неоднородно, сосредоточены в скоплениях, без определенной формы, развивающиеся в микропорах породы (образец VN-13). Такая же форма руды встречается в туфах (VN-9).

2. Слоистое строение имеет в основном концентрическую структуру (образец VN-14), руда относительно однородно распределена, и совместно с рудами представлены организмы, глинистый материал и небольшое количество незаполненных пор.

3. Развитые сети-цепочки (образцы VN-10, VN-13, VN-15). Руда образовалась на карбонатной породе-основе с остатками многих различных организмов. Руды развивались по механизму заполнения и замещения в материнских породах, таких как вулканические породы и их производные, в том числе туфы.

2.2. Геохимический состав

Масс-спектрометрия флуоресцентная спектроскопия (XRF - РФА) была выполнена для 7 образцов (номера VN-1, VN-2, VN-7, VN-12, VN-13, VN-14, VN-15). Аналитические результаты по 38 элементам представлены в табл. 2.

Таблица 2 Анализ результатов геохимического состава методом РФА для проб руды из юго-западной части Южно-Китайского моря (Вьетнамская исключительная экономическая зона)

Table 2 Results of X-ray fluorescence analysis of geochemical composition for ore samples from the southwestern part of the South China Sea (Vietnam Exclusive Economic Zone)

Результаты геохимического анализа показали, что соотношение полезных компонентов Mn / Fe в образцах варьирует от 0,066 до 0,955 (все < 1). Содержание некоторых основных элементов, таких как Fe (%) = 7,63–14,8; Mn (%) = 1,34–20,9; Al (%) = 0,764–5,344; Si (%) = 1,63–13,9; Co (ppm) = 0–1820; Ni (ppm) = 572–2290; Cu (ppm) = 103–523; Mo (ppm ) = 36–571; Zn (частей на миллион) = 0–1050.

Спектрометрия индуктивно-связанной плазмы (ICP-MS) для определения редкоземельных элементов в образце проводилась на анализаторе Agilent ICP-MS 7700X во Вьетнамском институте геологии и минералов. Результаты анализа представлены в табл. 3.

Таблица 3 Данные о составе редкоземельных элементов (РЗЭ)

Table 3 Data on the rare-earth element (REE) composition

Рис. 3 а) РЗЭ состав проб. b) Составы РЗЭ, нормализованные на РЗЭ в Постархейский австралийский сланец

Fig. 3 а) REE composition in the samples. b) REE composition normalized to REE in the Postarchean Australian shale

Суммарное содержание редких элементов ΣРЗЭ = 162,35– 781,62 г/т, в среднем 364,34 г/т. Все образцы, проанализированные с помощью ИСП-МС, относятся к участкам земной коры, расположенным на склонах и вершинах подводных гор, на континентальных склонах или в юго-западной части центрального бассейна Южно-Китайского моря.

Средняя концентрация редких элементов ΣРЗЭ в образцах из других регионов Южно-Китайского моря, таких как северо-восток Южно-Китайского моря (7 проб, 3 местоположения), 178 ppm, северо-запад Южно-Китайского моря (7 образцов, 2 местоположения) – 1218,81 ppm, Центральный бассейн Южно-Китайского моря – 697.30 ppm (1 проба) [4; 5]. Образец, полученный в центре Южно-Китайского моря, J-158, содержит 697,30 ppm на поверхности базальта, общий состав которого близок к значению самых высоких образцов во Вьетнаме (рис. 3).

3. Генетический механизм происхождения железомарганцевых конкреций и корок

Происхождение морских и океанических Fe-Mn руд бывает трех типов: гидрогенетическое, диагенетическое и гидротермальное, иногда смешанное. Для определения генезиса руд использовалась диаграмма Бонатти (1972) трех компонентов Fe-Mn- (Co + Cu + Ni) *10 [4–6].

Диаграмма Бонатти свидетельствует, что большинство образцов образовалось в гидрогенетических условиях, только образец VN-14 был сформирован в гидротермальных условиях, а VN-12 представляет собой комбинацию гидрогенетических и гидротермальных условий; образцов диагенетического типа нет (рис. 4).

Таблица 4 Данные о составе редкоземельных элементов (РЗЭ)

Table 4 Data on the rare-earth element (REE) composition

Рис. 4 Схема классификации генетического происхождения согласно Бонатти (1972)

Fig. 4 Genetic origin classification diagram after Bonatti (1972)

Однако этот подход не позволяет четко разграничить гидротермальные и диагенетические условия осаждения, поэтому M. Бау (М. Bau) (2014) создал классификационную диаграмму, основанную на соотношениях редких элементов Ce_SN / Ce*_SN -Nd и Ce_SN/ Ce_SN * -Y_SN / Ho_SN, (SN: нормализация с помощью постархейских австралийских сланцев, сокращенно – PAAS) (McLennan, 1989) [4–7]. На практике исследователи используют эти графики одновременно. Классификационная карта М. Бау (2014) показывает, что в большинстве образцов руда формируется по гидрогенетическому механизму, только VN-14 относится к смешанному типу, а VN-12 находится вблизи границы (рис. 5).

Результаты этих двух классификаций примерно одинаковы, что указывает на их надежность.

Ce_SN = Ce/Ce_PAAS; Ce*_SN = 0,5x(La_SN + Pr_SN) [7]

Рис. 5 Схема классификации генетического происхождения согласно М. Бау (2014)

Fig. 5 Genetic origin classification diagram after M. Bau (2014)

3.1. Возраст и скорость роста руды

Существует несколько методов определения возраста железомарганцевых отложений на основе возраста и толщины конкреций / корок для расчета скорости роста. Методы изотопного датирования обычно имеют высокую надежность, включая ¹⁰Be/⁹Be (Segl et al. 1984; Somayajulu 2000), U-Th (Reyss et al. 1985), ²⁶Al (Sharma et al. 1987), ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (Futa et al. 1988), ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os (Klem et al. 2005), K/Ar и ⁴⁰Ar/³⁹Ar (Ishizuka et al. 1998), из которых наиболее широко применяется метод ¹⁰Be/⁹Be. В некоторых случаях также использовались методы микропалеонтологического датирования (Cowen et al. 1993) и методы определения скорости роста, непосредственно основанные на составе Mn, Fe и Co, такие как Co-flux – метод (Manheim & Lane-Bostwock 1988; Puteanus & Halbach 1988), содержание Mn и Fe (Huh and Ku, 1984) [3–6; 8; 9].

Со-флюс-метод: Скорость роста = 0.68/Со_n ^1.67,

где Со_n = Со*50/(Fe+Mn) Fe, Mn, Со выражено в масс. г [3; 8]. Большинство обследованных образцов относятся к корковому типу, собранному с флангов и вершин подводных гор. Таким образом, возраст базальтовых пород подводных гор можно рассматривать как верхнюю границу образования руд на их поверхности. Базальтовые породы на подводных горах в западной части бассейна Центрально-ЮКМ имеют возраст от среднего миоцена (13,95 млн лет) до раннего плиоцена (3,49 млн лет), а на флангах и континентальном шельфе вод Вьетнама – от 5,5 млн лет до настоящего времени (последнее извержение вулкана на острове Хон Тро произошло в 1923 г.) [10–12].

Скорость роста руды может определяться отношением возраста и толщины рудного слоя и может изменяться на каждой стадии образования руды. Один метод расчета скорости роста руды основан на эмпирическом уравнении Huh and Ku (1984): S (мм/млн лет) = 13,8 * (Mn/Fe) 2 + 0,75, где содержание Mn и Fe выражено в масс. %. Результаты расчетов показывают, что скорость роста руды на исследуемой территории составляет от 0,81 мм/млн лет до 14,41 мм/ млн лет (см. табл. 4). Образцы VN-2 и VN-14 дают очень низкие значения скорости образования, возможно допустимы отдельные различия, которые требуют дальнейшего изучения и объяснения. В первую очередь это потому, что все образцы (VN-12, VN-13, VN-14) взяты очень близко друг от друга, но дают весьма разные значения скорости роста. Результаты определения скорости роста образцов VN-2, VN-7, VN-13 и VN-17 дали более высокие значения, чем океанические корки (1–5 мм/млн лет) [9; 13–19].

Необходимо отметить, что такая высокая скорость роста согласуется с ранее проведенными исследованиями в Северо-Восточном море и центральном районе ЮжноКитайского моря. Это можно объяснить влиянием таких факторов, как тропический климат, сильные процессы выветривания и большие реки, несущие значительное количество осадочного материала и впадающие в Южно-Китайское море, создавая богатый источник металлов в морской воде. Совокупность этих факторов способствует быстрому развитию железомарганцевых конкреций и корок несмотря на то, что большие объемы осадочных материалов, таких как песок, ил и глина, хоть и переносятся в море, но большая часть из них откладывается на континентальном шельфе. На поверхности подводных гор и глубоководных равнин (абиссальных) они немногочисленны или полностью отсутствуют, что создает благоприятные условия для образования железомарганцевых руд. Эта уникальная особенность образования руд в окраинных морях и относительно закрытых (таких как Южно-Китайское море), в которых скорость роста руды выше, чем в мировых океанах. Более точное определение границ различной скорости роста конкреций и корок (районирование) возможно после проведения дополнительных исследований морского дна.

Выводы

1. Результаты исследований первых образцов, отобранных со дна Южно-Китайского моря, показали содержание в них железа и марганца в промышленных кондициях, и они в основном относятся к корковому типу.

2. Исследования образцов, отобранных в более позднее время, проводились по шлифам методами рентгеновской флуоресцентной спектроскопии и спектрометрии индуктивно-связанной плазмы. Установлено наличие в анализируемых пробах до 45–90% рудообразующих минералов.

3. Марганцево-железорудные образования в морской зоне Вьетнама представляют собой микроконкреции (включения), слоистую структуру и развитые сети-цепочки. Среднее содержание некоторых важных элементов, таких как Fe = 16,45%, Mn = 9,94%, Co = 559,67 частей на миллион, Ni = 1910,86 частей на миллион, Cu = 273 частей на миллион. ΣРЗЭ = 162,35–781,62 г / т, в среднем 364,34 г / т.

4. Возраст железомарганцевых руд определялся по возрасту подводных гор в этом районе, возраст базальтов в глубоком море составляет от 13,95 млн лет до 3,49 млн лет, а на континентальном шельфе – от 5,5 млн лет до настоящего времени. Учитывая вышеизложенное, можно констатировать, что скорость роста руды на исследуемой территории составляет от 0,81 мм / млн лет до 14,41 мм / млн лет. Такая высокая скорость роста характерна для окраинных морей.

5. Полученные результаты более чем тридцатилетних исследований дна ЮКМ позволяют сделать вывод о перспективности этого региона в качестве будущего источника железомарганцевого сырья и других твердых полезных ископаемых. Поэтому необходимо расширить масштабность и диапазон поисково-опробовочных работ, в первую очередь во Вьетнамской эксклюзивной зоне.

Список литературы

1. Do Minh Tiep, Ton Nu My Du. Preliminary study on Fe - Mn nodules in deep sea bottom of South-eastern Vietnam. In: Scientific

conference on “Bien Dong 2000”. Nhatrang; 2000. 2. Нго Чан Тхиен Кюи, Кириченко Ю.В. Минеральный потенциал подводных месторождений в Южно-Китайском море Вьетнама. Горная промышленность. 2020;(1):140–143. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-140-143

3. Hго Чан Тхиен Кюи, Кириченко Ю.В., Щёкина М.В. Перспективные и разведываемые месторождения твердых минеральных ресурсов шельфа и глубинных районов Вьетнама. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(9):103–112. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_9_0_103

4. Zhong Y., Chen Z., González F.J., Hein J.R., Zheng X., Li G. et al. Composition and genesis of ferromanganese deposits from the northern South China Sea. Journal of Asian Earth Sciences. 2017;138:110–128. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2017.02.015

5. Yao Guan, Xiaoming Sun, Yingzhi Ren, Xiaodong Mineralogy, geochemistry and genesis of the polymetallic crusts and nodules from the South China Sea. Ore Geology Reviews. 2017;89:206–227. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2017.06.020

6. Sharma R. (ed.). Deep Sea Mining. Springer; 2017. 535 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-52557-0

7. Bau M., Schmidt K., Koschinsky A., Hein J., Kuhn T., Usui A. Discriminating between different genetic types of marine ferromanganese crusts and nodules based on rare earth elements and yttrium. Chemical Geology. 2014;381:1–9. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2014.05.004

8. Josso P., Parkinson I., Horstwood M., Lusty P., Chenery S., Murton B. Improving confidence in ferromanganese crust age models: A composite geochemical approach. Chemical Geology. 2019;513:108–119. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2019.03.003

9. Hein J.R., Koschinsky A. Deep-Ocean Ferromanganese Crusts and Nodules. Treatise on Geochemistry (Second Edition). 2014;13:273–291. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.01111-6

10. Nguyen Hoang. Synthesis of petrographic and geochemical characteristics of Neogene-Quaternary effusives and mantle dynamics of the East Sea and adjacent areas. Journal of Geology, series A, Ha Noi. 2009;312(5–6):39–57.

11. Pinxian Wang, Qianyu Li, Chun-Feng Li. Geology of the China Seas. Elsevier; 2004.

12. Mai Thanh Tan. South China Sea. Vol. 3: Geology and Geophysics. Hanoi: Hanoi National University Press; 2003. 458 p.

13. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Щёкина М.В., Каширский А.С., Якупов И.И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. Ч. 1. Минерально-сырьевые ресурсы мирового океана. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(5):134–142. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2014/05/Galperin-Kirichenko.pdf

14. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Щёкина М.В., Каширский А.С., Якупов И.И. Оценка возможности вовлечения железомарганцевых месторождений морского дна в разработку. Ч. 2. Перспективы разработки глубоководных месторождений твердого минерального сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(6):361–368.

15. Кириченко Ю.В., Каширский А.С. Месторождения твердого минерального сырья Мирового океана и потенциал его использования. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(9):251–259.

16. Димов Г. (ред.) Геология и минеральные ресурсы Мирового океана. Варшава: Intermorgeo; 1990. 756 с.

17. Дубинин А.В., Успенская Т.Ю., Гавриленко Г.М., Рашидов В.А. Геохимия и проблемы генезиса железомарганцевых образований островных дуг западной части Тихого океана. Геохимия. 2008;(12):1280–1303.

18. Константинова Н.П., Черкашёв Г.А., Новиков Г.В., Богданова О.Ю., Кузнецов В.Ю., Рекант П.В. и др. Железомарганцевые корки поднятия Менделеева: особенности состава и формирования. Арктика: экология и экономика. 2016;(3):16–28. Режим доступа: http://eng.arctica-ac.ru/article/147/

19. Базилевская Е.С. Исследование железомарганцевых руд океана. М.: Наука; 2007. 189 с.