Минералогия и геохимия железомарганцевых конкреций Финского залива, Балтийское море
|
Введение 4
Методы исследования 5
Литературный обзор 7
Глава 1. Общие сведения 9
1.1. Физико-географическое положение 9
1.2. Геологическое строение территории 10
Глава 2. Морфология железомарганцевых конкреций 16
Глава 3. Минеральный состав 24
Глава 4. Химический состав конкреций 28
Выводы 37
Список литературы 38
Методы исследования 5
Литературный обзор 7
Глава 1. Общие сведения 9
1.1. Физико-географическое положение 9
1.2. Геологическое строение территории 10
Глава 2. Морфология железомарганцевых конкреций 16
Глава 3. Минеральный состав 24
Глава 4. Химический состав конкреций 28
Выводы 37
Список литературы 38
Железомарганцевые конкреции, широко распространенные на дне Балтийского моря, впервые были обнаружены в конце XIX века (Grewingk K, 1884). Геохимические исследования осадков были начаты в начале XX века. Самойлов Я. В и Титов А.Г (1922) впервые опубликовали сведения о распространении железомарганцевых конкреции и данные об их составе. С 1924 по 1930 гг. в ходе геологической экспедиции под руководством С. Гриппенберг было дано морфологическое описание конкреций и изучен их химический состав (Gripenberg S, 1934). В дальнейшем исследование железомарганцевых конкреций Балтийского моря проводилось многими исследователями. Так, Варенцов И. М (1975, 1977), Bostrom K. (1982), Батурин Г. Н. (1988) и Горшков А. И. (1993) изучали минеральный и химический составы конкреций. По данным последнего конкреции состоят из Mn-фероксигита, бернессита, протоферригидрита, тодорокита, безжелезистого вернадита, редко встречается гётит.
Ануфриев Г. С. и Болтенков Б. С. (2007) привели данные о химическом составе конкреций, а также изучили изотопный состав гелия в них. На основании последнего авторами была рассчитана скорость роста конкреций, которая составила около 8-9 мм/тыс. лет.
Батурин Г. Н. (2009) опубликовал данные о накоплении макро- и микроэлементов в железомарганцевых конкрециях Финского залива. Автор установил, что наряду с железом и марганцем в конкрециях накаливаются такие элементы, как P, Ca, Sr, Ba, Mo, Co, Zn, Ni, As, Pb, Sb, Tl, U, W, Y, Ga.
Несколько работ были посвящены экологическому аспекту конкрециеобразования в Финском заливе (Жамойда, Григорьев, 2005), а также способности конкреций к накоплению фосфора (Опекунов и др., 2014).
Несмотря на достаточно большое количество работ посвященных описанию железомарганцевых конкреций Финского залива, некоторые вопросы касаемо минералогического, микроэлементного составов и генезиса остаются нерешенными. В этой работе сделана попытка частично решить эти вопросы. Для этого была изучена морфология конкреций, их внутреннее строение и минеральный и химический состав. Больше всего затруднений вызывает изучение именно внутреннего строения, так как балтийские конкреции, в отличие от глубоководных, довольно хрупки. Рентгеновская микротомография позволяет без разрушения объекта получить представление о его структуре, поэтому этот метод и был выбран как основной для изучения внутреннего строения конкреций. Ещё одним преимуществом метода является то, что исследуемый объект не требует никакой предварительной подготовки. Ранее рентгеновская микротомография при изучении железомарганцевых конкреций не применялась.
Материалом для настоящей работы послужила коллекция железомарганцевых конкреций, хранящаяся в минералогическом музее Санкт-Петербургского государственного университета. Материал был собран сотрудником «ВНИИ Океангеология им. О. С. Грамберга» Соколовым Г. в 2000х гг. в Финском заливе на меридиане о. Гогланд с глубин 25-80 м. Полученные в ходе работы данные представляют собой научный интерес.
Автор благодарит Брусницына А. И. за руководство и помощь в написании работы, сотрудников ресурсного центра «Рентгендифракционные методы исследования» Крючкову Л. Ю. и Платонову Н. В, сотрудника ресурсного центра «Центр микроскопии и микроанализа» Янсон С. Ю. за помощь в проведении аналитических работ.
Методы исследования
Для выполнения анализов были использованы конкреции из 2-й, 3-й и 4-й групп (описание групп приведено в главе 1). Образцы из 1-й, 2-й и 3-й групп исследовались методами рентгенофазового анализа микротомографии и в ресурсном центре СПбГУ «Рентгендифракционные методы исследования» (далее РЦ РДМИ), методом рентгенфлуоресцентного анализа в Центральной лаборатории «ВСЕГЕИ» им. А. П. Карпинского, методом ISP-MS в Институте геохимии им. А. П. Виноградова. Образцы из 4-й группы исследовались при помощи микротомографии. Также все образцы из коллекции были исследованы под оптическим микроскопом.
Для рентгенофазового анализа пробы измельчались в агатовой ступке, полученный порошок помещался на предметное стекло, смачивался спиртом и выравнивался. Затем стекло с образцом закреплялось в кювете и помещалось в прибор. Анализ проводился на порошковом дифрактометре Rigaku MiniFlex II в РЦ РДМИ. Перед проведением основной части анализов была проведена подготовительная часть, заключающаяся в выборе излучения между CoKa и CuKa. При обзорной съемке с шагом 10°/мин на каждом излучении было выяснено, что использование CuKa предпочтительнее, так как относительная высота пиков получалась больше. Основная часть съемки проводилась при напряжении на рентгеновской трубке 30 kV и силе тока 15 mA. Диапазон сканирования от 3 до 60° с минимальным шагом 0,02. Скорость сканирования сначала была выбрана 4°/мин, затем 2°/мин в виду недостаточности разрешения рентгенограммы.
Томография проводилась на настольном рентгеновском микротомографе высокого разрешения SkyScan 1172 в РЦ РДМИ. Трехмерные модели были получены при помощи программного комплекса CTvox, томографические сечения - при помощи программного комплекса DataViewer.
Оптическая микроскопия - с помощью этого метода были получены фотографии всех конкреций из коллекции. Съемка проводилась оптическим микроскопом Leica в РЦ РДМИ и стереомикроскопом Leica M165 С в РЦ «Микроскопии и микроанализа».
Ануфриев Г. С. и Болтенков Б. С. (2007) привели данные о химическом составе конкреций, а также изучили изотопный состав гелия в них. На основании последнего авторами была рассчитана скорость роста конкреций, которая составила около 8-9 мм/тыс. лет.
Батурин Г. Н. (2009) опубликовал данные о накоплении макро- и микроэлементов в железомарганцевых конкрециях Финского залива. Автор установил, что наряду с железом и марганцем в конкрециях накаливаются такие элементы, как P, Ca, Sr, Ba, Mo, Co, Zn, Ni, As, Pb, Sb, Tl, U, W, Y, Ga.
Несколько работ были посвящены экологическому аспекту конкрециеобразования в Финском заливе (Жамойда, Григорьев, 2005), а также способности конкреций к накоплению фосфора (Опекунов и др., 2014).
Несмотря на достаточно большое количество работ посвященных описанию железомарганцевых конкреций Финского залива, некоторые вопросы касаемо минералогического, микроэлементного составов и генезиса остаются нерешенными. В этой работе сделана попытка частично решить эти вопросы. Для этого была изучена морфология конкреций, их внутреннее строение и минеральный и химический состав. Больше всего затруднений вызывает изучение именно внутреннего строения, так как балтийские конкреции, в отличие от глубоководных, довольно хрупки. Рентгеновская микротомография позволяет без разрушения объекта получить представление о его структуре, поэтому этот метод и был выбран как основной для изучения внутреннего строения конкреций. Ещё одним преимуществом метода является то, что исследуемый объект не требует никакой предварительной подготовки. Ранее рентгеновская микротомография при изучении железомарганцевых конкреций не применялась.
Материалом для настоящей работы послужила коллекция железомарганцевых конкреций, хранящаяся в минералогическом музее Санкт-Петербургского государственного университета. Материал был собран сотрудником «ВНИИ Океангеология им. О. С. Грамберга» Соколовым Г. в 2000х гг. в Финском заливе на меридиане о. Гогланд с глубин 25-80 м. Полученные в ходе работы данные представляют собой научный интерес.
Автор благодарит Брусницына А. И. за руководство и помощь в написании работы, сотрудников ресурсного центра «Рентгендифракционные методы исследования» Крючкову Л. Ю. и Платонову Н. В, сотрудника ресурсного центра «Центр микроскопии и микроанализа» Янсон С. Ю. за помощь в проведении аналитических работ.
Методы исследования
Для выполнения анализов были использованы конкреции из 2-й, 3-й и 4-й групп (описание групп приведено в главе 1). Образцы из 1-й, 2-й и 3-й групп исследовались методами рентгенофазового анализа микротомографии и в ресурсном центре СПбГУ «Рентгендифракционные методы исследования» (далее РЦ РДМИ), методом рентгенфлуоресцентного анализа в Центральной лаборатории «ВСЕГЕИ» им. А. П. Карпинского, методом ISP-MS в Институте геохимии им. А. П. Виноградова. Образцы из 4-й группы исследовались при помощи микротомографии. Также все образцы из коллекции были исследованы под оптическим микроскопом.
Для рентгенофазового анализа пробы измельчались в агатовой ступке, полученный порошок помещался на предметное стекло, смачивался спиртом и выравнивался. Затем стекло с образцом закреплялось в кювете и помещалось в прибор. Анализ проводился на порошковом дифрактометре Rigaku MiniFlex II в РЦ РДМИ. Перед проведением основной части анализов была проведена подготовительная часть, заключающаяся в выборе излучения между CoKa и CuKa. При обзорной съемке с шагом 10°/мин на каждом излучении было выяснено, что использование CuKa предпочтительнее, так как относительная высота пиков получалась больше. Основная часть съемки проводилась при напряжении на рентгеновской трубке 30 kV и силе тока 15 mA. Диапазон сканирования от 3 до 60° с минимальным шагом 0,02. Скорость сканирования сначала была выбрана 4°/мин, затем 2°/мин в виду недостаточности разрешения рентгенограммы.
Томография проводилась на настольном рентгеновском микротомографе высокого разрешения SkyScan 1172 в РЦ РДМИ. Трехмерные модели были получены при помощи программного комплекса CTvox, томографические сечения - при помощи программного комплекса DataViewer.
Оптическая микроскопия - с помощью этого метода были получены фотографии всех конкреций из коллекции. Съемка проводилась оптическим микроскопом Leica в РЦ РДМИ и стереомикроскопом Leica M165 С в РЦ «Микроскопии и микроанализа».
В ходе проведенных исследований железомарганцевые конкреции Финского залива были поделены на восемь групп на основе их морфологии. Все образцы были отсняты при помощи современного оптического микроскопа, что позволило получить качественные фотографии. Морфология конкреций оказалась очень разнообразной. Встречаются и почти правильной сферической формы конкреции, и овальные желвакообразные. Интересными оказались плоские и тарелкообразные конкреции, где невооруженным глазом можно увидеть центры образования - гранитные гальки различных размеров.
Впервые при исследовании балтийских конкреций был использован метод рентгеновской томографии. Этот неразрушающий метод позволил увидеть внутреннее строение конкреции без распиливания образца. В дальнейшем этот метод может быть использован как подготовительный для приготовления препаратов. Все исследованные конкреции характеризуются концентрической зональностью с четко выраженными ритмами. В качестве ядер, помимо обломков пород, наблюдаются обломки ранее образованных конкреций и комочки уплотненного осадка.
Главными марганцевыми минеральными фазами конкреций являются бернессит, тодорокит и, возможно, бузерит. Наличие последнего еще требует подтверждения. Гидроксиды железа представлены преимущественно аморфным веществом.
Были получены данные о содержании макро-, микро- и редкоземельных элементов. Наряду с железом и марганцем были установлены повышенные концентрации Co, Ni, Cu, Zn, P, Sr, Y, Ba и U. Нормирование на алюминий концентраций элементов показало, что ряд элементов (Na, Al, Sc, Ti, Zr, Hf, Ta, Th) являются литогенными и были привнесены в составе обломочного материала. Анализ геохимических данных показал, что на основе содержания микроэлементов нельзя различить конкреции гидротермального и диагенетического происхождения. Однако это возможно сделать, основываясь на содержании редкоземельных элементов. По соотношению цериевой аномалии к неодиму железомарганцевые конкреции Финского залива можно отнести к диагенетическим отложениям.
Впервые при исследовании балтийских конкреций был использован метод рентгеновской томографии. Этот неразрушающий метод позволил увидеть внутреннее строение конкреции без распиливания образца. В дальнейшем этот метод может быть использован как подготовительный для приготовления препаратов. Все исследованные конкреции характеризуются концентрической зональностью с четко выраженными ритмами. В качестве ядер, помимо обломков пород, наблюдаются обломки ранее образованных конкреций и комочки уплотненного осадка.
Главными марганцевыми минеральными фазами конкреций являются бернессит, тодорокит и, возможно, бузерит. Наличие последнего еще требует подтверждения. Гидроксиды железа представлены преимущественно аморфным веществом.
Были получены данные о содержании макро-, микро- и редкоземельных элементов. Наряду с железом и марганцем были установлены повышенные концентрации Co, Ni, Cu, Zn, P, Sr, Y, Ba и U. Нормирование на алюминий концентраций элементов показало, что ряд элементов (Na, Al, Sc, Ti, Zr, Hf, Ta, Th) являются литогенными и были привнесены в составе обломочного материала. Анализ геохимических данных показал, что на основе содержания микроэлементов нельзя различить конкреции гидротермального и диагенетического происхождения. Однако это возможно сделать, основываясь на содержании редкоземельных элементов. По соотношению цериевой аномалии к неодиму железомарганцевые конкреции Финского залива можно отнести к диагенетическим отложениям.