Charakterystyka morfologiczno-mineralogiczna konkrecji polimetalicznych
ze strefy Clarion-Clipperton na Oceanie Spokojnym – wyniki wstêpne
Agata Koz³owska-Roman
1, Stanis³aw Z. Mikulski
1Morphological and mineralogical characteristics of polymetallic nodules from the Clarion-Clipperton zone on the Pacific Ocean – preliminary results. Prz. Geol., 67: 169–172; doi: 10.7306/2019.11
A b s t r a c t. Manganese nodules, known also as polymetallic nodules, from the Clarion-Clipperton Zone on the Pacific Ocean were examined by the electron microprobe method to determine their chemical and mineralogical compositions. Two different types of lay-ers were distinguished and total metal content was dtermined. Macroscopic investigations were also described.
Keywords: polymetallic nodules, EMPA, chemical composition, sea-floor sediment, Clarion-Clipperton Zone, Pacific Ocean
W ramach dzia³alnoœci statutowej w Pañstwowym Instytucie Geologicznym – Pañstwowym Instytucie Ba-dawczym (PIG-PIB) w latach 2016–2017 na reprezenta-tywnych próbkach konkrecji z obszaru Clarion-Clipperton (CCZ) zosta³y wykonane badania mikroskopowe oraz che-miczne zawartoœci pierwiastków, za pomoc¹ metodyki WD-XRF, ICP-MS oraz GF-AAS (Mikulski i in., 2018). Materia³ badawczy pobrano metod¹ tra³owania dennego podczas rejsu badawczego IOM-2014 na statku RV „Yuzh-morgeologiya” w 2014 r. Wspólna Organizacja
Interocean-metal udostêpni³a PIG-PIB czêœæ pobranych próbek do badañ.Oznaczony za pomoc¹ metodyki WD-XRF sk³ad chemiczny konkrecji wykaza³ dominuj¹cy udzia³ MnO (œrednia geom. = 37,0%, dla n = 10), SiO2 (12,8%), Fe2O3 (7,8%) i Al2O3(4,3%), a tak¿e znaczne domieszki Cu i Ni (ok. 1,15%) oraz ni¿sze Co i Zn (po ok. 0,15%), Mo (0,06%), V (0,04%), Ce (0,02%), Li (0,015%), Nd (0,01%) orazSSc2O3-Lu2O3(0,074%), (Mikulski i in., 2018). W ni-niejszej pracy przedstawiamy wstêpne wyniki przeprowa-dzonych badañ morfologicznych oraz mikroskopowych,
169 Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019
1
Pañstwowy Instytut Geologiczny – Pañstwowy Instytut Badawczy, ul. Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa; agata.kozlow-ska@pgi.gov.pl, stanislaw.mikulski@pgi.gov.pl
Ryc. 1. Obszar badañ Wspólnej Organizacji Interoceanmetal wraz z zaznaczonym miejscem poboru próbek do badañ Fig. 1. The study area of the Interoceanmetal Joint Organization with the sampling site
a tak¿e uzyskane rezultaty prac na mikrosondzie elektronowej CAMECA SX-100.
LOKALIZACJA
Strefa CCZ stanowi zró¿nicowany region abysalny (zakres g³êbokoœci 4 do 6 km) w obrê-bie najwiêkszej oceanicznej p³yty litosfery Oce-anu Spokojnego i jest uznawana za jeden z najbardziej perspektywicznych obszarów wystêpowania konkrecji polimetalicznych (Kotliñski, 2011; ryc. 1). Powierzchnia strefy wynosi ok. 5,5 mln km2, o rozci¹g³oœci 5200 km i szerokoœci ok. 1000 km. Mi¹¿szoœæ skorupy oceanicznej to ok. 10,7 km. Powierzchnia dna jest nachylona ze wschodu ku zachodowi, od ok. 3500 m do 5700 m p.p.m. (Kotliñski, 2011).
METODY BADAÑ
Podczas badañ zmierzono i opisano ponad 100 konkrecji manganowych. Ze wzglêdu na 170
Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019
Tab. 1. Podstawowe dane statystyczne parametrów morfometrycznych zbadanych konkrecji polimetalicznych pochodz¹cych z obsza-ru z³o¿owego Clarion-Clipperton na Pacyfiku
Table 1. Basis statistical data of morphometric parameters of studied polymetallic nodules from the Clarion-Clipperton Zone on the Pacific Ocean
Zmienna Variable
Korelacje (konkrecje – parametry morfometryczne)
Oznaczone wspó³czynniki korelacji s¹ istotne z p <0,05 n = 104 (braki danych usuwano przypadkami) Correlations (nodules – morphometric parameters)
Correlation coefficients determined are significant with p<0.05 n = 104 (data deficiencies were removed by cases) Œrednia Average Odchylenie standardowe Standard deviation x y z v Waga Weight D³ugoœæ wg osi x [mm] Length by x axis [mm] 55,22 7,49 1 0,404 0,208 0,449 0,429 D³ugoœæ wg osi y [mm] Length by y axis [mm] 42,63 5,29 0,404 1 0,374 0,559 0,559 D³ugoœæ wg osi z [mm] Length by z axis [mm] 34,75 6,48 0,208 0,374 1 0,745 0,672 Objêtoœæ V [cm3 ] Volume V [cm3 ] 29,96 9,62 0,449 0,559 0,745 1 0,878 Waga W [g] Weight W [g] 63,63 19,1 0,429 0,559 0,672 0,878 1
Ryc. 2. A – ma³a konkrecja polimetaliczna (#S-03) o wadze 26,4 g i rozmiarach 3´ 3 ´ 2 cm z widoczn¹ koncentryczn¹ budow¹ wokó³ mineralnego j¹dra. B – z¹b rekina (rz¹d Lamniformes) z widoczn¹ naroœniêt¹ konkrecj¹ polimetaliczn¹
Fig. 2. A – small polymetallic nodule (#S-03) 26.4 g in weight and 3´ 3 ´ 2 cm in size, with well visible concentric zoning around a mineral core. B – shark teeth (order: Lamniformes) with visible overgrowth of polymetallic nodule
Ryc. 3. Obraz elektronów wstecznie odbitych przedstawiaj¹cy wewnêtrzn¹ budowê konkrecji polimetalicznej (L-07)
Fig. 3. The SEM-BSE image showing an internal structure of a polymetallic nodule (L-07)
parametry morfometryczne za podstawowe kryte-rium ich podzia³u przyjêto œrednicê konkrecji. Wydzielone zosta³y 3 grupy konkrecji:
– konkrecje ma³e (small – symbol S) o œrednicy do ok. 3 cm,
– œrednie (medium – symbol M) o œrednicy od 3–6 cm,
– du¿e (large – symbol L) o œrednicy >6 cm. Wykonano 20 p³ytek cienkich z konkrecji i na czterech preparatach przeprowadzono badania sk³adu chemicznego w mikoroobszarze za pomoc¹ mikro-sondy elektronowej CAMECA SX-100 w Labo-ratorium Analiz w Mikroobszarze w PIG-PIB. Zosta³y one przeprowadzone przy napiêciu wi¹zki elektronów 15 kV i natê¿eniu pr¹du wi¹zki 20 nA.
WYNIKI BADAÑ
Badane konkrecje maj¹ najczêœciej dyskoidal-ny, elipsoidalny lub sferoidalny kszta³t i d³ugoœæ wzd³u¿ najd³u¿szej osi od 2 do 10 cm (tab. 1). Zbu-dowane s¹ g³ównie z koncentryczno-promienistych naprzemianleg³ych lamin uwodnionych tlenków i wodorotlenków Mn i Fe, których wzrost rozpoczy-na siê rozpoczy-na obcym materiale bêd¹cym j¹drem konkre-cji (ryc. 2A). J¹drem konkrekonkre-cji mo¿e byæ fragment osadu, podmorska ska³a wulkaniczna, pumeks, ziarno mineralne, mikroorganizm (np. otwornica) lub z¹b rekina (ryc. 2B) (por. Glasby, 2006). Czêsto w jednej konkrecji polimetalicznej wystêpuje wiê-cej ni¿ jedno j¹dro.
Œrednia gêstoœæ konkrecji polimetalicznych wynosi 1,00–2,40 g/cm3
, porowatoœæ miêdzy 25– 61% (Hein i in., 2013), twardoœæ okreœlona na pod-stawie skali Mohsa – ok. 2,5. Wartoœci te s¹ zmien-ne i zale¿¹ od wielkoœci konkrecji.
Du¿e konkrecje (do 10 cm wielkoœci) zazwy-czaj maj¹ nieregularny kszta³t i dyskoidaln¹ formê o bardzo luŸnej i ³atwo krusz¹cej siê strukturze. Górna czêœæ niektórych okazów jest g³adka, zaœ dolna – silnie urzeŸbiona, a jej nierównoœci czêsto s¹ wype³nione osadem.
Œrednie konkrecje (do 6 cm wielkoœci) maj¹ dyskoidaln¹ lub elipsoidaln¹ formê. Zazwyczaj z jednej strony maj¹ g³adk¹ powierzchniê (wzrost odbywa³ siê w bezpoœrednim kontakcie z wod¹), z drugiej – szorstk¹ (jest wynikiem wzrostu konkre-cji w osadzie). Na granicy pomiêdzy g³adk¹ i szorstk¹ powierzchni¹ mo¿na dostrzec pierœcieniowate zgru-bienie (por. Depowski i in., 1998).
Ma³e konkrecje (poni¿ej 3 cm wielkoœci) o sfe-roidalnym kszta³cie i g³adkiej powierzchni s¹ trwal-sze i nie krusz¹ siê. Na przekroju s¹ widoczne cienkie naprzemienne warstwy ciemno- i jasnosza-re uk³adaj¹ce siê promieniœcie od j¹dra konkjasnosza-recji (ryc. 2A).
Zarówno makroskopowo (ryc. 2A), jak i na obrazie z mikrosondy elektronowej (ryc. 3) mo¿na dostrzec charakterystyczn¹ dla konkrecji polimeta-licznych wewnêtrzn¹ budowê. Wokó³ j¹dra, najczê-œciej koncentrycznie, narastaj¹ naprzemiennie ciemne i jasne laminy substancji mineralnej, której Ÿród³em mog¹ byæ wody przydenne lub wody porowe (De-powski i in., 1998).
171 Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019
T ab. 2. Przyk³adowe analizy sk³adu chemicznego konkrecji polimetalicznych wraz z zaznaczonymi charakterystycznymi laminami (kolor szary – ciemna lamin a, kolor pomarañczowy – jasna lamina, kolor bia³y – laminy przejœciowe) Table 2. An example of chemical composition of the polymetallic nodule based on the EMPA with marked characteristic layers (gray – dark layers, orange – light layers, white – mixed type layers) Punkt Point SC l Na 2 OK 2 O MgO CaO CoO NiO CuO ZnO SrO BaO Al 2 O3 Fe 2 O3 SiO 2 MnO 2 P2 O5 Suma Sum 1 0,041 0,596 2,386 0,55 1,275 3,507 0,189 0,66 0,655 0,042 0,064 0,166 2,196 13,67 10,615 48,043 0,284 84,94 2 0,017 0,089 2,31 1 1,157 4,772 1,86 0,049 4,969 2,884 0,201 0,05 0,126 3,009 0,057 2,571 72,719 0,029 96,867 3 0,014 0,088 2,633 1,317 4,272 1,732 0,033 4,878 2,807 0,321 0,099 0,179 2,569 0,03 2,598 74,073 0,042 97,683 4 0,015 0,584 2,213 0,516 1,34 2,98 0,26 0,819 0,796 0,1 1 1 0,055 0,3 2,052 12,194 8,87 46,844 0,253 80,2 5 0,023 0,109 3,065 0,874 3,489 2,49 0,047 4,028 3,1 12 0,227 0,076 0,185 2,024 0 2,531 72,971 0,051 95,303 6 0,064 0,504 2,547 0,603 1,693 2,395 0,156 1,228 0,996 0,125 0,032 0,26 1,712 7,885 7,621 54,79 0,216 82,824 7 0,038 0,2 2,352 0,665 3,974 1,873 0,1 1 3,869 2,582 0,268 0,08 0,278 2,582 3,062 2,92 71,457 0,08 96,39 8 0,014 0,101 3,07 0,691 3,235 0,347 0,012 4,039 3,098 0,229 0,068 0,182 1,903 0,163 2,036 73,287 0,052 92,528 9 0,024 0,1 13 2,883 1,024 3,919 0,044 0,12 4,245 2,952 0,323 0,083 0,079 3,082 0,276 3,61 71,298 0,048 94,122 10 0,1 1 1 0,639 2,579 0,661 1,969 0,028 0,234 1,058 0,789 0,105 0,02 0,154 3,461 1 1,386 9,606 45,79 0,216 78,807 1 1 0,039 0,425 2,213 0,917 2,677 0,005 0,142 1,619 1,282 0,175 0 0,353 3,267 5,023 10,935 58,354 0,154 87,579 12 0,056 0,695 2,163 0,903 1,633 0,001 0,364 0,735 0,781 0,077 0,006 0,242 2,824 9,398 1 1,418 48,967 0,202 80,462 13 0,013 0,1 19 2,95 1,234 3,489 0,003 0,075 4,1 14 2,824 0,309 0,1 13 0,23 0,861 0 0,623 79,168 0,041 96,168 14 0,014 0,108 3,309 0,831 3,571 0 0,1 14 4,498 3,244 0,288 0,122 0,123 1,907 0 0,744 73,768 0,055 92,696 15 0,101 0,515 1,695 0,651 1,375 0 0,199 1,145 0,84 0,06 0,03 0,254 2,299 7,829 7,231 50,788 0,164 75,174
Przeprowadzone badania sk³adu chemicznego w mikroobszarze wykaza³y, ¿e ciemne laminy zawieraj¹ znacz¹ce iloœci m.in. tlenku ¿elaza w przedziale 3–13% oraz podwy¿szon¹, w stosunku do lamin jasnych, zawarto-œci¹ tlenku krzemu (7–11%). Charakterystyczn¹ cech¹ ujawnion¹ podczas badañ sk³adu chemicznego w laminach na mikrosondzie s¹ znacznie ni¿sze sumy zawartoœci tlenk-ów w przypadku lamin ciemnych, które zawieraj¹ siê w przedziale 75–87% wag. W przypadku lamin jasnych sumy s¹ zdecydowanie wy¿sze, w zakresie 92– 97% wag. Jest to najprawdopodobniej spowodowane wiêksz¹ porowatoœci¹ lamin ciemnych ze wzglêdu na ubytek niezwi¹zanych cz¹steczek H2O wskutek wysuszenia próbki.
Analiza sk³adu chemicznego jasnych lamin wykaza³a, ¿e zawieraj¹ znacznie wy¿sz¹ zawartoœæ tlenku miedzi (ok. 3%) oraz tlenku niklu (ok. 4%) w stosunku do lamin ciem-nych. Tlenek manganu w laminach jasnych wystêpuje na poziomie 71–79% natomiast w ciemnych 45–50%. Zawartoœæ tlenku ¿elaza nie przekracza 1%. W tabeli 2 przedstawiono zawartoœci zwi¹zków chemicznych dla lamin ciemnych i jasnych.
WNIOSKI
Uzyskane rezultaty badañ morfologiczno-mineralo-gicznych konkrecji polimetalicznych ze strefy CCZ po-twierdzi³y wczeœniejsze wyniki prezentowane m.in. przez Depowskiego i in. (1998), Kotliñskiego (2011), Abramow-skiego i KotliñAbramow-skiego (2011) oraz Zawadzkiego i in. (2015). Przeprowadzone analizy wykaza³y jednak inn¹ od dotych-czas opisywanej prawid³owoœæ dotycz¹c¹ sk³adu chemicz-nego lamin ciemnych i jasnych. Wed³ug wczeœniejszych badaczy w ciemnych laminach wystêpowa³y wysokie zawartoœci manganu, ¿elazo zaœ w jasnych laminach. Badania analizy sk³adu chemicznego w mikroobszarze wykaza³y (tab. 2), ¿e w ciemnych laminach wystêpuje
pod-wy¿szona w stosunku do lamin jasnych zawartoœæ ¿elaza i krzemu, a w laminach jasnych, o wysokiej zawartoœci manganu, zaobserwowano wy¿sze zawartoœci niklu i mie-dzi w stosunku do lamin ciemnych.
Próbuj¹c okreœliæ typ genetyczny na podstawie prze-prowadzonych badañ formy, rozmiaru i sk³adu, mo¿na wyró¿niæ zarówno konkrecje typu Hs o dominuj¹cym wp³ywie procesów hydrogenetycznych, Dr – formowane w wyniku procesów diagenetycznych, jak i typu mieszane-go HD (Kotliñski, 1998).
Autorzy dziêkuj¹ organizacji IOM za udostepnienie próbek do badañ, a tak¿e recenzentowi, prof. dr hab. Krzysztofowi Sza-ma³kowi za cenne uwagi. Prace badawcze zosta³y wykonane w ramach zadañ finansowanych ze œrodków MNiSW na dzia³alnoœæ statutow¹ PIG-PIB (poz. pl. 61.6199.1601.00.0).
LITERATURA
ABRAMOWSKI T., KOTLIÑSKI R. 2011 – Wspó³czesne wyzwania eksploatacji oceanicznych kopalin polimetalicznych. Górnictwo i Geo-in¿ynieria, 35 (4/1): 41–60.
DEPOWSKI S., KOTLIÑSKI R., RÜHLE E., SZAMA£EK K. 1998 – Surowce mineralne mórz i oceanów. Wyd. Nauk. Scholar, Warszawa. GLASBY G.P. 2006 – Manganese: Predominant role of nodules and crusts. Mar. Geochem., 371–427.
HEIN J.R., MIZELL K., KOSCHINSKY A., CONRAD T.A. 2013 – Deep-ocean mineral deposits as a source of critical metals for high- and green-technology applications: comparison with land-based resources. Ore Geol Rev., 51: 1–14.
KOTLIÑSKI R. 2011 – Pole konkrecjonoœne Clarion-Clipperton – Ÿród³o surowców w przysz³oœci. Górnictwo i Geoin¿ynieria, 35 (4/1): 195–213. MIKULSKI S.Z., KOZ£OWSKA-ROMAN A., PRZYBYCIN A. 2018 – Charakterystyka geochemiczna konkrecji polimetalicznych ze strefy Clarion-Clipperton na Oceanie Spokojnym. Kongres Surowcowy, 20–23.11.2018. Rytro k. Nowego S¹cza. V Konferencja: Z³o¿a Kopalin – Aktualne problemy prac poszukiwawczych, badawczych i dokumenta-cyjnych. Zeszyt Streszczeñ, 2: 40–41.
ZAWADZKI D., MACI¥G £., KOTLIÑSKI R. 2015 – Osady eupela-giczne jako potencjalne Ÿród³o pozyskiwania pierwiastków ziem rzad-kich. Biul. Pañst. Inst. Geol., 465: 131–142.
Analiza mikrofacjalna dolomitu g³ównego (Ca2)
we wschodniej czêœci wielkopolskiej platformy wêglanowej
Ewelina Krzy¿ak
1Microfacies analysis of the Main Dolomite (Ca2) in the eastern part of the Wielkopolska Carbonate Platform (W Poland).
Prz. Geol., 67: 172–175; doi: 10.7306/2019.12
A b s t r a c t. Investigation of the Permian Basin in the western part of the Polish Lowland was initiated in 1961 when the Rybaki field was discovered – the first one outside the Carpathians in Poland. The Main Dolomite (Ca2) in the eastern part of the Wielkopolska Platform, located in western Poland, is characterized by a significant variety of microfacies, hence this research is aimed at better interpretation and understanding of depositional environments of current reservoir rocks as well as possibility of identification of facies distribution within the investigated carbonate platform. A detailed microfacies analysis of the Main Dolomite was conducted, which was supported by core logging. The author interpreted depositional environments and generated a 3D model of the top of the Main Dolomite using seismic reflection data. An attempt to correlate microfacies between the analyzed wells was also performed. Inte-grated analyses of thin sections and drill cores from 4 wells allowed me to interpret the depositional environments of the Main Dolo-mite. The generated 3D model of the top of the Main Dolomite provided a better insight into subsurface tectonics, paleogeography of the analyzed area and a better understanding of depositional lithofacies environments.
Keywords: Permian Basin, Zechstein Main Dolomite (Ca2), carbonate platform, microfacies analysis
172
