Zusammenfassung
Die im Tiefsee-Bereich des Pazifiks verbreiteten FeMn-Erzbildungen bestehen aus zwei Arten von Ablagerungen: (1) Manganknollen, die vor allem in pelagischen Sedimentbecken mit sehr niedriger Ablagerungsrate unterhalb der CCD (Kalzit-Kompensations-Tiefe) vorkommen; (2) polymetallische Erzkrusten, welche sich auf Substratgesteinen von submarinen Gebirgen bilden, wo Meeresströmungen eine normale Sedimentation verhindern. Manganknollen, die im Übergangsbereich zur äquatorialen Zone hoher Bioproduktivität wachsen, entstehen aufgrund von zwei verschiedenen Ausfällungsvorgängen: (A) frühdiagenetisches Wachstum durch Versorgung mit Metallen bzw. Metallverbindungen vom Porenwasser und (B) hydrogenetisches Wachstum durch Versorgung mit kolloidalen Teilchen vom bodennahen Meerwasser. Diese Prozesse führen zu verschiedenen Arten von Oxidsubstanz und unterschiedlichen Metallgehalten.
Der diagenetische Wachstumsprozeß findet unter oxidierenden bis schwach oxidierenden Bedingungen statt und wird durch ionare Lösungen von Mn2+ und anderen zweiwertigen Metallen versorgt. Die Wachstumsgefüge der frühdiagenetischen Knollen zeigen einen alternierenden Wechsel von kristallinen und amorphen Erzlagen. Diese rhythmische Anordnung von verschieden zusammengesetzten Mikrobereichen kann durch physiko-chemische Veränderungen (Variation des pH-Wertes) im Mikromilieu der Knollenoberfläche erklärt werden.
Das hydrogenetische Wachstum der Erzkrusten auf submarinen Hängen führt zu Fe-Mn-Ausfällungen, die besonders Co-reich sind. Der Gehalt an Co nimmt mit abnehmender Wassertiefe zu. Co und Mn sind positiv korreliert; die Herkunft von Mn kann aus der O2-Minimumzone abgeleitet werden. Im Gegensatz zum diagenetischen Knollenwachstum ist die Erzkrustenanlagerung auch ein kolloidchemischer Prozeß. In der Wassersäule unterhalb der O2-Minimumzone fällt auf den Oberflächen von Substratgesteinen eine Mischung von MnFe-Oxidhydrat und Silikatpartikeln gemeinsam aus. Oberflächenchemische Ausfällungsvorgänge kontrollieren die Anreicherung von Ni, Co, Pb und anderen Metallen aus der Wassersäule; für Pt wird eine Fällung mit MnO2, verursacht durch eine Redoxreaktion, diskutiert. Bestimmte ozeanographische und geologische Bedingungen ermöglichen bzw. fördern die Bildung der Erzkrusten auf den submarinen Bergen.
Abstract
The ferromanganese precipitates existing in deep-sea waters of the Pacific consist of two types of deposits: (1) nodules mainly are distributed in pelagic basins beneath the CCD (Calcite Compensation Depth) where the rate of sedimentation is low; (2) polymetallic encrustations are formed on exposed seamount rocks where currents prevent normal sediment accumulation. Nodules, being formed in areas bordering the equatorial zone of high biological productivity, grow by two different processes: (A) early diagenetic growth by supply of metals and metal compounds from pore water and (B) hydrogenetic growth by supply of colloidal particles from near-bottom seawater. These processes lead to different kinds of oxide and different metal contents.
The diagenetic growth process takes place under oxidizing to suboxidizing conditions and is supplied by an ionic solution of Mn2+ and other divalent metal ions. The mobilization of Mn is caused by the decomposition of organic matter. The growth features of the early diagenetic nodules show alternating laminae of crystalline and amorphous material. These rhythmic sequences of different microlayers are explained by physico-chemical changes (variation of pH) in the microenvironment of the accreting nodule surface.
The hydrogenetic crust growth on seamounts leads to ferromanganese precipitates which are in particular rich in Co. The Co concentration is inversely related to the water depth. Co is positively correlated to Mn which can be derived from the oxygen minimum zone. Contrary to the diagenetic nodule growth, the crust accretion is also a colloidal precipitation process. In the water column below the oxygen minimum zone, a mixture of particles of Mn-Fe-oxyhydroxide and silicate accrete together on the surface of substratum rocks. Surface chemical mechanisms control the enrichment of Ni, Co, Pb, and other metals from the seawater; for Pt, a coprecipitation with MnO2 caused by a redox reaction is proposed. Distinct oceanographical and geological conditions enable or promote, respectively, the ferromanganese crust formation on seamounts.
Résumé
Les formations métallifères de Fe et Mn de la région abyssale du Pacifique appartiennent aux deux types suivants:
-
(1)
des nodules qui se trouvent surtout dans les bassins pélagiques à sédimentation réduite, au-dessous de la profondeur de compensation de la calcite (CCD);
-
(2)
des croûtes polymétalliques, qui se forment la surface rocheuse des reliefs sous-marins dans des endroits oû les courants marins empèchent une sédimentation normale.
Deux processus différents conduisent à la formation des nodules près de la zone équatoriale à production biologique élevée:
-
(A)
une croissance diagénétique précoce, nourrie par des métaux et composés métalliques provenant des eaux intersticielles et
-
(B)
une croissance hydrogénétique par apport de particules colloidales amenées par l'eau du fond de la mer.
Ces processus sont responsables de la diversité de composition de la fraction oxydée et du contenu métallique.
La croissance diagénétique a lieu dans des conditions oxydantes à sub-oxydantes et est alimentée par des solutions ioniques de Mn2+ et d'autres métaux bivalents. La mobilisation du Mn est causée par la décomposition de la matière organique. La microstructure des nodules de diagenèse précoce montre une alternance de couche cristallines et amorphes. Cette disposition rythmique des microcouches peut être expliquée par des changements physicochimiques (variations du ph) du micromilieu qui entoure les nodules.
Les croûtes métallifères formées sur les reliefs sous-marins par croissance hydrogénétique sont particulièrement riches en cobalt. Leur teneur en Co est en raison inverse de la profondeur. Co et Mn montrent une corrélation positive; Mn provient de la zône à minimum d'oxygène. Contrairement à la formation diagénétique des nodules, celle des croûtes métallifères est un processus de précipitation colloidale. Dans les eaux situées sous la zône à minimum d'oxygène, un mélange de particules d'hydroxydes de Fe-Mn et de silicates s'agglomère à la surface des roches du substratum. Des mécanismes chimiques de surface contrôlent l'extraction hors de l'eau et l'enrichissement en Ni, Co, Pb et autres métaux. En ce qui concerne le Pb, une co-précipitation avec MnO2, provoquée par une oxydoréduction, est proposée. Certaines conditions océanographiques et géologiques permettent ou favorisent la formation des croûtes métallifères sur les reliefs sous-marins.
Краткое содержание
В регионе глубоковод ья Пацифического оке ана
распространены желе зистомарганцевые ру дные образования, состоящ ие из двух видов отлож ений: 1) Марганцевые желваки, которые отлагались в пелагических осадоч ных бассейнах с низко й скоростью осадконакопления ни же компенсационной карбонатной границы; и 2) полиметаллические рудные корочки, образовавши еся на подводных хреб тах там, где морские течен ия мешают обычному осадконакоплению. Ма рганцевые желваки, об разующиеся в переходном регионе экваториальной зоны большой биопрод укции, появляются в ре зультате двух совершенно разл ичных процессов выпа дения: а) в результате принос а металлов, или их соед инений поровыми водами на ра нней стадии диагенез а- раннедиагенетическ ий рост; и б) при поступ лении коллоидальных части чек из придонной морс кой воды - гидрогенетичес кий рост. Эти процессы протекают при различных окисли тельных условиях среды, что приводит к р азличному содержани ю металлов. Диагенетический рост имеет место при о кислительных до слабоокислительн ых условиях среды и обусловлен наличием ионных растворов дву хвалентного марганца и других дву хвалентных металлов. При росте раннедиаге нетических желваков наблюдается чередование кристал лических и аморфных слоев руды. Такое ритм ичное расположение микрорегионов различного состава м ожет быть объяснено физико-химическими и зменениями (колебани я рН) в микросреде на пов ерхности желваков. Гидрогенетический р ост рудных корочек на подводных склонах характеризу ется выпадением желе за и марганца и обогащен ием их кобальтом. Соде ржание последнего уменьшае тся с глубиной. Отмеча ется положительная корре ляция Со и марганца. Поступление марганц а можно предполагать из зон кислородного миниму ма. В противоположнос т к диагенетическому ро сту желваков, процесс отложения рудных корочек являе тся, вероятно чисто коллоидально-химиче ским процессом. В столбце в оды под зоной кислородно го минимума на поверх ность пород выпадает смесь оксигидратов железа и марганца вместе с частичками с иликатов. Обсуждаютс я химические процессы на поверхности пород при таком роде выпадения, регул ирующие поступление никеля, кобальта, свин ца и других металлов и з водного столбца. Известные ок еанографические и ге ологические условия стимулируют, или усиливают образование рудных к орочек на подводных х ребтах.
This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.
Explore related subjects
Discover the latest articles and news from researchers in related subjects, suggested using machine learning.References
Bender, M. L., Klinkhammer, G. P. &Spencer, D. W. (1977): Manganese in seawater and the marine manganese balance. - Deep-Sea Research,24, 799–812.
Boyle, E. A., Sclater, F. R. &Edmond, J. M. (1977): The distribution of dissolved copper in the Pacific. - Earth Plan. Sci. Lett.,37, 38–54.
Bruland, K. W. (1983): Trace elements in sea-water. -In: Chemical Oceanography (J. P.Riley & R.Chester, eds.),8, 158–220.
Burns, R. G. (1976): The uptake of cobalt into ferromanganese nodules, soils and synthetic manganese (IV) oxides.- Geochim. Cosmochim. Acta,40, 95–102.
— &Burns, V. M. (1977): Mineralogy. - In: Marine Manganese Deposits (G. P. Glasby, ed.), Elsevier, Amsterdam, 185–248.
- & - (1979): Manganese oxides. - In: Marine Minerals (R. G.Burns, ed.), Mineral. Soc. Am. Short Course Notes, 6, 1–46.
Calvert, S. E. &Price, N. B. (1977): Geochemical variation in ferromanganese nodules and associated sediments from the Pacific ocean. - Marine Chemistry,5, 43–74.
Dillard, J. G., Crowther, D. L. &Murray, J. W. (1982): The oxidation states of cobalt and selected metals in Pacific ferromanganese nodules. - Geochim. Cosmochim. Acta,46, 755–759.
Dymond, J., Lyle, M., Finney, B., Piper, D. Z., Murphy, K., Conrad, R. &Pisias, N. (1984): Ferromanganese nodules from MANOP Sites H, S and R. - Control of mineralogical and chemical composition by multiple accretionary processes. - Geochim. Cosmochim. Acta,48, 931–949.
Giovanoli, R. (1980): Layer structured manganese oxide hydroxides, VI. Recrystallization of synthetic buserite and the influence of amorphous silica and ferric hydroxide on its nucleation. - Chimia,34, 308–310.
—,Burki, P., Giuffredi, M. &Shimu, W. (1975): Layer structured manganese oxide hydroxides, IV. The buserite group; structure stabilization by transition elements. - Chimia,29, 517–520.
Goldberg, E. D. (1961): Chemistry in the Oceans. - In: Oceanography (M. Sears, ed.), Am. Assoc. Advan. Sci., Washington, p. 654.
Gordon, R. M., Martin, J. H. &Knauer, G. A. (1982): Iron in north-east Pacific water — Nature,299, 611–612.
Halbach, P. &Özkara, M. (1979): Morphological and geochemical classification of deep-sea ferromanganese nodules and its genetical interpretation. - CNRS,289, 77–88.
—,Marchig, V. &Scherhag, C. (1980): Regional variations in Mn, Ni, Cu and Co of ferromanganese nodules from a basin in the South-east Pacific. - Marine Geology,38, M1-M9.
—,Scherhag, C., Hebisch, U. &Marchig, V. (1981a): Geochemical and mineralogical control of different genetic types of deep-sea nodules from the Pacific Ocean. - Mineral. Deposita,16, 59–84.
—,Hebisch, U. &Scherhag, C. (1981b): Geochemical variations of ferromanganese nodules and crusts from different provinces of the Pacific Ocean and their genetic control. - Chemical Geology,34, 3–17.
—,Giovanoli, R. & v.Borstel, D. (1982): Geochemical processes controlling the relationship between Co, Mn, and Fe in early diagenetic deep-sea nodules. - Earth Plan. Sci. Lett.,60, 226–236.
—,Segl, M., Puteanus, D. &Mangini, A. (1983): Cofluxes and growth rates in ferromanganese deposits from Central Pacific seamount areas. - Nature,304, 716–719.
—, &Puteanus, D. (1984): The influence of the carbonate dissolution rate on the growth and composition of Conch ferromanganese crusts from Central Pacific seamount areas. - Earth Planet. Sci. Lett.,68, 73–87.
—,Puteanus, D. &Manheim, F. T. (1984): Platinum concentrations in ferromanganese seamount crusts from the Central Pacific. - Naturwiss.,71, 577–579.
Hartmann, M. (1979): Evidence for early diagenetic mobilization of trace metals from discolerations of pelagic sediments.- Chem. Geol.,26, 277–293.
— &Müller, P. J. (1982): Trace metals in interstitial waters from Central Pacific Ocean sediments. - In: The dynamic environment of the ocean floor (K. A. Fanning &F. T. Manheim, eds.), Lexington Books, Lexington, Mass., 285–301.
Healy, T. W., James, R. O. &Cooper, D. (1968): The adsorption of aqueous Co(II) at the silica water interface. - Advanced Chem.,79, 62.
Heye, D. &Marchig, V. (1977): Relationship between the growth of manganese nodules from the Central Pacific and their chemical constitution. - Marine Geology,23, M19-M25.
Hodge, V. F., Stallard, M., Koide, M. &Goldberg, D. (1985): Platinum and the platinum anomaly in the marine environment. - Earth Plan. Sci. Lett.,72, 158–162.
Holland, H. D. (1978): The chemistry of the atmosphere and oceans. 351 p., New York (John Wiley & Sons).
James, R. O. &Healy, T. W. (1972): Adsorption of hydrolyzable metal ions at the oxide — water interface. III. Thermodynamic model of adsorption. - Journal of Colloid and Interface Science,40, 65–81.
Jeffries, D. S. &Stumm, W. (1976): The metal adsorption chemistry of buserite. - Can. Mineral.,14, 16–22.
Klinkhammer, G. P. &Bender, M. L. (1980): The distribution of manganese in the Pacific Ocean. - Earth Plan. Sci. Lett.,46, 361–384.
Knauer, G. A., Martin, J. H. &Gordon, R. M. (1982): Cobalt in north-east Pacific waters.- Nature,297, 49–51.
Landing, W. M. &Bruland, K. W. (1980): Manganese in the north Pacific. - Earth Plan. Sci. Lett.,49, 45–56.
Lengweiler, H., Buser, W. &Feitknecht, W. (1961): Ermittlung der Löslichkeit von Eisen(III)-Hydroxiden mit59Fe. - Helv. Chim. Acta,44, 796–811.
Martin, J. H. &Knauer, G. A. (1983): VERTEX: Manganese transport with CaCO3. - Deep-Sea Research,30, 4A, 411–425.
— & — (1984): VERTEX: Manganese transport through oxygen minima.- Earth Plan. Sci. Lett.,67, 35–47.
Müller, P. J., Mangini, A. (1980): Organic carbon decomposition rates in sediments of the Pacific manganese nodule belt dated by230Th and231Pa. - Earth Plan. Sci. Lett.,51, 94–114.
Murray, J. W. (1975a): The interaction of metal ions at the manganese dioxide-solution interface. - Geochim. Cosmochim. Acta,39, 505–519.
— (1975b): The interaction of cobalt with hydrous manganese dioxide. - Geochim. Cosmochim. Acta,39, 635–647.
— &Dillard, J. G. (1979): The oxidation of cobalt (II) adsorbed on manganese dioxide.- Geochim. Cosmochim. Acta,43, 781–787.
Riley, J. P. &Chester, R. (1971): Introduction to Marine Chemistry. - 465 p., London and New York (Academic Press).
Ruppert, H. (1980): Fixation of metals on hydrous manganese and iron oxide phases in marine Mn-Fe nodules and sediments.- Chem. Erde,39, 97–132.
Schink, D. R. &Guinasso, N. L. (1977): Effects on bioturbation on sediment-seawater interaction.- Marine Geol.,23, 133–154.
Sclater, F. R., Boyle, E. &Edmond, J. M. (1976): On the marine geochemistry of nickel.- Earth Plan. Sci. Lett.,31, 119–128.
Sorem, R. K. &Fewkes, R. H. (1979): Manganese nodules. Research data and methods of investigation. - 844 p., New York (Plenum Data Company).
Stumm, W., Kummert, R. &Sigg, L. (1980): A ligand model for the adsorption of inorganic and organic ligands at hydrous oxide interfaces. - Croat. Chem. Acta,53, 291–312.
—, &Morgan, J. J. (1981): Aquatic chemistry. - 780 p., New York (John Wiley & Sons).
Sung, W. &Morgan, J. J. (1981): Oxidative removal of Mn(II) from solution catalysed by the γ-FeOOH (lepidocrocite) surface. - Geochim. Cosmochim. Acta,45, 2377–2383.
Author information
Authors and Affiliations
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Halbach, P. Processes controlling the heavy metal distribution in pacific ferromanganese nodules and crusts. Geol Rundsch 75, 235–247 (1986). https://doi.org/10.1007/BF01770191
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/BF01770191