Prace PIG - Tom 163 (1998)


GENEZA KONKRECJI ŻELAZOWO-MANGANOWYCH MORZA BAŁTYCKIEGO

Danuta TROKOWICZ

 
Abstrakt. Czynnikami decydującymi o tworzeniu i rozmieszczeniu konkrecji żelazowo-manganowych Morza Bałtyckiego są, w ogólności:
  • dynamika wód powodująca bardzo powolną, terygeniczną sedymentację lub jej brak;
  • obecność tlenu i dodatnie wartości potencjału redoks w warstwie wody przydennej;
  • utlenione na powierzchni, w całej warstwie lub odtlenione osady terygeniczne podłoża konkrecji;
  • odczyn pH osadów i wody przydennej od słabo alkalicznego, poprzez obojętny, do słabo kwaśnego (zbliżony do obojętnego), warunkujący hydrochemiczne wytrącanie się przy udziale mikroorganizmów wodorotlenków żelazowych i manganowych;
  • miąższość powierzchniowej warstewki osadów terygenicznych nie przekraczająca 20 cm, czyli miąższość, przy której nie jest jeszcze zahamowana diagenetyczna dyfuzja jonów Fe+2, Mn+2 i innych pierwiastków z odtlenionych osadów podłoża konkrecji;
  • obecność w podłożu konkrecji glin plejstoceńskich lub osadów bałtyckiego jeziora lodowego, wzbogaconych w kalcyt i dolomit; węglany wapnia i magnezu ulegają powolnej hydrolizie w warstwie utlenionych osadów erodowanych lub dyferencjacji diagenetycznej w osadach odtlenionych, a wytworzone jony Ca+2 kształtują pH środowiska na poziomie niezbędnym do wytrącania się wodorotlenków żelazowych i manganowych przy udziale bakterii żelazistych i zbliżonych do żelazistych;
  • erozja dna i halmyroliza lub dyfuzja diagenetyczna w osadach odtlenionych, umożliwiająca dopływ jonów żelaza i manganu do wody przydennej oraz ponowne ich osadzanie się w postaci wodorotlenków w konkrecjach i osadach powierzchniowych;
  • wpływ warstwy wód powierzchniowych, bardziej natlenionych i alkalicznych (rozkład produkcji biologicznej - organizmów planktonowych z wydzieleniem biogenicznego CaCO3) w stosunku do warstwy wód przydennych na samoistne wytrącanie się wodorotlenków manganowych, żelazowych i innych pierwiastków;
  • wpływ mieszania się wód o różnym zasoleniu na wytrącanie się manganu, żelaza i pierwiastków śladowych;
  • wpływ wlewów wód oceanicznych na dostawę składników konkrecji, polepszenie natlenienia wód przydennych, podwyższenie Eh, pH, temperatury środowiska oraz na erozję dna i okresowe, bardziej intensywne wytrącanie się wodorotlenków manganu, wymagających wyższego potencjału redoks niż wodorotlenki żelaza;
  • wpływ rzek i kontynentalnych wód podziemnych, zwłaszcza w strefie brzegowej, na procesy hydrodynamiczne i dostawę składników konkrecji. Warunki hydrodynamiczne, będące podstawowym czynnikiem wpływającym na tworzenie się konkrecji lub ich brak, decydują o przebiegu procesów sedymentacyjnych, erozyjnych, a także o przemianach diagenetycznych osadów podłoża poprzez kształtowanie parametrów fizykochemicznych Eh i pH wód i osadów.
Konkrecje tworzą się w strefie utlenionej i przejściowo-utlenionej w wyniku wytrącania się wodorotlenków żelazowych i manganowych w górnych warstwach wody, przy udziale żelazistych lub zbliżonych do żelazistych aerobowych bakterii autotroficznych i względnych autotrofów, niekiedy bakterii heterotroficznych, mikroaerobowych i anaerobowych. Wodorotlenki osadzają się na powierzchni osadów i koncentrują na okruchach rezydualnych lub iłach plejstoceńskich, przy jednoczesnym selektywnym nagromadzeniu szeregu pierwiastków w procesach sorbcji, wymiany jonowej i współstrącania. Dalsze przeobrażenia prowadzą do dehydratacji i przekształcania wodorotlenków w agregaty tlenkowo-wodorotlenkowe. Równolegle z formowaniem się faz wodorotlenkowych Fe-Mn tworzą się w niewielkiej ilości autigeniczne minerały węglanowe i chloryt.
Konkrecje Bałtyku Południowego, tworzące się przy udziale mikroorganizmów i przy stosunkowo wysokich, dodatnich wartościach potencjału redoks (Eh) wody przydennej w obecności utlenionych w całej warstwie osadów rezydualnych, formują się w wyniku procesów hydrochemicznych związanych z erozją dna morskiego. Natomiast przy słabszym natlenieniu wód i w obecności utlenionych tylko na powierzchni osadów rezydualnych z domieszką frakcji ilastej formują się one przy udziale mikroorganizmów w wyniku procesów hydrochemicznych przeważających nad procesami dyfuzji diagenetycznej. Lokalnie, na polach oddalonych od wpływu wlewód oceanicznych, w obecności odtlenionych osadów wzbogaconych we frakcję ilastą i substancję organiczną, konkrecje formują się w wyniku dyfuzji diagenetycznej przeważającej nad procesami hydrochemicznymi.
W obszarze Bramy Bornholmskiej, pozostającej pod wpływem dominującego, wejściowego prądu głębinowego, decydującego o stabilności słonej warstwy wodnej, następuje ograniczenie konwekcji (pionowego mieszania się wód) i w konsekwencji nie osadzają się w konkrecjach wodorotlenki manganowe wytrącone w wodach przypowierzchniowych. Konkrecje tworzące się na powierzchni utlenionej warstewki osadów przy udziale mikroorganizmów składają się głównie z wodorotlenków żelazowych oraz minerałów ilastych, podobnie jak konkrecje wschodniego skłonu Południowej Ławicy Środkowej formujące się przy mniejszym natlenieniu wód, słabszym oddziaływaniu wlewód oceanicznych i w spokojniejszych warunkach hydrodynamicznych w porównaniu z innymi polami konkrecji Bałtyku Południowego.
W stosunkowo płytkim obszarze Zatoki Ryskiej i Fińskiej, o bardzo dobrze natlenionych wodach przydennych i w obecności utlenionej, stropowej warstwy osadów, konkrecje narastają głównie w wyniku procesów sedymentacyjnych, przy udziale mikroorganizmów. Natomiast konkrecje sferoidalne, zagłębione w nawodnionym osadzie mulisto-ilastym, tworzą się w wyniku wczesnych procesów diagenetycznych.
Konkrecje dyskoidalne, zwłaszcza sferoidalne Zatoki Botnickiej formują się w obecności odtlenionych osadów wzbogaconych w substancje humusowe oraz natlenionej warstwy wody przydennej, przy znacznej przewadze procesów diagenetycznych nad procesami hydrochemicznymi i prawdopodobnie przy aktywnej działalności mikroorganizmów. Występowanie todorokitu w tych konkrecjach wskazuje na obecność odtlenionych osadów, ponieważ todorokit tworzy się w warunkach bardziej redukcyjnych niż birnessyt przeważający w konkrecjach Morza Bałtyckiego.
Głębokość nie jest czynnikiem determinującym formowanie się konkrecji, ponieważ konkrecje występują na różnych głębokościach zarówno w strefie głębokowodnej, jak i płytkowodnej. Związek między składem chemicznym i mineralnym konkrecji a głębokością w obszarach natlenionych wód przydennych i odtlenionych osadów podłoża wynika z cech osadów (zawartość frakcji ilastej, substancji organicznej) oraz zachodzących procesów diagenetycznych.
Istnieje wyraźna zależność między typami morfologicznymi konkrecji a cechami fizycznymi osadów ich podłoża i warunkami hydrodynamicznymi, decydującymi o natlenieniu osadów i wód przydennych. Skład chemiczny i mineralny konkrecji, zależnie od obszarów ich występowania, wiąże się głównie z wewnętrzną budową tych utworów. Słabo zarysowuje się wzrost zawartości żelaza, manganu oraz metali towarzyszących w konkrecjach o większych rozmiarach. W Bałtyku Południowym konkrecje dyskoidalne, elipsoidalne i nieregularne nierzadko występują obok siebie na tym samym polu i nie różnią się zasadniczo składem mineralnym oraz chemicznym.
Warstwowanie konkrecji, polegające na występowaniu warstewek jaśniejszych, rdzawobrutnatnych i ciemnobrutnatnych, związane jest z cyklicznymi procesami geologicznego rozwoju Bałtyku, a przede wszystkim z wlewami wód oceanicznych i podwyższeniem zawartości tlenu w warstwie wód przydennych oraz następującymi po nich okresami mniejszego natlenienia, a nawet stagnacji. Wpływ na rozdzielenie przestrzenne wodorotlenków żelazowych i manganowych może również wywierać budowa dipolowa wodorotlenków, różne warunki ich koagulacji, ponieważ koloid Fe(OH)3 ma ładunek elektryczny dodatni, a koloid Mn(OH)4 - ujemny.
Bezładna budowa konkrecji wiąże się z mniejszym natleniem wód przydennych i wytrącaniem się wodorotlenków żelaza oraz frakcji ilastych.
Utrzymywanie się konkrecji na powierzchni osadów rezydualnych lub w przypowierzchniowej warstewce mułów lub iłów, wzbogaconych w substancję organiczną, determinowane jest cechami osadów podłoża (mniej lub bardziej zwarte i plastyczne gliny plejstoceńskie) i warunkami hydrodynamicznymi, decydującymi o natlenieniu lub odtlenieniu osadów podłoża. W utlenionych osadach koloidalne wodorotlenki żelaza i manganu wykazują właściwości dipola i dzięki siłom wiązania (tworzenie się koloidalnych aglomeratów) zdolne są do utrzymania konkrecji na powierzchni osadów. W osadach odtlenionych, mulistych i mulisto-ilastych, zawierających substancję organiczną, istotne znaczenie w utrzymywaniu konkrecji na powierzchni lub lekko zagłębionych ma proces dyfuzji diagenetycznej i zawartość tlenu na granicy faz osad-woda.
Konkrecje nie tworzą się w strefie redukcyjnej głębi bałtyckich, w obszarze występowania osadów ilastych oraz mulisto-ilastych o znacznej miąższości i w obecności heterotroficznych bakterii mikroaerobowych i anerobowych, rozkładających substancję organiczną, utleniających mineralne związki siarki oraz redukujących związki żelazowe i manganowe do jonów Fe+2, Mn+2, częściowo wynoszonych prądami do stref utlenionych.
Tempo wzrostu konkrecji bałtyckich, z wyjątkiem szybciej narastających konkrecji sferoidalnych, wynosi prawdopodobnie od około 10 do 15 mm/1000 lat, po uwzględnieniu ich rozmiarów, dochodzących do około 6 cm średnicy, i z zastrzeżeniem, że znaczną część konkrecji naskorupieniowych, osiągających 25 cm szerokości i kilka mm grubości, stanowi skomprymowany ił. Zapoczątkowanie rozwoju nielicznych konkrecji prawdopodobnie należy wiązać z transgresją litorynową w środku okresu atlantyckiego, około 6000 lat temu, a bardziej intensywny rozwój tych utworów - z końcem okresu atlantyckiego i ze wzrostem temperatury wód przydennych spowodowanym wlewami korzystniejszych dla bytowania mikroorganizmów wód atlantyckich.
Rozpoznanie warunków tworzenia się konkrecji w obecności bakterii ma istotne znaczenie dla ochrony środowiska morskiego, ponieważ migracja metali ciężkich z osadów stref redukcyjnych i przejściowo-redukcyjnych do stref utlenionych oraz mniej lub bardziej trwałe wiązanie się z osadami zależy w znacznym stopniu od udziału mikroorganizmów.
Badania nad zmienną zawartością metali ciężkich w osadach i w wodzie wymagają ilościowej diagnostyki mikroorganizmów rozwijających się w Morzu Bałtyckim. W razie braku takiej diagnostyki obraz zachodzących procesów i możliwości samooczyszczenia zbiornika nie będzie pełny.
Znajomość procesów tworzenia się konkrecji w zbiornikach wodnych może być wykorzystana do badań nad genezą i poszukiwaniem złóż rud nie tylko żelaza i manganu, ale także (i to przede wszystkim) złóż metali kolorowych, szlachetnych, pierwiastków ziem rzadkich i promieniotwórczych, koncentrujących się przy udziale mikroorganizmów w basenach morskich i oceanicznych.