ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 413, № 5, с. 671-675
= ГЕОХИМИЯ =
УДК 550.4:551.23:553.21
ЭВОЛЮЦИЯ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ ФЛЮИДОВ В СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА ВОСТОЧНО-ТИХООКЕАНСКОМ ПОДНЯТИИ 9°-10° С.Ш. И 21° С.Ш. (ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ФЛЮИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
В МИНЕРАЛАХ)
© 2007 г. Член-корреспондент РАН Н. С. Бортников, А. М. Сагалевич, В. А. Симонов, С. В. Икорский, Е. О. Тереня, И. Л. Каменский, А. А. Аведисян, О. О. Ставрова, В. В. Драничникова
Поступило 15.11.2006 г.
Исследование температуры, химического и изотопного состава минералообразующих флюидов, образующих сульфидные постройки в активных гидротермальных полях, приуроченных к спрединговым центрам, с помощью непосредственных измерений показало, что эти показатели существенно колеблются [1, 2]. Сульфидно-сульфатные руды из одного источника могут отлагаться в течение нескольких десятков лет, а изменения физико-химических параметров происходят чаще, чем производятся измерения. Исследование флюидных включений в минералах из некоторых сульфатно-сульфидных построек выявило более широкие колебания температур минералообразова-ния и солености минералообразующих флюидов, чем это следует из непосредственных измерений параметров изливающегося флюида [3]. Как сильно изменяются химический состав и температура флюида, каким образом и почему происходит это изменение - вопросы, на которые следует найти ответы. С этой целью нами впервые проведено микротермометрическое изучение флюидных включений в ангидрите, газ-хроматографи-ческое определение углеводородов и соотношение изотопов гелия во флюидных включениях
в сульфидах из сульфидных построек на Восточно-Тихоокеанском поднятии (ВТП) 9°-10° с.ш. и 21° с.ш., собранных с помощью ГОА "Мир" в 49-м рейсе нис "Академик Мстислав Келдыш" в 2003 г.
Сульфидные постройки на ВТП 21° с.ш. были обнаружены осенью 1978 г. [4], а в 1979 г. в этом районе выявлены активные гидротермальные источники [5]. Последующие исследования в течение более чем 23 лет показали достаточно устойчивый химический состав флюидов, изливающихся из сульфидных построек в этом гидротермальном поле. На ВТП 9°-10° с.ш. гидротермальная активность стала исследоваться сразу после вулканического извержения в 1991 г. Мониторинг активных источников показал, что соленость и температура флюида заметно изменялась за прошедшие 13 лет [2]. В мае 2006 г. вновь произошло извержение лавы, в результате которого часть построек была захоронена. Следовательно, исследование образцов из этих построек дает нам уникальную возможность проследить эволюцию минералообразующего флюида за столь беспрецедентно короткий, по геологическим меркам мгновенный отрезок времени.
Флюидные включения изучены в образцах 4683-2 (часть сульфатно-сульфидной плиты с линзами кристаллического ангидрита) и 4683-6 (верхушка активной сульфидной трубы) на гидротермальном поле ВТП 21° с.ш. и 4669-2 (фрагмент активной сульфидно-сульфатной постройки Р) на гидротермальном поле ВТП 9° с.ш. Флюидные включения размером 5-60 мкм располагаются по зонам роста кристаллов ангидрита вдоль граней или равномерно в зерне минерала, что позволило считать их первичными. Их формы различны: плоские удлиненные, прямоугольные таблички, округлые уплощенные трубки.
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской Академии наук, Москва Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт геологии и минералогии Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск Геологический институт Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл.
При комнатной температуре все флюидные включения двухфазовые, состоящие из прозрачной светлой жидкости и газового пузырька.
Микротермометрические исследования флюидных включений проведены в термокамерах и криокамерах оригинальных конструкций [6]. Выполнено более 120 измерений температур гомогенизации, 70-110 и более измерений температур плавления льда в каждом образце. Флюидные включения в образце из ВТП 9° с.ш. замерзали при температурах от -45 до -52°С. Температуры эвтектики изменялись от -29.5 до -38.5°С, что указывает на преобладание среди растворенных солей №С1 и присутствие незначительных количеств Mga2. Соленость флюидов, оцененная по плавлению льда, изменяется от 4.0 до 12.6 мас. % экв. №С1 (рис. 1а). Температуры эвтектики для включений в образцах из ВтП 21° с.ш. (от -22.8 до -29.3°С) указывают на то, что в составе растворов преобладает №С1. Концентрация солей во флюиде, захваченном включениями в ангидрите из обр. 4683-2, в подавляющем большинстве случаев располагается в интервале 6-6.5 мас. % экв. №С1, т.е. сохранялась постоянной, хотя иногда она резко менялась, снижаясь до 2.3 мас. % и повышаясь до 9.7 мас. % экв. №С1 (рис. 1а). Соленость флюида во включениях в ангидрите из обр. 4683-6 изменялась более существенно: как правило, от 5.0 до 7.8, но реже - от 2.4 до 9.8 мас. % экв. №С1 (рис. 1а). Следовательно, содержание солей в минералообразующем флюиде в обеих гидротермальных системах изменяется очень широко, хотя в гидротермальной системе ВТП 21° с.ш. оно происходит эпизодически. Важно также, что эти изменения происходят по-разному в разных источниках этой системы.
При нагревании флюидные включения в ангидрите все исследованные флюидные включения гомогенизировались в жидкую фазу. В образце ангидрита из постройки Р на ВТП 9° с.ш. гомогенизация включений происходила, как правило, при температурах от 320 до 376°С, реже от 270 до 310°С (рис. 1а). Гомогенизация флюидных включений в ангидрите из построек на ВТП 21° с.ш. происходила в более широком диапазоне температур: из обр. 4683-2 - от 150 до 350°С, а из образца 4683-6 - от 142 до 380°С (рис. 1а). Причем в ангидрите из обр. 4683-2 преобладают среднетемпе-ратурные (235-305°С) и высокотемпературные (305-350°С) флюидные включения, тогда как в ангидрите из обр. 4683-6 - низкотемпературные (140-235°С) флюидные включения. Поскольку включениями захвачены однофазовые флюиды, для оценки истинных температур минералообра-зования необходимо к температурам гомогенизации ввести поправки на давление. Глубина океана в месте отбора образцов на ВТП 9° с.ш. и 21° с.ш. составила соответственно 2500 и 2600 м. Следовательно, температуры отложения ангидрита в по-
стройке ВТП 9° с.ш. оценены равными 285-390°С, а в постройках ВТП 21° с.ш. - 145-395°С.
Исследование флюидных включений свидетельствует о том, что концентрация солей и температура флюида в рассмотренных гидротермальных системах изменялись значительно шире, чем это показали прямые измерения этих показателей, проводившиеся с некоторой периодичностью с помощью обитаемых аппаратов "Альвин". Температура и содержание хлора во флюиде, изливавшемся из источника Р в гидротермальном поле ВТП 9° с.ш., изменялись соответственно от 357 до 392°С и 41.6 до 625 ммоль/кг раствора [2], а в гидротермальном поле ВТП 21° с.ш. (зона SW) -335-355°С и 472-525 ммоль/кг раствора [1]. Следует отметить, что изучение флюидных включений в сфалерите и ангидрите из зоны OBS [7, 8] показало относительное постоянство солености флюида - 2.9-3.8 мас. % экв. NaCl, хотя температуры минералообразования изменялись значительно - от 170 до 350°С.
Проведенные исследования демонстрируют исключительно широкую эволюцию солености и температуры флюида "черного курильщика" даже за период образования одной и той же сульфидной постройки, т.е. менее чем за 15 лет в гидротермальной системе ВТП 9° с.ш. Эти данные также опровергают существующее мнение, что химизм флюида и его температура в гидротермальной системе ВТП 21° с.ш. сохранялись относительно постоянными на протяжении более чем двух десятков лет.
Изучение состава углеводородов растворенных в минералобразующих флюидах, осуществлялось с помощью газового хроматографа ЦВЕТ-102. Для этого из флюидных включений, захваченных сульфидами, проводилась экстракция углеводородных газов, для чего сульфиды измельчались в миниатюрной виброкамере, встроенной в газовую схему газового хроматографа [9]. В виброкамеру помещались образцы фракции от -0.63 до +0.25 мм массой 1 г. В результате во флюиде, захваченном флюидными включениями в сульфидах, обнаружены предельные и непредельные углеводороды. Из предельных углеводородов выявлены метан, этан, пропан и бутан, а непредельных - этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6) и бутилен (а-С4Н8, ß-QH8). Содержание углеводородов изменяется от образца к образцу. В образцах из ВТП 9° с.ш. установлены следующие величины, см3/г • 10-6: 0.76-1035 CH4, 0.07-148 C2H4, 0.18-191 C3H6, 35 /-C4H10, 89.2 n-C4H10, а из ВТП 21° с.ш. - 38.2-980 CH4, 2.4279.6 C2H4, 1.27-111 C3H6, 0.22-19.6 z-C4H10, 0.3250.7 n-C4H10. Метан явно преобладает среди углеводородов: его доля достигает 80-90%. Между содержаниями метана и суммарной концентрацией тяжелых углеводородов существует прямая корреляция (рис. 16). Из тяжелых углеводородов на-
Т, °С 400
350
300
250
200
150
100
(а)о
.11 • V *л
•о д . _ 8 в
А ®)л
О
Д О^
о
^ о° до
ЙГ
о
А1 о 2 •3
СН4 , см3/г ■ 10-6 10000 г
1000 100 10 1
(б)
о о
а1
2
0
3Не, см3/г 1000 г
2
10-14
6 8 10 12 14 0.1
Соленость, мас.% экв. NaQ
10 100 1000 С2 + С8, см3/г ■ 10-6
100 -
СН4 , см3/г ■ 10-6 10000 г
1000 100 10 1
(г)
О О
о
о о
а!
2
4Не, см3/г ■ 10-8
100 0 11
10
100 1000 3Не, см3/г ■ 10-14
Рис. 1. Соотношение температур гомогенизации и солености растворов во флюидных включениях в ангидрите (а), концентраций метана и суммарного содержаний тяжелых углеводородов (б), концентраций изотопов 3Не и 4Не (в) и концентраций метана и изотопа 3Не (г) во флюидных включениях в минералах сульфидно-сульфатных руд из гидротермальных полей ВТП 9°-10° с.ш. и 21° с.ш. а: 1 - ВТП 21° с.ш., обр. 4683-2, 2 - ВТП 21° с.ш., обр. 4683-6, 3 - ВТП 9° с.ш., обр. 4669-2; б, г: 1 - ВТП 9° с.ш., 2 - ВТП 21° с.ш.; в: 1 - ВТП 9° с.ш. и 2 - ВТП 21° с.ш. (по данным авторов), 3 -ВТП 21° с.ш. [12], I - 3Не/4Не = 1 ■ 10-4, R/Ra = 71.4; II - 3Н/4Не = 1.12 ■ 10-5, R/Ra = 8; III - 3Н/4Не = 1.4 ■ 10-6, R/Ra = 1.
4
1
ряду с этаном (С2Н6) отмечаются и сравнительно высокие содержания
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.