ГЕОХИМИЯ, 2007, № 3, с. 269-281
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА КАРБОНАТНЫХ ТРАВЕРТИНОВ ИСТОЧНИКА ТОХАНА (ПРИЭЛЬБРУСЬЕ, СЕВЕРНЫЙ КАВКАЗ)
© 2007 г. А. Ю. Бычков*, О. Е. Киквадзе**, В. Ю. Лаврушин**, В. Н. Кулешов **
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет 119899 Москва, Ленинские горы; e-mail: bychkov@geol.msu.ru **Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, e-mail: v_lavrushin@ginras.ru Поступила в редакцию 19.07.2005 г.
При исследовании изотопного состава кальцитов травертиновых отложений источника Тохана-верх-ний (Приэльбрусье) обнаружены широкие вариации величин 513С и 5180 - от +3.8 до +16.3% и от +24.6 до +28.1% (соответственно). Значения 513С и 5180 увеличиваются к подножию травертинового купола. Наиболее изотопно-тяжелые карбонаты (513С до +16.3%о) обнаружены у основания купола и представлены древними травертинами, которые в настоящее время не омываются потоком минеральной воды. Разброс величин 5 С в свежих образцах несколько меньше - от +3.8 до +10%. Расчеты показывают, что все карбонаты купола Тохана не равновесны спонтанной углекислоте, выделяющейся из источника (513 CCO = -8%о). Для объяснения механизма формирования изотопно-тяжелых тра-вертинов была построена физико-химическая модель образования карбонатов кальция при постепенной дегазации минеральной воды. Характер изменения расчетных величин 513С (от +5.5 до +13%) хорошо согласуется с тенденцией измеренных значений 5 С в карбонатных образцах. Также наблюдается сходимость расчетных и природных значений рН. Полученные результаты показывают, что изотопный состав крупных травертиновых образований может быть очень неоднородным. Это необходимо учитывать при палеоклиматических и палеогидрогеологических реконструкциях.
Травертины или известковые туфы - карбонатные осадки, иногда образующиеся в местах выхода подземных вод. Их морфология довольно разнообразна и зависит от характера разгрузки вод, их состава, температуры и многих других факторов [1]. Крупные травертиновые постройки часто имеют куполообразную форму (травертиновые купола), объем которых может достигать нескольких сотен и даже первых тысяч м3.
Формирование травертинов часто связано с развитием углекислых минеральных или пресных вод, промывающих карстующиеся массивы карбонатных пород. Все травертины, связанные с очагами разгрузки углекислых вод, приурочены к подвижным поясам Земли. Изотопный состав таких карбонатов характеризуется широким диапазоном значений 513С от -12.6 до +12.0%о (PDB) и 5180 от +5.2 до +28.0%о (SMOW) [2-5]. Вариации 513С и 5180 зависят от изотопного состава исходной С02 и воды, температурных условий осаждения карбонатов, химического состава минеральной воды. Обычно, более легкие по углероду и кислороду карбонаты характерны для высокотемпературных водопроявлений (Камчатка, Ие-лустонский Парк, Италия и т.д.).
В целом, несмотря на многообразие действующих факторов, можно ожидать, что карбонатное вещество, осаждающееся из воды минеральных источников, наследует в составе изотопов углерода и кислорода особенности исходных водных растворов и спонтанной С02. Поэтому травертины могут представлять интерес для реконструкций флюидного режима горно-складчатых областей [2, 3].
Однако из-за изменчивости термодинамических условий осаждения карбонатов (температуры и химического состава воды) изотопные характеристики карбонатов могут заметно варьировать по простиранию травертинового купола. Помимо термодинамических факторов, на их изотопный состав, вероятно, могут влиять и другие процессы: фотосинтез и деструкция органического вещества, испарение минеральной воды и т.д.
Поэтому прежде чем использовать для различных палеореконструкций результаты изотопных анализов карбонатных травертинов, необходимо иметь представление о масштабах естественных вариаций 513С и 5180 кальцита в пределах современных купольных структур. Если же они значительны, то оценить объемы осаждающегося карбоната с тем или иным изотопным составом.
42 30
43 20
Гг-гЛ
V у V
V V
Рис. 1. Геологическая схема расположения источника Тохана-Верхний. Условные обозначения: 1 - ледники; 2 - рыхлые четвертичные образования (пески, галечники); 3 - верхнийплейстоцен и голоцен (андезитовые и андезит-дацито-вые лавы); 4 - верхний палеозой (граниты); 5 - нижний палеозой (кварцево-хлоритовые, кварцево-серицитовые и кварц-хлорит-серицитовые сланцы); 6 - нижеий и средний девон (диабазы, кварцевые порфиры, кремнистые сланцы, пестрые филлиты); 7 - нижний карбон (песчаники, глинистые сланцы, конгломераты и вулканогенные отложения); 8 -углекислый источник Тохана; 9 - фумарольные поля Эльбруса (по [6]).
.5
Цель данного исследования - построение изотопно-химической модели формирования травер-тиновых отложений и сопоставление наблюдаемых и модельных составов воды и кальцита. Для решения этих задач изучался травертиновый купол углекислого источника Тохана-верхний, расположенный в верховьях ручья Тохана (Приэль-брусье, Северный Кавказ) (рис. 1).
ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Почти все травертиновые образования Большого Кавказа связаны с выходами углекислых вод. На Северном склоне Большого Кавказа известно порядка 30 травертиновых куполов. Однако большинство из них имеют небольшие размеры - их площадь как правило не превышает не-
скольких десятков и редко достигает первых сотен м2. Самые крупные травертиновые купола известны в районе Пятигорска (на склонах горы Машук), в Приэльбрусье (источники Тохана-верхний и Верхне-Баксанский), в районе вулкана Казбек (Верхне-Кармадонские источники) и на Кислых (Пхейских) источниках, расположенных в истоках р. Большая Лаба. Почти все траверти-ноотлагающие источники холодные. Исключением являются воды Верхнего Кармадона (Северная 0сетия) и источника Провал (в Пятигорске), где осаждение карбонатов происходит из вод с температурой до 55-60°С. Все источники, отлагающие травертины, выходят на склонах - на несколько десятков метров выше тальвегов долин.
На Северном Кавказе травертиновый купол источника Тохана-верхний, пожалуй, является наиболее крупным из современных построек. Поэтому он и был выбран нами в качестве объекта исследования. Минеральный источник Тохана-верхний находится в 13-15 км к северу от вулкана Эльбрус (№3°28'7.1"; Е42°26'34.2"; h = 2710 м) (рис. 1). Его описание также приводится в каталоге углекислых источников Северного Кавказа под № 43 [6].
Источник располагается в пределах Пшекиш-Тырныаузской шовной зоны, имеющей субширотное простирание. Эта зона имеет тектоническую природу и разделяет кристаллические массивы (граниты и гнейсы) раннепалеозойского возраста, на поверхности которых сформировалась вулканическая постройка Эльбруса, и сложно дислоцированные вулканогенные и осадочные комплексы девона, карбона и перми (рис. 1). Источник Тоха-на-верхний приурочен к вулканогенно-осадочным отложениям раннего карбона (туфо-песчаники и туфоалевролиты).
Детальное исследование источника производилось в июле 2001 года. Ему предшествовал рекогносцировочный отбор проб травертинов, воды и газа в июле 1998 года. В потоке минеральной воды на различном удалении от источника измерялась величина рН. Погрешность измерения рН была не хуже 0.1 ед. рН. 0дновременно производились и замеры температуры воды. Температура измерялась электронным термометром с погрешностью 0.1°С. Температура воздуха в момент опробования варьировала в пределах 18-20°С.
Пробы воды на химический анализ отбирались в пластиковые бутылки. 0тбор осуществлялся как в месте выхода минерального источника, так и далее по потоку. 0пределения химического состава воды выполнялись стандартными методами.
Пробы спонтанных газов, выделяющихся в месте выхода источника на поверхность, отбирались в стеклянные бутылки методом вытеснения. Химический состав газа анализировался в лабораторных условиях на газовом хроматографе "Кристалл
2000 м" методом абсолютной калибровки. В качестве газа-носителя использовался аргон.
0бразцы травертинов отбирались с поверхности купола на различном удалении от выхода минеральной воды. Для изотопных исследований мы стремились отбирать верхние (свежие) пленки карбонатов, однако в некоторых случаях анализу подвергались и массивные старые травертины. 0бразцы разлагались по стандартной методике в ортофосфорной кислоте (Н3Р04) [7]. Измерения изотопного состава проводились на масс-спектрометре МИ-1201В. Воспроизводимость параллельных опытов определения 513С и 5180 была не хуже 0.25%о. Значения 513С приведены в %о относительно стандарта PDB, а 5180 - SMOW.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ТРАВЕРТИНОВОГО КУПОЛА ИСТОЧНИКА ТОХАНА-ВЕРХНИЙ
Источник Тохана-верхний (далее Тохана) находится в правом борту долины ручья Тохана (истоки р. Худес), примерно на ~150 м выше тальвега долины. Склон, на котором выходит источник, имеет западную экспозицию. Расход минеральной воды составляет 2.0-2.5 л/с. Источник спорадически газирует. Рядом с основным грифоном на удалении 5-10 м имеется еще несколько мелких выходов минеральной воды, но дебит их пренебрежимо мал. Вся минеральная вода собирается в единый ручей, стекающий по склону долины. Его протяженность (до места впадения в р. Тохана) составляет 400-450 м. Ниже по склону, других выходов минеральной воды не обнаружено.
Травертины покрывают участок склона полосой протяженностью около 350 м. и шириной не менее 100 м. Максимальная мощность травертино-вых наслоений, по-видимому, может достигать не менее 5-10 м. К северу от источника на удалении 100-200 м видны покровы старых травертинов.
Химические, морфологические и минералогические особенности минерального вещества, осаждающегося из воды, по простиранию травертино-вой постройки (вниз по склону) заметно меняются. По мере удаления от источника можно выделить 4 зоны.
1) Зона ожелезнения: располагается в непосредственной близости от источника и протягивается на расстояние не более 20 м. 0бразования травертинов здесь не происходит. Здесь осаждаются только оксиды железа, окрашивающие камни и нити сине-зеленых водорослей в бурый цвет. Карбонаты кальция в эт
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.