ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2014, № 6, с. 525-538
УДК 551
ИЗОТОПНЫЙ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ ГАЗОВ ТАМАНСКОГО ПОЛУОСТРОВА И ПРОБЛЕМА ИХ ГЕНЕЗИСА
© 2014 г. О. Е. Киквадзе, В. Ю. Лаврушин, Б. Г. Покровский, Б. Г. Поляк
Геологический институт РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 7; E-mail: bolik2000@mail.ru Поступила в редакцию 01.04.2013 г.
Исследованы вариации изотопного состава углерода в грязевулканических газах и водах Таманского полуострова. Величины 813С в СН4 и СО, меняются в диапазонах от —59.5 до —44.0%о (813Ссредн = —52.4 ± ± 5.4%е) и от —17.8 до +22.8%е (S Ссредн = +6.9 ± 9.3%е) соответственно. Вариации значений S13CTDIC в водах большинства грязевых вулканов полуострова составляют +3.3. ..+33.1%е, но в редких случаях встречаются и более низкие их значения — до —12 %е. Фракционирование изотопов углерода в системе СО2—НСО3 вод соответствует изотопному равновесию при температурах земной поверхности. Рост концентрации углекислоты в газовой фазе и увеличение концентрации НСО3-иона в их водной фазе сопровождается обогащением последнего тяжелым 13С. На величину S13CTDIC в водорастворенном углероде, помимо его исходного состава, влияет время нахождения воды на поверхности земли (обмен с атмосферной СО2, окисление метана, осаждение карбонатов и т.п.). За счет этого флуктуации значений S CTDIC в сальзах со стоячей водой могут достигать 10— 20%. В глинистой пульпе концентрация карбонатного вещества в пересчете на СаСО3 составляет от 1—4 до 36—50% вес. Значение S13C в нем варьирует от —3.6% до +8.4%. Карбонатное вещество глинистой пульпы представляет собой смесь седиментогенных и аутигенных карбонатов, поэтому в большинстве случаев по валовому изотопному составу углерода оно неравновесно с водорастворен-ными формами СО2.
DOI: 10.7868/S0024497X14060068
Грязевой вулканизм на протяжении многих лет привлекает внимание исследователей, которые выдвигают и обсуждают различные гипотезы и модели формирования этого интересного природного явления. Ему посвятили свои работы такие выдающиеся ученые, как И.М. Губкин, Г.В.Абих, П.Н. Кропоткин, В.Н. Холодов, Н.И. Андрусов, В.И. Вернадский, А.Д. Архангельский, В.В. Белоусов, Н.С. Шатский, В.Е. Ха-ин, А.Б. Ронов, А.И. Косыгин, А.А. Якубов, А.А. Алиев, Е.Ф. Шнюков и др. Генетические проблемы еще далеко не исчерпаны, о чем свидетельствует продолжающаяся дискуссия о связи грязевого вулканизма с глубинной дегазацией Земли, т.е. дегазацией глубоких геосфер — по выражению Б.М. Валяева, "подчехольных". Предыдущие исследования показали, что в грязевулка-нических флюидах Таманского полуострова метан по изотопному составу углерода (813 ССН< от —62.8
до —33.4%о относительно РОБ) близок к метану распространенных в этом же районе месторождений углеводородов [Валяев и др., 1985], тогда как углекислый газ в этих флюидах резко обогащен тяжелым изотопом углерода — до значений 813 СС02 = +16%.
Высокие значения 813С в углекислом газе грязевых вулканов связывались некоторыми автора-
ми с мантийной дегазацией [Кропоткин, Валяев, 1981], однако этот вывод находится в резком противоречии с современными представлениями об изотопном составе мантийного углерода. В высокотемпературных углеродсодержащих продуктах мантии: алмазах из кимберлитовых трубок, кар-бонатитах, вулканических газах и газовых включениях в базальтах в подавляющем большинстве случаев значения 813С составляют —6 ± 2%е, которые обычно принимаются в качестве "мантийных" [Deines, 1992; Покровский, 2000 и др.]. В небольшом количестве в мантийных породах иногда присутствуют восстановленные формы углерода с
более низкими значениями 813С--25 %, которые
связываются с дегазацией магм [Pineau Javoy, 1983; 1994; Taylor, 1986] или, реже, с мантийной гетерогенностью [Deines, 2002]. Значения 813С > > 0% в мантийных породах и высокотемпературных газах, насколько нам известно, не регистрировались никогда. Вряд ли есть смысл рассматривать низкотемпературные грязевулканические эманации как некий особый мантийный феномен, что наглядно подтверждают исследования изотопного состава гелия в газах Тамани [Лаврушин и др., 1996; Kikvadze et al, 2010].
Тем не менее, причины вариаций некоторых химических и изотопных характеристик грязе-вулканических флюидов, наблюдаемые в преде-
лах Таманского полуострова, до сих пор остаются непонятными. В данной работе мы проанализировали взаимоотношения изотопного состава углерода (СО2, СН4, НСО3) с другими геохимическими характеристиками и ^зависимыми особенностями флюидов грязевулканических систем Тамани.
ОСОБЕННОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ТАМАНСКОГО ПОЛУОСТРОВА
На территории России грязевые вулканы наиболее широко представлены именно на Таманском полуострове. Здесь известно 38 грязевых вулканов, из которых примерно 20 постоянно выделяют воду и газы, а иногда извергают глинистую брекчию [Шнюков и др., 1986]. Они приурочены к зонам накопления мощных плиоцен-четвертичных осадочных толщ и локализуются на юго-западной периферии Индоло-Кубанского передового (предгорного) прогиба, ограничивающего с севера западный сегмент горно-складчатого сооружения Большого Кавказа. В строении прогиба принимают участие залегающие на до-юрском основании осадочные породы стратиграфического диапазона от юры до антропогена общей мощностью до 11 км [Керимов, Рачинский, 2011].
Мезозойский комплекс в основной части региона залегает на больших глубинах и изучен слабо. Судя по данным, полученным на периферии прогиба, вскрытый отдельными скважинами юрский интервал разреза представлен известняками оксфорд-киммериджского ярусов. Предполагается, что суммарная максимальная мощность юрских отложений составляет примерно 3—6 км.
Нижнемеловой комплекс максимальной суммарной мощностью до 4 км выполнен в основном глинистой фацией с прослоями плотных песчаников и алевролитов. Отложения верхнего мела представлены карбонатными комплексами мощностью до 1.5 км.
Эоценовый комплекс сложен глинистой лито-фацией мощностью до 0.7 км; его кумский горизонт представлен темными битуминизированны-ми глинами, мергелями и терригенным флишем и является одним из основных продуктивных горизонтов региона. Мощность кумской свиты не превышает 0.4 км. Олигоцен-нижнемиоценовый интервал (майкопская свита) и весь вышележащий разрез сложен преимущественно глинами с отдельными пачками песчаников и алевролитов, пространственно невыдержанными и замещающимися глинами на сравнительно небольших расстояниях; суммарная мощность этих отложений достигает 6.5 км.
Индоло-Кубанский прогиб имеет резко асимметричное строение. Его южный борт, примыкающий к горному сооружению Большого Кавказа, характеризуется очень крутым падением, в то
время как северный — пологий [Шнюков и др., 1986]. Южный борт осложнен серией структур покровно-надвигового типа, с фронтальными частями которых ассоциируются линейно-вытянутые системы диапировых складок и приуроченные к ним грязевые вулканы [Якубов и др., 1980; Попков, 2006; Тектоника..., 2009]. Предполагается [Маринин, Расцветаев, 2008], что возникновение подобной системы покровно-надвиговых структур в Северо-Западной части Большого Кавказа связано с "выжиманием" горных масс из центрального сектора горного сооружения (области максимального сжатия и сокращения коры) к его северо-западной периклинальной части. Наибольшую активность эти процессы получили в неогене. Считается [Шнюков и др., 1986], что пик грязевулканической активности на Таманском полуострове приходился на чокракское и сарматское время. В настоящее время грязевулканиче-ские процессы находятся на стадии затухания.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Большинство таманских грязевых вулканов характеризуется спокойным (сальзовым) типом активности, заметно затухающей в летний период. Так, на Ахтанизовском вулкане, проявлявшем активность в 1994 г. [Лаврушин и др., 1996] и в 2001 г. [Ккуа^е й а1., 2010], в июле 2009 г. никакого выделения флюидов не отмечалось. Аналогичные явления также наблюдались нами на вулкане Сопка. Мощные выбросы грязевых брекчий, иногда сопровождающиеся возгоранием метана, довольно редки и отмечаются лишь на вулканах Горелая Сопка, Карабетовский, Шуго, Голубиц -кий, Миска [Шнюков и др., 1986].
В основу данной работы положены материалы опробования 16 вулканов, проведенного авторами в июле 2009 г. (рис. 1), с учетом данных, опубликованных ранее [Валяев и др., 1985; Гемп и др., 1970; Войтов, 2001; Лаврушин и др., 1996, 2003, 2005].
Для лабораторного анализа на небольших вулканах отбирались пробы свободно выделяющегося газа и воды из центральной сальзы, а также образцы брекчий. На крупных вулканах отбор флюидов производился из нескольких сальз.
Свободные газы отбирались в стеклянные бутылки объемом 220—320 см3 методом вытеснения, которые закрывались резиновой пробкой. Пробы воды отбирались в несколько пластиковых емкостей, предназначенных для разных видов аналитических исследований.
Для определения солевого состава методами ICP-AES и ICP-MS пробы воды в полевых условиях отфильтровывались через фильтр 0.45 ц и консервировались азотной кислотой. Впоследствии они анализировались в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (ИПТМ РАН, г. Черноголовка,
Рис. 1. Пункты опробования грязевулканических и поверхностных вод Таманского полуострова.
1, 2 — грязевые вулканы: 1 — опробованные, 2 — неопробованные; 3 — места отбора проб поверхностных вод. Здесь и далее цифры на рисунках соответствуют графе 1 таблицы 1.
Московская обл.) на приборах ICAP-61 (Thermo Jarrel Ash, США) и Х-7 ICP-MS (Thermo Elemental, США). Погрешность определения концентраций отдельных компонентов этими методами была порядка 10—15%, но вблизи предела обнаружения могла достигать 50%.
Остальные аналитические исследования воды и газов производились в Геологическом институте РАН (ГИН РАН, г. Москва).
Величины рН, общей щелочности и концентрации Q-, а также изотопный состав С в раство-
ренных формах углекислоты СО
2раств>
C O3
и
HCO3, т.е. в водорастворенном неорганическом углероде (TDIC, total dissolved inorganic carbon) измерялись в пробах воды, отфильтрованных чере
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.