ГЕОХИМИЯ, 2003, № 2, с. 195-208
О ПРИРОДЕ КАРБОНАТНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ЗАЛИВА КАДИС
© 2003 г. А. Ю. Леин*, |А. М. Ашадзе**, А. И. Горшков***,
О. Ю. Богданова*, Н. В. Ульянова*
*Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117851 Москва, Нахимовский просп., 36; E-mail: lein@geo.sio.rssi.ru **Полярная морская геолого-разведочная экспедиция 189510Ломоносов - Санкт-Петербург, ул.Победы, 24 ***Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН
109017 Москва, Старомонентный пер., 35 Поступила в редакцию 03.04.2001 г.
Исследованы фрагменты карбонатных построек и вмещающие их отложения в районе развития грязевых вулканов на дне залива Кадис, расположенного в юго-восточной части Азоро-Гибралтар-ской зоны, южнее разлома Кадис-Аликонте (35°30' с.ш. и 7°10' з.д.). Использованы ранее разработанные изотопно-геохимические модели аутигенного карбонатообразования. Показано, что углерод аутигенных карбонатов более чем на 70% образован при участии углерода метана за счет бактериальных процессов трансформации метана. Сравнительно тяжелый изотопный состав карбонатного (513С = -23.1 %%) и органического (513С = -25.8.. .-26.3 %%) углерода карбонатных образований, позволяет предполагать полигенность исходного метана (термогенный + седиментаци-онный + абиогенный ), участвующего в процессах аутигенного карбонатообразования и синтеза Сорг на дне залива Кадис.
Образование аутигенных карбонатов в местах выхода метансодержащих флюидов (cold seeps) -это поразительный феномен, обязанный бактериальным процессам метанокисления и сульфат-редукции, протекающим на геохимическом аэробно-анаэробном барьере [1]. В последние 20 лет появились описания многочисленных находок аутигенных карбонатов, залегающих на поверхности дна континентальных склонов внутренних (Черное, Средиземное) и окраинных (Норвежское, Охотское) морей, а также крупных заливов, к числу которых относятся в первую очередь, Мексиканский и Калифорнийский [2-7]. Все эти находки аутигенных карбонатов приурочены к местам разгрузки метана, а иногда и других углеводородов (УВ) на дне. При этом метан может иметь разный генезис: от современного диагенетичес-кого (бактериального) до древнего термокаталитического и даже абиогенного. Впервые абиогенный источник углерода СН4 в аутигенных карбонатах был зафиксирован нами на одном из участков активного гидротермального поля Логачев (14°45' с.ш., САХ) в 1998 г. в 41 рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш". Аутигенные карбонаты в виде уплощенных корок и мелких построек (0.3 м) были обнаружены на небольшом участке (12 м х 10 м), где высачивались "холодные растворы", представляющие собой сильно разбавленный морской водой гидротермальный флюид, с изотопно-тяжелым (513С-СН4 = -14.0 %о) метаном.
Подчеркнем, что углерод аутигенных карбонатов в меньшей или большей степени наследует изотопный состав углерода исходного метана, поскольку углерод углекислоты, образующейся при бактериальном окислении метана, всегда обеднен тяжелым изотопом 13С по сравнению с углекислотой и бикарбонатом морской воды.
Метановые сипы эфемерны из-за непродолжительности и редкой периодичности их активности. Аутигенные карбонаты, образовавшиеся на активных полях метановых сипов - единственная "геологическая память" о том, что в этом месте на дне происходила разгрузка метана.
Следовательно, обнаружение аутигенных карбонатов на поверхности дна и их геохимическая характеристика дают основание ожидать в недрах океанической коры скоплений СН4, часто в виде газгидратов метана. Долгое время оставались непонятными механизм и условия формирования аутигенных карбонатов. В 1998-1999 гг. на одном из наиболее мощных активных метановых сипов - грязевом вулкане Хаакон-Мосби в Норвежском море был проведен широкий комплекс исследований на материале, отобранном в том числе с помощью гоа "Мир-1 и -2". Эти исследования позволили установить условия формирования и возраст аутигенных карбонатов в кальдере грязевого вулкана, выявить участие микроорганизмов в создании этих условий и разработать изотопно-геохимические критерии отличия аутигенных карбонатов типа "methane-derived", свя-
5*
195
38
36
34
Рис. 1. Батиметрия восточной части Азоро-Гибралтарской зоны с элементами структуры (по 13). Разломы: I - Кадис-Аликанте (Гревиллент), II - Плансенсия, III - Байо-Тахо, IV - Назаре, V - Глория; 1 - разлом, 2 - сдвиг, 3 - взброс или надвиг, 4 - очаг землетрясения, 5 - граница континент-океан, 6 - зона распространения грязевых вулканов и диапиров: профиль телегрейфера (ст. 239 ), 7 - грязевые вулканы: 1) Бом Ярдим (ст. 226, 227, 246), 2) Оленин (ст. 245), 3) Карлос Рибейро (ст. 243), 4) Йезус Бараза, 5) Санкт-Петербург, 6) Гинсбург (ст. 236, 238).
▲ 7
& 2
3
4
5
I TVU| 6
16
14
12
10
8
6
занных с процессами окисления метана консорциумом метаногенных и сульфатредуцирующих микроорганизмов [1].
В настоящее время известно более 25 районов активных подводных метановых сипов на континентальных окраинах океана [6, 8], часть из которых связана с разрушением газгидратных залежей метана. В других случаях связь метановых сипов с газгидратами метана не доказана.
В 1999 г. были впервые открыты активные грязевые вулканы в заливе Кадис, к западу от Гибралтарского пролива [9, 10]. В разрезе грязевул-канических отложений были обнаружены метан и его гомологи С2-С5, а также скопления газгид-ратов метана [9, 11, 12].
В 2000 г. в 19 рейсе НИС "Профессор Логачев", с помощью ТУ-грейфера, на одном из выраженных в рельефе куполов в районе активных грязевых вулканов (рис.1) [13] были подняты на борт с глубины 956-961 м фрагменты карбонатных образований различной морфологии [14].
В задачу наших исследований входило использование ранее разработанных изотопно-геохимических критериев для определения источников углерода карбонатов, Сорг и углеводородов в этих карбонатных образованиях и во вмещающих их
верхних ~0.5 м гемипелагических осадочных и грязевулканических отложений в заливе Кадис.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал для исследования отобран с помощью TV-грейфера (ст. 239) одним из авторов статьи (Ашадзе А.М.) и представляет собой обломки карбонатных плит (обр. 239-3/1-239-3/4) и верхушек карбонатных построек, с хорошо выраженными биоморфными структурами на неровной поверхности (обр. 239-3/5, рис.2), а также поверхностные (0.0-0.6 см) пробы из осадочных отложений залива Кадис (рис. 1).
Исследования химического и минерального состава проб проводили методами классической химии, а также с помощью атомно-адсорбцион-ного и рентгенодифракционного анализов.
Содержание СаС03 определяли методом регистрации объема диоксида углерода, выделившегося при реакции карбоната с соляной кислотой. В качестве эталона использовали спектрально-чистый реактив СаС03. Точность определения 1-2% отн.
Содержание Сорг определяли после растворения СаС03 в 3М HCl на экспресс анализаторе
г *•■
. '■* ,г ?
239-3/2
239-3/5
'О,
239-3/4
239-3/1
ттттттттт
мм' -
ттутттт 2
TTjTTTT 3
TTjTTTT 4
TTjTTTT 5
Рис. 2. Фотографии фрагментов аутигенных карбонатных построек.
АН-7560 путем регистрации С02 при сжигании (T = 900°C) в токе воздуха, очищенного от С02.
Минеральный состав карбонатов, их текстуру и структуру изучали с помощью традиционных микроскопических методов в шлифах и иммерсионных препаратах, а также использовали сканирующий электронный микроскоп JEM-5100 (Япония), оснащенный энергодисперсионным спектрометром LINK ISIS (Англия), который дает возможность определять элементы от Ве до U. Изучаемые поверхности образцов выравнивались и делались плоскими. Из каждой выявленной фазы обычно получали энергодисперсионные спектры и проводили полуколичественный анализ на просвечивающем электронном микроскопе JEM-1002 (Япония). Образцы сняты в отраженных электронах (BSE COMPO).
Измерение изотопного состава углерода и кислорода карбонатов, а также органического углерода выполнены на масс-спектрометре "Micro-mass-602D" (Англия) и масс-спектрометре "МИ-1202 В" (Украина). Предварительно образцы и стандарт разлагались обезвоженной ортофо-сфорной кислотой на вакуумной циркуляционной установке и очищались от примесей криогенным способом [15]. После очистки углекислота запаивалась в ампулы и поступала на изотопный анализ.
При определении изотопного состава С-Сорг образцы обрабатывались HCl 1 : 4 при нагревании для удаления карбонатов. После этого проба сжигалась на вакуумной циркуляционной установке в кварцевой трубке с CuO при температуре
900°С, С02 запаивалась в ампулы и направлялась на изотопный анализ. В качестве стандарта использовался СаС03 - стандартный образец МСА-8 с 13С = -31.46%е и с 5180 = 16.04%е [16]. Погрешность измерения ± 0.5%е.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Вещественный состав аутигенных карбонатных образований
О морфологии и размерах изученных карбонатных обломков можно судить по фотографиям (рис. 2). Это уплощенные гладкие кремнеподоб-ные образования с угловатыми сколами светло-бежевого и коричневато-бежевого цвета (обр. 239-3/1-239-3/4), или пемзообразные обломки грязно-серого цвета с многочисленными точечными отверстиями, с остатками белых пустотелых трубок полихет, диаметром 1-2 мм, и раковинного детрита, накопившегося в углублениях неровной поверхности этих карбонатных образований (обр. 239-3/5). Гладкие обломки, скорее всего представляют собой основание или среднюю часть бывшей карбонатной постройки (плиты), ближайшую к контакту с осадками, а пемзообразные бесспорно являются верхушками карбонатных построек, заселенных бактериальными матами и другими бентосными организмами. Содержание СаС03 в изученных образцах колеблется от 83.76 до 92.63 % (рис. 3, табл. 1). Количество М§ изменяется от 1.16 до 6.32% (табл. 2).
(рис. 46). В пробе 239-3/4 обнаружено несколько зерен, состав которых отвечает арагониту (рис. 5-
II).
Аутигенные карбонатные образования характеризуются массивными, пористыми и органогенными текстурами (рис. 5, 6). Органогенные текстуры обусловлены присутствием или иголок (спикол губок (?)), состоящих из кремнезема и заключенных в карбонатной микрозернистой матрице (рис. 5-П), или
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.