ГЕОХИМИЯ, 2007, № 11, с. 1223-1236
ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ПОЛЯ ЛОСТ СИТИ
© 2007 г. Е. О. Дубинина*, И. В. Чернышев*, Н. С. Бортников*, А. Ю. Леин**, А. М. Сагалевич**, Ю. В. Гольцман*, Э. Д. Баирова*, А. В. Мохов*
*Институт геологии, рудных месторождений, петрографии и геохимии РАН 119017 Москва, Старомонетный пер., 35; e-mail: delta@igem.ru **Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117991 Москва, Нахимовский просп., 36 Поступила в редакцию 25.05.2006 г.
Исследованы изотопные (5D, 518O, 513C, 87Sr/86Sr) и геохимические характеристики гидротермальных растворов Срединно-Атлантического хребта и материала брусит-карбонатных построек гидротермального поля Лост Сити (30° с.ш. САХ) для оценки роли основных контролирующих факторов формирования флюида и построек поля Лост Сити. Поведение величин 5D, 518O в образцах флюида показало, что происхождение растворов Лост Сити связано с серпентинизацией ультраосновных пород основания при температурах выше 200°С, в интервале пониженных величин соотношения флюид/порода (меньше 1). Активная роль процессов серпентинизации при формировании флюида Лост Сити подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями материала гидротермальных построек. Изотопные (SO, 513C и 87Sr/86Sr) и геохимические (Sr/Ca, РЗЭ) параметры показывают, что до выхода флюида Лост Сити к зоне подводной разгрузки происходит его фильтрация по уже измененным остывшим внешним зонам массива Атлантис, в процессе которой флюид кондуктивно остывает. На этой стадии возможен захват ранее отложенного карбонатного материала при частичном растворении карбонатов жил в серпентинитах верхних зон массива Атлантис и карбонатного цемента осадочных брекчий, подстилающих гидротермальные постройки, поэтому возраст современной гидротермальной активности поля Лост Сити может быть существенно моложе, чем 25 тысяч лет.
ВВЕДЕНИЕ
Гидротермальная активность, связанная с процессами спрединга океанского дна, изучается уже несколько десятков лет. Большинство из известных на сегодняшний день зон гидротермальной активности в Тихом, Индийском океанах, Красном море и Северной Атлантике [1-3], ассоциирует с базальтовым магматизмом. При этом возникают конвективные ячейки, в которых океанская вода, проникающая в новообразованную океанскую кору, преобразуется в высокотемпературный (до 400°С) кислый (рН 2-4) флюид, являющийся источником сульфидной минерализации. Особый интерес представляют собой гидротермальные процессы, проявленные вдоль Срединно-Атлантического хребта (САХ), характеризующегося низкой скоростью спрединга. Вдоль САХ обнаружены не только активные сульфидные постройки - "черные курильщики" - это поля Логачев, Рейнбоу и Ашадзе, но и низкотемпературные карбонатные постройки, пространственно связанные с серпентинизированными перидотитами, открытые 5 лет назад на поле Лост Сити [4]. Обнаружение этих гидротермальных источников указывает на то, что в зонах спрединга возникают конвективные ячейки особого типа, связанные не с магматическими источниками энергии, а с каким-
то иным теплом, возможно, выделяемым при экзотермической реакции серпентинизации оливина. Ключевую роль в решении проблемы источника энергии и вещества в таких ячейках может сыграть исследование гидротермального поля Лост Сити.
Поле Лост Сити находится в 15 км от зоны спрединга, и располагается на достаточно древнем (1.5 млрд. лет) основании [4]. На нем обнаружена специфическая безрудная брусит-карбонатная минерализация, отлагающаяся из высокощелочных (рН 9-9.8) низкотемпературных (40-95°С) растворов. Скорость выхода флюида невелика, и, по мнению О.Ь. РгцЬ-Огееи с соавторами [5], способ движения растворов к зоне разгрузки можно отнести к диффузионному типу. По содержанию № и С1 флюид Лост Сити близок к морской воде, однако обогащен вдвое по сравнению с ней кальцием и содержит заметные количества растворенных газов -метана и водорода [4-6].
Первоначальным источником флюида Лост Сити, как и в любом другом случае океанских гидротерм, является океанская вода, которая поступает в систему трещин и разломов океанской коры. При низкой скорости спрединга, характерной для данного района, масштабы глубинной циркуляции растворов значительны, а сами растворы несут следы
активного взаимодействия с породами океанского дна [1]. В настоящее время всеми исследователями гидротермального поля Лост Сити [4-10] признается его связь с процессами серпентинизации ультраосновных пород. Существует две основные гипотезы относительно происхождения гидротермального флюида поля Лост Сити. Одна из них рассматривает раствор Лост Сити как результат смешения горячего флюида, образованного при серпентинизации перидотита, обогащенного газовой фазой (H2, CH4, CO2, H2S) в процессе фазовой сепарации, с холодной окружающей водой в подповерхностной биосфере (subsurface biosphere), где происходят микробные процессы, в том числе, активное восстановление сульфат-иона на водороде сульфатредуцирующими микроорганизмами-археа [6-8]. Другая гипотеза основана на термодинамическом моделировании процессов серпентинизации и смешения с морской водой. Моделирование показало, что флюид, образующийся в процессе серпентинизации, может обеспечить минералогические особенности гидротермальных построек Лост Сити в процессе смешения с придонной океанской водой, но процесс серпентинизации должен протекать при значительных температурах (около 300°С), а смешение - при температурах не выше 150°С [9, 10]. По мнению авторов, между этими процессами должна существовать стадия кондуктивного остывания флюида без смешения с океанской водой. Обе гипотезы не отвечают на многие вопросы о происхождении гидротермального раствора поля Лост Сити.
Расчеты теплового баланса и геохимическое моделирование [10] для поля Лост Сити показали, что температурный режим гидротерм не может быть объяснен только теплом экзотермической реакции гидратации оливина. Сопоставление расчетов с геохимическими данными приводит авторов к выводу о более сложной истории флюида Лост Сити, который в условиях низких скоростей спрединга достигает глубинных зон литосферы до выхода на поверхность.
Несмотря на некоторые спорные моменты, все исследователи поля Лост Сити проявляют безусловное единодушие в том, что необходимо дальнейшее детальное изучение как флюидной фазы Лост Сити, так и продуктов ее разгрузки. Данный объект изучен довольно слабо, поскольку он, с одной стороны, недавно открыт, а, с другой стороны, малодоступен. К настоящему времени имеется лишь несколько пионерных публикаций с изложением натурных наблюдений [4-7] и результатов геохимического и термодинамического моделирования и расчетов теплового баланса [9, 10]. Решению спорных вопросов о происхождении столь необычного для субмаринных систем флюида могут способствовать изотопные данные, которые пока имеются в очень ограниченном количестве [5, 7].
В этой статье изложены результаты изотопно-геохимического изучения гидротермальных отложений Лост Сити и флюидов гидротермальных полей срединно-атлантического хребта в образцах, собранных в 49-ом рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш" 2002 года. Одной из задач данной работы наряду с получением новых изотопно-геохимических данных для поля Лост Сити, являлась численная оценка на изотопном уровне роли основных процессов, протекающих при формировании отложений Лост Сити - серпентинизации, кондуктивного остывания флюида и его смешения с океанской водой. При выполнении данной работы изучались не только минеральные отложения построек Лост Сити, но и образцы гидротермального флюида этого поля, а также соседних полей срединно-атлантического хребта - Рэйнбоу и Лаки Страйк, расположенных между 20 и 40° с.ш.
Пробы раствора Лост Сити отобраны вблизи вершины 60-метровой постройки Посейдон, на плоской площадке, в центре которой изливается флюид, напоминающий питьевой фонтанчик высотой 10-12 см и диаметром около 3 см.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ПОЛЯ ЛОСТ СИТИ
Гидротермальное поле Лост Сити (30° с.ш.) расположено на глубине 750-850 м в 15 км от точки пересечения Срединно-Атлантического хребта (САХ) с трансформным разломом, в верхней части южного склона массива Атлантис, который сложен сильно деформированными серпентинитами и метагаббро, с большим количеством кабонатных жил и прожилков. Вершина массива несогласно перекрыта осадочными брекчиями, пелагическими известняками, брекчиями фрагментов гидротермальных отложений, сцементированных литифицированным карбонатным осадком. Карбонатные отложения и лити-фицированный цемент брекчий представлен фора-миниферовым песком и хорошо сохранившейся субтропической фауной [4].
Возраст активности гидротермального поля Лост Сити по оценкам, основанным на данных радиоуглеродного метода, составляет около 30 тыс. лет [5]. При этом радиоуглеродный возраст карбонатного материала гидротермальных построек сильно варьирует - от 0 до 25 тыс. лет. Возраст карбонатного материала в основании разреза (пелагические известняки, карбонатный цемент базальтовых и осадочных брекчий, прожилков в серпентинитах) изменяется в более узких пределах и является более древним - от 25 до 34 тыс. лет. Возраст кальцитовых жил в зоне дробления габбро и серпентинитов наиболее однородный и составляет около 32 тыс. лет.
Собственно гидротермальное поле состоит из вертикальных построек разной формы и высоты.
Таблица 1. Минеральный состав образцов по данным рентгенофазового анализа и их описание
Номер образца Минеральный состав Описание образца
68-M2/5 Арагонит + (кальцит) Обломки кораллов в карбонатном песке у основания постройки
67-M1-1/3 Брусит + кальцит + арагонит Вершина постройки. Белые пористые породы с плотной коркой голубоватого цвета
65-M2-2/3 Арагонит + брусит Белоснежные веероподобные пористые кристаллические образования на плоской вершине постройки
64-M1-7/2 Арагонит + кальцит Вершина постройки, зона интенсивного сочения вод. Серые пористые породы, внешняя зона столба
71-M2-1 Кальцит + арагонит + брусит Вершина постройки, зона активного сочения вод. Сахарно-белая порода
68-M2-4/2 Брусит + арагонит + кальцит Вершина
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.