Изотопы серы и углерода на активных гидротермальных полях Срединно-Атлантического хребта

Введение

Изотопный состав серы и углерода - один из наиболее надежных и информативных показателей в геохимии гидротермального процесса, дающий представление о генезисе источника и о дальнейших путях преобразования соединений этих двух элементов на поверхности дна. Уже в первых работах [Arnold and Sheppard, 1981; Styrt et al., 1981], посвященных изучению изотопного состава серы гидротермальных сульфидных руд срединно-океанических хребтов (СОХ) было установлено, что сера рудообразующего раствора включает в себя серу из двух источников: (1) сульфидную серу из магматических пород ( ³⁴ S=0,0 ) и (2) серу, образованную при восстановлении сульфата океанической воды ( ³⁴ S-SO₄ =20 ). Результаты изотопного анализа серы растворов и руд, а также результаты компьютерного моделирования дали основание считать, что причиной утяжеления изотопов гидротермальной серы относительно серы магматических сульфидов является увеличение доли изотопно-тяжелой серы, образующейся при восстановлении сульфат-иона океанической воды, на фоне постепенного уменьшения магматической серы в результате метасоматической преобразованности пород океанской коры [Гричук, Леин, 1991; Леин и др., 1991].

Другими словами, разнообразие наблюдаемых в растворах и рудах значений ³⁴S сульфидов предлагалось объяснять разной степенью зрелости гидротермальных систем, подразделяя их на молодые "короткоживущие" и зрелые "долгоживущие" системы. Подразумевалось, что в недрах молодых систем сохраняется избыток неизмененных магматических пород (базальтов, долеритов), а в "зрелых" системах эти породы подвергаются длительной метасоматической проработке [Гричук, 1998].

Изотопный состав соединений углерода в сульфидных рудах и гидротермальных растворах СОХ и, в частности Срединно-Атлантического хребта (САХ) изучен несравненно менее детально, чем изотопный состав серных соединений. Источником соединений углерода в растворах предполагается СО, СО₂ и СН₄ магматических пород, суммарный( S CO₂ = СО₂ + НСО₃^2- ) бикарбонат (растворенный органический углерод) морской воды.

Значения D (  D=~100  ) и ¹³С-СН₄ ( ¹³ С -15,0 - 23,9, [Chаrlou and Donval, 1993]) позволяют думать, что основная часть метана в гидротермальных растворах СОХ образовалась в результате процесса Фишера-Тропша, т.е. в условиях высокотемпературного синтеза (Т 400^oС) на водороде и СО:

nCO + (2n + 1)H₂ C_nH_2n+2 + nH₂O

2nCO + (n + 1)H₂ C_nH_2n+2 + nCO₂.

Все сказанное касается гидротермальных растворов и руд, формирующихся в базальтах MORB и долеритах предположительно над осевой внутрикоровой магматической камерой, в так называемой (I тип) осевой циркуляционной гидротермальной системе [Богданов и др., 1997].

Рис. 1. Географическое расположение гидротермальных полей Срединно-Атлантического хребта

В 1997 г. был открыт новый тип гидротермальной минералообразующей системы (II тип), получивший название глубинной циркуляционной системы, с реакционной зоной, расположенной на границе океанической коры и мантии в ультрабазитах и серпентинитах [Богданов и др., 1997]. Это открытие почти совпало по времени с обнаружением аномально высоких концентраций СН₄ в придонных водах на значительном по длине отрезке (~2000 км) САХ от 12^o с.ш. до 36^o с.ш. [Bougault et al., 1998].

Присутствие СН₄ во флюидах (27-301 мкМ/кг) является одной из характерных особенностей газового состава всех известных гидротермальных флюидов. Но в гидротермальных флюидах, образующихся при серпентинизации ультраосновных пород, концентрации СН₄ достигают 2200 мкМ/кг [Donval et al, 1997], т.е. на 1-2 порядка превышают все известные ранее концентрации СН₄ во флюидах осевой циркуляционной системы I типа.

Полученные новые данные по метановым аномалиям в придонных водах осевых зон САХ и экстремально высокие концентрации СН₄ во флюидах двух вновь открытых активных гидротермальных полей 14^o45 с.ш. (Логачев) и 36^o с.ш. (Рейнбоу), связанных с серпентинитовыми протрузиями, вновь вызвали острый интерес к вопросу о происхождении СН₄ и УВ флюидов, в частности, в связи с проблемами нефтегазообразования. Этот факт нашел отражение в ряде научных публикаций [Дмитриев и др., 1999; Дмитриевский и др., 1997].

Цель настоящей статьи - обобщение результатов исследования изотопного состава соединений серы и углерода в растворах, рудах и в биомассе гидротермальных сообществ на гидротермальных полях разного возраста, относящихся к двум разным типам гидротермальных систем, на примере 4-х активных полей САХ 14^o45, 26^o, 29^o и 36^o с.ш. САХ (рис. 1, табл. 1).