Кандидат геолого-минералогических наук Елена ДУБИНИНА, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН,

кандидат геолого-минералогических наук Василий ЛАВРУШИН, Геологический институт РАН

Грязевые вулканы - хорошо известное, но не разгаданное явление природы. До сих пор ученые спорят о том, какие механизмы способствуют образованию на глубине 1 - 2 км и более разжиженной глинистой массы и заставляют ее с силой вырываться на поверхность, пугая и поражая воображение очевидцев. Не до конца ясно и отчего возникают зоны аномально высоких пластовых давлений, необходимых для проявления описанного феномена. Исследования изотопной геохимии воды в составе продуктов извержения помогают лучше понять их генезис, а значит, приблизиться к ответу на эти вопросы.

В настоящее время существует несколько основных гипотез формирования грязевых вулканов*. Первая: они генетически связаны с очагами современного магматизма, и через их каналы разгружается вещество глубинного "ювенильного" (мантийного) происхождения. Вторая: данное явление развивается при тектонической коллизии**, когда происходит интенсивное отжатие газоводных флюидов*** из многокилометровой толщи. Третья: извержения разжиженной глинистой массы обусловлены процессами синтеза и миграции углеводородов (метана и нефтей) в осадочном чехле молодых бассейнов. Прорыв природного газа по существующим трещинам мобилизует поток жидких и твердых продуктов из вышерасположенных частей разреза, инициируя так называемый "газовый" вулканизм. Четвертая: пусковым механизмом становятся процессы постседименгационных преобразований осадочных пород с перекристаллизацией смекгитов**** в гидрослюды, сопровождающиеся некоторым разрыхлением отложений. Далее под влиянием литостатической нагрузки последние вновь уплотняются, напряжение частично передается на поровые воды, создавая зоны повышенных давлений.

* См.: Ю. Казанцев, Т. Казанцева. Загадки грязевых вулканов. - Наука в России, 2004, N 5 (прим. ред.).

** Тектоническая коллизия - столкновение двух тектонических плит. В ее зоне горные породы сминаются в складки, идут процессы горообразования (прим. ред.).

*** Флюиды - в данном случае циркулирующие в земных глубинах насыщенные газами растворы (прим. ред.).

**** Смектит - глинистый минерал с подвижной кристаллической решеткой (прим. ред.).

стр. 27

ИЗОТОПНЫЕ МЕТКИ

Однако Ахад Якубов из Института геологии АН Азербайджана (1980 г.) и автор этой статьи Василий Лаврушин (1996 г.) с помощью данных по изотопному составу гелия показали: не существует пространственной связи между районами, где наблюдается грязевой вулканизм, и территориями проявления современной магматической активности. Это ставит под сомнение правильность первой гипотезы. Что же касается остальных, они так или иначе сводятся к различным механизмам перераспределения воды в ходе преобразования осадочных пород при дегидратации глинистых минералов, синтезе углеводородов, испарении и конденсации.

Указанные процессы, несомненно, приводят не только к возникновению новых химических примесей в водной составляющей грязевых выбросов, но и влияют на соотношение различных изотопов кислорода и водорода в ней. Масштабы и характер фракционирования последних между водой, с одной стороны, паром и минералами - с другой, хорошо изучены экспериментально, что позволяет судить о "предыстории" элементов по их изотопному составу. Таким образом мы многое можем узнать о происхождении выталкиваемой на поверхность жидкой глинистой массы, являющейся продуктом вулканизма.

Поскольку во всех гипотезах происхождения грязевых вулканов ключевая роль отводится водной фазе извергаемых продуктов, ее изотопно-геохимические характеристики мы избрали в качестве основного инструмента проверки существующих представлений. Объектом анализа стали отобранные в период с 1994 по 2001 г. коллекции материалов в выбросах 16 вулканов Тамани и 4 - Кахетии (Грузия) - территорий, где систематические исследования такого рода никогда не проводили, хотя интересующий ученых феномен выражен здесь чрезвычайно ярко. Все работы выполняли в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ). Измерения контролировали по международным водным образцам сравнения Международного агентства по атомной энергии.

Воды грязевых вулканов Тамани и Кахетии относятся к гидрокарбонатно-хлоридному натриевому типу, т.е. заметно обогащены щелочными и щелочно-земельными металлами, а также бором, йодом и бромом (это характерно для всех подобных объектов). Анализ показал: их общая минерализация составляет 10 - 22 и 20 - 32 г/л соответственно.

Изотопный состав кислорода и водорода принято обозначать относительными величинами δD и δ¹⁸O. Первая показывает, насколько количественное соотношение "тяжелого" изотопа водорода дейтерия (D) и более распространенного протия (H) в конкретном образце отличается от международного стандарта (для природных вод таковым является средний состав океанской воды). Величина δ¹⁸O дает аналогичное представление о содержании в исследуемом материале изотопов ¹⁸O и ¹⁶O*. Величины δD и δ¹⁸O выражаются в единицах промилле (‰) и в естественных растворах могут оказаться отрицательными или положительными, поскольку в стандарте их значение приравнено к нулю. Каковы же характеристи-

* Кислород в природе имеет три стабильных изотопа: наиболее распространенный 16 - ¹⁶O составляет 99,759%, доля ¹⁸O - 0,204, а самого редкого ¹⁷O - 0,037%. Последний трудно измерить с необходимой точностью и, как правило, для характеристики изотопного состава образца применяют отношение ¹⁸O/¹⁶О (прим. ред.).

стр. 28

Расположение грязевых вулканов Таманского полуострова (A) и Грузии (B): * - исследованные, ? - другие известные.

ки продуктов грязевого вулканизма Тамани и Кахетии? И какое из ныне существующих объяснений генезиса данного феномена им больше соответствует?

Для получения достоверной информации мы использовали диаграмму зависимости δD от δ¹⁸O, обычно применяемую в подобных исследованиях: в указанной системе координат построили "поля", соответствующие водам мантийного, океанского и атмосферного происхождения и содержащимся в выбросах грязевых вулканов. С ее помощью можно наглядно увидеть, что область, очерченная по результатам анализа проб из Тамани и Кахетии, не перекрылась с прочими "полями", ибо отобранный там материал обладает характеристиками, резко отличающими его от основных природных типов вод (в особенности мантийного). Он богаче ¹⁸O и беднее D, чем океанская вода, изотопный состав кислорода в нем сильно варьирует, достигая, а иногда и превышая значения, фиксируемые при ювенильном происхождении; содержание дейтерия, напротив, меняется в довольно узком интервале так же, как в опресненных внутренних морях (например, Черном).

Что это означает? Очевидно, мы имеем дело с продуктом сложного физико-химического преобразования одного или нескольких генетических типов природных вод (за исключением мантийного). Предположим, что исходным звеном стали морские или атмосферные воды, захороненные в осадочных отложениях. Тогда их последующее смешение, испарение и конденсация, а также изотопный обмен с минералами пород или с органическим веществом (если таковое присутствует) должны были постепенно изменять изотопный состав молекул H₂O до параметров, наблюдаемых в выбросах грязевых вулканов. Заметим: в ряде случаев затрагивается только одна ее система - изотопно-кислородная, если реализовался, например, контакт с силикатами или карбонатами (последние всегда "перетягивают на себя" ¹⁸O), либо изотопно-водородная (при взаимодействии с углеводородами, "уводящими" протай). А какими были характеристики воды до описанных превращений? Ответить помогают доступные геологические и геохимические данные.

МАЙКОПСКИЙ ПАЛЕОБАССЕЙН

Прежде всего мы оценили глубину залегания вод, приходящих на поверхность с грязевулканическими выбросами. Для этого использовали метод гидрохимической термометрии, позволяющий реконструировать температуры формирования подземных вод по величинам отношений концентраций некоторых металлов (Li/Na, K/Na, Mg/Na) - условия взаимодействия названных элементов с минералами вмещающих пластов

стр. 29

Корреляция содержания йода в водах грязевых вулканов с их изотопным составом.

известны. Как оказалось, искомые температуры составляют 45 - 170°С, что соответствует интервалу глубин формирования водных растворов от 1 до 4,5 км. Следовательно, источником воды для грязевых вулканов Таманского полуострова являются морские осадочные отложения майкопской серии, так как они залегают на этих глубинах.

Итак, "исходное звено" - вода древнего моря, а точнее, майкопского палеобассейна. Ее изотопный состав мог быть таким же, как в современном Мировом океане, либо радикально отличаться. Используя имеющиеся знания о направлении эволюции этого показателя в геологических процессах, мы попытались установить, какой из двух вариантов вероятнее.

Предположим, имело место совпадение изотопного состава. Тогда история формирования современного продукта грязевых вулканов выглядела так. На первом этапе происходило постседиментационное взаимодействие захороненных морских вод с силикатами и карбонатами осадочных пород, в результате изотопно-кислородного обмена между ними росло значение δ¹⁸O, однако водородная часть молекулы H₂O оставалась нетронутой. В дальнейшем, по-видимому, в глубинные горизонты проникли дождевые или речные инфильтраты, разбавившие исходные растворы. Это привело к формированию спектра значений δD и δO, характерного для объектов Кахетии и Тамани.

Казалось бы, изложенная схема вполне правдоподобна. Однако настораживает, что смешение менее минерализованных и всегда обладающих низкими значениями δD и δ¹⁸O метеорных вод с морскими, обогащенными солями и изотопами ¹⁸O и D, не вызвало относительного снижения содержания последних. Напротив, согласно полученным для наших объектов геохимическим данным наблюдается обратная корреляция между содержанием в водах грязевых вулканов хлора, брома и йода (индикатора морского генезиса) и изотопным составом водорода.

С предложенной версией плохо согласуется и изотопное "утяжеление" грязевулканических вод по мере приближения к хребтам Большого Кавказа: у побережья Азовского моря мы фиксируем более низкие величины δD и δ¹⁸O, чем в районе предгорий. Аналогичная тенденция прослеживается и в Кахетии. Между тем Большой Кавказ питает большинство водоносных горизонтов осадочных бассейнов региона, а значит, при движении к нему доля атмосферных инфильтрационных поступлений должна возрастать, изотопный же состав вод - "облегчаться". Иными словами, предположение о соответствии изотопного состава вод майкопского палеобассейна и современного океана не противоречит теоретическим построениям, но не соответствует реальным наблюдениям. Как же установить истинное положение вещей?

Как правило, колебания в составе морских вод связаны с влиянием речного стока и "изотопно облегченных" пресных атмосферных осадков, характеристики которых (по оценкам специалистов) не менялись с древних времен, обеспечив им стабильное размещение на упомянутой диаграмме зависимости δD от δ¹⁸O, названное линией метеорных вод. Вдоль нее влево и вниз должно было сдвигаться графическое поле, соответствующее изотопному составу погребенных морских вод при снижении их солености. Такое смещение наблюдается, например, для современного Черного моря относительно Мирового океана.

Поскольку полученный нами спектр содержания изотопов кислорода и водорода в продуктах грязевых вулканов является неким эволюционным трендом, мы экстраполировали его до упомянутой линии и получили значения δD = - 40 ‰ и δ¹⁸O = - 6 ‰. Очевидно, примерно таким составом обладали воды майкопского палеобассейна. То есть он был еще более опреснен в сравнении с океаном, чем современное Черное море, а значит, воды атмосферного происхождения и речного стока составляли в нем значительную часть. Косвенно это

стр. 30

Диаграмма зависимости δD от δ ¹⁸O с нанесенными полями основных генетических типов природных вод и данными по составу вод грязевых вулканов Тамани и Кахетии.

ЛМВ - линия метеорных вод.

Схема эволюции изотопного состава современных океанских вод в процессе взаимодействия с породами (силикатами, карбонатами) (1) и дальнейшего разбавления атмосферными водами (2).

подтверждают данные сотрудника Всероссийского научно-исследовательского института газа и газовых технологий Бориса Жижченко, исследовавшего фауну в отложениях майкопского времени и показавшего: в отдельные его периоды развивались организмы, приспособленные к жизни в воде с пониженной соленостью.

ЭВОЛЮЦИЯ ПОГРЕБЕННЫХ МОРСКИХ ВОД

Рассмотрим пути эволюции изотопного состава вод майкопского бассейна, которые могли привести к формированию проанализированного нами продукта грязевых вулканов. Самый простой случай - смешение с водами, более богатыми δO и D. Из известных вариантов на эту "роль" могли бы подойти древние рассолы, захороненные в глубоких горизонтах юрско-мелового возраста, имеющие общую минерализацию около 100 - 200 г/л и, согласно оценкам специалистов, весьма "тяжелые" по содержанию δO (δ¹⁸O до + 9,5‰). Изотопный состав водорода в них изменяется от -67 до -32 ‰. Однако в процессе соединения с водами столь высокой солености количества D и ¹⁸O, а также натрия, хлора и брома должны возрасти. Между тем мы не обнаружили подобных изменений в изученном материале.

Особенности изотопного состава грязевулканических вод традиционно объясняют влиянием процессов испарения-конденсации. На эту причину указывают и прямые наблюдения за деятельностью вулканов, фиксирующие постоянное выделение спонтанных газов, временами принимающее катастрофический характер. Как упоминалось, коэффициенты разделения изотопов в системе вода-пар хорошо известны, поэтому легко рассчитать состав каждой из фаз. При этом мы исходили из допущения, что каждая "уходящая" порция равновесна с остающейся водой. Поскольку "испаряются" предпочтительно "легкие" изотопы ¹⁶O и H, вода постепенно обогащается ¹⁸O и D. В природе она проникает на большие глубины, отделяющийся пар движется в за-

стр. 31

Эволюция вод майкопского палеобассейна (МПБ): A - при смешении с древними рассолами юрско-мелового возраста, B - при их дистилляции-конденсации в интервале температуры 175 - 220°С.

крытом объеме, никуда не улетучиваясь и частично смешиваясь с остаточной жидкостью.

Расчеты показали: изотопный состав вод майкопского бассейна мог трансформироваться до показателей, измеренных в выбросах грязевых вулканов, если процессы испарения-конденсации протекали при температурах 175 - 220° С. В то же время посредством гидрохимических оценок получен несколько другой, более низкий температурный интервал - от 45 до 170°С. Следовательно, формирование грязевулканических вод могло происходить на глубине более 4,5 км.

Разумеется, температуры могли быть определены недостаточно точно в силу ограничений и погрешностей обоих методов оценки. Заметим: указанные интервалы не перекрываются, однако верхняя граница, рассчитанная по гидрохимическим данным, практически совпадает с нижней, полученной по изотопным. Возможно, дальнейшие исследования прояснят это. Пока же можно лишь констатировать: формирование вод объектов Тамани и Кахетии происходит на большой глубине и при повышенных температурах.

Предложенная схема изотопной эволюции не противоречит и сведениям о химическом составе выбросов грязевых вулканов. Водный флюид, сформировавшийся на больших глубинах, мигрируя к поверхности, должен претерпевать большое число актов дистилляции - конденсации, благодаря чему концентрация растворенных солей (прежде всего галогенов) в его подвижной части снижается. С другой стороны, эти процессы не будут препятствовать обогащению гидрокарбонатионом.

Теперь зададимся вопросом: как эволюционировали захороненные воды майкопского палеобассейна при взаимодействии с неорганическим и органическим веществом осадочных пород? В начале статьи мы указали: в ходе литогенеза - при глубинной дегидратации и перекристаллизации минералов - меняется изотопный состав и кислородной, и водородной частей молекулы

стр. 32

Графическая область составов вод, образующихся при комбинированном изотопном уравновешивании с глинистыми минералами (иллитом) и метаном при температурах 45 - 175°С.

H₂O. Между тем известно: температура течения важнейшего из подобных процессов - иллитизации смектита* - совпадает с условиями активной фазы генерации нефти и газа в богатых органикой отложениях. При взаимодействии же с названными углеводородами обогащение вод дейтерием весьма вероятно.

Словом, можно предположить, что погребенные морские воды вовлекались в процесс изотопного обмена с двумя основными компонентами вмещающих отложений: кислородная часть молекулы H₂O "уравновешивалась" с глинистыми минералами (преимущественно иллитом), а водородная - с метаном. Обмен с первыми приводил к "утяжелению" состава кислорода, со вторым - к росту величин δD.

Задав температуру, полученную по гидрохимическим оценкам, и используя коэффициенты фракционирования изотопов O и H в системах иллит- и метан-вода, мы рассчитали интересующие нас изотопные характеристики. И оказалось: результат вычислений соответствует экспериментальным данным, если δ¹⁸O иллита попадает в интервал +20 ± 2‰, а δD метана -70 + 10‰.

На первый взгляд предложенная схема кажется специфичной, поскольку объясняет региональные явления факторами локального характера: эволюционный тренд зависит от состава и проницаемости вмещающих пород, наличия органики. Однако это противоречие снимается, если придерживаться представлений о генетической взаимосвязи грязевого вулканизма с процессами синтеза углеводородов, протекающих синхронно с минеральными преобразованиями толщ глинистых отложений. Иными словами, исследуемый феномен возникает только там, где достигается необходимое соотношение мощности осадочных отложений и интенсивности образования нефти и газа.

В пользу предложенной эволюционной схемы свидетельствует тот факт, что расчеты базируются на вполне реальных температурах формирования вод. Кроме того, она согласуется с географической зональностью изотопных параметров в выбросах грязевых вулканов, отражающей увеличение глубин генерации флюидов, и возрастание теплового потока с приближением к Большому Кавказу. Такому варианту преобразования вод майкопского палеобассейна соответствует и характерная для них обратная корреляция величин δD и δ¹⁸O с концентрациями галогенов (ведь при иллитизации смектита происходит снижение солевой нагрузки вод за счет увеличения объема растворителя).

Итак, примененный нами подход позволил на основании реальных геологических и геохимических наблюдений оценить правдоподобность теоретических схем эволюции изотопных параметров грязевулканических вод. Мы свели имеющиеся представления к узкому кругу процессов и с высокой степенью вероятности определили исходное звено - опресненный морской бассейн. А также установили: наиболее реальная и не противоречащая натурным наблюдениям и геохимическим данным картина дальнейшего преобразования вод связана с их дистилляцией-конденсацией, либо с изотопным обменом с глинистыми минералами и органическим веществом (возможно, в природе происходит "наложение" указанных процессов).

Становится очевидно: вода - не инертный компонент, каким ее можно было бы представлять при формальном рассмотрении существующих гипотез формирования грязевых вулканов в обстановках тектонической коллизии или уплотнения мощных молассовых** толщ, а уникальный природный трассёр, отражающий историю и механизмы трансформации вещества.

Иллюстрации предоставлены авторами

* Замещение катионов кальция и магния в структуре смектита ионами калия приводит к потере подвижности его кристаллической решетки. В итоге формируется гидрослюда иллит (прим. ред.).

** Молассы - комплекс горных пород, образующийся в условиях горного рельефа и представленный мощными (до нескольких тыс. м) толщами терригенных пород - конгломератов, песчаников, алевролитов, глин, иногда с пачками известняков и мергелей (прим. ред.).

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: