Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Состав органического вещества в гидротермальных отложениях Срединно-Атлантического хребта и Восточно-Тихоокеанского поднятия

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Состав органического вещества в гидротермальных отложениях Срединно-Атлантического хребта и Восточно-Тихоокеанского поднятия"

На правах рукописи

ШУЛЬГА Наталья Александровна

005042979

СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СРЕДИННО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ХРЕБТА И ВОСТОЧНО-ТИХООКЕАНСКОГО ПОДНЯТИЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 7 МАЙ 2012

Москва-2012

005042979

Работа выполнена в Лаборатории химии океана Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель:

Пересыпкин Валерий Иванович, доктор геолого-минералогических наук Официальные оппоненты:

Лени Алла Юльевна, доктор геолого-минералогичсских наук, профессор, главный научный сотрудник Лаборатории физико-геологичсских исследований Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва

Русанов Игорь Иванович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории микробиологии и биогеохимии водоемов Института микробиологии им. С.Н. Виноірадского РАИ, г. Москва

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ФГУ1І "ВНИИОкеангеология"), г. Санкт-Петербург

Защита состоится " аз " мая 2012 г в 14.00 на заседании Диссертационного совета Д.002.293.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 119997, г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36, Большой конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. 11.І I. Ширшова РАН по адресу: 119997, г. Москва. Нахимовский проспект, д. 36

Автореферат разослан " С€ " апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.002.239.03

кандидат биол. наук

Т.А.Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Открытие в конце 70-х годов XX века интенсивной гидротермальной деятельности в рифтовых зонах Мирового океана позволило выявить значительную роль эндогенного вещества в процессах формирования гидротермальных руд, а также привело к пересмотру многих взглядов на актуальную до настоящего времени проблему происхождения углеводородов (УВ) [Simoneit, 1993; Богданов и др., 2006].

Гидротермальные системы Мирового океана, приуроченные к тектоническим центрам спрединга, представляют собой явление, при котором образование органических соединений происходит в результате протекания химических реакций и инициируется высокой температурой, давлением, рН, Eh и составом минералов, присутствующих в рудах [Simoneit et al., 1993]. Большинство известных к настоящему времени гидротермальных рудных скоплений формируется в олиготрофных зонах океана, куда органическое вещество (ОВ) фотосинтетического происхождения практически не поступает. Обладая достаточно высоким энергетическим потенциалом для поддержания продолжительного существования большого числа биологических сообществ, на глубине формируются так называемые "оазисы жизни", основой для функционирования которых служит первичная продукция хемосинтеза и метанотрофии [Леин и др., 2005]. Вследствие этого, образование совокупности органических соединений в зонах глубоководной гидротермальной активности происходит как под влиянием различных физико-химических факторов, так и при активном участии специфических экстремофильных биологических консорциумов бактерий и архей, населяющих регион. В таких условиях среды возможен синтез УВ и других органических соединений, схожих с природными нефтями [Simoneit et al., 1985, 2004; Пересыпкин и др., 1999, 2007; Леин и др., 2005].

Исследования интенсивной гидротермальной деятельности в рифтовых зонах Мирового океана могут оказать серьезное влияние на существующие представления о мировой глубоководной гидротермальной системе в целом, изменить масс-балансовые модели циклов отдельных элементов и органических соединений в океане и расширить представление о подповерхностной биосфере [Лисицын, 1993; Kelley et al., 2005; Леин, Иванов, 2009].

Цель работы: изучение содержания и молекулярного состава УВ (на примере н-алканов) в различных по морфологии и минералогии рудных и нерудных гидротермальных отложениях рифтовых зон Мирового океана.

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Разработать модифицированную для рудных гидротермальных образцов методику определения н-алканов на ультрамикроуровне с помощью метода газовой хроматографии/масс-спектрометрии.

• Провести органо-геохимическое изучение состава УВ в различных по минералогии образцах гидротермальных отложений низкоспредингового Срединно-Атлантического хребта (САХ) и высокоспредингового Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП).

• Сравнить состав УВ, образующихся в гидротермальных системах, связанных с базальтовым вулканизмом и серпентинизацией ультраосновных пород, на основе полученных данных.

• Выявить особенности генезиса ОВ, его накопления и трансформации в различных рифтовых зонах Мирового океана.

Научная новизна. Впервые по разработанной модифицированной методике

изучен состав ОВ минеральных ассоциаций, характерных для разных

морфологических типов сульфидных, сульфатных, карбонатных гидротермальных

систем: гидротермальных труб, плит, диффузоров.

В составе ОВ образцов рудных гидротермальных отложений выявлены

органо-геохимические индикаторы, позволяющие судить об источниках УВ в них

и процессах трансформации ОВ в различных рифтовых зонах Мирового океана.

Во всех изученных гидротермальных системах, лишенных осадочного

покрова, подтверждены активно идущие процессы генерации УВ.

Практическая значимость. Разработана и внедрена модифицированная

методика газохроматографического/масс-спектрометрического анализа н-алканов

С10-С40 (предел обнаружения Зх10"9-10"8 %, в зависимости от компонента) в

сульфидных, сульфатных и карбонатных проявлениях гидротермальных

отложений, которая впоследствии может быть применена для исследований как

других рифтовых зон Мирового океана, так и наземных рудопроявлений.

Полученные результаты можно использовать в нефтяной геохимии для

понимания поведения ОВ в условиях высокотемпературного флюида и процессов

накопления потенциально нефтяных продуктов при высоких давлениях.

Фактический материал. Работа основана на результатах исследований

образцов разных морфологических типов сульфидных, сульфатных (ангидрит,

барит), карбонатных проявлений, отобранных в ходе 47, 49, 50 рейсов НИС

"Академик Мстислав Келдыш" при помощи глубоководных обитаемых аппаратов

4

"Мир-1 и -2" в 2002-2005 гг. на различных гидротермальных полях Срединно-Атлантического хребта и Восточно-Тихоокеанского поднятия. Образцы были предоставлены В.И. Пересыпкиным, научным руководителем диссертанта.

Достоверность результатов. Данные по качественному и количественному составу УВ экстрактов изученных образцов проводились на аналитических приборах фирмы "Shimadzu", имеющих сертификат об утверждении типа средств измерений Государственного комитета РФ по стандартизации и метрологии. Для проверки достоверности результатов использованы международные стандарты химических соединений (Fluka), а также современные библиотеки масс-спектров (NIST, WILEY).

Защищаемые положения:

1) Состав УВ активных и реликтовых гидротермальных отложений осевых циркуляционных систем (Снейк Пит, Лаки Страйк, Брокен Спур, ТАГ, Менез Гвен) отражает превалирующий вклад бактериальной и гидробионтной составляющей при наличии высокомолекулярных УВ, продуктов термокаталитической трансформации.

2) В гидротермальных системах САХ, связанных с глубинной циркуляцией и процессами серпентинизации ультраосновных пород, установлен заметный вклад в состав ОВ термокаталитических УВ. Показано, что на высокотемпературном поле Рэйнбоу, в отличие от низкотемпературного поля Лост Сити, этот процесс выражен более ярко.

3) На исследованном гидротермальном поле 21°с.ш. ВТП интенсивно и непрерывно идут процессы хемосинтеза и биодеградации, термокаталитическая генерация УВ выражена незначительно. Характер распределения УВ в образцах поля 9°50' с.ш. ВТП свидетельствует о смешанном источнике ОВ. Его образование связано с хемосинтетической продукцией гидротермальных микроорганизмов и симбиотрофов, а также с процессами пиролиза ОВ и привнесением термокаталитического свежесинтезированного ОВ из гидротермального флюида.

Личный вклад автора. Материал диссертации основан на данных

химических анализов, выполненных лично автором или при его участии. Автор

проводил разработку модифицированной методики определения н-алканов Сю-С4о

в рудных образцах гидротермальных отложений методом газовой

хроматографии/масс-спектрометрии (прибор "Shimadzu QP-5050A"). Автор

проанализировал собственные и полученные непосредственно на борту судна

хроматограммы выделенных экстрактов образцов (88 образцов); сопоставил

материалы отечественных и зарубежных исследований по разрабатываемой

5

проблеме; осуществил окончательную интерпретацию данных и их обобщение в представленной диссертации.

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены на Всероссийских и международных конференциях: Международная конференция (Школа) по морской геологии (Москва, 2007, 2009, 2011 гг.); European Geosciences Union (Vienna, Austria, апрель 2009 г.); Goldschmidt - Earth, Energy and the Environment (Knoxville, Tennessee, USA, июнь 2010 г.); International Meeting on Organic Geochemistry (Interlaken, Switzerland, октябрь 2011 г.), a также в докладах на коллоквиумах Лаборатории химии океана ИО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, отражающих основные полученные выводы, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 163 страницах текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 160 наименований, в том числе 98 иностранных, содержит 46 рисунков и 12 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.г.-м.н. В.И. Пересыпкину за предоставление материалов для написания диссертации, постоянное внимание, терпение и советы на всех этапах проведения исследований и подготовки настоящей работы. Автор глубоко признателен профессору, д.г.-м.н. Е.А. Романкевичу за его помощь, ценные рекомендации и большой интерес к работе. За полезные консультации и доброжелательные критические замечания автор благодарит д.г.-м.н. А.Ю. Леин, д.г.-м.н. Л.Л. Демину, д.г.-м.н. Г.В. Новикова, д.г.-м.н. Е.П. Дубинина, к.б.н. Н.В. Лобуса. Неоценима помощь сотрудников Лаборатории химии океана В.Ю. Гордеева, А.А. Ветрова, А.Г. Болотаева, И.В. Саранцевой, Н.А. Беляева. Хочу выразить искреннюю признательность за помощь профессору, д.х.н. И.А. Ревельскому; доценту кафедры океанологии географического факультета МГУ, к.г.н. А.В. Поляковой, благодаря которой автор получила возможность воплотить в жизнь желание заниматься изучением Океана. Автор также искренне благодарит своих друзей и коллег И.П. Моргунову, Ю.Г. Маринову, Д.Г. Борисова за чуткость, понимание, постоянную поддержку и помощь в оформлении работы. Глубокое уважение и благодарность автор выражает академику А.П. Лисицыну, д.г.-м.н. Ю.А. Богданову, д.т.н. А.М. Сагалевичу за огромный вклад в отечественные исследования океанских гидротермальных систем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, отражены научная новизна и практическая значимость работы, а также приведены данные по апробации работы и личному вкладу автора.

Глава 1. Гидротермальные рудопроявления на дне Мирового океана

Открытие высокотемпературной гидротермальной деятельности на дне Мирового океана — одно из наиболее значительных событий в геологии за последние десятилетия [Лисицын, 2002; Богданов и др., 2006].

Основываясь на существенной неоднородности рудовмещающих структур и приуроченности гидротермальных проявлений к разным типам геодинамических обстановок, для систематического описания гидротермальных подводных источников и сопряженных с ними гидротермальных отложений изученные поля принято подразделять на две группы: рифты низкоспрединговых хребтов (скорость спрединга < 6 см/год) — гидротермальные поля Срединно-Атлантического хребта (САХ); рифты высокоспрединговых хребтов (скорость спрединга > 6 см/год) - проявления Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП) [Богданов, Сагалевич, 2002].

Высокотемпературный гидротермальный раствор достигает поверхности дна и в результате его смешения с холодной придонной океанской водой часть химических элементов переходит в твердую фазу. Они формируют гидротермальную трубу вокруг гидротермального источника. При этом сначала накапливаются наиболее высокотемпературные разновидности отложений медной и медно-цинковой специализации [Лисицын и др., 1990; Бортников и др., 2004].

Совокупность органических соединений в зонах глубоководной гидротермальной активности представляет собой продукты биохимического синтеза и продукты реакций различных стадий преобразования ОВ. Как исходные составляющие, так и продукты их превращения обладают свойством специфичности, отражая всю сумму факторов окружающей среды, которые, с одной стороны, определяют интенсивность и качественное разнообразие биосинтеза, а с другой, - пути и механизмы реакций трансформации ОВ [Беляева, 2004; Peters et al., 2005]. Одним из показателей специфических различий компонентов исходного ОВ может служить распределение относительного содержания н-апканов в его углеводородной фракции. В представленной работе

сравнивались УВ из различных морфологических структур гидротермальных систем САХ и ВТП. В зависимости от состава исходного органического материала резко изменяется соотношение между содержанием низко- и высокомолекулярных н-алканов. Углеводороды представляют собой единственную группу, сохраняющуюся в течение длительного геологического времени, среди широкого спектра органических соединений липидной фракции ОВ. Они химически устойчивы, сохраняют свою структуру и, следовательно, первичную биологическую и геохимическую информацию [Бшопек, 2004].

Генерация УВ в гидротермальных системах связана со следующими основными процессами при их сложном сочетании:

^ хемосинтез гидротермальными микроорганизмами и симбиотрофами. При всей незначительности этого процесса по отношению к общим масштабам биогенного новообразования органических соединений в Мировом океане, массы УВ, генерирующиеся за счет него, в рамках гидротермальных систем весьма существенны;

^ биодеградацш (бактериальная переработка остатков организмов). В ходе окислительно-восстановительных превращений ОВ преимущественно липидные компоненты могут трансформироваться в УВ;

^ термодеструкцш (продукты деструкции углеродного скелета биомолекул) и термокатализ. Интенсивность развития этого процесса тесно связана с физико-химическими условиями и минералогией гидротерм.

Уникальные физико-химические условия (давление, температура, ЕЬ, рН, наличие Ре-№, Р^ Со катализаторов) в океанических гидротермальных системах вызывают научный интерес в области исследования процессов абиогенного синтеза УВ, например, по реакции Фишера-Тропша, что может внести вклад в понимание происхождения жизни [КеИеу е1 а1., 2005; МсСоПот, БееууаШ, 2007].

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объектом исследования послужили образцы различных по морфологии и минералогии гидротермальных отложений, отобранные на гидротермальных полях, связанных с базальтовым вулканизмом (Брокен Спур, Лаки Страйк, ТАГ, Снейк Пит, 9°50' с.ш. ВТП, 21° с.ш. ВТП) и процессами серпентинизации ультраосновных пород (Рэйнбоу, Лост Сити), а также образцы бассейна Гуаймас (Калифорнийский залив), пропитанные гидротермальной нефтью (всего проанализировано 88 образцов) (рис. 1).

50 40 30

10

0

•70 -60 -50 -)0 -30 -20 -10 -130 -125 -120 -115 -110 -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70

Рис. 1. Положение исследованных гидротермальных полей САХ и ВТП.

Изученные поля (Снейк Пит, Лаки Страйк, ТАГ, Брокен Спур, Менез Гвен, 9°50' с.ш. ВТП и 21° с.ш. ВТП) относятся к типу осевых гидротермальных циркуляционных систем. Отложения формируются в пределах неовулканических зон океанических рифтов и генетически связаны с внутрикоровыми магматическими камерами с температурой до 1200°С [VonDamm et al., 1995; Богданов и др., 2006]. Океанская вода, поступающая по системе открытых трещин, в кровле магматической камеры нагревается до близкритических температур, что приводит к резкому увеличению ее удельного объема. Рудоносный раствор приобретает высокую плавучесть и с потоком флюида стремительно поднимается к поверхности дна. Основными рудными минералами отложений являлись халькопирит, сфалерит, марказит, пирит. Их соотношение в разных гидротермальных постройках и в отдельных элементах постройки непостоянно и существенно меняется [Богданов, Леин и др., 2008].

Гидротермальные поля Лост Сити и Рэйнбоу относятся к типу глубинных гидротермальных циркуляционных систем [Богданов и др., 2006]. Гидротермальные растворы образуются здесь при участии океанской воды, проникающей в кору по системе открытых трещин и участвующей в серпентинизации перидотитов и других ультраосновных пород. По потокам вещества из океанской коры флюиды поля Рэйнбоу являются самыми интенсивными из известных в пределах САХ (кроме поля Логачев), а концентрация метана на 1 -2 порядка превышает содержание СН4 в растворах всех других изученных гидротермальных систем [Леин, Иванов, 2009]. Наличие повышенных концентраций водорода (10-16 ммоль) и метана (до 2.5 ммоль) в системах, связанных с ультраосновными породами, по сравнению с окружающей

водой создает сильно восстановительные условия, способствуя протеканию абиогенных реакций [McCollom et al., 1999; Proskurowski et al., 2008].

Сульфидные отложения поля Рэйнбоу были представлены минеральными ассоциациями с преобладанием халькопирита, сфалерита, кубанита, борнита, марказита и пирита [Богданов и др., 2002]. В отличие от него, активное гидротермальное поле Лост Сити обладает специфической безрудной брусит-карбонатной минерализацией, отлагающейся из высокощелочных (рН 9-9.8) низкотемпературных (40-95°С) флюидов [Леин, Иванов, 2009].

Каждое из изученных полей имеет свои геолого-геохимические и биологические особенности, связанные с разницей в составе исходных пород, с процессами трансформации растворов по пути движения от реакционной зоны ко дну и с рядом локальных факторов [Галкин, 2002; Богданов и др., 2006].

Аналитическую основу изучения состава УВ в гидротермальных образцах составила разработанная модифицированная комплексная методика, включающая ультразвуковую экстракцию хлористым метиленом, хроматографическое фракционирование экстрактов с выделением суммы алкановых УВ, их анализ методом ГХ/МС (газовый хроматограф/масс-спектрометр "Shimadzu QP-5050A" с пламенно-ионизационным детектором и программным комплексом обработки аналитической информации). Идентификация осуществлялась при использовании масс-спектров электронной ионизации и их сопоставлении с библиотеками масс-спектров NIST и WILEY, а также временами удерживания н-алканов стандартных смесей (Solution С8-С40 фирмы Fluka), количественные расчеты проводились по методу внутреннего стандарта (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан).

Для более полного понимания процессов, протекающих в гидротермальных системах, также были привлечены первичные данные газохроматографического анализа, полученные В.И. Пересыпкиным непосредственно на борту судна сразу же после пробоотбора гидротермальных отложений с помощью ГОА "Мир-1, -2".

Глава 3. Исследование органического вещества в гидротермальных отложениях Срединно-Атлантического хребта

В диссертационной работе сравнивались УВ из различных морфологических структур гидротермальных полей САХ и ВТП. Исследование распределения и состава н-алканов в отложениях позволило определить сходство и различие в источниках поступления и интенсивности трансформации УВ в гидротермальных системах.

Значения геохимических параметров генезиса и трансформации ОВ, полученные по результатам исследования состава УВ, представлены в табл. 1.

3.1. Гидротермальные системы, связанные с базальтовым вулканизмом

Анализ состава УВ рудных отложений гидротермальных полей Брокен Спур, Снейк Пит, ТАГ, Лаки Страйк и Менез Гвен, формирующихся из растворов, различающихся по физико-химическим характеристикам, позволил получить новые данные по составу ОВ образцов "активных курильщиков" и реликтовых гидротермальных отложений и выделить их особенности. Во всех образцах установлено наличие н-алканов от С10-С12 до С35-С40. Распределение н-алканов в углеводородной фракции ОВ приведено на рис. 2. Концентрации идентифицированных н-алканов в рудных гидротермальных отложениях "активных курильщиков" составляют от 16.4 до 118.9 нг/г. Анализ хроматограмм, полученных для образцов высокотемпературных отложений, и величины геохимических параметров указывают на активно идущие процессы синтеза и накопления ОВ. Биодеградация выражена незначительно, о чем свидетельствует малая величина "горба" нафтеновых УВ в области С18-С22, а также значения отношений Рг/Сп и РЬ/С18, равные в среднем 1.40. Причина, видимо, связана с тем, что проникновению бактерий и их существованию вблизи каналов с гидротермальными растворами препятствует высокая температура (~350°С) этих растворов. В молекулярном распределении н-алканов из образцов "активных курильщиков" по сравнению с реликтовыми отложениями прослеживается тенденция к увеличению содержания высокомолекулярных гомологов С23-С40, как следствие быстро текущих реакций термокаталитического синтеза, в результате чего из легких углеводородов образуются более сложные органические соединения (рис. 2). Зафиксировано присутствие УВ с почти равным содержанием нечетных и четных гомологов. Среднее значение индекса нечетности СР1 = 0.93 отображает близкий к нефтяному уровень зрелости ОВ в образцах, отобранных из активных гидротермальных построек.

Значительные вариации относительных концентраций н-алканов в морфологически разных сульфидных образцах "активных курильщиков" можно объяснить колебаниями температуры и мощности гидротермального флюида, обеспечивающего оптимальные окислительно-восстановительные условия реакционной среды. Эти колебания отражаются на величинах отношения

Таблица 1. Сводная таблица геохимических и гидрофизических параметров САХ и ВТП.

Гидротсрмаль нос поле *Глуб-мна, м *'Температура, Т°С Сорг, % Рг/РЬ Рг/Сп РЬ/С,, СР1 ОЕРП-,9 1С,в.Си/ УС'2Л-С_10 п-алканм, II г/г

Снейк Пит 3460 335-350 0.04 - 0.24 0.06-6.01 0.56 - 3.24 0.12-15.81 0.39 - 2.79 0.33 - 1.67 0.52 - 5.95 27.4-212.8

(9 образцов) 0.10 1.45 1.40 3.49 1.15 0.72 2.36 101.3

Лаки Страйк 1700 170-364 0.01 - 0.02 0.67-1.61 0.20-3.89 0.11 - 1.00 0.46-1.50 0.23 - 0.65 0.25-1.84 20.1 -43.6

(6 образцов) 0.02 1.32 1.51 0.58 0.84 0.48 1.09 28.9

ТАГ 3670 290-321 0.03 - 3.84 0.27-1.14 0.24-1.88 0.52 - 5.29 0.71 - 1.85 0.26-1.37 0.66-3.41 28.5-317.8

(7 образцов) 0.84 0.69 1.00 1.49 1.43 0.60 1.52 92.9

Брокен Спур 3300 364 0.02 - 0.35 0.16-0.83 0.39 - 3.65 0.63 - 2.03 0.36-1.47 0.18-1.23 0.71 - 8.94 16.4-450.0

(6 образцов) 0.20 0.45 1.49 1.18 0.77 0.72 2.59 120.1

Мене) Гвен 850 275-284 0.05-0.13 0.48-5.12 0.31 -0.75 0.09-5.31 3.04 - 3.46 0.18-1.15 2.97 - 4.96 50.0 - 244.7

(5 образцов) 0.09 2.09 0.47 1.33 3.19 0.58 3.94 113.8

Лост Сити 900 40-95 0.15-0.34 0.23-3.29 0.23-5.10 0.23 - 11.52 0.15-2.27 0.07 - 6.54 0.30-11.38 29.7-228.9

(16 образцов) 0.21 1.28 1.32 2.10 0.94 0.99 3.17 86.1

Рэйнбоу 2300 365 0.02-0.17 0.05-1.47 0.66-9.14 1.63-10.73 0.48-1.68 0.35 - 2.00 0.09 - 3.22 19.3 -645.4

(9 образцов) 0.07 0.56 2.17 5.14 0.89 0.87 0.94 146.2

9°50' ВТП 2550 403 0.12-1.12 0.50-3.17 0.38 - 6.33 0.02-15.75 0.98 - 4.06 0.11 -4.50 0.67-17.05 57.1-296.1

(12 образцов) 0.46 1.40 1.89 2.21 2.00 1.33 5.88 117.7

21° ВТП 2600 355 0.12-2.36 0.07-1.00 0.54-14.11 0.45 - 24.00 1.36-6.61 0.47 - 9.00 0.78 - 3.08 32.5 - 97.9

(8 образцов) 1.06 0.56 3.24 11.31 3.34 4.03 1.61 64.2

Гуанмас (10 образцов) 2000 315 0.02-6.21 1.01-3.52 0.41-3.36 0.35-1.57 0.82 - 5.34 0.81 -1.57 1.06-11.06 1.1 - 338.9**

1.55 1.53 1.02 0.67 1.80 1.02 4.97 46.9

Примечание. Над чертой приведен интервал значений, под чертой * - из книги [Леин, Иванов, 2009]. ** - концентрация в мкг/г

- среднее значение.

изопреноидов (Рг/РЬ - 0.24-^1.59), указывающих на изменения скоростей изомеризации.

В образцах участков полей, где активная гидротермальная деятельность затихает или вовсе прекратилась, например, вследствие закупорки подводящего канала или разрушения постройки (реликтовые образцы), концентрации н-алканов составляют от 21.5 до 450.0 нг/г. Наблюдается наличие интенсивных максимумов н-алканов в области Сц-С22, зафиксировано преобладание низкомолекулярных гомологов (^Сю-Сгз/ЕСгз-Сад = 2.86 в среднем) с низкими значениями индексов нечетности ОЕРп-19 = 0.62 в среднем, что свидетельствует о наличии УВ, источником которых послужила бактериальная продукция хемосинтеза и гидробионты, обитающие на поверхности "курильщиков". Вместе с тем, для образцов реликтовых гидротермальных отложений поля Снейк Пит наблюдается выравнивание в распределении УВ с преобладанием фракции длинноцепочечных гомологов (ХСю-Сгг/^Сзз-Сю < 1), имеющих термокаталитическое происхождение. Видимо, УВ были захвачены/сконденсированы при высоких температурах, как и в активных трубах.

В большинстве образцов как "активных курильщиков", так и реликтовых отложений, зафиксированы значительные концентрации легких н-алканов Сщ-Сн. Если учесть, что эта группа УВ практически не синтезируются гидротермальной биотой, полученные данные свидетельствуют о процессах термодеструкции и термокатализа, однако абиогенную природу некоторых компонентов синтеза исключать нельзя [Пересыпкин и др., 1999; Ое1асоиг е1 а1., 2008].

В исследованных рудных сульфидных гидротермальных отложениях осевых циркуляционных систем Брокен Спур, Снейк Пит, Лаки Страйк, Менез Гвен и ТАГ присутствуют УВ, образованные преимущественно автохтонной микробной и гидробионтной биомассой, а также в результате процессов термокатапитической трансформации и термодеструкции.

В составе ОВ различных по продолжительности гидротермального сульфидного рудоотложения гидротермальных полей (Брокен Спур (ЮООлет) —» Снейк Пит (4000 лет) —> ТАГ (50000 лет)) наблюдается единообразие в распределении У В и в значениях геохимических параметров (табл. 1), свидетельствующее о сходных закономерностях процессов генезиса и трансформации ОВ в гидротермальных системах.

% отн,

ОГІ'ГЮМОМ'ГЩМОМТЩМО --'^Г-НММПМОППППП'Г

ииоооииоооиооооо

^---'-'мммммтпппп^

оооииооооиииииоо

Число атомов углерода

Число атомов углерода

Рис 2. Распределение содержания н-алканов в рудных образцах отложений "активных" гидротерм (а,в,д,ж) и реликтовых отложениях (б,г,е,з) гидротермальных полей Снейк Пит, Лаки Страйк, ТАГ и Брокен Спур соответственно.

3.2. Гидротермальные системы, связанные с серпентинизацией ультраосновных пород

Исходя из сильно отличающихся физико-химических характеристик флюидов исследованных полей, связанных с процессами серпентинизации, предполагалось резкое различие и в составе ОВ. Однако, несмотря на сильную изменчивость параметров, полученные распределения н-алканов гидротермальных отложений полей Лост Сити и Рэйнбоу имеют определенное сходство. Значения геохимических параметров генезиса и трансформации ОВ, полученные по результатам исследования состава углеводородов, представлены в табл. 1.

В изученных образцах установлено наличие н-алканов от Сю-С12 до С31-С40 (рис. 3). Распределение УВ характеризуется сопоставимыми содержаниями четных и нечетных гомологов в низко- и высокомолекулярной областях, что отражается на значениях индексов нечетности OF.P17.19 и СР1 в среднем равных 0.99, 0.94 и 0.87, 0.89 соответственно для каждого поля. Это является результатом восстановительных процессов, протекающих при трансформации незрелого ОВ в гидротермальных условиях.

Концентрации н-алканов в карбонатных и баритных отложениях поля Лост Сити составляют от 29.73 до 162.23 нг/г сухого вещества. Имеется положительная корреляция между содержанием УВ гидротерм и Сорг, что отражает сходство процессов образования углеводородов и органического вещества [Романкевич, 1977]. Состав ОВ характеризуется мономодальным распределением н-алканов с максимумом в низкомолекулярной области (ХС10-С22/ХС23-С40 = 2.23 в среднем), что указывает на преимущественно морской биогенный генезис ОВ. Источником н-алканов могут быть продукты жизнедеятельности бактерий и архей, вместе с тем, наличие значительных концентраций гомологов Сщ-См (< 22%) при пониженном содержании высокомолекулярных гомологов С22-С31 не исключает низкотемпературный катализ УВ в подповерхностных условиях с последующим накоплением их в гидротермальных постройках поля [Пересыпкин и др., 2007; СЬаНои й а1., 2010].

Среди изученных образцов поля Лост Сити присутствуют карбонатные отложения, в распределении н-алканов которых отмечается сдвиг в высокомолекулярную область с примерно равным соотношением четных и нечетных гомологов (СР1 - 0.95-И .02) (рис. За). Это отражает как вклад УВ термогенного происхождения при трансформации микробной компоненты ОВ, так и свидетельствует о незначительной роли взвешенного вещества терригенного

происхождения, учитывая географическое расположение и относительно небольшие глубины массива Атлантис (до 900 м), на котором расположено поле Лост Сити.

В изученных сульфидных гидротермальных образцах поля Рэйнбоу выявлен наибольший диапазон концентраций УВ от 19.3 до 645.4 нг/г (табл. 1). Исследования рудных отложений показали, что в молекулярном составе УВ преобладают высокомолекулярные н-алканы, образование которых связано с термокатализом под действием горячего флюида. Это отражается на значениях индекса SC10-C22/2C23-C40 - 0.09^1.09 (табл. 1, рис. 36). Отношение изопреноидов Pr/Ph = 0.56 в среднем, свидетельствует о преимущественно восстановительной обстановке. Низкомолекулярные гомологи Cio"Ci4, скорее всего, представляют собой фрагменты термолитической деструкции остатков биогенного материала, а частично являются продуктами абиогенного синтеза [Delacour et al., 2008].

Число атомов углерода Число атомов углерода

Рис.3. Распределение содержания н-алканов в карбонатных и сульфидных образцах отложений гидротермальных полей Лост Сити (а) и Рэйнбоу (б).

В некоторых образцах гидротермальных отложений поля Рэйнбоу выявлено распределение углеводородов, схожее с распределением для абиогенных процессов по реакции Фишера-Тропша, которое было приведено в статье [МсСоНош, 8ее\уа№, 2007].

Таким образом, широкие вариации температуры, физико-химических характеристик флюида, состава вмещающих пород создают на гидротермальных полях Лост Сити и Рэйнбоу, ассоциированных с процессами серпентинизации ультраосновных пород, создают мозаичную картину процессов генерации углеводородов, при этом высока вероятность смешанного (термокаталитического-

биогенного-абиогенного) происхождения органического вещества [Пересыпкин и др., 1999, 2007; Шульга и др, 2010].

Глава 4. Исследование органического вещества в гидротермальных отложениях Восточно-Тихоокеанского поднятия

4.1. Гидротермальное поле 9°50' с.ш. ВТП. На гидротермальном поле 9°50' с.ш. ВТП были отобраны образцы сульфидных отложений как из активных, так и из реликтовых гидротермальных построек, отличающиеся по групповому и молекулярному составу ОВ. Образцы представляли три морфологические разновидности: слоистые сульфидные плиты в цоколе активных построек, сульфидные трубы и диффузоры.

Концентрации н-алканов, выделенных из образцов "активных курильщиков" и реликтовых отложений составляют от 67.73 до 296.12 нг/г сухого вещества. Молекулярное распределение н-алканов из образцов различных исследованных участков поля имеет свои особенности так же, как и наблюдавшиеся на полях низкоспредингового САХ (рис. 4). Несмотря на однотипность состава минералов образцов, вероятно, окислительно-восстановительная обстановка в трубах гидротермальных вентов и у их оснований сильно изменчива, о чем свидетельствует изменение отношения изопреноидов (Рг/РЬ - 0.50-43.17). Из-за незначительных изменений температуры флюида могут существенно меняться условия генерации и трансформации гидротермальных УВ [Шульга и др., 2011].

Для изученных сульфидных гидротермальных образцов поля характерно два типа хроматограмм. Возможно, в пределах одного поля, при формировании гидротермальных труб "черных курильщиков" в отдельно взятой области, создаются уникальные микроусловия, где реакции синтеза и накопления органического вещества различны. Хроматограммы первого типа отличаются наличием большого "горба" нафтеново-ароматических соединений, т.е. ОВ в отложениях сильно преобразовано (микробиологическая и термолитическая деструкция), и наоборот, второго типа с его почти полным отсутствием, где в отложениях постоянно идет процесс активного синтеза и накопления ОВ.

В первом типе углеводороды представлены в основном низкомолекулярными н-алканами С14-С22 с ярко выраженными максимумами четных гомологов (ОЕРп.,9 - 0.11-Ю.63) (рис. 4а). Анализ полученных данных свидетельствует об активно идущих процессах биодеградации органического вещества.

Во втором типе соотношение низко- и высокомолекулярных гомологов почти равно или сдвинуто в высокотемпературную область (1С 10-С22/2С23-С40 -0.67 + 4.87) с преобладанием нечетных н-алканов (СР1 - 0.98-^4.06) (табл. 1, рис. 4в). Происходит смешение УВ различного генезиса, связанного с трансформацией первичной продукции хемосинтеза микроорганизмов и

симбиотрофов с термокаталитическим свежесинтезированным органическим веществом гидротермального флюида.

Анализ сульфидного образца фрагмента макушки активной гидротермальной постройки показал уникальное распределение н-алканов, схожее с распределением в нафтоидах впадины Гуаймас (рис. 46).

Значения геохимических

параметров свидетельствуют о наличии в данном образце термически зрелого небиодеградированного ОВ (легкая микронефть). Учитывая, что гидротермальное поле 9°50' с.ш. ВТП образовалось в апреле 1991 г. после извержения подводного вулкана на месте ранее существовавших активных гидротермальных полей и развитое биологическое сообщество этих полей было погребено под базальтовой лавой, источником УВ здесь можно считать иоооииооОиоиоиои мгновенный пиролиз ОВ,

Число атомов углерода захороненного под базальтами

Рис.4. Типичные распределения [Леин и др., 2005]. н-алканов в сульфидных образцах Полученное разнообразие

гидротермальных отложений поля значений органо-геохимических

9°50' с.ш. ВТП.

параметров в исследованных образцах поля 9°50' с.ш. ВТП, по-видимому, обусловлено локальной спецификой гидротермальных проявлений (мощностью, температурой флюидов), что в свою

очередь может быть связано с возрастом участка поля или конкретной постройки.

18

4.2. Гидротермальное поле 21° с.ш. ВТП, как и другие исследованные поля высокоспредингового Восточно-Тихоокеанского поднятия, относится к областям, где в зоне активного вулканизма при высоких температурах гидротермального флюида идут быстротекущие процессы синтеза и преобразования ОВ. Концентрации н-алканов, выделенных из образцов активных "курильщиков" и реликтовых отложений, составляют от 32.53 до 97.93 нг/г сухого вещества. Хроматограммы однотипные и характеризуются почти полным отсутствием «горба» нафтеново-ароматических соединений с преобладанием н-алканов с нечетным числом атомов углерода (СР1 - 1.36^-6.61) (табл. 1). Это свидетельствует о том, что в процессе высачивания высокотемпературных гидротермальных флюидов к океанскому дну в восстановительных условиях (Рг/РН = 0.58 в среднем) генерируются преимущественно алифатические УВ.

Число атомов углерода Число атомов углерода

Рис. 5. Типичные распределения н-алканов в сульфидных образцах гидротермальных отложений поля 21°с.ш. ВТП. а) отложения активных гидротерм; б) реликтовый обр. 4080-1.

Несмотря на сходство в хроматографических спектрах, по групповому и

молекулярному составу УВ образцы имеют некоторое различие. УВ, выделенные

из "активных" гидротермальных труб и отложений, отобранных у их оснований,

имеют сдвиг в низкотемпературную область с ярко выраженными максимумами

нечетных алканов в интервале С15-С25 (ЕСю-Сгг/ЕСгз-Сод - 1.04-К3.08) (рис. 5). По

молекулярному распределению н-алканов среди образцов поля выделяется

обр. 4680-1, представляющий собой фрагмент отложений из области

высокотемпературных гидротермальных потоков. Для него характерно

бимодальное распределение н-алканов в областях Сю-С^ и С23-С31. Содержание

высокомолекулярных гомологов здесь наибольшее по сравнению с другими

исследовавшимися образцами поля (ЕСю-гг/ЕСгз-Сад = 0.78). На данном участке

поля наблюдается смешение УВ различного генезиса, связанного с термальной

19

деструкцией хемосинтезированного ОВ и термокаталитическим синтезом, осуществляемым в восстановительных условиях (Pr/Ph = 0.94). Влияние на состав УВ может оказывать каталитическое воздействие минералов, а также различные сорбционные свойства вмещающих пород.

Анализ полученных значений геохимических параметров показал, что основным источником УВ в исследованных рудах рифтовой долины 21° с.ш. ВТП является биомасса бактерий и гидротермальной фауны (обильные поселения вестиментифер), тесно связанных с процессом хемосинтеза в местах выхода гидротермальных источников. Процессы термокатализа и термодеструкции наблюдаются, однако они менее интенсивны.

4.3. Бассейн Гуаймас 21° с.ш. ВТП. Главными особенностями бассейна Гуаймас является высокая концентрация метана в гидротермальных флюидах (до 16.5 ммоль/л) и УВ нафтоидного ряда. Изотопный состав метана колеблется от -43 до -53%о, что подтверждает преимущественно термогенное, а не абиогенное происхождение СН4 [Леин и др., 1989; Simoneit et al., 1990; Леин, Иванов, 2009].

На гидротермальном поле Гуаймас была отобрана коллекция разнообразных образцов как донных осадков, так и гидротермальных отложений в большинстве случаев либо имеющих сильный запах нефти, либо пропитанных ею.

Концентрации н-алканов в выделенных экстрактах УВ очень высокие по сравнению со всеми ранее исследованными полями и составляют от 1.1 до 338.9 мкг/г сухого вещества (табл. 1). Верхние пределы концентраций приходятся как раз на образцы, пропитанные гидротермальной нефтью и имеющие в своей структуре сульфидные минералы или осадки, отобранные в непосредственной близости от них.

При всем разнообразии форм хроматограмм, они имеют характерную особенность в виде меняющего свое положение максимума «горба» нафтенов, определяющее его генетическую принадлежность к тому или иному процессу. В основном положение максимума приходится на низкомолекулярную область в районе С 18.20 - микробиологическая деградация ОВ, в меньшей степени на С15 -высокотемпературный пиролиз и двугорбый спектр С20, С25-27 -микробиологическая и термокаталитическая трансформация ОВ. При этом не наблюдается существенного сдвига в сторону преобладания нечетных или четных гомологов (индекс нечетности ОЕРп.,9 = 1-02, CPI = 1.80 в среднем) (табл. 1). По мере прохождения флюидного потока сквозь осадочную толщу при увеличении температуры процессы трансформации ОВ меняются от восстановительных в сторону окислительных, и, следовательно, меняется состав гидротермальной нефти, увеличивается сходство с природной нефтью.

20

Заключение

Исследование состава и особенностей распределения углеводородов в различных сульфидных, сульфатных, карбонатных гидротермальных отложениях позволило выявить основные источники поступления органического вещества и проследить особенности его геолого-геохимических трансформаций в аномальных условиях среды.

Для низкоспрединговых гидротермальных полей САХ, связанных с осевой циркуляционной системой, основным источником УВ являются бактерии и гидробионты; высокомолекулярные продукты термокатализа присутствуют в меньших концентрациях, несмотря на то, что на некоторых полях выявлено повышенное содержание термокаталитических УВ, связанное с изменением физико-химических параметров среды. Для высокотемпературного поля Рэйнбоу, ассоциированного с серпентинизацией ультраосновных пород, по молекулярному распределению н-алканов в гидротермальных отложениях и значениям органо-геохимических параметров установлено, что образование УВ осуществляется в большей степени за счет процессов термокатализа при участии горячего флюида. Для поля Лост Сити с уникальным по минералогии составом отложений характерно влияние двух факторов: в большей степени бактериальной и менее интенсивной термокаталитической трансформации ОВ.

В высокоспрединговых гидротермальных системах 9°50' с.ш. и 21° с.ш. ВТП характер распределения УВ свидетельствует о смешении продуктов преобразования гидробионтной биомассы с термокаталитически генерированными углеводородами. В исследованных донных осадках и гидротермальных отложениях бассейна Гуаймас активно идут процессы термолитической, термокаталитической и микробной трансформации и синтеза УВ. Созревание ОВ и значительная аккумуляция нефтеподобных продуктов на дне рифтовой зоны подтверждают важность гидротермального пиролиза, как вероятного механизма нефтеобразования.

Роль абиогенного источника в формировании суммарной массы УВ, вероятно, существенна, но точно оценить ее пока трудно, т.к. в зонах проявления гидротермальной активности явления деструкции и изомеризации первичных органических структур, разнообразных по своему генезису, не позволяют достоверно изучить состав и свойства исходных компонентов ОВ.

В дальнейшем предстоит расширить биогеохимическое изучение гидротермальных океанических систем с поиском новых органо-геохимических

индикаторов, наиболее полно отражающих разнообразие процессов образования и трансформации органического вещества этих зон.

По теме диссертации автором опубликованы следующие работы:

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шульга Н.А., Пересыпкин В.И., Ревельский И.А. Изучение состава н-алканов в образцах гидротермальных отложений Срединно-Атлантического хребта помощью метода газовой хроматографии/масс-спектрометрии // Океанология. 2010. Т. 50. № 4. С. 515-523.

2. Шульга Н.А., Пересыпкин В.И. Новые данные о составе органического вещества в отложениях гидротермальных полей Срединно-Атлантического хребта (Брокен Спур, Снейк Пит, ТАГ)" // Докл. АН. 2012. Т. 444. № 6. С. 1-3.

3. Шульга Н.А., Пересыпкин В.И. О генезисе углеводородов в гидротермальных отложениях полей Лост Сити и Рэйнбоу (Срединно-Атлантический хребет) // Докл. АН. 2012. Принята к печати.

Публикации в прочих изданиях:

4. Шульга Н.А., Пересыпкин В.И. Происхождение алкано-нафтеновых углеводородов в гидротермальных отложениях САХ и ВТП // Материалы XVIII Международной конференции (Школы) по морской геологии, ноябрь 2011 г. Т. II.

- М.: ГЕОС, 2011. С. 197-200.

5. Shulga N.A., Peresypkin V.I. Origin of alkane hydrocarbons in the hydrothermal deposits of the Mid-Atlantic Ridge and East Pacific Rise // International Meeting on Organic Geochemistry (IMOG), October 2011, Book of abstract P-439.

6. Shulga N.A., Ponyaev M.S., Belyaev N.A., Peresypkin VI. Distribution of n-alkanes in sediments of the Baikal Lake // Goldschmidt - Earth, Energy and the Environment, Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 74, Issue 11, 2010.

7. Шульга H.A., Пересыпкин В.И. Применение метода ГХ/МС к анализу парафиновых углеводородов в гидротермальных образованиях Срединно-Атлантического хребта // Геология морей и океанов. Материалы XVIII Международной конференции (Школы) по морской геологии, ноябрь 2009 г. Т. II.

- М.: ГЕОС, 2009. С. 211-213.

8. Shulga N.A., Peresypkin V.I., Revelsky I.A. Composition research of n-alkanes in hydrothermal systems of Mid-Atlantic Ridge by method GC/MS // European Geosciences Union (EGU), April 2009. Geophysical Research Abstracts, Vol.11, 2009. P. 3052.

9. Пересыпкин В.И., Беляев Н.А., Шульга Н.А. Содержание и молекулярный состав алкано-нафтеновых углеводородов в гидротермальных отложениях САХ (Брокен Спур и Лост Сити) // Геология морей и океанов. Материалы XVII Международной конференции (Школы) по морской геологии, ноябрь 2007 г. Т. IV.

- М.: ГЕОС, 2007. С. 65-67.

Заказ № 116-Л/04/2012 Подписано в печать 24.04.12 Тираж 100 экз.

Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 1^1"/) www.cfr.ru ; е-тай:zak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Шульга, Наталья Александровна, Москва

61 12-4/127

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

ШУЛЬГА Наталья Александровна

СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СРЕДИННО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ХРЕБТА И ВОСТОЧНО-ТИХООКЕАНСКОГО ПОДНЯТИЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

В.И. Пересыпкин

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ РУДОПРОЯВЛЕНИЯ НА ДНЕ МИРОВОГО ОКЕАНА................................................................................................................................10

1.1. История развития представлений о гидротермальной активности........................10

1.2. Классификация гидротермальных отложений океанского дна..............................14

1.3. Геологические структуры, вмещающие гидротермальные отложения океанических рифтов.........................................................................................................17

1.4. Условия формирования гидротермальной циркуляционной системы..................21

1.5. Формирование рудоносных растворов и их трансформация при миграции.........23

1.5.1. Взаимодействие нагретой океанской воды с породами коры, формирование гидротермального раствора...........................................................................................24

1.5.2. Преобразование первичного гидротермального раствора при миграции через океанскую кору...............................................................................................................28

1.6. Формирование гидротермальной залежи.................................................................29

1.6.1. Гидротермальные проявления океанических рифтов, лишенных осадочной толщи...............................................................................................................................30

1.6.2. Гидротермальные проявления рифтов, заполненных осадками......................35

1.6.3. Гидротермальные проявления, связанные с серпентинитовыми протрузиями ..........................................................................................................................................35

1.7. Сходство и различие гидротермальных рудопроявлений низкоспрединговых и высокоспрединговых хребтов...........................................................................................36

1.8. Органическая геохимия гидротермальных сред......................................................37

1.8.1. Образование и особенности гидротермальной нефти......................................43

1.8.2. Преобразование ОВ при гидротермальных процессах.....................................45

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................48

2.1. Экспериментальная часть...........................................................................................48

2.1.1. Подготовка образцов для анализа на углеводороды.........................................48

2.1.2. Методика определения углеводородов в образцах гидротермальных отложений с помощью метода газовой газовой хроматографии/масс-спектрометрии................................................................................................................51

2.1.3. Методика определения Сорг в сульфидных гидротермальных образцах........56

2.2. Гидротермальные рудопроявления рифтов низкоспредингового Срединно-Атлантического хребта. Описание и литолого-геохимическая характеристика районов исследования.......................................................................................................58

2.2.1. Гидротермальное поле Снейк Пит......................................................................58

2.2.2. Гидротермальное поле Брокен Спур..................................................................62

2.2.3. Гидротермальное поле Лаки Страйк..................................................................66

2.2.4. Гидротермальное поле Менез Гвен....................................................................69

2.2.5. Гидротермальное поле ТАГ.................................................................................72

2.2.6. Гидротермальное поле Рэйнбоу..........................................................................76

2.2.7. Гидротермальное поле Лост Сити......................................................................79

2.3. Гидротермальные рудопроявления рифтов высокоспредингового Восточно-Тихоокеанского поднятия. Описание и литолого-геохимическая характеристика районов исследования.......................................................................................................83

2.3.1. Район 9°50' с.ш. Восточно-Тихоокеанского поднятия.....................................84

2.3.2. Район 21° с.ш. Восточно-Тихоокеанского поднятия........................................88

2.3.3. Гидротермальные рудопроявления бассейна Гуаймас.....................................91

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СРЕДИННО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ХРЕБТА...................................................................................................................................

3.1. Гидротермальные системы, связанные с базальтовым вулканизмом....................95

3.1.1. Гидротермальное поле Снейк Пит......................................................................95

3.1.2. Гидротермальное поле Брокен Спур................................................................101

3.1.3. Гидротермальное поле Лаки Страйк................................................................105

3.1.4. Гидротермальное поле Менез Гвен..................................................................109

3.1.5. Гидротермальное поле ТАГ...............................................................................111

3.2. Гидротермальные системы, связанные с серпентинизацией ультраосновных пород....................................................................................................................................

3.2.1. Гидротермальное поле Рэйнбоу........................................................................119

3.2.2. Гидротермальное поле Лост Сити....................................................................124

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОСТОЧНО-ТИХООКЕАНСКОГО ПОДНЯТИЯ........................................................................................................................132

4.1. Гидротермальное поле 9°50'с.ш. ВТП....................................................................132

4.2. Гидротермальное поле 21°с.ш. ВТП.......................................................................138

4.3. Бассейн Гуаймас 27° с.ш. ВТП................................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................149

Список сокращений

САХ - Срединно-Атлантический хребет ВТО - Восточно-Тихоокеанское поднятие ОВ - органическое вещество УВ - углеводороды

ГХ/МС - газовая хроматоргафия/ масс-спектрометрия НИС - научно-исследовательское судно ГОА - глубоководный обитаемый аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Открытие в конце 70-х годов XX века интенсивной гидротермальной деятельности в рифтовых зонах Мирового океана позволило выявить значительную роль эндогенного вещества в процессах формирования гидротермальных руд, а также привело к пересмотру многих взглядов на актуальную до настоящего времени проблему происхождения углеводородов (УВ) [Бипопей, 1993; Богданов и др., 2006].

Гидротермальные системы Мирового океана, приуроченные к тектоническим центрам спрединга, представляют собой явление, при котором образование органических соединений происходит в результате протекания химических реакций и инициируется высокой температурой, давлением, рН, ЕЪ и составом минералов, присутствующих в рудах [випопек ег а1., 1993]. Большинство известных к настоящему времени гидротермальных рудных скоплений формируется в олиготрофных зонах океана, куда органическое вещество (ОВ) фотосинтетического происхождения практически не поступает. Обладая достаточно высоким энергетическим потенциалом для поддержания продолжительного существования большого числа биологических сообществ, на глубине формируются так называемые "оазисы жизни", основой для функционирования которых служит первичная продукция хемосинтеза и метанотрофии [Леин и др., 2005]. Вследствие этого, образование совокупности органических соединений в зонах глубоководной гидротермальной активности происходит как под влиянием различных физико-химических факторов, так и при активном участии специфических экстремофильных биологических консорциумов бактерий и архей, населяющих регион. В таких условиях среды возможен синтез УВ и других органических соединений, схожих с природными нефтями [втюпей а а1., 1985, 2004; Пересыпкин и др., 1999, 2007; Леин и др., 2005].

Исследования интенсивной гидротермальной деятельности в рифтовых зонах Мирового океана могут оказать серьезное влияние на существующие представления о мировой глубоководной гидротермальной системе в целом, изменить масс-балансовые модели циклов отдельных элементов и органических

соединений в океане и расширить представление о подповерхностной биосфере [Лисицын, 1993; Ке11еу ег а1., 2005; Леин, 2006].

Цель работы: изучение содержания и молекулярного состава УВ (на примере н-алканов) в различных по морфологии и минералогии рудных и нерудных гидротермальных отложениях рифтовых зон Мирового океана.

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Разработать модифицированную для рудных гидротермальных образцов методику определения н-алканов на ультрамикроуровне с помощью метода газовой хроматографии/масс-спектрометрии.

Провести органо-геохимическое изучение состава УВ в различных по минералогии образцах гидротермальных отложений низкоспредингового Срединно-Атлантического хребта (САХ) и высокоспредингового Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТО).

Сравнить состав УВ, образующихся в гидротермальных системах, связанных с базальтовым вулканизмом и серпентинизацией ультраосновных пород, на основе полученных данных.

Выявить особенности генезиса ОВ, его накопления и трансформации в различных рифтовых зонах Мирового океана.

Научная новизна. Впервые по разработанной модифицированной методике изучен состав ОВ минеральных ассоциаций, характерных для разных морфологических типов сульфидных, сульфатных, карбонатных гидротермальных систем: гидротермальных труб, плит, диффузоров.

В составе ОВ образцов рудных гидротермальных отложений выявлены органо-геохимические индикаторы, позволяющие судить об источниках УВ в них и процессах трансформации ОВ в различных рифтовых зонах Мирового океана.

Во всех изученных гидротермальных системах, лишенных осадочного покрова, подтверждены активно идущие процессы генерации УВ.

Практическая значимость. Разработана и внедрена модифицированная методика газохроматографического/масс-спектрометрического анализа н-алканов Сю-Сад (предел обнаружения ЗхЮ"9-10"8 %, в зависимости от компонента) в сульфидных, сульфатных и карбонатных проявлениях гидротермальных

отложений, которая впоследствии может быть применена для исследований как

других рифтовых зон Мирового океана, так и наземных рудопроявлений.

Полученные результаты можно использовать в нефтяной геохимии для

понимания поведения ОВ в условиях высокотемпературного флюида и процессов

накопления потенциально нефтяных продуктов при высоких давлениях.

Фактический материал, Работа основана на результатах исследований

образцов разных морфологических типов сульфидных, сульфатных (ангидрит,

барит), карбонатных проявлений, отобранных в ходе 47, 49, 50 рейсов НИС

"Академик Мстислав Келдыш" при помощи глубоководных обитаемых аппаратов

"Мир-1 и -2" в 2002-2005 гг. на различных гидротермальных полях Срединно-

Атлантического хребта и Восточно-Тихоокеанского поднятия. Образцы были

предоставлены В.И. Пересыпкиным, научным руководителем диссертанта.

Достоверность результатов. Данные по качественному и количественному

составу УВ экстрактов изученных образцов проводились на аналитических

приборах фирмы "Shimadzu", имеющих сертификат об утверждении типа средств

измерений Государственного комитета РФ по стандартизации и метрологии. Для

проверки достоверности результатов использованы международные стандарты

химических соединений (Fluka), а также современные библиотеки масс-спектров (NIST, WILEY).

Защищаемые положения;

1) Состав УВ активных и реликтовых гидротермальных отложений осевых циркуляционных систем (Снейк Пит, Лаки Страйк, Брокен Спур, ТАГ, Менез Гвен) отражает превалирующий вклад бактериальной и гидробионтной составляющей при наличии высокомолекулярных УВ, продуктов термокаталитической трансформации.

2) В гидротермальных системах САХ, связанных с глубинной циркуляцией и

процессами серпентинизации ультраосновных пород, установлен заметный вклад в

состав ОВ термокаталитических УВ. Показано, что на высокотемпературном поле

Рэйнбоу, в отличие от низкотемпературного поля Лост Сити, этот процесс выражен более ярко.

3) На исследованном гидротермальном поле 21°с.щ. ВТП интенсивно и непрерывно идут процессы хемосинтеза и биодеградации, термокаталитическая

генерация УВ выражена незначительно. Характер распределения УВ в образцах поля 9°50* с.ш. ВТП свидетельствует о смешанном источнике ОВ. Его образование связано с хемосинтетической продукцией гидротермальных микроорганизмов и симбиотрофов, а также с процессами пиролиза ОВ и привнесением термокаталитического свежесинтезированного ОВ из гидротермального флюида.

Личный вклад автора. Материал диссертации основан на данных химических анализов, выполненных лично автором или при его участии. Автор проводил разработку модифицированной методики определения н-алканов С10-С40 в рудных образцах гидротермальных отложений методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии (прибор "Shimadzu QP-5050A"). Автор проанализировал собственные и полученные непосредственно на борту судна хроматограммы выделенных экстрактов образцов (88 образцов); сопоставил материалы отечественных и зарубежных исследований по разрабатываемой проблеме; осуществил окончательную интерпретацию данных и их обобщение в представленной диссертации.

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены на Всероссийских и международных конференциях: Международная конференция (Школа) по морской геологии (Москва, 2007, 2009, 2011 гг.); European Geosciences Union (Vienna, Austria, апрель 2009 г.); Goldschmidt - Earth, Energy and the Environment (Knoxville, Tennessee, USA, июнь 2010 г.); International Meeting on Organic Geochemistry (Interlaken, Switzerland, октябрь 2011 г.), a также в докладах на коллоквиумах Лаборатории химии океана ИО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, отражающих основные полученные выводы, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.г.-м.н. В.И. Пересыпкину за предоставление материалов для написания диссертации, постоянное внимание, терпение и советы на всех этапах проведения исследований и подготовки настоящей работы. Автор глубоко признателен профессору, д.г.-м.н. Е.А. Романкевичу за его помощь, ценные рекомендации и большой интерес к работе. За полезные консультации и доброжелательные критические замечания автор благодарит д.г.-м.н. А.Ю. Леин,

д.г.-м.н. Л.Л. Демину, д.г.-м.н. Г.В. Новикова, д.г.-м.н. ЕЛ. Дубинина, к.б.н. Н.В. Лобуса. Неоценима помощь сотрудников Лаборатории химии океана В.Ю. Гордеева, A.A. Ветрова, А.Г. Болотаева, И.В. Саранцевой, H.A. Беляева. Хочу выразить искреннюю признательность за помощь профессору, д.х.н. И.А. Ревельскому и доценту кафедры океанологии географического факультета МГУ, к.г.н. A.B. Поляковой, благодаря которой автор получила возможность воплотить в жизнь желание заниматься изучением Океана. Автор также искренне благодарит своих друзей и коллег И.П. Моргунову, Ю.Г. Маринову, Д.Г. Борисова за чуткость, понимание, постоянную поддержку и помощь в оформлении работы. Глубокое уважение и благодарность автор выражает академику А.П. Лисицыну, д.г.-м.н. Ю.А. Богданову,

д.т.н. A.M. Сагалевичу за огромный вклад в отечественные исследования океанских гидротермальных систем.

Отдельную благодарность за терпение, понимание и всестороннюю поддержку автор выражает своей семье.

ГЛАВА 1. ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ РУДОПРОЯВЛЕНИЯ НА ДНЕ

МИРОВОГО ОКЕАНА

1.1. История развития представлений о гидротермальной активности

Открытие высокотемпературной гидротермальной деятельности на дне Мирового океана - одно из наиболее значительных событий в геологии за последние десятилетия. Важную роль в развитии представлений о гидротермальных процессах сыграли исследования в Красном море. Еще в 1948 г. в этом регионе были открыты высокотемпературные рассолы, обогащенные металлами [Богданов и др., 1986]. В 1963-67 гг. в Красное море было направлено несколько экспедиций, в ходе которых было установлено, что на дне рифтовой зоны располагаются впадины, заполненные горячими рассолами и металлоносными осадками. В 1967 г. экспедицией на НИС "Академик Вавилов" были получены первые отечественные пробы металлоносных и рудоносных осадков со дна Красного моря [Батурин и др., 1969]. В 1979 г. была другая уникальная отечественная экспедиция ПИКАР на трех исследовательских кораблях с обитаемыми и необитаемыми подводными аппаратами. [Богданов и др., 1986; Бутузова, 1998]. Несмотря на значительное количество проб донных отложений, связанных с гидротермальным процессом, сами гидротермальные источники долгое время оставались неизученными. Предполагалось, что имеет место высачивание гидротермальных растворов диффузного типа. Только в 1977-78 гг. с помощью необитаемых, а затем и обитаемых подводных аппаратов удалось впервые увидеть гидротермальные постройки, �