CC BY
74
ФАКТОРЫ ОБРАЗОВАНИЯ ИЗОТОПНЫХ АНОМАЛИЙ УГЛЕРОДА В ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ
Академик РАН А. А. Маракушев*
Д. б. н.
С. А. Маракушев*
marak@cat. icp.ac.ru
Аномальным (отклоняющимся от нормы) углерод может быггь тяжелыым или легким. Сочетание этих аномалий изотопного состава углерода в архейско-протерозойском Карельском комплексе, в состав которого входит шунгитоносная толща, было названо Я. Э. Юдовичем [9] карельским изотопным феноменом, определяемым аномально легким изотопным составом углерода в шунгитовой толще и аномально тяжелым в «подшунгитовык» доломитах. Цитируемая статья замечательна тем, что в ней убедительно показана непри-ложимость к объяснению подшунгито-вого аномального утяжеления углерода традиционной модели, связытаю-щий этот процесс с деятельностью бак-терий-метаногенов: «доломитовая толща содержит необыкновенно тяжелый углерод, а комплементарных масс органического углерода здесь нет и в помине!» [9, с. 11]. По нашему мнению, это противоречие устраняется с привлечением к объяснению утяжеления углерода в подшунгитовык доломитах метаногенерацией, не связанной с развитием бактерий-метаногенов, отсутствующих в них в виде фоссилизи-рованного органического вещества. Утяжеление углерода может быть объяснено поступлением водорода в бассейны седиментации и вовлечением в реакции образования метана: 4Н2 + С02 = 2Н20 + СН4, связытающе-го в своем составе в основном легкий изотоп углерода, так что углерод, входящий в состав карбоната, аномально утяжеляется. Эффективность этого процесса показана в работе [12]. Образующийся метан мигрировал или вплетался в отложение вышележащих черносланцевык пород, дополнительно способствуя облегчению в них изотопного состава углерода.
С другой стороны, для шунгитовой толщи характерно обилие органического аномально легкого углерода. Это, по мнению Я. Э. Юдовича, позволяет привлечь для его образования деятельность бактерий-метанотрофов, производящих
«бактериальное органическое вещество с аномально легким углеродом» [9, с. 11]. При этом им подчеркивалась возможность образования органического (т. е. восстановленного) углерода не только биогенным, но и абиогенным путем, как, например, в углистых хондритах. По нашему мнению, не только в шунгитовой толще Карелии, но и вообще в черносланцевык толщах Земли аномально легкий углерод имеет в основном абиогенное происхождение. Чтобы убедиться в этом, необходимо привлечь данные по геохимии черных сланцев, суммированные в книге [8]. Черные сланцы являются углеродистыми осадочными образованиями ванадиевого геохимического профиля. Аномально высокие содержания в них ванадия (до 2 %) и многих других рудных металлов не позволяют рассматривать их генезис в приповерхностном чисто осадочном аспекте, свидетельствуя о привносе вещества из глубины, причем углеводородными флюидами, создающими аномально облегченный углерод. Это сближает образование черных сланцев с генезисом нефти ванадиевого типа, геохимически аналогичной черным сланцам по многим параметрам, в том числе по легкому изотопному составу углерода и аномально высоким концентрациям ванадия и других руднык металлов. Нефти ванадиевого типа геохимически аналогичны регионально распространенным в осадочных депрессиях углеродистым отложениям (черным сланцам), среднее содержание ванадия в которык (205 г/т) почти вдвое выше, чем в бедных углеродом осадочных породах (110 г/т). Оно аномально поднимается в них до нескольких килограмм на тонну, придавая черным сланцам металлогеническое значение. «Концентрационная функция живого вещества в отношении ванадия не могла создать его аномалии в черных сланцах» [8, с. 76]. Этот вытод можно распространить и на генезис нефтей, залежи которык в платформеннык депрессиях могут совмещаться с черными сланца-
*Институт экспериментальной минералогии РАН “Институт проблем химической физики РАН
ми, определяя их название «нефтяные сланцы» (oil shales). Однако, в отличие от нефтянык залежей, расположеннык болышей частью на болыших глубинах (5—6 км) под значительным давлением, нефтяные сланцы залегают неглубоко и отражают подъем нефти до близких к поверхности слоев осадочных депрессий. Невысокое давление допускало селективную миграцию из нефти водорода с образованием тяжелых углеродистых веществ (в том числе и шунгита). С этой точки зрения, прохождение ранней стадии образования нефтянык сланцев бышо необходимым условием развития черносланцевык формаций.
Только на основе изложенных представлений можно объяснить удивительное геохимическое соответствие черных сланцев и нефти ванадиевого типа, наиболее богатой многими рудными металлами. Их соответствие прослеживается даже в историческом аспекте: в геологической истории самое эффективное накопление ванадия происходило в черных сланцах мела, в которых среднее его содержание равно 590 г/т [8]. Это коррелируется по времени с максимумом нефтеобразования на Земле: в России 71 % запасов составляет нефть мелового возраста [6].
Дискретность нефтеобразования в геологической истории характеризуется максимумами его интенсивности [2]. Наиболее высокий максимум приходится на позднемезозойское время. Характерно, что этот максимум нефтеобразования коррелируется со спецификой развития расплавного земного ядра и соответствует максимальному снижению частоты инверсии порождаемого им геомагнитного поля (см. рисунок). Согласно Милановскому Е. Е., частота магнитной инверсии коррелируется с фазами глобального тектонического развития земной коры. Фазы ее сжатия отвечают учащению инверсии магнитного поля, тогда как в фазах ее растяжения инверсия магнитного поля становится редкой и может длительно отсутствовать, как, например, в меловой период. В фазы замедления инверсии «происходил рост мантийных плюма-
жеи, служивших главными каналами подъема глубинного тепла» [5, с. 46]. Согласно Маракушеву А. А. [3], это связано с усилением дегазации жидкого земного ядра, проявляющейся образованием сквозьмантиИных плюмов. Вовлеченность ядра в процессы, происходящие в земноИ коре, изменяют представления о тектоносфере: «текто-носфероИ следует считать всю область Земли от коры до ядра, находящегося на глубине 2900 км» [7].
В геологической истории фаза предельного замедления инверсии магнитного поля отвечает возрастному интервалу 125—69 млн лет, которыИ корре-лируется с главным максимумом интенсивности нефтеобразования, превышающим позднекаИнозоИскиИ максимум. МезозоИскиИ период поэтому и является наиболее продуктивным в рассматриваемом отношении.
в своем размещении в осадочных бас-сеИнах дислокациями и залегают боль-шеИ частью в их основании или во взброшенном кристаллическом фундаменте [1], что не позволяет предполагать под ними «продуцирующих» осадочных горизонтов.
В работе [4] термодинамически аргументируется генерация углеводородов в мантиИных очагах, которые синтезируются благодаря развитию геоди-намического режима сжатия мантиИно-го субстрата, препятствующего селек-тивноИ миграции водорода из флюидов, исходящих из земного ядра, например, 5Н2 + 2СО = СД (этан) + 2Н20 или 41Н2+20С0 = С20Ц2 (эИкозан) + + 20Н20. Повышение флюидного давления при этом стимулировало развитие замещения магмами мантиИного субстрата, сопровождаемого их ощелачиванием [3]. В минералах щелочных
что стимулирует образование карбонатов, содержащих аномально легкиИ углерод, унаследованныИ ими от углеводородов. Карбонаты пород такого типа описаны в статье [10]. Породы аномально богаты барием и стронцием, что обоснованно связывается Я. Э. Юдовичем с их привносом углеводородными (метановыми) флюидами. Происхождение углеводородных флюидов сопряжено, по нашему мнению, с развитием ощелачивания магм в мантиИных очагах. Привнос ими сильных основаниИ (BaO, SrO) может служить дополнительным подтверждением таких представлениИ.
С02 с аномально легким углеродом, величина д1ЗС (°/°°) которого изменяется от -20.7 до -34.6 [11], обнаружен в углекисло-водно-углеводородных флюидных потоках, восходящих из диатрем (vents), распространяющихся в океанах вдоль срединноокеанических
Изложенное представление о прямом генетическом соответствии черных сланцев и нефти ванадиевого типа противоречит традиционной трактовке их взаимоотношений. Черные сланцы обыино рассматриваются как материнские по отношению к нефти: «существенно карбонатные материнские породы отдают ванадий нефтям гораздо легче, чем существенно глинистые» [8, с. 103]. Традиционно предполагается, что «погружаясь на глубины, где температура в недрах достигает 70— 100 °С, черные сланцы продуцируют огромные количества нефти и углеводородных газов» [8, с. 33]. Но в этом случае благодаря эффекту истощения черные сланцы быши бы геохимически контрастны по отношению к ванадиевой нефти, а они ей соответствуют по положительным аномалиям содержания металлов. Соответствие прослеживается и по изотопно-легкому углероду, тогда как экстракция из чернык сланцев углеводородов должна была бы приводить к утяжелению в них углерода, как это прослеживается в «подшунгитовык» породах в Карелии [9]. Однако главное доказательство ошибочности традиционных представлений определяется геологическими условиями залегания нефтяных залежей, которые контролируются
Шкала инверсии геомагнитного поля Земли
пород неизменно помимо метана представлены более тяжелые углеводороды [13]: С2Ч, СзЦ, С4Ц0, С5%
Таким образом, эндогенное образование изотопных аномалий углерода, в осадочных толщах определяется двумя факторами, сходными по природе, но противоположными по направленности создаваемых ими аномалий. Оба фактора обусловлены привносом в системы осадконакопления водорода, порождающего или сильный эффект утяжеления углерода, входящего в состав карбонатов, или метана и других углеводородов, определяющих эффективное облегчение углерода во всех его минераль-нык проявлениях. В том и другом случае главную роль играет метан. В первом случае он образуется под водородным воздействием СО2 + 4!2 = СН4 + + Н2О и мигрирует, унося с собой в основном легкий изотоп углерода. Во втором же случае привносимые метан и другие углеводороды служат источником легкого углерода образующихся минералов. В простейшем случае потеря метаном водорода сопровождается образованием самородного углерода (СН4 = С + 2Н2) — типичного минерала черных сланцев. В более окислительной обстановке происходит образование углекислоты (СН4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2),
хребтов в связи с образованием сульфидоносных черных курильщиков. B цитируемоИ работе они описаны на северо-востоке Тихого океана в обшир-ноИ провинции Main Endeavour, на севере хребта Хуан-де-Фука. Провинция распадается на две области развития диатрем (Dead Dog и ODP Mound), во флюидных струях которых помимо С02 и Н20 содержится метан и множество более тяжелых углеводородов: С2Ц, ед С4Ц0, С6Ц (бензол) и ОД (толуол). B этих соединениях углерод метана отличается краИне низкоИ величин® д1ЗС (/°°), варьирующеИ от -50.В до -54.3, принципиально отличаясь от углерода С02, характеризующегося цифрами от -20.7 до -27.В в диатремах площади Dead Dog и от -24.В до -34.6 на площади ODP Mound. B это же время углерод С02 хорошо коррелирует-ся по этоИ величине с углеродом более тяжелых углеводородов, характеризующихся следующими цифрами: от -20.2 до -23.6 (Dead Dog) и от -20.0 до -25.3 (ODP Mound). Из приведенных цифр следует, что С02 возникал в результате окисления в основном не метана, а более тяжелых углеводородов, которым он соответствует по изотопному составу углерода. Bepоятна следующая реакция его образования из
толуола под воздеИствием воды (на примере диатремы Inspired Mounds, Dead Dog): С7Ц (д1ЗС = -20.2) + + 14Н20 = 7С02 (д1ЗС = -20.7) + 1ВН2.
Литература
І. Apeшeв Е. Г. Нефтегазоносные бас-сеИны тихоокеанского подвижного пояса. M.: ABAHТИ, 2004. 2В7 с. 2. KoHmopcem A. Э., Bышeмupcкuй B.C. Неравномерность нефтеобразования в истории Земли, как результат цикличного развития земноИ коры // ДАН. 1997. Т. 356, М 6. С. 794— 797. 3. Mapaкyшeв A. A. Происхождение Земли и природа ее эндогенноИ активности. M.: Наука, 1999. 253 с. 4. Mapaкyшeв A. A., Mapaкyшeв C. A. FT-фации простых, углеводородных и органических веществ
системы С-Н-О // ДАН. 2006. Т. 406, № 4. С. 521—527. 5. Мипановский Е.Е. Геопульсация в эволюции Земли // Планета Земля: ЭнциклопедическиИ справочник. Т. «Тектоника и геодинамика». СПб.: Изд-во ВСЕ-ГЕИ, 2004. 652 с. 6. Недра России. В2, Т. 1. Полезные ископаемые. СПб.; М., 2001. 549 с. 7. Пущаровский Ю.М. Строение, энергетика и тектоника мантии Земли // Вестник РАН. 2005. Т. 75, № 12. С. 1115— 1122. 8. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Элементы-примеси в черных сланцах. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. 304 с. 9. Юдович Я. Э. КарельскиИ изотопныИ феномен: неразгаданная таИна // Вестник Института геологии Коми НЦ УРО РАН. 2006. № 2. С. 9—12. 10. Юдович Я. Э. ПаИ-ХоИ-скиИ геохимическиИ феномен: дыхание
мантии? // Вестник Института геологии Коми НЦ УРО РАН. 2006. № 4. С. 8—13.
11. Cruse A. M., Seewald J. S. Chemistry of low-molecular weight hydrocarbons in hydrothermal fluids from Middle Valley, northern Juan de Fuca Ridge // Ceochim. Cosmochim. Acta, 2006. V. 70. P. 2073— 2092. 12. McCollom T. M., Seewald J. S. Carbon isotope composition of organic compounds produced by abiotic synthesis under hydrothermal conditions // Earth Planet. Sci, 2006. V. 243. P 74—84. 13. Potter J., Rankin A. H., Treloar P. J. Abiogenic Fisher-Tropsh synthesis of hydrocarbons in alkaline igneous rocks; fluid inclusions, textural and isotopic evidence from Lovozero complex, N. W. Russia // Litos, 2004. V. 75. P. 311— 330.
ГИРВЛИЧЕСКАЯ ИШЬ BbHBMB4HblK ЗЕPЕH И ЕЕ PBAb В ФBPMИPBBАHИИ AM3BHBm PBCCbllM ичет-ю И MECTBPBKflEIM 4EPHBKyPKA
K. г.-м. н. K. г.-м. н. K. г.-м. н.
Э. С. Щербаков * Ю. В. Глухов С. В. Лыюров
glukhov@geo. komisc. ru lyurov@geo. komisc. ru
Для терригенных пород весьма характерно разделение минералов по величине зерен, их удельному весу и другим физическим характеристикам. Поэтому в терригенных отложениях могут одновременно накапливаться как легкие, так и тяжелые минералы. Наиболее отчетливо концентрация тяжелых минералов в осадке проявляется в зрелых песчаных толщах, в связи с чем В. Рубей [12] ввел понятие гидравлического эквивалента минералов. Согласно этим представлениям, зерна минералов с большей плотностью обладают меньшими размерами и, наоборот, меньшая плотность минералов определяет больший размер его зерен [2]. В советской и русскоязыгчной литературе укрепилось понятие гидравлическая крупность, т. е. скорость свободного падения частиц минерала в воде [6] или в тяжелой жидкости [4]. Гидравлическая крупность обломочного зерна определяется его плотностью, размерами, формой и характером поверхности.
Б. М. Осовецкий [4] детально исследовал процессы осаждения тяжелых минералов аллювия и показал, что важ-
* Коми государственный педагогический институт, Сыктывкар
неИшим из них является сортировка минералов по гидравлическоИ крупности зерен. Этот процесс объединяет ряд явлениИ, среди которых, в интересах понимания данноИ статьи, мы выделяем следующие:
1. В аллювии многих рек тяжелые минералы метаморфического происхождения (эпидот, цоизит, гранаты, ставролит, кианит, силлиманит, а также леИкоксен) характеризуются повышенными размерами зерен и относительно низкоИ их плотностью. Напротив, акцессорные минералы магматических пород (циркон, рутил, монацит, ильменит) имеют небольшие размеры и высокую плотность.
2. Сортировка минералов по гидравлическоИ крупности в речных песках не достигает того уровня, которыИ отме-
тили И. Ф. Кошкаров и Ю. А. Полканов [4, с. 41] в прибрежно-морских песках, где гидравлическая эквивалентность возможна между зернами разных минералов.
3. При длительном переносе (или переотложении) механически слабоус-тоИчивых минералов, в том числе и эпи-дота, их минеральные частицы уменьшаются до 0.1 мм, после чего их размеры остаются постоянными, а минералы с высокоИ физико-механическоИ устоИ-чивостью (циркон, ильменит и др.) практически не испытывают истирания.
В нижнесреднедевонских кварцевых песчаниках западного склона Северного Урала, происхождение которых установлено на основании анализа структурно-текстурных и фаунистических характеристик, минералами, превышающими
Гидравлическая крупность минералов в воде, см I сек
Минерал Гранулометрический класс, мм
0.1—0.16 0.16—0.2 0.2—0.25
Силлиманит 2.04 2.64 3.4
Кианит 2.22 2.60 3.1
Ставролит 2,41 2,63 3.6
Лейкоксен 2.5 ±0.2 3.5 = 0.3 4.2 = 0.4
Ильменит 3.40 4.0 4.8
Циркон 3.40 4.4 5.50
