Глава 09. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ (1119271), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Но в любом варианте породыамфиболитовой фации метаморфизма в строении океанической коры играютнезначительную роль.Благодаря постепенному засыпанию осадками поверхности трещиноватыхкоренных пород океанической коры пелагическими осадками и их диагенеза, а также засчет тампонирования существовавших трещин и других путей миграции вод в корехемогенными отложениями самих гидротерм проницаемость коры для океанических водпостепенно уменьшается. Сравнение наблюдаемых (кондуктивных) тепловых потоков стеоретическими расчетами (см.
рис. 5.12) показывает, что почти полное прекращениециркуляции океанических вод по коренным породам коры происходит приблизительночерез τ = 50 млн лет после момента образования коры в рифтовой зоне срединноокеанического хребта. Отсюда видно, что и гидротермальные источники, включая теплыеи “прохладные” сипинги (источники, просачивающиеся через осадки), в основномсуществуют только на участках океанического дна возрастом τ < 50 млн. лет. На этоминтервале возрастов океанического дна средняя температура гидротермальныхисточников приблизительно равна Tht ≈ 42 °С, тогда как максимальные температуры“черных курильщиков” в рифтовых зонах достигают 370 – 400 °С.Оценка суммарной массы воды, промывающей в единицу времени океаническуюкору, можно выполнить по балансу тепловых потоков. Оказалось, что всего черезсрединно-океанические хребты и их склоны фильтруется около 2,3·1018 г/год (2300км3/год). При таких скоростях гидротермального водообмена вся масса воды в океане270(1,37·1024 г) проходит через гидротермы и сипинги срединно-океанических хребтов с ихобширными и пологими склонами приблизительно за 600 тыс.
лет. Вместе с тем скорость“промывки” рифтовых зон горячими гидротермами приблизительно равна 2,2·1016 г/год(22 км3/год). Следовательно, через горячие источники “черных курильщиков” вся водаокеанов фильтруется только приблизительно за 60–70 млн лет. При скоростиформирования океанической коры в рифтовых зонах около 1,46·1016 г/год, отношениевода/порода в “горячих зонах” оказывается равным 1,5 (не считая воды, связанной ссамими породами в процессе реакций).
Однако формирование океанической корыпродолжается и вне рифтовых зон, поэтому суммарная скорость ее образованияоказывается несколько бóльшей и достигает 4,7·1016 г/год. Тогда отношение вода/порода врассматриваемой полной системе гидротерм (включая сипинги) достигает почти 50. Этосвидетельствует о достаточно полной гидратации пород океанической коры.Таким образом, приведенные здесь оценки массы экзогенного водообмена вокеанической коре срединно-океанических хребтов оказываются в 8500 раз бóльшими,чем современный уровень дегазации ювенильной воды из мантии, приблизительноравный 0,27·1015 г/год (0,27 км3/год) (см. разд. 9.1). Даже если мы определим среднююскорость ювенильной дегазации воды за все время развития этого процесса (4 млрд лет)исходя из общей массы гидросферы, равной 2,18·1024 г (с учетом воды, связанной впородах земной коры), то и в этом случае средняя скорость поступления из мантииювенильной воды 0,54 км3/год оказывается более чем в 4000 раз ниже суммарного дебитагидротермальных источников на океаническом дне.
Все это, безусловно, свидетельствуетв пользу экзогенной природы воды в океанических гидротермах.Аналогично этому в зонах субдукции при разогреве океанической коры за счеттрения литосферных плит ее дегидратация сопровождается выделением воды иуглекислого газа, до этого попавших туда из океана:2Mg6[Si4O10](OH)8+CaCO3+164 кал/моль→5Mg2SiO4+MgSiO3+MgCaSi2O6+8H2O+CO2,(9.9)серпентинкальцитоливинэнстатит диопсидно это тоже вторичная дегазация коры. Всего же в настоящее время вторичная дегазацияводы в островных дугах и на активных окраинах континентов Андийского типа достигает2,5–3 км3/год, что также приблизительно в 10 раз выше современного уровня ювенильнойдегазации воды.
Суммарная же масса воды, освободившаяся таким путем через зонысубдукции Земли, за время ее жизни достигает 1,4·1025 г (14 млрд км3) воды, илиприблизительно 10 раз больше, чем ее содержится в современном океане. Отсюда видно,что все без исключения наблюдаемые сейчас на земной поверхности горячие иминерализованные водные источники не являются ювенильными, а вода в них в концеконцов всегда черпается из гидросферы Земли.По образцам сравнительно хорошей сохранности гипербазитов ВосточноТихоокеанского поднятия количественные соотношения первичных минералов вмантийных породах здесь составляют: 70–75% оливина, 15–20 энстатита, 5–7 диопсида и1–2% хромшпинелида (Савельева, 1987). Серпентинизация может развиваться только пооливинам и энстатиту, т.е.
по 85–90% исходного вещества. Гидратация основныхсиликатов в условиях зеленокаменного метаморфизма обычно развиваются по реакциям4Mg2SiO4 + 6H2O → Mg6[Si4O10](OH)8 + 2Mg(ОН)2 + 33 ккал/моль,форстеритсерпентин(9.10)брусита в присутствии углекислого газа4Mg2SiO4 + 4H2O + 2CO2 → Mg6[Si4O10](OH)8 +2MgCO3 + 65,05 ккал/моль. (9.11)форстеритсерпентинмагнезитГидратация железистых силикатов сопровождается выделением водорода, а в присутствииуглекислого газа – даже образованием абиогенного метана271Fe2SiO4 + 3Mg2SiO4 + 5H2O → Mg6[Si4O10](OH)8 + Fe2O3 + H2 + 21,1 ккал/моль,фаялитфорстеритсерпентин(9.12)гематит4Fe2SiO4+12Mg2SiO4+18H2O+CO2→4Mg6[Si4O10](OH)8+4Fe2O3+CH4+144,6 кал/моль.(9.13)фаялитфорстеритсерпентингематитВ океанических водах в заметных количествах (до 2,7‰) содержится сульфат-ионSO42–, поэтому реакция таких вод с горячими породами может сопровождатьсяобразованием сероводорода, например, по реакции4Fe2SiO4 + 3Mg2SiO4 + CaSO4 + H2O →фаялитфорстерит→ 5MgSiO3 + 4Fe2O3 + CaMgSi2O6 + H2S + 33,0 ккал/моль.
(9.14)энстатитгематитдиопсидБлагодаря высокому восстановительному потенциалу сероводорода сера вновь быстросвязывается с переходными металлами, образуя их сульфиды, например пирротин:(9.15)Fe2SiO4 + Mg2SiO4 + 2H2S → 2MgSiO3 + 2FeS + 2H2O + 26,6 ккал/моль.фаялитфорстеритэнстатит пирротинПодтверждением абиогенного происхождения метана и образования сульфидов засчет сульфатной серы служат их изотопные сдвиги.
Обычно изотопные смещения серыδ34S в сульфидах “черных курильщиков” заключены в пределах от +3 до +5‰. Инаяситуация наблюдается в горячих источниках, возникших на серпентинитах – здесьдиапазон таких смещений значительно шире – от +4 до +16‰. По-видимому, это отличиеизотопного состава сульфидов следует объяснять источниками сульфатной серы иусловиями фракционирования изотопов серы в гидротермах. Известно, что из-за сильноготемпературного эффекта фракционирования изотопов происходит их разделение поминеральным фазам:32SO42– + H234S ↔ 34SO42– + H232S.(9.16)Именно по этой причине должно происходить обеднение сульфидной фазы изотопом 34S иобогащение им сульфатной фазы. В “черных курильщиках”, возникших над горячейбазальтовой корой, восстановление сульфата происходит на железе базальтов.
Неисключено, что там может проявляться и ювенильная сера. В горячих источниках надсерпентинитами, железистость которых заметно выше, чем базальтов, основная массасеры поступает из океанической воды и восстанавливается по реакции (9.14). В результатеэтого, по-видимому, изотопная плотность серы в океанической воде (δ34S около +18,86‰)расщепляется таким образом, что смещение изотопов H2S в горячем флюиде снижается до+2,4…+3,2‰, а сульфидах металлов – до +4…+14‰.Рассмотрим основные закономерности изотопных сдвигов углерода в системе“черных курильщиков”, возникших на серпентинитах.
Отрицательные сдвиги δ13C ≈ –13… –14‰ в метане таких источников по сравнению со средним значением изотопногосостава НСО3– и СО2 океанических вод δ13C = –5,5‰, как и в случае с сероводородом, повидимому, можно объяснять фракционированием изотопов углерода при образованииметана из углекислого газа.Из фундаментального принципа Ле Шателье следует, что экзотермическаяхимическая реакция, протекающая с выделением тепла, всегда стремится развиваться попути наибольшего снижения внутренней энергии (энтальпии ∆Н Т0 ), или, что то же, попути выделения наибольшей энергии, приходящейся на единицу массы продуктовреакции. Из-за этого следует ожидать, что из углекислого газа со смесью легких итяжелых изотопов углерода в реакции образования СН4 должны участвоватьпреимущественно атомы легкого изотопа 12С.
Действительно, тепловой эффект реакциифракционирования углерода при “усвоении” метаном 12С вместо изотопа 13С достигает0,412 ккал/г(СН4). Это весьма заметный эффект, и он определенно работает в сторону272“облегчения” углерода в образующемся метане. Таким образом, обменная изотопнаяреакция12СО2 + 13СН4 → 13СО2 + 12СН4 + 0,412 ккал/г(СН4)(9.17)идет преимущественно слева на право.Рассмотрим теперь, насколько изотопные отношения углерода в метане икарбонатах “черных курильщиков”, возникших при серпентинизации пород океаническойкоры, комплементарны с таким же отношением в океанических водах.
Поскольку заэталон изотопных отношений углерода принято отношение 12С/13С = 88,99 в раковинахбелемнита B. Americana, можно определить, что изотопному составу карбонатногоуглерода в морской воде δ13C = –5,5‰ отвечает отношение 12С/13С = 89,48, а изотопномусоставу растворенного метана, образовавшегося над “серпентинитовыми” источниками,δ13C = –13,4‰ соответствует отношение 12С/13С = 90,2.
В процессе связывания углерода вметане происходит изменение отношений изотопов на ∆12Cmt. Тогда в пересчете наединицу массы можно записать ∆12Cmt/13С = 90,2 – 89,48 = 0,72. Но концентрация СН4 вофлюидах таких источников приблизительно равна 0,14 ммоль/л. В этом случае послеобразования метана отношение изотопов во флюиде, из которого происходитформирование карбонатов по реакции (9.11), окажется равным 89,48 – 0,143·0,72 = 89,38,что соответствует изотопному сдвигу δ13C = –4,35‰. Обычно такие сдвиги инаблюдаются в карбонатах “черных курильщиков” этого типа.
При этом в оставшемсяфлюиде на выходе гидротермальной системы практически полностью должнаотсутствовать свободная углекислота, что также часто наблюдается в реальных условиях.Но в любом варианте весь образующийся в гидротермах метан является толькоэкзогенным. На больших же глубинах мантии метан вообще неустойчив, поскольку он тамдолжен окисляться кислородом, освобождающимся в процессе формирования “ядерного”вещества по реакции(9.18)8FеО + СН4 → 4Fе2O + СО2 + 2Н2O.В заключение напомним еще о существовании мантийного цикла круговороталетучих элементов и соединений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
