Загадки самых крепких рассолов нашей планеты

Изотопы стронция в рассолах

Исследование равновесия рассолов с минералами горных пород позволяет вскрыть направленность и механизмы внутренней эволюции этой системы, но ничего не говорит о масштабах самого явления, оценка которого представляет важную часть решения научной проблемы в целом. До сих пор такие задачи обычно решались путем геологических наблюдений за соотношением первичных и вторичных минералов, что не всегда приводило к однозначным выводам. В последние годы для этих целей активно применяют данные по изотопам Sr, в частности отношению ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (McNutt et al., 1990, Пиннекер, Шварцев, 1996).

Коротко суть используемого подхода сводится к следующему. Все горные породы содержат в том или ином количестве изотоп ⁸⁷Rb, который распадается с периодом полураспада 4,88·10¹⁰ лет с образованием ⁸⁷Sr, что приводит к росту значений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в каждой минеральной фазе горной породы и водном растворе пропорционально начальному отношению Rb/Sr. В случае длительного растворения горной породы в рассоле изотопное отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr стремится к его значению в исходной растворяемой породе, а формирующиеся вторичные минеральные фазы унаследуют то его значение, которое было в рассоле в момент их образования.

Наиболее высокое содержание Rb характерно для кислых магматических пород, которые и считаются поэтому главнейшими источниками изотопа ⁸⁷Sr. Исходя из анализа кинетических особенностей растворения алюмосиликатных минералов, Р.Х.МкНютт и др. приходят к выводу, что главным источником ⁸⁷Sr выступают плагиоклазы и только в отдельных случаях слюды, если количество последних в породе особенно велико. Рост во времени значений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в закрытой системе поэтому пропорционален не возрасту рассолов, а степени их взаимодействия с Rb - содержащими минералами.

Проведенные нами исследования показали, что действительно рассолы Тунгусского бассейна отличаются повышенными значениями изотопного отношения Sr, которое колеблется в значительных пределах от 0,70825 5 до 0,72010 11 (Шварцев, 1999), что свидетельствует о разных масштабах их взаимодействия с минералами водовмещающих пород и, в частности, полевыми шпатами. Важно также, что исследуемые рассолы в своей подавляющей массе характеризуются более высокими значениями изотопного отношения, чем морские воды любой геологической эпохи. Все это говорит о значительных масштабах влияния вмещающих пород на состав рассолов.

По значению отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr рассолы региона подразделяются на три группы (рис.5): 1) группа А - рассолы с высоким значением изотопного отношения (>0,716), которые относятся к типу седиментационных высокометаморфизованных; 2) группа В - рассолы со средними значениями изотопного отношения (0,712-0,716), которые относятся к инфильтрационным с разной степенью метаморфизации и 3) группа С - рассолы со относительно низкими значениями изотопного отношения (<0,712), преимущественно седиментационного генезиса, но высокой степени метаморфизации.

Рис.5 Соотношение между изотопным составом Sr рассолов Тунгусского бассейна и Br/Cl коэффициентом.

Из сказанного становится понятным, что между изотопным составом Sr и генетическим типом рассолов, а также степенью их метаморфизации прямой связи не устанавливается, что на первый взгляд является парадоксальным и противоречит всему сказанному выше. Но это совсем не так.

Чтобы полнее разобраться в причинах разделения исследуемых рассолов на несколько групп, мы для начала сравнили их изотопное отношение с таковым для морской воды соответствующей геологической эпохи (рис.6).

Оказалось, что в этом случае по изотопным данным выделяются разные группы рассолов, а прямые связи между значениями изотопного отношения и интегрированным показателем метаморфизации (S) носят неоднозначный характер.

Более глубокий геологический анализ распределения выделенных групп рассолов по приуроченности их к типам горных пород показал, что в регионе имеется две главные ветви метаморфизации генетически единых рассолов. Первая из ветвей связана с карбонатно- сульфатными соленосными породами, в которых метаморфизация рассолов протекает по схеме реакции (3).

Рис.6 Соотношение изотопного состава рассолов и палеоморской воды соответствующей геологической эпохи.

В этом случае изотопные отношения Sr рассолов в течение геологической истории остаются практически неизменными и близкими к исходным морским соответсвующей геологической эпохи. В нашем случае соленосные породы сформировались в основном в нижнекембрийском море с изотопным отношением равным 0,708. Следовательно рассолы изначально, и это подтверждает специальные построения, характеризуются отношением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr близким к этому значению. Взаимодействие их только с осадочными породами не может существенно повлиять на величину изотопного отношения, которое идентично и в первом и во втором случае. Такие рассолы формируют группу C.

Другая ветвь метаморфизации рассолов обусловлена их взаимодействием с породами глубинного генезиса, отличающимися повышенным содержанием ⁸⁷Rb, распад которого обеспечивает рост в породах и рассолах изотопа ⁸⁷Sr. В этом случае метаморфизация рассолов протекает по схеме реакции (4) и обеспечивает рост изотопного отношения до 0,720 и возможно выше (Shvartsev, 1998).

Все рассолы региона представляют собой ту или иную смесь двух ветвей метаморфизации, т.к. в той или иной мере взаимодействуют с обоими типами горных пород, хотя и в разной мере. Отсюда широкий разброс значений изотопного отношения Sr в рассолах (табл.1).

Зная изотопный состав Sr в исходной морской воде и горных пород, с которыми рассолы взаимодействуют, нетрудно рассчитать долю этого элемента, заимствованную из горных пород. Результаты таких расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Доля Sr, (P) в рассолах, заимствованная из алюмосиликатных (глубинных) минералов

Анализ приведенных в таблице данных показывает, что все без исключения рассолы характеризуются высокой долей Sr, заимствованного из алюмосиликатных минералов терригенной части пород или пород фундамента, т.к. за длительную геологическую историю (>0,5 млрд.лет) они могли контактировать с разными породами. Особенно высока доля Sr из пород в рассолах группы А (77,6%), которые соотвественно по общепринятым критериям и сильно метаморфизованы. Все это говорит о длительном взаимодействии этой группы рассолов с эндогенными горными породами и соответственно их метаморфизации за счет растворения преимущественно алюмосиликатных минералов.

Рассолы группы В содержат не только ⁸⁷Sr, но и Sr в целом в значительно меньших количествах. Это и понятно, поскольку речь идет об инфильтрационных водах, которые, однако, достаточно длительное время взаимодействовали с алюмосиликатами, что и подтверждают изотопные данные.

Рассолы группы С характеризуются наиболее низкими значениями изотопного отношения Sr, хотя степень метаморфизации их высока. Это связано с тем, что преобразование рассолов этой группы проходило в сульфатно-карбонатных породах, в которых количество терригенной составляющей незначительно, хотя и имеет место. В этом случае формируются высокоминерализованные и высокометаморфизованные рассолы с общей соленостью > 400г/л, но относительно слабо обогащенные радиогенным Sr (около 20%).

далее>>