Изотопы серы и углерода на активных гидротермальных полях Срединно-Атлантического хребта

Изотопный состав серы

Рис. 2. Гистограмма значений d34S серы сульфидных руд активных гидротермальных полей САХ

Первые данные по изотопному составу серы сульфидных руд, отобранных с поверхности ТАГ, показали существенное обогащение входящей в их состав серы тяжелым изотопом ³⁴S [Леин и др., 1991, 1993]. В 1994 г. с помощью ГОА "Мир-1" и "Мир-2" была собрана и проанализирована более представительная коллекция сульфидных руд с поверхности рудного холма ТАГ (рис. 2а). Колебания значений ³⁴S наблюдались в пределах от 2,2 до 11,2.

Изотопные исследования сульфидных руд и сульфидсодержащих пород, слагающих холм ТАГ, были проведены также на образцах, полученных при глубоководном бурении холма в 1995 г. [Gemmell and Sharpe, 1998]. Всего этими авторами было изучено 103 пробы. Средняя величина ³⁴S сульфидной серы составила 7,2 при вариациях от 0,35 до 10,27.

Анализ материалов бурения показал, что длинная история гидротермальной активности ТАГ состоит из чередований высокотемпературных и холодных периодов. Для объяснения тяжелого изотопного состава сульфидной серы привлекается возможность проникновения холодной морской воды в рудное тело, в результате которого растворялись сульфатные минералы (гипс, ангидрит и др.), утяжеляя изотопный состав серы сульфидов на последующем восстановительном этапе жизни гидротермального холма. Следует заметить, что бурение проводилось на флангах, а не в центре холма, где возможно большее участие сульфата океанских вод в формировании рудного раствора по сравнению с центральной активной зоной, находящейся под влиянием горячего глубинного флюида.

Таким образом, анализ большого массива данных подтвердил выводы об аномально высоком содержании тяжелого изотопа серы в рудах гидротермальной системы ТАГ.

Проведено определение изотопного состава серы в образцах сульфидных руд (рис. 2б) и в Н₂S из 2-х проб горячего флюида (табл. 1). Трубообразные постройки и шпилевидные сульфидные образования представлены преимущественно халькопирит-изокубанит-пирротин-ангидритовой минеральной ассоциацией. Массивные сульфиды с поверхности холмов и из основания труб состоят из пирита и сфалерита.

Исследования проб сульфидопроявления Брокен Спур показало различие не только в минеральных парагенезисах, но и в изотопном составе серы в рудах с поверхности холмообразных построек по сравнению с рудными трубами (chimneys). Пирит-сфалеритовые и сфалерит-пиритовые руды, слагающие поверхность холмов и основания труб, обеднены тяжелым изотопом по сравнению с изокубанит-халькопиритовой ассоциацией собственно трубообразных построек в среднем на 1. По изотопным и текстурно-структурным данным предполагается, что медьсодержащие сульфиды сформировались из более поздних растворов, в образовании Н₂S которых принимала участие сера сульфат-иона морской воды, контактирующей с горячими базальтами.

Близкие значения ³⁴S сульфидов приводятся для руд проявления Снейк Пит [Kase et al., 1990]. Имеющиеся данные по изотопному составу серы сульфидных руд из осевых гидротермальных циркуляционных систем I типа как будто бы в общих чертах подтверждают предложенную модель приуроченности изотопно-тяжелых руд к долгоживущим системам, а изотопно-легких - к молодым (рис. 2).

Гидротермальный флюид поля Логачев исследовался нами в 1998 г. в 41 рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш". Значения ³⁴S серы растворенного H₂S (табл. 1) и сульфидной взвеси варьировали от 2,2 до 2,8, т.е. были заметно обеднены изотопом ³⁴S по сравнению с серой сульфидных руд, среднее значение ³⁴ S которой равно 7,6 (рис. 2). Минеральные ассоциации и текстурно-структурные особенности руд детально описаны в работе Богданов и др. [1997]. Исследования выявили неоднородность изотопного состава серы сульфидных минералов. Авторы цитируемой работы говорят о двух противоположных тенденциях "в изменении соотношения изотопов серы в более поздних минералах: в сульфидах, кристаллизующихся на стенках канала, увеличивается доля легкого изотопа серы, а в сульфидах, замещающих ранние минералы или отлагающихся на внешних стенках постройки, повышается доля изотопно-тяжелой серы".

Наличие этих двух тенденций Богданов и др. [1997] объясняют двумя процессами. Во внешних зонах постройки обогащение серы сульфидов изотопом ³⁴S вызвано участием в сульфидообразовании сульфат-иона океанской воды, а увеличение доли изотопно-легкой серы в сероводороде флюида и в наиболее поздних минеральных ассоциациях сульфидов может быть результатом вскипания минералообразующего флюида.

Итак, в процессе сепарации (вскипания) флюида изотопно-легкий сульфид ( ³⁴ S = 2,2-2,8, табл. 1) может оставаться в растворе и достигать поверхности дна в составе горячего флюида, частично осаждаясь в порах и трещинах ( ³⁴ S = 3,4, рис. 2в), а изотопно-тяжелые сульфиды осаждаются в подповерхностных условиях, возможно, образуя там штокверковые и жильные рудные тела.

Исследование поля Рейнбоу проводилось нами осенью 1998 и 1999 гг., в 41, 42 рейсах НИС "Академик Мстислав Келдыш". Рудный материал в коллекции представлен фрагментами неактивных и активных труб и массивными сульфидами из тел самих построек (свалы руд). Руды из отдельно стоящих курильщиков состоят из сульфидов Fe, Cu, Zn, часто с преобладанием цинковой минерализации. Руды из внешней зоны гидротермальных холмов имеют преимущественно медную специализацию. Во всех рудах присутствуют сульфиды железа - пирротин, пирит или марказит. По данным рентгенофлуоресцентного анализа в типичной сфалеритовой руде содержание Zn составляет около 30%, Cu~8%, Fe~18%, S~20%, Co~0,4%. В типичной медной руде - Zn~1,6%, Cu~22%, Fe~45%, S~22%, Co~0,9%. Среди основных минеральных фаз следует отметить высокотемпературный кубанит, содержащий 1,3% Со, несколько генераций сфалерита, в том числе его железистые разности (до 18% Fe), а также пирротин и пирит. Выделены три основные парагенные минеральные ассоциации: ранняя - пиритовая, главная - пирротин-пирит-сфалерит-халькопиритовая (кубанитовая) и поздняя - марказит(?)-пирит-халькопирит(+ борнит и ковеллин)- Fe-сфалеритовая.

Значения ³⁴S сульфидной серы колеблются в пределах от 0,5 до 12,2. Наиболее поздние минералы - относительно крупные кристаллы (1-3 мм) халькопирита из центрального канала средней части трубы и тонкодисперсный железистый сфалерит из верхней части трубы - обеднены тяжелым изотопом ³⁴S и имеют значения ³⁴ S соответственно 0,5 и 0,6 (рис. 2г).

Значения ³⁴ S растворенного сероводорода исследованных нами горячих флюидов поля Рейнбоу изменяются от 2,4 до 3,1 (табл. 1). С помощью приборов, установленныых на ГОА "Мир-1", на поле Рейнбоу, так же как на поле Логачев, наблюдалось пульсационное чередование выходящих на поверхность высокосоленых и опресненных разнотемпературных (Т^o = 220-360^o) флюидов. Это свидетельствует в пользу явления подповерхностной фазовой сепарации гидротермального раствора, приводящей, так же как на поле Логачев, к фракционированию химических элементов и их изотопов.

Анализ приведенных данных показал, что пределы вариаций значений ³⁴ S cеры современных полиметаллических гидротермальных сульфидных руд в океане (0,3 12,2 ) совпадают практически с пределами значений ³⁴S серы древних полиметаллических залежей на континентах [Krouse and Grinenko, 1991]. Средний изотопный состав серы гидротермальных руд континентов оценивается этими авторами величиной ~3,5, средний изотопный состав серы гидротермальных руд четырех активных полей САХ составил 4.