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

Изотопный состав углерода

Концентрация СН₄ в горячих растворах САХ изменяется от 65 до 2310 мкМ (табл. 1). Минимальные концентрации СН₄, наряду с самым высоким отношением Н₂/СН₄, характерны для флюида молодого поля Брокен Спур. Возможно, что на начальных этапах формирования гидротермальной системы поступление в нее бикарбоната (и растворенного С_орг ) с морской водой было ограничено. В этом случае синтез СН₄ происходит сравнительно медленно, с заметным разделением изотопов углерода ( ¹³ С-СН₄ = - 18,0, табл. 1). При этом большая часть Н₂ не утилизируется и остается в растворе.

В долгоживущей гидротермальной системе ТАГ, напротив, отношение Н₂/СН₄ во флюиде указывает на почти равное содержание Н₂ и СН₄ в растворе, что говорит о достаточном количестве углерода, поступающего с морской водой, и об активном процессе метаногенеза, с меньшим, чем на Брокен Спур, разделением изотопов углерода СН₄ ( ¹³ С-СН₄ = - 14,6, табл. 1).

Во флюидах активных полей Логачев и Рейнбоу отношение Н₂/СН₄ составляет соответственно 5,4 и 5,9, что также свидетельствует об ограниченном количестве углерода при синтезе метана в этих двух гидротермальных системах и о неполной утилизации Н₂ в процессе метаногенеза.

Как уже упоминалось, происхождение метана во флюидах Логачев и Рейнбоу, в отличие от всех ранее известных полей, связано с серпентинизацией ультрабазитов по известной реакции:

Рис. 3. График зависимости отношения СН4/С2Н6 + С3Н8 и d13С-СН4 для метана различного генезиса

и с последующим образованием СН₄ при взаимодействии водорода и растворенного бикарбоната морской воды;

СО₂ + 4Н₂ СН₄ + 2Н₂О .

Углерод метана ( ¹³ С-СН₄ = - 13,4 - 14,3 ) и СО₂, остаточной от процесса метаногенеза ( ¹³С-СО₂ = 1 - 4,3 ), во флюиде Рейнбоу обогащен тяжелым изотопом соответственно на 1-10 и на 1-5 сравнительно со всеми известными значениями углерода во флюидах других районов океана (табл. 1, рис. 3). Скорее всего, это объясняется высокой скоростью процесса метаногенеза в присутствии Ni-Fe катализатора при серпентинизации ультрабазитов [Horita and Berndt, 1999].

Измерение изотопного состава С_орг в сульфидных рудах показало, что значения ¹³ С варьируют от - 21,4 до - 27,9 (табл. 3), составляя в среднем - 24,7. Разброс изотопных данных свидетельствует о нескольких генетически неоднородных источниках С_орг в рудах.

Проблема происхождения органического вещества в гидротермальных сульфидных рудах представляет интерес с точки зрения возможного абиогенного синтеза СН₄ и УВ в гидротермальных системах. Очевидно, что часть органического вещества руд имеет биогенное происхождение, связанное как с нормальным седиментационным осаждением С_орг на дно из фотической зоны, так и с бактериальными процессами хемосинтеза и метанотрофии, протекающими на активных гидротермальных полях дна океана на глубинах более 2-х км и достигает менее 1% от величины первичной продукции фотосинтеза. Содержание С_орг в отложениях пелагиали океана составляет 0,5%, а чаще всего 0,05-0,1%. В то же время, в отложениях активных гидротермальных полей даже на глубине 3700 м (ТАГ) содержание Сорг может возрастать до 1-2% [Леин и др., 1998]. Значения ¹³ С-С _орг. отложений океанского дна ( - 21,0 - 23,0 ) изотопно тяжелее средних значений ¹³ С-С_орг гидротермальных сульфидных руд. Предполагается, что рост содержания С_орг в гидротермальных отложениях обязан, главным образом, продукции бактериального синтеза. Биомасса бактерий-хемоавтотрофов и метанотрофов, продуцирующих ОВ на активных гидротермальных полях, может существенно различаться по изотопному составу углерода. Так, ¹³ С-С_орг биомассы свободно-живущих бактерий в водной толще над выходами флюидов изменяются от - 22,6 до - 27,5 (табл. 4), в то время как ¹³ С-С_орг биомассы прикрепленных "бентосных" бактерий, живущих на твердом субстрате в виде бактериальных обрастаний или матов, изотопно-тяжелее (табл. 5, ¹³С = - 8,6 - 22,0 ). Легкий изотопный состав органического углерода бактерий из водной толщи (табл. 4) отражает очень медленный процесс синтеза ОВ при отсутствии лимита по СО₂, растворенной в воде. "Бентосные" бактерии, напротив, могут оказываться в условиях лимита по СО₂ при очень активном процессе окисления эндогенных восстановленных соединений гидротермального флюида. Доля участия биомассы этих 2-х групп продуцентов в формировании изотопного состава С_орг руд может быть различной.

В рудах широко распространены остатки животных гидротермального сообщества. Следовательно, в сульфидных постройках наряду с микробной биомассой может захороняться биомасса животных, в основании пищевых цепей которых лежит также бактериальная продукция хемосинтеза и метанотрофии.

Основная масса биологического сообщества гидротермальных полей представлена эндо- или экзосимбиотрофными животными. Имеется обширная литература, из которой следует, что биомасса животных гидротермальных сообществ или обогащена тяжелым изотопом (группа животных с ¹³ С_орг = - 11,0 ), или обеднена им (группа животных с ¹³ С_орг = - 30,0 ) относительно углерода глубоководных морских организмов САХ (табл. 6).

Изотопный анализ С _орг жирных кислот (липидов), выделенных из сульфидных руд САХ, изменяется от - 19,0 до - 23,0 (табл. 7). Значения ¹³ С углерода жирных кислот из биомассы бактерий-эпибионтов креветок Rimicaris exoculata, доминирующих в гидротермальных сообществах САХ, изменяется от - 12,0 до - 13,0 [Rieley et al., 1996]. Значения ¹³С углерода индивидуальных жирных кислот из биомассы этих же креветок варьирует от - 11,0 до - 11,4 (табл. 7).

Приведенные данные по изотопии безусловно биогенного углерода биомассы бактерий и животных, в том числе углерода, входящего в состав жирных кислот, не объясняют обеднение изотопом ¹³С общего С_орг сульфидных руд САХ. Следовательно, можно предположить, что в рудах присутствует С _орг иного происхождения, например, абиогенно синтезированные УВ.

Хромато-масс-спектрометрические исследования жирных кислот из сульфидных руд Брокен Спур и Логачев в сочетании с масс-фрагментографическим анализом показали заметную разницу в их составе, в частности, высокое содержание сложных многоатомных нефтеподобных н-алканов в рудах Логачев и Рейнбоу, не

Рис. 4. Изотопный состав углерода на активных гидротермальных полях САХ

связанных напрямую с биогенным синтезом [Богданов и др., 1999; Леин и др., 1998; Пересыпкин и др., 1999]. В рудах Брокен Спур молекулярный состав н-алканов представлен в основном биогенными липидами (С₁₆- С₁₉, С₂₅ ). Изотопный состав углерода нефтяных углеводородов сульфидных руд не однороден и изменяется от - 24,7 до - 31,2 (табл. 8). Среднее значение ¹³ С= - 27,5. Таким образом, комплекс проведенных биохимических, изотопных, биогеохимических и хроматографических исследований позволяет говорить о сложной полигенной природе органических соединений в сульфидных рудах (рис. 4) и о большем вкладе предположительно абиогенно синтезированных н-алканов в состав С _орг гидротермальных руд, вмещающими породами которых являются серпентиниты.