Введение к работе
Актуальность. Исследование закономерностей формирования изотопного состава легких элементов в минералах, породах и природных растворах позволяет решить широкий круг проблем современной геохимии: установление источников материала, поступающего в магматические системы при контаминации расплавов, определение условий транспорта и отложения вещества в рудных системах, оценка роли водного флюида в процессах метаморфизма, метасоматоза и гидротермальной деятельности. Изучение формирования изотопно-геохимического облика пород, испытавших взаимодействие с флюидом, отчетливо связано с проблемами рудной геологии, поскольку породы являются транспортной средой для флюидных потоков в земной коре. Исследование поведения изотопно-геохимических характеристик природных вод и растворов в процессах взаимодействия с породами расширяет круг решаемых проблем, так как природные воды - это не только компонент рудообразующих систем, но и важнейший ресурс, не менее ценный, чем запасы углеводородов и минеральных ископаемых.
Для успешного применения легких элементов в области изотопной геохимии, требуется постоянное развитие методов масс-спектрометрического анализа, позволяющих повышать точность изотопных данных при уменьшении количества вещества.
Изотопные исследования геохимических процессов должны опираться не только на соответствующую аналитическую базу, но и на применение современных теоретических представлений. Создание моделей, адекватно описывающих наблюдаемые изотопно-геохимические характеристики природных объектов, является неотъемлемой стадией в получении новой количественной информации и понимании механизмов и путей протекания природных процессов.
Представленное исследование закономерностей поведения стабильных изотопов легких элементов заполняет существующие пробелы наших знаний о поведении изотопных систем легких элементов при контаминации расплавов и взаимодействии флюид-порода. Проведенные исследования в области методов изотопной масс-спектрометрии, полученные оригинальные данные и разработанные численные модели, адекватно описывающие исследуемые процессы, определяют актуальность данной работы.
В применении изотопных данных к исследованию природных объектов основным критерием служит внутренняя согласованность с геологическими, геохимическими и петрологическими данными. Соблюдение этого принципа, применявшегося при изучении каждого из объектов, рассмотренных в работе, определяет соответствие полученных результатов современным научным требованиям.
Цель работы состоит в выявлении закономерностей вариаций изотопного состава легких элементов минеральных ассоциаций, горных пород и природных растворов в различных геологических обстановках в зависимости от условий их формирования и
установлении источников вещества на основе современных аналитических и теоретических методов геохимии стабильных изотопов легких элементов.
Основные задачи работы.
-
Адаптация, модификация и совершенствование существующих методов изотопного анализа легких элементов для получения данных, обеспечивающих необходимую точность измерений природных вариаций изотопных отношений.
-
Получение оригинальных данных по изотопному составу Н, О, С и S в минералах, породах и природных растворах из различных геологических обстановок.
-
Обобщение современных экспериментальных и теоретических данных по коэффициентам равновесного фракционирования стабильных изотопов легких элементов и скоростям реакций изотопного обмена.
-
Обобщение и интерпретация изотопных данных, полученных для различных геологических объектов в контексте имеющихся геологических, геохимических и петрологических данных.
-
Описание выявленных закономерностей поведения стабильных изотопов легких элементов с помощью современных экспериментальных данных и методов математического моделирования.
Научная новизна.
Работа представляет законченное исследование проблемы формирования изотопного состава легких элементов в широком интервале геологических обстановок. Исследование вносит значительный вклад в развитие методов масс-спектрометрического и теоретического анализа в области геохимии стабильных изотопов легких элементов и их приложения к решению геологических задач. Работа основана на большом количестве полученных с применением современных методов изотопной масс-спектрометрии изотопных данных, интерпретация которых проведена с использованием оригинальных подходов, что обусловило получение новых научных результатов:
-
Впервые предложена оригинальная кинетическая модель поведения стабильных изотопов легких элементов в процессах растворения, кристаллизации и перекристаллизации минералов в закрытой относительно флюида системе.
-
Впервые рассмотрена изотопно-геохимическая систематика неогеновых гранитоидов района Кавказских Минеральных Вод (КМВ), вмещающих пород, анклавов и карбонатных проявлений гидротермально-метасоматического генезиса, которая легла в основу модели, описывающей процесс реакционной контаминации гранитоидных расплавов карбонатными породами. В рамках предложенной модели показано, что отсутствие изотопно-кислородного равновесия между расплавом и минералом-вкрапленником может определяться процессом реакционной контаминации в условиях быстрого остывания и низкой активности воды в расплаве.
-
Исследования гидротермального поля Лост Сити (30 ос.ш., САХ) впервые позволили проследить влияние процессов серпентинизации ультраосновных пород на формирование изотопных характеристик всех компонентов гидротермальной системы -флюида, пород массива Атлантис и материала карбонатных построек. Впервые показано, что формирование карбонатов построек Лост Сити из низкотемпературных (< 100 oC) растворов при повышенных значениях рН протекает без установления изотопно-кислородного равновесия в системах «карбонат-вода» и «растворенный карбонат-вода».
-
Использование для изотопной термометрии кварцевых жил метасоматически измененных зон околожильных вмещающих пород позволило впервые идентифицировать по изотопно-кислородным данным два этапа формирования рудной минерализации на месторождении Сухой Лог и показать, что прожилково-вкрапленный золотосульфидный тип минерализации начинал формироваться при более высоких температурах, чем жильный золото-кварцевый малосульфидный тип. Впервые проведена количественная оценка интегрального отношения флюид/порода на месторождении Сухой Лог на основе изотопно-кислородных данных.
-
Получены первые изотопные (18О и D) данные для водного компонента выбросов грязевых вулканов Таманского полуострова, указывающие на ведущую роль процессов постседиментационного преобразования минерального и органического вещества в формировании изотопных характеристик вод грязевых вулканов.
-
Впервые выявлена геохимическая и изотопная (18О и D) высотно-латеральная зональность для минерализованных вод Приэльбрусья и района КМВ, указывающая на постепенное изменение типа питания и возрастание влияния седиментогенного компонента в формировании вод в северном направлении от сооружений Большого Кавказа. Для минеральных вод Нагутского месторождения установлен удаленный транспорт питающих инфильтрационных атмосферных вод, которые поступают в гидрологическую систему в районе Передового хребта Большого Кавказа.
-
Впервые проведена трансформация модели интегрирования изотопных параметров инфильтрационных вод в зоне аэрации от сезонного типа наблюдений к многолетнему типу. При помощи численного моделирования результатов семилетнего мониторинга установлены времена фильтрации вод источников карьера Тулукуевского месторождения урана (Стрельцовское рудное поле, Восточное Забайкалье).
Основные защищаемые положения
-
Разработаны и реализованы алгоритмы масс-спектрометрического изотопного анализа легких элементов (Н, О, С, S) и калибровки данных, обеспечивающие анализ из небольших (от 0.1 мг) количеств вещества с точностью ±0.1-0.3 %о (1) для комплексного изотопно-геохимического исследования пород, минералов и природных вод. Определены критерии применимости кислотного выщелачивания и прямого фторирования при изотопном анализе кислорода содержащих карбонаты силикатных пород.
-
Разработана кинетическая модель поведения стабильных изотопов в процессах растворения-кристаллизации минералов в закрытой относительно флюида системе с изоляцией внутренних зон кристаллизующегося минерала, которая показывает, что локальное равновесие минерал-флюид является необходимым, но недостаточным условием термодинамического изотопного равновесия. Модель адекватно описывает возникновение кинетических изотопных эффектов в соответствующих экспериментальных и природных условиях.
-
На примере изотопно-геохимического изучения неогеновых гранитоидов района Кавказских Минеральных Вод предложена модель изменения изотопного состава кислорода гранитоидного расплава на фоне реакционной контаминации карбонатными породами в условиях быстрого остывания и низкой активности воды. Предложенная модель учитывает протекание реакций между расплавом и контаминантом с образованием минералов-вкрапленников и отделением углекислоты. Модель адекватно описывает изотопно-геохимическую специфику порфировидных гранитоидов и неравновесные изотопные соотношения вкрапленников с основной массой породы.
4. Ключевую роль в формировании изотопных (О, H, С, Sr) параметров
гидротермального флюида современной «природной лаборатории» Лост Сити (30 ос.ш.,
САХ) играют процессы серпентинизации ультраосновных пород массива Атлантис,
протекающие при повышенных температурах и низком соотношения флюид/порода.
Источниками растворенного карбоната, формирующего постройки поля Лост Сити
являются океанская вода и гидротермальный флюид, смешение которых контролирует
поведение изотопных (О, С, Sr) параметров гидротермальных построек.
5. Изотопные (18О, D) характеристики вод, формирующиеся на разной глубине и в
разной степени изоляции от современных атмосферных осадков, отражают разные
условия и длительность взаимодействия с породами. Максимально измененные
характеристики вод грязевых вулканов Тамани и Кахетии формируются при
постседиментационном преобразовании минерального и органического вещества.
Умеренно измененные характеристики минерализованных вод Приэльбрусья и
месторождений группы КМВ формируются в процессах удаленного транспорта
инфильтрационных вод вдоль северного склона Большого Кавказа и смешения с
седиментогенными водами. Минимально измененные характеристики вод источников
Тулукуевского карьера (Стрельцовское рудное поле, Восточное Забайкалье)
формируются по механизму интегрирования в порово-трещинном пространстве пород.
Теоретическое и практическое значение
Предложенная модель поведения стабильных изотопов в процессах растворения-кристаллизации может применяться как при экспериментальных исследованиях, так и при интерпретации данных для природных объектов. Установленные для ряда рассмотренных объектов условия формирования минеральных ассоциаций, протекания процессов контаминации расплавов и взаимодействия флюид-порода могут найти применение при составлении генетических моделей рудообразования, решения петрологических задач и послужить развитию представлений об источниках и потоках вещества в земной коре.
Практическое значение имеют результаты исследований формирования изотопных характеристик природных вод, являющихся невосполнимым минеральным и бальнеологическим ресурсом. Разработанный принцип оценки времени фильтрации вод с использованием многолетнего типа мониторинга изотопных характеристик имеет важное практическое значение для изучения геохимических процессов современного выщелачивания пород и решения экологических задач.
Фактический материал и личный вклад соискателя
Материал для исследования природных объектов был предоставлен сотрудниками ИГЕМ РАН А.А. Носовой (гранитоиды района КМВ), А.В. Чугаевым и Сарояном М.Р. (каменный материал по месторождению Сухой Лог), А.А. Петровым и В.Н. Голубевым (воды источников Тулукуевского карьера). Образцы карбонатов построек поля Лост Сити, гидротермальных растворов полей САХ и пород массива Атлантис были предоставлены А.Ю. Леин (ИО РАН) и С.А. Силантьевым (ГЕОХИ). Каменный материал по месторождению Акчатау был предоставлен Г.П. Зарайским и Ю.Б. Шаповаловым (ИЭМ РАН). Образцы вод грязевых вулканов Тамани и Кахетии, минерализованных вод Приэльбрусья - В.Ю. Лаврушиным (ГИН РАН). Частично полевой материал (образцы гранитоидов, карбонатных проявлений и минеральных вод района КМВ) был отобран автором лично.
Все изотопные данные, составляющие основу работы, получены автором, или при его непосредственном участии. Автором проводились интерпретация изотопных и геохимических данных, использование существующих методов моделирования, написание оригинальных моделей и проведение расчетов. Кинетическая модель поведения изотопов в процессах растворения-кристаллизации минералов разработана в соавторстве с Л.З. Лакштановым (ИЭМ РАН, Черноголовка). Экспериментальные работы проводились в ИЭМ РАН, совместно с сотрудниками института А.Л. Перчуком, В.С. Коржинской и К.И. Шмуловичем.
Проблематика исследований находилась в рамках научных тем Лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН разных лет. Исследования поддерживались РФФИ (проекты под руководством автора - 00-05-65053, 06-05-64817, 09-05-00584, 12-05-00860) и проектом в рамках Программы №4 ОНЗ РАН, соруководителем которого автор является.
Публикации и апробации результатов исследования
По теме диссертации опубликовано более 80 работ, из них 30 - статьи в рецензируемых журналах и 4 статьи в коллективных монографиях и сборниках. Результаты исследований докладывались на XII, XVI-XIX симпозиумах по геохимии изотопов им. А.П. Виноградова, I и IV Российских конференциях по изотопной геохронологии, международных конференциях по геохимии им. В.М. Гольдшмидта в 2004 (Копенгаген) и 2007 (Кельн) годах и других научных мероприятиях.
Структура и объем работы
