Дейтерий и кислород-18 воды азотных терм баунтовской группы (Байкальская рифтовая зона)

Изотопы воды рассматриваются как наиболее информативный показатель ее инфильтрационной, седиментационной или эндогенной природы. Общепринято считать, что инфильтрационные, первично атмосферные (метеогенные) воды по изотопному составу водорода соответствуют питающим их атмосферным осадкам [1, 2], тогда как по кислороду состав может изменяться из-за изотопного обмена с вмещающими породами. По результатам определений изотопного состава атмосферных осадков в различных точках земного шара была выявлена строгая линейная зависимость между концентрациями в них тяжелых стабильных изотопов воды – дейтерия и кислорода-18, которая по отношению к океаническому стандарту (SMOW) описывается уравнением δD = 8δ18O + 10 (‰) [3]. Соответствующая ему линия по имени автора публикации получила название линии (кривой) метеорных вод Крейга.

Исследованиями изотопного состава азотных терм Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) ранее было показано, что вода их имеет атмосферное происхождение. Вариации дейтерия и кислорода-18 в ней не выходили за пределы соответственно -108…-190 и -13,2…-19,6 ‰ [4] при изменениях в водах атмосферных осадков, рек и озер Восточной Сибири от -65 до -190 по D и от -9 до -20 ‰ по 18O [5]. Эти выводы не стали, однако, препятствием для поиска новых доказательств эндогенного источника воды терм, теперь уже не в результате глубинного (магматогенного) ее поступления, а вследствие образования из исходного сухого углеводородного мантийного флюида [6]. Последние изотопные измерения состава терм не меняют устоявшихся представлений об их атмосферном происхождении. По данным [7], в термах Северного Прибайкалья относительные содержания дейтерия изменяются от -141,9 до -172,2 ‰ и кислорода-18 – от -18.9 до -25 ‰ при относительных концентрациях 18O в речных водах этого региона от -16,9 до -21,47 ‰. Поскольку некоторыми исследователями считается, что возраст азотных термальных вод БРЗ может достигать 1,5 млн лет, более легкий состав терм по кислороду в сравнении с речными водами в приведенной ссылке объяснен их питанием в период плейстоценовых оледенений ледниковыми водами, которые должны иметь облегченный изотопный состав. Полученные нами данные по термальным источникам Баунтовской группы, хотя и отличаются от этих определений в сторону утяжеления по обоим изотопам, укладываются в пределы значений для поверхностных вод Сибири.

Объекты и методы исследований

Рассматриваемые термальные источники находятся в БРЗ в бассейне р. Ципа – левого притока р. Витим. По географической широте они занимают промежуточное положение между источниками в бассейнах Верхней Ангары и Баргузина. Опробование их выполнено 17-19 ноября 2009 г. Условия разгрузки терм Баунтовской группы детально описаны ранее [8]. Изотопы кислорода и водорода воды определялись на установке Finnigan-MAT 252 (Германия) в Аналитическом центре Дальневосточного геологического института ДВО РАН в нефильтрованных пробах, отобранных в стеклянные бюксы с плотными крышками в соответствии с рекомендованной методикой.

Результаты и обсуждение

Полученные данные по изотопному составу (табл.) принципиально не отличаются от имевшихся по термам БРЗ, хотя заметно разнятся по рассматриваемой группе источников. По данным Ломоносова [4], источники имели следующий изотопный состав по дейтерию и кислороду-18 соответственно (в ‰): Баунтовский – -113,0 и -13,2; Могойский – -128,0 и - 15,9; Бусанский – -120,0 и -13,2; Шурин-динский – -126,0 и -13,5. В числе исследованных нами термы наиболее высокотемпературного в БРЗ Могойского источника, как и по предшествующим определениям, имеют наиболее легкий изотопный состав, что само по себе снимает вопрос о возможном участии глубинных флюидов в составе водной фазы терм БРЗ. Кроме дейтерия по Шуриндинскому источнику содержание тяжелых изотопов по [4] было выше.

Как следует из таблицы, для рассматриваемых терм характерны относительно узкие интервалы изменения изотопных отношений – 2,6 ‰ по 18O и 16,2 ‰ по D, что можно объяснить небольшими вариациями изотопного состава в источниках водного питания. В термах Сихотэ-Алиня, к примеру, эти интервалы шире – соответственно 10,0 и 66,1 ‰ [9], при этом в атмосферных осадках и поверхностных водах Приморья они достигают 18 ‰ (от -8 до -26) по кислороду-18 и 140 ‰ (от -60 до -200) по дейтерию [8]. Наблюдается правосторонний по отношению к линии Крейга кислородный сдвиг в термах (рис. 1), обусловленный, согласно принятым представлениям [2], изотопным обменом с породами. Исходя из приведенного выше уравнения для метеорных вод, изотопный сдвиг составляет 0,411,25 ‰, или 2,0-8,2 % от относительных концентраций изотопов.

Из полученных данных видно, что не прослеживается взаимосвязь изотопного состава воды ни с разницей в широтном положении терм, которая в общем незначительна, ни с абсолютными высотами их местоположения, ни с температурой. По сравнению с термами Прибайкалья воды рассматриваемых источников имеют заметно более тяжелый изотопный состав водорода и кислорода, хотя находятся с ними в сходных орографических условиях. Поскольку в обоих случаях анализы выполнялись в Аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН, установленные различия, по-видимому, реально существуют и требуют объяснения.

Необходимо обратить внимание на отчетливо выраженное отклонение от линии метеорных вод с утяжелением воды по дейтерию (рис. 1) – наклон линии тренда более пологий. Такой наклон характерен для открытых водоемов, что объясняется кинетическим изотопным эффектом при неравновесном испарении [1]. В этом случае коэффициент фракционирования кислорода-18 по сравнению с равновесным в системе «жидкость – пар» возрастает быстрее, чем у дейтерия (вода обогащается тяжелым кислородом в большей степени, чем дейтерием). В какой-то мере с этим же эффектом связано и наблюдаемое отклонение от линии Крейга по термам Баунтовской группы. Пробы отбирались при интенсивном испарении горячих вод, источники были видны издали по столбам пара над ними. При этом сток воды в местах отбора проб на источниках Бусанском и Шуриндинском, имеющим наиболее утяжеленный состав, был незначителен, доля испарения в расходных статьях водного баланса в опробованных выходах была выше, чем по другим источникам. Естественно, параллельно происходит утяжеление и по водороду.

Таблица

Изотопный состав воды термальных источников Баунтовской группы

Рис. 1. Соотношение изотопов кислорода и водорода в азотных термах Баунтовской группы: 1 – точки изотопного состава термальных вод; 2 – линия метеорных вод Крейга

Источник	Координаты, с.ш.	Абс. отм., м	T°, C	pH	Si, мг/л	δ18O SMOW , ‰	δD SMOW , ‰	Сдвиг по δ18O
								‰	%
Точинский	55°06,143'	950	56,1	8,77	35,5	-16,7	-128,5	0,61	3,7
Баунтовский	55°07,519'	1017	52,0	8,93	32,5	-16,1	-123,7	0,61	3,8
Могойский	55°28,436'	1099	83,7	8,85	46,2	-17,7	-134,9	0,41	2,3
	-“-	-“-	65,3	8,92	49,6	-17,8	-135,3	0,36	2,0
Бусанский	55°21,101'	1050	55,2	8,68	28,2	-15,2	-121,6	1,25	8,2
Шуриндинский	55°13,565'	1012	67,0	8,88	28,9	-15,1	-119,1	1,04	6,9

Испарением, несмотря на его влияние в определенных условиях на изотопный состав терм, все же сложно объяснить разброс изотопных характеристик близко расположенных термальных источников, формирующихся в одних геолого-структурных, орографических и климатических условиях. В связи с этим необходимо обратить внимание на корреляцию изотопных отношений с содержанием кремния в термах – наблюдается довольно строгая обратная зависимость между ними (рис. 2), которая ранее исследователями не рассматривалась, но, по всей видимости, не может быть случайной. Она указывает, по нашему мнению, на существование изотопного фракционирования в процессе взаимодействия в системе «вода-порода» не только по кислороду, но и по водороду, хотя последнее противоречит утвердившимся в изотопной геологии взглядам.

Si, мг/л

Si, мг / л

Рис. 2. Зависимость между относительными концентрациями дейтерия и кислорода-18 и содержанием кремния в азотных термах Баунтовской группы

Источником кремния в термах являются водовмещающие алюмосиликатные породы, господствующие на территории БРЗ. Их растворение происходит с разложением воды. Первоначально при взаимодействии воды с первичными минералами образуется выщелоченный поверхностный слой, в котором катионы замещаются на ион водорода [11]. Уже на этой стадии возможно изотопное фракционирование водорода. Но основное разложение воды происходит при гидролизе алюмосиликатов, продуктами которого являются образующиеся вторичные минералы. На самом начальном этапе – это гидроксиды алюминия (гиббсит), которые сменяются каолинитом, затем монтмориллонитами и т.д. Возможность фракционирования изотопов воды, как и связь его с переходящей в раствор кремнекис-лотой, видна на примере реакции гидролиза форстерита и анортита [1]:

Mg 2 SiO 4 + CaAl 2 Si 2 O 8 + 6H 2 O + 5CO 2 = Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + CaCO 3 + 2Mg²⁺ + 4HCO 3 ^– + H 4 SiO 4

Таким образом, полученные данные по изотопному составу воды изученных термальных источников не расходятся с выводом о ее метеогенном происхождении, но в то же время корреляция изотопных отношений с концентрациями растворенной кремнекислоты дает основание предполагать возможность фракционирования изотопов и кислорода, и водорода в процессе взаимодействия воды с вмещающими породами.