Факторы образования изотопных аномалий углерода в осадочных породах

Аномальным (отклоняющимся от нормы) углерод может быть тяжелым или легким. Сочетание этих аномалий изотопного состава углерода в архейско-протерозойском Карельском комплексе, в состав которого входит шунгитоносная толща, было названо fl. Э. fiдовичем [9] карельским изотопным феноменом, определяемым аномально легким изотопным составом углерода в шунгитовой толще и аномально тяжелым в «подшунгитовых» доломитах. Цитируемая статья замечательна тем, что в ней убедительно показана непри-ложимость к объяснению подшунгитового аномального утяжеления углерода традиционной модели, связывающий этот процесс с деятельностью бак-терий-метаногенов: «доломитовая толща содержит необыкновенно тяжелый углерод, а комплементарных масс органического углерода здесь нет и в помине!» [9, с. 1 1]. По нашему мнению, это противоречие устраняется с привлечением к объяснению утяжеления углерода в подшунгитовых доломитах метаногенерацией, не связанной с развитием бактерий-метаногенов, отсутствующих в них в виде фоссилизи-рованного органического вещества. Утяжеление углерода может быть объяснено поступлением водорода в бассейны седиментации и вовлечением в реакции образования метана: 4H2 + CO2 = 2H2O + CH4, связывающего в своем составе в основном легкий изотоп углерода, так что углерод, входящий в состав карбоната, аномально утяжеляется. Эффективность этого процесса показана в работе [12]. Образующийся метан мигрировал или вплетался в отложение вышележащих черносланцевых пород, дополнительно способствуя облегчению в них изотопного состава углерода.

С другой стороны, для шунгитовой толщи характерно обилие органического аномально легкого углерода. Это, по мнению fl. Э. fiдовича, позволяет привлечь для его образования деятельность бактерий-метанотрофов, производящих

*Институт экспериментальной минералогии РАН

**Институт проблем химической физики РАН

«бактериальное органическое вещество с аномально легким углеродом» [9, с. 11]. При этом им подчеркивалась возможность образования органического (т. е. восстановленного) углерода не только биогенным, но и абиогенным путем, как, например, в углистых хондритах. По нашему мнению, не только в шунгитовой толще Карелии, но и вообще в черносланцевых толщах Земли аномально легкий углерод имеет в основном абиогенное происхождение. Чтобы убедиться в этом, необходимо привлечь данные по геохимии черных сланцев, суммированные в книге [8]. Черные сланцы являются углеродистыми осадочными образованиями ванадиевого геохимического профиля. Аномально высокие содержания в них ванадия (до 2 %) и многих других рудных металлов не позволяют рассматривать их генезис в приповерхностном чисто осадочном аспекте, свидетельствуя о привносе вещества из глубины, причем углеводородными флюидами, создающими аномально облегченный углерод. Это сближает образование черных сланцев с генезисом нефти ванадиевого типа, геохимически аналогичной черным сланцам по многим параметрам, в том числе по легкому изотопному составу углерода и аномально высоким концентрациям ванадия и других рудных металлов. Нефти ванадиевого типа геохимически аналогичны регионально распространенным в осадочных депрессиях углеродистым отложениям (черным сланцам), среднее содержание ванадия в которых (205 г/т) почти вдвое выше, чем в бедных углеродом осадочных породах (110 г/т). Оно аномально поднимается в них до нескольких килограмм на тонну, придавая черным сланцам металлогеническое значение. «Концентрационная функция живого вещества в отношении ванадия не могла создать его аномалии в черных сланцах» [8, с. 76]. Этот вывод можно распространить и на генезис нефтей, залежи которых в платформенных депрессиях могут совмещаться с черными сланца- ми, определяя их название «нефтяные сланцы» (oil shales). Однако, в отличие от нефтяных залежей, расположенных большей частью на больших глубинах (5—6 км) под значительным давлением, нефтяные сланцы залегают неглубоко и отражают подъем нефти до близких к поверхности слоев осадочных депрессий. Невысокое давление допускало селективную миграцию из нефти водорода с образованием тяжелых углеродистых веществ (в том числе и шунгита). С этой точки зрения, прохождение ранней стадии образования нефтяных сланцев было необходимым условием развития черносланцевых формаций.

Только на основе изложенных представлений можно объяснить удивительное геохимическое соответствие черных сланцев и нефти ванадиевого типа, наиболее богатой многими рудными металлами. Их соответствие прослеживается даже в историческом аспекте: в геологической истории самое эффективное накопление ванадия происходило в черных сланцах мела, в которых среднее его содержание равно 590 г/т [8]. Это коррелируется по времени с максимумом нефтеобразования на Земле: в России 71 % запасов составляет нефть мелового возраста [6].

Дискретность нефтеобразования в геологической истории характеризуется максимумами его интенсивности [2]. Наиболее высокий максимум приходится на позднемезозойское время. Характерно, что этот максимум нефтеоб-разования коррелируется со спецификой развития расплавного земного ядра и соответствует максимальному снижению частоты инверсии порождаемого им геомагнитного поля (см. рисунок). Согласно Милановскому Е. Е., частота магнитной инверсии коррелируется с фазами глобального тектонического развития земной коры. Фазы ее сжатия отвечают учащению инверсии магнитного поля, тогда как в фазах ее растяжения инверсия магнитного поля становится редкой и может длительно отсутствовать, как, например, в меловой период. В фазы замедления инверсии «происходил рост мантийных плюма-

жей, служивших главными каналами подъема глубинного тепла» [5, с. 46]. Согласно Маракушеву А. А. [3], это связано с усилением дегазации жидкого земного ядра, проявляющейся образованием сквозьмантийных плюмов. Вовлеченность ядра в процессы, происходящие в земной коре, изменяют представления о тектоносфере: «тектоносферой следует считать всю область Земли от коры до ядра, находящегося на глубине 2900 км» [7].

В геологической истории фаза предельного замедления инверсии магнитного поля отвечает возрастному интервалу 125—69 млн лет, который коррелируется с главным максимумом интенсивности нефтеобразования, превышающим позднекайнозойский максимум. Мезозойский период поэтому и является наиболее продуктивным в рассматриваемом отношении.

в своем размещении в осадочных бассейнах дислокациями и залегают большей частью в их основании или во взброшенном кристаллическом фундаменте [1], что не позволяет предполагать под ними «продуцирующих» осадочных горизонтов.

В работе [4] термодинамически аргументируется генерация углеводородов в мантийных очагах, которые синтезируются благодаря развитию геоди-намического режима сжатия мантийного субстрата, препятствующего селективной миграции водорода из флюидов, исходящих из земного ядра, например, 5Н2 + 2СО = С2Н6 (этан) + 2Н2О или 41Н2+20СО = С20Н42 (эйкозан) + + 20Н2О. Повышение флюидного давления при этом стимулировало развитие замещения магмами мантийного субстрата, сопровождаемого их ощелачиванием [3]. В минералах щелочных что стимулирует образование карбонатов, содержащих аномально легкий углерод, унаследованный ими от углеводородов. Карбонаты пород такого типа описаны в статье [10]. Породы аномально богаты барием и стронцием, что обоснованно связывается fl. Э. fiдовичем с их привносом углеводородными (метановыми) флюидами. Происхождение углеводородных флюидов сопряжено, по нашему мнению, с развитием ощелачивания магм в мантийных очагах. Привнос ими сильных оснований (BaO, SrO) может служить дополнительным подтверждением таких представлений.

СО₂ с аномально легким углеродом, величина д¹³С ( ° / °° ) которого изменяется от ‒20.7 до ‒34.6 [11], обнаружен в углекисло-водно-углеводородных флюидных потоках, восходящих из диатрем (vents), распространяющихся в океанах вдоль срединноокеанических

1111111111111119111111111111111111111II

I IIIIIIIIIIIIIIIHI

0          2040

11—[-Плейстоцен |:

Ч—Плиоцен  „~

II I Миоцен |Олигоцен| Эоцен

Изложенное представление о прямом генетическом соответствии черных сланцев и нефти ванадиевого типа противоречит традиционной трактовке их взаимоотношений. Черные сланцы обычно рассматриваются как материнские по отношению к нефти: «существенно карбонатные материнские породы отдают ванадий нефтям гораздо легче, чем существенно глинистые» [8, с. 103]. Традиционно предполагается, что «погружаясь на глубины, где температура в недрах достигает 70— 100 °С, черные сланцы продуцируют огромные количества нефти и углеводородных газов» [8, с. 33]. Но в этом случае благодаря эффекту истощения черные сланцы были бы геохимически контрастны по отношению к ванадиевой нефти, а они ей соответствуют по положительным аномалиям содержания металлов. Соответствие прослеживается и по изотопно-легкому углероду, тогда как экстракция из черных сланцев углеводородов должна была бы приводить к утяжелению в них углерода, как это прослеживается в «подшунгитовых» породах в Карелии [9]. Однако главное доказательство ошибочности традиционных представлений определяется геологическими условиями залегания нефтяных залежей, которые контролируются

60         80         100          120        140         160

Палео-I цен |

Верхний мел

Нижний мел

МЛН. лет

Юра

Шкала инверсии геомагнитного поля Земли пород неизменно помимо метана представлены более тяжелые углеводороды [13]: С 2 Н 6 , С 3 Н 8 , С 4 Н 10 , С 5 Н 12 .

Таким образом, эндогенное образование изотопных аномалий углерода, в осадочных толщах определяется двумя факторами, сходными по природе, но противоположными по направленности создаваемых ими аномалий. Оба фактора обусловлены привносом в системы осадконакопления водорода, порождающего или сильный эффект утяжеления углерода, входящего в состав карбонатов, или метана и других углеводородов, определяющих эффективное облегчение углерода во всех его минеральных проявлениях. В том и другом случае главную роль играет метан. В первом случае он образуется под водородным воздействием СО2 + 4Н2 = СН4 + + 2Н2О и мигрирует, унося с собой в основном легкий изотоп углерода. Во втором же случае привносимые метан и другие углеводороды служат источником легкого углерода образующихся минералов. В простейшем случае потеря метаном водорода сопровождается образованием самородного углерода (СН4 = С + 2Н2) — типичного минерала черных сланцев. В более окислительной обстановке происходит образование углекислоты (СН4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2), хребтов в связи с образованием сульфидоносных черных курильщиков. В цитируемой работе они описаны на северо-востоке Тихого океана в обширной провинции Main Endeavour, на севере хребта Хуан-де-Фука. Провинция распадается на две области развития диатрем (Dead Dog и ODP Mound), во флюидных струях которых помимо СО2 и Н2О содержится метан и множество более тяжелых углеводородов: С2Н6, С3Н8, С4Н10, С6Н6 (бензол) и С7Н8 (толуол). В этих соединениях углерод метана отличается крайне низкой величиной д13С (/°°), варьирующей от -50.8 до ‒54.3, принципиально отличаясь от углерода СО2, характеризующегося цифрами от ‒20.7 до ‒27.8 в диатремах площади Dead Dog и от ‒24.8 до ‒34.6 на площади ODP Mound. В это же время углерод СО2 хорошо коррелируется по этой величине с углеродом более тяжелых углеводородов, характеризующихся следующими цифрами: от ‒20.2 до ‒23.6 (Dead Dog) и от ‒20.0 до ‒25.3 (ODP Mound). Из приведенных цифр следует, что СО2 возникал в результате окисления в основном не метана, а более тяжелых углеводородов, которым он соответствует по изотопному составу углерода. Вероятна следующая реакция его образования из 3

толуола под воздействием воды (на примере диатремы Inspired Mounds, Dead Dog): С7Н8 (д13С = ‒20.2) + + 14Н2О = 7СО2 (д13С = ‒20.7) + 18Н2.